第七章搅拌聚合釜的放大.pptx
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第七章搅拌聚合釜的放大.pptx
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第七章搅拌聚合釜的放大,反应釜是“心脏”。
聚合反应釜:
单体变成聚合物聚合物的主次性能,如聚合度及其分布、共聚物组成和序列分布、大分子结构、颗粒结构等反应釜效率(传热、搅拌)操作有关。
反应釜放大后:
大小反应釜间的等物理过程的变化(热量、质量传递及流体流动状况)速度分布、温度分布、浓度分布及停留时间分布的差异反应的结果成功放大的标志是:
大小反应釜中的反应结果一致或近似。
放大方法:
数模放大:
通过动力学研究和模型,确定反应条件等对反应速率、产品质量和收率的关系,并建立数学模型(动力学模型)传递过程模型来描述。
设定过程参数,以得满意的产品质量、收率、和产量的最佳条件。
聚合反应,由于其动力学模型及传递过程模型均较难建立,难以用数模放大法。
数模放大相似放大,相似放大:
在配方不变的前提下,保证速度分布、浓度分布、温度分布和停留时间分布均与模型反应釜相同,反应结果相同。
四个分布相互间呈复杂的制约关系。
使四个分布在大小釜中完全相同很难。
放大时,要根据反应体系的特殊性,找出其中对反应结果影响最大的参数及其适应范围,并以此作为放大准则。
工业釜要求:
反应速率、产品质量和收率相同或基本相同。
7.2搅拌聚合釜的传热放大,搅拌釜的传热关联式为:
式中:
L为与传热面有关的代表性尺寸。
若釜的几何尺寸相似则:
若二釜物料相同,则,相同,上式可化简为:
大小釜中,几何尺寸间有比例关系,令L/D=S,则:
式中:
ND是搅拌浆的叶端速度。
令ND=v,与传热相关的尺寸为,令,线性放大比。
例:
b=0.5,=2(即几何尺寸放大一倍)1)若叶端速度相等:
式(7-6),2)若叶端速度为小釜两倍:
但要使叶端速度增加一倍,搅拌功率P要增加很多,因为PN3,这种放大法不经济。
传热下降是必然!
单位体积所具有的传热面也降低!
传热放大方法:
动力相似放大叶端速度相等放大;给热系数相等放大;单位体积搅拌功相等放大;单位体积传热速率相等放大;总传热系数相等放大。
1.动力相似放大NRe相等,,则,放大倍数较大时,要求小釜转数大,一般不用。
2.叶端速度相等放大放大时,下降较前者小3.给热系数相等放大,保持适当转数比,可保证不下降,常用,4.单位体积搅拌功相等放大,常用!
S取不同值。
见书P198。
5.平均单位传热速率相等放大不推荐!
6.总传热系数相等条件:
放大釜壁的热阻比较小,可以忽略。
大小釜几何形状相似,叶端速度,传热温度相等。
例题P198例,下降过多,节能,不同放大的情况见表7-1。
搅拌釜的功率准数NPNP=f(NRe,NFr)在几何相似的系统中,为保持二釜的搅拌动力相似,则应保持上式中的三个准数相等,即NP1=NP2NRe1=NRe2NFr1=NFr2但对同种物料同时保持NRe、NFr不变不可能的。
如釜径扩大1倍:
1)若NFr不变,NFr1=NFr22)若NRe不变,NRe1=NRe2,N2=0.707N1N2=0.25N1(P200),按不同体系采用不同的放大方法。
7.3搅拌聚合釜的搅拌放大,1均相液体间的混合,按混合时间数相等进行放大。
即,对均相液体间的混合,放大时只须保持大小釜的回转总数相等即可。
若要保持大小釜相同的混和时间,则应使二釜的转速相等,2以传热为主搅拌釜的放大,
(1)采用叶端速度相等放大,用叶端速度相等放大时,各参数的放大式为:
(2)采用传热PV相等放大,相关的:
(3)采用传热相等放大,当一定时,以PVr-b作图,可得图7-1。
可以看出,b值对放大后的功率消耗影响甚大。
P202PVr,b值,在b0.75时,PVr1,表明釜的单位体积输入功要比小釜大;,越大,PVr增加越多,用几个小釜代替大釜更有利。
当b0.75时,PVr1,放大后,大釜Pv比小釜小,,且随增加,Pv降低越多,若能保证其他参数以越大越好。
当b=0.75时,Pvr=1,表明放大后,大小釜的Pv相等。
这在任何放大倍数下,用同样的Pv可在大小釜中得到相等的a。
可按小试的结果直接进行放大。
相关的:
(4)固体悬浮体系可按悬浮程度放大相关的:
表7-3列出2,b=2/3时,按几何相似放大时,各参数的变化情况:
P203,按Pv相等放大及悬浮程度相等放大时,a下降不多,须增添的传热面较少,而颗粒的形态有保证。
按a相等放大功率消耗最多。
按ND相等放大及按悬浮程度相等放大时,a下降多,须增添的传热面多,但功率消耗少。
不同体系可根据表7-4选择。
几何相似放大的缺陷:
误区:
几何相似动力相似释:
几何相似条件下若Re和Fr都相等,则动力相似。
Re=d2Nr/h,Fr=dN2/g除非(h/r)2/(h/r)1=(D2/D1)3/2,否则不可能Re和Fr同时相等。
单位体积传热面积的下降,反应器内热传导距离增加单位体积传质界面的减少(脱挥?
),传质路径增加仅单一特征混合参数的相同,7.4非几何相似放大,非几何相似放大的实质是,在明确放大准则的基础上,通过改变浆型、釜中内部构件、桨叶几何尺寸等手段,使工业釜的操作状态能满足放大准则的要求。
即令工业釜和模试釜之间对过程结果有决定影响的混合参数相一致。
过程结果是指反应速率、收率、产品质量(分子量、颗粒形态等)。
影响过程结果的因素有温度、浓度、传质和剪切率(非均相)四个变量。
若工业反应器中每个反应单元的温度、浓度、传质和所受剪切率与小试或中试一样,工业反应器的过程结果必然与小试或中试相近,放大问题就解决了。
例:
为了给80m3PVC聚合釜的设计提供数据,在内径为0.4M,体积为80L的试验釜中进行冷模试验,试验釜与大型釜几何相似。
搅拌桨叶采用单层三叶后掠式,上翘角a为15,后掠角为50。
桨叶靠近釜底安装。
大型釜中为了增加传热面用四支D型挡板,内通冷却水。
试验釜中也按几何相似安装四支D型挡板。
试验釜中以水作搅拌介质,不同截流的桨叶进行研究得到下表所示的结果。
设Pv=1.2KW/m3循环次数Nc7次/min,求大釜N,P,PvPpoly=1.2Pwater,装料系数0.9,密度1090kg/M3粘度5.65x10-3,(解)1确定线性放大比,2.大釜传热系数Nc湍流时搅拌水时的功率Pw为:
三叶平板:
Np=1.76,核核大釜中NRe,取聚合液密度为1090kgm3,结果与假设一致为湍流。
循环次数Nc,因设计要求Nc7所以要提高循环次数
(1)桨叶形状及尺寸不变,提高转速。
Nc=7时的转速应为:
由计算可知,转速只从67rmin增至70rmin,而搅拌功率P却从96kw增至109kw。
所以N稍有改变对P的影响就很大。
(2)仍采用平板型桨叶,缩小桨径增加转速。
设DT=0.48D2=4x0.48=1.92m冷釜实验可知:
桨叶改变后相关值:
循环7次的转数,(3)增加桨宽b来提高循环次数设b/T=0.12D2=2m,循环7次的转数,(4)改变桨型,四种方案结果见表:
p208,从减少能耗角度看,以方案4最好(扁圆截面的桨叶。
考虑制造方便,方案2、3也可采用。
在大型釜中为了增大循环而同时又不使消耗功率过大,通常应采用较小为宜。
一、按几何相似理论确定放大准则对于几何相似体系,可在数个几何相似但容积不同的搅拌釜中进行试验。
求出在每个釜中能获得合格产品的转速。
由此确定转速N和桨径D间的关系。
此法是依几何相似来进行放大,放大准则最终归结为N与D间的比例关系。
7.5放大准则的确定,二、非几何相似理论确定放大准则,并不追求几何相似,而仅要求工业釜中的一个或几个主要混合参数与模试釜相似。
使用非几何相似理论来确定放大准则时,需详细分析各混合参数对过程结果的影响。
从中找出对过程结果最重要的混合参数并确定其允许的波动范围。
由于随转速的增加搅拌功率、叶端速度、循环量等混合参数也随之变动。
为此,使用非几何相似放大法由实验确定放大准则时,必须使用数种形式及几何尺寸不同的桨叶来区分各混合参数对过程的影响。
例如在一定转速下使用D/T相同,但b/T不同的平直叶涡轮来进行试验,若过程结果有变化,则可以肯定这变化与ND无关是由于Pv和NT引起的。
另外在求放大准则时,必须冷模试验与热模试验结合,在冷模试验中掌握釜型对各参数的影响,并求得实验关联式,再在热模试验中使用数种精心设计的搅拌釜研究各混合参数对过程结果的影响,以此决定放大准则。
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