聚合反应工程第七讲

聚合反应工程基础第七讲高分子学院吴锦荣知识回顾分子量及分子量分布对聚合物粘度和临界剪切速率有何影响？如何通过改变分子量分布及分子结构提高成型加工性？温度对在Tg附近和Tg+100C以上的粘度有何影响？雷诺数的定义和量纲是什么，根据雷诺数大小，如何划分流体流型？圆管中流体稳态流动时如何对流体微元做力平衡计算？知识回顾剪切应力和剪切速率随着管径变化如何变化？圆管中，流体平均流速如何计算牛顿流体在圆管中速度分布曲线是何形状幂律流体在圆管中速度分布曲线的形状如何随指数n变化而变化？同样外界条件和反应机理下进行聚合，假塑性流体和牛顿流体的分子量分布，哪个更宽？幂律指数n对流体输送压差有何影响？非牛顿流体在圆管中湍流流动湍流：流体运动极不规则，各部分相互剧烈掺混，流体质点的迹线杂乱无章，流场极不确定湍流时圆管内速度分布曲线偏离抛物线，曲线顶部区域比较平坦，速度分布与层流相比要均匀得多。Re数值越大，曲线顶部的区域就越广阔平坦，但靠管壁处的速度骤然下降，曲线较陡。即使湍流时，管壁处的流体速度也等于0，而且靠近管壁的流体仍作层流流动。湍流时的速度分布湍流层流12速度分布有两个区域：•中心(较平坦);•近管壁(速度梯度很大);•u壁=0.3近管壁有层流底层δ；4中间为湍流区；5u越大，层流底层越薄；max0.82uu平均8/72.64eRd湍流层流非牛顿流体在圆管中湍流流动湍流时的速度分布dydue)(1与流向垂直的脉动速度使得流体产生涡流粘性。湍流流体内部产生的剪应力τ等于分子粘性（层流粘性）产生的剪应力τ1和涡流产生的剪应力τe之和，即流体作湍流流动时的剪应力非牛顿流体在圆管中湍流流动L4pDwDu8_层流流动湍流流动图2-29一般流动曲线流体作湍流流动时的剪应力非牛顿流体在圆管中湍流流动随着湍流的出现，管壁剪切应力急剧增加。湍流时的压力降—冯卡门(Von-Karman)方程非牛顿流体在圆管中湍流流动非牛顿流体在光滑圆管中湍流流动时2''Re()'1'8nnnnρuDNK--×=1'/2Re()0.751.21/214.00.4lg''nnNffnn用试差法计算摩擦系数fn′=1，牛顿流体的Von-Karman方程Re()nρuDNμ=1/2Re1/214.0lg0.4Nff非牛顿流体在圆管中湍流流动f是非牛顿流体雷诺数NRe（n）的函数。当NRe（n）超过2100后，层流向湍流过渡。非牛顿流体的过渡区一般较宽，n′值越小，过渡区越宽。f与NRe（n）和n′近似成直线关系()Re()bnfaN-=a和b是n′的函数。湍流时的压力降—冯卡门(Von-Karman)方程非牛顿流体流变性的测量落球粘度计旋转锥板/平板粘度计旋转圆筒粘度计毛细管挤出流变仪VISCOBALL落球黏度计产地：西班牙1.Hoeppler黏度计落球黏度计非牛顿流体流变性的测量原理：半径为d，密度为的圆球，在黏度为，密度为的无限延伸的液体中运动时，测量小球下降距离S所需时间t。s应用：测低切变速率下零切黏度落球黏度计非牛顿流体流变性的测量测量小球下降时间，以Stokes方程计算黏度值：Stokes黏度：Faxen修正式：如果所用圆管和圆球的尺寸一定，并固定下降距离S：K0为仪器常数，用于已知粘度的液体进行标定。剪切速率：v为小球下降速率，在试验范围内剪切速率在0.1S-1左右测定的黏度接近于零剪切粘度,常用于测定黏度较高的牛顿或非牛顿流体。落球黏度计非牛顿流体流变性的测量结构：同一轴线上的圆锥和圆板，圆板固定不动，圆锥以一定的角速度ω旋转，被测液体在圆锥与圆板的缝隙中受到剪切作用。圆锥角设计要小，一般要求使使流体中的剪切速率一致。通过圆锥的旋转角速度ω计算剪切速率，通过测得的扭矩M来计算剪切应力04tan旋转锥板黏度计(一)r0drdr旋转锥板黏度计测量原理非牛顿流体流变性的测量注意：剪切速率与圆板上的位置r无关。即圆板上任何部位流体的剪切速率和剪切应力均为一常数，因此，特别方便于非牛顿流体流变数据的处理。旋转锥板黏度计测量原理r0drdr旋转锥板黏度计(一)圆板上距圆板中心距离为r该点的线速率为，在该点的试样厚度为，因此在该点的剪切速率为：非牛顿流体流变性的测量剪切速率的计算302(:)3rMNm单位,rrdrdrdrd把作为方位角，则在和及和之间所围成的微元面积由于黏性所产生的扭矩为：0Mr可由测量得到，和为已知，则0222200rdMdArrdrdrrddrrdrdMrdrd旋转锥板黏度计(二)旋转锥板黏度计测定原理非牛顿流体流变性的测量剪切应力的计算旋转锥板黏度计测定原理00000220033.33233/23322rMrdrdrMrMMrr非牛顿流体流变性的测量以上是根据小锥角和牛顿流体推导所得，但只要锥角很小，对非牛顿流体也同样适用。优点：能在较宽剪切速率和剪切应力范围内测量，被测试样中气泡易于排除，测量试样需要量小,仅需样品0.1[ml]。试样可测量粘度范围为宽，剪切应力范围为宽，剪切速率为宽。旋转锥板黏度计适用范围非牛顿流体流变性的测量结构：两个圆筒，内筒静止不动，外筒以一定速度旋转(或外筒静止，内筒旋转)，内外圆筒的环形缝隙中充填被测液体，由于外筒的旋转产生扭矩，使液体受到剪切作用并传递到内筒上，使内筒也扭转一个小角度。由外筒的旋转角速度ω来计算，由内筒产生的扭矩M计算τ，但和与在缝隙中的位置有关。旋转圆筒黏度计非牛顿流体流变性的测量12r322112221212221rrhr2,222,rrMrrhMrrhMrhrhrr设内筒半径为，外筒半径为，内筒浸液高度为，若忽略筒底以下流体所造成的阻力，则可获得里轴中心半径处地剪切应力。；轴中心处的剪切应力为稳态下，缝隙中任一点的扭矩相等其中和分别为内筒壁和外筒壁处的剪切应力。剪切应力与半径平方成反比。内筒壁处最大,外筒壁处最小。旋转圆筒黏度计非牛顿流体流变性的测量2212222121222222121(),11()42,rrrfMhrrrrrrrrrr对于牛顿流体，轴中心处的为剪切速率也与半径平方成反比。随流体类型而定：时，可用下面的方程式计算利用)(,)(2101fdf旋转圆筒黏度计非牛顿流体流变性的测量2212r221222221i22i2221(),m11=22r2=2NNNNNNNrrNNNNNNfmMNhrrrrNmrrrrNrr对幂律流体，带入上式积分离轴中心处地剪切速率为：内圆筒壁的剪切速率为：测定某一角速度ω下的扭矩M，就可计算内筒壁处的剪切应力及剪切速率ii主要部件：直径为D，长度为L的毛细管.将被测液体于一定压力下，在毛细管中挤出，测量其流量Q和压差△P。△P作为剪切应力的尺度Q作为剪切速率的尺度对牛顿流体，挤出流变仪中的压力加倍，流动速率也加倍，所以Q-△P曲线为一直线。毛细管挤出流变仪非牛顿流体流变性的测量管壁处的剪切应力为：非牛顿流体流变性的测量LpRLpDw24毛细管挤出流变仪管壁处的剪切速率牛顿流体：48πRpQμL48πRpμQL348WWτQuγμπRD幂律流体：非牛顿流体流变性的测量NlglgRQ4L2pRwa.3a.w直线的斜率即所求之流动曲线，作,wanNNpQ上式中都有非牛顿行为指数的倒数为了求取，可在一系列的下，测定相应的流量，并假设是牛顿型，按下式计算出和毛细管挤出流变仪非牛顿流体流变性的测量上述推导都是假定毛细管是无限长的情况，实际应用时毛细管的长度是有限的，此时需作“入口校正”。实验结果表明，当毛细管的长／径比＞40时，测量结果可不作校正。最常用的流变仪非牛顿流体流变性的测量第五章搅拌聚合釜内流体的流动与混合本章主要内容(ChapterOutline)搅拌聚合釜的基本概念，搅拌釜的结构及搅拌器的作用搅拌器的设计步骤，方法：均相聚合——“混合和搅动”类型聚合釜搅拌器的设计非均相聚合——“分散和悬浮”类型聚合釜搅拌器的设计聚合反应工程搅拌聚合釜设计的一般步骤：分析和理解搅拌器的作用.针对具体聚合过程正确选择搅拌器的型式.搅拌过程是一个流体动力过程，理论基础是流体动力学.论述搅拌器的尺寸、转速和功率的设计方法.在此基础上进一步着重讨论不同聚合方法对搅拌过程提出的要求，使在设计搅拌聚合釜时具有一定的理论分析基础.本章重点及难点(Focusandemphasis)聚合反应工程第一节概述第一节概述装有搅拌器的釜式反应器（搅拌釜）第一节概述装有搅拌器的釜式反应器（搅拌釜）第一节概述LCSeriesStirredReactionVessels装有搅拌器的装置：聚合釜，原料配制槽，加料罐，凝聚罐，桨料沉析槽，贮槽等第一节概述第一节概述☻混合系使两种或多种互溶或不互溶液体按工艺要求混合均匀。☻搅拌系使物料强烈地流动，以提高传热、传质速率☻悬浮系使小固体颗粒在液体中均匀悬浮，以达到加速溶解、强化浸取、促进液-固相反应、防止沉降等目的。☻分散则使气体、液体在流体中充分分散成细小的气泡或液滴、增加相接触表面，以促进传质或化学反应，并满足聚合物对粒度的要求。机械搅拌是解决混合问题的重要装置。搅拌兼有混合、搅动、悬浮、分散等多种功能。为满足上述要求，搅拌反应器应具有下述作用。(1)推动液体流动，混匀物料。(2)产生剪切力，分散物料，并使之悬浮。(3)增加流体的湍动，以提高传热速率。(4)加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率。(5)在高粘体系，可以更新表固，促使低分子物蒸出。搅拌器兼有多种功能和作用例如，在苯乙烯悬浮聚合过程中：混合、剪切分散、悬浮、提高传热系数等第一节概述•均相体系:使物料搅动以提高传热和传质速率，并使物料混合均匀.•非均相:还要求“分散相”被剪切分散在“连续相”中能保持稳定的均匀分布各种生产过程对搅拌釜的不同要求:混合和搅动作用，使固体或液滴在液体中保持悬浮状态。FCSeriesStirredReactionVessels第一节概述第一节概述为满足各种生产过程对搅拌不同的要求，搅拌器应具有一定的几何和技术特性：搅拌桨叶的型式、尺寸、转速、功率消耗以及挡板等搅拌和流动研究：经验，计算，模拟机械搅拌装置搅拌器是搅拌装置的核心部件，由它将机械能传递给液体。搅拌器作用类似于泵的叶轮，通常搅拌器又称之为叶轮，由浆叶,轴组成。第一节概述搅拌方式：机械搅拌、气流搅拌、射流搅拌、静态混合、管道混合等。第二节搅拌釜内流体的流动状况流体的流动状况，简称流况，可以定义为“在整个搅拌容器中流体速度向量的方向”。☻宏观状况（宏观流动）☻微观状况（微观流动）流体的流动与许多因素有关如•搅拌方式，搅拌器的几何型式、尺寸、安装位置•釜体和釜内构件(挡板、导流简)的几何型式、尺寸、安装位置•操作条件(转速)•所处理物料的物性等。搅拌的各种作用依靠流体的流动实现第二节搅拌釜内流体的流动状况一、宏观流动（循环流动）宏观流动是指流体以大尺寸(凝集流体、气泡、液滴)在大范围(整个釜内空间)中的流动状况，所以也称循环流动。包括径向流动，轴向流动，切线流动第二节搅拌釜内流体的流动状况第二节搅拌釜内流体的流动状况第二节搅拌釜内流体的流动状况！轴向流动及径向流动对混合有利，能起混合搅动及悬浮作用，而切线流动则对混合不利，需设法消除第二节搅拌釜内流体的流动状况一、微观流动（剪切流动）微观流动是指流体以小尺寸(小气泡、液滴分散成更小的微滴)在小范围(气泡、液滴大小的空间)中的湍动状况。微观