聚合反應(yīng)工程課件

聚合反應(yīng)工程課件第一頁，共三十三頁，2022年，8月28日流變學(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)一定的彈性第二頁，共三十三頁，2022年，8月28日流體理想流體：實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)無阻力，又稱非粘性流體牛頓流體非牛頓流體非依時(shí)性流體依時(shí)性流體（粘性流體）第三頁，共三十三頁，2022年，8月28日1、牛頓粘性定律和流動(dòng)曲線牛頓粘性定律示意圖實(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，是下面各層的流速依次下降，相鄰兩層間形成一速度梯度du/dy第四頁，共三十三頁，2022年，8月28日根據(jù)牛頓黏性定律：施與運(yùn)動(dòng)面上τ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μ為比例常數(shù)，稱為粘度系數(shù)，簡稱黏度，國際制單位為[Ns/m2]或[Pa·s]剪切速率第五頁，共三十三頁，2022年，8月28日牛頓流體的流動(dòng)曲線以剪切應(yīng)力τ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，簡稱流動(dòng)曲線牛頓流體：流動(dòng)曲線為通過原點(diǎn)的直線，其斜率為μ=τ/?。如：水，醇，油脂等非牛頓流體：凡流動(dòng)曲線不是直線或雖為直線但不通過原點(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、懸浮液等第六頁，共三十三頁，2022年，8月28日2、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)間長短無關(guān)，這種性質(zhì)稱為非依時(shí)性非依時(shí)性流體依時(shí)性流體假塑性流體脹塑性流體賓漢流體屈服-假塑性流體屈服-脹塑性流體觸變性流體震凝性流體粘彈性流體第七頁，共三十三頁，2022年，8月28日ED賓漢流體FBA牛頓流體Cτy剪切速率E各種不同流體的流動(dòng)曲線n<1假塑性流體；n=1牛頓流體；n>1脹塑性流體。n<1屈服-假塑性流體；n=1賓漢流體；n>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)n?1時(shí)為脹塑性流體；當(dāng)n?1時(shí)，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。第八頁，共三十三頁，2022年，8月28日第二節(jié)非牛頓流體的流變特性粘度是溫度的函數(shù)，與剪切應(yīng)力或剪切速度無關(guān)。流動(dòng)曲線為通過原點(diǎn)的直線非牛頓流體：粘度不僅與溫度有關(guān)，還與剪切應(yīng)力或剪切速度有關(guān)，有的還與時(shí)間有關(guān)。流體理想流體：實(shí)際流體牛頓流體:非牛頓流體:（粘性流體）流動(dòng)時(shí)無阻力，又稱非粘性流體第九頁，共三十三頁，2022年，8月28日一、非牛頓流體的表觀粘度表觀粘度：對(duì)于假塑性流體、脹塑性流體：3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)曲線來表示，并定義剪切應(yīng)力與剪切速率的比值為表觀黏度，即：第十頁，共三十三頁，2022年，8月28日對(duì)于賓漢流體，n=1:賓漢塑性粘度賓漢流體的表觀粘度：第十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日二、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。第十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日高聚物溶液的流變曲線第一牛頓區(qū)：第二牛頓區(qū)：假塑性區(qū)：相應(yīng)的粘度稱為零剪切粘度相應(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)的粘度以表觀粘度第十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日1.平均分子量與分子量分布對(duì)粘度的影響小于臨界分子量時(shí)，則β=1～2；而大于臨界分子量時(shí)，則β≈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：第十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日臨界剪切速率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第十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日分子量的分布對(duì)流變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)第十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.溫度、壓力、濃度對(duì)粘度及流變特性的影響（1）溫度影響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)溫度第十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日在濃度不太高時(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10~100倍（2）濃度影響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關(guān)，呈牛頓型；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。第十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日（3）壓力影響①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。②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)ざ取５谑彭?，共三十三頁?022年，8月28日三、懸浮液的流變特性（1）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窮大，此時(shí)的固相分率稱為最大固相分率（Φv）。

懸浮液的粘度隨粒子的固相分率Φv增加而增大。最大固相分率第二十頁，共三十三頁，2022年，8月28日（2）流變性質(zhì)低固相分率高固相分率牛頓流體非牛頓流體第二十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)非牛頓流體在圓管中層流流動(dòng)的分析非依時(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。第二十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日在半徑為R的圓管中，有一非牛頓流體通過，取出一微元流體柱，其半徑為r，長度為L，兩端壓力差為Δp，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)方向第二十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日流體流動(dòng)方向推動(dòng)力=剪切力當(dāng)r=R時(shí)，管壁處的剪切應(yīng)力最大：第二十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日層流流動(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)第二十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日一、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(μa)p定義為：對(duì)于冪律流體(n=n’)第二十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日流體在管壁處的表觀粘度定義為：對(duì)于冪律流體：第二十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日非牛頓流體在管中流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)NRe(n)定義為：對(duì)于冪律流體有：第二十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日半徑r處面積為2πrdr的環(huán)形微元中的流量dQ：層流流動(dòng)時(shí)的流量基礎(chǔ)式二、流量的計(jì)算第二十九頁，共三十三頁，2022年