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1、第六章第六章传热与与传质本讲稿第一页，共二十七页传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递，传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递，传热是极为普遍的一种能量传递过程，化学工业与传热的关系传热是极为普遍的一种能量传递过程，化学工业与传热的关系尤为密切。尤为密切。传热在化工生产中的应用：传热在化工生产中的应用：1 1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。2 2、化工设备和管道的保温，以减少热损失。、化工设备和管道的保温，以减少热损失。3 3、生产中热能的合理利用，废热回收。、生产中热能的合理利用，废热回收。本讲稿第二页，共二十七页分
2、类：按连续性按与时间的关系间歇传热连续传热非稳态传热：传热速率常数，稳态传热：传热速率=常数，本讲稿第三页，共二十七页传热的基本方式传热的基本方式热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分，温度较高的部分传给温度较低的部分，或是温度较高的物或是温度较高的物体传给温度较低的物体。体传给温度较低的物体。根据传热机理的不同，传热的基根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种。本方式有热传导、对
3、流和辐射三种。本讲稿第四页，共二十七页第一节第一节聚合过程的传热问题聚合过程的传热问题 聚合反应通常是放热反应，而聚合物的分子量及其分布又对温度十分敏感，因此传热是控制聚合过程的重要问题。传热速率与放热速率相等，才能使聚合温度恒定。放热速率等于聚合速率与单体聚合热的乘积。本讲稿第五页，共二十七页聚合速率在聚合过程中通常是变化的，并受引发剂聚合速率在聚合过程中通常是变化的，并受引发剂种类、浓度及单体浓度的影响。大致有减速、匀种类、浓度及单体浓度的影响。大致有减速、匀速、加速三种类型，其转化率时间曲线有如图。速、加速三种类型，其转化率时间曲线有如图。本讲稿第六页，共二十七页(1)减速型：如离子型聚
4、合，缩聚反应，聚合速率随减速型：如离子型聚合，缩聚反应，聚合速率随单体浓度降低而降低单体浓度降低而降低(2)加速型：自由基聚合在高转化阶段出现凝胶效应，加速型：自由基聚合在高转化阶段出现凝胶效应，出现自动加速现象，聚合速率呈出现自动加速现象，聚合速率呈3型变化，放热是型变化，放热是不均匀的，最高放热速率可能是平均放热速率的不均匀的，最高放热速率可能是平均放热速率的23倍。常用放热不均匀系数只表示放热特性。倍。常用放热不均匀系数只表示放热特性。本讲稿第七页，共二十七页(3)匀速型：如果引发剂半衰期使用得当，则可达到匀速型：如果引发剂半衰期使用得当，则可达到匀速反应。例如采用复合引发剂使聚合速率趋
5、向匀速反应。例如采用复合引发剂使聚合速率趋向均一，也可逐渐或分批加入单体或催化剂使聚合均一，也可逐渐或分批加入单体或催化剂使聚合速率保持均衡。速率保持均衡。本讲稿第八页，共二十七页第二节第二节搅拌聚合釜的传热方式搅拌聚合釜的传热方式 本讲稿第九页，共二十七页 考虑搅拌聚合釜的传热方式，首先要从聚合反应过程的特点出发。聚合反应往往要求严格控制聚合温度、反应物料纯净不被污染、釜内常需处理高粘度易结垢的物料。因此，要求搅拌聚合釜传热装置的传热速率要高、结构简单、避免有易引起拉胶的粗腿表面及导致结垢的死角、易于清洗。传热方式常用间接传热。本讲稿第十页，共二十七页l传传热热装装置置有有夹夹套套、内内冷冷
6、件件、回回流流冷冷凝凝、体体外外循循环环冷却器等。冷却器等。本讲稿第十一页，共二十七页内冷件：在有衬里的聚合釜或釜壁采用导热性不良内冷件：在有衬里的聚合釜或釜壁采用导热性不良的材质制造时的材质制造时(例如搪瓷釜例如搪瓷釜)，因传热系数低不能仅，因传热系数低不能仅用夹套传热。大型聚合釜，由于单位体积的传热用夹套传热。大型聚合釜，由于单位体积的传热面积较小，仅仅采用夹套传热也是不够的。为此面积较小，仅仅采用夹套传热也是不够的。为此除安装夹套外，还需附加釜内传热装置。在釜内除安装夹套外，还需附加釜内传热装置。在釜内安装内冷件，如内冷管和内冷挡板最常使用。安装内冷件，如内冷管和内冷挡板最常使用。本讲稿
7、第十二页，共二十七页具体内容具体内容:回流冷凝器：当采用夹套及釜内传热装置还不回流冷凝器：当采用夹套及釜内传热装置还不能满足传热要求时，则可采用釜外传热方式。釜能满足传热要求时，则可采用釜外传热方式。釜外传热可以分为两种，外传热可以分为两种，一种是将釜内物料气相导一种是将釜内物料气相导出进行釜外循环热交换，另一种是液相导出进行出进行釜外循环热交换，另一种是液相导出进行釜外循环热交换。釜外循环热交换。本讲稿第十三页，共二十七页a.气气相相釜釜外外循循环环热热交交换换装装置置(回回流流冷冷凝凝器器)，是是以以蒸蒸汽汽冷冷凝凝方方式式传传热热，传传热热系系数数高高，传传热热面面积积不不受受容容积积限
8、限制制，这这是是它它的的优优点点。通通常常管管内内进进物物料料蒸蒸气气，管管外外通通冷冷却却介介质质，以以便便了了清清洗洗。回回流流冷冷凝凝器器的的结结构构也也应应避避免免死死角角、管管子子及及管管板板表表面面要要光光滑滑、管管子子不不可可伸伸出出管管板板、连连接接处处应应密密封封以以防防物物料料被被冷冷却却介介质质污污染染和和破破坏坏催催化化剂剂。用用于于聚聚合合釜釜时时，回回流流冷冷凝凝器器经经注注意意防防止止单单体体在在冷冷凝凝器器中中进进行行聚聚合合而而造造成成堵堵塞塞，不不使使用用易易挥挥发发的的催催化化剂剂或或引引发发剂剂以以防防止止带带入入冷冷凝凝器器。用用于于乳乳液液聚聚合合时
9、时，要要避避免免将将泡泡沫沫带带入入回回流流冷冷凝凝器器，为为此此在在反反应应器器上上部部应应留留有有足足够够的的空空间间，一一殷殷要要求留出求留出0.6m的直边高度。的直边高度。本讲稿第十四页，共二十七页本讲稿第十五页，共二十七页b.体外循环冷却器体外循环冷却器：部分反应物料由反应器中用：部分反应物料由反应器中用泵抽以，经外部冷却器冷却后再进入反应器。这泵抽以，经外部冷却器冷却后再进入反应器。这种液相外循热交换装置应用于聚合反应时，由于种液相外循热交换装置应用于聚合反应时，由于物料在换热器个温度下降物料在换热器个温度下降110左右，所以对要左右，所以对要求严格控制反应温度的一类聚合反应就不宜
10、采用。求严格控制反应温度的一类聚合反应就不宜采用。悬浮聚合易造成结块也不宜采用。对胶乳的剪切悬浮聚合易造成结块也不宜采用。对胶乳的剪切稳定性高的乳液聚合可以采用体外冷风但对于剪稳定性高的乳液聚合可以采用体外冷风但对于剪切敏感的胶乳体系应使用，因为循环泵里的剪切切敏感的胶乳体系应使用，因为循环泵里的剪切速率很大，容易破坏胶乳的稳定性。速率很大，容易破坏胶乳的稳定性。本讲稿第十六页，共二十七页第三节第三节搅拌聚合釜的传热计算搅拌聚合釜的传热计算搅拌聚合釜的传热计算与搅拌聚合釜的传热计算与般传热计算相同。般传热计算相同。传热速率同样取决于釜内流体与载热休的温度差，传热速率同样取决于釜内流体与载热休的
11、温度差，传热面积及总传热系数。故有传热面积及总传热系数。故有本讲稿第十七页，共二十七页提高总传热系数，增加传热面积和降低冷却水提高总传热系数，增加传热面积和降低冷却水温度以扩大温差可提高传热速率。釜大型化后，温度以扩大温差可提高传热速率。釜大型化后，单价体积的传热面积减小，降低水温须增加冷冻单价体积的传热面积减小，降低水温须增加冷冻的动力消耗，因此提高总传热系数足改善传热效的动力消耗，因此提高总传热系数足改善传热效果的最好办法。果的最好办法。本讲稿第十八页，共二十七页总传热系数的大小与釜内物料性质、搅拌条件，总传热系数的大小与釜内物料性质、搅拌条件，夹套内水流情况和水温，釜壁材质和粘捉物及水夹
12、套内水流情况和水温，釜壁材质和粘捉物及水垢的沉积有关。其定量关系可由下列热阻方程表垢的沉积有关。其定量关系可由下列热阻方程表示。示。i和和0分别代表釜的内、外壁传热膜系数；分别代表釜的内、外壁传热膜系数；/从为釜壁固体导热部分的总热阻，其中从为釜壁固体导热部分的总热阻，其中为厚度，为厚度，为导热系数，由碳钢层、不锈钢层、搪瓷层、粘为导热系数，由碳钢层、不锈钢层、搪瓷层、粘釜物和水垢几部分组成。釜物和水垢几部分组成。本讲稿第十九页，共二十七页通通过过热热阻阻分分机机可可以以找找出出主主要要热热阻阻所所在在，指指出出提提高高传热总系数的方向。传热总系数的方向。聚聚合合釜釜内内物物料料性性质质(尤尤
13、其其是是体体系系的的粘粘度度)初初搅搅拌拌条条件件如如搅搅拌拌桨桨叶叶形形式式、尺尺寸寸、流流动动形形态态、挡挡板板条条件件等等是是影影响响釜釜内内壁壁传传热热膜膜系系数数i的的主主要要因因素素。定定性性地地说说体体系系粘粘度度愈愈小小，搅搅拌拌效效果果愈愈好好，则则釜釜内内壁壁滞滞温温层层愈愈低低，热热阻阻就就愈愈小小故故传传热热膜膜系系数数i就就愈愈大大。因因此此降降低低体体系系粘粘度度和和改改善善搅搅拌拌效效果果是是提提高高i和和总总传传热热系系救救K值的重要途径。值的重要途径。本讲稿第二十页，共二十七页聚合釜以夹套冷却时，釜外壁传热膜系数聚合釜以夹套冷却时，釜外壁传热膜系数0的数值的数
14、值随玲却水的流况而定。如果冷却水处于自然对流随玲却水的流况而定。如果冷却水处于自然对流状态时，状态时，0约为约为500，总传热系数只能在，总传热系数只能在300350，当冷却水处于激烈流动状态时，物可达，当冷却水处于激烈流动状态时，物可达30005000，此时总传热系数提高到，此时总传热系数提高到400600。由此可。由此可见，夹套中冷却水流况且提高传热系数的重要途见，夹套中冷却水流况且提高传热系数的重要途径。例如在夹套内按装导流挡板或扰流喷咀，多径。例如在夹套内按装导流挡板或扰流喷咀，多点切向进水都是为促使冷却水能处于激烈流动状点切向进水都是为促使冷却水能处于激烈流动状态，提高传热膜系数态，
15、提高传热膜系数0所采取的措施。所采取的措施。本讲稿第二十一页，共二十七页固体的导热系数一般较小，尤其是聚合物垢层及固体的导热系数一般较小，尤其是聚合物垢层及水垢层的导热系数很小。所以从热阻水垢层的导热系数很小。所以从热阻/从的总从的总情况分析，对传热影响是很大的，情况分析，对传热影响是很大的，(/)-1一般在一般在400500左右，大大限制了聚合釜总传热系数的左右，大大限制了聚合釜总传热系数的提高。为了降低釜壁固体导热部分总热阻，应尽提高。为了降低釜壁固体导热部分总热阻，应尽可能采用导热系数较高的材质。可能采用导热系数较高的材质。本讲稿第二十二页，共二十七页均相液体的传热均相液体的传热 对对于
16、于低低粘粘度度均均相相液液体体在在搅搅拌拌荣荣中中的的传传热热计计算算已已有有大大量量研研究究，故故可可用用强强制制对对流流传传热热的的无无因因次次准准数数关联式表示关联式表示。本讲稿第二十三页，共二十七页湍流时，雷诺数的指数一般取湍流时，雷诺数的指数一般取b2/3，NPr的指数的指数c1/3，粘度比的指数，粘度比的指数m0.14。因此，各种搅拌。因此，各种搅拌釜传热方程的主要差别在常数釜传热方程的主要差别在常数值的不同。值的不同。值值包含了几何因素的影响，所以各搅拌釜传热方程包含了几何因素的影响，所以各搅拌釜传热方程只能在几何相似的条件下应用。只能在几何相似的条件下应用。本讲稿第二十四页，共
17、二十七页对于非标准型釜，几何尺寸的改变对传热关联式对于非标准型釜，几何尺寸的改变对传热关联式的影响密增加多项校正：的影响密增加多项校正：对于有挡板的搅拌釜，釜内不设置内冷蛇管时：对于有挡板的搅拌釜，釜内不设置内冷蛇管时：本讲稿第二十五页，共二十七页非均相体系的传热非均相体系的传热虽虽然然管管路路中中浆浆液液流流动动传传热热的的研研究究已已有有大大量量报报道道，但但对对于于搅搅拌拌牛牛顿顿型型浆浆液液的的报报道道却却很很少少。非非均均相相的的液液固固悬悬浮浮体体系系所所形形成成的的浆浆液液，当当固固体体颗颗粒粒体体积积分分率率小小于于1内内，固固体体颗颗粒粒对对于于传传热热影影响响很很小小，此此时可以应用均相体系的传热关联式进行传热计算。时可以应用均相体系的传热关联式进行传热计算。本讲稿第二十六页，共二十七页作业作业1.聚合速率在聚合过程中一般有三种类型，其中那些对反应控制比较有利？可采用那些措施2.传热装置有哪些类型？3.哪些反应不宜采用釜外循环热交换?为什么？4.试概括传热速率方程和总传热系数方程，讨论提高反应釜传热能力有效措施？5.实现聚合釜安全操作应采取哪些基本措施？P191本讲稿第二十七页，共二十七页