聚合反应工程(华东理工大学)1.绪论.ppt

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1、聚合过程原理,绪论,聚合过程原理是研究工业聚合反应过程的重要课程，是高分子材料科学和化学工程科学的交叉课程。通过本课程的学习，旨在初步掌握工业聚合反应工程的实施方法，熟悉高聚物典型产品的生产过程。为从事高聚物合成生产，聚合过程技术开发打下埸础。,绪论,课程安排,总学时：48,本课程的主要内容：,1绪论（2学时） 1.1高聚物合成工业概述 1.2高聚物合成树脂的开发过程 1.3本课程的地位、结构、作用和任务 2高聚物合成的原料准备（2学时） 2.1生产单体的原料路线 2.2聚合原料的准备和精制 2.3催化剂（或引发剂）的配制,3高聚物合成生产工艺（20学时） 3.1自由基聚合生产工艺 3.1.1

2、本体聚合生产工艺(有机玻璃,高压聚乙烯等) 3.1.2乳液聚合生产工艺(丁苯橡胶,聚氯乙烯等) 3.1.3悬浮聚合生产工艺(聚氯乙烯等) 3.1.4溶液聚合生产工艺(腈纶等) 3.2离子聚合和配位聚合生产工艺(聚丙烯,低压聚乙烯等) 3.3缩聚生产工艺 3.3.1热塑性高聚物生产工艺(涤纶,尼龙等) 3.3.2热固性高聚物生产工艺(酚醛树脂,环氧树脂等) 3.4逐步加成聚合物生产工艺,4聚合反应工程分析（16学时） 4.1化学反应工程基础 4.1.1均相反应动力学 4.1.2理想流动和理想反应器的设计 4.1.3连续流动反应器的停留时间分布 4.1.4流动模型 4.1.5返混对化学反应的影响

3、4.1.6混合态对化学反应的影响 4.2连锁聚合工程分析 4.2.1间歇聚合时的聚合度和聚合度分布 4.2.2连续聚合时的聚合度和聚合度分布 4.3缩聚反应工程分析 4.3.1间歇聚合时的聚合度和聚合度分布 4.3.2连续聚合时的聚合度和聚合度分布 4.4自由基共聚工程分析,5聚合反应器（4学时） 5.1聚合反应器的种类 5.2搅拌聚合釜内流体的流动与混合 5.2.1搅拌聚合釜的结构和流体流动状况 5.2.2搅拌聚合釜的搅拌功率 5.2.3搅拌器的流动特性 5.2.4搅拌器的混合特性 5.2.5搅拌器的分散特性 5.3搅拌聚合釜的传热 5.3.1搅拌聚合釜传热方式 5.3.2搅拌聚合釜的工程分

4、析与计算 5.3.3搅拌聚合釜的热稳定性 6聚合物的后处理过程（2学时）,天然高分子材料：天然纤维、天然橡胶、天然树脂、 动物的皮革、毛丝等。,19世纪中期：改性天然高分子材料，如：硫化天然橡胶、 赛璐璐、人造丝等。,19世纪后期20世纪：工业化人工合成高分子材料，如： 酚醛树脂、丁苯橡胶、尼龙66、聚氯乙稀等等。,进入21世纪：新材料的发展已成为高新技术的三大支柱之一。,高分子合成工业的发展过程,高分子合成工业的发展过程,高分子材料发展的两个阶段：,、以煤和粮食为原料的阶段；,、以石油为原料的阶段。,石油原料路线：,石油开采工业,石油炼制工业,基本有机工业,高分子合成工业,高分子材料成型工业

5、,高分子合成工业的发展过程,高分子材料在国民经济和社会发展中的作用,以三大合成材料(合成树脂、合成纤维、合成橡胶)为代表的高分子合成材料工业为农业、机械、交通、建筑、电子、信息等行业的发展提供了必需的材料。,农用材料,以三大合成材料(合成树脂、合成纤维、合成橡胶)为代表的高分子合成材料工业为农业、机械、交通、建筑、电子、信息等行业的发展提供了必需的材料。,高分子材料在国民经济和社会发展中的作用,机械材料,包装材料,高分子材料在国民经济和社会发展中的作用,以三大合成材料(合成树脂、合成纤维、合成橡胶)为代表的高分子合成材料工业为农业、机械、交通、建筑、电子、信息等行业的发展提供了必需的材料。,建

6、筑材料,交通材料,高分子材料在国民经济和社会发展中的作用,以三大合成材料(合成树脂、合成纤维、合成橡胶)为代表的高分子合成材料工业为农业、机械、交通、建筑、电子、信息等行业的发展提供了必需的材料。,电子、信息材料,高分子材料在国民经济和社会发展中的作用,涂料：保护着世界上数以亿吨计的钢铁免遭腐蚀，并使建筑、机电产品、家具等变得丰富多彩、质量可靠。,特氟龙不粘涂料,内墙涂料和家具涂料,粘合材料：保证材料原有性能的前提下，可以把各种性能各异的基材结合在一起。,高分子材料在国民经济和社会发展中的作用,模型用粘结剂,高温（耐火砖）粘结剂,功能高分子材料：包括高分子分离膜、感光高分子材料、光导纤维、变色

7、高分子材料、高分子液晶、超电导高分子材料、光电导高分子材料、压电高分子材料、热电高分子材料、高分子磁体、医用高分子材料、高分子医药以及仿生高分子材料等。,高分子材料在国民经济和社会发展中的作用,功能高分子材料是军事技术、电子信息技术、医疗卫生以及国民经济各个领域迫切需要的具有高功能、新功能的材料。是当今在材料应用和研究工作十分活跃领域。,具有形状记忆功能的材料,全国三大合成材料产量（单位：万吨）,我国高分子材料合成工业现状及发展,2003年我国合成树脂的生产与消费状况（单位：万吨）,我国高分子材料合成工业现状及发展,2005年我国和世界合成树脂的生产与消费状况（单位：万吨）,我国高分子材料合成

8、工业现状及发展,2003年我国和世界主要国家和地区合成橡胶生产（万吨）,我国高分子材料合成工业现状及发展,我国高分子材料合成工业现状及发展,2005年我国和世界主要国家和地区合成橡胶生产（万吨）,我国高分子材料合成工业现状及发展,2003年我国和世界主要国家和地区合成纤维生产（万吨）,我国高分子材料合成工业现状及发展,我国的高分子材料合成工业从无到有、从小到大，发展至今已形成一个完整的工业体系。我国大宗化工材料已在世界占有重要地位，已有多种高分子材料重要品种的生产能力进入了世界前几名。,我国高分子合成工业存在的劣势：,1、生产能力不足。目前我国进口的主要高分子材料总量几乎与国内生产总量相当。,

9、2、品种牌号太少，继续创新能力不足。,3、信息技术的应用差距大。我国还没有全面普及DCS控制系统。,4、技术储备不足，技术创新力度小。,21世纪高分子材料合成工业的发展趋势,扩大产能及装置大型化,(1) 扩大产能,近几十年来，石化工业不断向大型化、超大型化方向发展。,乙烯装置的产能变化：,11万吨/年,8090万吨/年,60万吨/年,30万吨/年,100万吨/年,(2) 装置大型化,核心设备：聚合反应釜。,以PVC为例，聚合釜体积变化：,7M3,80M3(天津) （如图）,33M3,13.5M3,127M3（日本）,200M3（德国）,规模与成本成反比规模经济,21世纪高分子材料合成工业的发展

10、趋势,产品结构调整,目前我国产品所面临的问题：结构不合理、品种牌号单一、档次低、附加值低等。,解决对策：,1、研究开发差别化产品并迅速投入生产；,2、努力解决产品成本高、质量波动的问题；,3、对传统企业进行扩大、重组，提高市场竞争力；,4、企业必须强化质量管理、提高生产技术水平、更积极地采用新工艺、新 设备和先进地控制系统，使质量稳定提高。,21世纪高分子材料合成工业的发展趋势,聚合物制备工程理论基础,高分子材料科学,高分子物理,高分子化学,聚合物成型加工,化学工程学,高分子材料科学与化学工程学的理论基础作用,高分子传递过程,聚合反应工程,粘性物流体力学等,（高分子化合物的分子设计及合成，聚合

11、反应和方法）,（材料的分子设计）,（高分子材料的应用）,21世纪高分子材料合成工业的发展趋势,催化剂的重大作用,催化剂的研究改进方向：,（1） 提高催化效率以增加生产能力和生产效率并降低成本；,（2） 改进催化剂来提高聚合物性能。, 提高了催化效率；, 改变了聚合工艺（聚合后处理大大简化）。,茂金属催化剂/甲基铝氧烷高效催化剂体系,特点：, 单活性中心，有极高的选择性, 反应活性比普通Ziegler-Natta催化剂高得多,21世纪高分子材料合成工业的发展趋势,合成、加工应用的一体化,合成是高分子材料创新的主要源泉，是新技术和现有技术改进中的关键因素。,但随着装置大型化，依靠合成开发新牌号产品

12、的成本越来越高，而依据测试、加工应用研究成果可以很方便地利用二次加工手段开发新产品。,测试、加工应用研究已变成了开发新产品最直接、最重要地途径之一。,以生产企业为主体，材料科学与材料工程，生产与研究、教学与科研地密切结合，形成一个产、学、研统一体。,21世纪高分子材料合成工业的发展趋势,计算机、信息技术迅速推广应用,当前高分子材料工业计算机化和信息化的主要特征：生产过程和经营过程的集成化与科学化。,计算机和信息技术在高分子材料工业中的主要应用有：,（1） 采用更精确的数学模型进行分子设计，推动新的高分子材料研究开发；,（2） 化工过程的模拟与工艺放大，最常用的是流程模拟和单元过程模拟；,（3）

13、 建立柔性生产系统，通过多级计算机系统，把生产工艺中若干独立生产单元组的物料流和信息流、能源流结合起来，集中进行调度，分散进行控制。,计算机集成信息系统（CIIS）；,集散控制系统（DCS）；,TCS柔性控制系统。,21世纪高分子材料合成工业的发展趋势,发展清洁生产、注重可持续发展,清洁生产是可持续发展的重要技术手段，是在满足人类对产品需求的同时又在保持生态多样性的前提下提高资源和能源的利用率。,清洁生产可采用四个等级进行控制： 1.提高化学反应转化率和选择率，减少污染来源 ，实现“零排放” ； 2.将不可避免的废料经过处理，作为原料再循环利用； 3.将不可循环的废料进行无毒化后处理，使其对环

14、境的影响降到最小； 4.将处理过的“三废”有选择的向环境（水域、大气）排放。,21世纪高分子材料合成工业的发展趋势,增强技术创新能力、培养高素质人才,技术创新包括基础研究、应用研究、试验开发、生产应用及销售五个阶段。,（1） 首先着眼市场容量；,（2） 必须适应用户的各种标准；,（3） 把下游产品的变动也作为材料新产品开发工作的组成部分；,技术创新方法：,（4） 最求最大市场效益；,（5） 为保持产品的旺销，必须不断开发、不断改进、不断推出新牌号。,发展我国的高分子材料工业，关键在人才。,高分子合成工业的开发,第二章、高分子合成工业的开发,高分子合成工业的特点,高分子合成工业的任务就是在工业反

15、应器中将单体变成聚合物。涉及两个过程：聚合反应过程和反应物料体系在工业反应器内的复杂传递过程。,与低分子化学反应相比，聚合反应的实施具有以下特点：,（1）、根据单体特性的不同，有着多种多样的聚合反应机理、物系组成和聚合产物的类别，对各个类型的体系又都有其本身的物理和化学特性，并且采用不同的聚合方法。,（2）、考察聚合产物的平均分子量及分子量分布、产物分子的结构和空间排列状况。,（4）、聚合反应过程中放热和散热的矛盾特别尖锐，往往成为过程开发中的关键所在。,（3）、聚合反应随着聚合过程的进行物料分子量增加，粘度急剧上升，其流变状况多为非牛顿流体或多向流体，因此在物料的流动、搅拌、混合方面产生一系

16、列问题。,（5）、聚合反应工程的理论发展落后于高分子合成工业的发展，使得高分子合成工业的发展相对于其他化学工业的发展要困难得多。,高分子合成工业的特点,高分子合成工业开发的内容和任务,高分子合成工业过程：,原料,聚合过程,分离,后处理,引发剂,成品,包装,回收,高分子合成工业开发的内容和任务,高分子合成工业开发：,高分子合成工业工艺开发：结合聚合反应的特性选择聚合 方法，确定聚合反应条件 。,高分子合成工业工程开发：核心任务是聚合反应器的开发。,为特定的聚合反应选择聚合方法；为特定的聚合方法选择聚合反应器。这就是高聚物合成工业所面临的主要任务。,高分子合成工业开发的内容和任务,其具体内容可分解为：,（1）确定高聚物合成的工艺路线；,（5）改进和强化现有反应技术和设备的能力，实现反应过程的最优化；,（2）解决高聚物合成的方法；,（3）确定高聚物合成的工程设备；,（4）确定高聚物合成的操作工艺条件；,（6）指导和解决反应过程开发中的放大问题。,高分子合成工业的开发过程开发过程,