第六章 搅拌聚合釜的传热与传质1

第六章 搅拌聚合釜的传热 与传质第一节 聚合过程的传质问题v聚合反应通常是放热反应v聚合物的分子量及其分布对温度十分敏感v聚合温度恒定的条件 传热速率 放热速率v放热速率 =聚合速率 X单体聚合热。常见单体的聚合热见表 6-1。 (P177) v 聚合速率是变化的，通常有三种类型：v (1)减速型 :如聚缩反应 ,其聚合速率随单体浓度降低而降低 .v (2)加速型 :聚合速率呈 s型变化，放热不均匀，最高放热速率是平均放热速率的 -倍防热不均匀系数 Qmax/Qeq=1.8-2.67 ABIN v 或 1.2-1.4 IPPv ( )匀速型：可采用逐渐或分批加入单体或催化剂使聚合速率保持平衡1 2时间转化率n 控制配方与操作方法可控制传热，但对高粘度体系不可忽略搅拌热。n 此外最大传热速率可能不再反应阶段。n 高粘体系注意刮壁作用设计。第二节 搅拌聚合釜的传热方式v 传热装置 :夹套 ,内冷件 ,回流冷凝 ,体外循环冷却器等 .v(1)夹套 :最常用 .结构简单 ,但传热系数不高 .v 改进办法：提高夹套内传热介质的湍动v 增加搅拌釜的总传热系数v (如在夹套内安装导流板或扰流喷嘴 )1.空心夹套3.螺旋导流板夹套2.喷咀4.半管夹套5.内部夹套 NEW!n (2)内冷件 :当釜壁材质导热不良 , 需附加釜内加内冷件 ,如内冷管和内冷挡板 .n 传热效率较高n 不适宜易结垢体系常用内冷管v (3)回流冷凝器 :当以上两者传热均达不到要求时 ,可采用釜外传热。 将釜内物料气相导出进行釜外循环 将液相导出进行釜外热循环交换冷水冷水泵冷水冷水气相液相v (4)体外循环冷凝器 :部分反应物料由反应器中用泵抽出 ,经外部冷凝器冷却后再进入反应器 .v 还满足不了要求时，加容积及冷料降温。如顺丁胶多釜聚合。 u 注意事项 (1)在容易结垢的聚合过程中 ,因为易结垢 ,且不易清洗 ,所以釜聚合内不宜采用蛇管或管束冷却 .乳液聚合速率很快 ,常在釜内设置大量束管 ,帮助散热 . (2)回流冷凝器要注意防止单体在冷凝器中进行聚合而造成堵塞 ,不使用易挥发的催化剂或引发剂以防止带入冷凝器 .用于乳液聚合时 ,要避免将泡沫带入回流冷凝器 .v (3)经外部冷却后 ,由于物料在换热器中温度下降 5-10 ,所以对要求严格控制反应温度的一类聚合反应就不宜采用 .v 由于循环泵里剪切速率较大 ,对于剪切敏感的胶乳体系慎用 .第三节 搅拌聚合釜的传热计算v 传热速率 流体与载热体的温度差 ,传热面积及总的传热系数 .v Q=KA(ti-t0) v Q传热速率，v A传热面积v K总传热系数v t i过程流体的温度v t0载热体温度 .v 提高总的传热系数是改善传热效果的最好办法 .v 1/K=1/i+1/0+ / v 式中 :i 釜内壁 传热 系数，v 0釜外壁 传热 系数v / 釜壁固体 导热 部分的 总热 阻v 厚度 v 导热 系数一、均相液体的传热v 对于低粘度均相液体在搅拌釜中的传热一般用强制对流传热的无因次准数关系： u=a ( N Re )b (N pr )c( b / w )mv 或 L/ =a ( N D2/ ） b(Cp / )c( b / w )m式中： 被搅拌液体对壁面的传热系数；定性长度，对夹套釜取釜径；为搅拌桨叶直径；搅拌器转速； 导热系数 Cp 恒压热容， 密度， b黏度 w 为壁温下流体的粘体黏度v 湍流时 , 取 b=2/3， c=1/3, m=0.14v 搅拌釜不同， a值不同并限于指定标准釜。v 标准几何尺寸釜为： T:D=3； H:T桨叶离低高度与桨叶直径比为v 对于非标准型釜，传热关联式需要加以校正 如永田的关于推进式搅拌器：T/=0.33NRe2/3 NPr1/3 (b /w )0.14 (D /T ) -0.25 (C /T )0.15 如永田的关于桨式涡轮式搅拌器：T/=1.4NRe2/3 NPr1/3 Vis0.14 (D /T ) -0.3 (bi /T )0.45np (Ci /iHT )0.2np（ sin )0.5 (H /T ) -0.5 i桨 叶安装部位 ,bi Ci 为 i部位 桨 叶叶 宽 与离底 线 高度，Vis =b /w np 叶片数及其倾角 分析发表的传热关联式，可以得到以下几点结论： （）使用涡轮桨液时的传热系数比其它桨形约高； （）带夹套的无挡板釜中的传热系数约为内装蛇管容器的； （）涡轮桨叶位置靠近釜中心比靠近底部的传热系数效果好； （）在低雷诺数时，挡板对传热系数影响较小，当 NRe1000时，有挡板釜的传热系数比无挡板时增加约； （）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n 还有其他的传热方程如（ 6-7） -（ 6-16）n 对高粘度体特表示粘温依赖性大的体系已增加传热面强化传热效果最佳。方法是 釜内置内冷件 桨叶制成中空内冷搅拌器二 非均匀相体系的传热n 固体颗粒体积分率小于 1%非均匀相液 -固悬浮体系，可用均相体系的传热关联式进行传热计算。 n Frantisak 先生对装有四块挡板及推进式搅拌器的夹套搅拌釜进行研究，通过对 363个牛顿型浆液测量值的线性回归分析得到：式中： C Pd分散相的恒压热容； C Pc连续相的恒压热容；d、 c 为分散相和连续相的密度； d 为分散相的体积分率。三非牛顿流体的传热v 假塑性流体大都处于层流区，常采用锚式，螺带式搅拌器，传热关联式如下：v 锚式：v 螺 带 式 (0.1 N R en N R e c)n 对 含有 细 固体粒子的 宾汉 流体 ,其 传热 关 联 式： 涡轮 ： 锚 式：四 搅拌聚合釜总传热系数v 以上讨论的是 i的计算，现介绍 0计算：v Lehrer 先生提出公式：v De 是夹套当量直径，用下式计算：v D2 夹套外径 D1 夹套内径v 若冷却水入口安在下部，出口安在上部 则 N Ren 为 ：v N Ren De / (u0 u A)0.5 v u0 入口接管处流速。v 当夹套冷却量为 W，接管内径为 di，v 其中 u0 4W/( d i ) v 当接管按径向安装 v u A 4W/ （ D22 D 12) v 当接管按切向安装 （更好）v u A W/ H j（ D2D 1) v H j 夹套高度v 加套有挡板或喷嘴时，要修正（ 6-38） -（ 6-41）入口出口第四节 搅拌釜内的传质过程n 釜内分散体系的传播有的仅是物理过程 , 有的伴随化学过程。n 如果化学过程的速率大于物理的扩散过程 ,则扩散过程的速率将对传质的总速率起控制作用 ,就有必要如何提高扩散过程的速率 .n 提高搅拌强度可增大传质膜系数 ,增加传质速率。n 当传质面积一定时 , 搅拌程度与传质膜数无关。一、分散体系的传质膜系数v 传质过程与传热过程有相似的速率方程式v N=KL a (Cs-CL)式中： N为单位体积的传质速率，KL 为传质膜系数，a 为单位体积的界面积，CL为在液相中的浓度。Cs为与固相表面相接触的流体的浓度v 传热的推动力是温度差，传质的推动力是浓度差。v 传质问题可以像传热问题一样处理，先定义两个无因次准数。v (1)扩散努塞尔准数N u=N s h=KLD/DABv (2)扩散普兰德准数N sc=/DAB式中： DAB为 物料 A对 物料 B的 扩 散系数，为 粘度， 为 密度 ，D为搅拌器直径。v 搅拌釜内液 -液相传质过程：v 用总容积传质系数 KV来表示传质性能 .v1/KV=1/kd+1/(m k c)式中： KV 为总容积传质系数，Kd为分散相传质膜系数，Kc为连续相传质膜系数， m 为两相溶质的平衡常数v Kd b Dd/dpi 式中： Dd是分散相分子 扩 散系数 , dpi 为 液滴 i的粒径，b为 常数。v 当液滴内无循 环 流 b 6.58,有循 环 流 b17.9。 v 搅 拌釜大多在湍流状 态 下操作， k c影响作用比 kd，其公式如下：v 固体粒子在液相中的传质膜系数 K与搅拌装置的结构形式和液体的性质，釜内流体的流动状况等因素有关，典型的准数方程：v KT/DAB=A N R e r N sc sv 式中：为搅拌釜直径，v 为固液相间传质膜系数v 系数和指数 r， s值随不同操作条件和设备尺寸而异，由实验测定。vBaker对六叶平直涡轮的挡板釜（ N R e （3 10-3 3 10） ）得到：v KT/DAB=0.052 (ND2/)0.883(/ DAB)0.5vCalderbank研究得到：v K=0.13Pv1/4Nsc-2/3(c/c2)1/4二、伴有相间传质的聚合反应v 伴有相间传质的聚合反应与低分子化学反应类似 .v 气 -液相聚合