第8章 聚合反应工程基础
聚合反应工程
聚合反应工程的重要性
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02
03
工业生产
聚合反应是工业生产中重 要的化学反应之一，广泛 应用于塑料、橡胶、纤维、 涂料等领域。
新材料开发
通过聚合反应工程可以开 发新型高分子材料，满足 各种特殊需求，如高性能、 低成本、环保等。
优化生产过程
聚合反应工程研究有助于 优化聚合反应过程，提高 生产效率和产品质量，降 低能耗和物耗。
备的长期稳定运行。
04
聚合反应工程应用
高分子材料合成
高分子材料合成
聚合反应工程在合成高分子材料方面 具有广泛应用，如合成塑料、合成橡 胶和合成纤维等。
合成橡胶
聚合反应工程在合成橡胶方面也发挥 了重要作用，如合成丁苯橡胶、合成 橡胶等，这些橡胶在汽车、航空航天 和建筑等领域有广泛应用。
塑料合成
通过聚合反应工程，可以合成各种类 型的塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯 乙烯等，这些塑料在日常生活中有着 广泛的应用。
案例分析
以涤纶合成为例，通过聚酯聚合反应，对苯 二甲酸和乙二醇在催化剂的作用下发生聚合， 最终形成高分子量的聚酯。该案例中，聚合 反应工程的关键在于反应速度的控制和聚酯 的分子量调节。
涂料与粘合剂应用案例
涂料与粘合剂应用
聚合反应工程合成的涂料和粘合剂具有良好的粘附性、耐久性和绝缘性，广泛应用于建 筑、电子、航空航天等领域。
橡胶的性能改进
通过聚合反应工程，可以改进橡胶的 性能，如提高橡胶的耐热性、耐油性 和耐老化性等。
合成纤维
纤维的合成
聚合反应工程在合成纤维方面具有重要作用，可以合成各种类型 的纤维，如涤纶、尼龙、腈纶等。
纤维的性能改进
通过聚合反应工程，可以改进纤维的性能，如提高纤维的强度、耐 磨性和抗皱性等。
聚合反应工程
（5）、少量（0.01—0.1%）阻聚剂足以使聚合反应终止。
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3.2.2 离子型溶液聚合
离子聚合包括阳离子聚合和阴离子聚合,它们的生长反 应可分别用下式表示：
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3.2 聚合反应动力学
聚合反应动力学主要是研究聚合速率、分子量与 引发剂浓度、单体浓度、聚合温度等因素间的定量关 系。实验数据的处理主要有积分法和微分法（第二章 讲过的内容），常以单体的消失速率来表达聚合反应 动力学方程式：
rMddMtkfM
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k i M 2 k i M 3
M h M R R '
直接光引发 2I0M
2I0 1eMb
光敏引发剂引发 2I0S
光敏剂间接引发 2I0 1eSb
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光敏引发剂引发或光敏剂间接引发 ：
有些非热引发的物质经光激发成为自由基或 间接光敏剂吸光后本身不直接形成自由基，而是 将吸收的光能传递给单体或引发剂而引发聚合。
（1）、聚异丁烯和丁基橡胶 阳离子聚合工业应用： 异丁烯
AlCl3 引发剂
聚异丁烯 丁基橡胶
0~－40℃下，异丁烯经阳离子聚合，可合成低分子量聚 异丁烯（5万），产品是粘滞液体或半固体，主要用作粘合剂、 嵌缝材料、密封材料、动力油料的添加剂（改进粘度）。
－100℃下低温聚合，得橡胶状固体的高分子量聚异丁烯
（1）、离子聚合的生长链带电荷，为了抵消其电荷，在活
性链旁就要有一个带相反电荷的离子 （B -或A +）
聚合反应工程基础 第八章 聚合过程及聚合反应器
苯乙烯 甲基丙烯酸甲酯
醋酸乙烯酯 丁二烯-苯乙烯
氯丁二烯
氯乙烯
苯乙烯-甲醇 四氟乙烯-水
氯乙烯 偏二氯乙烯
氯乙烯
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四种聚合方法的比较
比较项目 配方主要成分
聚合场所 聚合机理
生产特点
产物特征
本体聚合
溶液聚合
悬浮聚合
乳液聚合
单体 引发剂
单体 引发剂
溶剂
单体 引发剂
水 分散剂
单体 水溶性引发剂
是不加溶液或分散介质情况下，只有单体在引发剂（有时不加）或光、
热、辐射的作用下进行聚合的方法。
★适用对象
自由基本体聚合反应和离子型聚合反应。
★本体聚合的分类 根据单体与聚合物溶解情况
均相聚合 非均相聚合（沉淀聚合）
根据单体的状态
气相本体聚合 液相本体聚合 固相本体聚合
间歇操作本体聚合 根据操作方式
连续操作本体聚合
按反应性质分
按产物溶解情况分
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溶液缩聚的特点
反应平稳，有利于热量交换，防止局部过热； 不需要高真空度； 缩聚产物可直接制成清漆、成膜材料、纺丝。
溶剂存在
能用熔融缩聚生产的缩聚物一般不用溶液缩聚生产
使用溶剂后，工艺复杂，需要分离、精制、回收； 生产成本较高。
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影响溶液聚合的因素 官能团要极少过量（趋势不对称）； 反应程度越高，产物相对分子质量越大，但过高，则发生 副反应； 升高温度，反应平衡常数下降（对活性小单体采用高温， 对活性大单体采用低温）； 对活性大单体不加催化剂，活性小单体适当加入； 溶剂主要是溶解单体，便于混合、降低黏度、利于换热； 溶解缩聚物有利于链增长，提高产物聚合度。溶剂性质对聚 合影响较大，一要稳定、二要极性大。可以单独使用，也可 混合使用。
聚合反应工程基础 - 整理
理想流动和理想反应器的设计
进行化学反应时，动量、热量、与质量的传递对反应速率有直接的影响， 所以在设计反应器时必须进行物料，热量及动量的衡算。
由于在有的反应器内，物料的浓度和温度是随着时间和空间的变化而变化 的，要准确地建立物料衡算方程式，有必要先对时间或空间进行微分，然后再 积分的方法进行计算。
不为零。
理想流动和理想反应器的设计
理想化学反应器
理想化学反应器的定义： 当反应器中没有任何传递过程的影响因素存在，反应的结果唯一地
由化学因素决定时，就称它为理想化学反应器。
实践中性能和行为接近于这种理想化学反应器的两种反应器： • 搅拌充分的间歇釜式反应器 • 连续流动的理想管式反应器
作为问题的另一方面，有时把无限偏离理想化学反应器的反应器也 作为“理想”化学反应器，如：
2 聚合反应的装置
2.塔式聚合反应器
一般用于连续生产且对物料的停留时间有一定要求的较高粘度的物 料体系,主要是一些缩聚反应。
苯乙烯本体聚合反应器
己内酰胺连续缩聚用的VK塔
2 聚合反应的装置
3. 管式聚合反应器
优点：简单，单位体积所具有的传热面积大，单位体积生产能力大、 单程转化率高，适用高温、高压操作。
均相反应动力学
2．化学反应动力学的表达式 影响化学反应速率的最主要因素是反应物料的浓度和反应温度，可
写成：
ri f (C,T )
式中： r i——组份I 的反应速率； C——反应物料的浓度向量； T——反应温度。
对于多组分多反应的系统，由于化学计量关系的约束，在反应过程
中只要某一组分的浓度确定，其它各组分的浓度也将随之而定 :
3 聚合反应的操作方式
2.连续式操作（有反混）
聚合反应工程基础课后习题答案
聚合反应工程基础课后习题答案聚合反应工程基础课后习题是学生在学习课程过程中用来巩固所学知识的重要环节。
通过完成习题，学生可以检验自己对知识点的掌握程度，及时发现和纠正错误，提高学习效果。
下面是聚合反应工程基础课后习题的答案。
1. 考虑以下聚合反应的机理：A +B -> ABAB + C -> ABCABC + D -> ABCD请回答以下问题：a) 这个反应的总反应方程是什么？b) 这个反应的反应级数是什么？c) 这个反应的速率方程是什么？d) 如果初始浓度为[A]₀、[B]₀、[C]₀和[D]₀，那么在任意时刻t，聚合物的浓度是多少？答案：a) 总反应方程是A + B + C + D -> ABCDb) 反应级数是4c) 速率方程是v = k[A][B][C][D]d) 在任意时刻t，聚合物的浓度是[A]₀ - [A]t，[B]₀ - [B]t，[C]₀ - [C]t 和[D]₀ - [D]t。
2. 一个聚合反应的速率方程是v = k[A][B]^2，其中k为速率常数。
如果初始浓度为[A]₀和[B]₀，那么在任意时刻t，[B]的浓度是多少？答案：根据速率方程可知v = k[A][B]^2，将其变形为d[B]/dt = -2k[B]^2，然后分离变量并积分，得到∫[B]₀^t d[B]/[B]^2 = -2k∫0^t dt。
将其求解，得到[ B]t = 1/([B]₀ - 2kt)。
3. 考虑以下聚合反应的机理：A +B -> AB (快速平衡)AB + C -> ABC (慢速平衡)ABC + D -> ABCD (快速平衡)请回答以下问题：a) 这个反应的总反应方程是什么？b) 这个反应的反应级数是什么？c) 这个反应的速率方程是什么？d) 如果初始浓度为[A]₀、[B]₀、[C]₀和[D]₀，那么在任意时刻t，聚合物的浓度是多少？答案：a) 总反应方程是A + B + C + D -> ABCDb) 反应级数是4c) 速率方程是v = k[A][B][C][D]/([AB][ABC])d) 在任意时刻t，聚合物的浓度是[A]₀ - [A]t，[B]₀ - [B]t，[C]₀ - [C]t 和[D]₀ - [D]t。
聚合反应工程基础教学设计 (2)
聚合反应工程基础教学设计1. 背景聚合反应工程是高分子化学重要分支之一，它涉及到反应动力学、传热传质、流体力学等多学科知识。
聚合反应工程的发展极大地促进了高分子材料的生产和应用。
在高等学校化学工程专业中，聚合反应工程已经成为一个必修课程，对于专业技能的培养和研究生的继续深造也非常重要。
针对聚合反应工程的教学，如何使学生掌握基本理论和实验操作，成为一个重要的问题。
本文针对聚合反应工程的教学进行设计和讨论。
2. 教学目标本课程旨在让学生掌握以下内容：•完全和半聚合反应的定义、判别及其动力学•树枝状聚合及其分支反应机理•高分子的重量平均和数平均分子量的计算方法•溶液聚合反应的条件、过程及反应控制方法3. 教学内容3.1 完全和半聚合反应完全聚合反应和半聚合反应是高分子聚合反应中最基本的两种类型。
完全聚合反应是指反应物完全转化为高分子聚合物的反应过程，而半聚合反应则是反应物转化为高聚物的同时，部分未反应物参与组成高聚物。
本部分将介绍完全聚合反应和半聚合反应的定义、判别及其动力学。
3.2 树枝状聚合树枝状聚合是高分子聚合反应中的一种重要分支反应机理。
树枝状聚合相比于线性聚合更具有分支特点，使聚合物的结构更加复杂和多样化。
本部分将介绍树枝状聚合的分支反应机理。
3.3 高分子量的计算方法高分子量是高分子聚合物物理性质的重要指标之一，它可以通过重量平均分子量和数平均分子量来计算。
在本课程中将介绍这两种计算方法及其公式。
3.4 溶液聚合反应溶液聚合反应是高分子化学中常见的一种反应类型。
本部分将介绍溶液聚合反应的条件、过程及反应控制方法，并通过实验操作帮助学生更好地理解和掌握相关知识。
4. 教学方式和教学手段本课程采用一系列教学方式和教学手段，包括：•理论讲授：通过课堂讲授、多媒体演示等方式，讲解相关理论知识点。
•实验操作：通过根据课程内容设计的实验方案，让学生亲身参与实验操作，掌握相关实验技能和知识点。
•课程练习：通过作业、练习题等方式，让学生巩固和回顾所学知识，并提高思维能力和解题能力。
第8章 聚合反应工程基础
第八章 1 聚合反应器¾从操作方式来看它能进行间歇、半连续、单釜和多釜连续操作，以满足不同聚合过程的要求。
¾反应釜一般带搅拌装置，且形式多样。
1.1 釜式聚合反应器（聚合釜）（1）釜体（2）搅拌装置基本结构4（3）密封装置（4）传动装置¾封头（1）釜体端部法兰式结构：开式结构、釜盖重包括：上下封头、直立圆筒、接管、法兰、支座等5量较轻，适用压力较低、容积较小的反应釜选用。
闭式、留人孔式结构：闭式结构、无法兰、结构简单、造价较低，适用容积大的反应釜。
6几种搅拌设备筒体的高径比H 1/D 1种类罐内物料类型高径比一般搅拌罐液-固相、液－液相1～1.3¾筒体7气－液相1～2聚合釜悬浮液、乳化液2.08～3.85发酵罐类发酵液1.7～2.5高径比较大？991010反应釜材质：不锈钢、搪瓷11管道颜色标识原料：灰色空气：蓝色氮气：黑色1313水：绿色热介质进出管：红色产物放料管：灰色14141515 传感器：测量反应物的温度、压力或其它参数。
1617 视镜18支座：小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承式支座。
1920如何有效的排除聚合反应热，保持反应温度？①夹套冷却夹套传热：饱和水蒸汽、热水、冷水、冷冻盐水、热导油等。
22¾蒸汽加热和液体加热的方向？①夹套冷却夹套传热：饱和水蒸汽、热水、冷水、冷冻盐水、热导油等。
压力MPa 温度℃压力MPa 温度℃0010102002001335230.010102.00.200133.50.050111.00.300143.50.100120.00.400151.50.150127.00.520160.0夹套附加内冷管冷却——大型聚合釜或要求低温操作24内冷管——蛇管25③回流冷凝器冷却——反应温度较高，单体沸腾回流移去反应热26回流冷凝器冷却27传热装置——电加热28釜体的保温——高温或低温聚合293133搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型径向流流型轴向流切向流36轴向流与搅拌器☆桨式搅拌器（折叶式）：结构简单☆叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3或4 片。
聚合反应工程基础复习提纲
聚合反应工程基础复习提纲第一章绪论1. 说明聚合反应工程基础研究内容及其重要性.研究内容:①以工业规模的聚合过程为对象,以聚合反应动力学和聚合体系传递规律为基础;②将一般定性规律上升为数学模型,从而解决一般技术问题到复杂反应器设计,放大等提供定量分析方法和手段;③为聚合过程的开发,优化工艺条件等提供数学分析手段.简而言之:聚合反应工程研究内容为:进行聚合反应器最佳设计;进行聚合反应操作的最佳设计和控制.第二章化学反应工程基础一、概念1.间歇反应器、连续反应器间歇反应器：物料一次放入，当反应达到规定转化率后即取出反应物，其浓度随时间不断变化，适用于小规模，多品种，质量不均。
连续反应器：连续加料，连续引出反应物，反应器内任一点的组成不随时间而改变，生产能力高，易实现自动化，适用于大规模生产。
2.平推流、平推流反应器及其特点：当物料在长径比很大的反应器中流动时，反应器内每一位原体积中的流体均以同样的速度向前移动，此时在流体的流动方向上不存在返混，这种流动形态就是平推流。
具有此种流动型态的反应器叫平推流反应器。
特点：①在稳态操作时，在反应器的各个截面上，物料浓度不随时间而变化，②反应器内物料的浓度沿着流动方向而改变，故反应速率随时间位置而改变，及反应速率的变化只限于反应器的轴向。
3.理想混合流、理想混合流反应器及其特点：反应器中强烈的搅拌作用使刚进入反应器的物料微元与器内原有物料微元间瞬时达到充分混合，使各点浓度相等，且不随时间变化，出口流体组成与器内相等这种流动形态称之为理想混合流。
与理想混合流相适应的反应器称为理想混合流反应器。
特点：①反应器内物料浓度和温度是均一的，等于出口流体组成②物料质点在反应器内停留时间有长有短③反应器内物质参数不随时间变化。
4.膨胀率：反应中某种物料全部转化后体系的体积变化率5.容积效率：指同一反应在相同的温度、产量、和转化率的条件下，平推流反应器与理想混合反应器所需的总体积比6. 停留时间分布密度函数、停留时间分布函数、平均停留时间停留时间分布密度函数：系统出口流体中，已知在系统中停留时间为 t 到dt 间的微元所占的分率 E(t)dt停留时间分布函数F(t):系统出口流体中，已知在系统中停留时间小于 t 的微元所占的分率 F(t)7.返混指反应器中不同年龄的流体微元间的混合8、宏观流体、微观流体宏观流体：流体微元均以分子团或分子束存在的流体；微观流体：流体微元均以分子状态均匀分散的流体；9.宏观流动、微观流动宏观流体指流体以大尺寸在大范围内的湍动状态，又称循环流动；微观流体指流体以小尺寸在小范围内的湍动状态10.混合时间指经过搅拌时物料达到规定均匀程度所需的时间11.微观混合、宏观混合 P70微元尺度上的均匀化称为宏观混合；分子尺度上的均匀化称为微观混合。
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第八章 1 聚合反应器
¾从操作方式来看它能进行间歇、半连续、单釜和多釜连续操作，以满足不同聚合过程的要求。
¾反应釜一般带搅拌装置，且形式多样。
1.1 釜式聚合反应器（聚合釜）
（1）釜体（2）搅拌装置基本结构4
（3）密封装置（4）传动装置
¾封头
（1）釜体端部法兰式结构：开式结构、釜盖重包括：上下封头、直立圆筒、接管、法兰、支座等
5量较轻，适用压力较低、容积较小的反应釜选用。
闭式、留人孔式结构：
闭式结构、无法兰、结构简单、造价较低，适用容积大的反应釜。
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几种搅拌设备筒体的高径比H 1/D 1
种类罐内物料类型高径比一般搅拌罐液-固相、液－液相
1～1.3¾筒体
7气－液相1～2聚合釜悬浮液、乳化液
2.08～
3.85发酵罐类
发酵液
1.7～
2.5
高径比较大？
991010
反应釜材质：不锈钢、搪瓷
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管道颜色标识
原料：灰色空气：蓝色氮气：黑色1313水：绿色热介质进出管：红色
产物放料管：灰色
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1515 传感器：测量反应物
的温度、压力或其它参数。
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17 视镜
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支座：小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承式支座。
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如何有效的排除聚合反应热，保持反应温度？
①夹套冷却
夹套传热：饱和水蒸汽、热水、冷水、冷冻盐水、热导油等。
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¾蒸汽加热和液体加热的方向？
①夹套冷却
夹套传热：饱和水蒸汽、热水、冷水、冷冻盐水、热导油等。
压力MPa 温度
℃压力
MPa 温度
℃0010102002001335230.010102.00.200133.50.050111.00.300143.50.100120.00.400151.50.150
127.0
0.520
160.0
夹套附加内冷管冷却——大型聚合釜或要求低温操作
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内冷管——蛇管
25③回流冷凝器冷却——反应温度较高，单体沸腾回流移去反应热
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回流冷凝器冷却
27传热装置——电加热
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釜体的保温——高温或低温聚合
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31
33
搅拌机顶插式中心安装
立式圆筒的三种基本流型
径向流
流型
轴向流
切向流
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轴向流与搅拌器
☆桨式搅拌器（折叶式）：结构简单
☆叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数
是2、3或4 片。
38
轴向流与搅拌器
☆流型：轴向流
☆流体流动方向平行于搅拌轴，
流体由桨叶推动，使流体向下流
动，遇到容器底面再向上翻，形
成上下循环流。
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径向流与搅拌器
☆涡轮式搅拌器
☆开式：斜叶、弯叶等，叶片数为2叶和4叶；
☆盘式有：直叶、弧叶、斜叶、弯叶圆盘等；叶片数常为6叶。
43 径向流与搅拌器
☆涡轮式搅拌器
☆流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成二股流体分别向上、向下流动，
44
再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下二个循环流动。
☆应用较广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。
其它搅拌器与流型
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4747
搅拌器型式和适用条件
52
535354
5858
改善措施一：设置导流筒
a.上下开口圆筒，安装于容器内。
b.导流筒上端低于静液面，筒身开孔或槽，当液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流筒。
c.导流筒将搅拌容器截面分成面59涡轮式或桨式搅拌器
导流筒置于桨叶的上方推进式搅拌器
导流筒套在桨叶外面，或略高于桨叶
积相等的两部分。
d.当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时，导流筒的下
端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器的直径。
a.导流，可以为流体限定一个流动路线，防止短路
b.使筒内液体搅拌程度↑→混合效率↑
c.迫使流体高速流过加热面→利于传热
作用(Function):
6060
1.2 管式聚合反应器
¾传动装置
6161
管式反应器
63
6666
1.2 塔式聚合反应器塔式反应器
6868
塔式反应器
分离过程及设备
2 聚合物分离过程及设备
7070
71717272
73737474 75757676 77777878
79798080
81。