第六章传热与传质

第六章传热与传质第一页，共二十七页，编辑于2023年，星期四传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递，传热是极为普遍的一种能量传递过程，化学工业与传热的关系尤为密切。传热在化工生产中的应用：1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。2、化工设备和管道的保温，以减少热损失。3、生产中热能的合理利用，废热回收。第二页，共二十七页，编辑于2023年，星期四分类：按连续性按与时间的关系间歇传热连续传热非稳态传热：传热速率常数，稳态传热：传热速率=常数，第三页，共二十七页，编辑于2023年，星期四传热的基本方式热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分，或是温度较高的物体传给温度较低的物体。根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种。第四页，共二十七页，编辑于2023年，星期四第一节聚合过程的传热问题

聚合反应通常是放热反应，而聚合物的分子量及其分布又对温度十分敏感，因此传热是控制聚合过程的重要问题。传热速率与放热速率相等，才能使聚合温度恒定。放热速率等于聚合速率与单体聚合热的乘积。第五页，共二十七页，编辑于2023年，星期四聚合速率在聚合过程中通常是变化的，并受引发剂种类、浓度及单体浓度的影响。大致有减速、匀速、加速三种类型，其转化率时间曲线有如图。第六页，共二十七页，编辑于2023年，星期四(1)减速型：如离子型聚合，缩聚反应，聚合速率随单体浓度降低而降低(2)加速型：自由基聚合在高转化阶段出现凝胶效应，出现自动加速现象，聚合速率呈3型变化，放热是不均匀的，最高放热速率可能是平均放热速率的2～3倍。常用放热不均匀系数只表示放热特性。第七页，共二十七页，编辑于2023年，星期四(3)匀速型：如果引发剂半衰期使用得当，则可达到匀速反应。例如采用复合引发剂使聚合速率趋向均一，也可逐渐或分批加入单体或催化剂使聚合速率保持均衡。第八页，共二十七页，编辑于2023年，星期四

第二节搅拌聚合釜的传热方式

第九页，共二十七页，编辑于2023年，星期四

考虑搅拌聚合釜的传热方式，首先要从聚合反应过程的特点出发。聚合反应往往要求严格控制聚合温度、反应物料纯净不被污染、釜内常需处理高粘度易结垢的物料。因此，要求搅拌聚合釜传热装置的传热速率要高、结构简单、避免有易引起拉胶的粗腿表面及导致结垢的死角、易于清洗。传热方式常用间接传热。第十页，共二十七页，编辑于2023年，星期四传热装置有夹套、内冷件、回流冷凝、体外循环冷却器等。第十一页，共二十七页，编辑于2023年，星期四内冷件：在有衬里的聚合釜或釜壁采用导热性不良的材质制造时(例如搪瓷釜)，因传热系数低不能仅用夹套传热。大型聚合釜，由于单位体积的传热面积较小，仅仅采用夹套传热也是不够的。为此除安装夹套外，还需附加釜内传热装置。在釜内安装内冷件，如内冷管和内冷挡板最常使用。

第十二页，共二十七页，编辑于2023年，星期四具体内容:

回流冷凝器：当采用夹套及釜内传热装置还不能满足传热要求时，则可采用釜外传热方式。釜外传热可以分为两种，一种是将釜内物料气相导出进行釜外循环热交换，另一种是液相导出进行釜外循环热交换。

第十三页，共二十七页，编辑于2023年，星期四a.气相釜外循环热交换装置(回流冷凝器)，是以蒸汽冷凝方式传热，传热系数高，传热面积不受容积限制，这是它的优点。通常管内进物料蒸气，管外通冷却介质，以便了清洗。回流冷凝器的结构也应避免死角、管子及管板表面要光滑、管子不可伸出管板、连接处应密封以防物料被冷却介质污染和破坏催化剂。用于聚合釜时，回流冷凝器经注意防止单体在冷凝器中进行聚合而造成堵塞，不使用易挥发的催化剂或引发剂以防止带入冷凝器。用于乳液聚合时，要避免将泡沫带入回流冷凝器，为此在反应器上部应留有足够的空间，一殷要求留出0.6m的直边高度。第十四页，共二十七页，编辑于2023年，星期四第十五页，共二十七页，编辑于2023年，星期四b.体外循环冷却器：部分反应物料由反应器中用泵抽以，经外部冷却器冷却后再进入反应器。这种液相外循热交换装置应用于聚合反应时，由于物料在换热器个温度下降1～10℃左右，所以对要求严格控制反应温度的一类聚合反应就不宜采用。悬浮聚合易造成结块也不宜采用。对胶乳的剪切稳定性高的乳液聚合可以采用体外冷风但对于剪切敏感的胶乳体系应使用，因为循环泵里的剪切速率很大，容易破坏胶乳的稳定性。

第十六页，共二十七页，编辑于2023年，星期四第三节搅拌聚合釜的传热计算搅拌聚合釜的传热计算与—般传热计算相同。传热速率同样取决于釜内流体与载热休的温度差，传热面积及总传热系数。故有第十七页，共二十七页，编辑于2023年，星期四

提高总传热系数，增加传热面积和降低冷却水温度以扩大温差可提高传热速率。釜大型化后，单价体积的传热面积减小，降低水温须增加冷冻的动力消耗，因此提高总传热系数足改善传热效果的最好办法。第十八页，共二十七页，编辑于2023年，星期四总传热系数的大小与釜内物料性质、搅拌条件，夹套内水流情况和水温，釜壁材质和粘捉物及水垢的沉积有关。其定量关系可由下列热阻方程表示。

αi和α0分别代表釜的内、外壁传热膜系数；δ/λ从为釜壁固体导热部分的总热阻，其中δ为厚度，λ为导热系数，由碳钢层、不锈钢层、搪瓷层、粘釜物和水垢几部分组成。第十九页，共二十七页，编辑于2023年，星期四通过热阻分机可以找出主要热阻所在，指出提高传热总系数的方向。聚合釜内物料性质(尤其是体系的粘度)初搅拌条件如搅拌桨叶形式、尺寸、流动形态、挡板条件等是影响釜内壁传热膜系数αi的主要因素。定性地说体系粘度愈小，搅拌效果愈好，则釜内壁滞温层愈低，热阻就愈小故传热膜系数αi就愈大。因此降低体系粘度和改善搅拌效果是提高αi和总传热系救K值的重要途径。

第二十页，共二十七页，编辑于2023年，星期四聚合釜以夹套冷却时，釜外壁传热膜系数α0的数值随玲却水的流况而定。如果冷却水处于自然对流状态时，α0约为500，总传热系数只能在300～350，当冷却水处于激烈流动状态时，物可达3000～5000，此时总传热系数提高到400～600。由此可见，夹套中冷却水流况且提高传热系数的重要途径。例如在夹套内按装导流挡板或扰流喷咀，多点切向进水都是为促使冷却水能处于激烈流动状态，提高传热膜系数α0所采取的措施。

第二十一页，共二十七页，编辑于2023年，星期四固体的导热系数一般较小，尤其是聚合物垢层及水垢层的导热系数很小。所以从热阻δ/λ从的总情况分析，对传热影响是很大的，(δ/λ)-1一般在400～500左右，大大限制了聚合釜总传热系数的提高。为了降低釜壁固体导热部分总热阻，应尽可能采用导热系数较高的材质。

第二十二页，共二十七页，编辑于2023年，星期四均相液体的传热

对于低粘度均相液体在搅拌荣中的传热计算已有大量研究，故可用强制对流传热的无因次准数关联式表示。

第二十三页，共二十七页，编辑于2023年，星期四湍流时，雷诺数的指数一般取b＝2/3，NPr的指数c＝1/3，粘度比的指数m＝0.14。因此，各种搅拌釜传热方程的主要差别在常数α值的不同。α值包含了几何因素的影响，所以各搅拌釜传热方程只能在几何相似的条件下应用。

第二十四页，共二十七页，编辑于2023年，星期四对于非标准型釜，几何尺寸的改变对传热关联式的影响密增加多项校正：

对于有挡板的搅拌釜，釜内不设置内冷蛇管时：第二十五页，共二十七页，编辑于2023年，星期四非均相体系的传热

虽然管路中浆液流动传热的研究已有大量报道，但对于搅拌牛顿型浆液的报道却很少。非均相的液—固悬浮体系所形成的浆液，当固体颗粒体积分率小于1％内，固体颗粒对于传热影响很小，此时可以应用均相体系的传热关联式进行传热计算。

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