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第1章 化学反应器设计原理1

1.1 化学反应器概述1

1.1.1 化学反应器形式1

1.1.2 化学反应器应用2

1.2 化学反应器工艺设计2

1.2.1 停留时间分布2

1.2.1.1 停留时间的定义与表征2

1.2.1.2 RTD对反应过程的影响4

1.2.2 宏观混合与微观混合4

1.2.3 反应器形式对聚合反应过程的影响5

1.2.3.1 聚合反应的特点5

1.2.3.2 返混对聚合物分子量分布的影响6

1.2.3.3 微观混合对聚合物分子量分布的影响7

1.3 化学反应器放大8

1.3.1 放大技术概述8

1.3.2 几何相似放大8

1.3.2.1 几何相似放大法概要8

1.3.2.2 不同搅拌目的时的放大准则9

1.3.2.3 采用不同的放大准则时，混合参数的变化规律11

1.3.2.4 采用不同放大准则时，传热系数的变化规律12

1.3.2.5 由实验确定几何相似放大准则13

1.3.3 非几何相似放大14

1.3.4 实例——氯乙烯悬浮聚合反应器放大14

第2章 低黏搅拌反应器17

2.1 搅拌设备概述17

2.1.1 引言17

2.1.2 搅拌技术的研究进展17

2.1.3 新型高效节能搅拌设备的研发17

2.1.4 测量技术的进展18

2.1.5 模拟仿真技术19

2.2 功率特性20

2.2.1 搅拌功率概述20

2.2.2 永田进治的搅拌功率计算式20

2.2.2.1 无挡板时的搅拌功率21

2.2.2.2 有挡板时的搅拌功率21

2.2.2.3 圆管的挡板系数22

2.2.3 布鲁马金式叶轮的功耗和排量22

2.2.4 三叶后掠叶轮的功耗和排量23

2.3 循环特性24

2.4 混合速率25

2.5 搅拌选型与设计28

2.5.1 搅拌设备设计的过程因素28

2.5.2 搅拌设备选型、设计和优化步骤30

2.5.3 搅拌设计范围32

2.5.4 设计步骤32

2.5.5 过程因素分析33

2.5.6 实例——乳液聚合34

2.6 CFD技术应用37

2.7 实例——搅拌器混合计算37

2.7.1 实验装置与测量方法37

2.7.2 CFD模拟方法38

2.7.3 结果与讨论39

2.7.3.1 混合时间的数值模拟与实验对比39

2.7.3.2 混合过程的数值模拟与实验对比40

2.7.4 结论41

第3章 高黏搅拌反应器43

3.1 高黏性体系的搅拌功率43

3.2 立式高黏搅拌44

3.2.1 锚式叶轮44

3.2.2 框和偏框式叶轮46

3.2.3 双螺带式和单螺带式叶轮47

3.2.4 内外单螺带式与螺带螺杆式叶轮48

3.2.5 求解ks方法的比较52

3.2.6 螺杆-导流筒式叶轮53

3.3 实例——顺丁橡胶反应器54

3.3.1 工业装置尺寸54

3.3.2 流变数据54

3.3.3 内外单螺带桨功耗计算实例55

第4章 脱挥反应器57

4.1 概论57

4.2 相际传质与脱挥原理57

4.2.1 脱挥理论57

4.2.2 传质过程系数模型58

4.2.2.1 脱挥的一般扩散传质模型58

4.2.2.2 停留时间分布——渗透传质溶合数学模型59

4.2.3 高黏流体脱挥及强化方法59

4.2.3.1 加入第二流体的方法——热力学强化手段59

4.2.3.2 多级脱挥60

4.2.3.3 强化传质面的表面更新速率60

4.3 高黏流体脱挥器60

4.3.1 落条式脱挥器60

4.3.2 立式搅拌成膜脱挥器60

4.3.3 卧式表面更新脱挥器61

4.3.4 螺杆挤出机61

4.4 自清洁反应器在高黏流体脱挥中的应用62

4.4.1 自清洁反应器的特点62

4.4.2 高黏自清洁反应器研究进展62

4.4.3 排气式挤出机63

4.4.3.1 自清洁式SCR和新型SCR双螺杆挤出机64

4.4.3.2 BIVOLAV双螺杆挤出机64

4.4.4 实例——LIST-ORP和LIST-CRP65

4.4.4.1 工作原理66

4.4.4.2 设备尺寸与配置67

4.5 本章小结68

第5章 气液相反应器69

5.1 气液相反应概述69

5.2 气液相测量方法70

5.2.1 平均参数的测量70

5.2.1.1 测压法70

5.2.1.2 衰减法71

5.2.1.3 床层塌落法71

5.2.1.4 液位差法71

5.2.1.5 溢流法73

5.2.2 局部参数的测量73

5.3 搅拌槽内气泡尺寸的实验研究73

5.3.1 搅拌器对搅拌槽内平均气泡大小分布的影响73

5.3.2 搅拌转速对气泡尺寸变化的影响74

5.3.3 气体分布器、挡板对气泡尺寸的影响75

5.3.4 通气对气泡尺寸变化的影响76

5.3.5 物性对气泡尺寸变化的影响76

5.3.5.1 电介质的影响76

5.3.5.2 黏度的影响77

5.3.5.3 固体颗粒的影响77

5.3.5.4 温度和压力的影响78

5.3.6 气泡尺寸预测与数据关联78

5.3.6.1 最大气泡尺寸dmax的理论预测78

5.3.6.2 气泡尺寸的数据关联78

5.4 搅拌槽内气含率的实验研究80

5.4.1 搅拌槽内局部气含率80

5.4.2 搅拌槽内平均气含率的实验研究80

5.4.3 平均气含率关联式81

5.5 通气功率特性82

5.5.1 组合桨对功率特性的影响82

5.5.2 通气对搅拌功率的影响83

5.5.3 桨间距及底层桨离底距离对搅拌功率的影响84

5.5.4 通气搅拌功率的数据关联式84

5.6 新型搅拌器开发与桨组合优化85

5.6.1 新型搅拌器开发85

5.6.2 搅拌桨优化组合86

5.7 搅拌反应器内气液两相流CFD模拟研究87

5.7.1 双流体模型87

5.7.1.1 基本控制方程87

5.7.1.2 动量传输88

5.7.2 气相和液相湍动模型90

5.7.3 气液搅拌槽中的两相流模拟实践91

5.7.3.1 单一气泡尺寸的气液两相流的CFD研究91

5.7.3.2 基于PBM模型的气液两相流的CFD研究92

5.7.3.3 One-group PBM模型92

5.7.3.4 Multi-group PBM模型93

5.7.3.5 基于PBM的气液两相流的CFD研究96

5.8 实例——PX氧化反应器97

5.8.1 功率计算97

5.8.1.1 启动功率估算97

5.8.1.2 正常操作时功率估算97

5.8.2 工业组合桨气含率99

5.8.2.1 层间距的影响99

5.8.2.2 分布器类型的影响100

5.8.2.3 槽径的影响100

5.8.3 工业组合桨的传质特性101

5.8.3.1 气液传质系数101

5.8.3.2 操作特性102

5.8.3.3 搅拌转速的影响102

5.8.3.4 分布器的影响103

5.8.3.5 桨径的影响104

5.8.3.6 小结104

5.8.4 PX氧化反应器（30万吨／年）工业装置核算105

5.8.4.1 功率105

5.8.4.2 气含率106

5.8.4.3 临界转速106

第6章 固液相反应器109

6.1 固液悬浮概述109

6.2 固液悬浮判据109

6.2.1 以槽底未悬浮固体量作判据110

6.2.2 以槽内悬浮液的均匀程度作判据110

6.2.3 完全离底的临界转速110

6.3 固液悬浮搅拌设备112

6.3.1 搅拌器112

6.3.2 桨径与槽径之比115

6.3.3 槽底形状115

6.4 物性对固液悬浮的影响116

6.4.1 液相黏度的影响116

6.4.2 固相分率φv的影响117

6.4.3 粒子大小的影响117

6.5 固液悬浮搅拌槽的放大117

6.6 自浮颗粒的悬浮分散118

6.6.1 分散状态119

6.6.2 挡板的影响120

6.6.3 桨型的影响121

6.6.4 放大规则122

6.6.5 旋涡深度123

6.7 实例——顺丁橡胶溶液的凝聚过程123

6.7.1 凝聚机理123

6.7.2 凝聚釜124

6.7.3 “闷釜”现象分析125

6.8 气固液三相悬浮分散125

6.8.1 固体临界悬浮转速126

6.8.2 搅拌功耗127

6.8.3 气含率和传质129

6.8.4 釜型和挡板的影响129

6.8.5 桨型和桨间距的影响130

6.8.6 气体分布器的影响132

6.8.7 颗粒物性等的影响133

6.8.8 混合时间134

6.8.9 放大规则134

6.8.10 表面活性剂的影响135

6.9 实例——Hypol液气本体法丙烯聚合过程135

6.9.1 过程简介135

6.9.2 过程分析135

第7章 流态化反应器137

7.1 气固流态化概述137

7.1.1 颗粒的分类137

7.1.2 流化状态的判别138

7.1.3 最小流化速度140

7.1.4 最小鼓泡速度141

7.1.5 流化床中的流动特性142

7.2 流化床中的检测技术143

7.2.1 颗粒性质的测量方法143

7.2.2 流体力学特性的测量143

7.2.3 颗粒浓度的测量144

7.2.4 颗粒速度的测量145

7.2.5 压力信号145

7.3 气固稀相流化床146

7.3.1 循环流化床反应器146

7.3.2 MZCR反应器147

7.3.3 提升管中气固两相流动行为148

7.4 搅拌流化床149

7.5 计算流体力学在气固流化床的应用150

7.5.1 双流体模型151

7.5.2 随机颗粒轨道模型151

7.5.3 离散元模型152

7.6 实例——聚酯切片流化床反应器152

7.6.1 流化状态的变化153

7.6.2 床层膨胀比153

7.6.3 床层压降154

7.6.4 压力脉动与功率谱分析154

7.6.5 Froude数的分析155

7.6.6 能量分析156

7.6.7 小结157

7.7 展望157

第8章 管式反应器159

8.1 静态混合反应器159

8.1.1 静态混合器159

8.1.1.1 旋扭叶片型静态混合器159

8.1.1.2 波纹片、窄板条型静态混合器163

8.1.1.3 其他类型静态混合器165

8.1.2 新型静态混合器的开发165

8.2 移动管式反应器167

8.2.1 液固循环移动床反应器167

8.2.2 液固环流反应器168

8.2.3 液固提升管-流化床反应器171

8.2.4 高黏度固液非均相高效反应器173

8.2.5 环管反应器175

8.2.6 液固二相光催化剂反应器175

8.2.7 液固下喷自吸环流反应器176

8.3 小结177

符号说明178

参考文献183