聚合反应工程(华东理工大学)5.聚合反应器ppt课件

1、聚合反响器及反响器内聚合反响器及反响器内流体的流动和混合流体的流动和混合第五章 聚合反响器及其工程要素l带有搅拌安装的反响带有搅拌安装的反响器器搅拌聚合釜搅拌聚合釜l 带有搅拌安装的容器带有搅拌安装的容器原料配制槽、浆料沉析槽原料配制槽、浆料沉析槽l聚合釜的构造聚合釜的构造釜体釜体密封安装密封安装减速机减速机搅拌器搅拌器釜盖釜盖料孔料孔温度计孔温度计孔视镜孔视镜孔人孔人孔搅拌孔搅拌孔电动机电动机q 影响聚合釜功能的主要要素影响聚合釜功能的主要要素q 釜体长径比釜体长径比矮胖型、瘦长型；矮胖型、瘦长型；q 搅拌桨方式搅拌桨方式剪切型、循环型；高粘度型、低粘度型；剪切型、循环型；高粘度型、低粘度型

2、；q 挡板挡板消除旋涡；消除旋涡；q 夹套、内冷管夹套、内冷管传热才干；传热才干；q 釜体材质釜体材质结垢问题、导热问题等结垢问题、导热问题等l各种搅拌器方式：各种搅拌器方式：q 对不同的化工消费过程，搅拌反响釜应具备以下作用：对不同的化工消费过程，搅拌反响釜应具备以下作用：q 推进液体流动，混匀物料；推进液体流动，混匀物料；q 产生剪切力，分散物料，并使之悬浮；产生剪切力，分散物料，并使之悬浮；q 添加流体的湍流，以提高传热效率；添加流体的湍流，以提高传热效率；q 加速物料的分散与合并，增大物质传送速度；加速物料的分散与合并，增大物质传送速度；q 对高粘体系，可以更新外表，促使低分子物如水、

3、溶剂对高粘体系，可以更新外表，促使低分子物如水、溶剂蒸出。蒸出。l5.2.15.2.1聚合釜内流体的流动情况聚合釜内流体的流动情况l5.2.25.2.2搅拌器的类型和选用搅拌器的类型和选用l5.2.35.2.3聚合釜的搅拌功率计算聚合釜的搅拌功率计算l5.2.45.2.4搅拌器的流动特性和转速搅拌器的流动特性和转速l5.2.55.2.5搅拌器的混合特性搅拌器的混合特性l5.2.65.2.6搅拌釜中的分散过程搅拌釜中的分散过程l流动情况简称流动情况简称“流况流况在整个搅拌容器中流在整个搅拌容器中流体速度向量的方向。体速度向量的方向。l决议釜内流体流况的要素：决议釜内流体流况的要素： l 釜体的几

4、何尺寸；釜体的几何尺寸；l 搅拌器的几何尺寸；搅拌器的几何尺寸； l 传动力；传动力；l 处置物料的物性等。处置物料的物性等。 q搅拌釜内流况的层次：搅拌釜内流况的层次：q 循环流动循环流动宏观流动宏观流动q 剪切流动剪切流动微观流动微观流动l宏观流动是指流体以大尺寸凝聚流体、气泡、宏观流动是指流体以大尺寸凝聚流体、气泡、液滴在大范围内整个聚合釜空间中的流动液滴在大范围内整个聚合釜空间中的流动情况。宏观流动也称情况。宏观流动也称“循环流动。循环流动。l循环流动存在三种典型流况：循环流动存在三种典型流况：径向流动：径向流动：轴向流动：轴向流动：切向流动：切向流动：l微观流动是指流体以小尺寸小气泡

5、、更微小的微观流动是指流体以小尺寸小气泡、更微小的液滴在小范围气泡、液滴大小的空间中的液滴在小范围气泡、液滴大小的空间中的湍流情况。微观流动是由于搅拌桨的剪切作用而湍流情况。微观流动是由于搅拌桨的剪切作用而引起的部分混协作用，微观流动也称引起的部分混协作用，微观流动也称“剪切流动剪切流动。l在搅拌釜内进展流动的流体都存在循环流动与剪在搅拌釜内进展流动的流体都存在循环流动与剪切流动，唯二者的比重有所不同。切流动，唯二者的比重有所不同。l以循环流动为主的搅拌以循环流动为主的搅拌器称循环型搅拌器；器称循环型搅拌器；l以剪切流动为主的搅拌以剪切流动为主的搅拌器称剪切型搅拌器；器称剪切型搅拌器；推进式推

6、进式平桨平桨三斜窄叶涡轮式三斜窄叶涡轮式 搅拌雷诺数是断定搅拌釜内流动方式的无因次准数。搅拌雷诺数是断定搅拌釜内流动方式的无因次准数。2ReNDDDNDuN 雷诺数不同，釜内流体流动表现不同流态。雷诺数不同，釜内流体流动表现不同流态。q搅拌雷诺数与流态搅拌雷诺数与流态10ReN10ReN1000100ReN1000ReN滞流滞流层流层流过度流过度流湍流湍流q搅拌雷诺数与搅拌特性行为准数的关系搅拌雷诺数与搅拌特性行为准数的关系动力特性：功率准数动力特性：功率准数重力特性：弗劳德准数重力特性：弗劳德准数传热特性：努塞尔准数传热特性：努塞尔准数混合特性：混合时间数混合特性：混合时间数循环特性：排除流

7、量数循环特性：排除流量数53DNPNP3NDqNdqdMMNNgDNNFr2DNu搅拌釜内液流流态与特性曲线搅拌釜内液流流态与特性曲线q搅拌雷诺数对搅拌釜搅拌雷诺数对搅拌釜内的特性行为准数内的特性行为准数的影响在层流和过度流的影响在层流和过度流区域有决议性作用，在区域有决议性作用，在湍流区域那么影响不大。湍流区域那么影响不大。q搅拌器的分类：搅拌器的分类：q搅拌器外形：桨式、推进式、涡轮式、螺搅拌器外形：桨式、推进式、涡轮式、螺杆和螺带式等；杆和螺带式等；q搅拌流况：循环流动、剪切流动；搅拌流况：循环流动、剪切流动；q搅拌目的：混合、悬浮、分散、传热等。搅拌目的：混合、悬浮、分散、传热等。q桨

8、式搅拌器桨式搅拌器q主要类型：主要类型：锚式锚式斜桨斜桨平桨平桨框式框式l平桨和斜桨搅拌器构造简单，剪切力较强，斜桨还有平桨和斜桨搅拌器构造简单，剪切力较强，斜桨还有较强的向上或向下垂直液流。较强的向上或向下垂直液流。l锚式和框式搅拌器搅拌转速低，搅动范围大，不易产锚式和框式搅拌器搅拌转速低，搅动范围大，不易产生死区，刮壁作用利于传热，剪切作用小，适用高粘生死区，刮壁作用利于传热，剪切作用小，适用高粘度流体。度流体。设计参数：设计参数：转速：转速：20200rpm桨径桨径/釜径：釜径：0.50.7叶端速度：叶端速度：1.52m/s粘度范围：粘度范围：0.1102Pa.s桨径桨径/釜径：釜径：0

9、.95粘度范围：粘度范围：102103Pa.s设计参数：设计参数：q推进式搅拌器推进式搅拌器q特点：构造简单，剪特点：构造简单，剪切作用小，循环性能切作用小，循环性能好，属于循环型搅拌好，属于循环型搅拌器，适用于低粘度，器，适用于低粘度，液量大的液体搅拌。液量大的液体搅拌。q设计参数：设计参数：q 桨径桨径0.4m,q D/T:0.10.33 q 叶端速度：叶端速度：515m/s三叶右旋推进式三叶右旋推进式q涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器q主要类型：主要类型：平直叶对开圆盘涡轮式平直叶对开圆盘涡轮式弯叶圆盘涡轮式弯叶圆盘涡轮式螺距叶圆盘内涡轮式螺距叶圆盘内涡轮式q 特点：物料被抽吸入祸轮式搅拌器后，

10、在离心力作用特点：物料被抽吸入祸轮式搅拌器后，在离心力作用下，液体作切向和径向流动，甩出搅拌器的液体和壁下，液体作切向和径向流动，甩出搅拌器的液体和壁面碰撞后构成上下两路的循环流动，并回流入搅拌器。面碰撞后构成上下两路的循环流动，并回流入搅拌器。q 涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使液体微团涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使液体微团分散，适用于低到中等粘度液体的混合、液分散，适用于低到中等粘度液体的混合、液液分散、液分散、液液固悬浮及促进良好的传热、传质。固悬浮及促进良好的传热、传质。设计参数：设计参数： 叶径叶径/叶宽：叶宽：58；叶径叶径/釜径：釜径：0.50.7；叶片数：叶片数：48。q螺杆

11、和螺带式搅拌器螺杆和螺带式搅拌器q主要类型：主要类型：螺带式螺带式螺带螺杆式螺带螺杆式螺杆式螺杆式带导流筒螺杆带导流筒螺杆q特点：适用于高粘度流体特点：适用于高粘度流体10103Pa.s。 q 螺带可与釜内壁吻合，起刮壁作用，有利于夹套螺带可与釜内壁吻合，起刮壁作用，有利于夹套传热；另外螺带、螺杆对缩聚反响而言可不断地带出小传热；另外螺带、螺杆对缩聚反响而言可不断地带出小分子。分子。设计参数：设计参数：桨径桨径D/螺距螺距S1螺带叶宽螺带叶宽B/釜径釜径T0.1桨径桨径D/釜径釜径T0.95q三叶后掠式搅拌器三叶后掠式搅拌器三叶后掠整体式三叶后掠整体式特点：为径流搅拌器，配合指型挡特点：为径流

12、搅拌器，配合指型挡板可得上下循环流，循环量大，剪板可得上下循环流，循环量大，剪切作用也好，固体分散、溶解、悬切作用也好，固体分散、溶解、悬浮、传热、液相反响等过程都很适浮、传热、液相反响等过程都很适用。用。设计参数：设计参数：n=100300rpm；103 功率曲线为一程度线，代表重力功率曲线为一程度线，代表重力NFr和粘性和粘性力力NRe不影响不影响NP，NP是一个常数。是一个常数。q均相流体的搅拌功率计算均相流体的搅拌功率计算物性参数：物性参数：、操作参数：操作参数：N、D、dNRe和和NFr功率曲线功率曲线NPP=NPN2D5搅拌功率搅拌功率 Pq常用的功率曲线常用的功率曲线Rushto

13、n的的NRe图图不同方式搅拌器的不同方式搅拌器的NRe图图q非均相流体的搅拌功率计算非均相流体的搅拌功率计算q 对浓对浓液、液液、液固等非均相体系，其搅拌固等非均相体系，其搅拌功率计算普通可采用均相液体搅拌功率分析计功率计算普通可采用均相液体搅拌功率分析计算方法。但物性系数需采用混合物平均物性参算方法。但物性系数需采用混合物平均物性参数。数。如：液如：液-固悬浮体系：固悬浮体系：1密度密度21yxm2粘度粘度8 . 1)1(VbVLmxx 液体粘度液体粘度 液液-固相体积比固相体积比 沉降后堆积层中液沉降后堆积层中液- 固相体积比固相体积比LVxVbxq非牛顿流体的搅拌功率计算非牛顿流体的搅拌

14、功率计算q Metzner等人发现，采用表现粘度后非等人发现，采用表现粘度后非牛顿流体与牛顿流体的牛顿流体与牛顿流体的NPNRe功率曲线在层功率曲线在层流域和充分开展的湍流域几乎重合；在过渡流流域和充分开展的湍流域几乎重合；在过渡流域域NRe：20200 那么低于牛顿流体。那么低于牛顿流体。q 非牛顿流体的表现粘度随剪切速率而变，非牛顿流体的表现粘度随剪切速率而变，因此，非牛顿流体的搅拌功率计算的关键是剪因此，非牛顿流体的搅拌功率计算的关键是剪切速率确实定。切速率确实定。lMetzner等人假设在釜内有一个平均剪切速率。它与等人假设在釜内有一个平均剪切速率。它与 搅拌转速成比例，即写作：搅拌转

15、速成比例，即写作：NkS.Sk Metzner常数常数搅拌搅拌器形器形式式kS六平六平叶涡叶涡轮轮11.5三叶推进式三叶推进式二叶二叶平桨平桨1013弯叶弯叶涡轮涡轮8.0Sk Metzner常数常数 值值1)(nSPSuaNkKPSuK流体的稠度系数流体的稠度系数n流体的流动行为指数流体的流动行为指数l在搅拌器的作用下，流体在釜内按一定的流况在搅拌器的作用下，流体在釜内按一定的流况作循环流动，搅拌器的流动特性也称循环特性，作循环流动，搅拌器的流动特性也称循环特性，是影响搅拌效果的重要要素是影响搅拌效果的重要要素l搅拌器的流动特性可以从单位时间内从搅拌桨搅拌器的流动特性可以从单位时间内从搅拌桨

16、叶的排出流量或泵送才干来衡量。叶的排出流量或泵送才干来衡量。由于由于AUdq3NNDqqddU液体分开桨叶的平均速度液体分开桨叶的平均速度NDU2DA 桨叶扫过面积桨叶扫过面积AqdN排出流量数或泵送准数排出流量数或泵送准数)(dqq搅拌桨叶的排出流量泵送才干搅拌桨叶的排出流量泵送才干单位时间内从桨单位时间内从桨叶排出的流量叶排出的流量 。l排出流量数包含了流排出流量数包含了流体的流速和搅拌器的体的流速和搅拌器的泵送才干，反映了搅泵送才干，反映了搅拌的猛烈程度。拌的猛烈程度。l排出流量数也是搅拌排出流量数也是搅拌雷诺数的函数。雷诺数的函数。泵送准数和搅拌雷诺数的关系泵送准数和搅拌雷诺数的关系)

17、(/NRe3NfNDqdqdq 排出流量数和循环流量数排出流量数和循环流量数 由桨叶藉离心力作用吐出的排出流 ，同时吸引了周围液体一同流动，称为同伴流 ，两者聚集成使液体起循环作用的循环流 。dqiqcqidcqqq层流时：层流时：湍流时：湍流时：dcqq dcqq 3/NNDqcqc同样：同样：qcN循环流量数，由雷诺数、桨形、釜形决议循环流量数，由雷诺数、桨形、釜形决议在湍流区, 和 关系：qcNqdN1/16. 01NN2DTqdqc釜内流体循环流釜内流体循环流l搅拌器搅拌程度的判别搅拌器搅拌程度的判别循环次数：循环次数：VNDNVqqccc/N3循环时间：循环时间：c1/NtcV搅拌釜

18、内流体体积搅拌釜内流体体积搅拌程度：搅拌程度：普通搅拌：普通搅拌：剧烈搅拌：剧烈搅拌：分次/53N c分次/105N c流动程度：流动程度：剪切型桨叶：剪切型桨叶：循环型桨叶：循环型桨叶：3/NPqdN21/NPqdNq搅拌转速确实定搅拌转速确实定q从到达搅拌效果来分，可将搅拌操作分成混合从到达搅拌效果来分，可将搅拌操作分成混合搅动型和悬浮型两大类。搅动型和悬浮型两大类。q搅拌转速确实定，取决于对搅拌的要求。搅拌转速确实定，取决于对搅拌的要求。q搅拌器设计的最优化，除了满足工艺过程要求搅拌器设计的最优化，除了满足工艺过程要求外，主要是思索经济问题。外，主要是思索经济问题。q混合和搅动类型的搅拌

19、转速确实定混合和搅动类型的搅拌转速确实定搅拌级别和搅拌效果搅拌级别和搅拌效果(混合及搅拌混合及搅拌)搅拌级别搅拌级别总体流速总体流速M/min搅拌效果搅拌效果121.83.712级搅拌适用于混合密度及粘度差很小的液体。级搅拌适用于混合密度及粘度差很小的液体。2级（混合均匀）：级（混合均匀）：0.1， 100倍；倍；34565.57.39.211.03至至6级搅拌是多数间歇反应所需要的搅拌程度。级搅拌是多数间歇反应所需要的搅拌程度。6级（混合均匀）级（混合均匀） ：0.6， 10000倍；倍；7891012.814.616.518.37级至级至10级搅拌为要求甚高的聚合釜所需要的搅拌级别。级搅拌

20、为要求甚高的聚合釜所需要的搅拌级别。10级（混合均匀）级（混合均匀） ：1.0， 1000，有挡板釜的传热系数比无挡板时添加约30%-40%；l5多层桨叶对单层桨叶的传热系数的比等于它们所耗费功率的比值的 0.22次方。 自20世纪70年代以来，有关螺带、螺杆和螺杆-导流筒等高效牛顿流搅拌器的传热关联式陆续发表，但数量不多且结果相差也较大，代表性的关联式列举如下:0.50.28ReRe0.440.330.14ReRe40.70.330.14ReRe0.330.330.2ReRe50.670.330.14ReRe101.38104001.34400 100.271 10004.21000 100

21、.42prprprprpriTNNNiTNNNVisiTNNNVisiTNNNVisiTNNNVisN 锚式双螺带螺杆导流筒0.50.330.14ReRe0.670.33ReR0.e14107000.947005000000.35prpriTNNVisiTNNNVis二、非均相体系的传热 Frantisak对装又四块挡板及推进式搅拌器的夹套搅拌釜进展研讨，根据对363个牛顿型浆液丈量值的线性回归分析得到式 0.040.60.330.130.16Pr0.5751idPdPedcdTND TCC式中，Re, pr表示采用体系物料的平均物性计算所得雷诺数和普兰特数；Cpd, Cpc分别为分散相和延续

22、相的比定压热容；d, c分别为分散相和延续相的密度；分散相的体积分率。三、非牛顿流体的传热最常见的非牛顿流体为假塑性流体搅拌高黏度假塑性流体时，大都处于层流区，此时常用锚式，螺带式搅拌器，其传热关联式为 0.50.330.2RenprRen0.330.330.330.2RenprRenRec0.670.330.14Renpr6RecRenRec1.5, 505001.750.10.5210 ,39iTNNVisNiTTDNNVisDNNiTNNVisNNNTTD锚式双螺带NRen和NPr为采用非牛顿流体表观粘度所计算的搅拌雷诺数和普兰特数四、搅拌聚合釜总传热系数的计算 讨论了搅拌聚合釜内侧传热

23、膜系数i的计算方法，现引见外侧夹套侧传热膜系数0的计算方法 ,Lehrer提出可按下式计算 0.75repr0e1 8repre0.5e0.031 1.74182132NNDNNDDDD是夹套的当量直径，用式求算式中，D1是夹套内径，D2为夹套外径假设冷却水的入口接纳安装在容器下部，出口管干装在容器的上部时，雷诺数NRe用式计算： 0.5eRe0ADNuuu0是入口接纳处的流速，当夹套侧冷却水流量为W，接纳内径为di，那么u0为 ：204/iuWd当接纳沿径向方向安装时，见图6-8，uA取夹套内的上升速度，即 22214AWuDD当接纳按切线方向安装时，见图6-9，uA取夹套间隙速度，即: j

24、212AWuHDD夹套内设置螺旋挡板时，其传热膜系数夹套内设置螺旋挡板时，其传热膜系数00由式计算由式计算: : 0.40.8ee0ejv0.031 1.77CDDDR 式中，式中，DeDe为螺槽的当量直径，为螺槽的当量直径，RjRj为夹套的曲率半径，为夹套的曲率半径，Rj=D1/2+( D2- D1)/4;Rj=D1/2+( D2- D1)/4;为冷却水在为冷却水在螺槽中的流速。螺槽中的流速。 缘由：反应温度上升反应速率加快反应放热速率增大 按定常态操作条件设计反响器时，只思索了反响器在稳定操作时的性能，而没有思索反响器从非定常态过度到定常态的过程。实践上，反响器操作时温度、浓度、流量、传热

25、等参数难以做到一成不变，当这些参数发生偏离定常态条件的变化时，即遭到扰动后，反响器的操作形状有两种变化的能够： 1扰动吊销后不能回复到原先的形状，而变到另一种操作形状；热不稳定 2扰动吊销后回复到原先的定常形状。热稳定1.热稳定性和参数灵敏性热稳定性和参数灵敏性以上二者虽然都是热平衡，但一个是稳定的，一个是不稳定的；可见，平衡不等于稳定。平衡有两种，稳定的平衡和不稳定的平衡。参数的灵敏性： 各有关参数V，T，T冷等有微小的变动，对反响器的温度或反响结果有多大的变化。如：参数的灵敏性过高，导致控制的精度过高，使反响器的操作非常困难。 延续流动反响器操作稳定性问题，类似于一个物体的力学稳定性反响器的热稳定性问题在工业消费上具有重要性，但这类问题普通比较复杂，荷兰的Van Heerden建立全混釜内一级反响的热稳定性模型，将做引见，其他情况反响器的热稳定性问题，思索的思绪与此相仿。蝴蝶效应 全混流搅拌反响器的多态全混流搅拌反响器的多态 以一级不可逆放热反响为例以一级不可逆放热反响为例 QR为放热速率，QC为移热速率To为进料温度 ，TC为冷却温度T为反响温度 1.反响放热速率与温度的关系由阿累尼乌斯公式决议；放热速率QR随温度的变化呈S形曲线关系