聚合过程强化技术

　　《聚合过程强化技术》是《化工过程强化关键技术丛书》分册之一。本书总结了作者长期以来在聚合过程工程领域的基础研究和工业应用积累。针对聚合过程的相态、物系、工艺等特点，论述了气相聚合过程（第二章）、淤浆聚合过程（第三章）、高黏物系聚合过程（第四章）、高黏物系脱挥过程（第五章）、聚合物反应挤出过程（第六章、第七章）中聚合物复杂物系的流动、混合与分散、传热和传质特性，阐述了聚合反应装置的优化设计、聚合过程的强化方法和典型工业应用。最后，从过程系统工程角度，论述了基于聚合反应动力学机理的聚合过程建模与流程强化、面向聚合物微观质量的反演优化方法及其工业应用（第八章）。 《聚合过程强化技术》系统论述了以聚合过程效能和产品质量为目标的聚合反应装置、聚合过程的优化设计和过程强化方法，密切结合基础研究与工业应用，反映了聚合过程工程领域的发展动向。本书是多项国家和省部级成果的系统总结，提供了大量基础研究和工程应用实例，可供化工、材料等领域科研人员、工程技术人员、生产管理人员以及高等院校相关专业师生参考。

　　冯连芳，浙江大学化学工程与生物工程学院教授/博士生导师。中国化工学会化工过程强化专委会委员。1983年毕业于浙江大学高分子化工专业，分别获得浙江大学化学工程与技术工学博士学位、法国洛林国立高等理工学院（INPL）产品及过程工程博士学位。入选教育部“跨世纪优秀人才支持计划”，入选浙江省“新世纪151人才工程”，入选杭州市钱江特聘专家。现任浙江大学衢州研究院常务副院长，化学工程联合国家重点实验室（浙江大学）副主任，流程生产质量优化与控制国际联合研究中心（浙江大学）副主任，全国化工设备设计技术中心站搅拌工程技术委员会主任。一直从事聚合物制备过程工程和产品工程的研究开发，擅长聚合反应器的放大和优化、聚合反应过程模拟与优化、高性能聚合物规模化制备与反应挤出改性。承担了国家“863”课题、国家科技支撑计划课题、国家“973”计划课题、中国石化（十条龙）、中国石油重点项目等 十余项。包括在Angewandte Chemie，Adv Mater，AIChE， Chem Eng Sci， Macromolecules， Polymer等刊物上发表论文近300篇，出版专著2本，撰写10本专著，授权发明专利近40项。 张才亮，浙江大学化工学院副教授，博士生导师。2002年获得武汉化工学院化学工程专业学士学位，2005年获浙江大学硕士学位，2009年以中法联合培养博士生分别获得法国洛林国立高等理工学院和浙江大学博士学位，2009～2011年在美国俄亥俄州立大学从事博士后研究。2011年起在浙江大学化工系从事教学和科研工作，2014～2015年在美国凯斯西储大学作访问学者。主要从事聚合反应工程、反应挤出、聚合物加工以及超临界下聚合物制造与加工成型等研究，其相关研究结果发表论文40余篇，授权和申请发明专利10余件。任“Chemical Engineering and Processing： Process Intensification”期刊的执行主编和“Case Studies in Chemical and Environmental Engineering”期刊的编委。 王嘉骏，浙江大学化学工程与生物工程学院副教授，硕士生导师。分别于1995年和2001年获得浙江大学化学工程专业工学学士和博士学位。2001年起在浙江大学从事教学和科研工作。2016年9月至2018年3月在美国Northwestern University作博士后访问学者。主要研究方向为反应器与化工过程强化和优化研究，研究内容涉及高黏复杂体系过程强化和混合强化，外场作用下复杂多相体系气泡和颗粒行为，与复杂化学反应耦合的计算流体力学模拟。任全国化学工程设计技术中心站搅拌技术专家委员会委员。以第一/通讯作者发表SCI论文30余篇，出版学术专著1本，获授权中国发明专利20余件。主持和作为骨干参与国家自然科学基金、863项目、科技支撑项目和国家重点研发专项等项目10余项。获省部级科技进步一等奖1项。

第一章　绪论/1
第一节　引言 1
第二节　聚合过程强化的几个关键问题 2
第三节　聚合过程强化技术与装备的发展 3
一、聚合过程的传热强化 3
二、聚合过程的分散强化 4
三、聚合过程的混合强化 6
四、聚合过程的传质强化 7
五、聚合过程的系统优化 9
第四节　结语 11
参考文献 12

第二章　气相聚合过程强化技术/14
第一节 引言 14
一、烯烃聚合过程简介 14
二、烯烃聚合的过程强化 15
第二节 超冷凝过程强化传热技术 16
一、冷凝态机理与技术 16
二、Univation超冷凝技术 18
三、BP超冷凝技术 19
第三节 搅拌流化床过程强化防粘技术 22
一、搅拌流化床流化特性 22
二、搅拌流化床混合特性 24
三、搅拌流化床的防粘强化 41
第四节 多区循环流化床强化产品性能技术 42
一、多区循环反应器概念 42
二、多区循环流化床结构与流体动力学 44
三、聚丙烯多区循环反应器强化 62
第五节 结语 68
参考文献 68

第三章　淤浆聚合过程强化技术/72
第一节 引言 72
第二节 搅拌槽内气液固三相体系的分散特性 73
一、实验部分 73
二、平均气含率 75
三、局部气含率轴向分布 77
四、气泡尺寸 81
五、不同桨组合气液分散特性比较 84
六、固体颗粒对气液分散特性的影响 85
第三节 搅拌槽内气液固三相体系的分散特性CFD模拟 87
一、模拟对象与方法 88
二、基本控制方程 89
三、气液相间动量传输 89
四、气泡尺寸模拟方法 91
五、宏观流动场 93
六、局部气泡尺寸 95
七、气含率 101
八、气液相界面积分布 106
九、固含率分布 107
第四节 基于多目标遗传算法协同的气液搅拌反应器优化 109
一、优化方法的建立 110
二、模拟策略 116
三、CFD模型验证 118
四、叶片优化策略 119
五、Pareto最优解 120
六、最优解分析 121
七、桨组合的影响 124
八、最优解气液分散强化效果 128
第五节 结语 129
参考文献 130

第四章　高黏物系聚合过程强化技术/132
第一节 高黏物系搅拌强化设备发展 132
一、新型立式搅拌釜 132
二、新型卧式搅拌釜 137
第二节 卧式双轴捏合反应器混合强化研究 141
一、流体动力学分析 143
二、混合过程 145
三、拉伸与混合效率 155
四、小结 160
第三节 应用示例——聚苯硫醚溶液聚合过程 160
一、聚合过程工艺特征分析 160
二、宽黏度域的搅拌强化 161
三、聚苯硫醚聚合过程强化方法 165
第四节 应用示例——甲基丙烯酸甲酯的本体聚合过程 166
一、聚合动力学模型 167
二、聚合过程强化方法 169
第五节 结语 172
参考文献 172

第五章　高黏物系脱挥过程强化技术/175
第一节 引言 175
第二节 脱挥过程原理 176
一、传质机理 176
二、化学反应 179
三、传热限制 180
第三节 降膜式脱挥器 181
一、设备概述 181
二、流动成膜与传质特性 184
第四节 卧式双轴圆盘反应器 187
一、设备概述 187
二、流动成膜特性 189
三、液膜厚度分布 195
四、传质特性 201
第五节 卧式双轴捏合反应器 209
一、设备概述 209
二、流动成膜特性 210
三、传质特性 215
第六节 聚合物溶液直接脱挥试验 221
一、脱挥试验方法 221
二、直接脱挥过程形态演变 222
三、弹性体种类对脱挥产物形态的影响 223
四、操作条件对挥发分含量的影响 223
第七节 结语 225
参考文献 226

第六章　反应挤出强化均相聚合过程/228
第一节 引言 228
第二节 反应挤出原理与特点 229
一、反应挤出原理 229
二、反应挤出特点 229
第三节 反应挤出的流动、混合与反应 231
一、停留时间分布 231
二、挤出反应动力学在线测量 242
第四节 反应挤出过程强化策略 243
一、螺杆类型 243
二、螺纹元件与组合 245
三、操作条件 248
四、其他强化方式 249
第五节 应用实例 250
一、自由基聚合制备聚苯乙烯及其共聚物 251
二、阴离子开环聚合制备尼龙6 253
三、缩聚聚合制备聚酯 258
第六节 结语 262
参考文献 263

第七章　反应挤出强化多相聚合过程/270
第一节 聚合物反应改性 270
一、聚烯烃极性改性 271
二、聚合物接枝共聚 275
第二节 聚合物多相体系反应增容 279
一、反应增容机理 279
二、反应增容过程分析 281
三、反应增容强化方式 286
第三节 热塑性动态硫化硅基橡胶的制备 299
一、反应挤出热塑性动态硫化橡胶机理 300
二、热塑性聚合物/硅橡胶的反应增容 301
三、热塑性聚合物/硅橡胶的动态硫化 303
四、反应增容与动态硫化耦合过程强化 306
第四节 结语 309
参考文献 310

第八章　聚合过程系统强化技术/317
第一节 引言 317
一、聚合物产品质量指标 317
二、系统级强化技术的意义 319
第二节 面向产品微观质量的流程模拟方法 320
一、物性计算方法 322
二、聚合反应机理 325
三、催化剂活性位解析方法 326
四、微观质量指标计算方法 327
第三节 系统级流程强化方法 332
一、新产品工艺条件设计 333
二、聚合过程流程重构强化 334
三、缩短牌号切换时间的强化方法 334
第四节 乙烯淤浆聚合过程新牌号工艺条件设计 335
一、系统流程建模 336
二、新牌号工艺条件 340
三、小结 342
第五节 以扩能为目的聚丙烯流程重构 343
一、物性计算 344
二、丙烯共聚合反应机理及动力学常数确定 344
三、工艺流程重构 347
四、小结 349
第六节 变流程结构聚乙烯牌号切换过程强化 349
一、过程模型建立 350
二、切换过程分析 351
三、串联操作向并联操作切换过程强化 352
四、小结 355
第七节 结语 355
参考文献 356

索引/362