聚合反应工程基础

1988年，高分子类专业教学指导委员会成立，由高分子化工、高分子材料、橡胶和塑料工程3个专业14名代表和1名秘书组成。教材建设正是该委员会的主要任务之一，聚合反应工程和高分子物理是委员会首先组织招标编写教材的两门课程，浙江大学史子瑾承担了聚合反应工程教材的编写任务。《聚合反应工程基础》第1版由浙江大学史子瑾主编、童克锦参编，全书由大连理工大学余丰年教授主审。自1991年出版以来，本教材广为各院校化工、高分子、材料专业所选用，至今已印刷近20次。

进入21世纪，高分子工业飞速发展。2018年，仅聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯和ABS树脂五大通用合成树脂的全球总产能达293Mt/a，合成橡胶的总产能达19Mt/a，合成纤维的总产能达93Mt/a。伴随产能提升，出现了年产百万吨级的聚合物工厂以及200m3以上的大型聚合釜，聚合物系的搅拌混合、反应器的传热等工程问题日益突出。要高效地组织生产，单凭经验、高分子化学或化学工程单一学科已无法奏效，需要将这些学科进行融合。

聚合反应工程以高分子工业中的聚合反应过程为主要研究对象，将化工原理、化学反应工程、高分子化学、聚合物合成工艺等知识融合应用于工业聚合过程，研究聚合反应器的设计、操作和优化等问题，是化学反应工程的一个重要分支。

教材出版30年来，新理念、新知识、新应用等内容需要融入教材中；同时，使用本教材的教师和学生也有大量反馈，有必要作进一步修订再版。本着传承和发扬经典教材的目的，浙江大学组织本教材的再版修订工作，主要修订内容如下：对教材中的不当之处进行修改；对某些公式补充推导步骤和文字说明；按教学习惯，将第1版教材中第3章和第4章进行互换；增加了第2章至第7章的习题，供教师和学生酌情选择，巩固学习效果；某些章节补充了新的内容。

再版教材分为三部分：部分为化学反应工程基础和化工流变学基础，为未学过化学反应工程和化工流变学的学生提供基础知识；第二部分从聚合反应机理出发，运用化学反应工程知识对聚合反应进行工程分析，剖析操作参数对聚合反应速率和聚合物聚合度及分布的影响；第三部分以搅拌聚合釜为例，对聚合物系的流动、混合、传热、传质及放大进行计算。教师可根据学生情况和学习侧重面，灵活选用。

本次修订工作由浙江大学单国荣、杜淼、朱利平承担，单国荣负责第1章、第2章和第7章，杜淼负责第3章、第4章和第8章，朱利平负责第5章、第6章，全书由单国荣统稿。

教材使用面广，不能顾及各方需求，不当之处祈请批评指正！

单国荣

2021年1月于浙江大学

聚合反应工程以高分子工业中的聚合反应过程为主要研究对象，将化工原理、化学反应工程、高分子化学、聚合物合成工艺等知识融合应用于工业聚合过程，研究聚合反应器的设计、操作和优化诸问题。本书以讨论化学反应工程、聚合过程工程分析及聚合体系传递过程的基本原理和技术方法为内容主线，共分8章，包括绪论、化学反应工程基础、化工流变学基础、聚合反应工程分析、搅拌聚合釜内流体的流动与混合、搅拌聚合釜内的传热与传质、搅拌聚合釜的放大、聚合过程及聚合反应器。

本书可作为化学工程与工艺、高分子材料与工程等相关专业的教材，也可供从事聚合物生产与科研的人员参考。

单国荣，浙江大学化工学院教授，博士生导师，高分子工程研究所副所长。

1990年毕业于浙江大学化工系高分子化工专业；1993年于清华大学化工系获硕士学位；1997年于浙江大学化工系获博士学位。讲授研究生"高分子选论"、本科生“化学工艺学”等课程。

在聚合反应工程与技术、高分子材料领域开展聚合过程中的动力学及其聚合物结构和性能控制的基础与应用基础研究。先后承担国家自然科学基金4项、省部级科研项目多项，参加国家和省部级项目多项；获国家科技进步二等奖1项、授权国家发明专利8项。

1  绪论001

2  化学反应工程基础003

2.1化学反应和反应器分类003

2.1.1化学反应的分类003

2.1.2反应速率004

2.1.3反应器的分类005

2.1.4连续流动反应器内流体流动的两种理想型态008

2.2均相反应动力学009

2.2.1等温恒容简单反应动力学方程式010

2.2.2复杂反应012

2.2.3等温变容过程019

2.3理想反应器的设计020

2.3.1理想反应器设计的基本原理020

2.3.2间歇反应器022

2.3.3平推流反应器024

2.3.4理想混合流反应器027

2.3.5多级串联理想混合流反应器030

2.3.6反应器型式和操作方法的评比和选择036

2.4理想混合流反应器的热稳定性044

2.4.1热稳定性原理044

2.4.2影响热稳定性的因素046

2.4.3T与Tw间的温差047

2.5连续流动反应器的停留时间分布049

2.5.1停留时间分布表示方法050

2.5.2停留时间分布的测定051

2.5.3停留时间分布的数字特征052

2.6流动模型055

2.6.1理想流动模型056

2.6.2非理想流动模型058

2.7停留时间分布与化学反应069

2.7.1反应器内流体的混合状态070

2.7.2微观混合反应器的计算070

2.7.3宏观混合反应器的计算075

习题078

3  化工流变学基础081

3.1非牛顿流体081

3.1.1牛顿黏性定律和流动曲线082

3.1.2非牛顿流体的分类082

3.2非牛顿流体的流变特性085

3.2.1非牛顿流体的表观黏度085

3.2.2聚合物溶液的流变特性086

3.2.3悬浮液的流变特性088

3.3非牛顿流体在圆管中层流流动的分析090

3.3.1流动分析090

3.3.2表观黏度及雷诺数091

3.3.3流量092

3.3.4平均流速与流速分布092

3.3.5压力降094

3.4非牛顿流体在圆管中的湍流流动096

3.5非牛顿流体流变性的测量097

3.5.1落球黏度计097

3.5.2旋转锥板黏度计098

3.5.3旋转圆筒黏度计099

3.5.4毛细管挤出流变仪100

习题101

4  聚合反应工程分析103

4.1概述103

4.2聚合反应速率的工程分析105

4.2.1活性链浓度［P·］与聚合反应机理105

4.2.2平均聚合度Pn与反应机理106

4.3聚合物的聚合度及聚合度分布表示法108

4.3.1平均聚合度109

4.3.2瞬时聚合度109

4.3.3聚合度分布函数110

4.4连锁聚合反应的平均聚合度及聚合度分布113

4.4.1间歇聚合时的聚合度分布113

4.4.2连续聚合时的聚合度分布119

4.5黏度对聚合反应的影响121

4.6均相自由基共聚123

4.6.1间歇共聚操作124

4.6.2半间歇共聚操作126

4.6.3连续共聚操作127

4.7缩聚反应128

4.8非均相聚合反应133

4.8.1间歇乳液聚合133

4.8.2连续乳液聚合139

4.8.3乳液聚合反应器设计要点143

4.9流动与混合对聚合度分布的影响144

4.9.1返混的影响144

4.9.2混合尺寸的影响145

4.10聚合过程的调节与控制145

4.10.1温度的调控146

4.10.2聚合速率的调控148

4.10.3聚合度与聚合度分布的调控148

4.10.4粒径及粒径分布的调控148

习题151

5  搅拌聚合釜内流体的流动与混合153

5.1概述153

5.2搅拌釜内流体的流动状况154

5.2.1循环流动与剪切流动154

5.2.2搅拌雷诺数与流态155

5.2.3挡板与导流筒156

5.3搅拌器的构形及选择158

5.3.1搅拌器的构形158

5.3.2搅拌器的选用160

5.4搅拌功率的计算162

5.4.1搅拌过程的因次分析162

5.4.2均相流体搅拌功率的计算163

5.4.3非均相体系搅拌功率计算166

5.4.4非牛顿流体的搅拌168

5.5搅拌器的流动特性及转速的确定172

5.5.1搅拌器的循环特性172

5.5.2搅拌转速的确定173

5.6搅拌器的混合特性179

5.6.1混合机理及混合特性180

5.6.2混合时间的计算181

5.7搅拌釜中的分散过程183

5.7.1搅拌釜内的液液分散与合并183

5.7.2搅拌对聚合物颗粒特性的影响185

习题187

6  搅拌聚合釜的传热与传质189

6.1聚合过程的传热问题189

6.2搅拌聚合釜的几种传热方式190

6.3搅拌聚合釜的传热计算193

6.3.1均相液体的传热194

6.3.2非均相体系的传热196

6.3.3非牛顿流体的传热197

6.3.4搅拌聚合釜总传热系数的计算198

6.4搅拌釜内的传质过程200

6.4.1分散体系的传质膜系数200

6.4.2伴有相间传质的聚合反应202

6.5聚合反应釜的安全操作204

习题205

7  搅拌聚合釜的放大207

7.1概述207

7.2搅拌聚合釜的传热放大208

7.3搅拌聚合釜的搅拌放大214

7.4非几何相似放大218

7.5放大准则的确定222

7.5.1按几何相似理论确定放大准则222

7.5.2按非几何相似理论确定放大准则223

习题223

8  聚合过程及聚合反应器225

8.1工业聚合方法225

8.1.1本体聚合226

8.1.2悬浮聚合226

8.1.3乳液聚合226

8.1.4溶液聚合227

8.2聚合反应器228

8.2.1釜式聚合反应器228

8.2.2塔式聚合反应器230

8.2.3管式聚合反应器230

8.2.4特殊型聚合反应器231

8.3聚合反应器选择原则234

8.4聚合过程实例235

8.4.1苯乙烯连续本体聚合235

8.4.2高压聚乙烯238

8.4.3丙烯淤浆聚合239

符号表243

参考文献245

聚合反应工程以高分子工业中的聚合反应过程为主要研究对象，将化工原理、化学反应工程、高分子化学、聚合物合成工艺等知识融合应用于工业聚合过程，研究聚合反应器的设计、操作和优化诸问题。本书以讨论化学反应工程、聚合过程工程分析及聚合体系传递过程的基本原理和技术方法为内容主线，共分8章，包括绪论、化学反应工程基础、化工流变学基础、聚合反应工程分析、搅拌聚合釜内流体的流动与混合、搅拌聚合釜内的传热与传质、搅拌聚合釜的放大、聚合过程及聚合反应器。

本书可作为化学工程与工艺、高分子材料与工程等相关专业的教材，也可供从事聚合物生产与科研的人员参考。

单国荣，浙江大学化工学院教授，博士生导师，高分子工程研究所副所长。

1990年毕业于浙江大学化工系高分子化工专业；1993年于清华大学化工系获硕士学位；1997年于浙江大学化工系获博士学位。讲授研究生"高分子选论"、本科生“化学工艺学”等课程。

在聚合反应工程与技术、高分子材料领域开展聚合过程中的动力学及其聚合物结构和性能控制的基础与应用基础研究。先后承担国家自然科学基金4项、省部级科研项目多项，参加国家和省部级项目多项；获国家科技进步二等奖1项、授权国家发明专利8项。