Предисловие к русскому изданию ........ 7
Предисловие к английскому изданию ...... 8
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ........... Ю
1.1. Основы теории реакторов ................ Ю
.2. Типы реакторов ..................... 14
.3. Производительность, эффективность и избирательность процесса . . 18
4. Об относительной дисперсии ..... ........... 30
5. Свойства полимеров, зависящие от пути реакции ........ 36
.6. Типы полимеризационных процессов ............. 47
.7. Стехиометрические соотношения и ограничивающие уравнения . . 49
.8. Константы равновесия и скорости .............. 53
.9. Полиприсоединение (статистическая полимеризация) ...... 60
.10. Полимеризация ...... . .............. 69
.11. Некоторые кинетические приближения ............ 76
.12. Сополимеризация .................... 89
.13. «Мгновенные» свойства продукта ......... ..... 96
ГЛАВА 2. РЕАКЦИИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ .......... 104
2.1. Основные характеристики степени полимеризации ....... 104
2.2. Наиболее вероятное распределение по степени полимеризации . . . 107
2.3. Распределение Пуассона ................. 128
2.4. Переход от ступенчатой полимеризации к цепной ........ 142
2.5. Распределение Гаусса по составу сополимера ......... 146
2.6. Статистическая дисперсия ................. 152
2.7. Смещение (дрейф) дисперсии ........... ..... 158
2.8. Инициирование роста цепи .......... .... 179
2.9. Обрыв цепи ................... . ... 193
2.10. Передача цепи ................. .... 220
2.11. Интегральные распределения ............... 225
2.12. Химическое подобие ...... ............ 235
ГЛАВА 3. СМЕШЕНИЕ ...... ............. 240
3.1. Качество смешения ........... . ....... 240
3.2. Распределение времен пребывания ............. 255
3.3. Смешение и химические реакции .......... .... 281
3.4. Факторы, влияющие на эффективность работы реактора ..... 293
3.5. Факторы, влияющие на свойства конечного продукта ...... 307
ГЛАВА 4. ТЕРМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ............. 344
4.1. Роль температуры при изотермических реакциях ........ 346
4.2. Оптимальный температурный режим ............ 355
4.3. Тепловой взрыв ........ . ...... ..... 376
4.4. Характеристики конечного продукта при неизотермических режимах 442
4.5. Термическая неустойчивость и множественность стационарных состояний ........................ 454
ГЛАВА 5. ТЕЧЕНИЕ................... 48»
5.1. Реакционное формование.................481
5.2. Вязкость реакционной массы...............482
5.3. Течение в реакторе непрерывного действия..........494
5.4. Течение в «сдвиговом» реакторе.............529'
ГЛАВА 6. УДАЛЕНИЕ ЛЕТУЧИХ ПРОДУКТОВ . . . . . . . . 54»
6.1. Теория равновесия................... 542
6.2. Кинетическая теория................... 560
6.3. Модели непрерывного процесса............... 591
6.4. Модели периодического процесса.............. 600
6.5. Оборудование . . ,.................. 608
Приложения........................ 623-
A. Реакции полимеризации...................62J
B. Распределения...................... 63&
C. Математические методы..................644
D. Термодинамические соотношения...............654
E. Химическая кинетика .................. 661
F. Явления переноса.....................664
G. Характеристические времена и безразмерные группы.......673-
Библиографический список.............677
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Одной из классических дисциплин, входящих в общую программу подготовки инженеров-технологов в советских ВУЗах, являются «Процессы и аппараты». В англоязычной литературе сходное по смыслу содержание обозначается термином «инжи-ниэринг», который мы перевели как «инженерные проблемы», хотя и само слово инжиниэринг стало довольно широко применяться в отечественной научно-технической литературе.
Проблемы инженерного обеспечения технологических про-дессов имеют исключительно важное значение, поскольку промышленные перспективы разнообразных синтезов, с успехом осуществляемых в лаборатории, в большинстве случаев зависят от возможности их крупномасштабного аппаратурного оформления.
Предлагаемый вниманию советских читателей перевод книги .американских ученых Дж. А. Байзенбергера и Д. X. Себастиана «Инженерные проблемы синтеза полимеров» является первой в мировой литературе попыткой изложить на современном уровне основные общие элементы, составляющие технологический процесс промышленного получения полимеров. По аналогии с традиционным подходом к инженерным проблемам химической технологии в книге рассматриваются такие вопросы, как течение, смешение, расчет реактора, теплоперенос и т. д. Однако принципиальным является то, что при их рассмотрении учитывается специфика свойств полимеров и особенности технологии синтеза высокомолекулярных соединений.
Все это представляет огромный интерес в связи с задачами, поставленными XXVII съездом КПСС и последующими Пленумами, в которых предусмотрены опережающие темпы роста производства полимерных материалов, создание крупнотоннажной промышленности конструкционных пластмасс, резкое повышение качества и технического уровня выпускаемых материалов. Несомненно, что решение этих задач невозможно без должного инженерного обеспечения как новых, так и традиционных технологических процессов.
Настоящая книга содержит элементы и научной монографии, поскольку в ней обобщены последние достижения исследователей, работающих в этой области, и учебного курса, так как во всех случаях изложение ведется достаточно методично. Поэтому можно полагать, что книга будет полезна широкому кругу читателей, связанных с промышленностью пластмасс—• научным и инженерно-техническим работникам и конструкторам проектных и исследовательских организаций и промышленных предприятий, аспирантам и студентам.
В ходе работы над русским изданием авторы книги внесли РЯД исправлений и дополнений, которые были учтены нами при подготовке рукописи к печати. Докт. физ.-мат. наук, профессор А. Я. Малкин
ПРЕДИСЛОВИЕ К АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ
Наука занимается систематизацией различных явлений, которые на первый взгляд не всегда представляются связанными, базируясь на наблюдениях и используя модельные представления. Общей же задачей техники является применение созданных научных принципов для разработки и конструирования сложных систем, в частности различных технологических процессов. Перёд инженерной наукой в целом (в том числе и химической) стоит задача выявить и описать закономерности в таких системах, т. е. в химических процессах.
Настоящая книга посвящена процессам, которые используются при производстве полимерных материалов. В соответствии с задачей инженерной науки внимание концентрируется на основных концепциях и принципах. Задача книги — сформулировать обобщения, которые могут быть полезными при разработке, расчете и модификации процессов полимеризации. Стратегия при изложении материала сводится к созданию и анализу подходящих модельных представлений. Результаты, по возможности, представляются в форме безразмерных алгоритмов или критериев с ясным физическим смыслом для того, чтобы облегчить их применение к реальным процессам. В том случае, если имеется достаточный уровень информации, некоторые конкретные процессы рассматриваются в качестве примеров.
Настоящая книга не претендует на роль исчерпывающего трактата по «технике реакций полимеризации», поскольку в ней даже не предпринята попытка охватить всю имеющуюся по этим вопросам литературу. Совсем наоборот, большая часть изложения основывается на работах, выполненных в отделе химии и химической технологии Стивенского технологического' института.
Авторы заранее принимают упреки за неизбежно возникшие вследствие такого подхода ошибки и неумышленные повороты, если они имеют место.
Настоящая книга предназначается непосредственно для инженеров, работающих в промышленности, и научных работников, занимающихся техническими вопросами и пытающимися применять общие подходы к процессам полимеризации. Книга может быть также полезной при чтении курсов по химической технологии процессов полимеризации, поскольку она представляет собой расширенный курс лекций, читаемых в Стивенском институте более 20 лет.
При изложении предполагается, что читатель знаком с теорией массопереноса и с кинетикой химических реакций. Для тех, кому необходимо ознакомиться с этими вопросами, в конце книги помещаются Приложения к тексту (Приложения Е и F). Приложение А посвящено химическим аспектам полимеризации, Приложение- D — термодинамике, Приложения В и С — математическим методам обработки и, наконец, Приложение G—
8
характеристическим временам и безразмерным параметрам. .«Текст внутри текста» служит для облегчения понимания весьма сложного понятия характеристических времен, его физической интерпретации и демонстрирования его общности.
Гл. 1 содержит основные концепции, на которых основывается последующее изложение; в гл. 2 обсуждаются явления, характерные для реакций полимеризации; гл. 3—5 посвящены физическим факторам, которые определяют полимеризацию или зависят от нее; гл. 6 посвящена вопросам послереакцион-лого отделения непрореагировавшего мономера и/или растворителя.
Читатель может отметить, что гл. 3—5 построены не общепринятым образом по типам реакторов (реактор периодического действия, реактор идеального смешения, проточный реактор и т. п.); реакторы с мешалкой рассматриваются в гл. 3 и 4 как часть более общего класса реакторов, называемых идеальными смесителями, а реакторы с ламинарным течением рассматриваются в гл. 3—5 как проточные реакторы. Это делается для того, чтобы облегчить изложение вопроса о применении реакторов нетрадиционных типов непосредственно для процессов полимеризации, особенно для тех, которые проводятся в блоке. Реакторы по конструкции могут отличаться от традиционных, но быть им динамически подобными, что облегчает создание новых полимеризационных реакторов.
Авторы признательны друзьям и коллегам, которые оказывали помощь в процессе подготовки книги. Особую благодарность авторы выражают профессорам 3. Тадмору, К. Гогосу, Н. Паппасу, К- О'Дрисколлу и доктору Р. Мехта за прочтение частей рукописи и за полезные советы, докторам И. Дувдевани и Р. Капинпину за представление ранее неопубликованных данных, группе машинного оборудования (Эмхарт), особенно доктору П. Холду, за общую поддержку исследования, в результате которого были получены некоторые оригинальные результаты, и, конечно, отделу химии и химической технологии 'Стивенского технологического института за предоставленные для работы оборудование и приборы. И в заключение, хотя и не в последнюю очередь, авторы сердечно благодарят мисс А. Ренди за напечатание всей рукописи, включая уравнения и таблицы. Ее несравненное мастерство, преданность и прекрасный юмор сделали эту трудоемкую задачу приятной.
Джозеф А. Байзенбергер Доналд X. Себастиан
