卧式反应釜流场特性研究【字数：12094】
摘 要卧式聚合反应器被广泛用于气态单体的乳液聚合反应。卧式聚合反应器比立式聚合反应器具有更快的反应速率，同时树脂析出率明显较低，树脂各方面性能均优。卧式釜早期主要用于气、液传质，不同的过程其内部桨型结构相差较大。卧式聚合反应器内气、液传质的研究报道较少，特别是用于氟烯类单体乳液聚合的、具有特定搅拌桨型的气、液传质研究鲜见报道。因为卧式搅拌反应器中气液传质特性、聚合物的形态特征(如分子量及其分布、粒子大小及其分布)与反应器各结构及尺寸有着紧密的关系，所以我将用SOLIDWORKS，ICEM CFD，Fluent等软件研究卧式反应釜的特性。
目 录
1.研究背景1
1.1 聚合反应1
1.2 流体流动和混合1
1.3 合反应釜及放大设计2
1.4 实验目的及意义2
2.研究现状及发展趋势4
2.1 搅拌方式及釜内流型特点4
2.1.1搅拌方式和桨叶类型4
2.1.2搅拌器的选用6
2.1.3流型的影响因素7
2.2 流场测量技8
2.3 CFD仿真技术8
2.4 研 究 内 容8
3.卧式反应釜流场模拟10
3.1 物理模型10
3.1.1反应釜尺寸10
3.1.2桨叶类型及尺寸11
3.2 二叶平桨模拟结果分析11
3.2.1二叶直桨流场特性11
3.2.2叶片角度对二叶平桨搅拌效果的影响14
3.3 四叶平桨模拟结果分析16
3.3.1四叶直桨流场特性16
3.3.2叶片角度对四叶平桨搅拌效果的影响19
3.4 推进桨模拟结果分析20
3.5涡轮桨模拟结果分析23
3.6不同桨叶流型差异25
结语27
参考文献28
致谢29
1.研究背景
1.1聚合反应工程概述
半个多世纪以来，聚合物材料发展速度，远非其它材料所能比。主要是因为高分子化学与化学反应工程的发展与生产经验的积累。
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分子反应相比，聚合反应更为复杂，反应机理也更为丰富。因此，操作条件的微小变化往往会导致聚合速率等方面的差异影响聚合物的结构和性能。可以看出，对聚合过程的理解和掌握并不容易，特别是对聚合物体系转移过程的研究还不够，这限制了问题的深度。这是聚合物反应工程分支学科尚不成熟的主要原因。
聚合反应工程研究的内容以工业规模的聚合过程为对象，以聚合动力学、聚合物系的传递过程为基础，把两者结合起来，系统工程繁杂。简而言之，聚合反应工程研究的内容为：
1）进行聚合反应器的最佳设计和制作；
2）进行聚合反应操作的最佳设计和控制；
近年来，研究者们针对各种具体的聚合体系进行研究，建立数学模型，使聚合反应工程的研究能够更加向生产实际靠拢，但从目前聚合反应工程发展的水平来看，要解决工业聚合装置的设计和放大问题，仍要多数依靠经验。
聚合工程分析阶段主要内容以详细、定量的实验数据为基础，确定操作方式，选择聚合反应器。此时不仅考虑化学方面的因素，还要研究传递过程对化学反应的影响，确定哪些传递因素是有利的，哪些是无害的，以便能对聚合反应器作出最佳的选择。所以聚合反应器的设计、放大，是利用实验数据对聚合反应进行工程分析，目的是找出控制反应的诸多因素与聚合产物的性能间的关系，并以此作为反应器设计和操作规划的基础。另一方面，聚合物的制造不仅仅取决于聚合反应条件，而且与聚合体系的传递特性密切相关。
1.2流体流动和混合
搅拌是工业生产的重要组成部分，已应用于化工、能源、医药、食品、高分子合成材料、生物工程等领域。通过搅拌可以加速两种或两种以上性质不同的物质之间的传质，从而减小边界层厚度，增强传质，加速传热，使混合物快速均匀化。搅拌釜是化工领域的重要工艺设备。混合效应直接影响相关产业的生产率，甚至可能决定整个过程的可行性
宏观混合时，各微元中的分子始终保持在一起，而不与其他微元进行质量交换，所以每一微元可以看作是一个独立的间歇反应器，反应物体在微元中的反应程度取决于微元的停留时间，出口流体的组成则是各微元组成的平均值。微观混合时，各分子在反应器内自由运动，分子间相互混合作用，出口流体的组成和反应器内流体的组成是一样的。
搅拌釜内物料的混合是一个复杂的、非定常的、有限空间内强旋转湍流问题，经常伴随着强传质、传热甚至反应过程。搅拌釜内混合流体的流动、物料的均匀化、传热、传质和反应都取决于搅拌釜内流体的流动结构。不同的流场导致不同的混合效果。母亲表现出混合目的多样、混合过程复杂的特点，对混合的研究也进入了宏观研究与微观研究相结合而非宏观性能研究相结合的阶段。
1.3聚合反应釜及放大设计
物料发生反应的设备称之为反应器。反应器被称为化工生产的“心脏”，其任务不仅是让原料变成产物，而且还须控制产品的质量和副产物的产生。例如，反应器传热面的大小将影响到能否及时散热和生产能力，搅拌特性将影响到物料的混合程度和操作表面的更新等等。
釜式反应器是化学工业中最常用的反应器型式，可用于多种反应。随着生产规模的大型化发展，反应器也逐渐走向大型化。理论上讲，反应尺寸的变化不影响化学反应的微观动力学规律（反应速率与反应物浓度间的关系）。但事实上，反应器大型化后，会引起大小反应器间的热量传递、质量传递以及流动状况等物理过程的变化，导致两者间温度分布、速度分布、浓度分布和停留时间的不同，进而影响到反应结果。大小反应器中的反应结果一致或近似是反应器放大成功的标志，成功的关键则是放大技术的正确与否。
放大设计方法一般有两类，即数模放大和相似放大。对聚合反应，由于动力学模型及传递过程模型难以建立，采用数模放大法太困难，所以采用相似放大法。相似放大法的关键是要充分研究设定反应体系的特殊性，找出其中对反应结果影响最大的关键混合参数及其适应范围，并以此混合参数作为放大准则。
然而，聚合反应产量和质量的影响因素并非单一的，很难以某个参数作为单独参考量来进行反应釜放大设计。因此，由相似放大衍生出非几何相似放大。非几何相似放大是在明确放大准则的基础上，通过釜体内部构件结构和尺寸等手段，使工业釜的操作状态能达到足放大准则的要求。
使工业釜与模型试验釜之间对工艺结果有决定性影响的混合参数一致，工业釜的运行状态也能满足放大标准的要求。因此，非几何相似性放大需要掌握叶片形状、叶片尺寸和内部构件与各种混合参数之间的关系。值得注意的是，非几何相似性放大法并不追求工业釜与模具试验釜的几何相似性，而是要求工业釜中一个或几个主要混合参数与模具试验釜相似。因此，在使用非几何相似度法确定放大准则时，应详细分析各种混合参数对工艺结果的影响，找出工艺结果中最重要的混合参数，确定允许的波动范围。
目 录
1.研究背景1
1.1 聚合反应1
1.2 流体流动和混合1
1.3 合反应釜及放大设计2
1.4 实验目的及意义2
2.研究现状及发展趋势4
2.1 搅拌方式及釜内流型特点4
2.1.1搅拌方式和桨叶类型4
2.1.2搅拌器的选用6
2.1.3流型的影响因素7
2.2 流场测量技8
2.3 CFD仿真技术8
2.4 研 究 内 容8
3.卧式反应釜流场模拟10
3.1 物理模型10
3.1.1反应釜尺寸10
3.1.2桨叶类型及尺寸11
3.2 二叶平桨模拟结果分析11
3.2.1二叶直桨流场特性11
3.2.2叶片角度对二叶平桨搅拌效果的影响14
3.3 四叶平桨模拟结果分析16
3.3.1四叶直桨流场特性16
3.3.2叶片角度对四叶平桨搅拌效果的影响19
3.4 推进桨模拟结果分析20
3.5涡轮桨模拟结果分析23
3.6不同桨叶流型差异25
结语27
参考文献28
致谢29
1.研究背景
1.1聚合反应工程概述
半个多世纪以来，聚合物材料发展速度，远非其它材料所能比。主要是因为高分子化学与化学反应工程的发展与生产经验的积累。
与低 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
分子反应相比，聚合反应更为复杂，反应机理也更为丰富。因此，操作条件的微小变化往往会导致聚合速率等方面的差异影响聚合物的结构和性能。可以看出，对聚合过程的理解和掌握并不容易，特别是对聚合物体系转移过程的研究还不够，这限制了问题的深度。这是聚合物反应工程分支学科尚不成熟的主要原因。
聚合反应工程研究的内容以工业规模的聚合过程为对象，以聚合动力学、聚合物系的传递过程为基础，把两者结合起来，系统工程繁杂。简而言之，聚合反应工程研究的内容为：
1）进行聚合反应器的最佳设计和制作；
2）进行聚合反应操作的最佳设计和控制；
近年来，研究者们针对各种具体的聚合体系进行研究，建立数学模型，使聚合反应工程的研究能够更加向生产实际靠拢，但从目前聚合反应工程发展的水平来看，要解决工业聚合装置的设计和放大问题，仍要多数依靠经验。
聚合工程分析阶段主要内容以详细、定量的实验数据为基础，确定操作方式，选择聚合反应器。此时不仅考虑化学方面的因素，还要研究传递过程对化学反应的影响，确定哪些传递因素是有利的，哪些是无害的，以便能对聚合反应器作出最佳的选择。所以聚合反应器的设计、放大，是利用实验数据对聚合反应进行工程分析，目的是找出控制反应的诸多因素与聚合产物的性能间的关系，并以此作为反应器设计和操作规划的基础。另一方面，聚合物的制造不仅仅取决于聚合反应条件，而且与聚合体系的传递特性密切相关。
1.2流体流动和混合
搅拌是工业生产的重要组成部分，已应用于化工、能源、医药、食品、高分子合成材料、生物工程等领域。通过搅拌可以加速两种或两种以上性质不同的物质之间的传质，从而减小边界层厚度，增强传质，加速传热，使混合物快速均匀化。搅拌釜是化工领域的重要工艺设备。混合效应直接影响相关产业的生产率，甚至可能决定整个过程的可行性
宏观混合时，各微元中的分子始终保持在一起，而不与其他微元进行质量交换，所以每一微元可以看作是一个独立的间歇反应器，反应物体在微元中的反应程度取决于微元的停留时间，出口流体的组成则是各微元组成的平均值。微观混合时，各分子在反应器内自由运动，分子间相互混合作用，出口流体的组成和反应器内流体的组成是一样的。
搅拌釜内物料的混合是一个复杂的、非定常的、有限空间内强旋转湍流问题，经常伴随着强传质、传热甚至反应过程。搅拌釜内混合流体的流动、物料的均匀化、传热、传质和反应都取决于搅拌釜内流体的流动结构。不同的流场导致不同的混合效果。母亲表现出混合目的多样、混合过程复杂的特点，对混合的研究也进入了宏观研究与微观研究相结合而非宏观性能研究相结合的阶段。
1.3聚合反应釜及放大设计
物料发生反应的设备称之为反应器。反应器被称为化工生产的“心脏”，其任务不仅是让原料变成产物，而且还须控制产品的质量和副产物的产生。例如，反应器传热面的大小将影响到能否及时散热和生产能力，搅拌特性将影响到物料的混合程度和操作表面的更新等等。
釜式反应器是化学工业中最常用的反应器型式，可用于多种反应。随着生产规模的大型化发展，反应器也逐渐走向大型化。理论上讲，反应尺寸的变化不影响化学反应的微观动力学规律（反应速率与反应物浓度间的关系）。但事实上，反应器大型化后，会引起大小反应器间的热量传递、质量传递以及流动状况等物理过程的变化，导致两者间温度分布、速度分布、浓度分布和停留时间的不同，进而影响到反应结果。大小反应器中的反应结果一致或近似是反应器放大成功的标志，成功的关键则是放大技术的正确与否。
放大设计方法一般有两类，即数模放大和相似放大。对聚合反应，由于动力学模型及传递过程模型难以建立，采用数模放大法太困难，所以采用相似放大法。相似放大法的关键是要充分研究设定反应体系的特殊性，找出其中对反应结果影响最大的关键混合参数及其适应范围，并以此混合参数作为放大准则。
然而，聚合反应产量和质量的影响因素并非单一的，很难以某个参数作为单独参考量来进行反应釜放大设计。因此，由相似放大衍生出非几何相似放大。非几何相似放大是在明确放大准则的基础上，通过釜体内部构件结构和尺寸等手段，使工业釜的操作状态能达到足放大准则的要求。
使工业釜与模型试验釜之间对工艺结果有决定性影响的混合参数一致，工业釜的运行状态也能满足放大标准的要求。因此，非几何相似性放大需要掌握叶片形状、叶片尺寸和内部构件与各种混合参数之间的关系。值得注意的是，非几何相似性放大法并不追求工业釜与模具试验釜的几何相似性，而是要求工业釜中一个或几个主要混合参数与模具试验釜相似。因此，在使用非几何相似度法确定放大准则时，应详细分析各种混合参数对工艺结果的影响，找出工艺结果中最重要的混合参数，确定允许的波动范围。
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