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1、State Key Lab. of Polymer Reaction EngineeringCollege of Materials Science & Chemical Eng.Zhejiang University, Hangzhou 310027, P. R. ChinaTel: 0571-87951307, Email: ,搅拌反应器放大设计 我的理解,冯连芳 教授 浙江大学材料与化学工程学院 聚合反应工程国家重点实验室,2,搅拌反应器构成：,3,常用的搅拌器：,4,1.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!,常用的夹套：,5,常用的挡板：,6,常用
2、的内冷管：,7,带刮壁机构的导流筒,8,锥螺带 (VCR),前进式(AR),最大叶片式,泛能式,叶片组合式,扭格子式,EKATO同轴,多臂行星式,真空乳化釜,新型立式搅拌,9,LIAS-AP 瑞士LIST全相型,BIVOLAK (住友重机全相型),(三菱重工),HVR,SCR,新型卧式搅拌,砂磨机,CONTERNA (德国连续 捏和机),10,搅拌反应器设计的基础,搅拌器的选型原则？ 搅拌反应器的放大准则？,11,搅拌器的分类选型,注:有者为合用，表元中空白者为不详或不合用。,12,低粘度,高粘度,104,103,102,10,1,10-1,10-2,10-3,粘度(Pas),常见物质的粘度,
3、水：约1mPas 低粘乳液：约数 mPas 重油：约数十 mPas 润滑油：约 0.1Pas 蜂蜜：约 1 Pas 涂料：约数 Pas 油墨：约数十 Pas 牙膏：约 50 Pas 口香糖：约 100 Pas 嵌缝胶：约 千 Pas 塑料熔体：近万Pas 橡胶混合物：近万Pas,搅拌器的粘度选型,13,搅拌釜几何相似放大法,几何相似放大法其实只回答一个问题：在直径为D1的中试槽中，当转速为N1时能获满意结果；则在直径为D2的工业槽中，转速N2为多少时能重复中试槽的结果？ 几何相似法可归结为：(N2/N1)(D2/D1) -b，故求取b 值是几何相似放大的核心。,14,常用的几何相似放大准则,着
4、眼的过程 放大过程中需保持恒等的量（准则）,15,问题的提出：,反应器选型与设计强烈依赖经验和实验，对其的优劣很难用理论预测。 逐级放大来以达到搅拌设备被要求的传质、传热和混合，周期长、耗费大。,16,问题的提出：,几何相似放大的缺陷： 误区：几何相似动力相似 释：几何相似条件下若Re和Fr都相等，则动力相似。然而，Re = d2 N r / h ，Fr = d N2 /g，除非(h/r)2/(h/r)1=(D2/D1)3/2，否则不可能Re和Fr同时相等。 单位体积传热面积的下降，反应器内热传导距离增加 单位体积传质界面的减少（脱挥？），传质路径增加 仅单一特征混合参数的相同,17,几何相似
5、放大准则举例,取不同的放大准则可使过程能耗相差很大，必须予以重视。 保持QdV 恒定（即翻转次数恒定）的放大法是最耗能的放大法。而保持Re恒定，一般不能重现过程结果。 实用的放大法是保持Pv恒定或Nd恒定，或取二者之间。,18,反应器传热能力变化(湍流),使用上表的三种放大准则时，随槽径增大，单位体积传热量QV均以较大幅度下降。 以N3d2或Nd恒定放大时，二者的QV相差无几，所以若搅拌槽中仅进行传热过程时，可采用省能的使Nd恒等的放大法。,19,反应器放大设计的突破？,20,搅拌反应器放大的根本目标,反应器放大就是在小试或中试工艺研究基础上，运用化学工程原理进行工业规模反应器设计的技术。其要
6、求是在工业反应器中重现小试或中试的过程结果。 过程结果是指反应速率、收率、产品质量（分子量、颗粒形态等）。,21,反应器放大基本准则,影响过程结果的因素有温度、浓度、传质和剪切率（非均相）四个变量。 若工业反应器中每个反应单元的温度、浓度、传质和所受剪切率与小试或中试一样，工业反应器的过程结果必然与小试或中试相近，放大问题就解决了。,22,“放大问题”的转移,如何实现温度、浓度、传质和剪切的相同？,过程结果： 速率、收率、质量,过程状态： 温度、浓度、传质、剪切,影响,23,搅拌反应器放大的实现策略,不同规模反应器中温度、浓度、传质和剪切率的完全相同实际上是不可能的！ 放大技术的主要手法就是千
7、方百计使工业反应器中的温度、浓度、传质和剪切率这四者的平均值及其分布与中试反应器相近。 许多场合并非要求工业反应器中重现中试反应器的所有过程结果，有些反应也并不对上述四个量都敏感，放大设计就有可能简化。,24,对策1：非几何相似放大,几何相似放大法通常仅适合于简单的物理过程，对于聚合反应这样的复杂过程无能为力。 几何相似仅是简化放大计算的手段，反应器放大设计完全没有必要被几何相似所制约。 反应器非几何相似放大的实质使工业反应器中尽可能多的混合参数与中试相同，从而能使工业中更好地重复中试的过程结果。,25,非几何相似放大法,明确所着手的反应中那些是必须重现的过程结果。通过一定规模的中试（至少几十
8、升），掌握影响主要过程结果的主要变量。 明确关键混合参数。对于某个特定的反应过程，并非在放大时需要大槽与小槽的全部混合参数相同。 常用的混合参数：单位体积搅拌功率PV、桨端线速度Ut、整体流速UA、循环次数NC、翻转次数NT、单位体积传热面FU、雷诺数Re,26,非几何相似放大法,不是在放大过程中简单地要求某个混合参数（如PV、Nd等）恒等便能解决放大问题。 有时要求一个混合参数的某个幂值恒等 可能同时还要求另一个混合参数需大于某个临界值 有时还可能要有第三和第四个需同时满足的条件 更复杂的情况是随反应的进行物料的物性发生变化，这时放大准则也要相应改变。如在聚合初期与聚合后期可能需要不同的搅拌
9、转速。 进一步，反应器放大时可采用一切物理的和化学的手段，必要时可在一定范围内改变配方。,27,Chemical Engineering杂志在1976年发表,例1：整体流速法（低粘均相）,28,对于均相混合搅拌槽，用整体流速的设计法可以看作最简单的非几何相似放大法。该法适用于不同尺寸、不同搅拌器（低粘）。 按上表，若要达到6级混合强度，只要整体流速达到0.183m/s便可。可以使用A310叶轮，也可使用45折叶涡轮，甚至可使用标准盘式涡轮，当然使用不同叶轮其能耗有很大差别。,非几何相似放大整体流速法,29,例2：氯乙烯悬浮聚合反应器放大,放大准则： 液液分散，颗粒大小与形态PV=11.2 kW
10、/m3 聚合物分子量（全槽温差小于0.2）循环次数NC大于每分钟7次 反应器高空时产率有足够的传热能力（内夹套）复合引发剂，均匀放热,30,搅拌器选型,底伸式三叶后掠式叶轮（液液分散、颗粒分布、大型化、内构件简化）。在开发80m3釜前国内没有使用三叶后掠式桨生产PVC的装置。 对釜的长径比、桨径/槽径比、叶片宽/槽径比、叶片截面形状对NP、NC的影响，以及夹套和内冷管的传热作了系统的研究。,31,PV=Np r n3 d 5 /V NC=Nqc N d 3 / V,混合参数的冷模研究,NP (d/D )-1.1(b/D )0.9 Nqd (d/D )-1.1(b/D )0.4 Nqc = Nq
11、d 1+0.16(D/d )2-1,32,符合PVC悬浮聚合反应器放大准则的方案,实际采用第2方案，一次试车成功。,放大方案的实施,33,国产30m3,国产80m3,日本信越127m3,工业级PVC聚合釜,34,美国Goodrich70m3,德国Huls200m3,日本神钢泛技术75m3,工业级PVC聚合釜,35,日本往友重机的二种新PVC反应器(90m3以上),NEW！,内夹套： KA40,新搅拌： KA20,36,对策2：混合设备智能设计？,设计空间大 应用体系、搅拌设备、操作条件和物性的多样性 设计数据缺乏 文献中数据和公式杂乱分散且不系统，适用范围窄 对设计者要求较高 涉及化工、机械和
12、混合技术等多方面知识 人工实现复杂耗时且易出错 设计理论不健全 与塔器等过程设备相比，无完善设计理论 需要领域专家凭借丰富的经验进行设计,37,实现方法：决策分析规则实例,预选型,过程设计,知识的采集、表示和处理,混合设备的智能化设计,混合设备设计的问题,38,对策3：CFD辅助设计,Where is CFD used? Aerospace Appliances Automotive Biomedical Chemical Processing HVAC&R Hydraulics Marine Oil & Gas Power Generation Sports,F18 Store Separa
13、tion,Computational Fluid Dynamics,39,CFD模拟（流场）,6PTU-6DT d/D=0.45 150rpm,40,CFD模拟（混合）,T0s T=7s T=40s T=92s T=118s,41,CFD模拟（气含率分布）,6PTU-6DT d/D=0.45 250rpm Q=10m3/h,42,CFD模拟（ LDPE 聚合）,43,终结：设备放大过程放大,？,如何有效利用反应机理模型,44,宏观尺度 Macroscale,介观尺度 Mesoscale,微观尺度 Microscale,反应器特性 CFD,颗粒 界面,反应机理 动力学,过程尺度 Process,
14、全局优化 ASPEN,1. 问题的提出,化学反应过程的多尺度,45,过程放大基础（数学模型与模拟）,热力学基础数据； 化学反应动力学模型； 非理想化学反应器模型； 模拟计算的软件平台： Fluent （反应器CFD模拟） ASPEN Plus （流程模拟）,46,结论：反应器放大和优化,几何相似放大 （机械约束）,非几何相似放大 （关键混合参数约束）,如何实现温度、浓度、传质和剪切率相同？,数学模型放大 （反应机理与产品质量约束）,47,间歇过程的连续化放大,Batch chemistry like make a cup of Tea a skilled, manual job with a
15、variable output Flow synthesis is like an espresso machine automated, reproducible and fast Chemists are finally going with the flow -Chemistry World, Nov.2007,48,Thanks！,State Key Lab. of Polymer Reaction EngineeringCollege of Materials Science & Chemical Eng.Zhejiang University, Hangzhou 310027, P. R. ChinaTel: 0571-87951307, Email: ,
