第七章搅拌聚合釜放大

1、第七章 搅拌聚合釜的放大 第一节 概述n 反应釜是“心脏”。n聚合反应釜：单体变成聚合物聚合物的主次性能如聚合度及其分布共聚物组成和序列分布大分子结构颗粒结构等n反应釜效率（传热、搅拌）操作有关。n反应釜放大后，大小反应釜间的等物理过程的变化（热量、质量传递及流体流动状况）n速度分布、温度分布、浓度分布及停留时间分布的差异n反应的结果n成功放大的标志是：大小反应釜中的反应结果一致或近似 。n放大方法：n数模放大:通过动力学研究和模型，确定反应条件等对反应速率、产品质量和收率的关系，并建立数学模型（动力学模型数学模型（动力学模型）传递过程模传递过程模型型来描述。设定过程参数，以得满意的产品质量、

2、收率、和产量的最佳条件最佳条件。n聚合反应不用数模放大法。数模放大相似放大n相似放大相似放大：在配方不变的前提下，保证速度分布、浓度分布、温度分布和停留时间分布均与模型反应釜相同，反应结果相同。n四个分布相互间呈复杂的制约关系。使四个分布在大小釜中完全相同很难。n放大时，要根据反应体系的特殊性，找出其中对反应结果影响最大的参数及其适应范围，并以此作为放大准则。n工业釜要求：反应速率、产品质量和收率相同或基本相同 。第七章 搅拌聚合釜的放大第二节 搅拌聚合釜的传热放大n搅拌釜的传热关联式为：n式中：L为与传热面有关的代表性尺寸。n若釜的几何尺寸相似则：mwcbNNLNu)()()(PrRemwc

3、PbCND)()()(2mwcPbmwcPbCNDCNDLL)()()()()()(2222222222211111111211222111n若二釜物料相同，则21212121wwPPCC、bNDNDLL)(2221211221相同n上式可化简为：n 大小釜中，几何尺寸间有比例关系，令 L/D=S,则：n式中：ND是搅拌浆的叶端速度。令 ND=Vn令12122112221211221)()()(bbbDDNDNDNDNDSDSD1212121)()(bbDDvv1212121)()(bbvvrrrrNNNvvv1212122,1n 线性放大比。n例：B=0.5， =2（即几何尺寸放大一倍）若叶

4、端速度相等 ：121brbrbrbrrNvr7-67-6 放大后对传热的影响。r115 . 015 . 01704. 0704. 021brbrrv若叶端速度为小釜两倍：n但要使叶端速度增加一倍，搅拌功率P要增加很多，因为PN3，这种放大法不经济。n传热下降是必然！n单位体积所具有的传热面也降低 ！n增加附加传热面。115 . 015 . 01122brbrrvn传热放大方法：动力相似放大叶端速度相等放大；给热系数相等放大；单位体积搅拌功相等放大；单位体积传热速率相等放大；总传热系数相等放大。1.动力相似放大NRe相等，222121NDND212221DDNN则rrN1rr放大倍数较大时，要求

5、小釜转数大，一般不用。放大倍数较大时，要求小釜转数大，一般不用。n2.叶端速度相等放大n3.给热系数相等放大brrrv111bbrrbrbrbrbrbrrNN2111211放大时，放大时，a下降较前者小下降较前者小保持适当转数比，可保证保持适当转数比，可保证a不下降，不下降，常用常用n4.单位体积搅拌功相等放大)134()32(2131223221312232315131132523221232167/brrrrPPvvvvNDNDNDNDNDDNNDDNNppNPpp）带入（常用！常用！n5.平均单位传热速率相等放大n6.总传热系数相等n条件：放大釜壁的热阻比较小，可以忽略 。大小釜几何形状

6、相似，叶端速度，传热温度相等。srrK1nS取不同值。见书P198。n不同放大的情况见表7-1。不推荐！推荐！Pv相等 ND相等 NRe相等相等30.8850.2950.6930.2310.3330.11110.3350.8360.1670.5850.1170.20.0410.25100.7740.0770.4640.0460.10.0110.1rrrVQ)/(rrrrVQ)/(rVQ)/(rVQ)/(表7-1例题P198例下降过多节能第七章 搅拌聚合釜的放大第三节 搅拌聚合釜的搅拌放大n搅拌釜的功率准数NPnNP=f(NRe ，NFr )n在几何相似的系统中，为保持二釜的搅拌动力相似，则应保

7、持上式中的三个准数相等，即nNP1= NP2nNRe1 = NRe2nNFr1 =NFr2n但对同种物料同时保持NRe、NFr 不变不可能见nNP1= NP2 不变 N2= 0.707N1 nNRe1 = NRe2 N2= 0.25N1 n按不同体系采用不同的放大方法。n 1均相液体间的混合n按混合时间数相等进行放大。即2211NtNtNbbM混合时间内桨叶回转数混合时间Nttbbn对均相液体间的混合，放大时只须保持大小釜的回转总数相等即可。n若要保持大小釜相同的混和时间，则应使二釜的转速相等21NN n 2以传热为主搅拌釜的放大n(1) 采用叶端速度相等放大1V2321312232rV253

8、5131523212r1rP19-7PP19-71rrrrrrrrrrNDNDNNDNDNpppN带入带入上式）（n用叶端速度相等放时，各参数的放大式为: 1)-(b1V21rPP1rrrrrrrrNn(2)采用传热PV相等放大535131523212r)32(rrrrNDNDNppPN代入将3rrP得rrNr叶端速率放大为：rrrrNNr)32(代入将3/1rr得n相关的：1)-b34(V33/13/21PPrrrrrrrrvNn(3)采用传热相等放大535131523212r21rrbbrrNDNDNppPN代入将bbrrP3得23Vr)21(rrbbrrNPN代入将b4b-3VrrP得n

9、当 一定时，以PVr-b作图，可得图71。可以看出，b值对放大后的功率消耗影响甚大。rb值PVrn在b0.75时，PVr1，表明釜的单位体积输入功要比小釜大；n 越大，PVr增加越多，用几个小釜代替大釜更有利。n当 b0.75时， PVr1，放大后，大釜Pv比小釜小，且随 增加，Pv降低越多，若能保证其他参数以 越大越好。n当b=0.75时，Pvr=1，表明放大后，大小釜的Pv相等。这在任何放大倍数下，用同样的Pv可在大小釜中得到相等的a。可按小试的结果直接进行放大。rrrn相关的：1PP4b)/b-(3Vb)/b-(3/ )21(/ )1(rrrrrrbbrrbbvNn(4)固体悬浮体系可按

10、悬浮程度放大n相关的：1)-b45(11/44/14/3PrrrrrrrrvNr表73列出 2, b=2/3时，按几何相似放大时，各参数的变化情况 ：按Pv相等放大及悬浮程度相等放大时，a下降不多，须增添的传热面较少，而颗粒的形态有保证。 按ND相等放大及按悬浮程度相等放大时，a下降多，须增添的传热面多，但功率消耗少。 按a 相等放大功率消耗最多。 n不同体系可根据表7-4选择。放大方法适用情况放大方法适用情况N相等可溶液体混合，气液混合PV相等液-液分散气-液分散固-液悬浮ND相等流速敏感、剪切敏感悬浮程度相等固-液悬浮第七章 搅拌聚合釜的放大第四节 非几何相似放大几何相似放大的几何相似放大

11、的缺陷缺陷：误区：几何相似动力相似误区：几何相似动力相似释：几何相似条件下若释：几何相似条件下若Re和和Fr都相等，则动力相似。然而，都相等，则动力相似。然而，Re = d2 N / h h ，Fr = d N2 /g，除非除非(h/h/)2/(h/h/)1=(D2/D1)3/2，否则不可能，否则不可能Re和和Fr同时相等。同时相等。单位体积传热面积的下降，反应器内热传单位体积传热面积的下降，反应器内热传导距离增加导距离增加单位体积传质界面的减少（脱挥？），传单位体积传质界面的减少（脱挥？），传质路径增加质路径增加仅单一特征混合参数的相同仅单一特征混合参数的相同n非几何相似放大的实质是，在明确

12、放大准则的基础上，通过改变浆型、釜中内部构件、桨叶几何尺寸等手段，使工业釜的操作状态能满足放大准则的要求。即令工业釜和模试釜之间对过程结果有决定影响的混合参数相一致。n过程结果是指过程结果是指反应速率、反应速率、收率、收率、产品质量产品质量（分子量、颗粒形态等）。（分子量、颗粒形态等）。n影响过程结果的因素有影响过程结果的因素有温度、浓度、传质和剪切温度、浓度、传质和剪切率率（非均相）四个变量。（非均相）四个变量。n若工业反应器中每个反应单元的温度、浓度、传若工业反应器中每个反应单元的温度、浓度、传质和所受剪切率与小试或中试一样，工业反应器质和所受剪切率与小试或中试一样，工业反应器的过程结果必

13、然与小试或中试相近，放大问题就的过程结果必然与小试或中试相近，放大问题就解决了。解决了。n例：为了给80m3PVC聚合釜的设计提供数据，在内径为0.4M，体积为80L的试验釜中进行冷模试验，试验釜与大型釜几何相似。搅拌桨叶采用单层三叶后掠式，上翘角a为15，后掠角为50 。桨叶靠近釜底安装。大型釜中为了增加传热面用四支D型挡板，内通冷却水。试验釜中也按几何相似安装四支D型挡板。试验釜中以水作搅拌介质，不同截流的桨叶进行研究得到下表所示的结果。搅拌形式NpNp/NqdNqdNqc平板三叶后掠1.762.90.610.9扁圆三叶后掠1.272.10.6050.89 1)(16. 012DTNNqd

14、qc设Pv=1.2KW/M3循环次数Nc7次/min,求大釜N,P,PvPpoly=1.2Pwater,装料系数0.9，密度1090kg/M3粘度5.65x10-3n(解)n1确定线性放大比 312123/ 13/ 11272m0.9802m4 . 05 . 010DD4m4 . 010TT101000V100008. 080装料量：桨径：大釜直径：rrrrrVVVn2.大釜传热系数Ncn 湍流时搅拌水时的功率Pw为：n三叶平板：Np=1.7680KW2 . 12 . 1802 . 1PVPV2w67r/min1000276. 1100080DNPN1000,DNNP3535Pw53Pw取n核

15、核大釜中NRe，取聚合液密度为1090kgm3n结果与假设一致为湍流。n循环次数Nc522Re108.600565. 0260671090NDN1 -323qcCC7min. 67220.670.99 . 0VNDNVQNn因设计要求Nc7所以要提高循环次数n(1) 桨叶形状及尺寸不变，提高转速。 min/70r29 . 0772DNVNN33qcCNc=7时的转速应为: 32PVWP55P3Wm/37KW. 180109VPP109KW912 . 12P. 1P91KW26070100076. 1DNNPn由计算可知，转速只从67rmin增至70rmin，而搅拌功率P却从 96kw增至 10

16、9kw。n所以 N稍有改变对 P的影响就很大。n( 2)仍采用平板型桨叶，缩小桨径增加转速。n 设DT=0.48n D2=4x0.48 =1.92mn冷釜实验可知：n桨叶改变后相关值：637. 0)0.500.48(61. 0N84. 1)0.500.48(76. 1N1 . 1qd1 . 1p4 . 01 . 1qd9 . 01 . 1p)Tb()TD(N)Tb()TD(N9 . 2NNqdpn循环7次的转数98. 0 1)92. 14(16. 01637. 0 1)(16. 0122DTNNqdqc6KW.8692. 16073100084. 1DNNP55P3Wmin/72.4r92.

17、198. 0772DNVNN33qcC32PVWPm/3KW. 180104VPP104KW6 .862 . 12P. 1P656. 0)0.10.12(61. 0N07. 2)0.10.12(76. 1N4 . 0qd9 . 0pn (3)增加桨宽 b来提高循环次数n 设b/T=0.12 D2=2m16. 3NNqdpn循环7次的转数971. 0 1)24(16. 01665. 0 1)(16. 0122DTNNqdqc2KW.8426065100007. 2DNNP55P3Wmin/64.8r2971. 0772DNVNN33qcC32PVWPm/26KW. 180101VPP101KW2

18、 .842 . 12P. 1P75r/min1000227. 1100080DNPN3535Pwn (4)改变桨型1 -33qcc41min. 77275289. 0VNDNNn四种方案结果见表：p208n从减少能耗角度看，以方案4最好（扁圆截面的桨叶。n考虑制造方便，方案2、3也可采用。n在大型釜中为了增大循环而同时又不使消耗功率过大，通常应采用 较小为宜。qdpNN第七章 搅拌聚合釜的放大第五节 放大准则的确定n 一、按几何相似理论确定放大准则n对于几何相似体系，可在数个几何相似但容积不同的搅拌釜中进行试验。求出在每个釜中能获得合格产品的转速。由此确定转速N和桨径D间的关系。此法是依几何相似来进行放大，放大准则最终归结为N与D间的比例关系。n二、非几何相似理论确定放大准则n并不追求几何相似，而仅要求工业釜中的一个或几个主要混合参数与模试釜相似。所以使用非几何相似理论来确定放大准则时，需详细分析各混合参数对