聚合物反应工程基础知识总结
合集下载
聚合反应工程
聚合反应工程的重要性
01
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
聚合反应工程基础_第四章
22
聚合反应工程
聚合反应速度分析 (间歇过程自由基均聚)
kd 引发剂引发 : I 2 R, rd 2kd [ I ] f ki R M P , ri ki [ R] [ M ] 1
链增长 : Pj M Pj 1 , rp k p [ M ] [ Pj ]
2013-10-7
4
聚合反应工程
本章主要内容
聚合反应速度的工程分析 连锁聚合反应的平均聚合度及聚合度分布 缩聚反应及非均相反应的工程分析 流动与混合对聚合度分布的影响
2013-10-7
5
聚合反应工程
聚合反应工程的目标
反应器流动模型 结合起来 建立统一的反应器模型 聚合反应动力学 预计所需质量和产量的聚合物。 现实情况： 高聚物流体一般是非牛顿流体，在流动过程还有物 态的变化。 对反应机理的认识； 对结构与性能的认识； 反应器影响反应结果的认识不深透。
平均分子量及聚合度分布可表征聚合物 性质,所以首先寻找,然后确定目标函数.
2013-10-7 12
聚合反应工程
自由基聚合反应动力学
• 自由基聚合微观动力学
研究聚合初期（通常转化率在5％～10％以下）聚合速率与 引发剂浓度、单体浓度、温度等参数间的定量关系。
说明：由于组成自由基聚合的三步主要基元反应： 链引发、链增长和链终止对总聚合速率均有所贡 献；链转移反应一般不影响聚合速率。 所以聚合反应总的动力学方程的建立过程为：首 先从自由基聚合反应的三个基元反应的动力学方 程推导出发，再依据等活性、长链和稳态三个基 本假设推导出总方程。
_
_
重均分子量 重均聚合度 重基分子量分布函数
2013-10-7
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）
第一章 聚合反应工程基础1-2
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。
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。
第八章 聚合物的化学反应总结
第八章聚合物的化学反应一、课程主要内容本章研究聚合物化学反应的意义和聚合物的化学反应。
聚合物的化学反应包括：聚合度相似的化学反应；聚合度变大的化学反应和聚合度变小的化学反应。
通过学习第八章，掌握聚合物可能发生的聚合反应，以便对聚合物进行改性；了解聚合物老化的原因和防止聚合物老化的方法。
二、试题与答案本章有基本概念题、填空题、选择填空题和简答题。
㈠基本概念题1.聚合物的化学反应：天然聚合物或由单体经聚合反应合成的聚合物为一级聚合物，若其侧基或端基为反应性基团，则在适当的条件下可发生化学反应，从而形成新的聚合物（为二级聚合物），由一级聚合物变为二级聚合物的化学反应，谓之。
2.聚合度相似的化学反应：如果聚合物的化学反应是发生在侧基官能团上，很显然这种化学反应不涉及聚合物的聚合度，反应前后聚合度不变（或相似），将这种聚合物的化学反应称为聚合度相似的化学反应。
3.聚合度变大的化学反应：如果聚合物的化学反应是交联、嵌段或接枝等，使聚合物的聚合度变大，将这种聚合物的化学反应称为聚合度变大的化学反应。
4.聚合度变小的化学反应：如果聚合物的化学反应是降解（热降解、化学降解等）很显然这种化学反应使聚合物的聚合度变小，将这种聚合物的化学反应称为聚合度变小的化学反应。
5.聚合物的老化：聚合物在使用或贮存过程中，由于环境的影响，性能变坏、强度和弹性降低、颜色变暗、发脆或发粘等现象叫聚合物的老化。
6.聚合物的无规降解：聚合物在热的作用下，大分子链发生任意断裂，使聚合度降低，形成低聚体，但单体收率很低（一般小于3%），这种热降解称为无规降解。
7.聚合物的解聚：聚合物在热的作用下发生热降解，但降解反应是从链的末端开始，降解结果变为单体，单体收率可达90%~100%，这种热降解叫解聚。
8.聚合物的侧链断裂：聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯加热时易着色，起初变黄，然后变棕，最后变为暗棕或黑色，同时有氯化氢放出。
这一过程是链锁反应，连续脱氯化氢的结果使分子链形成大n键或交联，这种热降解称为侧链断裂。
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。
第一章 绪论 第二章 聚合物反应工程(2-1,2-2)
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；
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。 下面是各章节的目录
聚合物反应工程
第一章 第二章 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
聚合物反应工程
第三章 第六节 第七节 第八节 第九节 第十节
聚合反应工程分析 均相自由基共聚 缩聚反应 非均相聚合反应 流动与混合对聚合物分布的影响 聚合过程的凋节与控制
聚合物反应工程
第四章 化工流变学基础
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
非牛顿流体 非牛顿流体的流变特性 非牛顿流体在圆管中层流流动的分析 非牛顿流体在圆管中湍流流动的分析 非牛顿流体流变性的测量
第一节 化学反应和反应器分类
平推流和理想混合流是为了分析方便而人为的加以 理想化的二种极端的流动型态，平推流反应器中不 存在返混，而理想混合流反应器中返混最大，工业 上所使用的实际反应器由于种种原因而产生死角， 沟流，傍路、短路及不均匀的速度分布使之偏离理 想流动，这种偏离谓之非理想流动。相应的反应器 即为非理想流动反应器，在其中存在部分的返混。 在工程设计上，常常把比较接近某种理想流动型态 的过程当作理想流动来处理。
第一节 化学反应和反应器分类
通常可用幂函数的形式表示：
式中rA为反应速率常数。a1 a2为实验测定 的常数．反应的总级数为a1+ a2 对于基元 反应a1 a2分 别与计算方程式中的a、b 相 等。若反应是由若干个基元反应组成的反 应级数需用实验测定。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
页脚.
.
.
⑷连续搅拌釜式反应器 。 非理想混合流反应器：（主要是由于工业生产中在反应器中的死角、沟流、旁路、短路及不均匀的速 度分布使物料流动型态偏离理想流动 ）
3、均相反应动力学
反应
反应速度式
反应积分式
一级 A kS
rA
dCA dt
kCA
t 1 ln CA0 1 ln( 1 ) k CA k 1 xA
的生产
3) 按操作方式分类 间歇反应器：在反应之前将原料一次性加入反应器中，直到反应达到规定的转化率，即得反应物， 通常带有搅拌器的釜式反应器。优点是：操作弹性大，主要用于小批量生产。 连续操作反应器 ：反应物连续加入反应器产物连续引出反应器，属于稳态过程，可以采用釜式、管 式和塔式反应器。优点是：适宜于大规模的工业生产，生产能力较强，产品质量稳定易于实现自动 化操作 。 半连续操作反应器 ：预先将部分反应物在反应前一次加入反应器，其余的反应物在反应过程中连续 或断连续加入，或者在反应过程中将某种产物连续地从反应器中取出，属于非稳态过程。优点是： 反应不太快，温度易于控制，有利于提高可逆反应的转化率 。 （PS：造成三种反应器中流体流动型态不同是由于物料在不同反应器中的返混程度不一样。返混： 是指反应器不同年龄的流体微元之间的混合，返混代表时间上的逆向混合。 ）
.
.
聚合物反应工程基础知识总结
第一章（填空、选择、简答）
1. 聚合物反应和聚合物生产的特点： ① 反应机理多样，动力学关系复杂，重现性差，微量杂质影响大。 ② 除了要考虑转化率外，还要考虑聚合度及其分布，共聚物组成及其分布和序列分布，聚合
物结构和性能等。 ③ 要考虑反应时候的聚合物流动、混合、传热、传质等问题。 ④ 要考虑反应器放大的问题。
生产乙烯
挡板型: 适于快速和中
速反应过程，结构复杂 不同塔不同，书上没说，
固体填充式: 结构简
具体见老师 ppt 吧 苯乙烯的本体聚合，已
酰胺的缩聚
单，耐腐蚀，适于快速
o(╯□╰)o
和瞬 间反应过程
丙烯氨氧化制丙烯腈，
传热好，温度均匀，易 催化剂的磨损大，床返 萘氧化制苯酐，聚烯烃
控制
混大，高转化率难
方便，传质、传热效率
高，适应性强，操作弹
要求达到高转化率时， 顺丁橡胶，丁苯橡胶，
性大，连续操作时温度、
浓度易控制，产品质量
反应器容积大
聚氯乙烯
均一，适于多品种、小
批量生产。
结构简单、加工方便， 耐高压，传热面大，热 交换效率高，容易实现
自动控制
对慢速反应管子要求长 且压降大
高压聚乙烯的生产，石 脑油的裂解，轻油裂解
计算反应器体积。平常我们计算的是恒温恒容下的，步骤如下： 由反应器操作特点，写出物料衡算式；
由物料衡算式和化学动力学方程式计算反应所需时间 反 ；
由辅助生产时间τ辅和τ反，计算生产周期： 生 反 辅
页脚.
.
.
由及每小时处理的物料量ν0，求出反应器的有效体积 VR v0 生 由反应器装料系数φ求出反应器实际体积：V VR
)
rA k1CACB k2CRCS
kt K ln[ xAe (2xAe 1)xA ]（m=2）
mCA0
xAe xA
平行反应
复合 反应
连串反应
A k1 R k2 S
rA (k1 k2 )CA
rR k1CA k2CB rS k2CR
(k1
k2
)t
ln
CA C A0
CR
k1 k1 k2
页脚.
.
.
答案：间歇釜二级不可逆
xA
t= kcA0 1 xA
x A1
k 2 = t2cA0 1 xA
xA
k1 = t1cA0 1 xA
k1= k2
xA
x A1
t1cA0 1 xA = t2cA0 1 xA
50%
75%
5 cA0 1 50% = t2 cA0 1 75%
代入
CA0 (ek2t
ek1t )
Cs CA0 (1 ek2t )
（PS：在连串反应中，R
的浓度会有最大值，出现最大值的时间为： tmax
ln(k2 k2
k1 ) k1
，最大浓度为：
C C ( kk ) Rmax
k2
1 k2 k1 A0
2
1、反应物质 A，按二级反应动力学方程式等温分解，在间歇釜式反应器中 5min 后 转化率为 50%，试问在该反应器中转化 75%的 A 物质，需要增加多少分钟？
2、连续反应器中物料流动型态
平推流反应器： ⑴各物料微元通过反应器的停留时间相同。 ⑵物料在反应器中沿流动方向逐段向前移动，无返混。 ⑶物料组成和温度等参数沿管程递变，但是每一个截面上物料组成和温度等参数在时间进程中不变。 ⑷连续稳态操作，结构为管式结构 。 理想混合流反应器： ⑴各物料微元在反应器的停留时间不相同。 ⑵物料充分混合，返混最严重。 ⑶反应器中各点物料组成和温度相同，不随时间变化。
2. 本课程研究容： 1) 聚合物反应器的最佳设计。 2) 进行聚合反应操作的最佳设计和控制。
第二章（所有题型）
化学反应器：完成化学反应的专门容器或设备。
1、反应器分类：
1) 按物料相态分类
2) 按结构型式分类
页脚.
.
.
类型 釜式反应器
管式反应器 塔式反应器 流化床反应器
优点
缺点
举例
优点：结构简单，加工
不可 逆反
应
可逆 反应
二级
A B k S
一级 A R
二级
A B R S
rA
dCA dt
k CACB
kt
CA
1 CB
ln
CB0 CA CA0 CB
(CA0 不等于CB0
)
11
kt
CA
CA0
(CA0
CB0 )
rA
dCA dt
k1CA
k2CR
(k1
k2
)t
ln(
C A0 CA
CAe CAe
t2 =15min
t
' 2
=
t2
t1 =15-5=10min
计算的最后结果数字： 10min
4、理想反应器设计
1) 反应器设计的三个基本要求： a. 提供反应物料进行反应所需要的容积，保证设备有一定的生产力。 b. 具有足够的传热面积，保证反应过程中热量的传递，使反应控制在最适温度下进行。 c. 保证参加反应的物料均匀混合。 2) 反应器设计基本原理： 物料衡算：（流入量）—（流出量）—（反应消失量）—（累积量）=0 热量衡算：（随物料流入热量）—（随物料流出热量）—（系统与外界交换热量）+（反应热效应） —（累积热量）=0 3) 基本过程：根据物料衡算、热量衡算可以得到反应器设计的基本方程式，再结合动力学方程式
.
.
⑷连续搅拌釜式反应器 。 非理想混合流反应器：（主要是由于工业生产中在反应器中的死角、沟流、旁路、短路及不均匀的速 度分布使物料流动型态偏离理想流动 ）
3、均相反应动力学
反应
反应速度式
反应积分式
一级 A kS
rA
dCA dt
kCA
t 1 ln CA0 1 ln( 1 ) k CA k 1 xA
的生产
3) 按操作方式分类 间歇反应器：在反应之前将原料一次性加入反应器中，直到反应达到规定的转化率，即得反应物， 通常带有搅拌器的釜式反应器。优点是：操作弹性大，主要用于小批量生产。 连续操作反应器 ：反应物连续加入反应器产物连续引出反应器，属于稳态过程，可以采用釜式、管 式和塔式反应器。优点是：适宜于大规模的工业生产，生产能力较强，产品质量稳定易于实现自动 化操作 。 半连续操作反应器 ：预先将部分反应物在反应前一次加入反应器，其余的反应物在反应过程中连续 或断连续加入，或者在反应过程中将某种产物连续地从反应器中取出，属于非稳态过程。优点是： 反应不太快，温度易于控制，有利于提高可逆反应的转化率 。 （PS：造成三种反应器中流体流动型态不同是由于物料在不同反应器中的返混程度不一样。返混： 是指反应器不同年龄的流体微元之间的混合，返混代表时间上的逆向混合。 ）
.
.
聚合物反应工程基础知识总结
第一章（填空、选择、简答）
1. 聚合物反应和聚合物生产的特点： ① 反应机理多样，动力学关系复杂，重现性差，微量杂质影响大。 ② 除了要考虑转化率外，还要考虑聚合度及其分布，共聚物组成及其分布和序列分布，聚合
物结构和性能等。 ③ 要考虑反应时候的聚合物流动、混合、传热、传质等问题。 ④ 要考虑反应器放大的问题。
生产乙烯
挡板型: 适于快速和中
速反应过程，结构复杂 不同塔不同，书上没说，
固体填充式: 结构简
具体见老师 ppt 吧 苯乙烯的本体聚合，已
酰胺的缩聚
单，耐腐蚀，适于快速
o(╯□╰)o
和瞬 间反应过程
丙烯氨氧化制丙烯腈，
传热好，温度均匀，易 催化剂的磨损大，床返 萘氧化制苯酐，聚烯烃
控制
混大，高转化率难
方便，传质、传热效率
高，适应性强，操作弹
要求达到高转化率时， 顺丁橡胶，丁苯橡胶，
性大，连续操作时温度、
浓度易控制，产品质量
反应器容积大
聚氯乙烯
均一，适于多品种、小
批量生产。
结构简单、加工方便， 耐高压，传热面大，热 交换效率高，容易实现
自动控制
对慢速反应管子要求长 且压降大
高压聚乙烯的生产，石 脑油的裂解，轻油裂解
计算反应器体积。平常我们计算的是恒温恒容下的，步骤如下： 由反应器操作特点，写出物料衡算式；
由物料衡算式和化学动力学方程式计算反应所需时间 反 ；
由辅助生产时间τ辅和τ反，计算生产周期： 生 反 辅
页脚.
.
.
由及每小时处理的物料量ν0，求出反应器的有效体积 VR v0 生 由反应器装料系数φ求出反应器实际体积：V VR
)
rA k1CACB k2CRCS
kt K ln[ xAe (2xAe 1)xA ]（m=2）
mCA0
xAe xA
平行反应
复合 反应
连串反应
A k1 R k2 S
rA (k1 k2 )CA
rR k1CA k2CB rS k2CR
(k1
k2
)t
ln
CA C A0
CR
k1 k1 k2
页脚.
.
.
答案：间歇釜二级不可逆
xA
t= kcA0 1 xA
x A1
k 2 = t2cA0 1 xA
xA
k1 = t1cA0 1 xA
k1= k2
xA
x A1
t1cA0 1 xA = t2cA0 1 xA
50%
75%
5 cA0 1 50% = t2 cA0 1 75%
代入
CA0 (ek2t
ek1t )
Cs CA0 (1 ek2t )
（PS：在连串反应中，R
的浓度会有最大值，出现最大值的时间为： tmax
ln(k2 k2
k1 ) k1
，最大浓度为：
C C ( kk ) Rmax
k2
1 k2 k1 A0
2
1、反应物质 A，按二级反应动力学方程式等温分解，在间歇釜式反应器中 5min 后 转化率为 50%，试问在该反应器中转化 75%的 A 物质，需要增加多少分钟？
2、连续反应器中物料流动型态
平推流反应器： ⑴各物料微元通过反应器的停留时间相同。 ⑵物料在反应器中沿流动方向逐段向前移动，无返混。 ⑶物料组成和温度等参数沿管程递变，但是每一个截面上物料组成和温度等参数在时间进程中不变。 ⑷连续稳态操作，结构为管式结构 。 理想混合流反应器： ⑴各物料微元在反应器的停留时间不相同。 ⑵物料充分混合，返混最严重。 ⑶反应器中各点物料组成和温度相同，不随时间变化。
2. 本课程研究容： 1) 聚合物反应器的最佳设计。 2) 进行聚合反应操作的最佳设计和控制。
第二章（所有题型）
化学反应器：完成化学反应的专门容器或设备。
1、反应器分类：
1) 按物料相态分类
2) 按结构型式分类
页脚.
.
.
类型 釜式反应器
管式反应器 塔式反应器 流化床反应器
优点
缺点
举例
优点：结构简单，加工
不可 逆反
应
可逆 反应
二级
A B k S
一级 A R
二级
A B R S
rA
dCA dt
k CACB
kt
CA
1 CB
ln
CB0 CA CA0 CB
(CA0 不等于CB0
)
11
kt
CA
CA0
(CA0
CB0 )
rA
dCA dt
k1CA
k2CR
(k1
k2
)t
ln(
C A0 CA
CAe CAe
t2 =15min
t
' 2
=
t2
t1 =15-5=10min
计算的最后结果数字： 10min
4、理想反应器设计
1) 反应器设计的三个基本要求： a. 提供反应物料进行反应所需要的容积，保证设备有一定的生产力。 b. 具有足够的传热面积，保证反应过程中热量的传递，使反应控制在最适温度下进行。 c. 保证参加反应的物料均匀混合。 2) 反应器设计基本原理： 物料衡算：（流入量）—（流出量）—（反应消失量）—（累积量）=0 热量衡算：（随物料流入热量）—（随物料流出热量）—（系统与外界交换热量）+（反应热效应） —（累积热量）=0 3) 基本过程：根据物料衡算、热量衡算可以得到反应器设计的基本方程式，再结合动力学方程式