第六章傳熱與傳質(zhì)

第六章傳熱與傳質(zhì)第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三傳熱即熱量傳遞，凡是有溫度差存在的地方，必然有熱的傳遞，傳熱是極為普遍的一種能量傳遞過程，化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系尤為密切。傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用：1、物料的加熱、冷卻或者冷凝、蒸發(fā)過程。2、化工設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。3、生產(chǎn)中熱能的合理利用，廢熱回收。第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三分類：按連續(xù)性按與時間的關(guān)系間歇傳熱連續(xù)傳熱非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱速率常數(shù)，穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱速率=常數(shù)，第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三傳熱的基本方式熱的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同而引起的。當(dāng)無外功輸入時，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱總是自動地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分，或是溫度較高的物體傳給溫度較低的物體。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、對流和輻射三種。第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)聚合過程的傳熱問題

聚合反應(yīng)通常是放熱反應(yīng)，而聚合物的分子量及其分布又對溫度十分敏感，因此傳熱是控制聚合過程的重要問題。傳熱速率與放熱速率相等，才能使聚合溫度恒定。放熱速率等于聚合速率與單體聚合熱的乘積。第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三聚合速率在聚合過程中通常是變化的，并受引發(fā)劑種類、濃度及單體濃度的影響。大致有減速、勻速、加速三種類型，其轉(zhuǎn)化率時間曲線有如圖。第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三(1)減速型：如離子型聚合，縮聚反應(yīng)，聚合速率隨單體濃度降低而降低(2)加速型：自由基聚合在高轉(zhuǎn)化階段出現(xiàn)凝膠效應(yīng)，出現(xiàn)自動加速現(xiàn)象，聚合速率呈3型變化，放熱是不均勻的，最高放熱速率可能是平均放熱速率的2～3倍。常用放熱不均勻系數(shù)只表示放熱特性。第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三(3)勻速型：如果引發(fā)劑半衰期使用得當(dāng)，則可達(dá)到勻速反應(yīng)。例如采用復(fù)合引發(fā)劑使聚合速率趨向均一，也可逐漸或分批加入單體或催化劑使聚合速率保持均衡。第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三

第二節(jié)攪拌聚合釜的傳熱方式

第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三

考慮攪拌聚合釜的傳熱方式，首先要從聚合反應(yīng)過程的特點(diǎn)出發(fā)。聚合反應(yīng)往往要求嚴(yán)格控制聚合溫度、反應(yīng)物料純凈不被污染、釜內(nèi)常需處理高粘度易結(jié)垢的物料。因此，要求攪拌聚合釜傳熱裝置的傳熱速率要高、結(jié)構(gòu)簡單、避免有易引起拉膠的粗腿表面及導(dǎo)致結(jié)垢的死角、易于清洗。傳熱方式常用間接傳熱。第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三傳熱裝置有夾套、內(nèi)冷件、回流冷凝、體外循環(huán)冷卻器等。第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三內(nèi)冷件：在有襯里的聚合釜或釜壁采用導(dǎo)熱性不良的材質(zhì)制造時(例如搪瓷釜)，因傳熱系數(shù)低不能僅用夾套傳熱。大型聚合釜，由于單位體積的傳熱面積較小，僅僅采用夾套傳熱也是不夠的。為此除安裝夾套外，還需附加釜內(nèi)傳熱裝置。在釜內(nèi)安裝內(nèi)冷件，如內(nèi)冷管和內(nèi)冷擋板最常使用。

第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三具體內(nèi)容:

回流冷凝器：當(dāng)采用夾套及釜內(nèi)傳熱裝置還不能滿足傳熱要求時，則可采用釜外傳熱方式。釜外傳熱可以分為兩種，一種是將釜內(nèi)物料氣相導(dǎo)出進(jìn)行釜外循環(huán)熱交換，另一種是液相導(dǎo)出進(jìn)行釜外循環(huán)熱交換。

第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三a.氣相釜外循環(huán)熱交換裝置(回流冷凝器)，是以蒸汽冷凝方式傳熱，傳熱系數(shù)高，傳熱面積不受容積限制，這是它的優(yōu)點(diǎn)。通常管內(nèi)進(jìn)物料蒸氣，管外通冷卻介質(zhì)，以便了清洗?；亓骼淠鞯慕Y(jié)構(gòu)也應(yīng)避免死角、管子及管板表面要光滑、管子不可伸出管板、連接處應(yīng)密封以防物料被冷卻介質(zhì)污染和破壞催化劑。用于聚合釜時，回流冷凝器經(jīng)注意防止單體在冷凝器中進(jìn)行聚合而造成堵塞，不使用易揮發(fā)的催化劑或引發(fā)劑以防止帶入冷凝器。用于乳液聚合時，要避免將泡沫帶入回流冷凝器，為此在反應(yīng)器上部應(yīng)留有足夠的空間，一殷要求留出0.6m的直邊高度。第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三b.體外循環(huán)冷卻器：部分反應(yīng)物料由反應(yīng)器中用泵抽以，經(jīng)外部冷卻器冷卻后再進(jìn)入反應(yīng)器。這種液相外循熱交換裝置應(yīng)用于聚合反應(yīng)時，由于物料在換熱器個溫度下降1～10℃左右，所以對要求嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度的一類聚合反應(yīng)就不宜采用。懸浮聚合易造成結(jié)塊也不宜采用。對膠乳的剪切穩(wěn)定性高的乳液聚合可以采用體外冷風(fēng)但對于剪切敏感的膠乳體系應(yīng)使用，因?yàn)檠h(huán)泵里的剪切速率很大，容易破壞膠乳的穩(wěn)定性。

第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)攪拌聚合釜的傳熱計算攪拌聚合釜的傳熱計算與—般傳熱計算相同。傳熱速率同樣取決于釜內(nèi)流體與載熱休的溫度差，傳熱面積及總傳熱系數(shù)。故有第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三

提高總傳熱系數(shù)，增加傳熱面積和降低冷卻水溫度以擴(kuò)大溫差可提高傳熱速率。釜大型化后，單價體積的傳熱面積減小，降低水溫須增加冷凍的動力消耗，因此提高總傳熱系數(shù)足改善傳熱效果的最好辦法。第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三總傳熱系數(shù)的大小與釜內(nèi)物料性質(zhì)、攪拌條件，夾套內(nèi)水流情況和水溫，釜壁材質(zhì)和粘捉物及水垢的沉積有關(guān)。其定量關(guān)系可由下列熱阻方程表示。

αi和α0分別代表釜的內(nèi)、外壁傳熱膜系數(shù)；δ/λ從為釜壁固體導(dǎo)熱部分的總熱阻，其中δ為厚度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，由碳鋼層、不銹鋼層、搪瓷層、粘釜物和水垢幾部分組成。第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三通過熱阻分機(jī)可以找出主要熱阻所在，指出提高傳熱總系數(shù)的方向。聚合釜內(nèi)物料性質(zhì)(尤其是體系的粘度)初攪拌條件如攪拌槳葉形式、尺寸、流動形態(tài)、擋板條件等是影響釜內(nèi)壁傳熱膜系數(shù)αi的主要因素。定性地說體系粘度愈小，攪拌效果愈好，則釜內(nèi)壁滯溫層愈低，熱阻就愈小故傳熱膜系數(shù)αi就愈大。因此降低體系粘度和改善攪拌效果是提高αi和總傳熱系救K值的重要途徑。

第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三聚合釜以夾套冷卻時，釜外壁傳熱膜系數(shù)α0的數(shù)值隨玲卻水的流況而定。如果冷卻水處于自然對流狀態(tài)時，α0約為500，總傳熱系數(shù)只能在300～350，當(dāng)冷卻水處于激烈流動狀態(tài)時，物可達(dá)3000～5000，此時總傳熱系數(shù)提高到400～600。由此可見，夾套中冷卻水流況且提高傳熱系數(shù)的重要途徑。例如在夾套內(nèi)按裝導(dǎo)流擋板或擾流噴咀，多點(diǎn)切向進(jìn)水都是為促使冷卻水能處于激烈流動狀態(tài)，提高傳熱膜系數(shù)α0所采取的措施。

第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三固體的導(dǎo)熱系數(shù)一般較小，尤其是聚合物垢層及水垢層的導(dǎo)熱系數(shù)很小。所以從熱阻δ/λ從的總情況分析，對傳熱影響是很大的，(δ/λ)-1一般在400～500左右，大大限制了聚合釜總傳熱系數(shù)的提高。為了降低釜壁固體導(dǎo)熱部分總熱阻，應(yīng)盡可能采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材質(zhì)。

第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三均相液體的傳熱

對于低粘度均相液體在攪拌榮中的傳熱計算已有大量研究，故可用強(qiáng)制對流傳熱的無因次準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式表示。

第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三湍流時，雷諾數(shù)的指數(shù)一般取b＝2/3，NPr的指數(shù)c＝1/3，粘度比的指數(shù)m＝0.14。因此，各種攪拌釜傳熱方程的主要差別在常數(shù)α值的不同。α值包含了幾何因素的影響，所以各攪拌釜傳熱方程只能在幾何相似的條件下應(yīng)用。

第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三對于非標(biāo)準(zhǔn)型釜，幾何尺寸的改變對傳熱關(guān)聯(lián)式的影響密增加多項(xiàng)校正：

對于有擋板的攪拌釜，釜內(nèi)不設(shè)置內(nèi)冷蛇管時：第25頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三非均相體系的傳熱

雖然管路中漿液流動傳熱的研究已有大量報道，但對于攪拌牛頓型漿液的報道卻很少。非均相的液—固懸浮體系所形成的漿液，當(dāng)固體顆粒體積分率小于1％內(nèi)，固體顆粒對于傳熱影響很小，此時可以應(yīng)用均相體系的傳熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行傳熱計算。

第26頁，共27頁，2023年