聚合反应器的分类介绍概述共28页
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7-聚合反应器
k 22
2
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M 式中， 1 及 M 2分别表示末端为 M 1 及 M 2 的活性链。单体 M 1 及 M 2的消失速率分别为
d M 1 dt k11 M 1 M 1 k 21 M 2 M 1 7. （7.16） d M 2 dt k12 M 1 M 2 k 22 M 2 M 2 两式相除得
7.2 聚合反应动力学
7.2.1 逐步缩合聚合
7.2.2 均相游离基链式加成聚合
7.2.3 均相游离基共聚合
7.2.4 离子型聚合
7.2.5 配位络合聚合
7.2 聚合反应动力学
7.2.1 逐步缩合聚合
逐步缩合聚合又称逐步加成，缩聚的特点是通过官能团 之间的反应，缩去一个小分子而使两个分子连接起来。它往往 具有可逆的性质，而且在反应开始后，单体会很快转化完毕， 而产物的分子量却增长很慢。 在进行动力学分析时，一般可假定双官能团分子的两个 官能团具有相同的活性，而且不论另一官能团已被反应与否， 或者该分子的大小如何，活性始终相等。
7.2 聚合反应动力学
（1）缩聚平衡与平均聚合度 在缩聚反应中，反应速率及聚合度与反应的平衡之 间有着密切的关系。这是因为缩聚是一个可逆过程，反 应能够达到的程度与系统中所含的小分子缩聚物有关。 以聚酯的生成为例，反应式一般可写成：
7.2 聚合反应动力学
设羧基官能团的起始数目为N0，反应到某一程度时， 剩余的该官能团数为N，则它的转化率或反应程度P与平均 聚合度Xn之间有如下关系：
国家精品课程
化学反应工程
第7章
聚合反应器
7.1 概述
聚合反应器是一个比较复杂的反应装臵，需要考虑的问 题很多，而聚合反应器的动态行为，可用于工艺设计及操作 条件的分析和确定，也是工业装臵中控制系统的设计和分析 的依据。
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M 式中， 1 及 M 2分别表示末端为 M 1 及 M 2 的活性链。单体 M 1 及 M 2的消失速率分别为
d M 1 dt k11 M 1 M 1 k 21 M 2 M 1 7. （7.16） d M 2 dt k12 M 1 M 2 k 22 M 2 M 2 两式相除得
7.2 聚合反应动力学
7.2.1 逐步缩合聚合
7.2.2 均相游离基链式加成聚合
7.2.3 均相游离基共聚合
7.2.4 离子型聚合
7.2.5 配位络合聚合
7.2 聚合反应动力学
7.2.1 逐步缩合聚合
逐步缩合聚合又称逐步加成，缩聚的特点是通过官能团 之间的反应，缩去一个小分子而使两个分子连接起来。它往往 具有可逆的性质，而且在反应开始后，单体会很快转化完毕， 而产物的分子量却增长很慢。 在进行动力学分析时，一般可假定双官能团分子的两个 官能团具有相同的活性，而且不论另一官能团已被反应与否， 或者该分子的大小如何，活性始终相等。
7.2 聚合反应动力学
（1）缩聚平衡与平均聚合度 在缩聚反应中，反应速率及聚合度与反应的平衡之 间有着密切的关系。这是因为缩聚是一个可逆过程，反 应能够达到的程度与系统中所含的小分子缩聚物有关。 以聚酯的生成为例，反应式一般可写成：
7.2 聚合反应动力学
设羧基官能团的起始数目为N0，反应到某一程度时， 剩余的该官能团数为N，则它的转化率或反应程度P与平均 聚合度Xn之间有如下关系：
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化学反应工程
第7章
聚合反应器
7.1 概述
聚合反应器是一个比较复杂的反应装臵，需要考虑的问 题很多，而聚合反应器的动态行为，可用于工艺设计及操作 条件的分析和确定，也是工业装臵中控制系统的设计和分析 的依据。
(优选)聚合反应器的分类介绍
3．卧式搅拌反应器 该型式可设置多个搅拌器，每个搅拌器之间
用隔板分开，使物料在反应器内流动状况类似 于多级串联搅拌反应器，从而减少设备台数， 降低安装高度。
同时由于聚合反应器内物料粘度高、易结垢，因而要求传热速率高、结构简 单、避免易挂料的粗糙面及导致结垢的死角并易于清洗。
聚合反应器常用的传热装置型式有夹套传热、釜内传热件及釜外传热等。
1．夹套 根据工艺要求，夹套内可通入传热介 质(水、水蒸气或热载体等)。
为了提高夹套的传热系数，可通过提 高夹套传热介质的流速来实现，为此， 常在夹套内安装导流挡板。
优点:当设备较大时，搅拌轴可做成短而
细，稳定性好，且可降低安装高度。同时由 于把笨重的传动装置安装在地面基础上，从 而改善了釜体上封头的受力状态，也便于维 护与检修。
缺点:轴密封较困难，而且搅拌器下部
至轴封处常有固体物料粘积，影响产品的质 量，检修时需将釜内物料全部排净。该型式 较常用于大型搅拌设备。
1．以液体粘度和反应釜体积为依 据选型
右图为在较合理搅拌功率消耗下， 物料粘度与反应体积的关系图。图 中表示各种叶轮适用范围。
2．以流动状态、搅拌目的为依据选型 下表就列出了根据流动状态和搅拌目 的来选择搅拌器。
三、传热装置
化学反应过程伴有放热或吸热，对聚合反应而言，往往要求严格控制反应温 度，使其恒定或按一定的温度曲线进行。
其他型式的搅拌反应器
1. 偏心式搅拌反应器 偏心式搅拌反应器是搅拌器中
心偏离容器中心。由于其搅拌轴偏 离容器的中心轴线，使流体在各点 所受的压力不同，因而液层间的相 对运动加强，增加液层的湍动，明 显提高搅拌效果。但容易引起振动， 故一般多用于较小型设备。
2．底部传动搅拌反应器
7-聚合反应器
7-聚合反应器国家精品课程化学反应工程第7章聚合反应器7.1 概述聚合反应器是一个比较复杂的反应装Z，需要考虑的问题很多，而聚合反应器的动态行为，可用于工艺设计及操作条件的分析和确定，也是工业装Z中控制系统的设计和分析的依据。
流化床反应器、螺旋挤压机式的特种结构的聚合反应器近年来在聚合工业中也有应用，其它的新型聚合器也都是基于改进流体流动的情况来进行设计。
7.2 聚合反应动力学7.2.1 逐步缩合聚合7.2.2 均相游离基链式加成聚合7.2.3 均相游离基共聚合7.2.4 离子型聚合7.2.5 配位络合聚合7.2 聚合反应动力学7.2.1 逐步缩合聚合逐步缩合聚合又称逐步加成，缩聚的特点是通过官能团之间的反应，缩去一个小分子而使两个分子连接起来。
它往往具有可逆的性质，而且在反应开始后，单体会很快转化完毕，而产物的分子量却增长很慢。
在进行动力学分析时，一般可假定双官能团分子的两个官能团具有相同的活性，而且不论另一官能团已被反应与否，或者该分子的大小如何，活性始终相等。
7.2 聚合反应动力学(1)缩聚平衡与平均聚合度在缩聚反应中，反应速率及聚合度与反应的平衡之间有着密切的关系。
这是因为缩聚是一个可逆过程，反应能够达到的程度与系统中所含的小分子缩聚物有关。
以聚酯的生成为例，反应式一般可写成：7.2 聚合反应动力学设羧基官能团的起始数目为N0,反应到某一程度时，剩余的该官能团数为N,则它的转化率或反应程度P与平均聚合度Xn之间有如下关系：p N0 N 1 1 1 1 N0 N0 N Xn(7.1)若两种官能团起始的数目相等，则根据反应平衡常数可以表示成:p z H 2O k1 K k2 1 p 2 (7.18 (7.2) )式中，是以原料中羧基的摩尔数为基准的缩聚小分子物的摩尔分率。
7.2 聚合反应动力学(2)缩聚反应动力学在研究缩聚反应的动力学时，首先假定是“等活性官能团”的聚合反应，这一假定已经被大量的实验证明是可行的。
聚合反应器讲解课件
03
聚合反应器的种类与选型
聚合反应器的种类
搅拌釜式反应器
适用于液态物料，通过搅拌实 现混合和传热。
塔式反应器
适用于气态和液态物料的反应 ，通过填料或塔盘实现传质和 传热。
固定床反应器
适用于气态和液态物料的反应 ，催化剂固定在反应器内，通 过反应物在催化剂表面进行反 应。
流化床反应器
适用于固态物料的反应，催化 剂与反应物料混合流动，通过
现代聚合反应器
随着工业技术的发展，现代聚合反应 器逐渐向大型化、连续化、自动化方 向发展，提高了生产效率和产品质量 。
02
聚合反应器的工作原理
聚合反应的原理
聚合反应的分类
根据聚合物的结构和单体种类的不同，聚合反应可分为加聚反应和缩聚反应。加聚反应是 指单体在聚合过程中只生成一种聚合物的反应，而缩聚反应则是指单体在聚合过程中除了 生成聚合物外，还伴有小分子物质（如水、氯化氢等）的生成。
超声波引发聚合
利用超声波的物理作用，可实现聚合反应的高效、快速和均一化， 同时可降低聚合温度，减少能源消耗。
活性自由基聚合
活性自由基聚合是一种新型的聚合方法，具有聚合度高、分子量分布 窄、可控制聚合过程等优点，是高分子合成领域的重要发展方向。
聚合反应器在未来的应用前景
高性能材料制备
01
利用聚合反应器可实现高性能材料的高效、快速和连续化制备
，如高性能聚合物、功能性高分子等。
生物医用材料制备
02
聚合反应器可用于生物医用材料的制备，如生物可降解高分子
材料、组织工程支架材料等。
新材料开发
03
利用聚合反应器可开发新型的高分子材料，如超分子聚合物、
纳米复合材料等。
聚合反应器讲解
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聚合反应器技术的创新与突破
高效能聚合反应器
通过优化反应器的设计，提高聚 合反应的效率，降低能耗和物耗， 实现绿色生产。
聚合反应器智能化
控制
利用人工智能和大数据技术，实 现聚合反应器的智能化控制，提 高生产效率和产品质量。
新型的聚合反应技
术
探索和发展新的聚合反应技术， 如活性聚合、固相聚合等，以适 应高分子材料的多样化和高性能 化需求。
02 聚合反应器的工作原理
聚合反应的原理
聚合反应
指多个小分子通过化学键结合形成大分子的过程。
聚合物的形成
通过重复的链增长和链终止反应，形成高分子量的聚合物。
聚合方式
包括加聚反应和缩聚反应，分别生成碳-碳键和除去小分子。
聚合反应器的操作流程
准备阶段
确保反应器内壁干净、无残留 ，准备好原料和催化剂。
聚合反应器的发展历程
早期阶段
聚合反应器最初的形式为釜式反 应器，以间歇操作为主，规模较
小。
过渡阶段
随着聚合反应技术的发展，连续式 聚合反应器逐渐取代釜式反应器， 实现了聚合反应的连续化、大型化。
现代阶段
随着科技的不断进步，聚合反应器 在技术、材质、设计等方面不断优 化，实现了高效、环保、安全的生 产。
投料阶段
将原料和催化剂按照比例加入 反应器中。
聚合阶段
在一定温度和压力下，原料在 催化剂的后，进行后处理，如 分离、洗涤、干燥等。
聚合反应器的控制要素
温度控制
聚合反应通常需要一定的温度来启动 和维持，控制温度稳定对保证产品质 量和安全性至关重要。
压力控制
聚合过程中，反应器内的压力随反应 进行而变化，需通过调节压力来维持 反应稳定性。
聚合反应器的分类介绍全解
对处理高粘度的聚合体系，如本体聚合或缩聚反应后
期，反应物料的粘度可达500一5000Pa· s，故需采用特殊 型式反应器。该反应器一般采用卧式，主要型式有螺杆型 反应器(如尼龙66的后缩聚反应采用双螺杆)和表面更新型 反应器(如聚酯生产中的后缩聚采用单轴或双轴的表面更 新型圆盘式反应器)。
搅拌釜式反应器
1．管体
是带有夹套的长直圆管，为便于制造安装，常制
成若干段(每段3一5m)，各段间用法兰联接。管体顶部可采 用凸形或平板封头，为便于高粘度物料流出，底部多采用锥 形封头。管外装有夹套，内通载热体，管体多采用不锈钢， 夹套可采用普通钢。
管体直径是影响聚合过程的重要因素，在同样聚合温度
和聚合时间下，管径愈小，愈易制取质量均匀、相对粘度较 高的聚合物。这是因为当管径较大时，反应物量增多，引发 剂加入量增多，温度相应增加，低分子物排除困难，并且随
卧式反应器
一、卧式反应器的工作原理 在聚合过程中，有时前后不同阶段物料的特性差异很大， 对反应条件的要求亦不尽相同如聚合前期物料体系粘度低，放 热多，流动较容易，而在聚合后期则往往相反，且希望在反应 进行的同时能去除生成的低分子物，此时在生产中往往采用卧 式反应器。 卧式反应器除需满足一般反应器的要求外，还有以下特殊 要求： 1．物料在反应器内能沿径向充分返混，轴向无返混，尽 量接近平推流。 2．根据聚合动力学理论，为达到预定的聚合度，要尽量 去除体系中生成的小分子，故应在反应器内将反应物料尽可能 展开，形成大面积的薄膜，增加蒸发表面积、且蒸发表面积能 不断更新。
质量，检修时需将釜内物料全部排净。该型式较常用于大型搅拌设备。
3．卧式搅拌反应器
该型式可设臵多个搅拌器，每个搅拌器之间用隔板分开，使物料在反应器 内流动状况类似于多级串联搅拌反应器，从而减少设备台数，降低安装高度。
聚合反应器
搅拌釜式反应器
搅拌器的选型
项目 流动状态 对流 循环 湍 流 扩 散 搅拌器型式 涡轮式 桨式 推进式 折叶开启涡轮式 锚式 螺杆式 螺带式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 剪 切 流 低粘度 液混合 高粘度 液混合 及传热 反应 分 散 溶 解 搅拌目的 固 体 悬 浮 气 体 吸 收 结 晶 传 热 液 相 反 应
搅拌釜式反应器
（2）液相釜外循环热交换装臵 将釜内液相导出至釜外进 行循环热交换的装臵；液相反 应物在釜外的热交换器中，温 度可下降至5～10℃ 。
管式反应器
管式反应器是一种连续式反应器，物料从管道的一端连 续的输入，在管道中流动时完成化学反应，产品及未起反应 的物料从管道的另一端连续地输出。 稳态操作时： 轴向无前后混合； 径向截面上，物料的组成、浓度与温度应均匀一致的； 物料微元通过反应器的停留时间 相同； 反应器中物料的组成、浓度和温 度沿着管程或轴向而递变； 在管程中每一个点上，物料的组 成、浓度和温度不随时间而变。
管式反应器
二、挡液板 为使物料在管内的流动状态尽可能接近平推流，避免轴 向反混，在聚合管内沿高度方向设臵若干挡液板。只要挡液 板的结构合理，反应物料在聚合管内的流态可近似平推流，
使管内物料流动速度趋于一致。
管式反应器
（b）所示的挡流板，可使原来近中心处流速较高的物 料流经小孔时，受较大阻力而减慢流速，原来流速较低的近 管壁处物料流经大孔时，受较小阻力而增加流速，这样，近 管中心处与近管壁处的物料流速趋于均匀。 只装上述挡液板，又会使近管壁处物料流速高，而近管 中心的物料流速低，从而产生新的不均匀现象，所以往往再 采用（c）所示的挡液板，把这两种挡液板交替排列使用， 就能使管内物料的流态近似平推流。 用（a）所示的挡液板时，应安装成使相邻两块挡液板 上的孔眼相互交错，亦可达到近似平推流的效果。 挡液板的形状如下图所示：
聚合反应工程之聚合反应器
图1 釜式聚合反应 器示意图 a.顶伸式
b.底伸式
第20页，共57页。
适用于高粘体系的特殊结构
釜式反应器
❖ Crawford-Russell反应器采用
螺杆加导流筒，使反应物料在
釜内进行强制循环。为减轻物
料停留在器壁而使传热能力减
小，反应器中装有刮壁装置，
轴每转一周，上下的刮片便将
器壁上的聚合物刮掉一次，大
❖ 目前环管反应器的容积可达20～100m3，管长约为l00～150m。
第33页，共57页。
双环管式聚合反应器示意图
第34页，共57页。
❖ 采用环管反应器有如下优点： ❖ (1)单位体积的传热面可达6.5～7m2/m3，只要用冷却水夹套即可
满足传热要求，故能耗较低
❖ (2)单位体积生产能力高，如一台66m3的双环管反应器年生产能
❖ 为保证釜中物料的流动、混合与传热，液体的分散 或固体物料的均匀悬浮，釜中设有搅拌装置。
第18页，共57页。
通 用 型 釜 式 反 应 器 的 结 构
第19页，共57页。
❖ 釜式聚合反应器以立式最为常见，但随着聚合反 应器的大型化，为了减少搅拌轴的振动和提高密 封性能，可将顶伸式搅拌装置改为底伸式。
聚合反应工程之聚合反应器
第1页，共57页。
一、概述
❖ 大型的聚合物生产工业，通常由原料准备与精制、引发剂 (或催化剂)配制、聚合、分离、后处理及回收等六个工艺 过程所组成。
❖ 聚合物品种不一样，生产工艺条件不同，辅助过程的重要 性会有所差异，但聚合过程总是整个工艺过程的核心。而 聚合反应器则是核心中的核心。
是应用最广的聚合反应器。
❖ 而塔式、特殊型聚合反应器则主要用于高粘度聚合体 系中。
b.底伸式
第20页，共57页。
适用于高粘体系的特殊结构
釜式反应器
❖ Crawford-Russell反应器采用
螺杆加导流筒，使反应物料在
釜内进行强制循环。为减轻物
料停留在器壁而使传热能力减
小，反应器中装有刮壁装置，
轴每转一周，上下的刮片便将
器壁上的聚合物刮掉一次，大
❖ 目前环管反应器的容积可达20～100m3，管长约为l00～150m。
第33页，共57页。
双环管式聚合反应器示意图
第34页，共57页。
❖ 采用环管反应器有如下优点： ❖ (1)单位体积的传热面可达6.5～7m2/m3，只要用冷却水夹套即可
满足传热要求，故能耗较低
❖ (2)单位体积生产能力高，如一台66m3的双环管反应器年生产能
❖ 为保证釜中物料的流动、混合与传热，液体的分散 或固体物料的均匀悬浮，釜中设有搅拌装置。
第18页，共57页。
通 用 型 釜 式 反 应 器 的 结 构
第19页，共57页。
❖ 釜式聚合反应器以立式最为常见，但随着聚合反 应器的大型化，为了减少搅拌轴的振动和提高密 封性能，可将顶伸式搅拌装置改为底伸式。
聚合反应工程之聚合反应器
第1页，共57页。
一、概述
❖ 大型的聚合物生产工业，通常由原料准备与精制、引发剂 (或催化剂)配制、聚合、分离、后处理及回收等六个工艺 过程所组成。
❖ 聚合物品种不一样，生产工艺条件不同，辅助过程的重要 性会有所差异，但聚合过程总是整个工艺过程的核心。而 聚合反应器则是核心中的核心。
是应用最广的聚合反应器。
❖ 而塔式、特殊型聚合反应器则主要用于高粘度聚合体 系中。
聚合反应器的基本原理
2、理想混合 特点： ①、反应器内的浓度和温度均均一致，并且等于出口处的 物料浓度和温度。 ②、物料粒子的停留时间参差不齐，有一个典型分布。 ―逆向混合”
也叫“返混”,在反应器内，不同停留时间的粒子间的混合。
引起逆向混合的主要原因有： 1）、由于搅拌造成涡流扩散，使物料粒子出现倒流。 2）、由于垂直于流向的截面上流速分布不均所致，如管式 反应器内流体作层流，流速呈抛物线分布，同一截面上不同 半径处的物料粒子的停留时间不一样，它们之间的混合也就 是不同停留时间的物料间的混合，也就是逆向混合。 3）、反应器内形成的死角也会导致逆向混合。
3、全混流反应器 特点：由于强烈的搅拌，物料进入反应器的瞬间即与反应器中 的物料混合均匀，反应器内物料组成、温度均匀一致，并且等 于出口处物料的组成和温度。工业上将搅拌良好且物料粘度不 大的连续搅拌釜式反应器（continuous Stirred tank reactor 简称CSTR）近似地看成全混流反应器（是一种返混量为无限 大的理想化的流动反应器） 4、多级全混流反应器 多个全混流反应器串联起来，工业上的多釜串联反应器 （continuous stirred tank reactor series简称CSTRS）与之 近似，其特点： （1）反应是在多个反应釜中进行的，中间无物料加入和产物 引出，上个反应釜的出口浓度与下个反应釜入口浓度相同。 （2）各反应釜中组成、温度均匀一致，级与级之间是突然变 化的。 （3）从一级至最后一级，反应物浓度是逐渐降低的，串联反 应器数目越多，其性能越接近活塞流反应器。
研究的方法：数学模型 在化学工程中，数学模型主要包括以下内容： （1）、动力学方程式 对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应， 一般采用宏观速率方程式。 （2）、物料衡算式 流入量 = 流出量 + 反应消耗量 + 累积量 （3）、热量衡算式 物料带入热=物料带出热 + 反应热 + 与外界换热 + 累积热 （4）、动量衡算式 输入动量 = 输出动量 + 动量损失 （5）、参数计算式 主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。