1、LOGO第六章第六章 传热与传质传热与传质 第1页，共27页。传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递，传热是极为普遍的一种能量传递过程，化学工业与传热的关，传热是极为普遍的一种能量传递过程，化学工业与传热的关系尤为密切。系尤为密切。传热在化工生产中的应用：传热在化工生产中的应用：1 1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。2 2、化工设备和管道的保温，以减少热损失。、化工设备和管道的保温，以减少热损失。3 3、生产中热能的合理利用，废热回收。、生产中热能的合理利用，废热回收。第2页，共2
2、7页。分类：按连续性按与时间的关系间歇传热连续传热非稳态传热：传热速率常数，稳态传热：传热速率=常数，第3页，共27页。传热的基本方式传热的基本方式热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分，从温度较高的部分传给温度较低的部分，或是温度较高的或是温度较高的物体传给温度较低的物体。物体传给温度较低的物体。根据传热机理的不同，传热的根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种。基本方式有热传导、
3、对流和辐射三种。第4页，共27页。第一节第一节 聚合过程的传热问题聚合过程的传热问题 聚合反应通常是放热反应，而聚合物的分子量及其分布又对温度十分敏感，因此传热是控制聚合过程的重要问题。传热速率与放热速率相等，才能使聚合温度恒定。放热速率等于聚合速率与单体聚合热的乘积。第5页，共27页。聚合速率在聚合过程中通常是变化的，并受引发剂聚合速率在聚合过程中通常是变化的，并受引发剂种类、浓度及单体浓度的影响。大致有减速、匀种类、浓度及单体浓度的影响。大致有减速、匀速、加速三种类型，其转化率时间曲线有如图。速、加速三种类型，其转化率时间曲线有如图。第6页，共27页。(1)减速型：如离子型聚合，缩聚反应，
4、聚合速率随减速型：如离子型聚合，缩聚反应，聚合速率随单体浓度降低而降低单体浓度降低而降低 (2)加速型：自由基聚合在高转化阶段出现凝胶效应，加速型：自由基聚合在高转化阶段出现凝胶效应，出现自动加速现象，聚合速率呈出现自动加速现象，聚合速率呈3型变化，放热是型变化，放热是不均匀的，最高放热速率可能是平均放热速率的不均匀的，最高放热速率可能是平均放热速率的23倍。常用放热不均匀系数只表示放热特性。倍。常用放热不均匀系数只表示放热特性。第7页，共27页。(3)匀速型：如果引发剂半衰期使用得当，则可达到匀速型：如果引发剂半衰期使用得当，则可达到匀速反应。例如采用复合引发剂使聚合速率趋向匀速反应。例如采
5、用复合引发剂使聚合速率趋向均一，也可逐渐或分批加入单体或催化剂使聚合均一，也可逐渐或分批加入单体或催化剂使聚合速率保持均衡。速率保持均衡。第8页，共27页。第二节第二节 搅拌聚合釜的传热方式搅拌聚合釜的传热方式 第9页，共27页。考虑搅拌聚合釜的传热方式，首先要从聚合反应过程的特点出发。聚合反应往往要求严格控制聚合温度、反应物料纯净不被污染、釜内常需处理高粘度易结垢的物料。因此，要求搅拌聚合釜传热装置的传热速率要高、结构简单、避免有易引起拉胶的粗腿表面及导致结垢的死角、易于清洗。传热方式常用间接传热。第10页，共27页。l传热装置有夹套、内冷件、回流冷凝、体外循环传热装置有夹套、内冷件、回流冷
6、凝、体外循环冷却器等。冷却器等。第11页，共27页。内冷件：在有衬里的聚合釜或釜壁采用导热性不内冷件：在有衬里的聚合釜或釜壁采用导热性不良的材质制造时良的材质制造时(例如搪瓷釜例如搪瓷釜)，因传热系数低不能，因传热系数低不能仅用夹套传热。大型聚合釜，由于单位体积的传仅用夹套传热。大型聚合釜，由于单位体积的传热面积较小，仅仅采用夹套传热也是不够的。为热面积较小，仅仅采用夹套传热也是不够的。为此除安装夹套外，还需附加釜内传热装置。在釜此除安装夹套外，还需附加釜内传热装置。在釜内安装内冷件，如内冷管和内冷挡板最常使用。内安装内冷件，如内冷管和内冷挡板最常使用。第12页，共27页。具体内容具体内容:回
7、流冷凝器：当采用夹套及釜内传热装置还不回流冷凝器：当采用夹套及釜内传热装置还不能满足传热要求时，则可采用釜外传热方式。釜能满足传热要求时，则可采用釜外传热方式。釜外传热可以分为两种，外传热可以分为两种，一种是将釜内物料气相导一种是将釜内物料气相导出进行釜外循环热交换，另一种是液相导出进行出进行釜外循环热交换，另一种是液相导出进行釜外循环热交换。釜外循环热交换。第13页，共27页。a.气相釜外循环热交换装置气相釜外循环热交换装置(回流冷凝器回流冷凝器)，是以蒸汽冷凝方式传，是以蒸汽冷凝方式传热，传热系数高，传热面积不受容积限制，这是它的优点。热，传热系数高，传热面积不受容积限制，这是它的优点。通
8、常管内进物料蒸气，管外通冷却介质，以便了清洗。回流通常管内进物料蒸气，管外通冷却介质，以便了清洗。回流冷凝器的结构也应避免死角、管子及管板表面要光滑、管子冷凝器的结构也应避免死角、管子及管板表面要光滑、管子不可伸出管板、连接处应密封以防物料被冷却介质污染和破不可伸出管板、连接处应密封以防物料被冷却介质污染和破坏催化剂。用于聚合釜时，回流冷凝器经注意防止单体在冷坏催化剂。用于聚合釜时，回流冷凝器经注意防止单体在冷凝器中进行聚合而造成堵塞，不使用易挥发的催化剂或引发凝器中进行聚合而造成堵塞，不使用易挥发的催化剂或引发剂以防止带入冷凝器。用于乳液聚合时，要避免将泡沫带入剂以防止带入冷凝器。用于乳液聚
9、合时，要避免将泡沫带入回流冷凝器，为此在反应器上部应留有足够的空间，一殷要回流冷凝器，为此在反应器上部应留有足够的空间，一殷要求留出求留出0.6m的直边高度。的直边高度。第14页，共27页。第15页，共27页。b.体外循环冷却器体外循环冷却器：部分反应物料由反应器中用：部分反应物料由反应器中用泵抽以，经外部冷却器冷却后再进入反应器。这泵抽以，经外部冷却器冷却后再进入反应器。这种液相外循热交换装置应用于聚合反应时，由于种液相外循热交换装置应用于聚合反应时，由于物料在换热器个温度下降物料在换热器个温度下降110左右，所以对要左右，所以对要求严格控制反应温度的一类聚合反应就不宜采用。求严格控制反应温
10、度的一类聚合反应就不宜采用。悬浮聚合易造成结块也不宜采用。对胶乳的剪切悬浮聚合易造成结块也不宜采用。对胶乳的剪切稳定性高的乳液聚合可以采用体外冷风但对于剪稳定性高的乳液聚合可以采用体外冷风但对于剪切敏感的胶乳体系应使用，因为循环泵里的剪切切敏感的胶乳体系应使用，因为循环泵里的剪切速率很大，容易破坏胶乳的稳定性。速率很大，容易破坏胶乳的稳定性。第16页，共27页。第三节第三节 搅拌聚合釜的传热计算搅拌聚合釜的传热计算 搅拌聚合釜的传热计算与搅拌聚合釜的传热计算与般传热计算相同。般传热计算相同。传热速率同样取决于釜内流体与载热休的温度差，传热速率同样取决于釜内流体与载热休的温度差，传热面积及总传热
11、系数。故有传热面积及总传热系数。故有 第17页，共27页。提高总传热系数，增加传热面积和降低冷却水提高总传热系数，增加传热面积和降低冷却水温度以扩大温差可提高传热速率。釜大型化后，温度以扩大温差可提高传热速率。釜大型化后，单价体积的传热面积减小，降低水温须增加冷冻单价体积的传热面积减小，降低水温须增加冷冻的动力消耗，因此提高总传热系数足改善传热效的动力消耗，因此提高总传热系数足改善传热效果的最好办法。果的最好办法。第18页，共27页。总传热系数的大小与釜内物料性质、搅拌条件，总传热系数的大小与釜内物料性质、搅拌条件，夹套内水流情况和水温，釜壁材质和粘捉物及水夹套内水流情况和水温，釜壁材质和粘捉
12、物及水垢的沉积有关。其定量关系可由下列热阻方程表垢的沉积有关。其定量关系可由下列热阻方程表示。示。i和和0分别代表釜的内、外壁传热膜系数；分别代表釜的内、外壁传热膜系数；/从为釜壁固体导热部分的总热阻，其中从为釜壁固体导热部分的总热阻，其中为厚度，为厚度，为导热系数，由碳钢层、不锈钢层、搪瓷层、粘为导热系数，由碳钢层、不锈钢层、搪瓷层、粘釜物和水垢几部分组成。釜物和水垢几部分组成。第19页，共27页。通过热阻分机可以找出主要热阻所在，指出提高通过热阻分机可以找出主要热阻所在，指出提高传热总系数的方向。传热总系数的方向。聚合釜内物料性质聚合釜内物料性质(尤其是体系的粘度尤其是体系的粘度)初搅拌条
13、件初搅拌条件如搅拌桨叶形式、尺寸、流动形态、挡板条件等如搅拌桨叶形式、尺寸、流动形态、挡板条件等是影响釜内壁传热膜系数是影响釜内壁传热膜系数i的主要因素。定性地说的主要因素。定性地说体系粘度愈小，搅拌效果愈好，则釜内壁滞温层体系粘度愈小，搅拌效果愈好，则釜内壁滞温层愈低，热阻就愈小故传热膜系数愈低，热阻就愈小故传热膜系数i就愈大。因此降就愈大。因此降低体系粘度和改善搅拌效果是提高低体系粘度和改善搅拌效果是提高i和总传热系救和总传热系救K值的重要途径。值的重要途径。第20页，共27页。聚合釜以夹套冷却时，釜外壁传热膜系数聚合釜以夹套冷却时，釜外壁传热膜系数0的数的数值随玲却水的流况而定。如果冷却
14、水处于自然对值随玲却水的流况而定。如果冷却水处于自然对流状态时，流状态时，0约为约为500，总传热系数只能在，总传热系数只能在300350，当冷却水处于激烈流动状态时，物可达，当冷却水处于激烈流动状态时，物可达30005000，此时总传热系数提高到，此时总传热系数提高到400600。由此可见，夹套中冷却水流况且提高传热系数的由此可见，夹套中冷却水流况且提高传热系数的重要途径。例如在夹套内按装导流挡板或扰流喷重要途径。例如在夹套内按装导流挡板或扰流喷咀，多点切向进水都是为促使冷却水能处于激烈咀，多点切向进水都是为促使冷却水能处于激烈流动状态，提高传热膜系数流动状态，提高传热膜系数0所采取的措施。
15、所采取的措施。第21页，共27页。固体的导热系数一般较小，尤其是聚合物垢层及固体的导热系数一般较小，尤其是聚合物垢层及水垢层的导热系数很小。所以从热阻水垢层的导热系数很小。所以从热阻/从的总从的总情况分析，对传热影响是很大的，情况分析，对传热影响是很大的，(/)-1一般在一般在400500左右，大大限制了聚合釜总传热系数的左右，大大限制了聚合釜总传热系数的提高。为了降低釜壁固体导热部分总热阻，应尽提高。为了降低釜壁固体导热部分总热阻，应尽可能采用导热系数较高的材质。可能采用导热系数较高的材质。第22页，共27页。均相液体的传热均相液体的传热 对于低粘度均相液体在搅拌荣中的传热计算对于低粘度均相
16、液体在搅拌荣中的传热计算已有大量研究，故可用强制对流传热的无因次准已有大量研究，故可用强制对流传热的无因次准数关联式表示数关联式表示。第23页，共27页。湍流时，雷诺数的指数一般取湍流时，雷诺数的指数一般取b2/3，N Pr的指数的指数c1/3，粘度比的指数，粘度比的指数m0.14。因此，各种搅拌。因此，各种搅拌釜传热方程的主要差别在常数釜传热方程的主要差别在常数值的不同。值的不同。值值包含了几何因素的影响，所以各搅拌釜传热方程包含了几何因素的影响，所以各搅拌釜传热方程只能在几何相似的条件下应用。只能在几何相似的条件下应用。第24页，共27页。对于非标准型釜，几何尺寸的改变对传热关联式对于非标
17、准型釜，几何尺寸的改变对传热关联式的影响密增加多项校正：的影响密增加多项校正：对于有挡板的搅拌釜，釜内不设置内冷蛇管时：对于有挡板的搅拌釜，釜内不设置内冷蛇管时：第25页，共27页。非均相体系的传热非均相体系的传热 虽然管路中浆液流动传热的研究已有大量报道，虽然管路中浆液流动传热的研究已有大量报道，但对于搅拌牛顿型浆液的报道却很少。非均相的但对于搅拌牛顿型浆液的报道却很少。非均相的液液固悬浮体系所形成的浆液，当固体颗粒体积固悬浮体系所形成的浆液，当固体颗粒体积分率小于分率小于1内，固体颗粒对于传热影响很小，此内，固体颗粒对于传热影响很小，此时可以应用均相体系的传热关联式进行传热计算。时可以应用均相体系的传热关联式进行传热计算。第26页，共27页。作业作业1.聚合速率在聚合过程中一般有三种类型，其中那些对反应控制比较有利？可采用那些措施2.传热装置有哪些类型？3.哪些反应不宜采用釜外循环热交换?为什么？4.试概括传热速率方程和总传热系数方程，讨论提高反应釜传热能力有效措施？5.实现聚合釜安全操作应采取哪些基本措施？P191第27页，共27页。
