第一章 聚合反应工程基础1-2
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聚合反应工程基础(全套课件567P)
polyvinyl acetate polyvinyl alcohol polybutadiene polyacrylnitrile
1.1.1 高分子化合物的分类和命名
2. 结构系统命名法：由（International Union of Pure and Applied
Chemistry, IUPAC）提出
I 26
1.1.2 高分子化合物的基本特点
H--NH(CH2)6NH--CO(CH2)4CO--OH
重复结构单元
结构单元
结构单元
n
例2：尼龙66 的重复单元与结构单元
----( CH2--CH=CH--CH 2 -)--(-CH --CH-)---2 y x
n
例3：丁苯橡胶 的重复结构单元与结构单元
I 24
1.1.2 高分子化合物的基本特点
实际上，分子量的大小并无明确的界限，一般
-- -- - --< 1,000 < - - - - - - < 10,000 < - - - - - < 1,000,000 < - - - - 低分子物 低/齐聚物 （Oligomer） 高聚物 (Polymer)
PS
PVC PTFE PAA PET
polystyrene
Polyvinyl chloride Polytetrafluoroethylene polyacrylic acid polyester
聚甲基丙烯酯 甲酯
聚醋酸乙烯 聚乙烯醇 聚丁二烯 聚丙烯腈
PMMA
PVAc PVA PB PAN
polymethylmet hacrylate
主要参考书目
1. 陈甘棠著，《聚合反应工程基础》，中国石化出版社，1991 2. 史子瑾主编，《聚合反应工程基础》，化学工业出版社， 1991 3. C.McGreavy(Ed),“Polymer Reactor Engineering”,Blackie
1.1.1 高分子化合物的分类和命名
2. 结构系统命名法：由（International Union of Pure and Applied
Chemistry, IUPAC）提出
I 26
1.1.2 高分子化合物的基本特点
H--NH(CH2)6NH--CO(CH2)4CO--OH
重复结构单元
结构单元
结构单元
n
例2：尼龙66 的重复单元与结构单元
----( CH2--CH=CH--CH 2 -)--(-CH --CH-)---2 y x
n
例3：丁苯橡胶 的重复结构单元与结构单元
I 24
1.1.2 高分子化合物的基本特点
实际上，分子量的大小并无明确的界限，一般
-- -- - --< 1,000 < - - - - - - < 10,000 < - - - - - < 1,000,000 < - - - - 低分子物 低/齐聚物 （Oligomer） 高聚物 (Polymer)
PS
PVC PTFE PAA PET
polystyrene
Polyvinyl chloride Polytetrafluoroethylene polyacrylic acid polyester
聚甲基丙烯酯 甲酯
聚醋酸乙烯 聚乙烯醇 聚丁二烯 聚丙烯腈
PMMA
PVAc PVA PB PAN
polymethylmet hacrylate
主要参考书目
1. 陈甘棠著，《聚合反应工程基础》，中国石化出版社，1991 2. 史子瑾主编，《聚合反应工程基础》，化学工业出版社， 1991 3. C.McGreavy(Ed),“Polymer Reactor Engineering”,Blackie
《聚合反应工程》PPT课件
聚合反应工程
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11
第一章 绪论
聚合反应工程
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12
第一章 绪论
热量、质量、动量 三传
高分子化学工艺
化工仪器仪表 聚合反应工程
系统工程
化学工程
高分子化学
聚合反应工程
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13
第一章 绪论
聚合反应工程
完整版ppt
14
第15
聚合物反应工程
• 3．多数聚合物体系粘度很高； • 4．所以各种化工基础数据甚为缺乏。
聚合反应工程
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5
第一章 绪论
• 聚合反应工程研究的内容为： • 1、进行聚合反应器的最佳设计 ； • 2、进行聚合反应操作的最佳设计和控制；
聚合反应工程
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6
第一章 绪论
• 本课程分为八章，由理论到实际，完成对聚合 反应工程内容讲授。
聚合反应工程
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2
聚合物反应工程
• 包括： • 化学过程：反应动力学 • 物理过程：热量的传递、物质的流动、反应器
内产生温度分布和浓度分布。 • 动力学和传递结合成为化学反应工程研究中最
活跃的因素．
聚合反应工程
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3
聚合物反应工程
• 学时 48 • 学位课程 • 主要参考书 • 《高分子化学》 • 《聚合物流变学》 • 教材 • 史子瑾 《聚合反应工程基础》化学工业
聚合反应工程
聚
合
反
应
20 06
工 程
9
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1
聚合物反应工程
• 简介 • 聚合反应工程是化学反应工程的一个分支，
它是研究聚合物制造中的化学反应工程问 题。 • 在60年代国际上提出这一方向。 • 化学反应工程学是以工业规模进行的化学 规律为研究对象，以化学反应动力学和传 递过程作为主要基础。
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。
聚合反应工程第一章1
有： 生化反应工程 电化学反应工程 聚合反应工程等。
1.3 聚合反应工程
1.3.1 聚合物生产特点 ①反应机理多样，动力学关系复杂。 ②需要考虑转化率，聚合度、聚合度分布、 聚合物结构、聚合物性能等问题。 ③体系黏度高，与低分子体系有很大的不同。 ④聚合产品种类多，实验数据缺乏， 聚合反应器的设计和放大受到一定的限制。
研究内容
• ①反应动力学：反应物浓度与时间的关系，产 量与时间的关系…… • ②反应过程的分析：反应器内质量和热量的传 递……
• ③反应技术的开发：需要多少级反应器，反应 物料如何加入…… • 反应器的分析和设计：需要多大的反应器…… • 优化工艺条件的确定：反应物初始浓度、反应 温度……
1.2.3 化学反应工程的分支
一般是立式圆柱形高压釜，带有夹套，以便通入 蒸汽或冷水来加热或冷却。用于乳液聚合的， 内有不锈钢的水平桨式搅拌器，由电动机通过 传动装置和减速器传动。釜的外壁常用碳钢制 成，内衬不锈钢，也有衬搪瓷的。聚合时可以 单釜间歇生产，也可以是多釜串联连续生产。 聚合反应物由一个釜的下部进入下一釜的上部。 釜上装有温度、压力等仪表，以及进出料口等。 用于本体聚合的，则釜内不装搅拌器，且不串 联。此外，还有在长方形金属箱的浅盘中，以 一定的速度流入而进行聚合的。
• 技术方法：后两章 • ①聚合反应器的放大 • ②聚合过程及聚合反应器
1.3.4 聚合反应工程的发展 • 开始于1944年Denbigh的研究工作 • 20世纪60年代，计算机技术使其进入快速 发展阶段 • 近年来，聚合反应中数学模型的建立，使 研究更实际化
1.4 课程研究内容
基本原理和技术方法。分为八章 • 基本原理：前六章内容
• ①绪论 ②化学反应工程基础 ③聚合反应工程基础 ④化工流变学基础 ⑤流体的搅拌和混合 ⑥搅拌聚合釜的传热和传质
1.3 聚合反应工程
1.3.1 聚合物生产特点 ①反应机理多样，动力学关系复杂。 ②需要考虑转化率，聚合度、聚合度分布、 聚合物结构、聚合物性能等问题。 ③体系黏度高，与低分子体系有很大的不同。 ④聚合产品种类多，实验数据缺乏， 聚合反应器的设计和放大受到一定的限制。
研究内容
• ①反应动力学：反应物浓度与时间的关系，产 量与时间的关系…… • ②反应过程的分析：反应器内质量和热量的传 递……
• ③反应技术的开发：需要多少级反应器，反应 物料如何加入…… • 反应器的分析和设计：需要多大的反应器…… • 优化工艺条件的确定：反应物初始浓度、反应 温度……
1.2.3 化学反应工程的分支
一般是立式圆柱形高压釜，带有夹套，以便通入 蒸汽或冷水来加热或冷却。用于乳液聚合的， 内有不锈钢的水平桨式搅拌器，由电动机通过 传动装置和减速器传动。釜的外壁常用碳钢制 成，内衬不锈钢，也有衬搪瓷的。聚合时可以 单釜间歇生产，也可以是多釜串联连续生产。 聚合反应物由一个釜的下部进入下一釜的上部。 釜上装有温度、压力等仪表，以及进出料口等。 用于本体聚合的，则釜内不装搅拌器，且不串 联。此外，还有在长方形金属箱的浅盘中，以 一定的速度流入而进行聚合的。
• 技术方法：后两章 • ①聚合反应器的放大 • ②聚合过程及聚合反应器
1.3.4 聚合反应工程的发展 • 开始于1944年Denbigh的研究工作 • 20世纪60年代，计算机技术使其进入快速 发展阶段 • 近年来，聚合反应中数学模型的建立，使 研究更实际化
1.4 课程研究内容
基本原理和技术方法。分为八章 • 基本原理：前六章内容
• ①绪论 ②化学反应工程基础 ③聚合反应工程基础 ④化工流变学基础 ⑤流体的搅拌和混合 ⑥搅拌聚合釜的传热和传质
聚合反应工程基础教学设计
聚合反应工程基础教学设计前言聚合反应是一种重要的化学反应过程，涉及了广泛的应用领域，包括材料科学、制药、生物技术等。
因此，聚合反应工程已成为化工专业中的重要组成部分。
为了提高学生的理论水平和实践技能，开展聚合反应工程的基础教学，具有重要的意义。
本文围绕聚合反应工程基础教学设计展开讨论。
教学目标本课程旨在使学生掌握聚合反应的基本原理和实验技能。
具体包括以下目标：1.理解聚合反应的定义、性质和机理；2.掌握聚合反应的常见实验方法和技术；3.学习聚合反应工程的计算方法和模拟技术；4.能够在实验中熟练操作并完成相关实验数据处理、分析和判断；5.培养学生的实验能力和科学素养，为其日后的从业和学术研究打下坚实基础。
教学内容聚合反应工程基础课程，涵盖以下内容：第一章聚合反应的基本概念与分类1.1 聚合反应的定义和性质1.2 单体、聚合度和分子量1.3 聚合反应的分类第二章聚合反应的机理与动力学2.1 聚合反应的机理2.2 速率方程和动力学模型2.3 温度和催化对聚合反应速率的影响第三章聚合反应的实验方法和技术3.1 聚合反应实验的原理和方法3.2 聚合反应实验的基本操作技巧3.3 聚合反应实验数据的处理、分析和判断第四章聚合反应工程的计算方法和模拟技术4.1 聚合反应工程的计算方法4.2 聚合反应工程模拟技术和应用第五章聚合反应在工业和研究领域的应用5.1 聚合反应在化工领域的应用5.2 聚合反应在材料科学、生物技术、制药等领域的应用教学方式1.理论课程采用传统讲授和互动探讨相结合的方式，以问题为导向，结合生活和实际情景，强化理论知识的实用性和有效性。
2.实验课程采用小组实践和实验竞赛的形式，培养学生的实验能力和科学脑筋，并通过数据处理和实验报告，检查学生对实验知识和能力的掌握情况。
3.课堂练习和课外作业的安排，通过编程和计算实战题目，进一步加深学生对聚合反应工程原理的理解和掌握。
教学评价1.考核方式：理论考试、实验考核和课堂作业评估2.考核内容：课本知识的掌握情况、实验实践的能力、数据处理和报告撰写能力、编程和计算技能。
聚合反应工程基础(全套课件567P)
聚合反应工程基础
I
1
传递过程 化学工程 （三传一反） 单元操作 化学反应工程
高分子化学 高分子物理 高分子科学与工程 聚合反应工程 聚合物加工工程
聚合反应工程
I
2
•Black box (experiential) model •Mechanism-based model
基本问题：
均相自由基均聚 均相自由基共聚 非均相自由基聚合 连续聚合 缩合聚合 Modeling？ 聚合反应速度 Computable！ 聚合物分子量及其分布 Designable！ 共聚物组成及其分布 Operable！ 聚合物粒径及粒径分布 Controllable！
均聚物：“聚（Poly）”＋单体名，如：
乙烯 聚乙烯 (Polyethylene,PE) 甲酯聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate, PMMA)
甲基丙烯酸
也有以假想单体为基础命名，如聚 乙烯醇(polyvinyl alcohol)
[CH2
CH] n OH
乙烯醇为假想的单体，聚乙烯醇实际上是聚醋酸乙烯(polyvinyl acetate)的水解产物。 I
甘油+ 邻苯二甲酸酐
合成橡胶：
丁二烯(Butadiene)+ 苯乙烯(Styrene) 丁二烯(Butadiene)+ 丙烯腈(Acrylonitrile) 乙烯(ethylene)+丙烯(propylene)
I
乙丙橡胶(EPR)
15
1.1.1 高分子化合物的分类和命名
2) 以高分子链的结构特征命名
4. N.A.Dotson et al., “Polymerization Process Modeling”, VCH,
I
1
传递过程 化学工程 （三传一反） 单元操作 化学反应工程
高分子化学 高分子物理 高分子科学与工程 聚合反应工程 聚合物加工工程
聚合反应工程
I
2
•Black box (experiential) model •Mechanism-based model
基本问题：
均相自由基均聚 均相自由基共聚 非均相自由基聚合 连续聚合 缩合聚合 Modeling？ 聚合反应速度 Computable！ 聚合物分子量及其分布 Designable！ 共聚物组成及其分布 Operable！ 聚合物粒径及粒径分布 Controllable！
均聚物：“聚（Poly）”＋单体名，如：
乙烯 聚乙烯 (Polyethylene,PE) 甲酯聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate, PMMA)
甲基丙烯酸
也有以假想单体为基础命名，如聚 乙烯醇(polyvinyl alcohol)
[CH2
CH] n OH
乙烯醇为假想的单体，聚乙烯醇实际上是聚醋酸乙烯(polyvinyl acetate)的水解产物。 I
甘油+ 邻苯二甲酸酐
合成橡胶：
丁二烯(Butadiene)+ 苯乙烯(Styrene) 丁二烯(Butadiene)+ 丙烯腈(Acrylonitrile) 乙烯(ethylene)+丙烯(propylene)
I
乙丙橡胶(EPR)
15
1.1.1 高分子化合物的分类和命名
2) 以高分子链的结构特征命名
4. N.A.Dotson et al., “Polymerization Process Modeling”, VCH,
第一章 聚合反应工程基础1-2
非均相反应
液-液相、气-液相、液-固相、 气-固相 非催化反应 气-固相、气-液-固相
表2-3 按反应过程进行的条件分类 操作方式 非均相反应 间歇反应、半连续反应、连续反应 等温反应、绝热反应、非绝热变温反应
2.1.2 反应速率
• 反应速率定义为单位反应体积内反应程度随时 间的变化率。 • 对于均相反应，一般以反应体积为基准。
返混：反应器内不同年龄的流体微元间的混合。
平推流反应器
• 反应器内每一微元体积中的流体均以同样 的速度向前移动； • 稳态操作时，反应器各个截面上物料浓度 不随时间而变化； • 物料浓度沿流动方向而改变，反应速率随 空间位置改变。
理想混合流反应器
• 强烈搅拌作用，刚进入反应器的物料微元 与器内原有的物料微元瞬时充分混合，各 点浓度相等，出口流体组成与器内相同。 • 微元停留时间分布 • 管径小、流速大的管式反应器作为平推流 反应器处理；带有强烈搅拌的釜式反应器 作为理想混合流反应器。
新工艺、新产品开发
传统技术改造 优化操作
目标：
单位设备容积净度大 目的产物单一性大 安全,稳定
核心 ——复杂系统的工程放大
四）课程主要内容
1）化学反应工程基础
等温情况下动力学方程式的建立； 反应器设计基本原理；
停留时间分布的测定及数字特征；
……
2）聚合反应工程分析 • 自由基总浓度及聚合度随转化率规律分析聚合反
向反应速度相等时，反应达到平衡，称
为化学平衡。
平衡常数: 在可逆反应达到平衡时，各生成物浓 度（或分压）幂的乘积与各反应物浓度
（或分压）幂的乘积之比为一常数，称为
平衡常数。
2.2.2 建立动力学方程式的方法
• 动力学方程表现的是化学反应速率与反应 物温度、浓度之间的关系。而建立一个动 力学方程，就是要通过实验数据回归出上 述关系。 • 实验数据的处理有：积分法、微分法
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20世纪30年代，丹克莱尔(Damhohler)论述了扩散、流体流 动和传热对反应器产率的影响——奠定了基础 梯尔(Thiele)和史尔多维奇对扩散反应问题作了开拓性的工作
40年代，霍根(Hougen)、华生(Waston)著作《化学过程原理》 法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世 1957年，荷兰阿姆斯特丹第一次欧洲反应工程会议——确立 了化学反应工程的名称
• 计其达.《聚合过程及设备》化工出版社，1981；
第二章 化学反应工程基础
2.1 化学反应和反应器分类
2.1.1 化学反应分类
表2-1 按化学反应的特性分类
反应机理 反应的可逆性 反应分子数 反应级数
简单、复杂反应 可逆、不可逆反应 单分子、双分子、三分子反应 一级、二级、三级、分数级反应
反应热效应 放热反应、吸热反应
1.3 聚合物合成材料的发展
1910年，美国正式工业化生产酚醛树脂，随后相继合成出丁 苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、尼龙-66、聚酯纤维、高压聚乙 烯和聚氯乙烯，产量和品种在世界大战中得到快速发展。 1920年，H. Staudinger提出了“高分子化合物的概念，建立 了大分子链的学术观点并系统研究了加聚反应。
聚合反应工程基础
第一章 绪论 1.1 课程简介 一）课程产生背景
高分子化学 高分子物理
化学反应工程
聚合反应工程
连接桥梁
二）课程研究对象与拟解决的关键问题
• 研究对象：工业规模的聚合过程 • 关键问题：聚合反应动力学
聚合物系的传递过程 聚合反应器设计、放大
三）聚合反应工程的任务
创新与选择最适反应器型式 确定最优工艺条件 估算反应器尺寸大小
1994年，全世界三大合成材料的产量超过1.4×104万吨，按体 积计算超过钢铁。
世界三大合成材料产量(万吨)
1.4 国内外聚合釜发展情况
随着生产规模的不断扩大，反应器日趋大型化，以 氯乙烯悬浮聚合为例： • 我国20世纪60年代全部使用7~13.5m3聚合反应器， 70年代普遍使用30m3的反应器，80年代后，80m3的 大型聚合反应器投入使用；
内夹套： KA↑40％
新搅拌： KA↑20％
日本往友重机的二种新PVC反应器(90m3以上)
参考书籍
• 朱炳辰.《化学反应工程》，化学工业出版社， 1993；
• 张濂、许志美、等.《化学反应工程原理》，华东 理工大学出版社；
• 陈甘棠.《聚合反应工程基础》，中国石化出版社， 北京，1991年6月；Hale Waihona Puke 5）搅拌聚合釜的传热与传质
• 聚合釜的传热方式及强化方法； • 牛顿流体及非牛顿流体的传热计算； • 搅拌釜内传质过程；
……
6）聚合反应器的放大
• 几何相似放大； • 非几何相似放大；
……
7）聚合过程及聚合反应器
• 工业聚合方法； • 聚合反应器选择原则；
……
1.2 聚合反应工程发展简史
一）反应工程概念的提出
dCi dt
上式中，对于反应物，取负号；对于产物， 取正号。
对于反应 A 2B 3C 4D
• 以反应物B为基准定义的反应速率为：
rB
1 V
dnB dt
mol m3s1
• 以反应产物C为基准定义的反应速率为：
应机理； • 不同操作方式对聚合过程的影响； • 粘度对聚合反应的影响；
……
3）化工流变学基础 • 非牛顿流体的分类、流变特性；
• 非牛顿流体在圆管中的流动分析； ……
4）搅拌釜内流体的搅拌与混合 • 搅拌釜内流体的流况； • 搅拌桨叶动力、循环、混合特性； • 功率、转速、混合时间计算方法；
……
1931年，W. H. Carothers提出高聚物溶解与合成的理论， 同时广泛研究了缩聚反应。 Flory也系统研究了高分子链 行为和高分子溶液理论。
1925-1935年，逐渐明确了有关高分子化合物的基本概念， 诞生了“高分子化学”这一新兴学科。反过来，它又有力 地促进高分子化合物的工业生产。
表2-2 按反应物料的相态分类
均相反应 非均相反应
催化反应 气相反应、液相反应
非催化反应
催化反应 液-液相、气-液相、液-固相、 气-固相
非催化反应 气-固相、气-液-固相
表2-3 按反应过程进行的条件分类 操作方式 间歇反应、半连续反应、连续反应 非均相反应 等温反应、绝热反应、非绝热变温反应
2.1.2 反应速率
• 日本1968年前多使用30~50m3的反应器，1971年后 普遍使用127m3反应器；
• 德国目前反应器容积已达到200~400m3。
工业级PVC聚合釜
国产30m3
国产80m3
日本信越127m3
工业级PVC聚合釜
美国Goodrich70m3 德国Huls200m3 日本神钢泛技术75m3
NEW！
20世纪40年代初，由于第二次世界大战所需橡胶数量巨大， 大力发展合成橡胶，奠定了石油化学工业的基础。
50年代以后，Ziegler-Natta 发现了由有机金属化合物和过渡 金属化合物组成的催化剂体系，可以容易地使烯烃、二烯烃聚 合为性能优良的高聚物，同时由于石油化学工业的建立与发展， 高分子合成材料的产量激增。
二）聚合反应工程发展简史
1944年，登比（Denbigh），将聚合反应速率分析 与聚合反应器的研究结合。缺乏定量的数据；
1961年，何蒙特森（Amundson），建立数学模型， 对聚合过程进行定量分析；
60年代后期，对复杂体系模拟；
近年来，研究更接近生产实际，但目前在很大程度 上仍然需要依靠经验。
新工艺、新产品开发 传统技术改造 优化操作
目标：
单位设备容积净度大 目的产物单一性大 安全,稳定
核心 ——复杂系统的工程放大
四）课程主要内容
1）化学反应工程基础
等温情况下动力学方程式的建立； 反应器设计基本原理； 停留时间分布的测定及数字特征；
……
2）聚合反应工程分析 • 自由基总浓度及聚合度随转化率规律分析聚合反
• 反应速率定义为单位反应体积内反应程度随时 间的变化率。
• 对于均相反应，一般以反应体积为基准。
ri＝
1 dni V dt
ri: 体系中i组分的反应速率； ni：反应体系内，反应物i的摩尔数； V：反应容积
单位: mol•m-3 s-1
对于恒容过程，有
ri＝
1 dni = V dt
d（ni ）＝ dt V
40年代，霍根(Hougen)、华生(Waston)著作《化学过程原理》 法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世 1957年，荷兰阿姆斯特丹第一次欧洲反应工程会议——确立 了化学反应工程的名称
• 计其达.《聚合过程及设备》化工出版社，1981；
第二章 化学反应工程基础
2.1 化学反应和反应器分类
2.1.1 化学反应分类
表2-1 按化学反应的特性分类
反应机理 反应的可逆性 反应分子数 反应级数
简单、复杂反应 可逆、不可逆反应 单分子、双分子、三分子反应 一级、二级、三级、分数级反应
反应热效应 放热反应、吸热反应
1.3 聚合物合成材料的发展
1910年，美国正式工业化生产酚醛树脂，随后相继合成出丁 苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、尼龙-66、聚酯纤维、高压聚乙 烯和聚氯乙烯，产量和品种在世界大战中得到快速发展。 1920年，H. Staudinger提出了“高分子化合物的概念，建立 了大分子链的学术观点并系统研究了加聚反应。
聚合反应工程基础
第一章 绪论 1.1 课程简介 一）课程产生背景
高分子化学 高分子物理
化学反应工程
聚合反应工程
连接桥梁
二）课程研究对象与拟解决的关键问题
• 研究对象：工业规模的聚合过程 • 关键问题：聚合反应动力学
聚合物系的传递过程 聚合反应器设计、放大
三）聚合反应工程的任务
创新与选择最适反应器型式 确定最优工艺条件 估算反应器尺寸大小
1994年，全世界三大合成材料的产量超过1.4×104万吨，按体 积计算超过钢铁。
世界三大合成材料产量(万吨)
1.4 国内外聚合釜发展情况
随着生产规模的不断扩大，反应器日趋大型化，以 氯乙烯悬浮聚合为例： • 我国20世纪60年代全部使用7~13.5m3聚合反应器， 70年代普遍使用30m3的反应器，80年代后，80m3的 大型聚合反应器投入使用；
内夹套： KA↑40％
新搅拌： KA↑20％
日本往友重机的二种新PVC反应器(90m3以上)
参考书籍
• 朱炳辰.《化学反应工程》，化学工业出版社， 1993；
• 张濂、许志美、等.《化学反应工程原理》，华东 理工大学出版社；
• 陈甘棠.《聚合反应工程基础》，中国石化出版社， 北京，1991年6月；Hale Waihona Puke 5）搅拌聚合釜的传热与传质
• 聚合釜的传热方式及强化方法； • 牛顿流体及非牛顿流体的传热计算； • 搅拌釜内传质过程；
……
6）聚合反应器的放大
• 几何相似放大； • 非几何相似放大；
……
7）聚合过程及聚合反应器
• 工业聚合方法； • 聚合反应器选择原则；
……
1.2 聚合反应工程发展简史
一）反应工程概念的提出
dCi dt
上式中，对于反应物，取负号；对于产物， 取正号。
对于反应 A 2B 3C 4D
• 以反应物B为基准定义的反应速率为：
rB
1 V
dnB dt
mol m3s1
• 以反应产物C为基准定义的反应速率为：
应机理； • 不同操作方式对聚合过程的影响； • 粘度对聚合反应的影响；
……
3）化工流变学基础 • 非牛顿流体的分类、流变特性；
• 非牛顿流体在圆管中的流动分析； ……
4）搅拌釜内流体的搅拌与混合 • 搅拌釜内流体的流况； • 搅拌桨叶动力、循环、混合特性； • 功率、转速、混合时间计算方法；
……
1931年，W. H. Carothers提出高聚物溶解与合成的理论， 同时广泛研究了缩聚反应。 Flory也系统研究了高分子链 行为和高分子溶液理论。
1925-1935年，逐渐明确了有关高分子化合物的基本概念， 诞生了“高分子化学”这一新兴学科。反过来，它又有力 地促进高分子化合物的工业生产。
表2-2 按反应物料的相态分类
均相反应 非均相反应
催化反应 气相反应、液相反应
非催化反应
催化反应 液-液相、气-液相、液-固相、 气-固相
非催化反应 气-固相、气-液-固相
表2-3 按反应过程进行的条件分类 操作方式 间歇反应、半连续反应、连续反应 非均相反应 等温反应、绝热反应、非绝热变温反应
2.1.2 反应速率
• 日本1968年前多使用30~50m3的反应器，1971年后 普遍使用127m3反应器；
• 德国目前反应器容积已达到200~400m3。
工业级PVC聚合釜
国产30m3
国产80m3
日本信越127m3
工业级PVC聚合釜
美国Goodrich70m3 德国Huls200m3 日本神钢泛技术75m3
NEW！
20世纪40年代初，由于第二次世界大战所需橡胶数量巨大， 大力发展合成橡胶，奠定了石油化学工业的基础。
50年代以后，Ziegler-Natta 发现了由有机金属化合物和过渡 金属化合物组成的催化剂体系，可以容易地使烯烃、二烯烃聚 合为性能优良的高聚物，同时由于石油化学工业的建立与发展， 高分子合成材料的产量激增。
二）聚合反应工程发展简史
1944年，登比（Denbigh），将聚合反应速率分析 与聚合反应器的研究结合。缺乏定量的数据；
1961年，何蒙特森（Amundson），建立数学模型， 对聚合过程进行定量分析；
60年代后期，对复杂体系模拟；
近年来，研究更接近生产实际，但目前在很大程度 上仍然需要依靠经验。
新工艺、新产品开发 传统技术改造 优化操作
目标：
单位设备容积净度大 目的产物单一性大 安全,稳定
核心 ——复杂系统的工程放大
四）课程主要内容
1）化学反应工程基础
等温情况下动力学方程式的建立； 反应器设计基本原理； 停留时间分布的测定及数字特征；
……
2）聚合反应工程分析 • 自由基总浓度及聚合度随转化率规律分析聚合反
• 反应速率定义为单位反应体积内反应程度随时 间的变化率。
• 对于均相反应，一般以反应体积为基准。
ri＝
1 dni V dt
ri: 体系中i组分的反应速率； ni：反应体系内，反应物i的摩尔数； V：反应容积
单位: mol•m-3 s-1
对于恒容过程，有
ri＝
1 dni = V dt
d（ni ）＝ dt V