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1、第二章 聚合反应器第1页，共97页，编辑于2022年，星期三第2页，共97页，编辑于2022年，星期三主要内容：搅拌釜式反应器、管式反应器、卧式反应器等形式反应器的特点、结构、工作原理，及其在高分子合成工业中的应用。重点重点：釜式反应器、卧式反应器难点难点：设备选型第3页，共97页，编辑于2022年，星期三 第一节第一节 概述概述 一、聚合反应器作用一、聚合反应器作用 二、聚合反应器的型式及特点二、聚合反应器的型式及特点第4页，共97页，编辑于2022年，星期三一、聚合反应器的作用一、聚合反应器的作用n作用作用：满足聚合反应工艺及产品质量的要求。n聚合反应特点聚合反应特点：-聚合方法多样，反应
2、机理复杂；-随反应进行，体系粘度急剧上升,易粘壁等；-有的需要加热，有的放热激烈。n设计和选型依据设计和选型依据：充分考虑单体、聚合物、催 化剂的性质和状态性质和状态，聚合反应 机理机理，以及聚合过程中体系的 物性变化物性变化。第5页，共97页，编辑于2022年，星期三二、聚合反应器的型式及特点二、聚合反应器的型式及特点（一）（一）按按反应体系相态反应体系相态分类分类、均相反应器均相反应器、非均相反应器非均相反应器（二）（二）按按操作方式操作方式分类分类、间歇式（分批）间歇式（分批）、半连续式半连续式、连续式、连续式第6页，共97页，编辑于2022年，星期三（三）按（三）按反应器结构反应器结构
3、分类分类n 釜式反应器（搅拌釜式、系列釜式釜式反应器（搅拌釜式、系列釜式)n 管式（塔式）反应器管式（塔式）反应器n 特种反应器特种反应器 第7页，共97页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器第8页，共97页，编辑于2022年，星期三第9页，共97页，编辑于2022年，星期三第二节 搅拌釜式反应器 第10页，共97页，编辑于2022年，星期三一、釜体一、釜体包括：直立圆筒、上下封头、接管、法 兰、支座等n封头：上，平盖形、椭圆形、球形；下，椭圆形、球形、锥形 n材质：碳钢、不锈钢、复合钢板、或非金属材料（搪瓷、塑料、橡胶衬里）等，据物料特性物料特性选用第11页，
4、共97页，编辑于2022年，星期三n釜 盖 为 椭 圆 封 头、端 部 法 兰 式 结 构特点：开式结构、釜盖重量较轻，适用压力较低、容积较小的反应釜选用。第12页，共97页，编辑于2022年，星期三n釜 盖 为 平 盖、端 部 法 兰 式 结 构 特点：开式结构、结构紧凑、外形尺寸较小、釜盖重量较小、造价较高，适用于压力较高、容积小的反应釜选用。第13页，共97页，编辑于2022年，星期三n特点：开式结构、平盖及端部法兰尺寸较小，釜盖重量较轻用于必须采用平盖结构而容积又比较大的反应釜。第14页，共97页，编辑于2022年，星期三n闭式、留人孔式结构特点：闭式结构、无法兰、结构简单、造价较低，
5、适用容积大的反应釜。第15页，共97页，编辑于2022年，星期三二、搅拌装置的型式与选择二、搅拌装置的型式与选择n搅拌过程目的搅拌过程目的：使组分混合均匀，强化 传质传热。作用：使体系各部分均相混合成均质状态，增大分散相的有效接触面积，降低分散相周围液膜阻力，提高传质传热速度。机械能液体运动能第16页，共97页，编辑于2022年，星期三（一）搅拌器型式（一）搅拌器型式 按按桨叶构形桨叶构形分：分：1、桨式桨式n平叶桨式：桨面与运动方向垂直，低速 运转时，环向环向流动，转速提高 径向径向流增大。n折叶桨式：产生较大轴向轴向流动，利于搅 拌混合。第17页，共97页，编辑于2022年，星期三第18页
6、，共97页，编辑于2022年，星期三第19页，共97页，编辑于2022年，星期三第20页，共97页，编辑于2022年，星期三第21页，共97页，编辑于2022年，星期三2、锚式（框式）、锚式（框式）第22页，共97页，编辑于2022年，星期三第23页，共97页，编辑于2022年，星期三第24页，共97页，编辑于2022年，星期三第25页，共97页，编辑于2022年，星期三第26页，共97页，编辑于2022年，星期三第27页，共97页，编辑于2022年，星期三第28页，共97页，编辑于2022年，星期三第29页，共97页，编辑于2022年，星期三n低速运行，低剪切，但循环能力强，不易产生死区（浆
7、叶与釜壁隔隙小）。刮扫作用可防滞流防滞流层，利于传热，去除沉积物。高能耗高能耗。第30页，共97页，编辑于2022年，星期三3、推进式搅拌器（也称螺旋浆式）、推进式搅拌器（也称螺旋浆式）第31页，共97页，编辑于2022年，星期三第32页，共97页，编辑于2022年，星期三第33页，共97页，编辑于2022年，星期三第34页，共97页，编辑于2022年，星期三第35页，共97页，编辑于2022年，星期三第36页，共97页，编辑于2022年，星期三n结构简单，以整体铸造叶轮最常见，适于液休粘度较低，液量较大的搅拌，湍流。n需较小的搅拌功率通过高速旋转的桨叶获得较好的搅拌效果。（低剪切、强循环、高
8、速运行、低能耗低剪切、强循环、高速运行、低能耗）第37页，共97页，编辑于2022年，星期三4、涡轮式搅拌器（透平搅拌器）、涡轮式搅拌器（透平搅拌器）第38页，共97页，编辑于2022年，星期三第39页，共97页，编辑于2022年，星期三第40页，共97页，编辑于2022年，星期三n应用较广泛，能处理粘粘度度范范围围较较宽宽液体.剪切力较大，使液体微团分散很细，适适用用于于低低、中中等等粘粘度度液体的混合、液-液分散、液-固悬浮及促进良好的传热、传质或化学反应。n据桨叶叶片形状和位置，又有平直叶片弯曲叶片、倾斜叶片、圆盘平直叶片、圆盘弯叶、圆盘斜叶等。第41页，共97页，编辑于2022年，星期
9、三5、螺杆式搅拌器（螺轴式搅拌器）螺杆式搅拌器（螺轴式搅拌器）n当液体粘度大于10Pa.S时，常采用。将螺距一定的螺旋叶片固定在轴上，常增设离壁挡板或导流筒挡板或导流筒，以提高搅拌强度,造成一定循环流型。、螺带式搅拌器螺带式搅拌器n适用于粘度较高粘度较高场合（如达103Pa.S以上)具体构形有单螺带、双螺带、四螺带、螺杆/螺带式等第42页，共97页，编辑于2022年，星期三第43页，共97页，编辑于2022年，星期三第44页，共97页，编辑于2022年，星期三第45页，共97页，编辑于2022年，星期三第46页，共97页，编辑于2022年，星期三第47页，共97页，编辑于2022年，星期三第4
10、8页，共97页，编辑于2022年，星期三第49页，共97页，编辑于2022年，星期三（二）搅拌器的选型（二）搅拌器的选型考虑因素考虑因素：n 搅拌功率，保证物料充分混合，利 于 传热、传质；n 动力消耗问题；n 结构便于操作和 维修。第50页，共97页，编辑于2022年，星期三n1、以液体粘度和反应釜体积为依据以液体粘度和反应釜体积为依据第51页，共97页，编辑于2022年，星期三n2、以流动状态、搅拌目的为依据以流动状态、搅拌目的为依据第52页，共97页，编辑于2022年，星期三（三）搅拌附件（三）搅拌附件1、挡板、挡板n目的：目的：消除釜内液体的打漩现象n作用：作用：将切向流动转变为轴向和
11、径向流 动，增大被搅液体湍动程度，改 善搅拌效果。？锚式、框式安装需档板吗？第53页，共97页，编辑于2022年，星期三第54页，共97页，编辑于2022年，星期三、导流筒导流筒n目的：控制回流速度和方向以确定某一特定流型；n作用：使所有物料均可通过导流筒内强烈混合区，提高混合效率，减少短路机会。第55页，共97页，编辑于2022年，星期三（四）搅拌器的功率计算（四）搅拌器的功率计算n目目的的：衡量聚合釜的搅拌强度，为选用搅拌电动机和搅拌机械设计提供基本数据。n搅拌器功率包括：a)搅拌轴功率：搅拌轴功率：搅拌叶克服流体阻力消耗能量；b)搅搅拌拌轴轴封封消消耗耗能能量量：填料（10%15%轴功率
12、）、端面（2%轴功率）c)机械传动消耗的能量机械传动消耗的能量：机械传动效0.80.95第56页，共97页，编辑于2022年，星期三1、搅拌轴功率的关联式搅拌轴功率的关联式影响因素：n搅拌器形状、尺寸、转速搅拌器形状、尺寸、转速n液体性质液体性质n反应器尺寸和内部附件（挡板和其它）反应器尺寸和内部附件（挡板和其它）n搅拌器在反应器内位置搅拌器在反应器内位置。第57页，共97页，编辑于2022年，星期三第58页，共97页，编辑于2022年，星期三第59页，共97页，编辑于2022年，星期三第60页，共97页，编辑于2022年，星期三2、均相流体搅拌轴功率的计算、均相流体搅拌轴功率的计算拉什顿算图
13、拉什顿算图 拉什顿等人对各种推进式、涡轮式和桨式搅拌器在液体粘度（1*10-340）Pa.s以下，其雷诺数在106以下进行实验，测定功率并得到了功率因素和雷诺准数Re的算图第61页，共97页，编辑于2022年，星期三第62页，共97页，编辑于2022年，星期三n对液-液非均相体系，平均密度可用下式计算：3、非均相体系搅拌功率计算、非均相体系搅拌功率计算第63页，共97页，编辑于2022年，星期三第64页，共97页，编辑于2022年，星期三n对气对气-液相体系：液相体系：搅拌功率要比均相液体搅拌功率低n对液对液-固非均相体系：固非均相体系：搅拌功率计算值偏小？第65页，共97页，编辑于2022年
14、，星期三三、密封装置三、密封装置n目目的的：保证搅拌反应器内处于正正常常或或真真空空状状态态，防止反应器内物料逸出或大气杂质渗入，影响反应正常进行。（一）填料密封（一）填料密封1、结构及工作原理结构及工作原理n工作原理：工作原理：通过填料与搅拌轴之间的径向压力达到密封效果。第66页，共97页，编辑于2022年，星期三第67页，共97页，编辑于2022年，星期三、填料填料n要要求求：塑性、弹性,耐腐蚀、耐磨、耐温，与轴的磨擦系数小等。n选选用用原原则则：据反应器内的介质、操作压力、操作温度、搅拌轴转速等n较小正压（0.2Mpa）：无毒，不易燃、不易爆，石棉制品（石棉绳、油浸石棉盘根）安装时外涂工
15、业黄油。n压力较高或高真空和介质有毒、易燃、易爆，常用浸滞聚四氟乙烯填料；n高温高压下，常用金属填料（铅、铝、紫铜及不锈钢）第68页，共97页，编辑于2022年，星期三（二）机械密封（端面密封）（二）机械密封（端面密封）n1、结构及原理结构及原理第69页，共97页，编辑于2022年，星期三n（三）机械密封与填料密封比较（三）机械密封与填料密封比较第70页，共97页，编辑于2022年，星期三四、传动装置四、传动装置n图示：电机、减速器、联轴器、机座等第71页，共97页，编辑于2022年，星期三n电动机功率计算：第72页，共97页，编辑于2022年，星期三五、传热装置五、传热装置n目目的的：依聚合
16、反应放热或吸热特点，严格控制反应温度，使恒定或严格按温度曲线进行。n要要求求：传热效率高、结构简单、避免易挂料的粗糙表面及结垢死角，易清洗。n方法：方法：间接第73页，共97页，编辑于2022年，星期三1、夹套夹套n特点：结构简单，安全可靠，应用广泛;但处理高粘度物料时，传热系数不高，能量损失大。第74页，共97页，编辑于2022年，星期三第75页，共97页，编辑于2022年，星期三第76页，共97页，编辑于2022年，星期三Q=KFtnK：提高釜壁光滑度，合理选搅拌器，及时清洗；提高介质薄膜给热系数，如安装螺旋导流板，提高介质流速。nF：投资费用。nt：能量消耗。第77页，共97页，编辑于2
17、022年，星期三2、釜内传热件釜内传热件n当釜较大或釜体材质导热性不良时，增设传热挡板，蛇形管（D70mm)等3、釜外传热釜外传热n（1）釜内产生气体导出至釜外回流冷凝器，冷凝液体返回；如醋酸乙烯溶液聚合。n（2）釜内液相导出，釜外循环传热；部分物料泵抽出，冷却返回；如丙烯溶液。第78页，共97页，编辑于2022年，星期三六、其他型式的搅拌反应器六、其他型式的搅拌反应器1、卧式、卧式第79页，共97页，编辑于2022年，星期三2、底部传动、偏心式、底部传动、偏心式第80页，共97页，编辑于2022年，星期三新型搅拌釜式反应器瑞士LIST公司最新开发成功的新型反应器 第81页，共97页，编辑于2
18、022年，星期三第82页，共97页，编辑于2022年，星期三第83页，共97页，编辑于2022年，星期三第二节管式反应器第二节管式反应器 一、管式反应器的工作原理一、管式反应器的工作原理n原理原理：物料在流动中完成化学反应。随着物料 移动，浓度逐渐降低，反应速率逐渐减少。n特点特点：1、稳态操作2、连续操作且兼具间歇特点，可控制时间，可分段调控，利于大型化、连续化生产。3、结构简单，单位体积传热面积大，适于高 温高压的聚合反应器。第84页，共97页，编辑于2022年，星期三二、管式反应器的结构二、管式反应器的结构、管体管体、挡液板挡液板n目的目的：使物料流动状态尽量接近平推流 使物料在管内流速
19、趋于一致。、加热装置、加热装置第85页，共97页，编辑于2022年，星期三第86页，共97页，编辑于2022年，星期三第87页，共97页，编辑于2022年，星期三第88页，共97页，编辑于2022年，星期三第三节卧式反应器第三节卧式反应器 一、卧式反应器的工作原理一、卧式反应器的工作原理n工工作作原原理理：采用回转圆盘等特殊装置，使反应物料尽可能展开，尽量除去体系内生成的小分子，以满足反应不同阶段的不同要求，达到预定的聚合度。第89页，共97页，编辑于2022年，星期三第90页，共97页，编辑于2022年，星期三二、卧式反应器结构二、卧式反应器结构第91页，共97页，编辑于2022年，星期三第
20、92页，共97页，编辑于2022年，星期三出料装置出料装置（1）位差及压差将物料排除：物料粘度不大、真空度不高时。（2）螺杆排料：体系中物料粘度大、真空度高时。n控制料位目的控制料位目的：上下波动影响反应时间 n控制方法控制方法：控制出料量。第93页，共97页，编辑于2022年，星期三第94页，共97页，编辑于2022年，星期三传动及密封装置传动及密封装置n传动：电动机-磨擦式变速器-摆线行星减速器-链轮搅拌轴n转速范围：428r/minn密封：传动端：1级：聚四氟乙烯石棉方绳；2级：氟橡胶O形圈；3级：聚四氟乙烯V形环n非传动端：二级密封？高低的影响第95页，共97页，编辑于2022年，星期三第96页，共97页，编辑于2022年，星期三思考题：1、以聚酯为例说明聚合反应需要哪些条件？对照说明搅拌釜式反应器应具备哪几部分的结构，需发挥怎样的作用。2、搅拌器的类型及其特点？如何选型？3、搅拌轴功率计算公式中相关概念4、高分子材料加工性能中相关概念5、安装搅拌附件的作用6、两种密封装置的密封原理7、间歇式和连续式聚合反应器的特点8、挡液板的形状和作用9、回转圆盘的作用第97页，共97页，编辑于2022年，星期三