聚合反應(yīng)工程復(fù)習(xí)習(xí)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(jìn)行的聚合反應(yīng)過(guò)程的規(guī)律及反應(yīng)器最佳設(shè)計(jì)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(jì)方法；聚合反應(yīng)器的型 式和結(jié)構(gòu)；反應(yīng)器的大小；物料衡算與熱量衡算；最優(yōu)化；聚合反應(yīng)過(guò)程操作條件的穩(wěn)定性。3. 進(jìn)行聚合反應(yīng)器的最佳設(shè)計(jì)應(yīng)從聚合動(dòng)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(lái)，對(duì)聚合反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)、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(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)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(jí)經(jīng)驗(yàn)放大法、解析法、模型法。5

2、. 設(shè)計(jì)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(dòng)量衡算方程。依據(jù)：質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律。6. 反應(yīng)速率定義為單位時(shí)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(shí)間t停留時(shí)間又稱接觸時(shí)間、 反應(yīng)時(shí)間，用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器,指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時(shí)間。v反應(yīng)器容積反應(yīng)器中物料的體積流量10. 空間時(shí)間T （空時(shí)） 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(dòng)模型。特點(diǎn)：沿著物料的流動(dòng)方向，物料的溫度、濃度不斷變化，而垂直于物料流動(dòng)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(diǎn)在反應(yīng)器中具有相同的停留時(shí)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(wú)窮大的理想流動(dòng)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(jìn)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(dá)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(diǎn)： 各物料微元在反應(yīng)器的停留時(shí)間不相同物料充分混合，返混最嚴(yán)重反應(yīng)器中各點(diǎn)物料組成和溫度相同，不隨時(shí)間變化連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器13. 均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法有積分法和微分法，微分法相對(duì)精 C A0 CACA014.物料A的轉(zhuǎn)化率15.一級(jí)不可逆反應(yīng)16.二級(jí)不可逆反應(yīng)（等溫恒容）rdC-17.一級(jí)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(jì)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(dòng)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(dòng)反應(yīng)器和半連續(xù)反應(yīng)器: 其方程四項(xiàng)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(dòng)反應(yīng)器：累積熱量=0非穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器和半連續(xù)反應(yīng)器，其方程四項(xiàng)均不為零22.間歇反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品生產(chǎn)精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。缺點(diǎn)：裝料、卸料等輔助操作時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定23.間歇釜式基本設(shè)計(jì)方程Caoxa dxA0Ca

6、 dCACaorA一級(jí)不可逆反應(yīng)24.二級(jí)不可逆反應(yīng)25對(duì)于間歇反應(yīng)器，達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間t只取決于rA和CA0而與反應(yīng)體積無(wú)關(guān)；所以在設(shè)計(jì)間歇反應(yīng)器時(shí)，無(wú)論物料的處理量多少，只要CAO xA相同，則所需反應(yīng)時(shí)間是相等的。間歇反應(yīng)器放大時(shí)，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(lái)設(shè)計(jì)、放大反應(yīng)器 。26. 間歇反應(yīng)釜設(shè)計(jì)步驟（恒溫、恒容）1. 由反應(yīng)器操作特點(diǎn)，寫出物料衡算式；2. 由物料衡算式和化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程式計(jì)算反應(yīng)所需時(shí)間t反；3. 由輔助生產(chǎn)時(shí)間t輔和t反，計(jì)算生產(chǎn)周期t 生二t反+ t輔4. 由及每小時(shí)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(shí)際體積V二VR /©27. 對(duì)于返混為0的反應(yīng)器，停留時(shí)間等于反應(yīng)時(shí)間對(duì)于返混不為0的反應(yīng)器，停留時(shí)間不等于反應(yīng)時(shí)間對(duì)于間歇反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器，反應(yīng)時(shí)間和停留時(shí)間相同對(duì)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(shí)間不同,具有停留時(shí)間的分布，此時(shí)常用平均停留時(shí)間來(lái)表征。28. 平推流反應(yīng)器（等溫）反應(yīng)時(shí)間推導(dǎo)過(guò)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?yàn)?Fao0 C A0VV0C A0xAf dxA0a比較 設(shè)計(jì)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(dá)到相 同轉(zhuǎn)化率時(shí)，所需的反應(yīng)時(shí)間是相等的。在設(shè)計(jì)、放大平推流反應(yīng)器時(shí)可以利用間 歇反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在間歇反應(yīng)器中物料是均勻混合屬非穩(wěn)態(tài)過(guò)程, 而平推流反應(yīng)器中物料沒(méi)有返混，屬穩(wěn)態(tài)過(guò)程。平推流反應(yīng)器是連續(xù)操作，不需要 輔助時(shí)間，平推流反應(yīng)器的生產(chǎn)能力大于間歇反應(yīng)器。簡(jiǎn)稱CSTR特性29. 全混流反應(yīng)器又稱全混釜或連續(xù)流動(dòng)充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?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(shí)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(dòng)，是一定態(tài)過(guò)程。通常帶有強(qiáng)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(jí)理想混合反應(yīng)器的計(jì)算31. 多級(jí)理想混合反應(yīng)器圖解法的計(jì)算過(guò)程32. 反應(yīng)器熱穩(wěn)定性：指反應(yīng)過(guò)程的放熱或除熱速率發(fā)生變化時(shí)，過(guò)程的溫度等因 素將產(chǎn)生一系列的波動(dòng)，當(dāng)外擾消除后，過(guò)程能恢復(fù)到原來(lái)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(dòng)包括：a)?進(jìn)料流量、組成、溫度的波動(dòng)b)反應(yīng)溫度、出口溫度的波動(dòng) c)?冷卻劑溫度、流量的波動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(cuò)流、平推流反應(yīng)器中的分子擴(kuò)散、渦流擴(kuò)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(dòng)時(shí)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(shí)間分布函數(shù)F(t)在定常態(tài)下的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中，流過(guò)反應(yīng)器的物料中停

11、留時(shí)間小于某一時(shí)刻N(yùn)tF t 的流體粒子的分率，稱為停留時(shí)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(shí)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(dòng)系統(tǒng)中，相對(duì)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(diǎn)中在器內(nèi)停留了t與t+dt之間的流體的質(zhì)點(diǎn)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(shí)間分布函數(shù)F(t)與停留時(shí)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(shí)間分布的測(cè)定方法：兩種。41.42.停留時(shí)間分布的數(shù)字特征：數(shù)學(xué)期望=平均停留時(shí)間，方差tE(t)dt布

12、的離散程度-:描述停留時(shí)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(dāng)為平推流時(shí)，其值為0越大越接近理想混合流當(dāng)為理想混合流時(shí),其值為244.無(wú)因次方差表示:為平推流45.在建立流動(dòng)模型時(shí)通常為理想混合流采用下述四個(gè)停留時(shí)間分布的兩種測(cè)定方法所測(cè)定的是哪種停留時(shí)間分布?步驟:為非理想流裝置的停留時(shí)(1.)通過(guò)冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)合理的簡(jiǎn)化提出可能的流動(dòng)模型，并根據(jù)停留時(shí)間分布測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)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(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)通過(guò)模擬計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)反應(yīng)結(jié)果;(4).通過(guò)一定規(guī)模的熱

13、模實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。46.由此可見(jiàn)，當(dāng)完全沒(méi)有返混時(shí),0當(dāng)返混達(dá)到極大程度時(shí),當(dāng)返混介于二者之間時(shí)，即非理想流動(dòng)時(shí),介于 0 和 1 之間用來(lái)判斷反應(yīng)器內(nèi)的流型，并判斷其偏離理想流動(dòng)的程度。47. 非理想流動(dòng)模型用來(lái)描述介于兩種理想狀況之間的流型，并通過(guò)對(duì)流型的描 述，預(yù)計(jì)在非理想流動(dòng)狀態(tài)下的反應(yīng)結(jié)果。48. 多級(jí)理想混合模型可用來(lái)描述偏離平推流不太大的非理想流動(dòng)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(gè)參數(shù)來(lái)表示返混大小，故為單 參數(shù)模型。當(dāng)N=1時(shí)，多級(jí)混合釜模型的停留時(shí)間分布函數(shù)與CSTF相目同。當(dāng)Nn時(shí)，多級(jí)混合釜模型的停留時(shí)間分布函數(shù)與PFR相同。在l<

14、;N<*時(shí)，多級(jí)混合釜模型的停留時(shí)間分布函數(shù)屬非理想流動(dòng)反應(yīng)器。49. 多級(jí)混合槽模型的應(yīng)用多個(gè) CSTR串聯(lián)操作時(shí)，當(dāng)釜數(shù)由1增加到無(wú)限多個(gè)， 其停留時(shí)間分布規(guī)律將按 CSTR非理想流動(dòng)反應(yīng)器PFR的停留時(shí)間分布規(guī)律變化?？蓪⒍嗉?jí)混合槽模型計(jì)算出的出口轉(zhuǎn)化率視為與它有相同停留時(shí)間分布規(guī)律的 非理想流動(dòng)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(jí)串聯(lián)CSTF與非理想流動(dòng)反應(yīng)器在停留時(shí)間分布規(guī)律等效時(shí)所需釜的數(shù)量48. 容積效率 與反應(yīng)級(jí)數(shù)和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系(1) 零級(jí)反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)速率只是溫度的函數(shù)，而與濃度無(wú)關(guān)；因此=1,兩種反應(yīng)器的體積相同，反應(yīng)器形式對(duì)反應(yīng)速率沒(méi)有影響。

15、(2) 其他正級(jí)數(shù)反應(yīng)的容積效率均小于1。 當(dāng)轉(zhuǎn)化率很小時(shí)，兩種反應(yīng)器的體積相差很小，即低轉(zhuǎn)化率時(shí)流動(dòng)形態(tài)對(duì)反應(yīng)器的容積效率影響?。浑S轉(zhuǎn)化率的提高， 容積效率越來(lái)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(dāng)轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，反應(yīng)級(jí)數(shù)越高，容積效率越低，因此反應(yīng)級(jí)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(diǎn)：聚合反應(yīng)可分為若干個(gè)基元反應(yīng)，如鏈引發(fā)反應(yīng)、鏈增長(zhǎng)反應(yīng)，鏈終止反應(yīng)和鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)等。50. 聚合動(dòng)力學(xué)目標(biāo)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(shí)數(shù)基分布、瞬時(shí)重基分布。52.瞬時(shí)聚合度: 瞬時(shí)數(shù)

16、均聚合度Pnjr Pjj 2PnrPjj 2r Mrp53. 瞬時(shí)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(shí)數(shù)基聚合度分布函數(shù)fn(j) 關(guān)系推導(dǎo)55. 機(jī)械攪拌目的：混合、攪動(dòng)、懸浮、分散等功能56. 攪拌反應(yīng)器的作用：(1)推動(dòng)液體流動(dòng)，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(dòng)，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(dòng)：流體以大尺寸(凝集流體、氣泡、液滴)在大范圍(整個(gè)釜內(nèi)空間)中的流動(dòng)狀況。包括：徑向流動(dòng)、軸向流動(dòng)、切

17、線流動(dòng)剪切流動(dòng)：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(dòng)狀況。58. 攪拌雷諾數(shù)的計(jì)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?dòng)，切向流動(dòng)變?yōu)檩S向動(dòng)、流徑向流動(dòng)；增大被攪拌液體的湍動(dòng)程度、改善攪拌效果。b?？商岣吒獌?nèi)流體的攪拌程度；加強(qiáng)槳葉對(duì)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(guò)導(dǎo)流筒內(nèi)的強(qiáng)烈混合區(qū)，提高混合效率;環(huán)路徑，減少了短路機(jī)會(huì)60. 按槳葉構(gòu)形分?jǐn)嚢铇煞譃椋?槳式、渦輪式（透平）、推進(jìn)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(fèi) 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(shí)間無(wú)要求：任何攪拌器混合時(shí)間短：推進(jìn)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(qiáng)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(kāi)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(jìn)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(jìn)行，體系的粘度不斷地增大，此時(shí)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(jī)械傳動(dòng)所消耗的能量。65 計(jì)算攪拌功率的目的： 1 ）衡量攪拌強(qiáng)度的