聚合反应传热与传质

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1、第六章传热与传质传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递，传热是极为普遍的一种能量传递过程，化学工业与传热的关系尤为密切。传热在化工生产中的应用：1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。2、化工设备和管道的保温，以减少热损失。3、生产中热能的合理利用，废热回收。分类：按连续性按与时间的关系间歇传热连续传热非稳态传热：传热速率常数，稳态传热：传热速率=常数，传热的基本方式热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分，

2、或是温度较高的物体传给温度较低的物体。根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种。第一节聚合过程的传热问题聚合反应通常是放热反应，而聚合物的分子量及其分布又对温度十分敏感，因此传热是控制聚合过程的重要问题。传热速率与放热速率相等，才能使聚合温度恒定。放热速率等于聚合速率与单体聚合热的乘积。聚合速率在聚合过程中通常是变化的，并受引发剂种类、浓度及单体浓度的影响。大致有减速、匀速、加速三种类型，其转化率时间曲线有如图。(1)减速型：如离子型聚合，缩聚反应，聚合速率随单体浓度降低而降低(2)加速型：自由基聚合

3、在高转化阶段出现凝胶效应，出现自动加速现象，聚合速率呈3型变化，放热是不均匀的，最高放热速率可能是平均放热速率的2～3倍。常用放热不均匀系数只表示放热特性。(3)匀速型：如果引发剂半衰期使用得当，则可达到匀速反应。例如采用复合引发剂使聚合速率趋向均一，也可逐渐或分批加入单体或催化剂使聚合速率保持均衡。第二节搅拌聚合釜的传热方式考虑搅拌聚合釜的传热方式，首先要从聚合反应过程的特点出发。聚合反应往往要求严格控制聚合温度、反应物料纯净不被污染、釜内常需处理高粘度易结垢的物料。因此，要求搅拌聚合釜传热装置的传热速率要高、结构简

4、单、避免有易引起拉胶的粗腿表面及导致结垢的死角、易于清洗。传热方式常用间接传热。传热装置有夹套、内冷件、回流冷凝、体外循环冷却器等。内冷件：在有衬里的聚合釜或釜壁采用导热性不良的材质制造时(例如搪瓷釜)，因传热系数低不能仅用夹套传热。大型聚合釜，由于单位体积的传热面积较小，仅仅采用夹套传热也是不够的。为此除安装夹套外，还需附加釜内传热装置。在釜内安装内冷件，如内冷管和内冷挡板最常使用。具体内容回流冷凝器：当采用夹套及釜内传热装置还不能满足传热要求时，则可采用釜外传热方式。釜外传热可以分为两种，一种是将釜内物料气相导出进

5、行釜外循环热交换，另一种是液相导出进行釜外循环热交换。a.气相釜外循环热交换装置(回流冷凝器)，是以蒸汽冷凝方式传热，传热系数高，传热面积不受容积限制，这是它的优点。通常管内进物料蒸气，管外通冷却介质，以便了清洗。回流冷凝器的结构也应避免死角、管子及管板表面要光滑、管子不可伸出管板、连接处应密封以防物料被冷却介质污染和破坏催化剂。用于聚合釜时，回流冷凝器经注意防止单体在冷凝器中进行聚合而造成堵塞，不使用易挥发的催化剂或引发剂以防止带入冷凝器。用于乳液聚合时，要避免将泡沫带入回流冷凝器，为此在反应器上部应留有足够的空间，

6、一殷要求留出0.6m的直边高度。b.体外循环冷却器：部分反应物料由反应器中用泵抽以，经外部冷却器冷却后再进入反应器。这种液相外循热交换装置应用于聚合反应时，由于物料在换热器个温度下降1～10℃左右，所以对要求严格控制反应温度的一类聚合反应就不宜采用。悬浮聚合易造成结块也不宜采用。对胶乳的剪切稳定性高的乳液聚合可以采用体外冷风但对于剪切敏感的胶乳体系应使用，因为循环泵里的剪切速率很大，容易破坏胶乳的稳定性。第三节搅拌聚合釜的传热计算搅拌聚合釜的传热计算与—般传热计算相同。传热速率同样取决于釜内流体与载热休的温度差，传热面

7、积及总传热系数。故有提高总传热系数，增加传热面积和降低冷却水温度以扩大温差可提高传热速率。釜大型化后，单价体积的传热面积减小，降低水温须增加冷冻的动力消耗，因此提高总传热系数足改善传热效果的最好办法。总传热系数的大小与釜内物料性质、搅拌条件，夹套内水流情况和水温，釜壁材质和粘捉物及水垢的沉积有关。其定量关系可由下列热阻方程表示。αi和α0分别代表釜的内、外壁传热膜系数；δ/λ从为釜壁固体导热部分的总热阻，其中δ为厚度，λ为导热系数，由碳钢层、不锈钢层、搪瓷层、粘釜物和水垢几部分组成。通过热阻分机可以找出主要热阻所在，指

8、出提高传热总系数的方向。聚合釜内物料性质(尤其是体系的粘度)初搅拌条件如搅拌桨叶形式、尺寸、流动形态、挡板条件等是影响釜内壁传热膜系数αi的主要因素。定性地说体系粘度愈小，搅拌效果愈好，则釜内壁滞温层愈低，热阻就愈小故传热膜系数αi就愈大。因此降低体系粘度和改善搅拌效果是提高αi和总传热系救K值的重要途径。聚合釜以夹套冷却时，釜外