1  緒論001



2  化學反應工程基礎003

2.1化學反應和反應器分類003

2.1.1化學反應的分類003

2.1.2反應速率004

2.1.3反應器的分類005

2.1.4連續流動反應器內流體流動的兩種理想型態008

2.2均相反應動力學009

2.2.1等溫恆容簡單反應動力學方程式010

2.2.2復雜反應012

2.2.3等溫變容過程019

2.3理想反應器的設計020

2.3.1理想反應器設計的基本原理020

2.3.2間歇反應器022

2.3.3平推流反應器024

2.3.4理想混合流反應器027

2.3.5多級串聯理想混合流反應器030

2.3.6反應器型式和操作方法的評比和選擇036

2.4理想混合流反應器的熱穩定性044

2.4.1熱穩定性原理044

2.4.2影響熱穩定性的因素046

2.4.3T與Tw間的溫差047

2.5連續流動反應器的停留時間分布049

2.5.1停留時間分布表示方法050

2.5.2停留時間分布的測定051

2.5.3停留時間分布的數字特征052

2.6流動模型055

2.6.1理想流動模型056

2.6.2非理想流動模型058

2.7停留時間分布與化學反應069

2.7.1反應器內流體的混合狀態070

2.7.2微觀混合反應器的計算070

2.7.3宏觀混合反應器的計算075

習題078



3  化工流變學基礎081

3.1非牛頓流體081

3.1.1牛頓黏性定律和流動曲線082

3.1.2非牛頓流體的分類082

3.2非牛頓流體的流變特性085

3.2.1非牛頓流體的表觀黏度085

3.2.2聚合物溶液的流變特性086

3.2.3懸浮液的流變特性088

3.3非牛頓流體在圓管中層流流動的分析090

3.3.1流動分析090

3.3.2表觀黏度及雷諾數091

3.3.3流量092

3.3.4平均流速與流速分布092

3.3.5壓力降094

3.4非牛頓流體在圓管中的湍流流動096

3.5非牛頓流體流變性的測量097

3.5.1落球黏度計097

3.5.2旋轉錐板黏度計098

3.5.3旋轉圓筒黏度計099

3.5.4毛細管擠出流變儀100

習題101



4  聚合反應工程分析103

4.1概述103

4.2聚合反應速率的工程分析105

4.2.1活性鏈濃度［P·］與聚合反應機理105

4.2.2平均聚合度Pn與反應機理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瞬時聚合度109

4.3.3聚合度分布函數110

4.4連鎖聚合反應的平均聚合度及聚合度分布113

4.4.1間歇聚合時的聚合度分布113

4.4.2連續聚合時的聚合度分布119

4.5黏度對聚合反應的影響121

4.6均相自由基共聚123

4.6.1間歇共聚操作124

4.6.2半間歇共聚操作126

4.6.3連續共聚操作127

4.7縮聚反應128

4.8非均相聚合反應133

4.8.1間歇乳液聚合133

4.8.2連續乳液聚合139

4.8.3乳液聚合反應器設計要點143

4.9流動與混合對聚合度分布的影響144

4.9.1返混的影響144

4.9.2混合尺寸的影響145

4.10聚合過程的調節與控制145

4.10.1溫度的調控146

4.10.2聚合速率的調控148

4.10.3聚合度與聚合度分布的調控148

4.10.4粒徑及粒徑分布的調控148

習題151



5  攪拌聚合釜內流體的流動與混合153

5.1概述153

5.2攪拌釜內流體的流動狀況154

5.2.1循環流動與剪切流動154

5.2.2攪拌雷諾數與流態155

5.2.3擋板與導流筒156

5.3攪拌器的構形及選擇158

5.3.1攪拌器的構形158

5.3.2攪拌器的選用160

5.4攪拌功率的計算162

5.4.1攪拌過程的因次分析162

5.4.2均相流體攪拌功率的計算163

5.4.3非均相體繫攪拌功率計算166

5.4.4非牛頓流體的攪拌168

5.5攪拌器的流動特性及轉速的確定172

5.5.1攪拌器的循環特性172

5.5.2攪拌轉速的確定173

5.6攪拌器的混合特性179

5.6.1混合機理及混合特性180

5.6.2混合時間的計算181

5.7攪拌釜中的分散過程183

5.7.1攪拌釜內的液液分散與合並183

5.7.2攪拌對聚合物顆粒特性的影響185

習題187



6  攪拌聚合釜的傳熱與傳質189

6.1聚合過程的傳熱問題189

6.2攪拌聚合釜的幾種傳熱方式190

6.3攪拌聚合釜的傳熱計算193

6.3.1均相液體的傳熱194

6.3.2非均相體繫的傳熱196

6.3.3非牛頓流體的傳熱197

6.3.4攪拌聚合釜總傳熱繫數的計算198

6.4攪拌釜內的傳質過程200

6.4.1分散體繫的傳質膜繫數200

6.4.2伴有相間傳質的聚合反應202

6.5聚合反應釜的安全操作204

習題205



7  攪拌聚合釜的放大207

7.1概述207

7.2攪拌聚合釜的傳熱放大208

7.3攪拌聚合釜的攪拌放大214

7.4非幾何相似放大218

7.5放大準則的確定222

7.5.1按幾何相似理論確定放大準則222

7.5.2按非幾何相似理論確定放大準則223

習題223



8  聚合過程及聚合反應器225

8.1工業聚合方法225

8.1.1本體聚合226

8.1.2懸浮聚合226

8.1.3乳液聚合226

8.1.4溶液聚合227

8.2聚合反應器228

8.2.1釜式聚合反應器228

8.2.2塔式聚合反應器230

8.2.3管式聚合反應器230

8.2.4特殊型聚合反應器231

8.3聚合反應器選擇原則234

8.4聚合過程實例235

8.4.1苯乙烯連續本體聚合235

8.4.2高壓聚乙烯238

8.4.3丙烯淤漿聚合239



符號表243



參考文獻245

1988年，高分子類專業教學指導委員會成立，由高分子化工、高分子材料、橡膠和塑料工程3個專業14名代表和1名秘書組成。教材建設正是該委員會的主要任務之一，聚合反應工程和高分子物理是委員會首先組織招標編寫教材的兩門課程，浙江大學史子瑾承擔了聚合反應工程教材的編寫任務。《聚合反應工程基礎》第1版由浙江大學史子瑾主編、童克錦參編，全書由大連理工大學餘豐年教授主審。自1991年出版以來，本教材廣為各院校化工、高分子、材料專業所選用，至今已印刷近20次。

進入21世紀，高分子工業飛速發展。2018年，僅聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯和ABS樹脂五大通用合成樹脂的全球總產能達293Mt/a，合成橡膠的總產能達19Mt/a，合成纖維的總產能達93Mt/a。伴隨產能提升，出現了年產百萬噸級的聚合物工廠以及200m3以上的大型聚合釜，聚合物繫的攪拌混合、反應器的傳熱等工程問題日益突出。要高效地組織生產，單憑經驗、高分子化學或化學工程單一學科已無法奏效，需要將這些學科進行融合。

聚合反應工程以高分子工業中的聚合反應過程為主要研究對像，將化工原理、化學反應工程、高分子化學、聚合物合成工藝等知識融合應用於工業聚合過程，研究聚合反應器的設計、操作和優化等問題，是化學反應工程的一個重要分支。

教材出版30年來，新理念、新知識、新應用等內容需要融入教材中；同時，使用本教材的教師和學生也有大量反饋，有必要作進一步修訂再版。本著傳承和發揚經典教材的目的，浙江大學組織本教材的再版修訂工作，主要修訂內容如下：對教材中的不當之處進行修改；對某些公式補充推導步驟和文字說明；按教學習慣，將第1版教材中第3章和第4章進行互換；增加了第2章至第7章的習題，供教師和學生酌情選擇，鞏固學習效果；某些章節補充了新的內容。

再版教材分為三部分：部分為化學反應工程基礎和化工流變學基礎，為未學過化學反應工程和化工流變學的學生提供基礎知識；第二部分從聚合反應機理出發，運用化學反應工程知識對聚合反應進行工程分析，剖析操作參數對聚合反應速率和聚合物聚合度及分布的影響；第三部分以攪拌聚合釜為例，對聚合物繫的流動、混合、傳熱、傳質及放大進行計算。教師可根據學生情況和學習側重面，靈活選用。

本次修訂工作由浙江大學單國榮、杜淼、朱利平承擔，單國榮負責第1章、第2章和第7章，杜淼負責第3章、第4章和第8章，朱利平負責第5章、第6章，全書由單國榮統稿。

教材使用面廣，不能顧及各方需求，不當之處祈請批評指正！



單國榮

2021年1月於浙江大學