聚合反应器及反应器内聚合反应器及反应器内流体的流动和混合流体的流动和混合第五章聚合反应器及其工程因素5.1 5.1 聚合釜概述聚合釜概述l带有搅拌装置的反应器带有搅拌装置的反应器搅拌聚合釜搅拌聚合釜l 带有搅拌装置的容器带有搅拌装置的容器原料配制槽、浆料沉析原料配制槽、浆料沉析槽槽5.1 5.1 聚合釜概述聚合釜概述l聚合釜的结构聚合釜的结构釜体釜体密封装置密封装置减速机减速机搅拌器搅拌器釜盖釜盖料孔料孔温度计孔温度计孔视镜孔视镜孔人孔人孔搅拌孔搅拌孔电动机电动机5.1 5.1 聚合釜概述聚合釜概述q影响聚合釜功能的主要因素影响聚合釜功能的主要因素l釜体长径比釜体长径比矮胖型、瘦长型；矮胖型、瘦长型；l搅拌桨形式搅拌桨形式剪切型、循环型；高粘度型、低粘度型；剪切型、循环型；高粘度型、低粘度型；l挡板挡板消除旋涡；消除旋涡；l夹套、内冷管夹套、内冷管传热能力；传热能力；l釜体材质釜体材质结垢问题、导热问题等结垢问题、导热问题等5.1 5.1 聚合釜概述聚合釜概述l各种搅拌器形式：各种搅拌器形式：5.1 5.1 聚合釜概述聚合釜概述q对不同的化工生产过程，搅拌（反应釜）应具备以下作用：对不同的化工生产过程，搅拌（反应釜）应具备以下作用：l推动液体流动，混匀物料；推动液体流动，混匀物料；l产生剪切力，分散物料，并使之悬浮；产生剪切力，分散物料，并使之悬浮；l增加流体的湍流，以提高传热效率；增加流体的湍流，以提高传热效率；l加速物料的分散与合并，增大物质传递速度；加速物料的分散与合并，增大物质传递速度；l对高粘体系，可以更新表面，促使低分子物（如水、溶剂）对高粘体系，可以更新表面，促使低分子物（如水、溶剂）蒸出。蒸出。5.2 搅拌聚合釜内流体的流动和混合聚合釜内流体的流动状况聚合釜内流体的流动状况搅拌器的类型和选用搅拌器的类型和选用聚合釜的搅拌功率计算聚合釜的搅拌功率计算搅拌器的流动特性和转速搅拌器的流动特性和转速搅拌器的混合特性搅拌器的混合特性搅拌釜中的分散过程搅拌釜中的分散过程聚合釜内流体的流动状况聚合釜内流体的流动状况l流动状况（简称流动状况（简称“流况流况”）在整个搅拌容器中流在整个搅拌容器中流体速度向量的方向。体速度向量的方向。l决定釜内流体流况的因素：决定釜内流体流况的因素： 釜体的几何尺寸；釜体的几何尺寸； 搅拌器的几何尺寸；搅拌器的几何尺寸； 传动力；传动力； 处理物料的物性等。处理物料的物性等。 聚合釜内流体的流动状况聚合釜内流体的流动状况q搅拌釜内流况的层次：搅拌釜内流况的层次： 循环流动循环流动宏观流动宏观流动 剪切流动剪切流动微观流动微观流动聚合釜内流体的流动状况聚合釜内流体的流动状况l宏观流动宏观流动是指流体以大尺寸（凝聚流体、气泡、液滴）是指流体以大尺寸（凝聚流体、气泡、液滴）在大范围内（整个聚合釜空间）中的流动状况。宏观在大范围内（整个聚合釜空间）中的流动状况。宏观流动也称流动也称“循环流动循环流动”。l循环流动存在三种典型流况：循环流动存在三种典型流况：径向流动：径向流动：轴向流动：轴向流动：切向流动：切向流动：聚合釜内流体的流动状况聚合釜内流体的流动状况l微观流动微观流动是指流体以小尺寸（小气泡、更微小的液滴）是指流体以小尺寸（小气泡、更微小的液滴）在小范围（气泡、液滴大小的空间）中的湍流状况。在小范围（气泡、液滴大小的空间）中的湍流状况。微观流动是由于搅拌桨的剪切作用而引起的局部混合微观流动是由于搅拌桨的剪切作用而引起的局部混合作用，微观流动也称作用，微观流动也称“剪切流动剪切流动”。l在搅拌釜内进行流动的流体都存在循环流动与剪切流在搅拌釜内进行流动的流体都存在循环流动与剪切流动，唯二者的比重有所不同。动，唯二者的比重有所不同。聚合釜内流体的流动状况聚合釜内流体的流动状况l以循环流动为主的搅拌以循环流动为主的搅拌器称循环型搅拌器；器称循环型搅拌器；l以剪切流动为主的搅拌以剪切流动为主的搅拌器称剪切型搅拌器；器称剪切型搅拌器；推进式推进式平桨平桨三斜窄叶涡轮式三斜窄叶涡轮式聚合釜内流体的流动状况聚合釜内流体的流动状况搅拌雷诺数是判定搅拌釜内流动形式的无因次准数。搅拌雷诺数是判定搅拌釜内流动形式的无因次准数。 雷诺数不同，釜内流体流动表现不同流态。雷诺数不同，釜内流体流动表现不同流态。q搅拌雷诺数与流态搅拌雷诺数与流态滞流滞流层流层流过度流过度流湍流湍流聚合釜内流体的流动状况聚合釜内流体的流动状况q搅拌雷诺数与搅拌特性行为准数的关系搅拌雷诺数与搅拌特性行为准数的关系动力特性：功率准数动力特性：功率准数重力特性：弗劳德准数重力特性：弗劳德准数传热特性：努塞尔准数传热特性：努塞尔准数混合特性：混合时间数混合特性：混合时间数循环特性：排除流量数循环特性：排除流量数聚合釜内流体的流动状况聚合釜内流体的流动状况搅拌釜内液流流态与特性曲线搅拌釜内液流流态与特性曲线q搅拌雷诺数对搅拌釜搅拌雷诺数对搅拌釜内的特性行为（准数）内的特性行为（准数）的影响在的影响在层流和过度流层流和过度流区域区域有决定性作用，在有决定性作用，在湍流区域湍流区域则影响不大。则影响不大。搅拌器的类型和选用搅拌器的类型和选用q搅拌器的分类：搅拌器的分类：l搅拌器形状：桨式、推进式、涡轮式、螺杆和螺带式等；搅拌器形状：桨式、推进式、涡轮式、螺杆和螺带式等；l搅拌流况：循环流动、剪切流动；搅拌流况：循环流动、剪切流动；l搅拌目的：混合、悬浮、分散、传热等。搅拌目的：混合、悬浮、分散、传热等。搅拌器的类型和选用搅拌器的类型和选用q桨式搅拌器桨式搅拌器l主要类型：主要类型：锚式锚式斜桨斜桨平桨平桨框式框式搅拌器的类型和选用搅拌器的类型和选用l平桨和斜桨搅拌器结构简单，剪切力较强，斜桨还有平桨和斜桨搅拌器结构简单，剪切力较强，斜桨还有较强的向上或向下垂直液流。较强的向上或向下垂直液流。l锚式和框式搅拌器搅拌转速低，搅动范围大，不易产锚式和框式搅拌器搅拌转速低，搅动范围大，不易产生死区，刮壁作用利于传热，剪切作用小，适用高粘生死区，刮壁作用利于传热，剪切作用小，适用高粘度流体。度流体。设计参数：设计参数：转速：转速：20200rpm桨径桨径/釜径：釜径：0.50.7叶端速度：叶端速度：1.52m/s粘度范围：粘度范围：0.1102Pa.s桨径桨径/釜径：釜径：0.95粘度范围：粘度范围：102103Pa.s设计参数：设计参数：搅拌器的类型和选用搅拌器的类型和选用q推进式搅拌器推进式搅拌器l特点：特点：结构简单，剪切作用小，结构简单，剪切作用小，循环性能好，属于循环型搅拌循环性能好，属于循环型搅拌器，适用于低粘度，液量大的器，适用于低粘度，液量大的液体搅拌。液体搅拌。l设计参数：设计参数： 桨径桨径0.4m, D/T:0.10.33 叶端速度：叶端速度：515m/s三叶右旋推进式三叶右旋推进式搅拌器的类型和选用搅拌器的类型和选用q涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器l主要类型：主要类型：平直叶对开圆盘涡轮式平直叶对开圆盘涡轮式弯叶圆盘涡轮式弯叶圆盘涡轮式螺距叶圆盘内涡轮式螺距叶圆盘内涡轮式搅拌器的类型和选用搅拌器的类型和选用q特点：特点：物料被抽吸入祸轮式搅拌器后，在离心力作用物料被抽吸入祸轮式搅拌器后，在离心力作用下，液体作切向和径向流动，甩出搅拌器的液体和壁下，液体作切向和径向流动，甩出搅拌器的液体和壁面碰撞后形成上下两路的循环流动，并回流入搅拌器。面碰撞后形成上下两路的循环流动，并回流入搅拌器。 涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使液体微团分涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使液体微团分散，适用于低到中等粘度液体的混合、液散，适用于低到中等粘度液体的混合、液液分散、液分散、液液固悬浮及促进良好的传热、传质。固悬浮及促进良好的传热、传质。设计参数：设计参数： 叶径叶径/叶宽：叶宽：58；叶径叶径/釜径：釜径：0.50.7；叶片数：叶片数：48。搅拌器的类型和选用搅拌器的类型和选用q螺杆和螺带式搅拌器螺杆和螺带式搅拌器l主要类型：主要类型：螺带式螺带式螺带螺杆式螺带螺杆式螺杆式螺杆式带导流筒螺杆带导流筒螺杆搅拌器的类型和选用搅拌器的类型和选用q特点：特点：适用于高粘度流体（适用于高粘度流体（10103Pa.s）。）。 螺带可与釜内壁吻合，起刮壁作用，有利于夹套传螺带可与釜内壁吻合，起刮壁作用，有利于夹套传热；另外螺带、螺杆对缩聚反应而言可不断地带出小分热；另外螺带、螺杆对缩聚反应而言可不断地带出小分子。子。设计参数：设计参数：桨径桨径D/螺距螺距S1螺带叶宽螺带叶宽B/釜径釜径T0.1桨径桨径D/釜径釜径T0.95搅拌器的类型和选用搅拌器的类型和选用q三叶后掠式搅拌器三叶后掠式搅拌器三叶后掠整体式三叶后掠整体式特点：特点：为径流搅拌器，配合指型挡为径流搅拌器，配合指型挡板可得上下循环流，循环量大，剪板可得上下循环流，循环量大，剪切作用也好，固体分散、溶解、悬切作用也好，固体分散、溶解、悬浮、传热、液相反应等过程都很适浮、传热、液相反应等过程都很适用。用。设计参数：设计参数：n=100300rpm；103） 功率曲线为一水平线，代表重力功率曲线为一水平线，代表重力NFr和粘性和粘性力力NRe不影响不影响NP，NP是一个常数。是一个常数。聚合釜的搅拌功率计算聚合釜的搅拌功率计算q均相流体的搅拌功率计算均相流体的搅拌功率计算物性参数：物性参数：、操作参数：操作参数：N、D、dNRe和和NFr功率曲线功率曲线NPP=NPN2D5搅拌功率搅拌功率 （P）聚合釜的搅拌功率计算聚合釜的搅拌功率计算q常用的功率曲线常用的功率曲线Rushton的的NRe图图不同形式搅拌器的不同形式搅拌器的NRe图图聚合釜的搅拌功率计算聚合釜的搅拌功率计算q非均相流体的搅拌功率计算非均相流体的搅拌功率计算 对浓对浓液、液液、液固等非均相体系，其搅拌功率计固等非均相体系，其搅拌功率计算一般可采用均相液体搅拌功率分析计算方法。但物算一般可采用均相液体搅拌功率分析计算方法。但物性系数需采用混合物平均物性参数。性系数需采用混合物平均物性参数。如：液如：液-固悬浮体系：固悬浮体系：（1）密度）密度（2）粘度）粘度 液体粘度液体粘度 液液-固相体积比固相体积比 沉降后沉积层中液沉降后沉积层中液- 固相体积比固相体积比聚合釜的搅拌功率计算聚合釜的搅拌功率计算q非牛顿流体的搅拌功率计算非牛顿流体的搅拌功率计算 Metzner等人发现，采用表现粘度后非牛顿流体与等人发现，采用表现粘度后非牛顿流体与牛顿流体的牛顿流体的NPNRe功率曲线在层流域和充分发展的湍功率曲线在层流域和充分发展的湍流域几乎重合；在过渡流域（流域几乎重合；在过渡流域（NRe：20200 ）则低于则低于牛顿流体。牛顿流体。 非牛顿流体的表现粘度随剪切速率而变，因此，非牛顿流体的表现粘度随剪切速率而变，因此，非牛顿流体的搅拌功率计算的关键是剪切速率的确定。非牛顿流体的搅拌功率计算的关键是剪切速率的确定。聚合釜的搅拌功率计算聚合釜的搅拌功率计算lMetzner等人假设在釜内有一个平均剪切速率。它与等人假设在釜内有一个平均剪切速率。它与 搅拌转速成比例，即写作：搅拌转速成比例，即写作： Metzner常数常数搅拌器形式搅拌器形式kS六平叶涡轮六平叶涡轮11.5三叶推进式三叶推进式二叶平桨二叶平桨1013弯叶涡轮弯叶涡轮8.0锚式锚式25螺带式螺带式30 Metzner常数常数 值值流体的稠度系数流体的稠度系数流体的流动行为指数流体的流动行为指数搅拌器的流动特性和转速搅拌器的流动特性和转速l在搅拌器的作用下，流体在釜内按一定的流况在搅拌器的作用下，流体在釜内按一定的流况作循环流动，搅拌器的流动特性也称循环特性，作循环流动，搅拌器的流动特性也称循环特性，是影响搅拌效果的重要因素是影响搅拌效果的重要因素l搅拌器的流动特性可以从单位时间内从搅拌桨搅拌器的流动特性可以从单位时间内从搅拌桨叶的排出流量或泵送能力来衡量。叶的排出流量或泵送能力来衡量。搅拌器的流动特性和转速搅拌器的流动特性和转速由于由于液体离开桨叶的平均速度液体离开桨叶的平均速度桨叶扫过面积桨叶扫过面积排出流量数或泵送准数排出流量数或泵送准数q搅拌桨叶的排出流量（泵送能力）搅拌桨叶的排出流量（泵送能力）单位时间内从桨叶单位时间内从桨叶排出的流量排出的流量 。搅拌器的流动特性和转速搅拌器的流动特性和转速l排出流量数包含了流排出流量数包含了流体的流速和搅拌器的体的流速和搅拌器的泵送能力，反映了搅泵送能力，反映了搅拌的剧烈程度。拌的剧烈程度。l排出流量数也是搅拌排出流量数也是搅拌雷诺数的函数。雷诺数的函数。泵送准数和搅拌雷诺数的关系泵送准数和搅拌雷诺数的关系搅拌器的流动特性和转速搅拌器的流动特性和转速q排出流量数和循环流量数排出流量数和循环流量数由桨叶藉离心力作用吐出的排出流由桨叶藉离心力作用吐出的排出流 ，同，同时吸引了周围液体一起流动，称为同伴流时吸引了周围液体一起流动，称为同伴流 ，两，两者汇集成使液体起循环作用的循环流者汇集成使液体起循环作用的循环流 。层流时：层流时：湍流时：湍流时：同样：同样：循环流量数，由雷诺数、桨形、釜形决定循环流量数，由雷诺数、桨形、釜形决定在湍流区,和关系：釜内流体循环流釜内流体循环流搅拌器的流动特性和转速搅拌器的流动特性和转速l搅拌器搅拌程度的判断搅拌器搅拌程度的判断循环次数：循环次数：循环时间：循环时间：搅拌釜内流体体积搅拌釜内流体体积搅拌程度：搅拌程度：普通搅拌：普通搅拌：强烈搅拌：强烈搅拌：流动程度：流动程度：剪切型桨叶：剪切型桨叶：循环型桨叶：循环型桨叶：搅拌器的流动特性和转速搅拌器的流动特性和转速q搅拌转速的确定搅拌转速的确定l从达到搅拌效果来分，可将搅拌操作分成混合搅动型从达到搅拌效果来分，可将搅拌操作分成混合搅动型和悬浮型两大类。和悬浮型两大类。l搅拌转速的确定，取决于对搅拌的要求。搅拌转速的确定，取决于对搅拌的要求。l搅拌器设计的最优化，除了满足工艺过程要求外，主搅拌器设计的最优化，除了满足工艺过程要求外，主要是考虑经济问题。要是考虑经济问题。搅拌器的流动特性和转速搅拌器的流动特性和转速q混合和搅动类型的搅拌转速的确定混合和搅动类型的搅拌转速的确定搅拌级别和搅拌效果搅拌级别和搅拌效果(混合及搅拌混合及搅拌)搅拌级别搅拌级别总体流速总体流速M/min搅拌效果搅拌效果121.83.712级搅拌适用于混合密度及粘度差很小的液体。级搅拌适用于混合密度及粘度差很小的液体。2级（混合均匀）：级（混合均匀）：0.1， 100倍；倍；34565.57.39.211.03至至6级搅拌是多数间歇反应所需要的搅拌程度。级搅拌是多数间歇反应所需要的搅拌程度。6级（混合均匀）级（混合均匀） ：0.6， 10000倍；倍；7891012.814.616.518.37级至级至10级搅拌为要求甚高的聚合釜所需要的搅拌级别。级搅拌为要求甚高的聚合釜所需要的搅拌级别。10级（混合均匀）级（混合均匀） ：1.0， 1000，有挡板釜的传热系数比无挡板时增加约30%-40%；l（5）多层桨叶对单层桨叶的传热系数的比等于它们所消耗功率的比值的 0.22次方。5.3.2 搅拌聚合釜工程分析与传热计算 自20世纪70年代以来，有关螺带、螺杆和螺杆-导流筒等高效牛顿流搅拌器的传热关联式陆续发表，但数量不多且结果相差也较大，代表性的关联式列举如下:5.3.2 搅拌聚合釜工程分析与传热计算二、非均相体系的传热Frantisak对装又四块挡板及推进式搅拌器的夹套搅拌釜进行研究，根据对363个牛顿型浆液测量值的线性回归分析得到式式中，Re,pr表示采用体系物料的平均物性计算所得雷诺数和普兰特数；Cpd,Cpc分别为分散相和连续相的比定压热容；d,c分别为分散相和连续相的密度；分散相的体积分率。5.3.2 搅拌聚合釜工程分析与传热计算三、非牛顿流体的传热最常见的非牛顿流体为假塑性流体搅拌高黏度假塑性流体时，大都处于最常见的非牛顿流体为假塑性流体搅拌高黏度假塑性流体时，大都处于层流区，此时常用锚式，螺带式搅拌器，其传热关联式为层流区，此时常用锚式，螺带式搅拌器，其传热关联式为NRen和NPr为采用非牛顿流体表观粘度所计算的搅拌雷诺数和普兰特数5.3.2 搅拌聚合釜工程分析与传热计算四、搅拌聚合釜总传热系数的计算讨论了搅拌聚合釜内侧传热膜系数i的计算方法，现介绍外侧（夹套侧）传热膜系数0的计算方法,Lehrer提出可按下式计算式中，D1是夹套内径，D2为夹套外径5.3.2 搅拌聚合釜工程分析与传热计算若冷却水的入口接管安装在容器下部，出口管干装在容器的上部时，雷诺数NRe用式计算：u0是入口接管处的流速，当夹套侧冷却水流量为W，接管内径为di，则u0为：5.3.2 搅拌聚合釜工程分析与传热计算当接管沿径向方向安装时，见图6-8，uA取夹套内的上升速度，即当接管按切线方向安装时，见图6-9，uA取夹套间隙速度，即:5.3.2 搅拌聚合釜工程分析与传热计算夹套内设置螺旋挡板时，其传热膜系数夹套内设置螺旋挡板时，其传热膜系数0由式计算由式计算: : 式中，式中，DeDe为螺槽的当量直径，为螺槽的当量直径，R Rj j为夹套的曲率半径，为夹套的曲率半径，R Rj j=D=D1 1/2+( D/2+( D2 2- D- D1 1)/4;)/4;为冷却水在螺为冷却水在螺槽中的流速。槽中的流速。 5.3.3 5.3.3 搅拌聚合釜的热稳定性搅拌聚合釜的热稳定性搅拌聚合釜的热稳定性搅拌聚合釜的热稳定性原因：按定常态操作条件设计反应器时，只考虑了反应器在稳定操作时的性能，而没有考虑反应器从非定常态过度到定常态的过程。实际上，反应器操作时温度、浓度、流量、传热等参数难以做到一成不变，当这些参数发生偏离定常态条件的变化时，即受到扰动后，反应器的操作状态有两种变化的可能：1）扰动撤消后不能回复到原先的状态，而变到另一种操作状态；热不稳定2）扰动撤消后回复到原先的定常状态。热稳定1.热稳定性和参数灵敏性热稳定性和参数灵敏性以上二者虽然都是热平衡，但一个是稳定的，一个是不稳定的；可见，平衡不等于稳定。平衡有两种，稳定的平衡和不稳定的平衡。参数的灵敏性：各有关参数（V，T，T冷等）有微小的变动，对反应器的温度（或反应结果）有多大的变化。如：参数的灵敏性过高，导致控制的精度过高，使反应器的操作十分困难。连续流动反应器操作稳定性问题，类似于一个物体的力学稳定性反应器的热稳定性问题在工业生产上具有重要性，但这类问题一般比较复杂，荷兰的VanHeerden建立全混釜内一级反应的热稳定性模型，将做介绍，其余情况反应器的热稳定性问题，考虑的思路与此相仿。蝴蝶效应2.全混流搅拌反应器的多态全混流搅拌反应器的多态3. 以一级不可逆放热反应为例以一级不可逆放热反应为例QR为放热速率，为放热速率，QC为移热速率为移热速率To为进料温度为进料温度 ，TC为冷却温度为冷却温度T为反应温度为反应温度1.反应放热速率与温度的关系由阿累尼乌斯公式决定；反应放热速率与温度的关系由阿累尼乌斯公式决定；放热速率放热速率QR随温度的变化呈随温度的变化呈S形形曲线关系曲线关系 2.反应器内的移热速率与反应温度的关系，则反应器内的移热速率与反应温度的关系，则呈线性呈线性。反应器内的放热速率线和移热线可能出现不只一个交反应器内的放热速率线和移热线可能出现不只一个交点，即出现多个定常操作态，通常称此现象为反应器点，即出现多个定常操作态，通常称此现象为反应器的多重定常态。的多重定常态。定常态中有些具有抗外界干扰的能力定常态中有些具有抗外界干扰的能力之为稳定的之为稳定的定常态。定常态。不具有抗干扰能力的定常态不具有抗干扰能力的定常态不稳定的定常态。不稳定的定常态。全混流搅拌反应器全混流搅拌反应器要进行稳定操作，就必须同时满足物料平衡和热量平衡，放热速率与散热速率必须相等，即QR=QC，在QT图上，满足这一条件的状态必须是QRT和QCT两线的交点，前者是非线性的S型曲线，后者是直线，两线的交点可能不止一点，表示可能的热平衡操作状态点不止一个。例右图的a、b、c三点QRQCTabc右图中C点符合放热=散热速率的要求，如在C点操作，因扰动而使体系温度有一微量升高，T0，则操作温度向右移动，此时QC和QR值都增加，增量为QC和QR,QRQC，即反应放热量增加得比散热量快，因而，热量积累，使温度更加升高，造成新的不平衡，一直增加到b点温度才又达到平衡。QTabcQRQC同理，如在c点操作时，温度的微小下降都会使放热速度比散热速率下降得更快，使体系很快下滑到a点，可见c点是假稳定点QTabcQRQC右图中b点符合放热=散热速率的要求，如在b点操作，因扰动而使体系温度有一微量升高，T0，则操作温度向右移动，此时Qc和QR值都增加，增量为Qc和QR,QRQc，即反应放热量增加得比散热量慢，因而，体系温度趋于下降，如果扰动撤消，体系温度将下降，回复到b点的状态。反过来，在b点时如遇扰动而使温度下降，T0，则QRQC当反应体系温度降低时TQC综合上述两种情况可以知QR=QC这两条仅是全混搅拌釜热稳定性的必要条件，而不是充分条件