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聚合反應(yīng)工程polymerization reaction engineering

時間：2020-03-01 來源：網(wǎng)絡(luò) 瀏覽：
化學(xué)反應(yīng)工程的一個分支，是高分子化學(xué)、聚合物工藝和化學(xué)工程間新興的邊緣學(xué)科。它以工業(yè)聚合過程為主要研究對象，以聚合動力學(xué)和傳遞理論為基礎(chǔ)，研究聚合反應(yīng)器的設(shè)計、操作和優(yōu)化諸問題。
　　促成該分支學(xué)科建立的背景是石油化工的蓬勃發(fā)展。石油化工為化學(xué)工業(yè)所提供的豐富原料，絕大部分用來生產(chǎn)聚合物。20世紀40年代以來，聚合物生產(chǎn)迅速發(fā)展，領(lǐng)先于理論研究，工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計在相當程度上依靠經(jīng)驗，僅有少數(shù)幾篇關(guān)于聚合反應(yīng)器型式對聚合物分子量分布影響的論文。隨著高分子化工的發(fā)展，對聚合過程的開發(fā)和聚合反應(yīng)器的可靠設(shè)計提出了迫切要求，化學(xué)反應(yīng)工程的理論研究，大型電子計算機和凝膠滲透色譜的應(yīng)用為聚合反應(yīng)工程的研究提供了有效的方法和工具。
　　在1970年第一屆國際化學(xué)反應(yīng)工程討論會上，已出現(xiàn)全面地討論聚合反應(yīng)動力學(xué)和聚合反應(yīng)器設(shè)計的文章，以后陸續(xù)出版了聚合反應(yīng)工程的專著。故聚合反應(yīng)工程僅有20年左右的歷史，由于聚合動力學(xué)和聚合反應(yīng)器中的傳遞過程的復(fù)雜性，目前該分支仍不成熟，正處在發(fā)展階段。
　　聚合反應(yīng)動力學(xué) 　聚合是一類特殊的復(fù)雜反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物具有多分散性，即為分子量不同的許多同系列大分子所組成的混合物。因此，聚合反應(yīng)動力學(xué)不僅研究反應(yīng)速度及其影響因素，還要研究與聚合物的特性密切關(guān)系的指標（包括平均分子量、共聚物組成、顆粒大小、支化度和它們的分布等）以及各種因素對這些指標的影響。
　　聚合反應(yīng)按其機理可分為鏈式聚合和逐步聚合兩大類，在高分子化學(xué)領(lǐng)域中已對這兩類反應(yīng)的動力學(xué)進行了大量的研究，提出了理論的分子動力學(xué)模型，但由于聚合反應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，這些理論模型本身及其應(yīng)用都有局限性。工業(yè)上，按照聚合機理、動力學(xué)歷程和聚合工藝，可列出引發(fā)劑、單體、活性鏈和聚合物的物料衡算式和熱量衡算式。通常是一組微分方程組，用數(shù)值法進行求解，得出溫度、壓力、濃度等操作參數(shù)對于聚合速率和聚合物性能的定量影響。實際上，反應(yīng)速率和聚合物性能都與反應(yīng)器型式、操作方式和操作條件等密切相關(guān)。要制備特定性能的聚合物，不僅要依靠化學(xué)手段，還要依靠反應(yīng)工程。聚合反應(yīng)工程與聚合物性能之間的相互影響正引起人們越來越多的注意。從工程的角度看，需要掌握的是實際反應(yīng)器中的反應(yīng)規(guī)律，要研究并闡明包含傳遞過程在內(nèi)的聚合反應(yīng)過程的總特征，建立反應(yīng)器中的聚合反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型，通過實驗測定模型參數(shù)，從而確定定量關(guān)系。目前，這方面的研究非常活躍，但定量地用于生產(chǎn)尚需時日。
　　傳遞過程 　反應(yīng)器中與聚合反應(yīng)同時發(fā)生，并相互影響的各種傳遞過程(包括流動、傳熱和傳質(zhì))。聚合反應(yīng)是對溫度和濃度十分敏感的化學(xué)反應(yīng)，對流動和混合的要求比一般化學(xué)反應(yīng)更為苛刻，傳熱問題也往往是控制聚合反應(yīng)過程的一個關(guān)鍵問題。聚合物系的相態(tài)，除了液相均相體系外，還有各種兩相和多相體系（包括氣液、氣固、液液、液固、固固、氣液固、液液固以及液液液等體系）。在這樣的聚合物系當中發(fā)生的各種傳遞過程都與聚合反應(yīng)速度以及聚合物性能密切相關(guān)，因此研究聚合反應(yīng)器中的傳遞規(guī)律非常重要，然而聚合物系的復(fù)雜性質(zhì)給這些研究增添了困難。聚合后物系可粗分為兩大類：一類是高粘度的牛頓型流體或非牛頓型流體；另一類是高固體含量的懸浮液和乳液。這兩類物系的流變行為、混合、傳熱和傳質(zhì)有較大差異，而且在聚合過程中聚合物的物性往往有較大變化，準確的實驗數(shù)據(jù)也不易獲得。雖然化學(xué)工程中傳熱和傳質(zhì)的計算以及化學(xué)反應(yīng)工程中發(fā)展的一些流動模型應(yīng)能適用于聚合反應(yīng)器中傳遞過程的計算，但卻常常由于基本物性數(shù)據(jù)或參數(shù)的缺乏而影響計算的結(jié)果，甚至不能計算。例如，對于非理想流動的問題，原則上能用分散模型和多級全混流模型，但由于沒有實測的參數(shù)而難于實際應(yīng)用。
　　聚合反應(yīng)器 　實現(xiàn)聚合反應(yīng)過程的設(shè)備總稱。聚合反應(yīng)器按其操作方式可分為間歇式、連續(xù)式和半連續(xù)式（或稱半間歇式）三種；按其結(jié)構(gòu)又可分為釜式、管式、塔式以及其他特殊型式。后一分類方法便于進行聚合反應(yīng)器的工程分析。例如針對某種型式反應(yīng)器，分析其功率、混合時間、液滴化性能、傳遞等問題，以用于工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計。
　　根據(jù)聚合反應(yīng)的特點，物系的粘性及散熱問題特別重要，因此攪拌反應(yīng)器應(yīng)用最為廣泛。據(jù)統(tǒng)計，攪拌釜約占聚合反應(yīng)器的70％以上，有關(guān)的技術(shù)資料也最多。塔式反應(yīng)器約占10％。其他有管式以及特殊型式的聚合反應(yīng)器，如環(huán)式、攪拌床式、臥式、流化床式、捏合式、擠出式等，也各有其應(yīng)用之處。一般說來，特殊型式的反應(yīng)器用于高粘度及發(fā)熱量較大的聚合反應(yīng)系統(tǒng)。由于聚合反應(yīng)過程中粘度變化較大，反應(yīng)速度也在變化，尤其是對于連續(xù)化過程，用單一的反應(yīng)裝置比較困難，常將多種反應(yīng)器組合使用。在聚合后期，聚合物系粘度很高，流動和傳熱都很困難，對于縮聚反應(yīng)，還必須除去小分子物，這時常需采用特殊型式反應(yīng)器。例如：苯乙烯本體聚合先釜后塔，氯乙烯本體聚合先立式后臥式。
　　攪拌聚合釜是應(yīng)用最廣的一類聚合反應(yīng)器，主要由釜體、釜蓋、攪拌器、減速機和密封裝置等組成。常用的約 30～50m3，100m3 以上也頗普遍，最大的達200m3。攪拌器由槳葉(葉輪)和軸組成。其型式、尺寸、轉(zhuǎn)速以及安裝位置都對攪拌功率、混合、流動型式以及傳熱、傳質(zhì)有直接影響。槳葉型式主要有推進器式、透平式、槳式、錨式、框式、螺軸式（有時帶導(dǎo)流筒）、螺帶式以及有刮壁作用的攪拌器等。前三種適用高速攪拌低粘度液體，后幾種則適用于低速攪拌高粘度液體。釜體有夾套，釜內(nèi)有時裝內(nèi)冷管，大型釜的釜頂還有回流冷凝器，以供傳熱。
　　  
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