聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)提綱

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第一章緒論

1.說明聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)研究內(nèi)容及其重要性.研究內(nèi)容:

①以工業(yè)規(guī)模的聚合過程為對象,以聚合反應(yīng)動力學(xué)和聚合體系傳遞規(guī)律為基礎(chǔ);

②將一般定性規(guī)律上升為數(shù)學(xué)模型,從而解決一般技術(shù)問題到繁雜反應(yīng)器設(shè)計(jì),放大等提供定量分析方法和手段;

③為聚合過程的開發(fā),優(yōu)化工藝條件等提供數(shù)學(xué)分析手段.簡而言之:聚合反應(yīng)工程研究內(nèi)容為:進(jìn)行聚合反應(yīng)器最正確設(shè)計(jì);進(jìn)行聚合反應(yīng)操作的最正確設(shè)計(jì)和控制.

其次章化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)

一、概念

1.間歇反應(yīng)器、連續(xù)反應(yīng)器

間歇反應(yīng)器：物料一次放入，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率后即取出反應(yīng)物，其濃度隨時(shí)間不斷變化，適用于小規(guī)模，多品種，質(zhì)量不均。

連續(xù)反應(yīng)器：連續(xù)加料，連續(xù)引出反應(yīng)物，反應(yīng)器內(nèi)任一點(diǎn)的組成不隨時(shí)間而改變，生產(chǎn)能力高，易實(shí)現(xiàn)自動化，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

2.平推流、平推流反應(yīng)器及其特點(diǎn)：

當(dāng)物料在長徑比很大的反應(yīng)器中滾動時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)每一位原體積中的流體均以同樣的速度向前移動，此時(shí)在流體的滾動方向上不存在返混，這種滾動形態(tài)就是平推流。

具有此種滾動型態(tài)的反應(yīng)器叫平推流反應(yīng)器。

特點(diǎn)：①在穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，在反應(yīng)器的各個(gè)截面上，物料濃度不隨時(shí)間而變化，②反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度沿著滾動方向而改變，故反應(yīng)速率隨時(shí)間位置而改變，及反應(yīng)速率的變化只限于反應(yīng)器的軸向。

3.理想混合流、理想混合流反應(yīng)器及其特點(diǎn)：

反應(yīng)器中猛烈的攪拌作用使剛進(jìn)入反應(yīng)器的物料微元與器內(nèi)原有物料微元間瞬時(shí)達(dá)到充分混合，使各點(diǎn)濃度相等，且不隨時(shí)間變化，出口流體組成與器內(nèi)相等這種滾動形態(tài)稱之為理想混合流。

與理想混合流相適應(yīng)的反應(yīng)器稱為理想混合流反應(yīng)器。

特點(diǎn)：①反應(yīng)器內(nèi)物料濃度和溫度是均一的，等于出口流體組成②物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間有長有短③反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)參數(shù)不隨時(shí)間變化。

4.膨脹率：反應(yīng)中某種物料全部轉(zhuǎn)化后體系的體積變化率

5.容積效率：指同一反應(yīng)在一致的溫度、產(chǎn)量、和轉(zhuǎn)化率的條件下，平推流反應(yīng)器與理想混合反應(yīng)器所需的總體積比

6.停留時(shí)間分布密度函數(shù)、停留時(shí)間分布函數(shù)、平均停留時(shí)間

停留時(shí)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(shí)間為t到dt間的微元所占的分率E(t)dt

停留時(shí)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(shí)間小于t的微元所占的分率F(t)

7.返混

指反應(yīng)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(tuán)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.宏觀滾動、微觀滾動

宏觀流體指流體以大尺寸在大范圍內(nèi)的湍動狀態(tài)，又稱循環(huán)滾動；

微觀流體指流體以小尺寸在小范圍內(nèi)的湍動狀態(tài)

10.混合時(shí)間

指經(jīng)過攪拌時(shí)物料達(dá)到規(guī)定均勻程度所需的時(shí)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(jié)構(gòu)形式、操作方式和流體滾動及混合形式分類，反應(yīng)器可分為那幾類？

按物料相態(tài)來分：均相反應(yīng)器、非均相反應(yīng)器；

按結(jié)構(gòu)形式來分：管式反應(yīng)器、釜式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器等；

按操作方式來分：間歇反應(yīng)器、連續(xù)反應(yīng)器、半連續(xù)反應(yīng)器

按流體滾動及混合形式來分：平推流反應(yīng)器（或稱活塞流、柱塞流、理想置換反應(yīng)器）、理想混合流反應(yīng)器（或稱完全混合反應(yīng)器）、非理想滾動反應(yīng)器

2.形成返混的主要原因有哪些?①由于物料與流向相反運(yùn)動所造成,②由于不均勻的速度分布所引起的,

③由于反應(yīng)器結(jié)構(gòu)所引起死角,短路,溝流,旁路等.

3.理想反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本原理是什么？

①提供反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)所需的容積，保證設(shè)備有一定的生產(chǎn)能力②具有足夠的傳熱面積，保證反應(yīng)過程中熱量的傳遞，使反應(yīng)控制在適合的溫度下進(jìn)行

③保證參與反應(yīng)的物料均勻混合

4.反應(yīng)器的滾動模型有哪些？各有何特點(diǎn)

理想滾動模型（平推流模型、理想混合流模型）、非理想滾動模型（多級理想混合模型、層流滾動時(shí)的速度分布模型、擴(kuò)散模型、帶死角和短路的理想混合模型）

平推流模型：流體以平推流滾動，全部物料的停留時(shí)間都為V/v0不存在返混

理想混合流模型：物料的停留時(shí)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滾動反應(yīng)器，只需要一個(gè)參數(shù)來表示返混大小

層流滾動時(shí)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(kuò)散模型：介于理想混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滾動模型

5.平推流及理想混合反應(yīng)器的停留時(shí)間分布有何特點(diǎn)？

平推流停留時(shí)間分布特點(diǎn)：t≥τ時(shí)，F(xiàn)（t）=1；t1時(shí)，宏觀混合有利于反應(yīng)

9.影響容積效率的因素有哪些？反應(yīng)器類型,反應(yīng)級數(shù),生產(chǎn)過程中轉(zhuǎn)化率

10.停留時(shí)間的測定方法有哪些,各適用于什么具體狀況?階躍示蹤法→試驗(yàn)裝置；脈沖示蹤法→工業(yè)反應(yīng)器

11.停留時(shí)間分布和返混之間有什么關(guān)系?研究滾動模型有何意義?返混造成停留時(shí)間分布,二者有密切關(guān)系,可用停留時(shí)間分布定量描述同類反應(yīng)器中返混程度,而同一停留時(shí)間分布可由不可憐況的返混程度與之相適應(yīng).

意義:滾動模型是為了研究反應(yīng)器內(nèi)流體的實(shí)際滾動形態(tài),在不改變其性質(zhì)的前提下,對其加以適當(dāng)?shù)睦硐牖?這種適當(dāng)理想化的滾動形態(tài)稱為滾動模型,所以滾動模型是反應(yīng)器中液體滾動形態(tài)的近似概括,是設(shè)計(jì)和放大反應(yīng)器的基礎(chǔ).

12.動力學(xué)方程建立時(shí),數(shù)據(jù)收集方式和處理方式有哪些?收集方式:化學(xué)分析方法,物理化學(xué)分析方法處理方式:積分法,微分法.

13.反應(yīng)器基本要求有哪些？

①提供反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)所需容積,保證設(shè)備一定生產(chǎn)能力;②具有足夠傳熱面積;③保證參與反應(yīng)的物料均勻混合

14.基本物料衡算式,熱量衡算式

①物料衡算:反應(yīng)物A流入速度-反應(yīng)物A流出速度-反應(yīng)物A反應(yīng)消失速度+反應(yīng)物A積累速度=0(簡作:流入量-流出量-消失量-積累量=0)

②熱量衡算:隨物料流入熱量-隨物料流出熱量-反應(yīng)系統(tǒng)與外界交換熱量+反應(yīng)過程的熱效應(yīng)-積累熱量=0

15.實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的熱穩(wěn)定操作需滿足哪些條件?

①Q(mào)r=Qc,體系放出熱量;Qr②dQc/dT>dQr/dT,除熱量;Qc③△T=T-TwMc,黏度急劇增加，為非牛頓流體:MCc,為非牛頓流體,假塑性.

⑤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.非牛頓流體的滾動行為指數(shù)對流體在圓管中的滾動行為和聚合反應(yīng)結(jié)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(yīng)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滾動規(guī)律進(jìn)行研究有何重要意義?

非牛頓流體與牛頓流體不同滾動特性,二者動量質(zhì)量傳遞特性也有所區(qū)別,進(jìn)而影響到熱量傳遞,質(zhì)量傳遞,及反應(yīng)結(jié)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(shí)能了解影響管式反應(yīng),塔式反應(yīng)器中物料濃度,溫度分布,進(jìn)而影響反應(yīng)速度和分子量分布狀況.

9.何為表觀粘度?剪切應(yīng)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(nèi)流體的滾動與混合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(nèi)的流體的滾動分為哪兩個(gè)層次宏觀狀況:循環(huán)滾動;微觀狀況:剪切滾動.

3.循環(huán)滾動的三個(gè)典型滾動分別是什么?哪些滾動對混合有利?哪些需戰(zhàn)勝?徑向滾動,軸向滾動,切線滾動;

徑向和軸向?qū)旌嫌欣?起混合攪動及懸浮作用;切線滾動對混合不利.

4.何為打旋現(xiàn)象?如何消除打旋現(xiàn)象

當(dāng)η不大,攪拌轉(zhuǎn)速較高時(shí),槳葉放在釜中心線時(shí),液體將隨槳葉旋轉(zhuǎn)的方向沿著釜壁滑動,釜內(nèi)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(gè)旋窩,尋常稱打旋現(xiàn)象.

消除打旋現(xiàn)象:偏心安裝可減弱漩渦,安裝擋板,加導(dǎo)流筒可有效消除.

5.試說出幾種攪拌器的構(gòu)型,特點(diǎn)和應(yīng)用?

①槳式攪拌器:槳葉構(gòu)型為平槳,斜槳,錨形或框形槳者.特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,轉(zhuǎn)速低,槳葉面積大,平槳,斜槳適用于η為0.1-102Pa·s的液體攪拌;錨式,框式對高η液體.

②推進(jìn)式攪拌器:三瓣葉片;適合湍流程度不高,循環(huán)量大.優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,制造便利,適用于η低,液量大液體攪拌.剪切作用不大,循環(huán)性能好.

③渦輪式攪拌器:槳葉形式好多,有開式和閉式兩類.應(yīng)用較廣并處理程度范圍廣液體.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(jìn)良好傳熱,傳質(zhì),或化學(xué)反應(yīng).

④螺桿及螺帶式攪拌器:適用于高粘度液體.

6.攪拌器應(yīng)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(fèi)用最低,操作便利,易于維修.選擇基本方法:

A.生產(chǎn)上對攪拌無特別要求,可參照生產(chǎn)時(shí)所用類似攪拌經(jīng)驗(yàn)地選擇.B.對攪拌有嚴(yán)格要求,且又無類似過程攪拌型式,應(yīng)對設(shè)備工藝過程的操作類別,攪拌要求及經(jīng)濟(jì)性全面分析評價(jià),找到主要控制因素進(jìn)行選擇適應(yīng)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(yàn)基礎(chǔ)上,研究出最正確攪拌器槳葉形式,尺寸及操作條件,再相像模擬放大進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)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(qiáng)度.

(4)氣體吸收及液相反應(yīng):保證氣體進(jìn)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(zhuǎn)速.(5)高粘度體系控制因素:容積循環(huán)速率及低轉(zhuǎn)速

7.攪拌器的功率消耗主要用于那些方面?計(jì)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(jī)械傳動所消耗意義:(1)攪拌功率是衡量攪拌強(qiáng)度的主要物理量;(2)是攪拌機(jī)械設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù);(3)根據(jù)攪拌功率的選用攪拌電機(jī)

8.從攪拌器的功率曲線可以得到哪些重要信息?

功率函數(shù);功率準(zhǔn)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.Nre》1000: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(diǎn)?

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(jì)算方法并加以修正.而大量通入氣體時(shí),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(jì)算有何重要作用

qd=Nqd*ND3,Nqd為泵送準(zhǔn)數(shù).包含了流體的流速和攪拌的泵送能力,反映了攪拌的猛烈程度

11.攪拌級別一般范圍幾個(gè)等級？10個(gè)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=0.2~~0.8平槳0.5~~0.83渦輪0.33~~0.4推進(jìn)式0.1~~0.33

13.何為顆粒雷諾數(shù)?其在不同的范圍時(shí),密度差如何計(jì)算NRe(p)=(dputρ)/μN(yùn)Re(p)103湍流密度差:(ρp-ρ)/μ(層流)(ρp-ρ)/ρ(湍流)

14.聚合反應(yīng)的攪拌級別一般選擇幾級？一般分為十個(gè)等級

15.懸浮程度與那些因素密切相關(guān)?

槳葉轉(zhuǎn)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(shí)的攪拌功率如何計(jì)算?為什么?

因次分析:P=f(N,D,ρ,μ,g)攪拌功率準(zhǔn)數(shù):Np=P/(ρN3p5),Np=NFrqf(NRe)NRe=DN2/g:攪拌弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)層流區(qū):P=KMN2D3重力影響可忽略,即不考慮NFr影響Np=KNRe-1湍流區(qū):P=KρN3D5湍流區(qū)功率曲線呈一水平直線與Re無關(guān),Np為常數(shù).

第六章攪拌聚合釜的傳熱與性質(zhì)

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(yīng)控制比較有利?可采用那些措施實(shí)現(xiàn)這種過程?減速型,加速型,勻速型；勻速型對反應(yīng)控制有利；

引發(fā)劑半衰期使用得當(dāng),也可逐漸或分批參與單體或催化劑使Rp保持均衡.

2,傳熱裝置有哪些類型?

夾套,內(nèi)冷件,回流冷凝器,體外循環(huán)冷凝器

3,哪些反應(yīng)不宜采用釜外循環(huán)熱交換?為什么?

a對要求嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度的一類聚合反應(yīng)不宜采用液相外循環(huán)熱交換裝置應(yīng)用于polymer,使物料下降5~10℃b懸浮聚合造成結(jié)塊也不宜

c而對剪切敏感膠乳體系應(yīng)慎用,由于循環(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,探討提高反應(yīng)釜傳熱能力有效措施?

Q=KA(ti—t0)Q:傳熱速率A傳熱面積Ti流體溫度To截?zé)狍w溫度K傳熱系數(shù)1/K=1/αi+1/α0+ξδ/λ,αi,α0釜內(nèi)外壁傳熱同類系數(shù)ξδ/λ:導(dǎo)熱部分總熱阻δ:厚度λ:導(dǎo)熱系數(shù)增大傳熱面積,降低冷卻水溫度以擴(kuò)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αi和K重要途徑夾套中冷卻水流

提高K重要途徑：例夾套內(nèi)安裝擋板,擾流噴嘴,多點(diǎn)切向進(jìn)水使水處于猛烈滾動狀態(tài),提高α0ξδ/λ減小:λ較高材質(zhì),設(shè)法降低黏釜物和掛膠現(xiàn)象及時(shí)進(jìn)行清釜,改善冷卻水水質(zhì)以及水垢沉積

5.實(shí)現(xiàn)聚合釜安全操作應(yīng)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(yīng)?為什么會出現(xiàn)放大效應(yīng)?何為冷模試驗(yàn)?

反應(yīng)器放大后,一般會引起大小反應(yīng)器間的熱量,質(zhì)量傳遞及流體滾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(shí)間分布的差異,影響反映結(jié)果效應(yīng)稱之為放大效應(yīng)

把握設(shè)備的幾何尺寸及操作條件對攪拌釜內(nèi)動量,熱量,質(zhì)量,停留時(shí)間分布和微觀混合的定量關(guān)系的試驗(yàn)稱冷模試驗(yàn)

2.在工程上有哪幾種放大方法?簡述各種放大方法基本原理?放大方法有;數(shù)模放大法相像放大法逐級經(jīng)驗(yàn)放大法

數(shù)模放大法:通過動力學(xué)研究和模式確定催化劑種類,反應(yīng)物濃度,溫度,反應(yīng)時(shí)間,剪切等對反應(yīng)速率,產(chǎn)物質(zhì)量和收率的關(guān)系,并綜合以一數(shù)學(xué)模型來描述相像放大:在配方不變的前提下,不管反應(yīng)機(jī)理如何,若工業(yè)反應(yīng)器中速度分布,濃度分布,