聚合反應(yīng)工程復(fù)習習題

1、1. 聚合反應(yīng)工程定義：聚合反應(yīng)工程以研究工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模進行的聚合反應(yīng)過程的規(guī)律及反應(yīng)器最佳設(shè)計和最佳操作的學(xué)科2. 聚合反應(yīng)工程主要討論：聚合反應(yīng)器的特性；反應(yīng)器的設(shè)計方法；聚合反應(yīng)器的型 式和結(jié)構(gòu)；反應(yīng)器的大??；物料衡算與熱量衡算；最優(yōu)化；聚合反應(yīng)過程操作條件的穩(wěn)定性。3. 進行聚合反應(yīng)器的最佳設(shè)計應(yīng)從聚合動力學(xué)與聚合物系中的傳遞規(guī)律二方面著 手，應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)工程的方法使它們結(jié)合起來，對聚合反應(yīng)器進行設(shè)計、放大。4. 聚合反應(yīng)工程的分析和研究方法：首先掌握“三傳一反”理論基礎(chǔ)，動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)；其次掌握化學(xué)反應(yīng)工程的常用放大技術(shù)，逐級經(jīng)驗放大法、解析法、模型法。5

2、. 設(shè)計反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的方法：物料衡算方程、能量衡算方程、動量衡算方程。依據(jù)：質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律。6. 反應(yīng)速率定義為單位時間，單位反應(yīng)體積中所生成（或消失）的某組分的摩爾數(shù)。即7.基兀反應(yīng)：如果反應(yīng)物分子按化學(xué)反應(yīng)式在碰撞中一步直接轉(zhuǎn)化為生成物分子,則稱該反應(yīng)為基元反應(yīng)。E/RTkA0 e8.反應(yīng)速率常數(shù)k隨溫度的變化關(guān)系（阿累尼烏斯方程）9. 反應(yīng)器停留平均時間t停留時間又稱接觸時間、 反應(yīng)時間，用于連續(xù)流動反應(yīng)器,指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時間。v反應(yīng)器容積反應(yīng)器中物料的體積流量10. 空間時間T （空時） 其定義為反應(yīng)器有效容積 Vr與流體特征體積流率之比

3、 值。即11. 平推流模型（PFR）亦稱活塞流、柱塞流模型或理想置換模型， 是一種返混量為零的理想流動模型。特點：沿著物料的流動方向，物料的溫度、濃度不斷變化，而垂直于物料流動方向的任一截面（又稱徑向平面）上物料的所有參數(shù)，如濃度、溫度、壓力、流速都相同，因此，所有物料質(zhì)點在反應(yīng)器中具有相同的停留時間，反應(yīng)器 中不存在返混。12. 全混流模型亦稱理想混合模型或連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器（ CSTR模型。是一種返混程度為無窮大的理想流動模型。它假定反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反 應(yīng)器中，剛進入反應(yīng)器的新鮮物料與存留在反應(yīng)器中的物料瞬間達到完全混合，反 應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，與出口處

4、物料濃度和溫度相等。特點： 各物料微元在反應(yīng)器的停留時間不相同物料充分混合，返混最嚴重反應(yīng)器中各點物料組成和溫度相同，不隨時間變化連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器13. 均相反應(yīng)動力學(xué)研究的實驗數(shù)據(jù)的處理方法有積分法和微分法，微分法相對精 C A0 CACA014.物料A的轉(zhuǎn)化率15.一級不可逆反應(yīng)16.二級不可逆反應(yīng)（等溫恒容）rdC-17.一級可逆反應(yīng)r-dt18.平行反應(yīng)：度高，較為常用Jo nAXa一 -nA0KCA k2CRk1k2C A0 CAet InCACAe19. 理想反應(yīng)器設(shè)計的理論基礎(chǔ)：物料衡算和熱量衡算積累速率流入速率流出速率反應(yīng)消耗速率20. 物料衡算式為:間歇反應(yīng)器：流入量=流出

5、量=0 間歇反應(yīng)器方程為：反應(yīng)消失量=-累積量穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動反應(yīng)器：累積量= 0其方程為：（流入量）（流出量）（反應(yīng)消失量）=0 非穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動反應(yīng)器和半連續(xù)反應(yīng)器: 其方程四項均不為零，即為:（流入量）一（流出量）一（反應(yīng)消失量）一（累積量）=021. 熱量衡算間歇反應(yīng)器：流入熱量=流出熱量=0穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動反應(yīng)器：累積熱量=0非穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動反應(yīng)器和半連續(xù)反應(yīng)器，其方程四項均不為零22.間歇反應(yīng)器優(yōu)點：操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。缺點：裝料、卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定23.間歇釜式基本設(shè)計方程Caoxa dxA0Ca

6、 dCACaorA一級不可逆反應(yīng)24.二級不可逆反應(yīng)25對于間歇反應(yīng)器，達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間t只取決于rA和CA0而與反應(yīng)體積無關(guān)；所以在設(shè)計間歇反應(yīng)器時，無論物料的處理量多少，只要CAO xA相同，則所需反應(yīng)時間是相等的。間歇反應(yīng)器放大時，只要保證大、小反應(yīng)器的混合及溫度條件相同，即可方便地應(yīng)用小試結(jié)果來設(shè)計、放大反應(yīng)器 。26. 間歇反應(yīng)釜設(shè)計步驟（恒溫、恒容）1. 由反應(yīng)器操作特點，寫出物料衡算式；2. 由物料衡算式和化學(xué)動力學(xué)方程式計算反應(yīng)所需時間t反；3. 由輔助生產(chǎn)時間t輔和t反，計算生產(chǎn)周期t 生二t反+ t輔4. 由及每小時處理的物料量v 0，求出反應(yīng)器的有效體積 VR

7、二v OX t生5. 由反應(yīng)器裝料系數(shù)©求出反應(yīng)器實際體積V二VR /©27. 對于返混為0的反應(yīng)器，停留時間等于反應(yīng)時間對于返混不為0的反應(yīng)器，停留時間不等于反應(yīng)時間對于間歇反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器，反應(yīng)時間和停留時間相同對于全混流反應(yīng)器，由于可能有短路，死區(qū)和循環(huán)流，物料在器內(nèi)停留時間不同,具有停留時間的分布，此時常用平均停留時間來表征。28. 平推流反應(yīng)器（等溫）反應(yīng)時間推導(dǎo)過程Fa (Fa dFa) g dVF A F A0 1 XAdFA d Fa0 1 XaF AodXAFAodxA rAdV物料衡算式為:積分:v dV0 F0XAf dxAAVF A0xAf dx

8、ArA28.因為:Fao0 C A0VV0C A0xAf dxA0a比較 設(shè)計基本方程式形式完全相同，且圖解形式也相同。由此表明二種反應(yīng)器在達到相 同轉(zhuǎn)化率時，所需的反應(yīng)時間是相等的。在設(shè)計、放大平推流反應(yīng)器時可以利用間 歇反應(yīng)的動力學(xué)數(shù)據(jù)來進行計算。在間歇反應(yīng)器中物料是均勻混合屬非穩(wěn)態(tài)過程, 而平推流反應(yīng)器中物料沒有返混，屬穩(wěn)態(tài)過程。平推流反應(yīng)器是連續(xù)操作，不需要 輔助時間，平推流反應(yīng)器的生產(chǎn)能力大于間歇反應(yīng)器。簡稱CSTR特性29. 全混流反應(yīng)器又稱全混釜或連續(xù)流動充分攪拌槽式反應(yīng)器, 物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混；反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一，而且不隨時間而改變;V0 rArA反應(yīng)器的出口組成與器

9、內(nèi)物料組成相同；連續(xù)、穩(wěn)定流動，是一定態(tài)過程。通常帶有強烈攪拌的釜式反應(yīng)器可以看作理想混合反應(yīng)器30. 多級理想混合反應(yīng)器的計算31. 多級理想混合反應(yīng)器圖解法的計算過程32. 反應(yīng)器熱穩(wěn)定性：指反應(yīng)過程的放熱或除熱速率發(fā)生變化時，過程的溫度等因 素將產(chǎn)生一系列的波動，當外擾消除后，過程能恢復(fù)到原來的操作狀態(tài)，貝y反應(yīng)器 具有熱穩(wěn)定性。33. 反應(yīng)器熱穩(wěn)定性的擾動包括：a)?進料流量、組成、溫度的波動b)反應(yīng)溫度、出口溫度的波動 c)?冷卻劑溫度、流量的波動34. 反應(yīng)器具有熱穩(wěn)定性的條件:(1)穩(wěn)態(tài)條件:Q c QtRT(2) 穩(wěn)定條件：35. 反應(yīng)物料溫度T與冷介質(zhì)Tw間的最大溫差T TW

10、意義在于:(1) 反應(yīng)器內(nèi)的溫度與冷卻劑的溫度差必須小于RE/ E,這是熱穩(wěn)定性的又一條件；(2) 反應(yīng)的活化能越大，容許的冷卻推動力越小，在總傳熱系數(shù) K不變的 情況下所需的傳熱面積就越大36. 造成返混的主要原因是：(1) 由于物料與流向相反的運動所造成。如理想混合反應(yīng)器中由于攪拌作用所引 起的物料的倒流、錯流、平推流反應(yīng)器中的分子擴散、渦流擴散等；(2) 由于不均勻的速度分布所引起。如粘性流體在管式反應(yīng)器中作層流流動時產(chǎn)生的不均勻的速度分布所造成的返混;(3) 由于反應(yīng)器結(jié)構(gòu)所引起的死角、短路、溝流、旁路等。37. 停留時間分布函數(shù)F(t)在定常態(tài)下的連續(xù)流動系統(tǒng)中，流過反應(yīng)器的物料中停

11、留時間小于某一時刻NtF t 的流體粒子的分率，稱為停留時間分布函數(shù)，也稱為壽命分布函數(shù)，呃 F(t)表示記38. 停留時間分布的密度函數(shù)E(t)定義：在定常態(tài)下的連續(xù)流動系統(tǒng)中，相對于某瞬間t=0流入反應(yīng)器的流體，在反應(yīng)器出口流體的質(zhì)點中在器內(nèi)停留了t與t+dt之間的流體的質(zhì)點所占的分率應(yīng)為E(t)dtE(t)應(yīng)具有歸一性，即Etdt 139. 停留時間分布函數(shù)F(t)與停留時間分布密度函數(shù)E(t)的關(guān)系Ft 0E(t)dt E(t)書F(t) 1F(t) 0 E(t)dt 140.停留時間分布的測定方法：兩種。41.42.停留時間分布的數(shù)字特征：數(shù)學(xué)期望=平均停留時間，方差tE(t)dt布

12、的離散程度-:描述停留時間分43.0 E(t)dt方差表示的意義:t0 tE(t)dt越小越接近平推流，當為平推流時，其值為0越大越接近理想混合流當為理想混合流時,其值為244.無因次方差表示:為平推流45.在建立流動模型時通常為理想混合流采用下述四個停留時間分布的兩種測定方法所測定的是哪種停留時間分布?步驟:為非理想流裝置的停留時(1.)通過冷態(tài)模型實驗測定 間分布;(2).根據(jù)所得的有關(guān)E(t)或F(t)的結(jié)果通過合理的簡化提出可能的流動模型，并根據(jù)停留時間分布測定的實驗數(shù)據(jù)來確定所提出的模型中所引入的模型參數(shù);(3).結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)通過模擬計算來預(yù)測反應(yīng)結(jié)果;(4).通過一定規(guī)模的熱

13、模實驗來驗證模型的準確性。46.由此可見，當完全沒有返混時,0當返混達到極大程度時,當返混介于二者之間時，即非理想流動時,介于 0 和 1 之間用來判斷反應(yīng)器內(nèi)的流型，并判斷其偏離理想流動的程度。47. 非理想流動模型用來描述介于兩種理想狀況之間的流型，并通過對流型的描 述，預(yù)計在非理想流動狀態(tài)下的反應(yīng)結(jié)果。48. 多級理想混合模型可用來描述偏離平推流不太大的非理想流動反應(yīng)器，如多釜 串聯(lián)反應(yīng)器，分層的塔式反應(yīng)器等。此模型只需一個參數(shù)來表示返混大小，故為單 參數(shù)模型。當N=1時，多級混合釜模型的停留時間分布函數(shù)與CSTF相目同。當Nn時，多級混合釜模型的停留時間分布函數(shù)與PFR相同。在l<

14、;N<*時，多級混合釜模型的停留時間分布函數(shù)屬非理想流動反應(yīng)器。49. 多級混合槽模型的應(yīng)用多個 CSTR串聯(lián)操作時，當釜數(shù)由1增加到無限多個， 其停留時間分布規(guī)律將按 CSTR非理想流動反應(yīng)器PFR的停留時間分布規(guī)律變化。可將多級混合槽模型計算出的出口轉(zhuǎn)化率視為與它有相同停留時間分布規(guī)律的 非理想流動反應(yīng)器的出口轉(zhuǎn)化率，這種模型與原題之間的相互聯(lián)系稱等效關(guān)系多級串聯(lián)CSTF與非理想流動反應(yīng)器在停留時間分布規(guī)律等效時所需釜的數(shù)量48. 容積效率 與反應(yīng)級數(shù)和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系(1) 零級反應(yīng)時，反應(yīng)速率只是溫度的函數(shù)，而與濃度無關(guān)；因此=1,兩種反應(yīng)器的體積相同，反應(yīng)器形式對反應(yīng)速率沒有影響。

15、(2) 其他正級數(shù)反應(yīng)的容積效率均小于1。 當轉(zhuǎn)化率很小時，兩種反應(yīng)器的體積相差很小，即低轉(zhuǎn)化率時流動形態(tài)對反應(yīng)器的容積效率影響小；隨轉(zhuǎn)化率的提高， 容積效率越來越小， 因此要求高轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)不宜采用理想混 合反應(yīng)器。( 3)當轉(zhuǎn)化率一定時，反應(yīng)級數(shù)越高，容積效率越低，因此反應(yīng)級數(shù)高的反應(yīng)宜采用平推流反應(yīng)器。49. 連鎖聚合反應(yīng)特點：聚合反應(yīng)可分為若干個基元反應(yīng)，如鏈引發(fā)反應(yīng)、鏈增長反應(yīng)，鏈終止反應(yīng)和鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)等。50. 聚合動力學(xué)目標參數(shù)數(shù)均聚合度、重均聚合度、數(shù)均分子量、重均分子量的表 示方式51. 聚合度分布函數(shù)：數(shù)基分布、重基分布、瞬時數(shù)基分布、瞬時重基分布。52.瞬時聚合度: 瞬時數(shù)

16、均聚合度Pnjr Pjj 2PnrPjj 2r Mrp53. 瞬時聚合度與平均聚合度的關(guān)系54. 數(shù)基聚合度分布因數(shù)Fn(j)與瞬時數(shù)基聚合度分布函數(shù)fn(j) 關(guān)系推導(dǎo)55. 機械攪拌目的：混合、攪動、懸浮、分散等功能56. 攪拌反應(yīng)器的作用：(1)推動液體流動，混勻物料(2) 產(chǎn)生剪切力，分散物料，并使之懸浮。(3) 增加流體的湍動，以提高傳熱速率。(4) 加速物料的分散和合并，增大物質(zhì)的傳遞速率。(5) 在高粘體系，可以更新表面，促使低分子物(如水，單體、溶劑等)蒸出。57. 循環(huán)流動：流體以大尺寸(凝集流體、氣泡、液滴)在大范圍(整個釜內(nèi)空間)中的流動狀況。包括：徑向流動、軸向流動、切

17、線流動剪切流動：流體以小尺寸(小氣泡、液滴分散成更小的微滴)在小范圍 (氣泡、液滴大小的空間)中的湍動狀況。58. 攪拌雷諾數(shù)的計算公式： 2 卜工一S- P59. 攪拌反應(yīng)釜中擋板和導(dǎo)流筒的作用：a。渦流和旋轉(zhuǎn)流變?yōu)榇怪绷鲃?，切向流動變?yōu)檩S向動、流徑向流動；增大被攪拌液體的湍動程度、改善攪拌效果。b。可提高釜內(nèi)流體的攪拌程度；加強槳葉對流體的直接剪切作用；造成一定的循環(huán))限定了循流型，使釜內(nèi)所有物料均可通過導(dǎo)流筒內(nèi)的強烈混合區(qū)，提高混合效率;環(huán)路徑，減少了短路機會60. 按槳葉構(gòu)形分攪拌槳可分為： 槳式、渦輪式（透平）、推進式（螺旋槳）、螺桿（螺 軸）、螺帶。61. 攪拌器選用應(yīng)滿足的要求：

18、1）保證物料的混合，2）消耗最少的功率，3）所需費 用最低，4）操作方便，易于制造和維修。62. 攪拌器的選用的原則：1）均相液體的混合：主要控制因素：容積循環(huán)速率混合時間無要求：任何攪拌器混合時間短：推進或渦輪，湍流加擋板。2）非均相液體的混合（分散操作）：主要控制因素為容積循環(huán)速率和液滴大?。ǚ?散度）；合適的選擇是渦輪槳葉有較大的剪切作用和容積循環(huán)速率3）固體懸?。褐饕刂埔蛩兀喝莘e循環(huán)速率和湍流強度，根據(jù)固體性質(zhì)和含固量選 用。固體粒子大，固液密度差大，固/液小于30% 一亠 開式渦固體粒子小，固液密度差小，固/液60-90% “ 平輪固液密度差小，固/液小于50% L-推進式 槳4）

19、氣體吸收和液相反應(yīng)主要控制因素：局部剪切作用，容積循環(huán)速率和高轉(zhuǎn)速。選用類型：圓盤式渦輪5）高黏度體系主要控制因素：容積循環(huán)速率和低轉(zhuǎn)速。隨著粘度的增大可依次選用下列攪拌器：透平、錨式、框式、螺桿、螺帶、特殊型 高粘度攪拌器。63. 高黏度體系攪拌反應(yīng)釜如何設(shè)置攪拌方式和操作流程。有的聚合體系隨反應(yīng)進行，體系的粘度不斷地增大，此時低粘度適用的攪拌器不能 適應(yīng)聚合后期的高粘度操作，為了改善這一狀況，可以采用:1） 變速攪拌裝置，以適應(yīng)不同階段的攪拌要求，2） 多釜串聯(lián)，每釜按不同粘度設(shè)置合適的攪拌器及操作條件。64. 攪拌功率包括：攪拌器所消耗的能量（攪拌器軸功率 ）；攪拌軸封所消耗的能 量；機械傳動所消耗的能量。65 計算攪拌功率的目的： 1 ）衡量攪拌強度的