聚合反应工程(华东理工大学)4.聚合反应工程分析（引论）.ppt

聚合反应工程和聚合反应的实施聚合反应工程和聚合反应的实施第四章 聚合反应工程 引引 论论1 1 概述概述q聚合反应实施聚合反应实施小试研究阶段：小试研究阶段：确定聚合机理和聚合方法确定聚合机理和聚合方法 工业化生产工业化生产 聚合反应设备（放大）聚合反应设备（放大）聚合反应工艺流程聚合反应工艺流程 聚合反应工程聚合反应工程聚合反应工艺（配方、操作）聚合反应工艺（配方、操作）聚聚合合反反应应工工程程实实施施经经验验化化学学反反应应工工程程理理论论1 1 概述概述q工业化学反应过程中发生的物料过程：工业化学反应过程中发生的物料过程：（1 1）返混）返混不同停留时间物料的混合不同停留时间物料的混合（2 2）动量传递）动量传递不同流动速度物料间的混合；不同流动速度物料间的混合；（3 3）质量传递）质量传递不同浓度物料间的混合；不同浓度物料间的混合；（4 4）热量传递）热量传递不同温度物料间的混合。不同温度物料间的混合。这些物理过程会影响到化学反应的浓度和温度在时间和空间上的分这些物理过程会影响到化学反应的浓度和温度在时间和空间上的分布，从而影响到化学反应的结果。布，从而影响到化学反应的结果。1 1 概述概述 与与低分子反应相比，聚合反应和聚合物生产有以下特点：低分子反应相比，聚合反应和聚合物生产有以下特点：1、反应机理多样，动力学关系复杂，重现性差，微量杂质影响大。反应机理多样，动力学关系复杂，重现性差，微量杂质影响大。2、聚合过程中，除转化率外，需要考虑聚合度、分布、共聚物组成、分布、聚合过程中，除转化率外，需要考虑聚合度、分布、共聚物组成、分布和序列分布、聚合物结构、及聚合物性能。和序列分布、聚合物结构、及聚合物性能。3、多数聚合体系粘度很高，有的是多相体系，他们的流动、混合、传质、多数聚合体系粘度很高，有的是多相体系，他们的流动、混合、传质、传热和低分子体系有很大不同，同时反应器的结构需要作一些专门的考传热和低分子体系有很大不同，同时反应器的结构需要作一些专门的考虑。虑。4、聚合物体系和聚合产品种类多，化工数据缺乏，进一步研究、聚合物体系和聚合产品种类多，化工数据缺乏，进一步研究“三传三传”比比较困难，使得反应器的设计和放大受到限制，聚合反应工程的发展比较较困难，使得反应器的设计和放大受到限制，聚合反应工程的发展比较缓慢。缓慢。1 1 概述概述q聚合反应过程的实施的特点：聚合反应过程的实施的特点：1.1.聚合反应聚合反应有多种多样的聚合反应机理；采用不同的聚合方法。有多种多样的聚合反应机理；采用不同的聚合方法。2.2.聚合反应的结果除了要对反应的转化率和选择率进行考察外，还要考聚合反应的结果除了要对反应的转化率和选择率进行考察外，还要考察分子量和分子量分布、分子的结构以及高分子的立构规整性等等；察分子量和分子量分布、分子的结构以及高分子的立构规整性等等；3.3.聚合体系多样的流变行为使物料的流动、搅拌、混合等方面都产生一聚合体系多样的流变行为使物料的流动、搅拌、混合等方面都产生一系列问题；系列问题；4.4.聚合反应过程中始终存在着放热和散热的尖锐矛盾，这个矛盾往往成聚合反应过程中始终存在着放热和散热的尖锐矛盾，这个矛盾往往成为过程开发的关键所在。为过程开发的关键所在。2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置工业聚合反应过程的核心工业聚合反应过程的核心：聚合反应器聚合反应器2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置1.1.釜式聚合反应器釜式聚合反应器应用：应用：低粘度的的悬浮聚合过程、乳液聚合过程低粘度的的悬浮聚合过程、乳液聚合过程 高粘度的本体聚合和熔融缩聚等过程高粘度的本体聚合和熔融缩聚等过程 操作方式：操作方式：间歇操作间歇操作 半连续操作半连续操作 单釜和多釜的连续操作单釜和多釜的连续操作2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置 釜式聚合反应器长经比釜式聚合反应器长经比 按照长经比的不同，釜式聚合反应器可以分为瘦长型和矮胖型或者介于之间；按照长经比的不同，釜式聚合反应器可以分为瘦长型和矮胖型或者介于之间；搅拌装置搅拌装置 平桨式、推进式、涡轮式、三叶后掠式及布鲁马金式桨叶（低粘度系统）平桨式、推进式、涡轮式、三叶后掠式及布鲁马金式桨叶（低粘度系统）锚式、螺带式、带导流筒的螺杆式及其它特殊形式的搅拌锚式、螺带式、带导流筒的螺杆式及其它特殊形式的搅拌（高粘度体系）（高粘度体系）釜式聚合反应器的除热釜式聚合反应器的除热 采用夹套和各种内冷构件，如内冷挡板、蛇管等。采用夹套和各种内冷构件，如内冷挡板、蛇管等。当釜内除热不足于除去反应热时，可以考虑采用釜外回流冷凝器和釜外循环当釜内除热不足于除去反应热时，可以考虑采用釜外回流冷凝器和釜外循环冷却器。冷却器。q釜式聚合反应器结构构成釜式聚合反应器结构构成 聚氯乙稀生产聚氯乙稀生产33立方米聚合釜结构示意图立方米聚合釜结构示意图 2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置2.2.塔式聚合反应器塔式聚合反应器 一般用于连续生产且对物料的停留时间有一定要求的较高粘度的物料一般用于连续生产且对物料的停留时间有一定要求的较高粘度的物料体系体系,主要是一些缩聚反应。主要是一些缩聚反应。苯乙烯本体聚合反应器苯乙烯本体聚合反应器 己内酰胺连续缩聚用的己内酰胺连续缩聚用的VKVK塔塔 2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置3.3.管式聚合反应器管式聚合反应器优点：简单，单位体积所具有的传热面积大，优点：简单，单位体积所具有的传热面积大，单位体积生产能力大、单位体积生产能力大、单程转化率高，单程转化率高，适用高温、高压操作。适用高温、高压操作。缺点：缺点：容易发生聚合物的粘壁现象，造成管容易发生聚合物的粘壁现象，造成管道堵塞；道堵塞；当物料的粘度很大时，压力损失也大。当物料的粘度很大时，压力损失也大。应用：应用：尼龙尼龙6666的熔融缩聚的熔融缩聚 高压聚乙烯及中压聚烯烃高压聚乙烯及中压聚烯烃 高压聚乙烯生产管式反应器高压聚乙烯生产管式反应器2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置双环管式聚合反应器双环管式聚合反应器 环状反应器环状反应器应用：应用：中压聚烯烃（聚丙烯）；中压聚烯烃（聚丙烯）；反应器的容积：反应器的容积：2020100100M M3 3；管长：管长：100100150150M M；反反应应器器材质：材质：采用碳采用碳钢钢管管；反反应应器器内部构件：内部构件：轴轴流流泵泵 。2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置4.4.卧式聚合釜卧式聚合釜带刮板的卧式聚合釜带刮板的卧式聚合釜 有螺带的卧式聚合釜有螺带的卧式聚合釜 应用：物料粘度高而需要将小分子去除的物料体系，如：聚酯。应用：物料粘度高而需要将小分子去除的物料体系，如：聚酯。2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置4.4.卧式聚合釜卧式聚合釜表面更新型表面更新型卧式聚合釜卧式聚合釜 采用双轴结构的卧式聚合采用双轴结构的卧式聚合釜，可以有效地避免死区。釜，可以有效地避免死区。2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置5.5.捏和机式聚合装置捏和机式聚合装置有强的剪切作用，可以达到物料捏和和混炼的作用。有强的剪切作用，可以达到物料捏和和混炼的作用。二种形式的捏和机示意二种形式的捏和机示意图图应用：液固反应，应用：液固反应，耐热性聚合物芳香族聚酰亚胺耐热性聚合物芳香族聚酰亚胺 2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置5.5.捏和机式聚合装置捏和机式聚合装置捏和机式聚合装置常见的搅拌器形式有三种。捏和机式聚合装置常见的搅拌器形式有三种。捏和机式聚合装置常见的搅拌器形式捏和机式聚合装置常见的搅拌器形式2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置6.6.螺杆挤压机式聚合装置螺杆挤压机式聚合装置 利用螺杆强烈的剪切和挤压作用，将高粘度的物料体系强行地混合、推进、利用螺杆强烈的剪切和挤压作用，将高粘度的物料体系强行地混合、推进、挤出。挤出。双螺杆聚合装置双螺杆聚合装置应用：应用：尼龙尼龙6666生产中作后聚器，聚碳酸酯生产中作后聚器，聚碳酸酯。聚合反应加工一体化。聚合反应加工一体化。2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置7.7.履带式聚合装置履带式聚合装置 履带式聚合装置示意图履带式聚合装置示意图应用：聚合反应速度很快，需要迅速排除热量或小分子的聚合反应。应用：聚合反应速度很快，需要迅速排除热量或小分子的聚合反应。如：如：聚异丁烯聚异丁烯、聚酯。、聚酯。2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置8.8.流化床聚合装置流化床聚合装置 适合于气固聚合反应系统，适合于气固聚合反应系统，已经用于聚烯烃（如乙烯、丙烯或它们与丁已经用于聚烯烃（如乙烯、丙烯或它们与丁烯的共聚物）的生产烯的共聚物）的生产。UNIPOLUNIPOL法生产聚烯烃流化床法生产聚烯烃流化床过虑层催化剂加料器出料旋风分离器共聚单体乙烯氢催化剂2 2 聚合反应的装置聚合反应的装置9.9.其他其他（1）板框式聚合装置（板框式聚合装置（PMMA聚合后聚器）聚合后聚器）（2）静态混合器反应器（适合均相和多相体系，试验中）静态混合器反应器（适合均相和多相体系，试验中）（3）鼓泡塔式反应器（配位络合催化剂的聚烯烃生产，气液固三相反应器）鼓泡塔式反应器（配位络合催化剂的聚烯烃生产，气液固三相反应器）板框式聚合装置板框式聚合装置Kenics静态混合器静态混合器3 3 聚合反应的操作方式聚合反应的操作方式1.1.间歇式操作间歇式操作原料一次性投入，反应结束后反应物一次性从反应器内排出。原料一次性投入，反应结束后反应物一次性从反应器内排出。特点：特点：(1)(1)适用于小批量、多品种生产。适用于小批量、多品种生产。(2)(2)产品的质量波动较大。产品的质量波动较大。(3)(3)间歇操作的一个周期中，非生产生产时间在其中占有一定的比间歇操作的一个周期中，非生产生产时间在其中占有一定的比例，从而造成生产效率的下降。例，从而造成生产效率的下降。(4)(4)间歇操作物料的停留时间均一，在进一步开发放大的技术上难度间歇操作物料的停留时间均一，在进一步开发放大的技术上难度较小。较小。(5)(5)反应的不同阶段反应热的释放程度又不均一，造成聚合反应的反应的不同阶段反应热的释放程度又不均一，造成聚合反应的操作是非稳态操作。操作是非稳态操作。3 3 聚合反应的操作方式聚合反应的操作方式2.2.连续式操作连续式操作 物料连续地进入反应器，连续地排出反应器，反应条件控制稳定。物料连续地进入反应器，连续地排出反应器，反应条件控制稳定。特点：特点：(1)(1)适用于单一类产品的大批量生产。适用于单一类产品的大批量生产。(2)(2)连续式操作属于稳态操作，过程的描述比较简单，便于控制和管连续式操作属于稳态操作，过程的描述比较简单，便于控制和管理。产品的质量亦比较稳定，均一。理。产品的质量亦比较稳定，均一。(3)(3)非生产时间占的比例很小非生产时间占的比例很小。(4)(4)开停车期间，过程处于非稳态，操作比较复杂，这一时期产品的开停车期间，过程处于非稳态，操作比较复杂，这一时期产品的质量也在变化而不均一。质量也在变化而不均一。(5)(5)在连续釜式反应器内物料的流动接近于全混流状态，停留时间在连续釜式反应器内物料的流动接近于全混流状态，停留时间不均一，这将给过程的开发放大带来相当的困难。不均一，这将给过程的开发放大带来相当的困难。3 3 聚合反应的操作方式聚合反应的操作方式3.3.半连续式（半间歇式）操作半连续式（半间歇式）操作 一部分物料是间歇地加入和排出反应器，另一部分则连续地进入一部分物料是间歇地加入和排出反应器，另一部分则连续地进入反应器。反应器。特点：特点：（1 1）适用于反应热很大的聚合反应）适用于反应热很大的聚合反应;（2 2）对于某些反应要求保持某一反应物的浓度在低水平上，）对于某些反应要求保持某一反应物的浓度在低水平上，以利于产物的收率时，也宜于采用将该组份滴加（分批）加入以利于产物的收率时，也宜于采用将该组份滴加（分批）加入的方法的方法 ;（3 3）半连续式（半间歇式）操作在管理上比较麻烦，总的性）半连续式（半间歇式）操作在管理上比较麻烦，总的性质和间隙式操作相近。质和间隙式操作相近。3 3 聚合反应的操作方式聚合反应的操作方式q间隙操作和连续操作的本质区别间隙操作和连续操作的本质区别:间隙操作间隙操作连续操作连续操作浓度状况浓度状况反应物的浓度不断降低，反应物的浓度不断降低，产物的浓度不断上升产物的浓度不断上升浓度状况在一个操作点浓度状况在一个操作点基本基本稳定稳定温度状况温度状况 反应热放出不均匀，反应热放出不均匀，温度控制不易温度控制不易 基本稳定基本稳定混合状况混合状况 先混合均匀、后反应先混合均匀、后反应混合和反应同时进行混合和反应同时进行停留时间状况停留时间状况 所有物料在反应器内所有物料在反应器内经历的时间相同经历的时间相同物料质点在反应装置物料质点在反应装置中的停留时间不一中的停留时间不一 3 3 聚合反应的操作方式聚合反应的操作方式q间隙操作和连续操作的本质区别间隙操作和连续操作的本质区别:表面上比较简单的间歇和连续二种操作形式，实际表面上比较简单的间歇和连续二种操作形式，实际上却包含着十分丰富、深刻和艰深的内容。可以这样说，上却包含着十分丰富、深刻和艰深的内容。可以这样说，研究和解决这四个方面的问题，是一切化学反应实施和研究和解决这四个方面的问题，是一切化学反应实施和反应器开发过程中的共同问题，阐明这四个方面的问题反应器开发过程中的共同问题，阐明这四个方面的问题的理论和方法是化学反应工程精髓所在的理论和方法是化学反应工程精髓所在。4 4 聚合反应工程的内容和任务聚合反应工程的内容和任务q聚合反应过程开发和实施中任务：聚合反应过程开发和实施中任务：1.改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高效能；改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高效能；2.开发和实施新的技术和设备；开发和实施新的技术和设备；3.指导和解决聚合反应过程开发中的放大问题；指导和解决聚合反应过程开发中的放大问题；4.实现聚合反应过程的最优化；实现聚合反应过程的最优化；5.不断发展和丰富聚合反应工程的理论和方法。不断发展和丰富聚合反应工程的理论和方法。