聚合反应工程基础复习提纲汇总.docx

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聚合反应工程基础复习提纲汇总

聚合反应工程基础复习提纲

第一章绪论

1.说明聚合反应工程基础研究内容及其重要性.

研究内容:

①以工业规模的聚合过程为对象,以聚合反应动力学和聚合体系传递规律为基础;

②将一般定性规律上升为数学模型,从而解决一般技术问题到复杂反应器设计,放大等提供定量分析方法和手段;

③为聚合过程的开发,优化工艺条件等提供数学分析手段.简而言之:

聚合反应工程研究内容为:

进行聚合反应器最佳设计;进行聚合反应操作的最佳设计和控制.

第二章化学反应工程基础

一、概念

1.间歇反应器、连续反应器

间歇反应器：

物料一次放入，当反应达到规定转化率后即取出反应物，其浓度随时间不断变化，适用于小规模，多品种，质量不均。

连续反应器：

连续加料，连续引出反应物，反应器内任一点的组成不随时间而改变，生产能力高，易实现自动化，适用于大规模生产。

2.平推流、平推流反应器及其特点：

当物料在长径比很大的反应器中流动时，反应器内每一位原体积中的流体均以同样的速度向前移动，此时在流体的流动方向上不存在返混，这种流动形态就是平推流。

具有此种流动型态的反应器叫平推流反应器。

特点：

①在稳态操作时，在反应器的各个截面上，物料浓度不随时间而变化，②反应器内物料的浓度沿着流动方向而改变，故反应速率随时间位置而改变，及反应速率的变化只限于反应器的轴向。

3.理想混合流、理想混合流反应器及其特点：

反应器中强烈的搅拌作用使刚进入反应器的物料微元与器内原有物料微元间瞬时达到充分混合，使各点浓度相等，且不随时间变化，出口流体组成与器内相等这种流动形态称之为理想混合流。

与理想混合流相适应的反应器称为理想混合流反应器。

特点：

①反应器内物料浓度和温度是均一的，等于出口流体组成②物料质点在反应器内停留时间有长有短③反应器内物质参数不随时间变化。

4.膨胀率：

反应中某种物料全部转化后体系的体积变化率

5.容积效率：

指同一反应在相同的温度、产量、和转化率的条件下，平推流反应器与理想混合反应器所需的总体积比

6.停留时间分布密度函数、停留时间分布函数、平均停留时间

停留时间分布密度函数：

系统出口流体中，已知在系统中停留时间为t到dt间的微元所占的分率E（t）dt

停留时间分布函数F（t）:

系统出口流体中，已知在系统中停留时间小于t的微元所占的分率F（t）

7.返混

指反应器中不同年龄的流体微元间的混合

8、宏观流体、微观流体

宏观流体：

流体微元均以分子团或分子束存在的流体；

微观流体：

流体微元均以分子状态均匀分散的流体；

9.宏观流动、微观流动

宏观流体指流体以大尺寸在大范围内的湍动状态，又称循环流动；

微观流体指流体以小尺寸在小范围内的湍动状态

10.混合时间

指经过搅拌时物料达到规定均匀程度所需的时间

11.微观混合、宏观混合P70

微元尺度上的均匀化称为宏观混合；

分子尺度上的均匀化称为微观混合。

二、问题

1.按物料的相态、结构形式、操作方式和流体流动及混合形式分类，反应器可分为那几类？

按物料相态来分：

均相反应器、非均相反应器；

按结构形式来分：

管式反应器、釜式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等；

按操作方式来分：

间歇反应器、连续反应器、半连续反应器

按流体流动及混合形式来分：

平推流反应器（或称活塞流、柱塞流、理想置换反应器）、理想混合流反应器（或称完全混合反应器）、非理想流动反应器

2.形成返混的主要原因有哪些?

①由于物料与流向相反运动所造成,

②由于不均匀的速度分布所引起的,

③由于反应器结构所引起死角,短路,沟流,旁路等.

3.理想反应器设计的基本原理是什么？

①提供反应物料进行反应所需的容积，保证设备有一定的生产能力

②具有足够的传热面积，保证反应过程中热量的传递，使反应控制在适宜的温度下进行

③保证参加反应的物料均匀混合

4.反应器的流动模型有哪些？

各有何特点

理想流动模型（平推流模型、理想混合流模型）、非理想流动模型（多级理想混合模型、层流流动时的速度分布模型、扩散模型、带死角和短路的理想混合模型）

平推流模型：

流体以平推流流动，全部物料的停留时间都为V/v0不存在返混

理想混合流模型：

物料的停留时间分布最宽，返混最大

多级理想混合模型:

可用来描述偏离平推流不太大的非理想流动反应器，只需要一个参数来表示返混大小

层流流动时的速度分布模型：

流体不发生轴向返混；流体的返混仅仅是由于管中流体的不同流速所引起的；流体为牛顿流体

扩散模型：

介于理想混合流和平推流之间的，用来描述具有不同返混程度的非理想流动模型

5.平推流及理想混合反应器的停留时间分布有何特点？

平推流停留时间分布特点：

t≥τ时，F（t）=1；t<τ时，F（t）=0

理想混合停留时间分布特点：

t=0时，F（t）=0，t=∞时，F（t）=1，停留时间分布宽。

6.返混对简单反应、复杂反应和连串反应各有何影响？

返混对简单反应无影响，因为大多从间歇反应中得到恒温恒容的简单反应；

返混影响到复杂反应的产物分布，从而可以采用不同的操作方式来提高目的产物的收率；

返混会影响到连串反应的物料平均停留时间，因此为提高目的产物的收率，首先应选择平推流反应器或间歇反应器，然后才考虑理想混合反应器。

7.描述连续式反应器的重要性质有哪些？

停留时间分布密度函数E（t），停留时间分布函数F（t），数学期望，方差，返混

8.微观混合和宏观混合对理想混合反应器各有何影响？

宏观混合与微观混合对不同级数的化学反应的影响是不同的。

只有一级反应时，微观混合与宏观混合的反应结果是一样的；

当n<1时，微观混合能提高转化率，有利反应

当n>1时，宏观混合有利于反应

9.影响容积效率的因素有哪些？

反应器类型,反应级数,生产过程中转化率

10.停留时间的测定方法有哪些,各适用于什么具体情况?

阶跃示踪法→试验装置；脉冲示踪法→工业反应器

11.停留时间分布和返混之间有什么关系?

研究流动模型有何意义?

返混造成停留时间分布,二者有密切关系,可用停留时间分布定量描述同类反应器中返混程度,而同一停留时间分布可由不同情况的返混程度与之相适应.

意义:

流动模型是为了研究反应器内流体的实际流动形态,在不改变其性质的前提下,对其加以适当的理想化,这种适当理想化的流动形态称为流动模型,所以流动模型是反应器中液体流动形态的近似概括,是设计和放大反应器的基础.

12.动力学方程建立时,数据收集方式和处理方式有哪些?

收集方式:

化学分析方法,物理化学分析方法处理方式:

积分法,微分法.

13.反应器基本要求有哪些？

①提供反应物料进行反应所需容积,保证设备一定生产能力;②具有足够传热面积;③保证参加反应的物料均匀混合

14.基本物料衡算式,热量衡算式

①物料衡算:

反应物A流入速度-反应物A流出速度-反应物A反应消失速度+反应物A积累速度=0（简作:

流入量-流出量-消失量-积累量=0）

②热量衡算:

随物料流入热量-随物料流出热量-反应系统与外界交换热量+反应过程的热效应-积累热量=0

15.实现反应器的热稳定操作需满足哪些条件?

①Qr=Qc,体系放出热量;Qr②dQc/dT>dQr/dT,除热量;Qc③△T=T-Tw

第三章聚合反应工程分析

1.在双分子热引发和双基终止时，间歇式和连续全混式反应釜对产物的转化率、累计平均聚合度有何影响？

间歇式：

X=

连续全混式：

X=1+

故连续全混式转换率高，但平均聚合度小。

  2. 在连锁聚合中，采用间歇操作和连续操作对其转化率和平均聚合度和分子量分布有何影响？

同一歧化终止，无链转移时，理想混合流操作的瞬间聚合度及聚合度分布与间歇操作相同；平均聚合度及聚合度分布不同。

单基终止，无链转移时，理想混合流操作的聚合度分布比间歇操作的窄；

平推流操作：

平均聚合度和聚合度分布与间歇操作相同。

对于理想混合反应器，分子量分布窄；（浓度不变）

对于间歇反应器，分子量分布宽。

（浓度从高到低）

3.要制取高分子量的缩聚物时，在理论上和操作方式上可采取哪些措施？

①应将反应产生的低分子物质排出体系外；

②要尽量保证严格的原料官能团等当量比，配料要准，原料要纯，防止物料中混入能终止缩聚的单官能团杂质。

③在反应到一定程度时，外加一定量的单官能团物质以实行“端机封锁”而使缩聚终止。

4.间歇操作的和连续全混反应釜对缩聚反应的分子量分布有何影响?

间歇操作或接近平推流的塔式反应器可获得分子量分布窄的缩聚物；

理想混合操作时，产物的分子量分布要比间歇操作时宽。

5.返混和混合对聚合度分布的影响。

当活性链的寿命较物料在反应器中的平均停留时间短时，浓度历程是影响聚合度分布的主要因素，聚合度分布由窄至宽为：

理想混合反应器，非理想混合反应器，平推流反应器；

当活性链的寿命较平均停留时间长时，停留时间分布是决定聚合度分布的主要原因。

上述情况正好相反。

6.粘度对聚合物反应的影响。

粘度增加，链自由基卷曲，活性端基被包裹，双基扩散终止困难，链终止速率下降，产生凝胶效应，出现自加速现象。

第四章化工流变学基础

1.流体分类

按流体力学观点:

分为理想流体和实际流体两大类.理想流体又称为无黏性流体,实际流体又称黏性流体,可分为牛顿流体与非牛顿流体.

2.何为牛顿流体,非牛顿流体?

非牛顿流体又有哪些类型?

流动曲线通过坐标原点的一直线的流体称为牛顿流体;

凡流动曲线不是直线或虽为直线但不通过坐标原点的流体称为非牛顿流体.

非牛顿流体分为三大类:

非依时性（假塑性,胀塑性,宾汉流体）;依时性（触变性,震凝性）;粘弹性流体（入口效应,弹性回缩,爬杆效应,***）

3.高分子流体为什么多属于假塑性流体

大分子链的取向原因,大分子链为无规线团,彼此缠结,对流动阻力大,表现出较大的黏度.当流动而受较大剪切作用时卷曲缠结的大分子结构被拉直取向,伸直后大分子在液体层间传递动量作用较原来小,因而随γ增加,表现出η减小,因此多属于假塑性流体.

4.为什么触变性流体和震凝性流体有特殊的流变行为?

由于在一定剪切条件下,流体的结构随时间而受到逐步破坏,受破坏结构在剪切作用停止作用后又可以恢复,体现出独特流动行为.

5.一般对于涂料类流体希望其具有何种流动特性,为什么?

一般希望具有触变性.因为触变性可使涂料在受外力作用下变成易流动的液体,而当外力消失后又很快恢复到高黏性不流动状态,这样易于涂刷而又能保持涂刷后不流动,尤其适用于垂直面上的涂刷.

6.影响高分子流体流变行为的主要因素有哪些?

如何对这些影响进行理论分析

影响主要因素有高聚物平均分子量,分子量分布,压力,温度,以及溶液浓度.①存在一临界分子量Mc,M>Mc,黏度急剧增加，为非牛顿流体:

M

②对分子量相近,分子量分布较宽的流体,比分子量分布较窄流体较早出现非牛顿流体转变,且分子量分布越宽,偏离牛顿流动也越远.

③温度:

温度增加,黏度η下降.对于柔性,温度对其影响不大,链段运动易,活化能小.

④浓度:

聚合物溶液浓度增加,溶液黏度η0增加.临界浓度Cc,当CCc,为非牛顿流体,假塑性.

⑤压力影响:

压力影响流体自由体积,压力P增加,自由体积下降,引起黏度增加.

7.非牛顿流体的流动行为指数对流体在圆管中的流动行为和聚合反应结果有何影响？

N下降,假塑性流体在管中流速分布比牛顿均匀;反应器中C,T,及径向分布也越均匀,分子量分布也越窄.

8.对非牛顿流体在圆管中层流流动规律进行研究有何重要意义?

非牛顿流体与牛顿流体不同流动特性,二者动量质量传递特性也有所差别,进而影响到热量传递,质量传递,及反应结果.因此对流速分布及压力降等问题研究,不仅能决定管中流体输送量与功率消耗,同时能了解影响管式反应,塔式反应器中物料浓度,温度分布,进而影响反应速度和分子量分布情况.

9.何为表观粘度?

剪切应力与剪切速率的比值称为表观黏度,Ma=Z/r

第五章搅拌聚合釜内流体的流动与混合

1.搅拌器一般具有哪些功能?

混合,搅动,悬浮,分散等

2.搅拌釜内的流体的流动分为哪两个层次

宏观状况:

循环流动;微观状况:

剪切流动.

3.循环流动的三个典型流动分别是什么?

哪些流动对混合有利?

哪些需克服?

径向流动,轴向流动,切线流动;

径向和轴向对混合有利,起混合搅动及悬浮作用;切线流动对混合不利.

4.何为打旋现象?

如何消除打旋现象

当η不大,搅拌转速较高时,桨叶放在釜中心线时,液体将随桨叶旋转的方向沿着釜壁滑动,釜内液体在离心力的作用下,涌向釜壁,使液面沿壁上升,中心部分液面下降,形成一个旋窝,通常称打旋现象.

消除打旋现象:

偏心安装可减弱漩涡,安装挡板,加导流筒可有效消除.

5.试说出几种搅拌器的构型,特点和应用?

①桨式搅拌器:

桨叶构型为平桨,斜桨,锚形或框形桨者.特点:

结构简单,转速低,桨叶面积大,平桨,斜桨适用于η为0.1-102Pa·s的液体搅拌;锚式,框式对高η液体.

②推进式搅拌器:

三瓣叶片;适合湍流程度不高,循环量大.优点:

结构简单,制造方便,适用于η低,液量大液体搅拌.剪切作用不大,循环性能好.

③涡轮式搅拌器:

桨叶形式很多,有开式和闭式两类.应用较广并处理程度范围广液体.适用于低粘到中等程度液体混合,液液分散,液固悬浮及促进良好传热,传质,或化学反应.

④螺杆及螺带式搅拌器:

适用于高粘度液体.

6.搅拌器应满足哪些基本要求?

选择搅拌器的基本方法是什么?

保证物料混合,消耗最小功率,所需费用最低,操作方便,易于维修.选择基本方法:

A.生产上对搅拌无特殊要求,可参照生产时所用类似搅拌经验地选择.

B.对搅拌有严格要求,且又无类似过程搅拌型式,应对设备工艺过程的操作类别,搅拌要求及经济性全面分析评价,找到主要控制因素进行选择适应型式

C.对于过程开发或生产规模很大工程,在一定试验基础上,研究出最佳搅拌器桨叶形式,尺寸及操作条件,再相似模拟放大进行设计计算.

选择搅拌器原则:

（1）均相液体混合:

主要控制因素为容积循环速率.

（2）非均相液体混合:

使互不相溶液体能良好分散.

（3）固体悬浮:

容积循环速率和湍流强度.

（4）气体吸收及液相反应:

保证气体进入液体后被打散,被气泡均匀的分散.控制因素:

局部剪切作用,容积循环速率及高转速.

（5）高粘度体系控制因素:

容积循环速率及低转速

7.搅拌器的功率消耗主要用于那些方面?

计算搅拌器功率有何重要意义

搅拌器所消耗的能量;搅拌轴封所消耗;机械传动所消耗

意义:

（1）搅拌功率是衡量搅拌强度的主要物理量;

（2）是搅拌机械设计的基本数据;

（3）根据搅拌功率的选用搅拌电机

8.从搅拌器的功率曲线可以得到哪些重要信息?

功率函数;功率准数;雷诺数：

1.Nre=1-10:

曲线斜率为-1,搅拌层流区;2.Nre=10-1000:

搅拌过滤区;3.Nre》1000:

搅拌湍流区,为一水平直线

9.气液体系的搅拌功率与均相体系相比有哪些特点?

液体中通入气体,降低了被搅拌液体的有效密度,因此也就降低了搅拌功率,搅拌功率可采用均相液体搅拌功率分析计算方法并加以修正.而大量通入气体时,开始出现大气泡,功率消耗不再明显变化,称"液泛".

10.何为泵送指数?

其对搅拌器计算有何重要作用

qd=Nqd*ND3,Nqd为泵送准数.包含了流体的流速和搅拌的泵送能力,反映了搅拌的剧烈程度

11.搅拌级别一般范围几个等级？

10个等级

12.常用的搅拌桨叶直径的大致范围如何

选定桨叶直径与釜径比值D/T=0.2~~0.8平桨0.5~~0.83涡轮0.33~~0.4推进式0.1~~0.33

13.何为颗粒雷诺数?

其在不同的范围时,密度差如何计算NRe（p）=（dputρ）/μNRe（p）<0.3层流>103湍流密度差:

（ρp-ρ）/μ（层流）（ρp-ρ）/ρ（湍流）

14.聚合反应的搅拌级别一般选择几级？

一般分为十个等级

15.悬浮程度与那些因素密切相关?

桨叶转速越高,直径越大,颗粒沉降速度愈小,所得悬浮程度越高.

16.层流和湍流是=时的搅拌功率如何计算?

为什么?

因次分析:

P=f（N,D,ρ,μ,g）搅拌功率准数:

Np=P/（ρN3p5）,Np=NFrqf（NRe）NRe=DN2/g:

搅拌弗鲁德准数层流区:

P=KMN2D3重力影响可忽略,即不考虑NFr影响Np=KNRe-1湍流区:

P=KρN3D5湍流区功率曲线呈一水平直线与Re无关,Np为常数.

第六章搅拌聚合釜的传热与性质

1,聚合速率在聚合过程中一般有三种类型,其中那些对反应控制比较有利?

可采用那些措施实现这种过程?

减速型,加速型,匀速型；

匀速型对反应控制有利；

引发剂半衰期使用得当,也可逐渐或分批加入单体或催化剂使Rp保持均衡.

2,传热装置有哪些类型?

夹套,内冷件,回流冷凝器,体外循环冷凝器

3,哪些反应不宜采用釜外循环热交换?

为什么?

a对要求严格控制反应温度的一类聚合反应不宜采用液相外循环热交换装置应用于polymer,使物料下降5~10℃

b悬浮聚合造成结块也不宜

c而对剪切敏感胶乳体系应慎用,因为循环泵r很大,易破坏胶乳稳定性d本体聚合,体系黏度过大,泵送困难,也不宜

4,试概括传热速率方程和总传热系数方程,讨论提高反应釜传热能力有效措施?

Q=KA（ti—t0）Q:

传热速率A传热面积Ti流体温度To截热体温度K传热系数1/K=1/αi+1/α0+ξδ/λ,αi,α0釜内外壁传热同类系数ξδ/λ:

导热部分总热阻δ:

厚度λ:

导热系数增大传热面积,降低冷却水温度以扩大温差,提高总传热系数可提高传热速率降低体系黏度,改善搅拌效果提高αi和K重要途径夹套中冷却水流

提高K重要途径：

例夹套内安装挡板,扰流喷嘴,多点切向进水使水处于剧烈流动状态,提高α0ξδ/λ减小:

λ较高材质,设法降低黏釜物和挂胶现象及时进行清釜,改善冷却水水质以及水垢沉积

5.实现聚合釜安全操作应采取哪些基本措施?

书本P191

第七章搅拌聚合釜的放大

1.何为放大效应?

为什么会出现放大效应?

何为冷模试验?

反应器放大后,一般会引起大小反应器间的热量,质量传递及流体流动状况等物理过程变化,造成两者速度,温度,浓度分布及停留时间分布的差异,影响反映结果效应称之为放大效应

掌握设备的几何尺寸及操作条件对搅拌釜内动量,热量,质量,停留时间分布和微观混合的定量关系的试验称冷模试验

2.在工程上有哪几种放大方法?

简述各种放大方法基本原理?

放大方法有;数模放大法相似放大法逐级经验放大法

数模放大法:

通过动力学研究和模式确定催化剂种类,反应物浓度,温度,反应时间,剪切等对反应速率,产物质量和收率的关系,并综合以一数学模型来描述

相似放大:

在配方不变的前提下,不论反应机理如何,若工业反应器中速度分布,浓度分布,温度分布和停留时间分布均与反应器相同,两者反应后果也必然相同四种分布并非独立,相互呈复杂制约关系,找出对反应后果影响最大的关键混合参数及其适应的范围,并以此混合物参数作为放大准则

3.如何理解和应用相似放大?

相似放大着眼于如何在工业反应器中复现模拟反应器结果.相似放大应用于搅拌聚合釜.1.搅拌设备传热放大可分为按动力相似放大,按传热系数相等放大,按单位体积传热速率不变放大,按搅拌聚合釜搅拌放大.

4.根据传热系数放大方程，并假定b=0.5，讨论在保持大小釜的搅拌叶的叶端速度相等，和大釜叶端速度为小釜2倍时，叶端传热系数的变化？

书本P195

5.搅拌釜传热可采用哪几种方法放大

动力相似,叶端速度相等,给热系数相等,单位体积输入搅拌功相等,单位体积传热速率不变,总传热系数K放大

6.几何相似系统中，概括N

对几何相似体系可在数个几何相似但容积不同的搅拌釜中进行试验，求出每个釜中能获得合格产品的转速。

由此确定转速N和桨径D的关系。

第八章聚合过程及聚合反应器

本体法

本体法的最大特点是在聚合过程中，除了引发剂不须加入分散剂、乳化剂等聚合助剂或溶剂，所以产品的纯度高与其他聚合方法相比，工艺简单，能耗低，成本低，对环境污染小。

从反应器的利用率来看，它是所用聚合方法中最高的。

本体聚合困难的问题是如何及时、有效地移走反应放出的大量反应热。

特别在反应后期，转化率高，反应体系的粘度剧增，造成混合、传热困难，反映情况恶化。

不及时带出反应热，体系温度上升，聚合度下降，聚合度分布加宽，副反应增加。

严重出现爆聚现象。