聚合反應(yīng)工程課件_11

1、第四章第四章 化工流變學(xué)基礎(chǔ)化工流變學(xué)基礎(chǔ)流變學(xué)：研究物質(zhì)的變形和流動(dòng)的科學(xué)流變學(xué)：研究物質(zhì)的變形和流動(dòng)的科學(xué)。水易流動(dòng)牙膏能保持不同形狀蜂蜜難攪動(dòng)和傾注蛋白質(zhì)呈現(xiàn)一定的彈性流體流體理想流體：理想流體：實(shí)際流體實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)無(wú)阻力，又稱非粘性流體流動(dòng)時(shí)無(wú)阻力，又稱非粘性流體牛頓流體牛頓流體非牛頓流體非牛頓流體非依時(shí)性流體非依時(shí)性流體依時(shí)性流體依時(shí)性流體（粘性流體）1、牛頓粘性定律和流動(dòng)曲線、牛頓粘性定律和流動(dòng)曲線 牛頓粘性定律牛頓粘性定律示意圖示意圖實(shí)際流體在受力作用下運(yùn)動(dòng)情況如右圖所示：區(qū)相距為dy的兩薄層流體，下層靜止，上層加一剪切力F，使其產(chǎn)生一速度u，由于摩擦力的作用，是下面各層的流速

2、依次下降，相鄰兩層間形成一速度梯度du/dyAFdydu 根據(jù)牛頓黏性定律：施與運(yùn)動(dòng)面上的剪切力與速度梯度du/dy成正比，即：式中du/dy為剪切速率，常用表示；式中為比例常數(shù)，稱為粘度系數(shù)，簡(jiǎn)稱黏度，國(guó)際制單位為Ns/m2或Pasdydu剪切速率剪切速率牛頓流體的牛頓流體的流動(dòng)曲線流動(dòng)曲線 以剪切應(yīng)力對(duì)剪切速率作圖（如下圖），所得的曲線稱為剪切流動(dòng)曲線，簡(jiǎn)稱流動(dòng)曲線牛頓流體牛頓流體：流動(dòng)曲線為通過(guò)原點(diǎn)的直線，其斜率為=/。如：水，醇，油脂等非牛頓流體非牛頓流體：凡流動(dòng)曲線不是直線或雖為直線但不通過(guò)原點(diǎn)的流體，其黏度隨剪切速率而變化。如：高聚物的濃溶液、熔融體、懸浮液等2、非牛頓流體的分類、

3、非牛頓流體的分類 在恒定溫度下，其黏度僅隨著剪切速率或剪切應(yīng)力而變化，與剪切力作用時(shí)間長(zhǎng)短無(wú)關(guān)，這種性質(zhì)稱為非依時(shí)性非依時(shí)性流體非依時(shí)性流體依時(shí)性流體依時(shí)性流體假塑性流體假塑性流體脹塑性流體脹塑性流體賓漢流體賓漢流體屈服屈服-假塑性流體假塑性流體屈服屈服-脹塑性流體脹塑性流體觸變性流體觸變性流體震凝性流體震凝性流體粘彈性流體粘彈性流體ED賓漢流體FBA 牛頓流體Cy剪切速率E各種不同流體的流動(dòng)曲線各種不同流體的流動(dòng)曲線nKn 1 脹塑性流體。 nyKn 1 屈服-脹塑性流體。 屈服應(yīng)力 n為流動(dòng)指數(shù)，其大小表示流體偏離牛頓流體流動(dòng)的程度。當(dāng)n=1時(shí)，為牛頓流體；當(dāng)n1時(shí)為脹塑性流體；當(dāng)n1時(shí)，

4、為假屬性流體。K稠度系數(shù)，表示牛頓流體的稠度或黏性大小。第二節(jié)第二節(jié) 非牛頓流體的流變特性非牛頓流體的流變特性粘度是粘度是溫度溫度的函數(shù)，的函數(shù)，與剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)力或剪切速度無(wú)關(guān)?；蚣羟兴俣葻o(wú)關(guān)。流動(dòng)曲線為通流動(dòng)曲線為通過(guò)原點(diǎn)的直線過(guò)原點(diǎn)的直線非牛頓流體：非牛頓流體：粘度不僅與粘度不僅與溫度有關(guān)溫度有關(guān)，還與，還與剪剪切應(yīng)力或剪切速度切應(yīng)力或剪切速度有關(guān)，有的有關(guān)，有的還與還與時(shí)間時(shí)間有關(guān)。有關(guān)。流體流體理想流體：理想流體：實(shí)際流體實(shí)際流體牛頓流體牛頓流體:非牛頓流體非牛頓流體:（粘性流體）流動(dòng)時(shí)無(wú)阻力，又稱非粘性流體流動(dòng)時(shí)無(wú)阻力，又稱非粘性流體一、非牛頓流體的表觀粘度表觀粘度：表觀粘度：a

5、對(duì)于假塑性流體、脹塑性流體：對(duì)于假塑性流體、脹塑性流體：1nnaKKnKa3 脹塑性流體1牛頓流體2 假塑性流體 非牛頓流體的流動(dòng)特性可用流動(dòng)曲線來(lái)表示，并定義剪切應(yīng)力與剪切速率的比值為表觀黏度，即：nyK對(duì)于賓漢流體，對(duì)于賓漢流體，n=1:pyK賓漢塑性粘度賓漢塑性粘度賓漢流體的表觀粘度：賓漢流體的表觀粘度：pya二、高聚物溶液(假塑性流體)的流變特性 許多高聚物溶液、熔融體都屬于假塑性流體，流體的假塑性常常只表現(xiàn)在某一剪切力范圍內(nèi)，而在很高或很低的剪切速率下，流體表現(xiàn)出牛頓流體的行為。高聚物溶液的流變曲線高聚物溶液的流變曲線第一牛頓區(qū)：第一牛頓區(qū)：第二牛頓區(qū)：第二牛頓區(qū)：假塑性區(qū)：假塑性區(qū)

6、：相應(yīng)的粘度稱為零剪切粘度0相應(yīng)的粘度稱極限剪切粘度黏度隨剪切速率的增加而降低，相應(yīng)的粘度以表觀粘度a1naK1. 平均分子量與分子量分布對(duì)粘度的影響wMk00lgMlgCM小于臨界分子量時(shí)，則=12；而大于臨界分子量時(shí)，則3.4。臨界分子量 高聚物濃溶液（或高聚物熔體）的零剪切粘度與重均分子量的關(guān)系為：a1c2c3c1M2M3M321MMM臨界剪切速率1naK平均分子量還影響流變特性，如，對(duì)（臨界）剪切速率的影響（1）平均分子量低于臨界分子量時(shí)，溶液為牛頓型（2）大于臨界分子量時(shí)，非牛頓型，且為假塑性流體（3）平均分子量大，粘度大，較早的轉(zhuǎn)化為非牛頓流體，即臨界剪切速率較低分子量的分布對(duì)流變

7、特性的影響 分子量接近，分子量的分布較寬的流體比分子量窄的流體較早的出現(xiàn)非牛頓型的轉(zhuǎn)變，分布越寬，偏離牛頓流動(dòng)越遠(yuǎn)2. 溫度、壓力、濃度對(duì)粘度及流變特性的影響（1）溫度影響）溫度影響)/exp(0RTEA高聚物的黏度很大程度的依賴于溫度，溫度升高，黏度降低式中A為系數(shù)，E為粘流活化能，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度在濃度不太高時(shí)： 濃度大時(shí)，黏度迅速增加。如：當(dāng)濃度大于10%(w)，濃度增加10%，溶液剪切黏度增加10100倍（2）濃度影響）濃度影響0 . 50kC0lgcC12344321臨界濃度聚合物溶液的濃度增大，溶液的零剪切黏度也隨之增大。低于臨界濃度時(shí)，流體表觀粘度與剪切速率無(wú)關(guān)，呈牛頓

8、型；大于臨界濃度時(shí)，剪切速率增大，表觀粘度降低，轉(zhuǎn)化為非牛頓型，表現(xiàn)為假塑性。（3）壓力影響）壓力影響)exp(0BPA 壓力主要影響流體的自由體積，當(dāng)壓力P增大時(shí)，自由體積減小，分子鏈相互作用增強(qiáng)，引起粘度的增加。 壓力低時(shí)，影響可以忽略；只有壓力很高時(shí)，壓力才明顯影響?zhàn)ざ?。三、懸浮液的流變特性?）粘度）粘度 固相濃度很小時(shí)，這種變化呈線性的；濃度大時(shí)，呈非線性的；濃度繼續(xù)增加，黏度劇增；當(dāng)達(dá)到某一固定值，黏度直線上升而趨于無(wú)窮大，此時(shí)的固相分率稱為最大固相分率（v）。 懸浮液的粘度隨粒子的固相分率v增加而增大。最大固相分率（2）流變性質(zhì)）流變性質(zhì)低固相分率高固相分率牛頓流體非牛頓流體非依

9、時(shí)性非牛頓流體 高聚物流體大多屬于非牛頓流體。對(duì)管中的流速分布與壓力降等問(wèn)題的研究，不僅能決定管中流體的傳輸量與功率消耗，同時(shí)還能了解影響管式反應(yīng)器和塔式反應(yīng)器中的物料的濃度分布和溫度分布，進(jìn)而影響到反應(yīng)速率、分子量和分子量分布等。 本節(jié)僅對(duì)非依時(shí)性非牛頓流體在管中流動(dòng)進(jìn)行分析。在半徑為R的圓管中，有一非牛頓流體通過(guò)，取出一微元流體柱，其半徑為r，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，兩端壓力差為p，對(duì)此流體柱作力分析。假定：1）流體處于恒溫、穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)；2）徑向速度僅是半徑r的函數(shù)；3）流體在管壁處無(wú)滑壁現(xiàn)象存在，r=R時(shí)，u(R)=0;4）流體是不可壓縮的。流體流動(dòng)方向流體流動(dòng)方向rrww0r流體流動(dòng)方向流體流動(dòng)方

10、向rrww0rrrLpr22推動(dòng)力推動(dòng)力 = 剪切力剪切力Lprr2當(dāng)r=R時(shí)，管壁處的剪切應(yīng)力最大：LpRw2dydurru1)()(fdrdudrfdu)(drfruRr)()(層流流動(dòng)時(shí)的速度分布基礎(chǔ)式層流流動(dòng)時(shí)的速度分布基礎(chǔ)式。式中u(r)為管內(nèi)各點(diǎn)的流速，它是半徑r的函數(shù)一、表觀粘度及雷諾數(shù)非牛頓流體在圓管中流動(dòng)時(shí)的表觀粘度(a)p定義為：Duwpa/8)(流動(dòng)特征管壁處剪切應(yīng)力)8( nwDuK1)/8( /8)(nwpaDuKDu對(duì)于冪律流體 (n=n)1)/8()413()(nnpaDunnK流體在管壁處的表觀粘度定義為：11)8()413( )(nwwpwaDunnK管壁處剪

11、切速率管壁處剪切應(yīng)力)8(413Dunnw)8( nwDuK對(duì)于冪律流體：11)8()413()(nnpwaDunnK非牛頓流體在管中流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)NRe(n)定義為：12)Re(8 )(nnnpanKDuDuN對(duì)于冪律流體有：nnnnnnnnnnKDunnKDuN)26(88)413(212)Re(半徑r處面積為2rdr的環(huán)形微元中的流量dQ： drrurdQ)(2RRRRRdurrdurrurddrrudrrurQ020202020)()()()(2drfdu)(WRrdRdrWwdfRQW0233)(層流流動(dòng)時(shí)的流量層流流動(dòng)時(shí)的流量基礎(chǔ)式基礎(chǔ)式二、流量的計(jì)算1牛頓流體/)(fLpRLRd

12、fRQWWW88)(430233wdfRQW0233)(2冪律流體nKf1)/()(nnwWLKpRnRnKnRndfRQW13130233)2(13)/(13)(3賓漢流體pyf)()(31)(341 4)(430233wywypWWRdfRQW1牛頓流體：/)(fLpr2/1 4)()(23RrLpRdrfruRrLpRu43maxLpRu83速率分布與管徑呈拋物線三、平均流速與流速分布drfruRr)()(管壁處流速為零，中心最大，即：nKf1)/()(2冪律流體：)/(1 )1()2()()(111nnnnnRrRrRnnLKpdrfrunnnRnnLKpu11max12 nnnRnnLKpu11132