聚合反应工程第七讲解析

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1、聚合反应工程基础 第七讲 高分子学院 吴锦荣 * 知识回顾 v分子量及分子量分布对聚合物粘度和临界剪切速 率有何影响？ v如何通过改变分子量分布及分子结构提高成型加 工性？ v温度对在Tg附近和Tg+100C以上的粘度有何 影响？ v雷诺数的定义和量纲是什么，根据雷诺数大小， 如何划分流体流型？ v圆管中流体稳态流动时如何对流体微元做力平衡 计算？ * 知识回顾 v剪切应应力和剪切速率随着管径变变化如何变变化？ v圆圆管中，流体平均流速如何计计算 v牛顿顿流体在圆圆管中速度分布曲线线是何形状 v幂幂律流体在圆圆管中速度分布曲线线的形状如何随指 数n变变化而变变化？ v同样样外界条件和反应应机理

2、下进进行聚合，假塑性流 体和牛顿顿流体的分子量分布，哪个更宽宽？ v幂幂律指数n对对流体输输送压压差有何影响？ * 非牛顿流体在圆管中湍流流动 湍流：流体运动极不规则，各部分 相互剧烈掺混，流体质点的迹线杂 乱无章，流场极不确定 u湍流时圆管内速度分布曲线偏离抛物线 ，曲线顶部区域比较平坦，速度分布与层 流相比要均匀得多。 uRe数值越大，曲线顶部的区域就越广阔 平坦，但靠管壁处的速度骤然下降，曲线 较陡。 u即使湍流时，管壁处的流体速度也等于0 ，而且靠近管壁的流体仍作层流流动。 湍流时的速度分布湍流时的速度分布 湍流 层流 * 1 2 速度分布有两个区域： 中心(较平坦); 近管壁(速度梯

3、度很大); u壁=0. 3 近管壁有层流底层； 4 中间为湍流区； 5 u越大，层流底层越薄； 湍流 层流 非牛顿流体在圆管中湍流流动 湍流时的速度分布湍流时的速度分布 * 与流向垂直的脉动速度使得流体产生涡流粘性。 湍流流体内部产生的剪应力等于分子粘性（层流 粘性）产生的剪应力1和涡流产生的剪应力e之和， 即 流体作湍流流动时的剪应力流体作湍流流动时的剪应力 非牛顿流体在圆管中湍流流动 * 层流 流动 湍流 流动 图2-29 一般流动曲线 流体作湍流流动时的剪应力流体作湍流流动时的剪应力 非牛顿流体在圆管中湍流流动 随着湍流的 出现，管壁 剪切应力急 剧增加。 * 湍流时的压力降湍流时的压力

4、降 冯卡门冯卡门 (Von-(Von-KarmanKarman) )方程方程 非牛顿流体在圆管中湍流流动 非牛顿流体在光滑圆管中湍流流动时 用试差法计算摩擦系数f n=1，牛顿流体的Von-Karman方程 * 非牛顿流体在圆管中湍流流动 f是非牛顿流体雷诺数NRe（n）的 函数。 当NRe（n）超过2100后，层流向湍 流过渡。 非牛顿流体的过渡区一般较宽， n值越小，过渡区越宽。 f与NRe（n）和n近似成直线关系 a和b是n的函数。 湍流时的压力降湍流时的压力降 冯卡门冯卡门 (Von-(Von-KarmanKarman) )方程方程 * 非牛顿流体流变性的测量 落球粘度计 旋转锥板/平

5、板粘度计 旋转圆筒粘度计 毛细管挤出流变仪 * VISCO BALL落球黏度计 产地：西班牙 1. Hoeppler 黏度计 落球黏度计落球黏度计 非牛顿流体流变性的测量 * 原理原理：半径为：半径为d d，密度，密度 为为 的圆球，在黏度的圆球，在黏度 为为 ，密度为，密度为 的的 无限延伸的液体中运动无限延伸的液体中运动 时，测量小球下降距离时，测量小球下降距离S S 所需时间所需时间t t。 应用：测低切变速率下零切黏度 落球黏度计落球黏度计 非牛顿流体流变性的测量 * 测量小球下降时间，以Stokes方程计算黏度值： Stokes黏度： Faxen 修正式： 如果所用圆管和圆球的尺寸一

6、定，并固定下降距离S： K0为仪器常数，用于已知粘度的液体进行标定。 剪切速率： v为小球下降速率，在试验范围内 剪切速率在0.1S-1左右 测定的黏度接近于零剪切粘度,常用于测定黏度较 高的牛顿或非牛顿流体。 落球黏度计落球黏度计 非牛顿流体流变性的测量 * 结构：同一轴线上的圆锥和 圆板，圆板固定不动，圆锥以一 定的角速度旋转，被测液体在 圆锥与圆板的缝隙中受到剪切作 用。圆锥角设计要小，一般要求 使 使流体中的剪 切速率一致。 通过圆锥的旋转角速度 计算剪切速率 ，通过测得的扭 矩 M 来计算剪切应力 旋转锥板黏度计(一) r0 d r dr 旋转锥板黏度计测量原理旋转锥板黏度计测量原理

7、 非牛顿流体流变性的测量 * 注意：剪切速率与圆板上的位置r无关。 即圆板上任何部位流体的剪切速率和剪切 应力均为一常数，因此，特别方便于非牛 顿流体流变数据的处理。 旋转锥板黏度计测量原理旋转锥板黏度计测量原理 r0 d r dr 旋转锥板黏度计(一) 圆板上距圆板中心距离为r该点的线速率为 ，在该点的试样厚度为 ， 因此在该点的剪切速率为： 非牛顿流体流变性的测量 剪切速率的计算 *旋转锥板黏度计(二) 旋转锥板黏度计测定原理旋转锥板黏度计测定原理 非牛顿流体流变性的测量 剪切应力的计算 * 旋转锥板黏度计测定原理旋转锥板黏度计测定原理 非牛顿流体流变性的测量 * 以上是根据小锥角和牛顿流

8、体推导所得，但只 要锥角很小，对非牛顿流体也同样适用。 优点： u能在较宽剪切速率和剪切应力范围内测量，被 测试样中气泡易于排除，测量试样需要量小,仅需 样品 0.1ml。 u试样可测量粘度范围为宽，剪切应力范围为宽 ，剪切速率为宽。 旋转锥板黏度计适用范围旋转锥板黏度计适用范围 非牛顿流体流变性的测量 * 结构：两个圆筒，内筒静止不 动，外筒以一定速度旋转(或外筒 静止，内筒旋转)，内外圆筒的环 形缝隙中充填被测液体，由于外 筒的旋转产生扭矩，使液体受到 剪切作用并传递到内筒上，使内 筒也扭转一个小角度。由外筒的 旋转角速度来计算 ，由内筒 产生的扭矩M计算，但 和 与 在缝隙中的位置有关。

9、 旋转圆筒黏度计旋转圆筒黏度计 非牛顿流体流变性的测量 * 旋转圆筒黏度计旋转圆筒黏度计 非牛顿流体流变性的测量 * 旋转圆筒黏度计旋转圆筒黏度计 非牛顿流体流变性的测量 测定某一角速度下的扭矩M，就可计算内筒壁处的剪切应力 及剪切速率 * 主要部件：直径为D，长度为L的毛细管. 将被测液体于一定压力下，在毛细管中挤 出，测量其流量Q和压差P。 P作为剪切应力的尺度 Q作为剪切速率的尺度 对牛顿流体，挤出流变仪中的压力加倍， 流动速率也加倍，所以Q-P 曲线为一直 线。 毛细管挤出流变仪毛细管挤出流变仪 非牛顿流体流变性的测量 * 管壁处的剪切应力为： 非牛顿流体流变性的测量 毛细管挤出流变仪

10、毛细管挤出流变仪 管壁处的剪切速率 牛顿流体： 幂律流体： 非牛顿流体流变性的测量 * 毛细管挤出流变仪毛细管挤出流变仪 非牛顿流体流变性的测量 上述推导都是假定毛细管是无限长的情况，实际应用时毛细管的长度是 有限的，此时需作“入口校正”。实验结果表明，当毛细管的长径比 40时，测量结果可不作校正。 * 最常用的流变仪最常用的流变仪 非牛顿流体流变性的测量 * 第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合 * * 本章主要内容本章主要内容 (Chapter Outline)(Chapter Outline) u搅拌聚合釜的基本概念，搅拌釜的结构及搅拌器 的作用 u搅拌器的设计步骤，方法： 均相聚合“混

11、合和搅动”类型聚合釜搅拌 器的设计 非均相聚合“分散和悬浮”类型聚合釜搅 拌器的设计 聚合反应工程聚合反应工程 * 搅拌聚合釜设计的一般步骤： v 分析和理解搅拌器的作用. v 针对具体聚合过程正确选择搅拌器的型式. v 搅拌过程是一个流体动力过程，理论基础是流体动力学. v 论述搅拌器的尺寸、转速和功率的设计方法. v 在此基础上进一步着重讨论不同聚合方法对搅拌过程提出 的要求，使在设计搅拌聚合釜时具有一定的理论分析基础. 本章重点及难点本章重点及难点 (Focus and emphasis)(Focus and emphasis) 聚合反应工程聚合反应工程 * 第一节 概述 * 第一节 概

12、述 * 装有搅拌器的釜式反应器（搅拌釜） * 第一节 概述 装有搅拌器的釜式反应器（搅拌釜） * 第一节 概述 LC Series Stirred LC Series Stirred Reaction VesselsReaction Vessels * 装有搅拌器的装置： 聚合釜，原料配制槽，加料罐，凝聚罐，桨料沉析槽，贮槽等 第一节 概述 * 第一节 概述 混合系使两种或多种互溶或不互溶液体按工艺要求混合均匀。 搅拌系使物料强烈地流动，以提高传热、传质速率 悬浮系使小固体颗粒在液体中均匀悬浮，以达到加速溶解、强化浸取 、促进液-固相反应、防止沉降等目的。 分散则使气体、液体在流体中充分分散成

13、细小的气泡或液滴、增加相 接触表面，以促进传质或化学反应，并满足聚合物对粒度的要求。 机械搅拌是解决混合问题的重要装置。 搅拌兼有混合、搅动、悬浮、分散等多种功能。 为满足上述要求，搅拌反应器应具有下述作用。 (1)推动液体流动，混匀物料。 (2)产生剪切力，分散物料，并使之悬浮。 (3)增加流体的湍动，以提高传热速率。 (4)加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率。 (5)在高粘体系，可以更新表固，促使低分子物蒸出。 * 搅拌器兼有多种功能和作用 例如，在苯乙烯悬浮聚合过程 中：混合、剪切分散、悬浮、提 高传热系数等 第一节 概述 * 均相体系: 使物料搅动以提 高传热和传质速率，并使物料

14、 混合均匀. 非均相: 还要求“分散相” 被剪切分散在“连续相”中能 保持稳定的均匀分布 各种生产过程对搅拌釜的不同要求: n 混合和搅动作用， n 使固体或液滴在液体中保持悬浮状态。 FC Series Stirred Reaction Vessels 第一节 概述 * 第一节 概述 为满足各种生产过程对搅拌不同的要求，搅拌器应具 有一定的几何和技术特性： 搅拌桨叶的型式、尺寸、转速、功率消耗以及挡板等 搅拌和流动研究：经 验，计算，模拟 * 机械搅拌装置机械搅拌装置 搅拌器是搅拌装置的 核心部件，由它将机 械能传递给液体。 搅拌器作用类似于泵 的叶轮，通常搅拌器 又称之为叶轮，由浆 叶,轴

15、组成。 第一节 概述 搅拌方式：机械搅拌、气流 搅拌、射流搅拌、静态混合 、管道混合等。 * 第二节 搅拌釜内流体的流动状况 流体的流动状况，简称流况，可以定义为“ 在整个搅拌容器中流体速度向量的方向”。 宏观状况（宏观流动） 微观状况（微观流动） 流体的流动与许多因素有关如 搅拌方式，搅拌器的几何型式、尺寸、安装位置 釜体和釜内构件(挡板、导流简)的几何型式、尺寸、安装位置 操作条件(转速) 所处理物料的物性等。 搅拌的各种作用 依靠流体的流动实现 * 第二节 搅拌釜内流体的流动状况 一、宏观流动（循环流动） 宏观流动是指流体以大尺寸(凝集流体、气泡、液滴)在 大范围(整个釜内空间)中的流动状况，所以也称循环流 动。包括径向流动，轴向流动，切线流动 * 第二节 搅拌釜内流体的流动状况 * 第二节 搅拌釜内流体的流动状况 * 第二节 搅拌釜内流体的流动状况 ！轴向流动及径向流动对混合有利 ，能起混合搅动及悬浮作用，而切线