StateKeyLab.ofPolymerReactionEngineering

CollegeofMaterialsScience&ChemicalEng.

ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,P.R.China

TelEmail:fenglf@攪拌反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)

——我的理解馮連芳教授浙江大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院聚合反應(yīng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室攪拌反應(yīng)器構(gòu)成：2常用的攪拌器：31.空心夾套3.螺旋導(dǎo)流板夾套2.噴咀4.半管夾套5.內(nèi)部夾套NEW!常用的夾套：4常用的擋板：5常用的內(nèi)冷管：6帶刮壁機(jī)構(gòu)的導(dǎo)流筒7錐螺帶(VCR)前進(jìn)式(AR)最大葉片式泛能式葉片組合式扭格子式EKATO同軸多臂行星式真空乳化釜新型立式攪拌8LIAS-AP瑞士LIST全相型BIVOLAK(住友重機(jī)全相型)(三菱重工)HVRSCR新型臥式攪拌砂磨機(jī)CONTERNA(德國(guó)連續(xù)捏和機(jī))9攪拌反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)攪拌器的選型原則？攪拌反應(yīng)器的放大準(zhǔn)則？10攪拌器的分類選型注:有○者為合用，表元中空白者為不詳或不合用。11低粘度高粘度10410310210110-110-210-3粘度(Pa·s)常見(jiàn)物質(zhì)的粘度水：約1mPa·s低粘乳液：約數(shù)mPa·s重油：約數(shù)十mPa·s潤(rùn)滑油：約0.1Pa·s蜂蜜：約1Pa·s涂料：約數(shù)Pa·s油墨：約數(shù)十Pa·s牙膏：約50Pa·s口香糖：約100Pa·s嵌縫膠：約千Pa·s塑料熔體：近萬(wàn)Pa·s橡膠混合物：近萬(wàn)Pa·s攪拌器的粘度選型12攪拌釜幾何相似放大法幾何相似放大法其實(shí)只回答一個(gè)問(wèn)題：在直徑為D1的中試槽中，當(dāng)轉(zhuǎn)速為N1時(shí)能獲滿意結(jié)果；則在直徑為D2的工業(yè)槽中，轉(zhuǎn)速N2為多少時(shí)能重復(fù)中試槽的結(jié)果？幾何相似法可歸結(jié)為：(N2/N1)~(D2/D1)-b，故求取b值是幾何相似放大的核心。13常用的幾何相似放大準(zhǔn)則著眼的過(guò)程放大過(guò)程中需保持恒等的量（準(zhǔn)則）14問(wèn)題的提出：反應(yīng)器選型與設(shè)計(jì)強(qiáng)烈依賴經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)，對(duì)其的優(yōu)劣很難用理論預(yù)測(cè)。

逐級(jí)放大來(lái)以達(dá)到攪拌設(shè)備被要求的傳質(zhì)、傳熱和混合，周期長(zhǎng)、耗費(fèi)大。15問(wèn)題的提出：幾何相似放大的缺陷：誤區(qū)：幾何相似＝動(dòng)力相似釋：幾何相似條件下若Re和Fr都相等，則動(dòng)力相似。然而，Re=d2Nr/h，F(xiàn)r=dN2/g，除非(h/r)2/(h/r)1=(D2/D1)3/2，否則不可能Re和Fr同時(shí)相等。單位體積傳熱面積的下降，反應(yīng)器內(nèi)熱傳導(dǎo)距離增加單位體積傳質(zhì)界面的減少（脫揮？），傳質(zhì)路徑增加僅單一特征混合參數(shù)的相同16幾何相似放大準(zhǔn)則舉例取不同的放大準(zhǔn)則可使過(guò)程能耗相差很大，必須予以重視。保持Qd／V恒定（即翻轉(zhuǎn)次數(shù)恒定）的放大法是最耗能的放大法。而保持Re恒定，一般不能重現(xiàn)過(guò)程結(jié)果。實(shí)用的放大法是保持Pv恒定或Nd恒定，或取二者之間。×17反應(yīng)器傳熱能力變化(湍流)使用上表的三種放大準(zhǔn)則時(shí)，隨槽徑增大，單位體積傳熱量Q／V均以較大幅度下降。以N3d2或Nd恒定放大時(shí)，二者的Q／V相差無(wú)幾，所以若攪拌槽中僅進(jìn)行傳熱過(guò)程時(shí)，可采用省能的使Nd恒等的放大法。18反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)的突破

？19攪拌反應(yīng)器放大的根本目標(biāo)反應(yīng)器放大就是在小試或中試工藝研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用化學(xué)工程原理進(jìn)行工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器設(shè)計(jì)的技術(shù)。其要求是在工業(yè)反應(yīng)器中重現(xiàn)小試或中試的過(guò)程結(jié)果。過(guò)程結(jié)果是指⑴反應(yīng)速率、⑵收率、⑶產(chǎn)品質(zhì)量（分子量、顆粒形態(tài)等）。20反應(yīng)器放大基本準(zhǔn)則影響過(guò)程結(jié)果的因素有溫度、濃度、傳質(zhì)和剪切率（非均相）四個(gè)變量。若工業(yè)反應(yīng)器中每個(gè)反應(yīng)單元的溫度、濃度、傳質(zhì)和所受剪切率與小試或中試一樣，工業(yè)反應(yīng)器的過(guò)程結(jié)果必然與小試或中試相近，放大問(wèn)題就解決了。21“放大問(wèn)題”的轉(zhuǎn)移如何實(shí)現(xiàn)溫度、濃度、傳質(zhì)和剪切的相同？過(guò)程結(jié)果：速率、收率、質(zhì)量過(guò)程狀態(tài)：溫度、濃度、傳質(zhì)、剪切影響22攪拌反應(yīng)器放大的實(shí)現(xiàn)策略不同規(guī)模反應(yīng)器中溫度、濃度、傳質(zhì)和剪切率的完全相同實(shí)際上是不可能的！放大技術(shù)的主要手法就是千方百計(jì)使工業(yè)反應(yīng)器中的溫度、濃度、傳質(zhì)和剪切率這四者的平均值及其分布與中試反應(yīng)器相近。許多場(chǎng)合并非要求工業(yè)反應(yīng)器中重現(xiàn)中試反應(yīng)器的所有過(guò)程結(jié)果，有些反應(yīng)也并不對(duì)上述四個(gè)量都敏感，放大設(shè)計(jì)就有可能簡(jiǎn)化。23對(duì)策1：非幾何相似放大幾何相似放大法通常僅適合于簡(jiǎn)單的物理過(guò)程，對(duì)于聚合反應(yīng)這樣的復(fù)雜過(guò)程無(wú)能為力。幾何相似僅是簡(jiǎn)化放大計(jì)算的手段，反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)完全沒(méi)有必要被幾何相似所制約。反應(yīng)器非幾何相似放大的實(shí)質(zhì)——使工業(yè)反應(yīng)器中盡可能多的混合參數(shù)與中試相同，從而能使工業(yè)中更好地重復(fù)中試的過(guò)程結(jié)果。24非幾何相似放大法明確所著手的反應(yīng)中那些是必須重現(xiàn)的過(guò)程結(jié)果。通過(guò)一定規(guī)模的中試（至少幾十升），掌握影響主要過(guò)程結(jié)果的主要變量。明確關(guān)鍵混合參數(shù)。對(duì)于某個(gè)特定的反應(yīng)過(guò)程，并非在放大時(shí)需要大槽與小槽的全部混合參數(shù)相同。常用的混合參數(shù)：?jiǎn)挝惑w積攪拌功率PV、槳端線速度Ut、整體流速UA、循環(huán)次數(shù)NC、翻轉(zhuǎn)次數(shù)NT、單位體積傳熱面FU、雷諾數(shù)Re25非幾何相似放大法不是在放大過(guò)程中簡(jiǎn)單地要求某個(gè)混合參數(shù)（如PV、Nd等）恒等便能解決放大問(wèn)題。有時(shí)要求一個(gè)混合參數(shù)的某個(gè)冪值恒等可能同時(shí)還要求另一個(gè)混合參數(shù)需大于某個(gè)臨界值有時(shí)還可能要有第三和第四個(gè)需同時(shí)滿足的條件更復(fù)雜的情況是隨反應(yīng)的進(jìn)行物料的物性發(fā)生變化，這時(shí)放大準(zhǔn)則也要相應(yīng)改變。如在聚合初期與聚合后期可能需要不同的攪拌轉(zhuǎn)速。進(jìn)一步，反應(yīng)器放大時(shí)可采用一切物理的和化學(xué)的手段，必要時(shí)可在一定范圍內(nèi)改變配方。26攪拌等級(jí)整體流速（m／s）說(shuō)明120.03050.0610

1級(jí)和2級(jí)攪拌適用于要求最低整體流速的工藝過(guò)程，2級(jí)攪拌的能力為：①可將液體相對(duì)密度差小于0.1的互溶液體混合均勻；②如果大量的液體的粘度小于其它液體粘度的1／100時(shí)，可把互溶液體混合均勻；③可使不同批量的液體物料在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)達(dá)到混合；④可使混合物料表面產(chǎn)生平穩(wěn)的流動(dòng)。34560.09140.1120.1520.183

3至6級(jí)攪拌適用于化工中大多數(shù)混合操作，6級(jí)攪拌的能力為：①可將液體相對(duì)密度差小于0.6的互溶液體混合均勻；②如果大量的液體的粘度小于其它液體粘度的1／10000時(shí)，可把互溶液體混合均勻；③可使小于2％的、沉降速度為0.0102~0.0203m／s的微量固體懸浮；④可使粘度較低的液體表面產(chǎn)生小的波動(dòng)。789100.2130.2440.2740.305

7至10級(jí)攪拌適用于要求高整體流速的工藝過(guò)程，如要求強(qiáng)烈攪拌的反應(yīng)器，10級(jí)攪拌的能力為：①可將液體相對(duì)密度差小于1.0的互溶液體混合均勻；②如果大量的液體的粘度小于其它液體粘度的1／100000時(shí)，可把互溶液體混合均勻；③可使小于2％的、沉降速度為0.0203~0.0305m／s的微量固體懸浮；④可使粘度較低的液體表面產(chǎn)生激烈的湍動(dòng)。《ChemicalEngineering》雜志在1976年發(fā)表

例1：整體流速法（低粘均相）27對(duì)于均相混合攪拌槽，用整體流速的設(shè)計(jì)法可以看作最簡(jiǎn)單的非幾何相似放大法。該法適用于不同尺寸、不同攪拌器（低粘）。按上表，若要達(dá)到6級(jí)混合強(qiáng)度，只要整體流速達(dá)到0.183m/s便可。可以使用A310葉輪，也可使用45°折葉渦輪，甚至可使用標(biāo)準(zhǔn)盤式渦輪，當(dāng)然使用不同葉輪其能耗有很大差別。非幾何相似放大－整體流速法28例2：氯乙烯懸浮聚合反應(yīng)器放大放大準(zhǔn)則：液液分散，顆粒大小與形態(tài)

PV=1~1.2kW/m3聚合物分子量（全槽溫差小于0.2℃）

循環(huán)次數(shù)NC大于每分鐘7次反應(yīng)器高空時(shí)產(chǎn)率

有足夠的傳熱能力（內(nèi)夾套）

復(fù)合引發(fā)劑，均勻放熱29攪拌器選型底伸式三葉后掠式葉輪（液液分散、顆粒分布、大型化、內(nèi)構(gòu)件簡(jiǎn)化）。在開(kāi)發(fā)80m3釜前國(guó)內(nèi)沒(méi)有使用三葉后掠式槳生產(chǎn)PVC的裝置。對(duì)釜的長(zhǎng)徑比、槳徑/槽徑比、葉片寬/槽徑比、葉片截面形狀對(duì)NP、NC的影響，以及夾套和內(nèi)冷管的傳熱作了系統(tǒng)的研究。30PV=Nprn3d5/VNC=NqcNd3/V混合參數(shù)的冷模研究NP

(d/D)-1.1(b/D)0.9Nqd(d/D)-1.1(b/D)0.4Nqc=Nqd{1+0.16[(D/d)2-1]}31符合PVC懸浮聚合反應(yīng)器放大準(zhǔn)則的方案實(shí)際采用第2方案，一次試車成功。放大方案的實(shí)施32國(guó)產(chǎn)30m3國(guó)產(chǎn)80m3日本信越127m3工業(yè)級(jí)PVC聚合釜33美國(guó)Goodrich70m3德國(guó)Huls200m3日本神鋼泛技術(shù)75m3工業(yè)級(jí)PVC聚合釜34日本往友重機(jī)的二種新PVC反應(yīng)器(90m3以上)NEW！內(nèi)夾套：KA↑40％新攪拌：KA↑20％35對(duì)策2：混合設(shè)備智能設(shè)計(jì)？設(shè)計(jì)空間大應(yīng)用體系、攪拌設(shè)備、操作條件和物性的多樣性設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)和公式雜亂分散且不系統(tǒng)，適用范圍窄對(duì)設(shè)計(jì)者要求較高涉及化工、機(jī)械和混合技術(shù)等多方面知識(shí)人工實(shí)現(xiàn)復(fù)雜耗時(shí)且易出錯(cuò)

設(shè)計(jì)理論不健全與塔器等過(guò)程設(shè)備相比，無(wú)完善設(shè)計(jì)理論需要領(lǐng)域?qū)＜覒{借豐富的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)36實(shí)現(xiàn)方法：決策分析＋規(guī)則＋實(shí)例預(yù)選型過(guò)程設(shè)計(jì)專家決策系統(tǒng)規(guī)則基專家系統(tǒng)實(shí)例基專家系統(tǒng)知識(shí)的采集、表示和處理混合設(shè)備的智能化設(shè)計(jì)混合設(shè)備設(shè)計(jì)的問(wèn)題37對(duì)策3：CFD輔助設(shè)計(jì)WhereisCFDused?AerospaceAppliancesAutomotiveBiomedicalChemicalProcessingHVAC&RHydraulicsMarineOil&GasPowerGenerationSportsF18StoreSeparationComputationalFluidDynamics

38CFD模擬（流場(chǎng)）6PTU-6DTd/D=0.45150rpm

39CFD模擬（混合）T＝0sT=7sT=40sT=92sT=118s40CFD模擬（氣含率分布）6PTU-6DTd/D=0.45250rpm

Q=10m3/h

41CFD模擬（LDPE聚合）42終結(jié)：設(shè)備放大－＞過(guò)程放大？如何有效利用反應(yīng)機(jī)理模型43宏觀尺度Macroscale介觀尺度Mesoscale微觀尺度Microscale反應(yīng)器特性CFD顆粒界面反應(yīng)機(jī)理動(dòng)力學(xué)過(guò)程尺度Process全局優(yōu)化ASPEN1.問(wèn)題的提出化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的多尺度44過(guò)程放大基礎(chǔ)（數(shù)學(xué)模型與模擬）熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型；非理想化學(xué)反應(yīng)器模型；模擬計(jì)算的軟件平臺(tái)：Fluent（反應(yīng)器CFD模擬）ASPENPlus（流程模擬）45結(jié)論：反應(yīng)器放大和優(yōu)化幾何相似放大（機(jī)械約束）非幾何相似放大（關(guān)鍵混合參數(shù)約束）如何實(shí)現(xiàn)溫度、濃度、傳質(zhì)和剪切率相同？數(shù)學(xué)模型放大（反應(yīng)機(jī)理與產(chǎn)品質(zhì)量約束）46間歇過(guò)程的連續(xù)化放大BatchchemistrylikemakeacupofTea–askilled,manualjobwithavariableoutputFlowsynthesisislikeanespressomachine–automated,reproducibl