聚合物反应工程基础知识总结

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
2. 本课程研究内容： 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
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
方便，传质、传热效率
停留时间分布密度函数： E(t)
停留时间分布函数： F (t)
t
F (t) E(t)dt
0
F() E(t)dt 1
0
停留时间分布的测定方法：跃迁示踪法、脉冲示踪法。（51 页）
tE(t)dt
平均停留时间：
0
tE(t)dt
E(t)dt 0
tE(t) E(t)
0
方差：
2 t
j v
)
，
fW ( j)
jf n ( j) pn
j v2
exp( j ) v
偶合终止、无链转移时： pn 2v ， pW 3v ；
j
j
fn ( j) v2 exp( v )
j2
j
fW
(
j)
2v3
exp(
) v
3、粘度对聚合反应的影响：
在高转化阶段时，体系粘度增大，产生凝胶效应出现了自加速现象。此现象在自由基本体聚合 和沉淀聚合中尤为明显。对均相体系产生凝胶效应的主要原因是体系粘度增加，链自由基卷曲，活
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
生产乙烯
挡板型: 适于快速和中
速反应过程，结构复杂 固体填充式: 结构简
单，耐腐蚀，适于快速 和瞬 间反应过程
不同塔不同，书上没说，
具体见老师 ppt 吧
苯乙烯的本体聚合，已 内酰胺的缩聚
o(╯□╰)o
丙烯氨氧化制丙烯腈，
传热好，温度均匀，易 催化剂的磨损大，床内 萘氧化制苯酐，聚烯烃
控制
返混大，高转化率难
➢ 零级反应时， 1，两种反应器体积相等，即反应器型式对反应速度没有影响 。
➢ 除零级反应以外，其他正级数反应的反应器容积效率小于 1。 ➢ 当转化率一定时，反应级数越高，容积效率越低，故对于反应级数高的反应宜采用平推流反应
器。
5、理想混合反应器热稳定性
反应器的热稳定性是指当反应过程的放热或除热速率发生变化时，过程的温度等因素产生一系列的 波动，当外扰消除后，过程能恢复到原来的操作状态，则反应器具有热稳定性，或具有自衡能力， 否则为热不稳定的或无自衡能力。
积分式：
Fn ( j)
Pn x
x 0
fn ( j) dx pn
FW
(
j)
1 x
fW
(
j)dx
1 x
jf n ( j)dx pn
2、平均聚合度及聚合度分布与动力学链长的关系
歧化终止、无链转移反应时： pn v ， pW 2v ， pz 3v ；其中 v 为动力学链长。
fn
(
j)
1 v
exp(
二者关系： fW ( j)
jf n ( j) pn
数基聚合度分布函数： Fn ( j)
[Pj ] [ p j ] [Pj ] [P]
PW 1
x
p
dx
x0 W
重基聚合度分布函数：
FW
(
fjn)(j)
j[Prj P]j j[Prj P]j
[MrrPPj0j][Pjr[]MrMPjp]
n
rPj pn rM
详细见课本151操作方便易于制造和维修5搅拌功率的计算搅拌器所需功率由三方面组成机械传动所消耗的能量机械传动效率08095减速机或增速机组合而得到极低或极高的速度搅拌轴封所消耗的能量计算搅拌功率的目的搅拌功率是衡量搅拌强度的主要物理量p的大小反映了釜内液体的搅拌程度和湍动程度搅拌功率是搅拌器机械设计的基本数据
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
)
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
体系具有热稳定性必须具备以下两个条件：
① 放热速率与除热速率相等，即：稳态条件 Qr Qc
② 稳定条件 dQc dQr dT dT
影响热稳定性的因素： 1、化学反应的特性，如 k、△H、E 等
2、反应过程的操作条件．如 v0 、 C A0 、T 等。
3、反应器的结构，如 A；
4、操作条件，如 v0 、T、TW 、K 等
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
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
的 A 组份）
假设 Vi 都相等，则1
2
N
CAN
C A0 (1 k )N
（N 代表第 N 级）
1
也可得到 xAN
1 (1 k )N
6) 容积效率：同一反应在相同的温度、产量和转化率下，平推流反应器和理想混合流反应器所需
Vp p 的总体积比。工业上用来衡量单位反应器体积所能达到的生产能力。 Vm m
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： 是指反应器内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。 ）
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： tm a x
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？
4) 几种重要反应器的设计过程(在这里只列出主要的几个公式，这个是重点中的重点，建议大家看
书 22~~36 页）
反应器
物料衡算式
停留时间（反应时间）
间歇反应器 平推流反应器
rA •V
nA0
dxA dt
FA0 dxA rAdV
t
C A0
xA 0
dxA rA
CA