聚合反應工程_1

1、聚合反應工程基礎聚合反應工程基礎浙江大學浙江大學 史子謹史子謹 主編主編 學期計劃學時數 ： 32 授 課 班 級 高分子1201-02 授 課 教 師 嚴正權 本課程主要內容本課程主要內容1、化學反應工程基礎化學反應工程基礎2、化工流變學基礎化工流變學基礎3、聚合反應工程分析聚合反應工程分析4、攪拌和混合的基本原理攪拌和混合的基本原理5、聚合釜的傳熱聚合釜的傳熱與傳質與傳質6、聚合反應器的放大聚合反應器的放大聚合物反應過程教學參考書目錄聚合物反應過程教學參考書目錄以下教學參考書，可到圖書館查閱1 計其達主編聚合過程及設備，化學工業(yè)出版社 北京 1981 2 聚合反應工程基礎陳甘堂著，中國石化

2、出版社19913 高分子化學，韓哲文編，華東理工大學出版社，20014 潘祖仁, 高分子化學M, 北京：化學工業(yè)出版社，2011（第五版）5 王槐三 ，高分子化學M, 北京：科學出版社，2011（第三版）6 張興英, 高分子化學M, 北京：化學工業(yè)出版社，20067 唐黎明, 高分子化學M, 北京：清華大學出版社，20098 潘才元, 高分子化學M, 合肥：中國科學技術大學出版社，20121、課程的地位與作用、課程的地位與作用 聚合反應工程聚合反應工程是化學反應工程的一門分支學科。它是研究聚合物制造中的化學反應工程問題。 聚合反應工程基礎是高分子類專業(yè)的專業(yè)課，通過課堂教學，使學生掌握和了解：

3、 (1) (1)化學反應工程化學反應工程 （以工業(yè)規(guī)模進行的化學規(guī)律作為研究對象，以化學反應動力學和傳質過程作為主要基礎。）(2)(2)進行聚合反應器的最佳設計進行聚合反應器的最佳設計(3)(3)進行聚合反應操作的最佳設計與控制進行聚合反應操作的最佳設計與控制 （攪拌釜內流體的攪拌、混合、傳熱）為學生以后在聚合過程技術開發(fā)方面打下基礎。為學生以后在聚合過程技術開發(fā)方面打下基礎。第一章第一章 緒論緒論聚合反應工程聚合反應工程化工機械及儀表化工機械及儀表高分子工藝高分子工藝高分子化學高分子化學化學工程化學工程系統(tǒng)系統(tǒng)工程工程聚合反應工程是連接化學工藝與工程的一門學科聚合反應工程是連接化學工藝與工程

4、的一門學科。 聚合反應的特點聚合反應的特點：（1）反應機理多樣，動力學關系復雜，重現性差，且微量雜質的影響較大；（2）在聚合過程中，除要考慮轉化率外，聚合度及其分布、共聚物的組成及其分布、聚合物的結構等等；（3）聚合裝置中傳熱、傳質和動量傳遞等過程相當復雜；（4）聚合反應器的設計、放大等受到相當因素的限制，聚合反應工程的發(fā)展還相當不完善，發(fā)展較為緩慢，等等。1、聚合物材料普遍化、聚合物材料普遍化2、生產裝置大型化生產裝置大型化橡膠、塑料、纖維、涂料、黏合劑等等。橡膠、塑料、纖維、涂料、黏合劑等等。2、課程的發(fā)展概況、課程的發(fā)展概況生產裝置大型化：生產裝置大型化：本課程總學時為本課程總學時為32

5、32學時，通過課堂教學，使學生掌學時，通過課堂教學，使學生掌握聚合反應工程分析、攪拌釜內流體的攪拌、混合、握聚合反應工程分析、攪拌釜內流體的攪拌、混合、傳熱等規(guī)律。傳熱等規(guī)律。 3、課程的教學目標與基本要求、課程的教學目標與基本要求考試方法：考試方法：閉卷考試閉卷考試第二章第二章 化學反應工程基礎化學反應工程基礎第一節(jié)第一節(jié) 化學反應和反應器分類化學反應和反應器分類第二節(jié)第二節(jié) 均相反應動力學均相反應動力學第三節(jié)第三節(jié) 理想反應器的設計理想反應器的設計第四節(jié)第四節(jié) 理想混合反應器的熱穩(wěn)定性理想混合反應器的熱穩(wěn)定性第五節(jié)第五節(jié) 連續(xù)流動反應器的停留時間分布連續(xù)流動反應器的停留時間分布第六節(jié)第六節(jié)

6、 流動模型流動模型第七節(jié)第七節(jié) 停留時間分布與化學反應停留時間分布與化學反應1、 化學反應的分類化學反應的分類第一節(jié)第一節(jié) 化學反應和反應器分類化學反應和反應器分類（1 1） 按化學反應的特性分類按化學反應的特性分類反應機理反應機理簡單反應、復雜簡單反應、復雜反應反應反應級數反應級數一級、二級、三一級、二級、三級、零級、分級、零級、分數級反應數級反應反應的可逆性反應的可逆性可逆反應、不可可逆反應、不可逆反應逆反應反應熱效應反應熱效應放熱反應、吸熱放熱反應、吸熱反應反應反應分子數反應分子數單分子、雙分子、單分子、雙分子、三分子反應三分子反應均相反應均相反應催化反應催化反應氣相反應、液相反應氣相反

7、應、液相反應非催化反應非催化反應非均相反應非均相反應催化反應催化反應液液- -液相、氣液相、氣- -液相、液液相、液- -固相、氣、固相固相、氣、固相非催化反應非催化反應氣氣- -固相、固相、氣固相、固相、氣- -液液- -固相固相（2 2） 按反應物料的相態(tài)分類按反應物料的相態(tài)分類操作方式操作方式間歇反應、半連續(xù)反應、連續(xù)反應間歇反應、半連續(xù)反應、連續(xù)反應溫度條件溫度條件等溫反應、絕熱反應、非絕熱變溫等溫反應、絕熱反應、非絕熱變溫反應反應（3 3） 按反應過程進行的條件分類按反應過程進行的條件分類2、 反應速率反應速率 對于均相反應，一般以反應體積為基準，反應速率可定義為：單位時間、單位反應

8、體積內所生成（或消失）的某組分的摩爾數，即： 式中ri為體系中i組分的反應速率，ni為i組分的摩爾數，V為反應體積。當反應為恒容體系時： 式中Ci為體系中i組分的濃度，其中正號表示某組分的生成速率，負號表示消失的速率。對于某化學反應：各組分的反應速率表達為：各組分的反應速率之間存在如下關系：對于某化學反應：各組分的反應速率表達為：各組分的反應速率之間存在如下關系：3、反應器的分類反應器的分類反應器種類反應器種類反應特性反應特性反應類型舉例反應類型舉例適用設備的結構形式適用設備的結構形式均相均相氣相氣相液相液相 無相界面，無相界面，反應速率只與反應速率只與溫度或濃度有溫度或濃度有關關燃燒、裂解等

9、燃燒、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氣氣- -液相液相液液- -液相液相氣氣- -固相固相液液- -固相固相固固- -固相固相氣氣- -液液- -固固相相 有相界面，有相界面，實際實際 反應速反應速率與相率與相 界面界面大小及相大小及相 間間擴散速率有關擴散速率有關氧化、氯化、加氫等氧化、氯化、加氫等磺化、硝化、烷基化等磺化、硝化、烷基化等燃燒、還原、固相催化等燃燒、還原、固相催化等還原、離子交換等還原、離子交換等水泥制造等水泥制造等加氫裂解、加氫脫氫等加氫裂解、加氫脫氫等釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床、移動固定床、流化床、移動床

10、床釜式、塔式釜式、塔式回轉筒式回轉筒式固定床、流化床固定床、流化床（1） 按物料相態(tài)分類的反應器種類按物料相態(tài)分類的反應器種類結構型式結構型式適用的相態(tài)適用的相態(tài)應用舉例應用舉例反應釜（包括反應釜（包括多釜串聯）多釜串聯）液相、氣液相、氣- -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、高壓聚乙烯、順苯的硝化、氯乙烯聚合、高壓聚乙烯、順丁橡膠聚合等丁橡膠聚合等管式管式氣相、液相氣相、液相清油裂解、甲基丁炔醇合成、高壓聚乙烯清油裂解、甲基丁炔醇合成、高壓聚乙烯等等鼓泡塔鼓泡塔氣氣- -液相、氣液相、氣- -液液- -固（催固（催化劑）相化劑）相變換氣的碳化、苯的烷基

11、化、二甲苯氧化、變換氣的碳化、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氣氣- -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、乙苯脫氫、半水煤氣生產等乙苯脫氫、半水煤氣生產等流化床流化床氣氣- -固（催化或非催化）固（催化或非催化）相，特別是催化劑很相，特別是催化劑很快失活的反應快失活的反應硫鐵礦焙燒、萘氧化制苯酐、石油催化裂硫鐵礦焙燒、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轉筒式回轉筒式氣氣- -固相、固固相、固-

12、-固相固相水泥制造等水泥制造等噴霧式噴霧式氣相、高速反應的液相氣相、高速反應的液相氯化氫合成、天然氣裂解制乙炔氯化氫合成、天然氣裂解制乙炔（2） 按反應器的結構型式分類按反應器的結構型式分類反應釜反應釜 適用于液相，液-液相、氣-液相以及液-固相反應；反應釜中設有攪拌裝置，以保證反應物料在釜中的流動，混合與傳熱等。管式反應器管式反應器 主要用于快速地氣相和液相反應，尤其是對于有壓力的反應。反應物料從一端進入管中，從另一端排除產物和未反應的物料。反應器中反應物的組成隨著管長而連續(xù)變化。塔式反應器塔式反應器 這是一種長徑比較大的反應器，在其內部設有擋板或填充物固定床反應器固定床反應器 這是一種垂直

13、圓筒形或圓錐型容器，內部裝有催化劑或參與反應的細小固體顆粒，反應流體從頂端進入，產物從下端流出流化床反應器流化床反應器（3） 按操作方式分類按操作方式分類間歇反應器間歇反應器連續(xù)反應器連續(xù)反應器半連續(xù)反應器半連續(xù)反應器0Ct間歇反應器特點：間歇反應器特點：1 1、反應物料一次加入，、反應物料一次加入，產物一次取出。產物一次取出。2 2、非穩(wěn)態(tài)操作，反應、非穩(wěn)態(tài)操作，反應器內濃度、溫度隨反應器內濃度、溫度隨反應時間連續(xù)變化。時間連續(xù)變化。3 3、同一瞬時，反應器、同一瞬時，反應器內各點溫度相同、濃度內各點溫度相同、濃度相同。相同。間歇反應器間歇反應器連續(xù)反應器連續(xù)反應器0Ct反應物反應物A反應物

14、反應物B生成物生成物R連續(xù)反應器特點：連續(xù)反應器特點：1 1、反應物料連續(xù)加、反應物料連續(xù)加入，反應產物連續(xù)入，反應產物連續(xù)引出。引出。2 2、穩(wěn)態(tài)操作，反應、穩(wěn)態(tài)操作，反應器內任一點的組成器內任一點的組成不隨時間改變。不隨時間改變。半連續(xù)反應器半連續(xù)反應器AB0Ct半連續(xù)反應器特點：半連續(xù)反應器特點：1 1、某些反應物料一次、某些反應物料一次加入，其余物料連續(xù)加加入，其余物料連續(xù)加入，或者將某種產物連入，或者將某種產物連續(xù)取出。續(xù)取出。2 2、非穩(wěn)態(tài)操作。、非穩(wěn)態(tài)操作。3、連續(xù)流動反應器內流體流動的兩種理想形態(tài)連續(xù)流動反應器內流體流動的兩種理想形態(tài)平推流反應器平推流反應器理想混合流反應器理想混合流反應器平推流反應器平推流反應器反應物反應物A反應物反應物B 活塞流反應器活塞流反應器生成物生成物R平推流反應器特點：平推流反應器特點：1 1、在穩(wěn)態(tài)操作時，在反應器的每個截面上，物料、在穩(wěn)態(tài)操作時，在反應器的每個截面上，物料濃度不隨時間變化。濃度不隨時間變化。2 2、所有物料質點在反應器中的停留時間都相同。、所有物料質點在反應器中的停留時間都相同。2 2、反應器內物料濃度沿著流動方向改變，故反應、反應器內物料濃度沿著流動方向改變，故反應速率隨空間位置改變，即反應速率的變化只限于速率