聚合物反应工程

聚合物反应工程
聚合物材料虽然只有数十年的发展历史， 其发展速度之快，应用之广，却远远超过人 类历史上任何一种材料。聚合物的生产曾经 历了一段经验性的技艺年代。以后，由于高 分子化学﹑高分子物理学及化学反应工程学 的进展，使聚合物的产量和制造工艺提高到 一个新的水平，而作为连接化学、工艺与工 程的聚合反应工程学正是在这种背景下产生 与发展的。 聚合物反应工程师化学反应工程的一个 分支，它是研究聚合物制造中的化学反应工 程的问题。
第一节化学反应和反应器的分类
一 化学反应的分类 化学反应可按反应的特性和反应 过程的条件来分。化学反应的特性包 括反应机理，反应的可逆性，反应分 子数，反应级数，反应物料的相态及 反应的热效应等。反应过程进行的条 件包括温度、压力、操作方式、换热 方式等。
二反应速率（均相反应） 1.定义：单位时间单位反应体积中所 生成（或消失）的某组分的摩尔数。
所以设计反应器的主要任务是根据给定的 生产任务，在一定条件下，反应器所需要 的体积，并以此作为确定反应器其他尺寸 的主要依据。
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一、理想反应器设计的基本原理 1、物料衡算（质量守恒定律） 对于微元体积ΔV 反应物A的流入速度=反应物A的流出速度+ 反应物A由于化学反应而消耗的速度+反应 物A的累积速度 • 简化：流入ΔV的速度=流出ΔV的速度+在 ΔV中反应消耗的速度+在ΔV中累积的速度 • 简化：流入速度=流出速度+消耗速度+累积 速度 • 在特定时间内：流入量＝流出量+消耗量+ 累积量
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二、间歇反应器（分批反应器） 操作特点： （1）物料、反应物、水等一次性加入器内。 （2）反应器内各点的反应物浓度和温度相 同。 • （3）反应器内组分的浓度随反应时间而变。
第三节 理想反应器的设计
化工生产中所遇到的化学反应时多种多 样的，所处理物料的化学-物理性质也是千 差万别，因此而使用的反应器也是各不相 同的，尽管如此，每一种反应器总应该满 足以下三个基本要求 1提供反应物料进行反应所需的容积，保证设 备有一定生产能力 2具有足够的传热面积，保证反应过程中热量 的传递，是反应控制在最适宜的温度下进 行。
2 按反应器的结构型式分类 （1）管式反应器。 长径比为40~2000.用于快速的气相和液相 反应，对有压力的反应尤为适用。其体积 最小，单位体积的传热面最大(如高压聚乙 烯）。 （2）釜式反应器。 长径比为2~3.化工生产中使用最广泛，占 80％~90％。适用于液相、液-液相、气-液 相及液-固相反应。釜式反应器的适应性及 操作弹性都很大（如PVC、PP、PE的聚合）
动力学方程式的建立
1积分法 (1). 将假设动力学方程式(微分式)积分，得 到一条通过坐标原点的直线。 (2). 将实验数据(经计算)描绘在该坐标上， 如实验数据能得到一条通过坐标原点的直线， 则假设的动力学方程式为所求
2. 微分法： 直接用动力学微分方程式进行描绘。步骤： （1） 先假设一个反应机理，并以它求出 动力学方程式 （2）将实验所得浓度-时间数据嫁衣标绘， 得出一光滑曲线，在相应浓度值位置求取 曲线的斜率，此斜率就代表在该组成下的 反应速率。 （3）将上一步骤所得作图，若得一通过 原点的直线，表明假定的机理与实验数据 相符合，否则需重新假定一动力学方程加 以检验。
式中ri为体系中i组分的反应速率，ni为i 组分的摩尔数，v为反应体积，ci为i组 分的浓度。 正号表示某组分的生成速率，负号表示 消失速率。
三 反应器的分类 任何目的在于得到一定产品的化工生产过 程，均包含有化学反应。物料在其中发生反 应的设备谓之反应器。在反应器中原料经化 学变化而成产品，所以可把反应器看作化工 生产的心脏部分。根据研究的不同需要，从 不同的角度对反应器进行分类。通常有四种 分类法。 1按反应物料的相态分类 按物料的相态来分，反应器可以分为均相 反应器与非均相反应器二大类，各类中又可 以分为若干种。
(3) 塔式反应器。 长径比为2~40.如苯乙烯本体聚合﹑己内酰 胺的缩聚 （4）硫化床反应器 反应器传热好﹑温度均匀﹑易控制。 （如聚丙烯反应器） 3 操作方式分类 （1）间歇反应器（分批式反应器）。 采用釜式反应器。间歇反应是不稳定过程。 操作灵活性和弹性大。
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（2）连续反应器 可采用釜式﹑管式﹑或塔式反应器。反应 为稳态过程。易于实现自动化。在聚合反 应中，采用连续反应器可使产物的聚合度 及聚合度分布不随时间改变，从而保证了 产品的质量，但不是绝对的。 （3）半连续反应器 多采用釜式反应器。反应则为非稳态过程。 在特定的目的下控制反应条件（如滴加）。