聚合物制备第三章ppt课件.ppt

第三章 聚合物制备工程基础,黄启谷材料科学与工程学院北京化工大学,聚合物制备工程,第2章 聚合物制备工程基础,3.9 化学反应动力学基础 3.9.1 化学反应和反应速率 3.9.2 均相反应动力学3.10 理想反应器流动模型 3.10.1 反应器操作方式 3.10.2 理想反应器流体流动形态3.11 理想反应器设计 3.11.1理想反应器设计的基本原理 3.11.2 间歇反应器设计 3.11.3 平推流反应器设计 3.11.4 理想混合反应器设计 3.11.5 多釜串联理想混合反应器 3.11.6 反应器型式和操作方式的评比与选择,3.12 理想混合反应器的热稳定性 3.12.1 基本概念 3.12.2 热稳定性原理 3.12.3 影响热稳定的因素 3.12.4 T与TW间的最大温差3.13 连续反应器的停留时间分布3.13.1 停留时间产生的原因3.13.2 停留时间分布3.13.3 停留时间分布的测定方法3.13.4 停留时间分布的数字特征3.13.5 反应器的流动模型 3.14 聚合反应工程分析 3.15 聚合物工程设计简介,理想反应器的设计模型,间歇反应器,连续反应器,理想反应器设计方程,微分方程,代数方程,积分方程,Remarks,间歇Batch,理想混合反应器CSTR,平推流反应器PFR,反应物浓度随时间变化,反应物浓度恒定,反应物浓度延轴向变化,间歇釜式设计方程,物料A反应消失量rAV,物料A累积量= dnA/dt,rAV dnA/dt,恒容等温条件下：,rAV,恒容时：,间歇釜式基本设计方程,恒容时：,举例：二级不可逆反应,理想反应器设计,例题1：在间歇釜式反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。硫酸为催化剂。由实验测得其反应速度方程为：其中：A反应速度，消耗己二酸kmoles/lmin k反应速度常数，l/kmolemin CA己二酸的瞬时浓度，kmoles/l据实验测定，70度时，k=1.97l/kmolemin；己二酸的初始浓度CA00.004kmoles/l；若每天处理2400kg己二酸，其转化率为80%，每批操作的辅助时间为1小时。采用单釜生产，装料系数0.75，试计算反应器的体积。,间歇釜式计算,解答：1。首先计算每批料所需的反应时间。该反应是二级反应，即下式：,已知：xA=0.8，CA0=0.004 kmol/l，k=1.97l/kmolmin,2.计算反应器的体积。每天处理己二酸2400 kg，即每小时处理100 kg（24小时/天），己二酸分子量MW146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684 kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004 kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171 l/h每批操作所需的总时间 t总=8.5+1=9.5h反应器的有效体积VR=V0t总171 X 9.5=1630 l = 1.63 m3反应器的实际体积 V=VR/=1.63/0.75=2.17m3,间歇反应器的体积=2.17m3,平推流反应器计算,稳态操作的平推流反应器，其物料衡算式为：（流入量）（流出量）（反应消失量）,其中：反应物A进入dV的摩尔流量为FA反应物A流出dV的摩尔流量为FAdFA反应消失的A量为rAdV为物料停留时间,物料衡算示意图：,平推流反应器计算,已知：,平推流反应器设计方程：,平推流反应器计算,例题2：在平推流反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。条件与例题1相同。计算平推流反应器的有效体积。,平推流反应器计算,已知：xA=0.8，CA0=0.004 kmol/l，k=1.97l/kmolmin每天处理己二酸2400 kg，即每小时处理100 kg（24小时/天），己二酸分子量MW146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684 kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004 kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171 l/h0.171m3,相同反应条件下，平推流反应器有效体积1.45m3,单级理想混合反应器计算,稳态操作的理想混合反应器，其物料衡算式为： （流入量）（流出量）（反应消失量）,其中：反应物A流入速度为 v0CA0 反应物A流出速度为 v0CA 反应消失的A量为 rAV,故,单级理想混合反应器计算,上式为理想混合反应器基本设计方程,已知：,单级理想混合反应器计算,例题3：在单级理想混合反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。条件与例题1相同。计算单级理想混合反应器的有效体积。,单级理想混合反应器计算,已知：xA=0.8，CA0=0.004 kmol/l，k=1.97l/kmolmin每天处理己二酸2400 kg，即每小时处理100 kg（24小时/天），己二酸分子量MW146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684 kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004 kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171 l/h0.171m3,相同反应条件下，单级理想混合反应器有效体积7.25m3,多级理想混合反应器计算,其中：反应物A流入速度为 v0CA0 反应物A流出速度为 v0CA 反应消失的A量为 rAV,恒容稳态操作下，且各级反应器不发生返混，则其第i级反应器中A组分的物料衡算式为：（流入量）（流出量）（反应消失量）,多级理想混合反应器计算,第i级反应器中的A组分列出物料衡算：,第一级反应器：,第二级反应器：,多级理想混合反应器计算,例题4：在二级理想混合反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。第一级反应器中己二酸的转化率为60；第二级中己二酸的转化率为80。其他条件与例题1相同。计算多级理想混合反应器的有效体积。,1,2,x1=60%,x2=80%,多级理想混合反应器计算,已知：x1=0.6，CA0=0.004 kmol/l，k=1.97l/kmolmin每天处理己二酸2400 kg，即每小时处理100 kg（24小时/天），己二酸分子量MW146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684 kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004 kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171 l/h0.171m3,第一级理想混合反应器有效体积1.36m3,多级理想混合反应器计算,第二级反应器：,已知：,第二级理想混合反应器有效体积1.81m3,多级理想混合反应器计算,因此，对于二级串连理想混合反应器而言，总有效体积为： V1+V2=1.361.813.17 m3,如果串连更多的反应器如何计算？其反应器有效体积如何变化？,多级理想混合反应器图解法,例题5：在四级理想混合反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。己二酸的最终转化率为80。其他条件与例题1相同。用图解法计算四级串连理想混合反应器的有效体积。（四个等体积反应釜）,CA0v0,CA1v0,CA2v0,CA3v0,CA4v0,多级理想混合反应器计算,第i级反应器中的A组分列出物料衡算：,反应器体积相同时,上式表示：第I级反应器地进口浓度CAi-1一定时，出口浓度CAi与反应速率rAi的关系；在CAi-1和一定时， rAi与CAi为线性关系，即在rAiCAi图上是直线。,多级理想混合反应器图解法,另外：rA为浓度的函数；因此直线与动力学曲线相交的交点的横坐标即为反应器的出口浓度。,多级理想混合反应器图解法,已知：,CA(kmol/l) 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 A(kmol/lh) 1.89 1.45 1.062 0.737 0.472 0.256 0.118,已知：进口浓度 CA0=0.004 反应器级数为4,出口浓度CA4=?,CA4=CA0(1-x4)=0.004（10.8）=0.0008,多级理想混合反应器图解法,CA4,CA3,CA2,CA1,1级,2级,3级,4级,多级理想混合反应器图解法,反复试差，结果得到CA1=0.0022, CA2=0.00142, CA3=0.001, CA4=0.0008，与最终出口浓度相符合测定物料衡算线斜率为0.315,即,3.18,所以VR=v0 =0.1713.18=0.545,反应器的总体积 V=2.18m3,计算反应器的体积，条件：A、B等摩尔比，实验测定的动力学方程：,kmol/lmin,k=1.97 l/kmolmin,CA0=0.004 kmol/l,1.间歇反应器，每天处理2400kgA，A转化率为80，辅助时间为1hr，装料系数0.75。,V = 1.62 m3，V实际2.16 m3,2.平推流反应器，每天处理2400kgA，A转化率为80。（物料A密度已知，得到v0为171 l/hr）,V = 1.45 m3,V = 7.25 m3,V1 V2 = 3.17 m3,V总 = 2.18 m3,3.单个理想混合反应器。,4.两个理想混合反应器串联，第一釜转化率为60，第二釜为80,5.四个理想混合反应器串联,3.11.6 反应器型式和操作方式的评比与选择,反应器形式和操作方式的选择基本原则：1.达到给定生产能力所需反应器的体积小；2.用等量原料得到的目的产物多。对于复合反应考虑产物的分布。单一反应：产物确定，主要考虑反应器体积大小复合反应：首先考虑产物的分布，其次考虑反应器的体积,单一反应,容积效率衡量单位反应器体积所能达到的生产能力称为容积效率容积效率：同一反应，在相同温度、产量和转化率条件下，平推流反应器与理想混合反应器所需的总体积比，,注：Vp, p分别为平推流反应器的体积和平均停留时间； Vm， m分别为理想混合反应器的体积和平均停留时间；,平推流反应器、理想混合反应器、多级串联理想混合反应器的设计方程,分别以xA对CA0/rA作图,注：最终达到相同转化率,反应器类型与容积效率的关系,m mi p,m = 矩形oHDM,mi 矩形OB+矩形KC矩形LD, = 曲面ADM0,所以：,故：, 1,说明：为完成规定转化率下的生产任务，理想混合反应器所需的体积要比平推流反应器的大；理想混合反应器平均停留时间比平推流反应器的大。,容积效率与反应级数和转化率的关系,（1）零级反应时，反应速率只是温度的函数，而与浓度无关；因此1，两种反应器的体积相同，反应器形式对反应速率没有影响。（2）其他正级数反应的容积效率均小于1。,当转化率很小时，两种反应器的体积相差很小，即低转化率时流动形态对反应器的容积效率影响小；随转化率的提高，容积效率越来越小，因此要求高转化率的反应不宜采用理想混合反应器。（3）当转化率一定时，反应级数越高，容积效率越低，因此反应级数高的反应宜采用平推流反应器。,对于多级理想混合反应器，采用的级数越多，容积效率越高工业上可以采用增加反应器数目来提高多级理想反应器的容积效率；但反应器也不能无限增加。一般工业生产上，N为34，例如：顺丁橡胶生产为34釜串联；乙丙橡胶为35釜串联；而乳液丁苯却为812釜串联。,平行反应,主反应,副反应,rR/rS代表主、副反应的比例一定温度，特定反应而言：k1, k2, n1, n2 为常数，CA为变量,n1n2，即主反应级数大于副反应级数，则：CA越大，则比值越大，R的收率越高。从容积效率与收率来看，采用间歇或平推流反应器有利。n2n1，即副反应级数大于主反应级数，则：CA越大，则比值越小，R的收率越小。采用理想混合流反应器有利，但容积效率与收率间出现矛盾。n1n2，即主反应级数等于副反应级数，则：浓度与R的收率无关；反应器形式对收率无影响；只有改变温度或采用催化剂才能改变比值。,平行反应,主反应副反应,连串反应,A, R, S三个组分的变化速率,若R为目标产物，提高CA，可以选用间歇、平推流反应器；若S为目标产物，则降低CA，选用理想混合反应器；R为目标产物，R的增加有利于S生成，特别k2k1时，保持低的单程转化率； k1k2时，则相反。R的浓度有一个最大值，相应地有最佳反应时间。,连串平行反应,主反应副反应,其中：R为目的产物，S为副产物，A与B为原料。,（1）A慢慢加入B中（慢慢加入指加入速率比反应速率慢）,其结果：每次加入的少量A完全反应生成少量R；少量R与大量B进一步生成S；各组分浓度变化见图；这种方式不能得到R。,（2）第二种加料方式：B慢慢加入A中。其结果：加入的少量B完全反应生成少量R；随后加入的B与A、R竞争反应，由于A过量，生成少量S；各组分浓度变化见图；这种方式可得到R，但得到最多的R必须控制B的加入量。,（3）第三种加料方式：将A和B迅速混合，不同的混合方式对产品R的收率有影响。其结果：A与B生成少量R；随后A与B、A与R竞争反应，由于A过量， S生成量少；随A的减少，R与B反应为主；各组分浓度变化见图；这种方式可得到R，但得到最多的R必须控制反应时间。,反应器型式和操作方式的评比与选择总结,单一反应：不存在产物分布问题；反应器选择主要考虑容积效率的大小。 除零级反应外，达到相同转化率下的生产能力，平推流反应器的体积比理想混合反应器的小。反应级数及转化率影响容积效率：高反应级数、高转化率的反应以平推流反应器为宜，多级理想反应器其级数多则容积效率高。,2.复杂反应：主要考虑产物的分布。平行反应：主要控制反应器内物料的浓度；高浓度利于反应级数高的反应，反之则利于反应级数低的反应，故反应器与操作方式均按此原则确定。连串反应：主要控制反应器内物料的平均停留时间；对于 的连串反应中，采用间歇或平推流反应器时R收率高，采用理想混合反应器时S收率高。对连串平行反应：采用不同加料方式控制产物,总 结,重点学习理想反应器设计、间歇聚合反应器的设计、平推流反应器的设计、理想混合反应器的设计（单釜、多釜串联）；理想反应器设计的图解方法;反应器形式与操作方式的评比与选择；,第三章作业,反应器设计：1：在间歇釜式反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。硫酸为催化剂。由实验测得其反应速度方程为：其中：A反应速度，消耗己二酸kmoles/lmin k反应速度常数，l/kmolemin CA己二酸的瞬时浓度，kmoles/l据实验测定，70度时，k=1.97l/kmolemin；己二酸的初始浓度CA00.004kmoles/l；若每天处理2400kg己二酸，其转化率为90%，每批操作的辅助时间为1小时。采用单釜生产，装料系数0.75，试计算间歇反应器的体积；若采用平推流反应器，求其有效体积；若采用单级理想混合反应器。求其有效体积；若采用四级串连理想混合反应器，求其有效体积。,第三章作业,反应器设计：2。己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。硫酸为催化剂。由实验测得其反应速度方程为：其中：A反应速度，消耗己二酸kmoles/lmin k反应速度常数，l/kmolemin CA己二酸的瞬时浓度，kmoles/l据实验测定，70度时，k=1.97l/kmolemin；己二酸的初始浓度CA00.004kmoles/l；每天处理2400kg己二酸；（1）采用四级串连理想混合反应器，每个反应器的有效体积均为0.55m3，求其最终己二酸的浓度及其转化率？,