聚合反應(yīng)工程課件-

流變學(xué)：研究物質(zhì)的變形和流動的科學(xué)。水易流動牙膏能保持不同形狀蜂蜜難攪動和傾注蛋白質(zhì)呈現(xiàn)一定的彈性現(xiàn)在是1頁\一共有32頁\編輯于星期日流體理想流體：實(shí)際流體流動時無阻力，又稱非粘性流體牛頓流體非牛頓流體非依時性流體依時性流體（粘性流體）現(xiàn)在是2頁\一共有32頁\編輯于星期日1、牛頓粘性定律和流動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現(xiàn)在是3頁\一共有32頁\編輯于星期日根據(jù)牛頓黏性定律：施與運(yùn)動面上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]剪切速率現(xiàn)在是4頁\一共有32頁\編輯于星期日牛頓流體的流動曲線以剪切應(yīng)力τ對剪切速率?作圖（如下圖），所得的曲線稱為剪切流動曲線，簡稱流動曲線牛頓流體：流動曲線為通過原點(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、懸浮液等現(xiàn)在是5頁\一共有32頁\編輯于星期日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，與剪切力作用時間長短無關(guān)，這種性質(zhì)稱為非依時性非依時性流體依時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現(xiàn)在是6頁\一共有32頁\編輯于星期日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為流動指數(shù)，其大小表示流體偏離牛頓流體流動的程度。當(dāng)n=1時，為牛頓流體；當(dāng)n?1時為脹塑性流體；當(dāng)n?1時，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。現(xiàn)在是7頁\一共有32頁\編輯于星期日第二節(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）流動時無阻力，又稱非粘性流體現(xiàn)在是8頁\一共有32頁\編輯于星期日一、非牛頓流體的表觀粘度表觀粘度：對于假塑性流體、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特性可用流動曲線來表示，并定義剪切應(yīng)力與剪切速率的比值為表觀黏度，即：現(xiàn)在是9頁\一共有32頁\編輯于星期日對于賓漢流體，n=1:賓漢塑性粘度賓漢流體的表觀粘度：現(xiàn)在是10頁\一共有32頁\編輯于星期日二、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。現(xiàn)在是11頁\一共有32頁\編輯于星期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)的粘度以表觀粘度現(xiàn)在是12頁\一共有32頁\編輯于星期日1.平均分子量與分子量分布對粘度的影響小于臨界分子量時，則β=1～2；而大于臨界分子量時，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：現(xiàn)在是13頁\一共有32頁\編輯于星期日臨界剪切速率平均分子量還影響流變特性，如，對（臨界）剪切速率的影響（1）平均分子量低于臨界分子量時，溶液為牛頓型（2）大于臨界分子量時，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現(xiàn)在是14頁\一共有32頁\編輯于星期日分子量的分布對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，偏離牛頓流動越遠(yuǎn)現(xiàn)在是15頁\一共有32頁\編輯于星期日2.溫度、壓力、濃度對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為絕對溫度現(xiàn)在是16頁\一共有32頁\編輯于星期日在濃度不太高時：濃度大時，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，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，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。現(xiàn)在是17頁\一共有32頁\編輯于星期日（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，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，影響可以忽略；只有壓力很高時，壓力才明顯影響?zhàn)ざ取，F(xiàn)在是18頁\一共有32頁\編輯于星期日三、懸浮液的流變特性（1）粘度固相濃度很小時，這種變化呈線性的；濃度大時，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。最大固相分率現(xiàn)在是19頁\一共有32頁\編輯于星期日（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現(xiàn)在是20頁\一共有32頁\編輯于星期日第三節(jié)非牛頓流體在圓管中層流流動的分析非依時性非牛頓流體高聚物流體大多屬于非牛頓流體。對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)僅對非依時性非牛頓流體在管中流動進(jìn)行分析?，F(xiàn)在是21頁\一共有32頁\編輯于星期日在半徑為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；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，u(R)=0;4）流體是不可壓縮的。流體流動方向現(xiàn)在是22頁\一共有32頁\編輯于星期日流體流動方向推動力=剪切力當(dāng)r=R時，管壁處的剪切應(yīng)力最大：現(xiàn)在是23頁\一共有32頁\編輯于星期日層流流動時的速度分布基礎(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)現(xiàn)在是24頁\一共有32頁\編輯于星期日一、表觀粘度及雷諾數(shù)非牛頓流體在圓管中流動時的表觀粘度(μa)p定義為：對于冪律流體(n=n’)現(xiàn)在是25頁\一共有32頁\編輯于星期日流體在管壁處的表觀粘度定義為：對于冪律流體：現(xiàn)在是26頁\一共有32頁\編輯于星期日非牛頓流體在管中流動時的雷諾數(shù)NRe(n)定義為：對于冪律流體有：現(xiàn)在是27頁\一共有32頁\編輯于星期日半徑r處面積為2πrdr的環(huán)形微元中的流量dQ：層流流動時的流量基礎(chǔ)式二、流量的計算現(xiàn)在是28頁\一