聚合反應工程復習習題

1、1.聚合反應工程定義：聚合反應工程以研究工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模進行的聚合反應過程的規(guī)律及反應 器 最 佳 設 計 和 最 佳 操 作 的 學 科2. 聚合反應工程主要討論：聚合反應器的特性；反應器的設計方法；聚合反應器的型式和 結構；反應器的大?。晃锪虾馑闩c熱量衡算；最優(yōu)化；聚合反應過程操作條件的穩(wěn)定性。3. 進行聚合反應器的最佳設計應從聚合動力學與聚合物系中的傳遞規(guī)律二方面著手，應用化學反應工程的方法使它們結合起來，對聚合反應器進行設計、放大。4. 聚合反應工程的分析和研究方法： 首先掌握“三傳一反”理論基礎， 動量傳遞、熱量傳 遞、質量傳遞、化學反應動力學；其次掌握化學反應工程的常用放大技術，逐級經(jīng)

2、驗放大法、解析法、模型法。5. 設計反應器數(shù)學模型的方法：物料衡算方程、能量衡算方程、動量衡算方程。依據(jù):質量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律。6. 反應速率定義為單位時間，單位反應體積中所生成（或消失）的某組分的摩爾數(shù)。即則稱該7. 基兀反應：如果反應物分子按化學反應式在碰撞中一步直接轉化為生成物分子,E/RT反應為基元反應。k Ao e8. 反應速率常數(shù)k隨溫度的變化關系（阿累尼烏斯方程）9. 反應器停留平均時間t停留時間又稱接觸時間、反應時間，用于連續(xù)流動反應器，指流體微元從反應器入口到出口經(jīng)歷的時間。V反應器容積v 反應器中物料的體積流量10. 空間時間T （空時） 其定義為反應器

3、有效容積 VR與流體特征體積流率之比值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，所有物料質點在反應器中具有相同的停留時間，反應器中不存在返混。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。它假定反應物料以穩(wěn)定流量流入反應器，在反應器中，剛進 入反應器的新鮮物料與存留在反應器中的物料瞬間達到完全混合，反應器中所有空間位置

4、 的物料參數(shù)都是均勻的，與出口處物料濃度和溫度相等。特點：各物料微元在反應器的 停留時間不相同物料充分混合，返混最嚴重反應器中各點物料組成和溫度相同，不隨 時間變化連續(xù)攪拌釜式反應器13. 均相反應動力學研究的實驗數(shù)據(jù)的處理方法有積分法和微分法，微分法相對精度高,較為常用xanA0CA0 CACA014. 物料A的轉化率15. 一級不可逆反應16. 二級不可逆反應（等溫恒容）17. 一級可逆反應dCAdtkA k2CRk1k2 tCA0 CAe lnCACAe18. 平行反應:19. 理想反應器設計的理論基礎：物料衡算和熱量衡算20. 物料衡算式為:積累速率=流入速率一流出速率一反應消耗速率間

5、歇反應器：流入量=流出量=0間歇反應器方程為：反應消失量二-累積量穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動反應器：累積量二 0其方程為：（流入量）（流出量）（反應消失量）= 0非穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動反應器和半連續(xù)反應器：其方程四項均不為零，即為：（流入量）（流出量）（反應消失量）（累積量）=021. 熱量衡算間歇反應器：流入熱量=流出熱量=0穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動反應器：累積熱量二 0非穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動反應器和半連續(xù)反應器，其方程四項均不為零22. 間歇反應器優(yōu)點：操作靈活，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產(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)品質量不穩(wěn)定23.間歇釜式基本設計方程tC A

6、0xa dxACAdCArA一級不可逆反應24. 二級不可逆反應25對于間歇反應器，達到規(guī)定轉化率所需的反應時間 t只取決于rA和CA0而與反應體 積無關；所以在設計間歇反應器時，無論物料的處理量多少，只要 CA0 xA相同，則所需 反應時間是相等的。間歇反應器放大時，只要保證大、小反應器的混合及溫度條件相同，即可方便地應用 小試結果來設計、放大反應器 。26. 間歇反應釜設計步驟（恒溫、恒容）1. 由反應器操作特點，寫出物料衡算式；2. 由物料衡算式和化學動力學方程式計算反應所需時間 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= t 反+ t 輔4. 由及每小時處理的物

7、料量v 0，求出反應器的有效體積 VR= v 0X t生5. 由反應器裝料系數(shù)求出反應器實際體積V = VR /27. 對于返混為 0 的反應器，停留時間等于反應時間對于返混不為 0 的反應器，停留時間不等于反應時間對于間歇反應器和平推流反應器 ，反應時間和停留時間相同對于全混流反應器，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. 平推流反應器（等溫）反應時間推導過程積分:因為:料衡算Fa (Fa dFa)V dV0 FaoF A0XAf dxAxAf dxAF a F A0 1AF A0AdF Ad FA0 1XAFAodxA

8、 !7dVo CaoV0CA0XAf dxA0A28. 平推流反應器與間歇反應器的比較 設計基本方程式形式完全相同，且圖解形式也相同。由此表明二種反應器在達到相同轉化 率時，所需的反應時間是相等的。在設計、放大平推流反應器時可以利用間歇反應的動力 學數(shù)據(jù)來進行計算。在間歇反應器中物料是均勻混合屬非穩(wěn)態(tài)過程，而平推流反應器中物 料沒有返混，屬穩(wěn)態(tài)過程。平推流反應器是連續(xù)操作，不需要輔助時間，平推流反應器的 生產(chǎn)能力大于間歇反應器。29. 全混流反應器又稱全混釜或連續(xù)流動充分攪拌槽式反應器，簡稱CSTR特性物料在反應器內(nèi)充分返混；反應器內(nèi)各處物料參數(shù)均一，而且不隨時間而改變；反應器的出V0%a口組

9、成與器內(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器可以看作理想混合反應器30. 多級理想混合反應器的計算31. 多級理想混合反應器圖解法的計算過程32. 反應器熱穩(wěn)定性：指反應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，過程能恢復到原來的操作狀態(tài)，則反應器具有熱穩(wěn)定性。33. 反應器熱穩(wěn)定性的擾動包括：a)?進料流量、組成、溫度的波動b)反應溫度、出口溫度的波動c)?冷卻劑溫度、流量的波動34. 反應器具有熱穩(wěn)定性的條件:(1) 穩(wěn)態(tài)條件:RT(2) 穩(wěn)定條件:35. 反應物料溫度T與冷介質Tw間的最大溫差t T TW意義在

10、于:RTZ/ E，這是熱穩(wěn)定性的又一條件；在總傳熱系數(shù)K不變的 情況下所需的(1) 反應器內(nèi)的溫度與冷卻劑的溫度差必須小于(2) 反應的活化能越大，容許的冷卻推動力越小,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。如理想混合反應器中由于攪拌作用所引起的物 料的倒流、錯流、平推流反應器中的分子擴散、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;由于反應器結構所引起的死角、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，流過反應器的物料中停留時間小于某一時

11、刻t的流體Nt F tL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)，用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流入反應器的流體，在反應器出口流體的質點中在器內(nèi)停留了t與t+dt之間的流體的質點所占的分率應為E(t)dt oE(t)應具有歸一性，即0 Et dt 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)的關系：E(t)dt E(t)嘗F(t) 1F(t) 0 E(t)dt 140. 停留時間分布的測定方法：兩種。41. 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？程度42停留時間分布的數(shù)字特征

12、：數(shù)學期望二平均停留時間，方差：描述停留時間分布的離散0 E(t)dt243.方差表示的意義：t0tE(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：45. 在建立流動模型時通常采用為平推流 為理想混合流 為非理想流下述四個步驟：置的停留時間1. )通過冷態(tài)模型實驗測定裝 分布； (2).根據(jù)所得的有關 E(t) 或 F(t) 的結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) .結合反應動力學數(shù)據(jù)通過模擬計算來預測反應結果；4) . 通過一定規(guī)模的熱模

13、實驗來驗證模型的準確性。46. 由此可見，當完全沒有返混時，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，2e 介于 0 和 1 之間。用來判斷反應器內(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，預計 在非理想流動狀態(tài)下的反應結果。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器，如多釜串聯(lián)反 應器，分層的塔式反應器等。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 CSTR同當NH時，多級混合釜模型的停留時間分布函數(shù)與PFR相同在lN%時，

14、多級混合釜模型的停留時間分布函數(shù)屬非理想流動反應器。49. 多級混合槽模型的應用多個 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非理想流動反應器PFR的停留時間分布規(guī)律變化?？蓪⒍嗉壔旌喜勰Ｐ陀嬎愠龅某隹谵D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器的出口轉化率，這種模型與原題之間的相互聯(lián)系稱等效關系多級串聯(lián)CSTF與非理想流動反應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 ?與反應級數(shù)和轉化率的關系(1) 零級反應時，反應速率只是溫度的函數(shù)，而與濃度無關；因此 ？= 1,兩種反應器 的體積相同，反應器形式對反應速率沒有影響。(2) 其他

15、正級數(shù)反應的容積效率均小于 1。當轉化率很小時， 兩種反應器的體積相差很小， 即低轉化率時流動形態(tài)對反應器的容積效率影響小；隨轉化率的提高，容積效率越來越小，因此要求高轉化率的反應不宜采用理想混合反 應器。( 3)當轉化率一定時，反應級數(shù)越高，容積效率越低，因此反應級數(shù)高的反應宜采用 平推流反應器。49. 連鎖聚合反應特點：聚合反應可分為若干個基元反應，如鏈引發(fā)反應、鏈增長反應，鏈終止反應和鏈轉移反應等。50. 聚合動力學目標參數(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:Pnjr Pjj 2

16、瞬時數(shù)均聚合度PnrPjj 2rMrp53. 瞬時聚合度與平均聚合度的關系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)關系推導55. 機械攪拌目的：混合、攪動、懸浮、分散等功能56. 攪拌反應器的作用：(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、 切線流動剪切流

17、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nT _ DtP _ D*DN pND58. 攪拌雷諾數(shù)的計算公式：-59. 攪拌反應釜中擋板和導流筒的作用：a。渦流和旋轉流變?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?？商岣吒獌?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)流型，使釜內(nèi)所有物料均可通過導流筒內(nèi)的強烈混合區(qū)，提高混合效率；）限定了循環(huán)路徑，減少了短路機會60. 按槳葉構形分攪拌槳可分為：槳式、渦輪式（透平）、推進式（螺旋槳）、螺桿（螺軸）、 螺帶。61. 攪拌器選用應滿足的要

18、求：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)速率和液滴大小（分散度）； 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)固體性質和含固量選用。固體粒子大，固液密度差大，固/液小于30%- 開式渦固體粒子小，固液密度差小，固/液60-90%平:二.4輪固液密度差小，固/液小于50%推進式4）氣體吸收和

19、液相反應主要控制因素：局部剪切作用，容積循環(huán)速率和高轉速。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釜如何設置攪拌方式和操作流程。有的聚合體系隨反應進行，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，以適應不同階段的攪拌要求，2） 多釜串聯(lián)，每釜按不同粘度設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）衡量攪拌強度的主要物理量