聚合反应工程(华东理工大学)5.聚合反应器.ppt

聚合反应器及反应器内流体的流动和混合,第五章聚合反应器及其工程因素,5.1聚合釜概述,带有搅拌装置的反应器搅拌聚合釜,带有搅拌装置的容器原料配制槽、浆料沉析槽,5.1聚合釜概述,聚合釜的结构,釜体,密封装置,减速机,搅拌器,釜盖,料孔,温度计孔,视镜孔,人孔,搅拌孔,电动机,5.1聚合釜概述,影响聚合釜功能的主要因素釜体长径比矮胖型、瘦长型；搅拌桨形式剪切型、循环型；高粘度型、低粘度型；挡板消除旋涡；夹套、内冷管传热能力；釜体材质结垢问题、导热问题等,5.1聚合釜概述,各种搅拌器形式：,5.1聚合釜概述,对不同的化工生产过程，搅拌（反应釜）应具备以下作用：推动液体流动，混匀物料；产生剪切力，分散物料，并使之悬浮；增加流体的湍流，以提高传热效率；加速物料的分散与合并，增大物质传递速度；对高粘体系，可以更新表面，促使低分子物（如水、溶剂）蒸出。,5.2搅拌聚合釜内流体的流动和混合,5.2.1聚合釜内流体的流动状况5.2.2搅拌器的类型和选用5.2.3聚合釜的搅拌功率计算5.2.4搅拌器的流动特性和转速5.2.5搅拌器的混合特性5.2.6搅拌釜中的分散过程,5.2.1聚合釜内流体的流动状况,流动状况（简称“流况”）在整个搅拌容器中流体速度向量的方向。决定釜内流体流况的因素：釜体的几何尺寸；搅拌器的几何尺寸；传动力；处理物料的物性等。,5.2.1聚合釜内流体的流动状况,搅拌釜内流况的层次：循环流动宏观流动剪切流动微观流动,5.2.1聚合釜内流体的流动状况,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）中的流动状况。宏观流动也称“循环流动”。循环流动存在三种典型流况：,径向流动：,轴向流动：,切向流动：,5.2.1聚合釜内流体的流动状况,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）中的湍流状况。微观流动是由于搅拌桨的剪切作用而引起的局部混合作用，微观流动也称“剪切流动”。在搅拌釜内进行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。,5.2.1聚合釜内流体的流动状况,以循环流动为主的搅拌器称循环型搅拌器；,以剪切流动为主的搅拌器称剪切型搅拌器；,推进式,平桨,三斜窄叶涡轮式,5.2.1聚合釜内流体的流动状况,搅拌雷诺数是判定搅拌釜内流动形式的无因次准数。,雷诺数不同，釜内流体流动表现不同流态。,搅拌雷诺数与流态,滞流,层流,过度流,湍流,5.2.1聚合釜内流体的流动状况,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,重力特性：弗劳德准数,传热特性：努塞尔准数,混合特性：混合时间数,循环特性：排除流量数,5.2.1聚合釜内流体的流动状况,搅拌釜内液流流态与特性曲线,搅拌雷诺数对搅拌釜内的特性行为（准数）的影响在层流和过度流区域有决定性作用，在湍流区域则影响不大。,5.2.2搅拌器的类型和选用,搅拌器的分类：搅拌器形状：桨式、推进式、涡轮式、螺杆和螺带式等；搅拌流况：循环流动、剪切流动；搅拌目的：混合、悬浮、分散、传热等。,5.2.2搅拌器的类型和选用,桨式搅拌器主要类型：,锚式,框式,5.2.2搅拌器的类型和选用,平桨和斜桨搅拌器结构简单，剪切力较强，斜桨还有较强的向上或向下垂直液流。,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，适用高粘度流体。,设计参数：,转速：20200rpm,桨径/釜径：0.50.7,叶端速度：1.52m/s,粘度范围：0.1102Pa.s,桨径/釜径：0.95,粘度范围：102103Pa.s,设计参数：,5.2.2搅拌器的类型和选用,推进式搅拌器特点：结构简单，剪切作用小，循环性能好，属于循环型搅拌器，适用于低粘度，液量大的液体搅拌。设计参数：桨径1000，有挡板釜的传热系数比无挡板时增加约30%-40%；（5）多层桨叶对单层桨叶的传热系数的比等于它们所消耗功率的比值的0.22次方。,5.3.2搅拌聚合釜工程分析与传热计算,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:,5.3.2搅拌聚合釜工程分析与传热计算,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行研究，根据对363个牛顿型浆液测量值的线性回归分析得到式,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分别为分散相和连续相的比定压热容；d,c分别为分散相和连续相的密度；分散相的体积分率。,5.3.2搅拌聚合釜工程分析与传热计算,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,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,5.3.2搅拌聚合釜工程分析与传热计算,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膜系数i的计算方法，现介绍外侧（夹套侧）传热膜系数0的计算方法,Lehrer提出可按下式计算,式中，D1是夹套内径，D2为夹套外径,5.3.2搅拌聚合釜工程分析与传热计算,若冷却水的入口接管安装在容器下部，出口管干装在容器的上部时，雷诺数NRe用式计算：,u0是入口接管处的流速，当夹套侧冷却水流量为W，接管内径为di，则u0为：,5.3.2搅拌聚合釜工程分析与传热计算,当接管沿径向方向安装时，见图6-8，uA取夹套内的上升速度，即,当接管按切线方向安装时，见图6-9，uA取夹套间隙速度，即:,5.3.2搅拌聚合釜工程分析与传热计算,夹套内设置螺旋挡板时，其传热膜系数0由式计算:,式中，De为螺槽的当量直径，Rj为夹套的曲率半径，Rj=D1/2+(D2-D1)/4;为冷却水在螺槽中的流速。,5.3.3搅拌聚合釜的热稳定性,原因：,按定常态操作条件设计反应器时，只考虑了反应器在稳定操作时的性能，而没有考虑反应器从非定常态过度到定常态的过程。实际上，反应器操作时温度、浓度、流量、传热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，即受到扰动后，反应器的操作状态有两种变化的可能：1）扰动撤消后不能回复到原先的状态，而变到另一种操作状态；热不稳定2）扰动撤消后回复到原先的定常状态。热稳定,1.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，对反应器的温度（或反应结果）有多大的变化。如：参数的灵敏性过高，导致控制的精度过高，使反应器的操作十分困难。,连续流动反应器操作稳定性问题，类似于一个物体的力学稳定性,反应器的热稳定性问题在工业生产上具有重要性，但这类问题一般比较复杂，荷兰的VanHeerden建立全混釜内一级反应的热稳定性模型，将做介绍，其余情况反应器的热稳定性问题，考虑的思路与此相仿。,全混流搅拌反应器的多态以一级不可逆放热反应为例,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为反应温度,1.反应放热速率与温度的关系由阿累尼乌斯公式决定；放热速率QR随温度的变化呈S形曲线关系2.反应器内的移热速率与反应温度的关系，则呈线性。反应器内的放热速率线和移热线可能出现不只一个交点，即出现多个定常操作态，通常称此现象为反应器的多重定常态。定常态中有些具有抗外界干扰的能力之为稳定的定常态。不具有抗干扰能力的定常态不稳定的定常态。,全混流搅拌反应器要进行稳定操作，就必须同时满足物料平衡和热量平衡，放热速率与散热速率必须相等，即QR=QC，在QT图上，满足这一条件的状态必须是QRT和QCT两线的交点，前者是非线性的S型曲线，后者是直线，两线的交点可能不止一点，表示可能的热平衡操作状态点不止一个。例右图的a、b、c三点,右图中C点符合放热=散热速率的要求，如在C点操作，因扰动而使体系温度有一微量升高，T0，则操作温度向右移动，此时QC和QR值都增,加，增量为QC和QR,QRQC，即反应放热量增加得比散热量快，因而，热量积累，使温度更加升高，造成新的不平衡，一直增加到b点温度才又达到平衡。,同理，如在c点操作时，温度的微小下降都会使放热速度比散热速率下降得更快，使体系很快下滑到a点，可见c点是假稳定点,右图中b点符合放热=散热速率的要求，如在