聚合反應工程
正文
化學反應工程的一個分支，是高分子化學、聚合物工藝和化學工程間新興的邊緣學科。它以工業聚合過程為主要研究對象，以聚合動力學和傳遞理論為基礎，研究聚合反應器的設計、操作和最佳化諸問題。促成該分支學科建立的背景是石油化工的蓬勃發展。石油化工為化學工業所提供的豐富原料，絕大部分用來生產聚合物。20世紀40年代以來，聚合物生產迅速發展，領先於理論研究，工業反應器的設計在相當程度上依靠經驗，僅有少數幾篇關於聚合反應器型式對聚合物分子量分布影響的論文。隨著高分子化工的發展，對聚合過程的開發和聚合反應器的可靠設計提出了迫切要求，化學反應工程的理論研究，大型電子計算機和凝膠滲透色譜的套用為聚合反應工程的研究提供了有效的方法和工具。
在1970年第一屆國際化學反應工程討論會上，已出現全面地討論聚合反應動力學和聚合反應器設計的文章，以後陸續出版了聚合反應工程的專著。故聚合反應工程僅有20年左右的歷史，由於聚合動力學和聚合反應器中的傳遞過程的複雜性，目前該分支仍不成熟，正處在發展階段。
聚合反應動力學 聚合是一類特殊的複雜反應，反應產物具有多分散性，即為分子量不同的許多同系列大分子所組成的混合物。因此，聚合反應動力學不僅研究反應速度及其影響因素，還要研究與聚合物的特性密切關係的指標（包括平均分子量、共聚物組成、顆粒大小、支化度和它們的分布等）以及各種因素對這些指標的影響。
聚合反應按其機理可分為鏈式聚合和逐步聚合兩大類，在高分子化學領域中已對這兩類反應的動力學進行了大量的研究，提出了理論的分子動力學模型，但由於聚合反應系統的複雜性，這些理論模型本身及其套用都有局限性。工業上，按照聚合機理、動力學歷程和聚合工藝，可列出引發劑、單體、活性鏈和聚合物的物料衡算式和熱量衡算式。通常是一組微分方程組，用數值法進行求解，得出溫度、壓力、濃度等操作參數對於聚合速率和聚合物性能的定量影響。實際上，反應速率和聚合物性能都與反應器型式、操作方式和操作條件等密切相關。要製備特定性能的聚合物，不僅要依靠化學手段，還要依靠反應工程。聚合反應工程與聚合物性能之間的相互影響正引起人們越來越多的注意。從工程的角度看，需要掌握的是實際反應器中的反應規律，要研究並闡明包含傳遞過程在內的聚合反應過程的總特徵，建立反應器中的聚合反應過程的數學模型，通過實驗測定模型參數，從而確定定量關係。目前，這方面的研究非常活躍，但定量地用於生產尚需時日。
傳遞過程 反應器中與聚合反應同時發生，並相互影響的各種傳遞過程(包括流動、傳熱和傳質)。聚合反應是對溫度和濃度十分敏感的化學反應，對流動和混合的要求比一般化學反應更為苛刻，傳熱問題也往往是控制聚合反應過程的一個關鍵問題。聚合物系的相態，除了液相均相體系外，還有各種兩相和多相體系（包括氣液、氣固、液液、液固、固固、氣液固、液液固以及液液液等體系）。在這樣的聚合物系當中發生的各種傳遞過程都與聚合反應速度以及聚合物性能密切相關，因此研究聚合反應器中的傳遞規律非常重要，然而聚合物系的複雜性質給這些研究增添了困難。聚合後物系可粗分為兩大類：一類是高粘度的牛頓型流體或非牛頓型流體；另一類是高固體含量的懸浮液和乳液。這兩類物系的流變行為、混合、傳熱和傳質有較大差異，而且在聚合過程中聚合物的物性往往有較大變化，準確的實驗數據也不易獲得。雖然化學工程中傳熱和傳質的計算以及化學反應工程中發展的一些流動模型應能適用於聚合反應器中傳遞過程的計算，但卻常常由於基本物性數據或參數的缺乏而影響計算的結果，甚至不能計算。例如，對於非理想流動的問題，原則上能用分散模型和多級全混流模型，但由於沒有實測的參數而難於實際套用。
聚合反應器 實現聚合反應過程的設備總稱。聚合反應器按其操作方式可分為間歇式、連續式和半連續式（或稱半間歇式）三種；按其結構又可分為釜式、管式、塔式以及其他特殊型式。後一分類方法便於進行聚合反應器的工程分析。例如針對某種型式反應器，分析其功率、混合時間、液滴化性能、傳遞等問題，以用於工業反應器的設計。
根據聚合反應的特點，物系的粘性及散熱問題特別重要，因此攪拌反應器套用最為廣泛。據統計，攪拌釜約占聚合反應器的70％以上，有關的技術資料也最多。塔式反應器約占10％。其他有管式以及特殊型式的聚合反應器，如環式、攪拌床式、臥式、流化床式、捏合式、擠出式等，也各有其套用之處。一般說來，特殊型式的反應器用於高粘度及發熱量較大的聚合反應系統。由於聚合反應過程中粘度變化較大，反應速度也在變化，尤其是對於連續化過程，用單一的反應裝置比較困難，常將多種反應器組合使用。在聚合後期，聚合物系粘度很高，流動和傳熱都很困難，對於縮聚反應，還必須除去小分子物，這時常需採用特殊型式反應器。例如：苯乙烯本體聚合先釜後塔，氯乙烯本體聚合先立式後臥式。
攪拌聚合釜是套用最廣的一類聚合反應器，主要由釜體、釜蓋、攪拌器、減速機和密封裝置等組成。常用的約 30～50m3，100m3 以上也頗普遍，最大的達200m3。攪拌器由槳葉(葉輪)和軸組成。其型式、尺寸、轉速以及安裝位置都對攪拌功率、混合、流動型式以及傳熱、傳質有直接影響。槳葉型式主要有推進器式、透平式、槳式、錨式、框式、螺軸式（有時帶導流筒）、螺帶式以及有刮壁作用的攪拌器等。前三種適用高速攪拌低粘度液體，後幾種則適用於低速攪拌高粘度液體。釜體有夾套，釜內有時裝內冷管，大型釜的釜頂還有回流冷凝器，以供傳熱。
參考書目
(日)高分子學會編，王紹亭等譯：《聚合反應工程》，化學工業出版社，北京，1982。（高分子學會編：《重合反応工學演習》，培風館，東京，1974。）
