聚合反应工程_1

1、聚合反应工程基础聚合反应工程基础浙江大学浙江大学 史子谨史子谨 主编主编 学期计划学时数 ： 32 授 课 班 级 高分子1201-02 授 课 教 师 严正权 本课程主要内容本课程主要内容1、化学反应工程基础化学反应工程基础2、化工流变学基础化工流变学基础3、聚合反应工程分析聚合反应工程分析4、搅拌和混合的基本原理搅拌和混合的基本原理5、聚合釜的传热聚合釜的传热与传质与传质6、聚合反应器的放大聚合反应器的放大聚合物反应过程教学参考书目录聚合物反应过程教学参考书目录以下教学参考书，可到图书馆查阅1 计其达主编聚合过程及设备，化学工业出版社 北京 1981 2 聚合反应工程基础陈甘堂著，中国石化

2、出版社19913 高分子化学，韩哲文编，华东理工大学出版社，20014 潘祖仁, 高分子化学M, 北京：化学工业出版社，2011（第五版）5 王槐三 ，高分子化学M, 北京：科学出版社，2011（第三版）6 张兴英, 高分子化学M, 北京：化学工业出版社，20067 唐黎明, 高分子化学M, 北京：清华大学出版社，20098 潘才元, 高分子化学M, 合肥：中国科学技术大学出版社，20121、课程的地位与作用、课程的地位与作用 聚合反应工程聚合反应工程是化学反应工程的一门分支学科。它是研究聚合物制造中的化学反应工程问题。 聚合反应工程基础是高分子类专业的专业课，通过课堂教学，使学生掌握和了解：

3、 (1) (1)化学反应工程化学反应工程 （以工业规模进行的化学规律作为研究对象，以化学反应动力学和传质过程作为主要基础。）(2)(2)进行聚合反应器的最佳设计进行聚合反应器的最佳设计(3)(3)进行聚合反应操作的最佳设计与控制进行聚合反应操作的最佳设计与控制 （搅拌釜内流体的搅拌、混合、传热）为学生以后在聚合过程技术开发方面打下基础。为学生以后在聚合过程技术开发方面打下基础。第一章第一章 绪论绪论聚合反应工程聚合反应工程化工机械及仪表化工机械及仪表高分子工艺高分子工艺高分子化学高分子化学化学工程化学工程系统系统工程工程聚合反应工程是连接化学工艺与工程的一门学科聚合反应工程是连接化学工艺与工程

4、的一门学科。 聚合反应的特点聚合反应的特点：（1）反应机理多样，动力学关系复杂，重现性差，且微量杂质的影响较大；（2）在聚合过程中，除要考虑转化率外，聚合度及其分布、共聚物的组成及其分布、聚合物的结构等等；（3）聚合装置中传热、传质和动量传递等过程相当复杂；（4）聚合反应器的设计、放大等受到相当因素的限制，聚合反应工程的发展还相当不完善，发展较为缓慢，等等。1、聚合物材料普遍化、聚合物材料普遍化2、生产装置大型化生产装置大型化橡胶、塑料、纤维、涂料、黏合剂等等。橡胶、塑料、纤维、涂料、黏合剂等等。2、课程的发展概况、课程的发展概况生产装置大型化：生产装置大型化：本课程总学时为本课程总学时为32

5、32学时，通过课堂教学，使学生掌学时，通过课堂教学，使学生掌握聚合反应工程分析、搅拌釜内流体的搅拌、混合、握聚合反应工程分析、搅拌釜内流体的搅拌、混合、传热等规律。传热等规律。 3、课程的教学目标与基本要求、课程的教学目标与基本要求考试方法：考试方法：闭卷考试闭卷考试第二章第二章 化学反应工程基础化学反应工程基础第一节第一节 化学反应和反应器分类化学反应和反应器分类第二节第二节 均相反应动力学均相反应动力学第三节第三节 理想反应器的设计理想反应器的设计第四节第四节 理想混合反应器的热稳定性理想混合反应器的热稳定性第五节第五节 连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布第六节第六节

6、 流动模型流动模型第七节第七节 停留时间分布与化学反应停留时间分布与化学反应1、 化学反应的分类化学反应的分类第一节第一节 化学反应和反应器分类化学反应和反应器分类（1 1） 按化学反应的特性分类按化学反应的特性分类反应机理反应机理简单反应、复杂简单反应、复杂反应反应反应级数反应级数一级、二级、三一级、二级、三级、零级、分级、零级、分数级反应数级反应反应的可逆性反应的可逆性可逆反应、不可可逆反应、不可逆反应逆反应反应热效应反应热效应放热反应、吸热放热反应、吸热反应反应反应分子数反应分子数单分子、双分子、单分子、双分子、三分子反应三分子反应均相反应均相反应催化反应催化反应气相反应、液相反应气相反

7、应、液相反应非催化反应非催化反应非均相反应非均相反应催化反应催化反应液液- -液相、气液相、气- -液相、液液相、液- -固相、气、固相固相、气、固相非催化反应非催化反应气气- -固相、固相、气固相、固相、气- -液液- -固相固相（2 2） 按反应物料的相态分类按反应物料的相态分类操作方式操作方式间歇反应、半连续反应、连续反应间歇反应、半连续反应、连续反应温度条件温度条件等温反应、绝热反应、非绝热变温等温反应、绝热反应、非绝热变温反应反应（3 3） 按反应过程进行的条件分类按反应过程进行的条件分类2、 反应速率反应速率 对于均相反应，一般以反应体积为基准，反应速率可定义为：单位时间、单位反应

8、体积内所生成（或消失）的某组分的摩尔数，即： 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。当反应为恒容体系时： 式中Ci为体系中i组分的浓度，其中正号表示某组分的生成速率，负号表示消失的速率。对于某化学反应：各组分的反应速率表达为：各组分的反应速率之间存在如下关系：对于某化学反应：各组分的反应速率表达为：各组分的反应速率之间存在如下关系：3、反应器的分类反应器的分类反应器种类反应器种类反应特性反应特性反应类型举例反应类型举例适用设备的结构形式适用设备的结构形式均相均相气相气相液相液相 无相界面，无相界面，反应速率只与反应速率只与温度或浓度有温度或浓度有关关燃烧、裂解等

9、燃烧、裂解等中和、酯化、水解等中和、酯化、水解等管式管式釜式釜式非均相非均相气气- -液相液相液液- -液相液相气气- -固相固相液液- -固相固相固固- -固相固相气气- -液液- -固固相相 有相界面，有相界面，实际实际 反应速反应速率与相率与相 界面界面大小及相大小及相 间间扩散速率有关扩散速率有关氧化、氯化、加氢等氧化、氯化、加氢等磺化、硝化、烷基化等磺化、硝化、烷基化等燃烧、还原、固相催化等燃烧、还原、固相催化等还原、离子交换等还原、离子交换等水泥制造等水泥制造等加氢裂解、加氢脱氢等加氢裂解、加氢脱氢等釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床、移动固定床、流化床、移动床

10、床釜式、塔式釜式、塔式回转筒式回转筒式固定床、流化床固定床、流化床（1） 按物料相态分类的反应器种类按物料相态分类的反应器种类结构型式结构型式适用的相态适用的相态应用举例应用举例反应釜（包括反应釜（包括多釜串联）多釜串联）液相、气液相、气- -液相、液液相、液- -液液相、液相、液- -固相固相苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、顺苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、顺丁橡胶聚合等丁橡胶聚合等管式管式气相、液相气相、液相清油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙烯清油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙烯等等鼓泡塔鼓泡塔气气- -液相、气液相、气- -液液- -固（催固（催化剂）相化剂）相变换气的碳化、苯的烷基

11、化、二甲苯氧化、变换气的碳化、苯的烷基化、二甲苯氧化、乙烯基乙炔合成等乙烯基乙炔合成等固定床固定床气气- -固（催化或非催化）固（催化或非催化）相相二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙烯、二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙烯、乙苯脱氢、半水煤气生产等乙苯脱氢、半水煤气生产等流化床流化床气气- -固（催化或非催化）固（催化或非催化）相，特别是催化剂很相，特别是催化剂很快失活的反应快失活的反应硫铁矿焙烧、萘氧化制苯酐、石油催化裂硫铁矿焙烧、萘氧化制苯酐、石油催化裂化、乙烯氧氯化制二氯乙烷、丙烯氨化、乙烯氧氯化制二氯乙烷、丙烯氨氧化制丙烯腈等氧化制丙烯腈等回转筒式回转筒式气气- -固相、固固相、固-

12、-固相固相水泥制造等水泥制造等喷雾式喷雾式气相、高速反应的液相气相、高速反应的液相氯化氢合成、天然气裂解制乙炔氯化氢合成、天然气裂解制乙炔（2） 按反应器的结构型式分类按反应器的结构型式分类反应釜反应釜 适用于液相，液-液相、气-液相以及液-固相反应；反应釜中设有搅拌装置，以保证反应物料在釜中的流动，混合与传热等。管式反应器管式反应器 主要用于快速地气相和液相反应，尤其是对于有压力的反应。反应物料从一端进入管中，从另一端排除产物和未反应的物料。反应器中反应物的组成随着管长而连续变化。塔式反应器塔式反应器 这是一种长径比较大的反应器，在其内部设有挡板或填充物固定床反应器固定床反应器 这是一种垂直

13、圆筒形或圆锥型容器，内部装有催化剂或参与反应的细小固体颗粒，反应流体从顶端进入，产物从下端流出流化床反应器流化床反应器（3） 按操作方式分类按操作方式分类间歇反应器间歇反应器连续反应器连续反应器半连续反应器半连续反应器0Ct间歇反应器特点：间歇反应器特点：1 1、反应物料一次加入，、反应物料一次加入，产物一次取出。产物一次取出。2 2、非稳态操作，反应、非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应器内浓度、温度随反应时间连续变化。时间连续变化。3 3、同一瞬时，反应器、同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度内各点温度相同、浓度相同。相同。间歇反应器间歇反应器连续反应器连续反应器0Ct反应物反应物A反应物

14、反应物B生成物生成物R连续反应器特点：连续反应器特点：1 1、反应物料连续加、反应物料连续加入，反应产物连续入，反应产物连续引出。引出。2 2、稳态操作，反应、稳态操作，反应器内任一点的组成器内任一点的组成不随时间改变。不随时间改变。半连续反应器半连续反应器AB0Ct半连续反应器特点：半连续反应器特点：1 1、某些反应物料一次、某些反应物料一次加入，其余物料连续加加入，其余物料连续加入，或者将某种产物连入，或者将某种产物连续取出。续取出。2 2、非稳态操作。、非稳态操作。3、连续流动反应器内流体流动的两种理想形态连续流动反应器内流体流动的两种理想形态平推流反应器平推流反应器理想混合流反应器理想混合流反应器平推流反应器平推流反应器反应物反应物A反应物反应物B 活塞流反应器活塞流反应器生成物生成物R平推流反应器特点：平推流反应器特点：1 1、在稳态操作时，在反应器的每个截面上，物料、在稳态操作时，在反应器的每个截面上，物料浓度不随时间变化。浓度不随时间变化。2 2、所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。、所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。2 2、反应器内物料浓度沿着流动方向改变，故反应、反应器内物料浓度沿着流动方向改变，故反应速率随空间位置改变，即反应速率的变化只限于速率