绪论及第一章.docx

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绪论及第一章

绪论

高分子材料加工设备，这门课的主要任务是研究高分子材料常见的加工设备的基本的一些分类、结构、作用方式和作用原理，以及如何将这些知识运用的问题。

橡胶、塑料和化学纤维都是高分子材料，其成型加工设备有相似之处，有一些设备是通用的，如密炼机、压延机；但也有一些设备有较大的差别，例如挤出机、注射机等。

课程进程安排

绪论2学时

聚合反应器2学时

化纤机械10学时

塑料加工设备8学时

橡胶加工设备6学时

课程复习2学时

答疑2学时共32学时

高分子材料加工设备概述

高分子材料生产过程所需设备一般可分为两种，传递过程设备（动量、热量、质量传递等物理过程设备）和化学反应过程设备。

完成化学反应过程的设备成为聚合反应器。

1、聚合反应器

聚合物反应特点:

与一般化学反应不同，聚合反应机理复杂，且随反应进行，系统的粘度急剧上升，因此聚合反应器的设计具有特殊性。

典型的聚合反应器包括：

釜式反应器：

多设有搅拌装置，称搅拌釜反应器。

它适应性强，操作弹性大，适用的温度和压力范围广，既可用于间歇操作，亦可用于连续操作。

主要用于乙烯、丙烯、氯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈的聚合，也可用于丁苯橡胶、氯化橡胶和顺丁橡胶的反应。

管式反应器：

这种反应器多用于粘度较高的均相反应物料，它属于连续流动反应器，内部物料的流动接近于平推流，返混程度不大。

主要通过控制加料速度来控制物料在反应器内的停留时间。

也可以按照工艺要求分段控制反应温度。

典型的反应体系有:

乙烯高压聚合、苯乙烯本体聚合、己内酰胺的开环聚合等。

特殊反应器:

对于高粘度体系，如本体聚合或缩聚反应聚合后期，反应物体系粘度可达500-5000Pa.S,为此需要特殊反应器。

如尼龙的后缩聚反应可采用双螺杆型反应器，聚酯生产中的后缩聚采用的表面更新型反应器。

2、化纤生产设备

化纤设备发展的主要趋势为：

大型化、连续化、高速化和自动化。

设备按产品类别可分为：

长丝和短丝纤维生产设备。

按加工方法可分为：

湿法、干法和熔法生产设备。

本课程按照生产过程将化纤设备分为：

纺前准备设备

纺丝设备

卷绕设备

长丝后加工设备

短丝后加工设备

根据不同工艺，纺前准备主要包括：

针对熔融纺丝的切片干燥、熔体混合和过滤设备；而对于湿法和干法纺丝，主要有原液混合与脱泡设备。

纺丝设备主要包括：

螺杆挤出机、计量泵、纺丝箱、热拉伸和冷却吹风等设备。

针对长丝后加工，主要包括牵伸加捻，牵伸变形等设备；而对于短纤维后加工，包括牵伸、卷取、烘燥热定型、切断打包等设备。

3、塑料加工设备

塑料与橡胶相比，由于两者的加工有某些类似，所以塑料成型机械大部分是在橡胶机械的基础上发展起来的，但塑料的加工温度高、硬度大、制品精度要求高，所以塑料成型机械与橡胶形成机械又存在差异。

塑料预加工设备：

捏合机、挤出造粒机

成型设备：

挤出机、注射机及模具、塑料压延机、平板硫化机等

4、橡胶成型设备

橡胶制品生产的基本工艺包括塑炼、混炼、压出、压延、成型及硫化等基本工序。

为此，本课程针对上述工序主要介绍:

切胶机

胶浆搅拌机

炼胶机

压延机等

同时针对轮胎等特殊产品形式，介绍其相关加工设备。

第一章聚合反应器

第一节概述

聚合反应与一般化学反应相比，其特点是随着反应体系聚合反应的进行，体系的粘度急剧上升，物料粘壁等现象给聚合反应器的选型和设计带来困难。

主要聚合反应器：

1、釜式反应器:

这类反应器多设有搅拌装置，称搅拌釜反应器，适合间歇反应、小批量、热敏性聚合反应。

2、管式反应器:

连续操作，物料停留时间均匀

3、螺杆挤出反应器：

主要针对缩聚反应。

第二节搅拌釜反应器

搅拌釜反应器主要有釜体、搅拌装置、传热装置、密封装置和传动装置等组成。

一、釜体

釜体包括直立圆通、上下封头、接管、法兰、支座等

根据反应器所处理的物料特征可选用不同的材质：

碳钢

不锈钢

复合钢板

非金属材料（搪瓷、塑料或橡胶内衬）

根据操作压力不同，上封头可选用瓶盖型、椭圆形、球形，下封头可选用椭圆形、球形或锥形。

二、搅拌装置的型式与选择

搅拌过程既可以是一种独立的流体力学单元操作（如液-液混合、固-液混合、固-液悬浮、气-液或、液-液分散等）又可以是其他单元操作（如传热、吸收、萃取、溶解、结晶以及化学反应）。

搅拌的作用：

增强混合效果、降低分散相周围液膜阻力，提高传热、传质速率。

（一）搅拌器的型式

搅拌器的型式很多，按桨叶的构形可分为：

浆式、锚式（或框式）、推进式、涡轮式及螺杆式。

1、浆式搅拌器

浆式搅拌器可分为平叶浆和折叶将。

平叶浆：

叶浆面与运动方向垂直，桨叶低速运转时，液体主要为环向流动，高速运转时，液体径向流速增大，但总体轴向流很弱，不利于轴向混合。

折叶将：

将平叶浆倾斜一定角度（一般为45°），即为折叶将，从而增大径向流动，有利于搅拌混合。

浆式搅拌器的桨叶有两叶和四叶两种。

转速通常为20-200r/min，叶端速度一般为1.5-3m/s。

桨叶直径与釜直径比一般为1/4-1/2,适用于0.1-100Pa.s的液体搅拌。

2、锚式（框式）搅拌器

对于粘度较大的液体，把桨叶形状制作成与反应釜底部的形状相似，且把桨叶与釜壁的间隙很小，一般桨叶直径与釜径之比为0.95。

锚式反应器的转速较低，但搅动范围大，不易产生死区，对高粘度流体的搅拌，可利用桨叶的刮扫作用来防止搅拌器与釜壁之间产生滞留层。

叶端线速度为0.5-1.5m/s，其桨叶宽度与桨叶直径之比约1/12。

锚式搅拌器及在聚酯反应中的应用见PPT8

3、推进式搅拌器

推进式搅拌器又称螺旋桨式搅拌器，结构简单、d/D=1/4-1/3，以整体铸造的叶轮较为常见，适合于液体粘度较低、液量较大的搅拌。

转速高，一般为300-600r/min，叶端速度为5-15m/s。

特点：

利用较小的搅拌功率通过高速旋转的桨叶获得较好的搅拌效果。

见PPT9

4、涡轮式搅拌器

涡轮式搅拌器能出来粘度范围较宽的液体。

叶端速度为3-8m/s，有较大的剪切力，可使液体微团分散的很细，使用低粘度到中粘度的液体混合。

d/D=0.5-0.7，一般叶片数为4-8。

见PPT10

5、螺杆式搅拌器

当液体粘度大于10Pa.s，常使用螺杆式搅拌器，它是将螺距一定的螺旋叶片固定在搅拌轴上，也称裸轴式搅拌器。

6、螺带式搅拌器

螺带式搅拌器适用于粘度较高的场合（如大103Pa.s以上）。

具体构形有单螺带、双螺带、四螺带。

（二）搅拌器的选型

搅拌过程涉及流体的流动、传热和传质，影响因素及其复杂，主要依靠经验。

1、依靠液体粘度及反应釜体积：

见课本P5图1-11

粘度从大到小：

依次为：

挤压机，锚式或螺带式，浆式，涡轮式，推进式等

2、依流动状态、搅拌目的为依据（提一下，不讲）。

（三）搅拌器附件

为了改善搅拌反应器内液体流动状态，在某种情况下需在反应器内增设搅拌附件（如挡板和导流筒）（提一下，自己看）

（四）搅拌器功率的计算（提一下，不细讲）。

计算搅拌器功率的目的是衡量聚合釜的搅拌强度，为选用搅拌电动机和搅拌机械设计提供基本数据。

搅拌器所需要的功率由三部分组成：

搅拌叶克服流体阻力消耗的能量：

搅拌轴功率

轴封消耗的能量：

使用填料密封时一般为轴功率的10%-15%，使用端面密封时一般为轴功率的2%

机械传动消耗的功率：

一般为0.8-0.95

具体怎么计算课下看书。

三、密封装置

为了保证搅拌反应器内部处于正常或真空状态，防止反应器内物料逸出或大气中杂质渗入，影响反应的正常进行，在旋转的搅拌轴与釜封头间需要安装密封装置。

其主要型式有调料密封和机械密封。

填料密封：

采用浸渍聚四氟乙烯和润滑油填充，起到密封作用。

机械密封：

用垂直于轴的两个密封元件（如动环和静环）的平面相互贴合，并做相对运动达到密封。

机械密封与填料密封的对比见课本P11，表1-2.

四、传动装置

一般搅拌转速小于电动机的转速，因而需要传动装置。

传动装置包括电动机、减速器、联轴器和机座。

见PPT22

电动机的选择：

搅拌反应器电动机的选择，应根据搅拌轴功率、搅拌器的转速、安装形式及防爆等级来选择，电动机的功率由下式计算：

P电=（P+Pm）/η

P:

搅拌器的轴功率（kW）,Pm:

轴封摩擦消耗的功率（kW）,η传动系统的机械效率。

五、传热装置

聚合釜常用的传热装置型式有：

夹套传热、釜内传热件及釜外传热等。

1、夹套：

夹套传热介质水、水蒸气或热载体等

2、釜内传热：

当聚合釜壁采用导热性不良的材质或大型聚合釜时，需要在反应器内增设传热件，如传热挡板、设形管等。

3、釜外传热

将釜内产生的气体导出冷凝，如醋酸乙烯溶液聚合。

第三节管式反应器

一、管式反应器的特点

管式反应器是一种连续反应器，属于稳态操作。

管式反应器由管体、挡液板和加热装置组成。

稳态操作：

物料呈平推流动，沿轴管方向每一微积单元，其物料的组成、浓度、温度不随时间变化。

优点：

有利于大型化、连续化生产，适用于高温高压的聚合反应。

设计要点：

保证物料呈平推流；减少管内径向温差，保证反应条件一致。

二、管式反应器的结构

1、管体：

带有夹套的长直圆管，制成3-5m的若干段，用法兰连接。

管径越小，越容易制得质量均匀、粘度较高的高聚物。

2、挡液板：

由于聚合釜管内物料停留时间长，流速低，粘度大，呈现层流，具有较大的速度梯度，而在管中心处流速大，停留时间短，为此设置若干挡液板，可以物料在管内流速趋于一致。

见PPT28

3、加热装置

管式反应器多采用联苯混合物作为热载体。

加热方式有两种：

（1）采用联苯锅炉产生联苯蒸汽进入夹套，冷凝后返回联苯锅炉，加热气化后循环使用。

特点：

加热均匀但设备管线复杂

（2）将电热棒直接安装在加热套内，加热套内有联苯混合物。

特点：

结构简单、费用低、操作简便、联苯渗漏及热损失小。

联苯-联苯醚混合物（LD-400）：

是以联苯、联苯醚混合配制的低共熔混合物，质量比26.5：

73.5，无腐蚀性，热稳定性好，在12-400°C间能长期使用，安全性能好，高温时饱和蒸汽压低，即可用于气相加热，也可用于液相加热。

氢化三联苯（LD-340）

是由不同比例的临、间、对三联苯混合物部分氢化而得（饱和度40%），平均分子量252，外观：

微黄色透明液体，凝固点低-30°C,高温下渗透性小，345°C下可液相操作，是目前最优质的液相高温导热油。

第四节卧式反应器

在聚合过程中，有时前后不同阶段物料的特性差异很大，对反应条件的要求亦不尽相同。

此时，采用卧式反应器。

特殊要求：

（1）物料在反应器内能沿径向充分返混，轴向无返混，尽量接近平推流。

（2）为达到预定的聚合度，要尽量除去体系中生成的小分子，故应在反应器内将物料尽量展开。