第三章聚合反应工程预案.ppt

第三章 聚合反应工程 第一节 概述 一、聚合反应工程的产生 目前，聚合产物的世界年产量已经超过金属类（按体积计），成为最重要的材料品种之一，在多方面都有出色表现 ，同时在开发新型替代能源方面，在节约资源、能源和保护生态环境方面发挥着不可替代的作用 聚合反应工程的产生 由于聚合物生产规模的大型化和自动化, 以及品种、性能和用途的多样化和功能化, 在实际生产中面临的问题单凭一门学科难 以解决,聚合反应工程这门学科便应运而生 二、聚合反应工程 聚合反应工程是化学反应工程的一个分支, 从 解决一般的技术问题到聚合反应器的设计、放大, 聚合过程的开发到工程分析,优化工艺条件的确定 和操作设计,聚合反应器的动态特性和操作稳定性, 聚合过程优化以及包括聚合反应在内的全过程的 系统工程. 研究对象 以工业规模的聚合反应器为研究对象 研究基础 以聚合动力学和聚合物系的传递为基础 聚合反应工程的特色 聚合反应是低分子量的单体转化为高分子量的聚合物的过程，存在多种反应机理、物系组成和聚合产物的类别。对于各个类型的体系又都有其本身的物理和化学特性，需采用不同的聚合方法。 例如： 游离基的枷锁反应和分子间逐步缩合反应有截然不同的规律； 乳液聚合与本体聚合由于其本质上差异，着眼点和处理方法大不相同 聚合总是包含多步的复杂反应，除原料单体转化率外还要考虑聚合产物平均分子量及分子量分布，以至产物分子结构与排列等，在有多种单体进行聚合时，情况就更复杂 随着聚合过程进行中物料分子量增加，粘度亦急剧上升，有的是非牛顿流体或多相流体，因此在物料流动、搅拌、混合等方面产生了一系列新问题 聚合物一般是导热不良的物体，其传热能力随聚合度提高而降低，另一方面反应速率较快，均为较强的放热反应，而聚合物分子量对温度十分敏感，温度上升会导致分子量急剧降低。因此需解决好放热与散热的关系 三、形成与发展 聚合反应工程学科的形成与发展 在1944年和1947年K·G.Denbjgh发表了关于连续搅拌反应器中稳态自由基聚合的二篇论文，它们被公认为是聚合反应工程的经典论文，至今还显示出作者深远的洞察力。 六十年代初期，高分子聚合物产品显著的发展，但公开发表的论文却很少，理论研究落后于生产的发展。同时凝胶渗透色谱技术和电子计算机技术以及臻于完善的化学反应工程学科理论为聚合反应工程发展提供了研究的工具和研究的方法，促进了学科迅速发展。 1970年第一届国际化学反应工程讨论会上聚合反应动力学和聚合反应器的设计被列为一个独立的专题。 1977年W·H·Ray和R·L·Laurence在权威性的、综述性的专著《化学反应器理论》一书中，撰写了“聚合反应工程”一章，概括了六十年代以来聚合反应工程研究领域中的一些主要成果，提出了这一学科领域的主要研究内容。 1983年J·A·Biesenberger和D.M.sebastian出版了《聚合工程原理》一书，全面系统地论述了聚合反应工程领域的基础，这标志着这一学科正趋于成熟阶段。 四、研究内容 1.动力学 聚合反应动力学以定量的方法预测反应速度和聚合物产品的性能表征值(如分子量、共聚组成、支化度、等规度等及其分布状况) 转化率—时间数据：重量法是标准测定法 自由基聚合动力学参数：自由基聚合由链引 发、增长、终止、转移基元反应组成。它主要指低转化阶段的链增长速率系数Kp和终止速率系数Kt 2.传质、传热及温度效应 传质：聚合物流体一般为层流，传质不强。尤、 其在粘度高的情况下，传质可能成为整个速率 控制因素 传热及温度效应：携热控温问题是聚合技术方 案的优劣及反应器设计成败的关键，其原因前 面已经提及 操作特性：聚合反应器的操作特性与聚合动力学、粘度、反应器种类、停留时间分布、混合状况和聚集度等多种因素有关 反应器的选择性：反应器设计的一个重要目标是要优化聚合选择性,即达到预定控制目标。聚合物分子结构和性能不仅决定于聚合机理,还受浓度梯度、温度梯度、进料情况、停留时间分布等反应工程参数的影响。 反应器的稳定性和安全性 五、研究方法 动力学研究要做到以下几点 1宜在等温装置中进行 2一般可用分批式操作 3尽可能消除扩散阻力以求取本征反应速率 4多数动力学研究都是在低转化率范围内进行以免出现更多反应造成机理上的复杂和数据处理上的困难 5动力学研究结果最好用方程式的形式表达出来，而不应满足于数据表或曲线形式 研究方法 冷模试验是了解装置内传递过程的最重要而又经济的手段，研究中要做到 1冷模尺寸要足够大并模拟工业装置的结构 2要注重研究流动模式及混合情况 3使用传热探头，也可以进行传热系数及传热性能方面的测定 4为缩小冷态和热态的差异，