聚合反應工程基礎復習提綱

1、聚合反應工程基礎復習提綱第一章 緒論1. 說明聚合反應工程基礎研究內容及其重要性.研究內容:以工業(yè)規(guī)模的聚合過程為對象,以聚合反應動力學和聚合體系傳遞規(guī)律為基礎;將一般定性規(guī)律上升為數(shù)學模型,從而解決一般技術問題到 復雜反應器設計,放大等提供定量分析方法和手段;為聚合過程的開發(fā),優(yōu)化工藝條件等提供數(shù)學分析手段.簡而言之:聚合反應工程研究內容為:進行聚合反應器最佳設計;進行聚合反應操作的最佳設計和控制. 第二章 化學反應工程基礎 一、概念1.間歇反應器、連續(xù)反應器間歇反應器：物料一次放入，當反應達到規(guī)定轉化率后即取出反應物，其濃度隨時間不斷變化，適用于小規(guī)模，多品種，質量不均。連續(xù)反應器：連續(xù)加

2、料，連續(xù)引出反應物，反應器內任一點的組成不隨時間而改變，生產(chǎn)能力高，易實現(xiàn)自動化，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。2. 平推流、平推流反應器及其特點：當物料在長徑比很大的反應器中流動時，反應器內每一位原體積中的流體均以同樣的速度向前移動，此時在流體的流動方向上不存在返混，這種流動形態(tài)就是平推流。具有此種流動型態(tài)的反應器叫平推流反應器。特點： 在穩(wěn)態(tài)操作時，在反應器的各個截面上，物料濃度不隨時間而變化， 反應器內物料的濃度沿著流動方向而改變，故反應速率隨時間位置而改變，及反應速率的變化只限于反應器的軸向。3. 理想混合流、理想混合流反應器及其特點：反應器中強烈的攪拌作用使剛進入反應器的物料微元與器內原有物料微

3、元間瞬時達到充分混合，使各點濃度相等，且不隨時間變化，出口流體組成與器內相等這種流動形態(tài)稱之為理想混合流。與理想混合流相適應的反應器稱為理想混合流反應器。特點： 反應器內物料濃度和溫度是均一的，等于出口流體組成 物料質點在反應器內停留時間有長有短 反應器內物質參數(shù)不隨時間變化。4. 膨脹率：反應中某種物料全部轉化后體系的體積變化率5. 容積效率：指同一反應在相同的溫度、產(chǎn)量、和轉化率的條件下，平推流反應器與理想混合反應器所需的總體積比6. 停留時間分布密度函數(shù)、停留時間分布函數(shù)、平均停留時間停留時間分布密度函數(shù)：系統(tǒng)出口流體中，已知在系統(tǒng)中停留時間為 t 到 dt 間的微元所占的分率 E(t)

4、dt 停留時間分布函數(shù)F(t):系統(tǒng)出口流體中，已知在系統(tǒng)中停留時間小于 t 的微元所占的分率 F(t)7.返混指反應器中不同年齡的流體微元間的混合8、宏觀流體、微觀流體宏觀流體：流體微元均以分子團或分子束存在的流體；微觀流體：流體微元均以分子狀態(tài)均勻分散的流體 ；9.宏觀流動、微觀流動宏觀流體指流體以大尺寸在大范圍內的湍動狀態(tài)，又稱循環(huán)流動；微觀流體指流體以小尺寸在小范圍內的湍動狀態(tài)10.混合時間指經(jīng)過攪拌時物料達到規(guī)定均勻程度所需的時間11.微觀混合、宏觀混合 P70微元尺度上的均勻化稱為宏觀混合；分子尺度上的均勻化稱為微觀混合。二、問題1.按物料的相態(tài)、結構形式、操作方式和流體流動及混合

5、形式分類，反應器可分為那幾類？按物料相態(tài)來分：均相反應器、非均相反應器；按結構形式來分：管式反應器、釜式反應器、塔式反應器、固定床反應器、流化床反應器等；按操作方式來分：間歇反應器、連續(xù)反應器、半連續(xù)反應器按流體流動及混合形式來分：平推流反應器（或稱活塞流、柱塞流、理想置換反應器）、理想混合流反應器（或稱完全混合反應器）、非理想流動反應器2. 形成返混的主要原因有哪些?由于物料與流向相反運動所造成,由于不均勻的速度分布所引起的,由于反應器結構所引起死角,短路,溝流,旁路等. 3.理想反應器設計的基本原理是什么？ 提供反應物料進行反應所需的容積，保證設備有一定的生產(chǎn)能力 具有足夠的傳熱面積，保證

6、反應過程中熱量的傳遞，使反應控制在適宜的溫度下進行 保證參加反應的物料均勻混合 4.反應器的流動模型有哪些？各有何特點理想流動模型（平推流模型、理想混合流模型）、非理想流動模型（多級理想混合模型、層流流動時的速度分布模型、擴散模型、帶死角和短路的理想混合模型）平推流模型：流體以平推流流動，全部物料的停留時間都為V/v0 不存在返混理想混合流模型：物料的停留時間分布最寬，返混最大多級理想混合模型:可用來描述偏離平推流不太大的非理想流動反應器，只需要一個參數(shù)來表示返混大小層流流動時的速度分布模型：流體不發(fā)生軸向返混；流體的返混僅僅是由于管中流體的不同流速所引起的；流體為牛頓流體擴散模型：介于理想混

7、合流和平推流之間的，用來描述具有不同返混程度的非理想流動模型5.平推流及理想混合反應器的停留時間分布有何特點？平推流停留時間分布特點：t時，F(xiàn)（t）=1；t<時，F(xiàn)（t）=0理想混合停留時間分布特點：t=0時，F(xiàn)（t）=0，t=時，F(xiàn)（t）=1，停留時間分布寬。6.返混對簡單反應、復雜反應和連串反應各有何影響？返混對簡單反應無影響，因為大多從間歇反應中得到恒溫恒容的簡單反應；返混影響到復雜反應的產(chǎn)物分布，從而可以采用不同的操作方式來提高目的產(chǎn)物的收率；返混會影響到連串反應的物料平均停留時間，因此為提高目的產(chǎn)物的收率，首先應選擇平推流反應器或間歇反應器，然后才考慮理想混合反應器。7.描述連

8、續(xù)式反應器的重要性質有哪些？停留時間分布密度函數(shù)E（t），停留時間分布函數(shù)F（t），數(shù)學期望，方差，返混8.微觀混合和宏觀混合對理想混合反應器各有何影響？宏觀混合與微觀混合對不同級數(shù)的化學反應的影響是不同的。只有一級反應時，微觀混合與宏觀混合的反應結果是一樣的；當n<1時，微觀混合能提高轉化率，有利反應當n>1時，宏觀混合有利于反應9.影響容積效率的因素有哪些？反應器類型,反應級數(shù),生產(chǎn)過程中轉化率10.停留時間的測定方法有哪些,各適用于什么具體情況? 階躍示蹤法試驗裝置；脈沖示蹤法工業(yè)反應器11.停留時間分布和返混之間有什么關系?研究流動模型有何意義? 返混造成停留時間分布,二者

9、有密切關系,可用停留時間分布定量描述同類反應器中返混程度,而同一停留時間分布可由不同情況的返混程度與之相適應. 意義:流動模型是為了研究反應器內流體的實際流動形態(tài),在不改變其性質的前提下,對其加以適當?shù)睦硐牖?這種適當理想化的流動形態(tài)稱為流動模型,所以流動模型是反應器中液體流動形態(tài)的近似概括,是設計和放大反應器的基礎.12. 動力學方程建立時,數(shù)據(jù)收集方式和處理方式有哪些? 收集方式:化學分析方法,物理化學分析方法 處理方式:積分法,微分法. 13. 反應器基本要求有哪些？提供反應物料進行反應所需容積,保證設備一定生產(chǎn)能力;具有足夠傳熱面積;保證參加反應的物料均勻混合14. 基本物料衡算式,熱

10、量衡算式 物料衡算:反應物A流入速度-反應物A流出速度-反應物A反應消失速度+反應物A積累速度=0(簡作:流入量-流出量-消失量-積累量=0) 熱量衡算: 隨物料流入熱量-隨物料流出熱量-反應系統(tǒng)與外界交換熱量+反應過程的熱效應-積累熱量=0 15. 實現(xiàn)反應器的熱穩(wěn)定操作需滿足哪些條件? Qr=Qc, 體系放出熱量; Qr dQc/dT>dQr/dT, 除熱量; Qc T=T-Tw<RT2/E, E 反應活化能,T 反應器溫度,Tw 冷卻液溫度 第三章 聚合反應工程分析 1. 在雙分子熱引發(fā)和雙基終止時，間歇式和連續(xù)全混式反應釜對產(chǎn)物的轉化率、累計平均聚合度有何影響？ 間歇式：X

11、= 連續(xù)全混式：X=1+故連續(xù)全混式轉換率高，但平均聚合度小。  2. 在連鎖聚合中，采用間歇操作和連續(xù)操作對其轉化率和平均聚合度和分子量分布有何影響？同一歧化終止，無鏈轉移時，理想混合流操作的瞬間聚合度及聚合度分布與間歇操作相同；平均聚合度及聚合度分布不同。單基終止，無鏈轉移時，理想混合流操作的聚合度分布比間歇操作的窄；平推流操作：平均聚合度和聚合度分布與間歇操作相同。對于理想混合反應器，分子量分布窄；（濃度不變）對于間歇反應器，分子量分布寬。（濃度從高到低）3.要制取高分子量的縮聚物時，在理論上和操作方式上可采取哪些措施？應將反應產(chǎn)生的低分子物質排出體系外；要

12、盡量保證嚴格的原料官能團等當量比，配料要準，原料要純，防止物料中混入能終止縮聚的單官能團雜質。在反應到一定程度時，外加一定量的單官能團物質以實行“端機封鎖”而使縮聚終止。4.間歇操作的和連續(xù)全混反應釜對縮聚反應的分子量分布有何影響?間歇操作或接近平推流的塔式反應器可獲得分子量分布窄的縮聚物；理想混合操作時，產(chǎn)物的分子量分布要比間歇操作時寬。 5.返混和混合對聚合度分布的影響 。當活性鏈的壽命較物料在反應器中的平均停留時間短時，濃度歷程是影響聚合度分布的主要因素，聚合度分布由窄至寬為：理想混合反應器，非理想混合反應器，平推流反應器；當活性鏈的壽命較平均停留時間長時，停留時間分布是決定聚

13、合度分布的主要原因。上述情況正好相反。6.粘度對聚合物反應的影響。粘度增加，鏈自由基卷曲，活性端基被包裹，雙基擴散終止困難，鏈終止速率下降，產(chǎn)生凝膠效應，出現(xiàn)自加速現(xiàn)象。第四章 化工流變學基礎 1.流體分類 按流體力學觀點:分為理想流體和實際流體兩大類.理想流體又稱為無黏性流體,實際流體又稱黏性流體,可分為牛頓流體與非牛頓流體. 2.何為牛頓流體,非牛頓流體?非牛頓流體又有哪些類型? 流動曲線通過坐標原點的一直線的流體稱為牛頓流體;凡流動曲線不是直線或雖為直線但不通過坐標原點的流體稱為非牛頓流體. 非牛頓流體分為三大類:非依時性(假塑性,脹塑性,賓漢流體) ;依時性(觸變性,震凝性) ;粘彈性

14、流體(入口效應,彈性回縮,爬桿效應,*) 3.高分子流體為什么多屬于假塑性流體 大分子鏈的取向原因,大分子鏈為無規(guī)線團,彼此纏結,對流動阻力大,表現(xiàn)出較大的黏度.當流動而受較大剪切作用時卷曲纏結的大分子結構被拉直取向, 伸直后大分子在液體層間傳遞動量作用較原來小,因而隨增加,表現(xiàn)出減 小,因此多屬于假塑性流體.4.為什么觸變性流體和震凝性流體有特殊的流變行為? 由于在一定剪切條件下,流體的結構隨時間而受到逐步破壞,受破壞結構在剪切作用停止作用后又可以恢復,體現(xiàn)出獨特流動行為. 5.一般對于涂料類流體希望其具有何種流動特性,為什么? 一般希望具有觸變性. 因為觸變性可使涂料在受外力作用下變成易流

15、動的液體,而當外力消失后又很快恢復到高黏性不流動狀態(tài),這樣易于涂刷而又能保持涂刷后不流動,尤其適用于垂直面上的涂刷. 6.影響高分子流體流變行為的主要因素有哪些?如何對這些影響進行理論分析 影響主要因素有高聚物平均分子量,分子量分布,壓力,溫度,以及溶液濃度. 存在一臨界分子量Mc, M>Mc,黏度急劇增加，為非牛頓流體:M<Mc 為牛頓流體; 對分子量相近,分子量分布較寬的流體,比分子量分布較窄流體較早出現(xiàn)非牛頓流體轉變,且分子量分布越寬,偏離牛頓流動也越遠. 溫度:溫度增加,黏度下降.對于柔性,溫度對其影響不大,鏈段運動易, 活化能小. 濃度:聚合物溶液濃度增加,溶液黏度0 增

16、加.臨界濃度 Cc,當 C<Cc 為牛頓性流體 C>Cc,為非牛頓流體 ,假塑性. 壓力影響:壓力影響流體自由體積,壓力 P 增加,自由體積下降,引起黏度增加. 7.非牛頓流體的流動行為指數(shù)對流體在圓管中的流動行為和聚合反應結果有何影響？N 下降,假塑性流體在管中流速分布比牛頓均勻;反應器中 C,T,及徑向分布也越均勻,分子量分布也越窄. 8.對非牛頓流體在圓管中層流流動規(guī)律進行研究有何重要意義? 非牛頓流體與牛頓流體不同流動特性,二者動量質量傳遞特性也有所差別,進而影響到熱量傳遞,質量傳遞,及反應結果.因此對流速分布及壓力降等問題研究,不僅能決定管中流體輸送量與功率消耗,同時能了

17、解影響管式反應,塔式反應器中物料濃度,溫度分布,進而影響反應速度和分子量分布情況. 9.何為表觀粘度?剪切應力與剪切速率的比值稱為表觀黏度,Ma=Z/r 第五章 攪拌聚合釜內流體的流動與混合 1.攪拌器一般具有哪些功能?混合,攪動,懸浮,分散等 2.攪拌釜內的流體的流動分為哪兩個層次 宏觀狀況:循環(huán)流動;微觀狀況:剪切流動. 3.循環(huán)流動的三個典型流動分別是什么?哪些流動對混合有利?哪些需克服? 徑向流動,軸向流動,切線流動;徑向和軸向對混合有利,起混合攪動及懸浮作用;切線流動對混合不利. 4.何為打旋現(xiàn)象?如何消除打旋現(xiàn)象 當不大,攪拌轉速較高時,槳葉放在釜中心線時,液體將隨槳葉旋轉的方向沿

18、著釜壁滑動,釜內液體在離心力的作用下,涌向釜壁,使液面沿壁上升,中心部分液面下降,形成一個旋窩,通常稱打旋現(xiàn)象.消除打旋現(xiàn)象:偏心安裝可減弱漩渦,安裝擋板,加導流筒可有效消除. 5.試說出幾種攪拌器的構型,特點和應用? 槳式攪拌器:槳葉構型為平槳,斜槳,錨形或框形槳者.特點:結構簡單, 轉速低,槳葉面積大,平槳,斜槳適用于為 0.1-102Pa·s的液體攪拌;錨式, 框式對高液體. 推進式攪拌器:三瓣葉片;適合湍流程度不高,循環(huán)量大.優(yōu)點:結構簡單, 制造方便,適用于低,液量大液體攪拌.剪切作用不大,循環(huán)性能好. 渦輪式攪拌器:槳葉形式很多,有開式和閉式兩類.應用較廣并處理程度范圍廣

19、液體.適用于低粘到中等程度液體混合,液液分散,液固懸浮及促進良好傳熱,傳質,或化學反應. 螺桿及螺帶式攪拌器:適用于高粘度液體. 6.攪拌器應滿足哪些基本要求?選擇攪拌器的基本方法是什么? 保證物料混合, 消耗最小功率, 所需費用最低, 操作方便, 易于維修. 選擇基本方法: A.生產(chǎn)上對攪拌無特殊要求,可參照生產(chǎn)時所用類似攪拌經(jīng)驗地選擇. B.對攪拌有嚴格要求,且又無類似過程攪拌型式,應對設備工藝過程的操作類別,攪拌要求及經(jīng)濟性全面分析評價,找到主要控制因素進行選擇適應型式 C.對于過程開發(fā)或生產(chǎn)規(guī)模很大工程,在一定試驗基礎上,研究出最佳攪拌器槳葉形式,尺寸及操作條件,再相似模擬放大進行設計

20、計算. 選擇攪拌器原則: (1)均相液體混合:主要控制因素為容積循環(huán)速率. (2)非均相液體混合:使互不相溶液體能良好分散. (3)固體懸浮:容積循環(huán)速率和湍流強度.(4)氣體吸收及液相反應:保證氣體進入液體后被打散,被氣泡均勻的分散.控制因素:局部剪切作用,容積循環(huán)速率及高轉速. (5)高粘度體系 控制因素:容積循環(huán)速率及低轉速7.攪拌器的功率消耗主要用于那些方面?計算攪拌器功率有何重要意義 攪拌器所消耗的能量;攪拌軸封所消耗;機械傳動所消耗 意義: (1)攪拌功率是衡量攪拌強度的主要物理量; (2)是攪拌機械設計的基本數(shù)據(jù); (3)根據(jù)攪拌功率的選用攪拌電機 8.從攪拌器的功率曲線可以得到

21、哪些重要信息? 功率函數(shù);功率準數(shù);雷諾數(shù)：1. Nre=1-10:曲線斜率為-1,攪拌層流區(qū); 2. Nre=10-1000:攪拌過濾區(qū); 3. Nre1000:攪拌湍流區(qū),為一水平直線 9.氣液體系的攪拌功率與均相體系相比有哪些特點? 液體中通入氣體,降低了被攪拌液體的有效密度,因此也就降低了攪拌功率, 攪拌功率可采用均相液體攪拌功率分析計算方法并加以修正.而大量通入氣體時,開始出現(xiàn)大氣泡,功率消耗不再明顯變化,稱"液泛" . 10.何為泵送指數(shù)?其對攪拌器計算有何重要作用 qd=Nqd*ND3,Nqd 為泵送準數(shù).包含了流體的流速和攪拌的泵送能力,反映了攪拌的劇烈程度

22、 11.攪拌級別一般范圍幾個等級？10 個等級 12.常用的攪拌槳葉直徑的大致范圍如何 選定槳葉直徑與釜徑比值 D/T=0.20.8 平槳 0.50.83 渦輪 0.330.4 推進式 0.10.3313.何為顆粒雷諾數(shù)?其在不同的范圍時,密度差如何計算 NRe(p)=(dput)/ NRe(p)<0.3 層流 >103 湍流 密度差 : (p-)/(層流) (p-)/(湍流) 14.聚合反應的攪拌級別一般選擇幾級？一般分為十個等級 15.懸浮程度與那些因素密切相關? 槳葉轉速越高,直徑越大,顆粒沉降速度愈小,所得懸浮程度越高. 16.層流和湍流是=時的攪拌功率如何計算?為什么?因

23、次分析:P=f(N,D,g)攪拌功率準數(shù):Np=P/(N3p5 ),Np=NFrqf(NRe) NRe=DN2/g:攪拌弗魯?shù)?準數(shù) 層流區(qū):P=KMN2D3 重力影響可忽略,即不考慮 NFr 影響 Np=K NRe-1 湍流區(qū):P=KN3D5 湍流區(qū)功率曲線呈一水平直線與 Re 無關,Np 為常數(shù). 第六章 攪拌聚合釜的傳熱與性質 1,聚合速率在聚合過程中一般有三種類型,其中那些對反應控制比較有利? 可采用那些措施實現(xiàn)這種過程? 減速型,加速型,勻速型 ；勻速型對反應控制有利；引發(fā)劑半衰期使用得當,也可逐漸或分批加入單體或 催化劑使 Rp 保持均衡. 2, 傳熱裝置有哪些類型? 夾套,內冷件

24、,回流冷凝器,體外循環(huán)冷凝器 3,哪些反應不宜采用釜外循環(huán)熱交換?為什么? a 對要求嚴格控制反應溫度的一類聚合反應不宜采用 液相外循環(huán)熱交換裝置 應用于 polymer,使物料下降 510 b 懸浮聚合造成結塊也不宜 c 而對 剪切敏感膠乳體系應慎用,因為循環(huán)泵 r 很大,易破壞膠乳穩(wěn)定性 d 本體 聚合,體系黏度過大,泵送困難,也不宜 4, 試概括傳熱速率方程和總傳熱系數(shù)方程,討論提高反應釜傳熱能力有效措 施? Q=KA(tit0 ) Q:傳熱速率 A 傳熱面積 Ti 流體溫度 To 截熱體溫度 K 傳熱 系數(shù) 1/K= 1/i+1/0+/, i,0 釜內外壁傳熱同類系數(shù) /:導熱部分總熱

25、阻 :厚度 :導熱系數(shù) 增大傳熱面積,降低冷卻水溫度以擴大溫差,提高總傳熱系數(shù)可提高傳熱速率 降低體系黏度,改善攪拌效果提高i 和 K 重要途徑 夾套中冷卻水流 提高 K 重要途徑：例夾套內安裝擋板, 擾流噴嘴,多點切向進 水使水處于劇烈流動狀態(tài),提高0 /減小:較高材質,設法降低黏釜物和掛膠現(xiàn)象及時進行清釜,改善冷 卻水水質以及水垢沉積 5.實現(xiàn)聚合釜安全操作應采取哪些基本措施?書本P191第七章 攪拌聚合釜的放大 1.何為放大效應?為什么會出現(xiàn)放大效應?何為冷模試驗? 反應器放大后,一般會引起大小反應器間的熱量,質量傳遞及流體流動狀況等 物理過程變化,造成兩者速度,溫度,濃度分布及停留時間分布的差異,影響 反映結果效應稱之為放大效應 掌握設備的幾何尺寸及操作條件對攪拌釜內動量,熱量,質量,停留時間分布 和微觀混合的定量關系的試