聚合反應(yīng)工程分析引論

聚合反應(yīng)工程分析引論第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二1概述聚合反應(yīng)實(shí)施小試研究階段：

確定聚合機(jī)理和聚合方法

工業(yè)化生產(chǎn)

①聚合反應(yīng)設(shè)備（放大）

③聚合反應(yīng)工藝流程

聚合反應(yīng)工程②聚合反應(yīng)工藝（配方、操作）

聚合反應(yīng)工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)工程理論第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二1概述工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程中發(fā)生的物料過程：

（1）返混――不同停留時(shí)間物料的混合

（2）動(dòng)量傳遞――不同流動(dòng)速度物料間的混合；（3）質(zhì)量傳遞――不同濃度物料間的混合；（4）熱量傳遞――不同溫度物料間的混合。

這些物理過程會(huì)影響到化學(xué)反應(yīng)的濃度和溫度在時(shí)間和空間上的分布，從而影響到化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。

第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二1概述

與低分子反應(yīng)相比，聚合反應(yīng)和聚合物生產(chǎn)有以下特點(diǎn)：1、反應(yīng)機(jī)理多樣，動(dòng)力學(xué)關(guān)系復(fù)雜，重現(xiàn)性差，微量雜質(zhì)影響大。2、聚合過程中，除轉(zhuǎn)化率外，需要考慮聚合度、分布、共聚物組成、分布和序列分布、聚合物結(jié)構(gòu)、及聚合物性能。3、多數(shù)聚合體系粘度很高，有的是多相體系，他們的流動(dòng)、混合、傳質(zhì)、傳熱和低分子體系有很大不同，同時(shí)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)需要作一些專門的考慮。4、聚合物體系和聚合產(chǎn)品種類多，化工數(shù)據(jù)缺乏，進(jìn)一步研究“三傳”比較困難，使得反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和放大受到限制，聚合反應(yīng)工程的發(fā)展比較緩慢。第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二1概述聚合反應(yīng)過程的實(shí)施的特點(diǎn)：

1.聚合反應(yīng)有多種多樣的聚合反應(yīng)機(jī)理；采用不同的聚合方法。

2.聚合反應(yīng)的結(jié)果除了要對反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇率進(jìn)行考察外，還要考察分子量和分子量分布、分子的結(jié)構(gòu)以及高分子的立構(gòu)規(guī)整性等等；3.聚合體系多樣的流變行為使物料的流動(dòng)、攪拌、混合等方面都產(chǎn)生一系列問題；4.聚合反應(yīng)過程中始終存在著放熱和散熱的尖銳矛盾，這個(gè)矛盾往往成為過程開發(fā)的關(guān)鍵所在。第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置工業(yè)聚合反應(yīng)過程的核心：聚合反應(yīng)器第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置1.釜式聚合反應(yīng)器應(yīng)用：

低粘度的的懸浮聚合過程、乳液聚合過程

高粘度的本體聚合和熔融縮聚等過程

操作方式：

間歇操作

半連續(xù)操作

單釜和多釜的連續(xù)操作第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置

釜式聚合反應(yīng)器長經(jīng)比

按照長經(jīng)比的不同，釜式聚合反應(yīng)器可以分為瘦長型和矮胖型或者介于之間；

攪拌裝置

平槳式、推進(jìn)式、渦輪式、三葉后掠式及布魯馬金式槳葉（低粘度系統(tǒng)）

錨式、螺帶式、帶導(dǎo)流筒的螺桿式及其它特殊形式的攪拌（高粘度體系）

釜式聚合反應(yīng)器的除熱

采用夾套和各種內(nèi)冷構(gòu)件，如內(nèi)冷擋板、蛇管等。

當(dāng)釜內(nèi)除熱不足于除去反應(yīng)熱時(shí)，可以考慮采用釜外回流冷凝器和釜外循環(huán)冷卻器。

釜式聚合反應(yīng)器結(jié)構(gòu)構(gòu)成

第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二

聚氯乙稀生產(chǎn)33立方米聚合釜結(jié)構(gòu)示意圖

第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置2.塔式聚合反應(yīng)器

一般用于連續(xù)生產(chǎn)且對物料的停留時(shí)間有一定要求的較高粘度的物料體系,主要是一些縮聚反應(yīng)。苯乙烯本體聚合反應(yīng)器

己內(nèi)酰胺連續(xù)縮聚用的VK塔

第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置3.管式聚合反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：簡單，單位體積所具有的傳熱面積大，單位體積生產(chǎn)能力大、單程轉(zhuǎn)化率高，適用高溫、高壓操作。

缺點(diǎn)：

容易發(fā)生聚合物的粘壁現(xiàn)象，造成管道堵塞；

當(dāng)物料的粘度很大時(shí)，壓力損失也大。

應(yīng)用：

尼龍66的熔融縮聚

高壓聚乙烯及中壓聚烯烴

高壓聚乙烯生產(chǎn)管式反應(yīng)器第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置雙環(huán)管式聚合反應(yīng)器

環(huán)狀反應(yīng)器應(yīng)用：中壓聚烯烴（聚丙烯）；反應(yīng)器的容積：20～100M3；管長：100～150M；反應(yīng)器材質(zhì)：采用碳鋼管；反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)件：軸流泵。第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置4.臥式聚合釜帶刮板的臥式聚合釜

有螺帶的臥式聚合釜

應(yīng)用：物料粘度高而需要將小分子去除的物料體系，如：聚酯。

第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置4.臥式聚合釜表面更新型臥式聚合釜

采用雙軸結(jié)構(gòu)的臥式聚合釜，可以有效地避免死區(qū)。第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置5.捏和機(jī)式聚合裝置有強(qiáng)的剪切作用，可以達(dá)到物料捏和和混煉的作用。

二種形式的捏和機(jī)示意圖應(yīng)用：液固反應(yīng)，耐熱性聚合物芳香族聚酰亞胺

第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置5.捏和機(jī)式聚合裝置捏和機(jī)式聚合裝置常見的攪拌器形式有三種。捏和機(jī)式聚合裝置常見的攪拌器形式第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置6.螺桿擠壓機(jī)式聚合裝置

利用螺桿強(qiáng)烈的剪切和擠壓作用，將高粘度的物料體系強(qiáng)行地混合、推進(jìn)、擠出。雙螺桿聚合裝置應(yīng)用：尼龍66生產(chǎn)中作后聚器，聚碳酸酯。聚合反應(yīng)－加工一體化。第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置7.履帶式聚合裝置

履帶式聚合裝置示意圖應(yīng)用：聚合反應(yīng)速度很快，需要迅速排除熱量或小分子的聚合反應(yīng)。

如：聚異丁烯、聚酯。第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置8.流化床聚合裝置

適合于氣固聚合反應(yīng)系統(tǒng)，已經(jīng)用于聚烯烴（如乙烯、丙烯或它們與丁烯的共聚物）的生產(chǎn)。

UNIPOL法生產(chǎn)聚烯烴流化床過慮層催化劑加料器出料旋風(fēng)分離器共聚單體乙烯氫催化劑第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二2聚合反應(yīng)的裝置9.其他

（1）板框式聚合裝置（PMMA聚合后聚器）（2）靜態(tài)混合器反應(yīng)器（適合均相和多相體系，試驗(yàn)中）（3）鼓泡塔式反應(yīng)器（配位絡(luò)合催化劑的聚烯烴生產(chǎn)，氣液固三相反應(yīng)器）板框式聚合裝置Kenics靜態(tài)混合器第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二3聚合反應(yīng)的操作方式1.間歇式操作原料一次性投入，反應(yīng)結(jié)束后反應(yīng)物一次性從反應(yīng)器內(nèi)排出。

特點(diǎn)：

(1)適用于小批量、多品種生產(chǎn)。

(2)產(chǎn)品的質(zhì)量波動(dòng)較大。(3)間歇操作的一個(gè)周期中，非生產(chǎn)生產(chǎn)時(shí)間在其中占有一定的比例，從而造成生產(chǎn)效率的下降。(4)間歇操作物料的停留時(shí)間均一，在進(jìn)一步開發(fā)放大的技術(shù)上難度較小。(5)反應(yīng)的不同階段反應(yīng)熱的釋放程度又不均一，造成聚合反應(yīng)的操作是非穩(wěn)態(tài)操作。第21頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二3聚合反應(yīng)的操作方式2.連續(xù)式操作

物料連續(xù)地進(jìn)入反應(yīng)器，連續(xù)地排出反應(yīng)器，反應(yīng)條件控制穩(wěn)定。

特點(diǎn)：

(1)適用于單一類產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。(2)連續(xù)式操作屬于穩(wěn)態(tài)操作，過程的描述比較簡單，便于控制和管理。產(chǎn)品的質(zhì)量亦比較穩(wěn)定，均一。

(3)非生產(chǎn)時(shí)間占的比例很小。(4)開停車期間，過程處于非穩(wěn)態(tài)，操作比較復(fù)雜，這一時(shí)期產(chǎn)品的質(zhì)量也在變化而不均一。

(5)在連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)接近于全混流狀態(tài)，停留時(shí)間不均一，這將給過程的開發(fā)放大帶來相當(dāng)?shù)睦щy。

第22頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二3聚合反應(yīng)的操作方式3.半連續(xù)式（半間歇式）操作

一部分物料是間歇地加入和排