第七章 攪拌聚合釜的放大

第七章攪拌聚合釜的放大

第一節(jié)概述反應(yīng)釜是“心臟”。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)等反應(yīng)釜效率（傳熱、攪拌）操作有關(guān)。反應(yīng)釜放大后，→大小反應(yīng)釜間的等物理過(guò)程的變化（熱量、質(zhì)量傳遞及流體流動(dòng)狀況）→速度分布、溫度分布、濃度分布及停留時(shí)間分布的差異→反應(yīng)的結(jié)果成功放大的標(biāo)志是：大小反應(yīng)釜中的反應(yīng)結(jié)果一致或近似。放大方法：數(shù)模放大:通過(guò)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）\傳遞過(guò)程模型來(lái)描述。設(shè)定過(guò)程參數(shù)，以得滿意的產(chǎn)品質(zhì)量、收率、和產(chǎn)量的最佳條件。聚合反應(yīng)不用數(shù)模放大法。數(shù)模放大相似放大相似放大：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。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。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。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攪拌釜的傳熱關(guān)聯(lián)式為：式中：L為與傳熱面有關(guān)的代表性尺寸。若釜的幾何尺寸相似則：若二釜物料相同，則相同上式可化簡(jiǎn)為：大小釜中，幾何尺寸間有比例關(guān)系，令

L/D=S,則：式中：ND是攪拌漿的葉端速度。令ND=V令線性放大比。例：B=0.5，=2（即幾何尺寸放大一倍）若葉端速度相等

：7-67-6放大后對(duì)傳熱的影響。若葉端速度為小釜兩倍：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)。傳熱下降是必然！??！單位體積所具有的傳熱面也降低

！增加附加傳熱面。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，則放大倍數(shù)較大時(shí)，要求小釜轉(zhuǎn)數(shù)大，一般不用。2.葉端速度相等放大3.給熱系數(shù)相等放大放大時(shí)，a下降較前者小保持適當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)比，可保證a不下降，常用4.單位體積攪拌功相等放大常用??！5.平均單位傳熱速率相等放大6.總傳熱系數(shù)相等條件：放大釜壁的熱阻比較小，可以忽略。大小釜幾何形狀相似，葉端速度，傳熱溫度相等。S取不同值。見(jiàn)書(shū)P198。不同放大的情況見(jiàn)表7-1。不推薦??！Pv相等ND相等NRe相等相等30.8850.2950.6930.2310.3330.11110.3350.8360.1670.5850.1170.20.0410.25100.7740.0770.4640.0460.10.0110.1表7-1例題P198例下降過(guò)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攪拌釜的功率準(zhǔn)數(shù)NPNP=f(NRe

，NFr)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)保持上式中的三個(gè)準(zhǔn)數(shù)相等，即NP1=NP2NRe1=

NRe2NFr1=NFr2但對(duì)同種物料同時(shí)保持NRe、NFr

不變不可能見(jiàn)NP1=NP2不變N2=0.707N1NRe1=

NRe2N2=0.25N1按不同體系采用不同的放大方法。

1．均相液體間的混合按混合時(shí)間數(shù)相等進(jìn)行放大。即對(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。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

2．以傳熱為主攪拌釜的放大(1)采用葉端速度相等放大用葉端速度相等放時(shí)，各參數(shù)的放大式為:(2)采用傳熱PV相等放大相關(guān)的：(3)采用傳熱α相等放大當(dāng)

一定時(shí)，以PVr-b作圖，可得圖7－1?？梢钥闯?，b值對(duì)放大后的功率消耗影響甚大。b值PVr在b＜0.75時(shí)，PVr＞1，表明釜的單位體積輸入功要比小釜大；

越大，PVr增加越多，用幾個(gè)小釜代替大釜更有利。當(dāng)b＞0.75時(shí)，PVr＜1，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。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。可按小試的結(jié)果直接進(jìn)行放大。相關(guān)的：(4)固體懸浮體系可按懸浮程度放大相關(guān)的：表7－3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。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缺陷：誤區(qū)：幾何相似＝動(dòng)力相似釋：幾何相似條件下若Re和Fr都相等，則動(dòng)力相似。然而，Re=d2Nr/h，F(xiàn)r=dN2/g，除非(h/r)2/(h/r)1=(D2/D1)3/2，否則不可能Re和Fr同時(shí)相等。單位體積傳熱面積的下降，反應(yīng)器內(nèi)熱傳導(dǎo)距離增加單位體積傳質(zhì)界面的減少（脫揮？），傳質(zhì)路徑增加僅單一特征混合參數(shù)的相同非幾何相似放大的實(shí)質(zhì)是，在明確放大準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，通過(guò)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(guò)程結(jié)果有決定影響的混合參數(shù)相一致。過(guò)程結(jié)果是指⑴反應(yīng)速率、⑵收率、⑶產(chǎn)品質(zhì)量（分子量、顆粒形態(tài)等）。影響過(guò)程結(jié)果的因素有溫度、濃度、傳質(zhì)和剪切率（非均相）四個(gè)變量。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)器的過(guò)程結(jié)果必然與小試或中試相近，放大問(wèn)題就解決了。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設(shè)Pv=1.2KW/M3循環(huán)次數(shù)Nc≥7次/min,求大釜N,P,PvPpoly=1.2Pwater,裝料系數(shù)0.9，密度1090kg/M3粘度5.65x10-3(解)1．確定線性放大比2.大釜傳熱系數(shù)Nc

湍流時(shí)攪拌水時(shí)的功率Pw為：三葉平板：Np=1.76核核大釜中NRe，取聚合液密度為1090kg／m3結(jié)果與假設(shè)一致為湍流。循環(huán)次數(shù)Nc因設(shè)計(jì)要求Nc≥7所以要提高循環(huán)次數(shù)(1)槳葉形狀及尺寸不變，提高轉(zhuǎn)速。Nc=7時(shí)的轉(zhuǎn)速應(yīng)為:由計(jì)算可知，轉(zhuǎn)速只從67r／min增至70r／min，而攪拌功率P卻從96kw增至109kw。所以N稍有改變對(duì)P的影響就很大。(2)仍采用平板型槳葉，縮小槳徑增加轉(zhuǎn)速。設(shè)D／T=0.48D2=4x0.48=1.92m冷釜實(shí)驗(yàn)可知：槳葉改變后相關(guān)值：循環(huán)7次的轉(zhuǎn)數(shù)

(3)增加槳寬b來(lái)提高循環(huán)次數(shù)

設(shè)b/T=0.12D2=2m循環(huán)7次的轉(zhuǎn)數(shù)

(4)改變槳型四種方案結(jié)果見(jiàn)表：p208從減少能耗角度看，以方案4最好（扁圓截面的槳葉?？紤]制造方便，方案2、3也可采用。在大型釜中為了增大循環(huán)而同時(shí)又不使消耗功率過(guò)大，通常應(yīng)采用較小為宜。第七章攪拌聚合釜的放大第五節(jié)放大準(zhǔn)則的確定一、按幾何相似理論確定放大準(zhǔn)則對(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(lái)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。二、非幾何相似理論確定放大準(zhǔn)則并不追求幾何相似，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(lái)確定放大準(zhǔn)則時(shí)，需詳細(xì)分析各混合參數(shù)對(duì)過(guò)程結(jié)果的影響。從中找出對(duì)過(guò)程結(jié)果最重要的混合參數(shù)并確定其允許的波動(dòng)范圍。由于隨轉(zhuǎn)速的增加攪拌功率、葉端速度、循環(huán)量等混合參數(shù)也隨之變動(dòng)。為此，使用非幾何相似放大法由實(shí)驗(yàn)確定放大準(zhǔn)則