第七章攪拌聚合釜放大

1、第七章 攪拌聚合釜的放大 第一節(jié) 概述n 反應(yīng)釜是“心臟”。n聚合反應(yīng)釜：?jiǎn)误w變成聚合物聚合物的主次性能如聚合度及其分布共聚物組成和序列分布大分子結(jié)構(gòu)顆粒結(jié)構(gòu)等n反應(yīng)釜效率（傳熱、攪拌）操作有關(guān)。n反應(yīng)釜放大后，大小反應(yīng)釜間的等物理過程的變化（熱量、質(zhì)量傳遞及流體流動(dòng)狀況）n速度分布、溫度分布、濃度分布及停留時(shí)間分布的差異n反應(yīng)的結(jié)果n成功放大的標(biāo)志是：大小反應(yīng)釜中的反應(yīng)結(jié)果一致或近似 。n放大方法：n數(shù)模放大:通過動(dòng)力學(xué)研究和模型，確定反應(yīng)條件等對(duì)反應(yīng)速率、產(chǎn)品質(zhì)量和收率的關(guān)系，并建立數(shù)學(xué)模型（動(dòng)力學(xué)模型數(shù)學(xué)模型（動(dòng)力學(xué)模型）傳遞過程模傳遞過程模型型來描述。設(shè)定過程參數(shù)，以得滿意的產(chǎn)品質(zhì)量、

2、收率、和產(chǎn)量的最佳條件最佳條件。n聚合反應(yīng)不用數(shù)模放大法。數(shù)模放大相似放大n相似放大相似放大：在配方不變的前提下，保證速度分布、濃度分布、溫度分布和停留時(shí)間分布均與模型反應(yīng)釜相同，反應(yīng)結(jié)果相同。n四個(gè)分布相互間呈復(fù)雜的制約關(guān)系。使四個(gè)分布在大小釜中完全相同很難。n放大時(shí)，要根據(jù)反應(yīng)體系的特殊性，找出其中對(duì)反應(yīng)結(jié)果影響最大的參數(shù)及其適應(yīng)范圍，并以此作為放大準(zhǔn)則。n工業(yè)釜要求：反應(yīng)速率、產(chǎn)品質(zhì)量和收率相同或基本相同 。第七章 攪拌聚合釜的放大第二節(jié) 攪拌聚合釜的傳熱放大n攪拌釜的傳熱關(guān)聯(lián)式為：n式中：L為與傳熱面有關(guān)的代表性尺寸。n若釜的幾何尺寸相似則：mwcbNNLNu)()()(PrRemwc

3、PbCND)()()(2mwcPbmwcPbCNDCNDLL)()()()()()(2222222222211111111211222111n若二釜物料相同，則21212121wwPPCC、bNDNDLL)(2221211221相同n上式可化簡(jiǎn)為：n 大小釜中，幾何尺寸間有比例關(guān)系，令 L/D=S,則：n式中：ND是攪拌漿的葉端速度。令 ND=Vn令12122112221211221)()()(bbbDDNDNDNDNDSDSD1212121)()(bbDDvv1212121)()(bbvvrrrrNNNvvv1212122,1n 線性放大比。n例：B=0.5， =2（即幾何尺寸放大一倍）若葉

4、端速度相等 ：121brbrbrbrrNvr7-67-6 放大后對(duì)傳熱的影響。r115 . 015 . 01704. 0704. 021brbrrv若葉端速度為小釜兩倍：n但要使葉端速度增加一倍，攪拌功率P要增加很多，因?yàn)镻N3，這種放大法不經(jīng)濟(jì)。n傳熱下降是必然！n單位體積所具有的傳熱面也降低 ！n增加附加傳熱面。115 . 015 . 01122brbrrvn傳熱放大方法：動(dòng)力相似放大葉端速度相等放大；給熱系數(shù)相等放大；單位體積攪拌功相等放大；單位體積傳熱速率相等放大；總傳熱系數(shù)相等放大。1.動(dòng)力相似放大NRe相等，222121NDND212221DDNN則rrN1rr放大倍數(shù)較大時(shí)，要求

5、小釜轉(zhuǎn)數(shù)大，一般不用。放大倍數(shù)較大時(shí)，要求小釜轉(zhuǎn)數(shù)大，一般不用。n2.葉端速度相等放大n3.給熱系數(shù)相等放大brrrv111bbrrbrbrbrbrbrrNN2111211放大時(shí)，放大時(shí)，a下降較前者小下降較前者小保持適當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)比，可保證保持適當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)比，可保證a不下降，不下降，常用常用n4.單位體積攪拌功相等放大)134()32(2131223221312232315131132523221232167/brrrrPPvvvvNDNDNDNDNDDNNDDNNppNPpp）帶入（常用！常用！n5.平均單位傳熱速率相等放大n6.總傳熱系數(shù)相等n條件：放大釜壁的熱阻比較小，可以忽略 。大小釜幾何形狀

6、相似，葉端速度，傳熱溫度相等。srrK1nS取不同值。見書P198。n不同放大的情況見表7-1。不推薦！推薦！Pv相等 ND相等 NRe相等相等30.8850.2950.6930.2310.3330.11110.3350.8360.1670.5850.1170.20.0410.25100.7740.0770.4640.0460.10.0110.1rrrVQ)/(rrrrVQ)/(rVQ)/(rVQ)/(表7-1例題P198例下降過多節(jié)能第七章 攪拌聚合釜的放大第三節(jié) 攪拌聚合釜的攪拌放大n攪拌釜的功率準(zhǔn)數(shù)NPnNP=f(NRe ，NFr )n在幾何相似的系統(tǒng)中，為保持二釜的攪拌動(dòng)力相似，則應(yīng)保

7、持上式中的三個(gè)準(zhǔn)數(shù)相等，即nNP1= NP2nNRe1 = NRe2nNFr1 =NFr2n但對(duì)同種物料同時(shí)保持NRe、NFr 不變不可能見nNP1= NP2 不變 N2= 0.707N1 nNRe1 = NRe2 N2= 0.25N1 n按不同體系采用不同的放大方法。n 1均相液體間的混合n按混合時(shí)間數(shù)相等進(jìn)行放大。即2211NtNtNbbM混合時(shí)間內(nèi)槳葉回轉(zhuǎn)數(shù)混合時(shí)間Nttbbn對(duì)均相液體間的混合，放大時(shí)只須保持大小釜的回轉(zhuǎn)總數(shù)相等即可。n若要保持大小釜相同的混和時(shí)間，則應(yīng)使二釜的轉(zhuǎn)速相等21NN n 2以傳熱為主攪拌釜的放大n(1) 采用葉端速度相等放大1V2321312232rV253

8、5131523212r1rP19-7PP19-71rrrrrrrrrrNDNDNNDNDNpppN帶入帶入上式）（n用葉端速度相等放時(shí)，各參數(shù)的放大式為: 1)-(b1V21rPP1rrrrrrrrNn(2)采用傳熱PV相等放大535131523212r)32(rrrrNDNDNppPN代入將3rrP得rrNr葉端速率放大為：rrrrNNr)32(代入將3/1rr得n相關(guān)的：1)-b34(V33/13/21PPrrrrrrrrvNn(3)采用傳熱相等放大535131523212r21rrbbrrNDNDNppPN代入將bbrrP3得23Vr)21(rrbbrrNPN代入將b4b-3VrrP得n

9、當(dāng) 一定時(shí)，以PVr-b作圖，可得圖71?？梢钥闯?，b值對(duì)放大后的功率消耗影響甚大。rb值PVrn在b0.75時(shí)，PVr1，表明釜的單位體積輸入功要比小釜大；n 越大，PVr增加越多，用幾個(gè)小釜代替大釜更有利。n當(dāng) b0.75時(shí)， PVr1，放大后，大釜Pv比小釜小，且隨 增加，Pv降低越多，若能保證其他參數(shù)以 越大越好。n當(dāng)b=0.75時(shí)，Pvr=1，表明放大后，大小釜的Pv相等。這在任何放大倍數(shù)下，用同樣的Pv可在大小釜中得到相等的a?？砂葱≡嚨慕Y(jié)果直接進(jìn)行放大。rrrn相關(guān)的：1PP4b)/b-(3Vb)/b-(3/ )21(/ )1(rrrrrrbbrrbbvNn(4)固體懸浮體系可按

10、懸浮程度放大n相關(guān)的：1)-b45(11/44/14/3PrrrrrrrrvNr表73列出 2, b=2/3時(shí)，按幾何相似放大時(shí)，各參數(shù)的變化情況 ：按Pv相等放大及懸浮程度相等放大時(shí)，a下降不多，須增添的傳熱面較少，而顆粒的形態(tài)有保證。 按ND相等放大及按懸浮程度相等放大時(shí)，a下降多，須增添的傳熱面多，但功率消耗少。 按a 相等放大功率消耗最多。 n不同體系可根據(jù)表7-4選擇。放大方法適用情況放大方法適用情況N相等可溶液體混合，氣液混合PV相等液-液分散氣-液分散固-液懸浮ND相等流速敏感、剪切敏感懸浮程度相等固-液懸浮第七章 攪拌聚合釜的放大第四節(jié) 非幾何相似放大幾何相似放大的幾何相似放大

11、的缺陷缺陷：誤區(qū)：幾何相似動(dòng)力相似誤區(qū)：幾何相似動(dòng)力相似釋：幾何相似條件下若釋：幾何相似條件下若Re和和Fr都相等，則動(dòng)力相似。然而，都相等，則動(dòng)力相似。然而，Re = d2 N / h h ，F(xiàn)r = d N2 /g，除非除非(h/h/)2/(h/h/)1=(D2/D1)3/2，否則不可能，否則不可能Re和和Fr同時(shí)相等。同時(shí)相等。單位體積傳熱面積的下降，反應(yīng)器內(nèi)熱傳單位體積傳熱面積的下降，反應(yīng)器內(nèi)熱傳導(dǎo)距離增加導(dǎo)距離增加單位體積傳質(zhì)界面的減少（脫揮？），傳單位體積傳質(zhì)界面的減少（脫揮？），傳質(zhì)路徑增加質(zhì)路徑增加僅單一特征混合參數(shù)的相同僅單一特征混合參數(shù)的相同n非幾何相似放大的實(shí)質(zhì)是，在明確

12、放大準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，通過改變漿型、釜中內(nèi)部構(gòu)件、槳葉幾何尺寸等手段，使工業(yè)釜的操作狀態(tài)能滿足放大準(zhǔn)則的要求。即令工業(yè)釜和模試釜之間對(duì)過程結(jié)果有決定影響的混合參數(shù)相一致。n過程結(jié)果是指過程結(jié)果是指反應(yīng)速率、反應(yīng)速率、收率、收率、產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)品質(zhì)量（分子量、顆粒形態(tài)等）。（分子量、顆粒形態(tài)等）。n影響過程結(jié)果的因素有影響過程結(jié)果的因素有溫度、濃度、傳質(zhì)和剪切溫度、濃度、傳質(zhì)和剪切率率（非均相）四個(gè)變量。（非均相）四個(gè)變量。n若工業(yè)反應(yīng)器中每個(gè)反應(yīng)單元的溫度、濃度、傳若工業(yè)反應(yīng)器中每個(gè)反應(yīng)單元的溫度、濃度、傳質(zhì)和所受剪切率與小試或中試一樣，工業(yè)反應(yīng)器質(zhì)和所受剪切率與小試或中試一樣，工業(yè)反應(yīng)器的過程結(jié)果必

13、然與小試或中試相近，放大問題就的過程結(jié)果必然與小試或中試相近，放大問題就解決了。解決了。n例：為了給80m3PVC聚合釜的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)，在內(nèi)徑為0.4M，體積為80L的試驗(yàn)釜中進(jìn)行冷模試驗(yàn)，試驗(yàn)釜與大型釜幾何相似。攪拌槳葉采用單層三葉后掠式，上翹角a為15，后掠角為50 。槳葉靠近釜底安裝。大型釜中為了增加傳熱面用四支D型擋板，內(nèi)通冷卻水。試驗(yàn)釜中也按幾何相似安裝四支D型擋板。試驗(yàn)釜中以水作攪拌介質(zhì)，不同截流的槳葉進(jìn)行研究得到下表所示的結(jié)果。攪拌形式NpNp/NqdNqdNqc平板三葉后掠1.762.90.610.9扁圓三葉后掠1.272.10.6050.89 1)(16. 012DTNNqd

14、qc設(shè)Pv=1.2KW/M3循環(huán)次數(shù)Nc7次/min,求大釜N,P,PvPpoly=1.2Pwater,裝料系數(shù)0.9，密度1090kg/M3粘度5.65x10-3n(解)n1確定線性放大比 312123/ 13/ 11272m0.9802m4 . 05 . 010DD4m4 . 010TT101000V100008. 080裝料量：槳徑：大釜直徑：rrrrrVVVn2.大釜傳熱系數(shù)Ncn 湍流時(shí)攪拌水時(shí)的功率Pw為：n三葉平板：Np=1.7680KW2 . 12 . 1802 . 1PVPV2w67r/min1000276. 1100080DNPN1000,DNNP3535Pw53Pw取n核

15、核大釜中NRe，取聚合液密度為1090kgm3n結(jié)果與假設(shè)一致為湍流。n循環(huán)次數(shù)Nc522Re108.600565. 0260671090NDN1 -323qcCC7min. 67220.670.99 . 0VNDNVQNn因設(shè)計(jì)要求Nc7所以要提高循環(huán)次數(shù)n(1) 槳葉形狀及尺寸不變，提高轉(zhuǎn)速。 min/70r29 . 0772DNVNN33qcCNc=7時(shí)的轉(zhuǎn)速應(yīng)為: 32PVWP55P3Wm/37KW. 180109VPP109KW912 . 12P. 1P91KW26070100076. 1DNNPn由計(jì)算可知，轉(zhuǎn)速只從67rmin增至70rmin，而攪拌功率P卻從 96kw增至 10

16、9kw。n所以 N稍有改變對(duì) P的影響就很大。n( 2)仍采用平板型槳葉，縮小槳徑增加轉(zhuǎn)速。n 設(shè)DT=0.48n D2=4x0.48 =1.92mn冷釜實(shí)驗(yàn)可知：n槳葉改變后相關(guān)值：637. 0)0.500.48(61. 0N84. 1)0.500.48(76. 1N1 . 1qd1 . 1p4 . 01 . 1qd9 . 01 . 1p)Tb()TD(N)Tb()TD(N9 . 2NNqdpn循環(huán)7次的轉(zhuǎn)數(shù)98. 0 1)92. 14(16. 01637. 0 1)(16. 0122DTNNqdqc6KW.8692. 16073100084. 1DNNP55P3Wmin/72.4r92.

17、198. 0772DNVNN33qcC32PVWPm/3KW. 180104VPP104KW6 .862 . 12P. 1P656. 0)0.10.12(61. 0N07. 2)0.10.12(76. 1N4 . 0qd9 . 0pn (3)增加槳寬 b來提高循環(huán)次數(shù)n 設(shè)b/T=0.12 D2=2m16. 3NNqdpn循環(huán)7次的轉(zhuǎn)數(shù)971. 0 1)24(16. 01665. 0 1)(16. 0122DTNNqdqc2KW.8426065100007. 2DNNP55P3Wmin/64.8r2971. 0772DNVNN33qcC32PVWPm/26KW. 180101VPP101KW2

18、 .842 . 12P. 1P75r/min1000227. 1100080DNPN3535Pwn (4)改變槳型1 -33qcc41min. 77275289. 0VNDNNn四種方案結(jié)果見表：p208n從減少能耗角度看，以方案4最好（扁圓截面的槳葉。n考慮制造方便，方案2、3也可采用。n在大型釜中為了增大循環(huán)而同時(shí)又不使消耗功率過大，通常應(yīng)采用 較小為宜。qdpNN第七章 攪拌聚合釜的放大第五節(jié) 放大準(zhǔn)則的確定n 一、按幾何相似理論確定放大準(zhǔn)則n對(duì)于幾何相似體系，可在數(shù)個(gè)幾何相似但容積不同的攪拌釜中進(jìn)行試驗(yàn)。求出在每個(gè)釜中能獲得合格產(chǎn)品的轉(zhuǎn)速。由此確定轉(zhuǎn)速N和槳徑D間的關(guān)系。此法是依幾何相似來進(jìn)行放大，放大準(zhǔn)則最終歸結(jié)為N與D間的比例關(guān)系。n二、非幾何相似理論確定放大準(zhǔn)則n并不追求幾何相似，而僅要求工業(yè)釜中的一個(gè)或幾個(gè)主要混合參數(shù)與模試釜相似。所以使用非幾何相似理論來確定放大準(zhǔn)則時(shí)，需詳細(xì)分析各混合參數(shù)對(duì)