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 反應釜是“心臟”。n聚合反應釜：單體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反應釜效率（傳熱、攪拌）操作有關。n反應釜放大后，大小反應釜間的等物理過程的變化（熱量、質(zhì)量傳遞及流體流動狀況）n速度分布、溫度分布、濃度分布及停留時間分布的差異n反應的結(jié)果n成功放大的標志是：大小反應釜中的反應結(jié)果一致或近似 。n放大方法：n數(shù)模放大:通過動力學研究和模型，確定反應條件等對反應速率、產(chǎn)品質(zhì)量和收率的關系，并建立數(shù)學模型（動力學模型數(shù)學模型（動力學模型）傳遞過程模傳遞過程模型型來描述。設定過程參數(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、溫度分布和停留時間分布均與模型反應釜相同，反應結(jié)果相同。n四個分布相互間呈復雜的制約關系。使四個分布在大小釜中完全相同很難。n放大時，要根據(jù)反應體系的特殊性，找出其中對反應結(jié)果影響最大的參數(shù)及其適應范圍，并以此作為放大準則。n工業(yè)釜要求：反應速率、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攪拌釜的傳熱關聯(lián)式為：n式中：L為與傳熱面有關的代表性尺寸。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上式可化簡為：n 大小釜中，幾何尺寸間有比例關系，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，因為PN3，這種放大法不經(jīng)濟。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.動力相似放大NRe相等，222121NDND212221DDNN則rrN1rr放大倍數(shù)較大時，要求

5、小釜轉(zhuǎn)數(shù)大，一般不用。放大倍數(shù)較大時，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，放大時，a下降較前者小下降較前者小保持適當轉(zhuǎn)數(shù)比，可保證保持適當轉(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力相似，則應保

7、持上式中的三個準數(shù)相等，即nNP1= NP2nNRe1 = NRe2nNFr1 =NFr2n但對同種物料同時保持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按混合時間數(shù)相等進行放大。即2211NtNtNbbM混合時間內(nèi)槳葉回轉(zhuǎn)數(shù)混合時間Nttbbn對均相液體間的混合，放大時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間，則應使二釜的轉(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，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 一定時，以PVr-b作圖，可得圖71。可以看出，b值對放大后的功率消耗影響甚大。rb值PVrn在b0.75時，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，用幾個小釜代替大釜更有利。n當 b0.75時， 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b=0.75時，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)果直接進行放大。rrrn相關的：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相關的：1)-b45(11/44/14/3PrrrrrrrrvNr表73列出 2, b=2/3時，按幾何相似放大時，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，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，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)：幾何相似動力相似誤區(qū)：幾何相似動力相似釋：幾何相似條件下若釋：幾何相似條件下若Re和和Fr都相等，則動力相似。然而，都相等，則動力相似。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同時相等。同時相等。單位體積傳熱面積的下降，反應器內(nèi)熱傳單位體積傳熱面積的下降，反應器內(nèi)熱傳導距離增加導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質(zhì)是，在明確

12、放大準則的基礎上，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)能滿足放大準則的要求。即令工業(yè)釜和模試釜之間對過程結(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)果是指反應速率、反應速率、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）四個變量。（非均相）四個變量。n若工業(yè)反應器中每個反應單元的溫度、濃度、傳若工業(yè)反應器中每個反應單元的溫度、濃度、傳質(zhì)和所受剪切率與小試或中試一樣，工業(yè)反應器質(zhì)和所受剪切率與小試或中試一樣，工業(yè)反應器的過程結(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聚合釜的設計提供數(shù)據(jù)，在內(nèi)徑為0.4M，體積為80L的試驗釜中進行冷模試驗，試驗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。試驗釜中也按幾何相似安裝四支D型擋板。試驗釜中以水作攪拌介質(zhì)，不同截流的槳葉進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 湍流時攪拌水時的功率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)果與假設一致為湍流。n循環(huán)次數(shù)Nc522Re108.600565. 0260671090NDN1 -323qcCC7min. 67220.670.99 . 0VNDNVQNn因設計要求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時的轉(zhuǎn)速應為: 32PVWP55P3Wm/37KW. 180109VPP109KW912 . 12P. 1P91KW26070100076. 1DNNPn由計算可知，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 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DT=0.48n D2=4x0.48 =1.92mn冷釜實驗可知：n槳葉改變后相關值：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)而同時又不使消耗功率過大，通常應采用 較小為宜。qdpNN第七章 攪拌聚合釜的放大第五節(jié) 放大準則的確定n 一、按幾何相似理論確定放大準則n對于幾何相似體系，可在數(shù)個幾何相似但容積不同的攪拌釜中進行試驗。求出在每個釜中能獲得合格產(chǎn)品的轉(zhuǎn)速。由此確定轉(zhuǎn)速N和槳徑D間的關系。此法是依幾何相似來進行放大，放大準則最終歸結(jié)為N與D間的比例關系。n二、非幾何相似理論確定放大準則n并不追求幾何相似，而僅要求工業(yè)釜中的一個或幾個主要混合參數(shù)與模試釜相似。所以使用非幾何相似理論來確定放大準則時，需詳細分析各混合參數(shù)對