北化聚合物制备工程答案.docx
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北化聚合物制备工程答案
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
北京化工大学2009－2010学年第二学期
《聚合物制备工程》期末考试试卷
课程代码
P
S
E
3
8
3
0
T
班基：
姓名：
学号：
分数：
题号
一
二
三
四
五
总分
得分
一、填空（20分）
1．一般而言聚合物的生产过程由单体精制与准备、催化剂体系准备与精制、聚合过程、分离过程、后处理过程、回收过程组成。
2、常见的聚合反应器按照结构分类包括釜式、管式、
塔式、流化床、挤出机、特殊形式的聚合反应器。
3、釜式反应釜的除热方式有夹套冷却、夹套附加内冷管、内冷管、反应物料釜外循环、回流冷凝器、反应物料部分闪蒸、反应介质预冷。
4、悬浮聚合体系由单体、水、
分散剂和引发剂组成。
5、ESBR采用乳液聚合方法生产，其聚合机理是自由基聚合，SSBR采用溶液聚合方法生产，其聚合机理是阴离子聚合。
6、可采用本体聚合、悬浮聚合、乳液聚合等聚合方法制备聚氯乙烯。
7、我国镍系顺丁橡胶催化剂的主要成分是环烷酸镍、三异丁基铝和三氟化硼乙醚络合物。
8、尼龙66可采用熔融缩聚和固相缩聚方法生产。
9、反应器的基本设计方程是：
（反应物流入量）－（反应物流出量）－（反应消失量）－（反应物累积量）＝0。
10、PET熔融缩聚主要生产工艺是熔融缩聚和固相缩聚。
二、简述题（20分）
1．写出以下缩写的聚合物中文名称，并指出其聚合机理和工业实施方法。
PET、LDPE、SBS、GPPS、CR
答：
PET对苯二甲酸乙二酯，缩合聚合，熔融缩聚/固相缩聚
LDPE低密度聚乙烯，自由基聚合，本体聚合
SBS聚苯乙烯－b-丁二烯－b－苯乙烯嵌段共聚物，阴离子聚合，溶液聚合
GPPS通用聚苯乙烯，自由基聚合，本体聚合/悬浮聚合
CR氯丁橡胶，自由基聚合，乳液聚合
2．分离和后处理过程对聚合物性能有何影响？
答：
分离就是指聚合物从聚合介质分开的过程，不同的聚合实施方法可能采取的分离方法不同。
分离过程将脱除绝大部分的残留单体、溶剂，这些物质不仅降低聚合物产品的性能，而且对于人体有害、污染环境。
聚合物后处理工序包括分离、干燥、脱挥、脱灰、加入助剂及形状处理等几方面；但是树脂与橡胶后处理略有区别，树脂后处理主要包括脱水、干燥、加入添加剂、直接得到粉状树脂；或者经过脱水、干燥、加入添加剂、混炼、切粒、混合均化、包装得到颗粒状树脂；橡胶后处理根据用途也不同，乳液用于涂料或其他直接使用乳液的场合，乳液可以直接使用或浓缩后包装、使用；需要得到固体橡胶时则需要凝聚、脱水、水洗、挤压干燥、压块、包装。
在这些后处理工序中，最关键的十脱灰和干燥工序，这些工序所使用的设备若不合理，仍会出现废品。
橡胶产品导致凝胶含量高，塑料树脂导致分子量降低或交联。
3．简述采用管式和釜式反应器生产低密度聚乙烯（LDPE）的特点及产生差异的原因。
答：
两种反应器所生产LDPE的特点：
•釜式反应器物料接近理想混合状态，温度均匀，可分区控制，从而可获得较窄分子量分布的聚乙烯；支化多，凝胶微粒多，通用产品；有利共聚：
共聚产品多，可以生产VA达40%的EVA。
•管式反应器的物料在管内呈平推流流动，反应温度沿管程有变化，因而反应温度有最高峰，因此所合成聚乙烯相对分子质量分布较宽。
支链较少，适于薄膜产品，共聚产品少。
产生差异的原因：
两种反应器的流动形态不同，釜式反应器物料接近理想混合状态，管式反应器的物料在管内呈平推流流动，存在显著的浓度差异。
4．简述停留时间分布函数（F（t））与停留时间密度函数（E（t））的测试方法，以及两者之间的关系。
停留时间分布的测定方法、原理：
（1）阶跃示踪法：
在待测定系统稳定后，将原来反应器中流动的流体切换为另一种在某些性质上与原来流体有所不同，而对流体流动没有影响的另一种含示踪剂的流体。
该方法测定的是停留时间分布函数F（t）。
（2）脉冲示踪法：
在待测定系统稳定后，在入口瞬间加入少量示踪剂Q，此时t=0，同时开始测定出口流体中示踪物的含量C（t）。
由于示踪物不影响流体流动，加入时间为瞬间，故示踪物在系统内的流动形态可以代表整个系统的流动形态。
该法测定的是时间分布密度函数E（t）
停留时间分布函数（F（t））与停留时间密度函数（E（t））之间的关系：
。
5．反应器按照操作方式分类有哪几类？
各自的特点是什么？
答：
反应器按操作方式可分为间歇反应器、连续反应器和半连续反应器。
间歇反应器是指操作时，反应前将反应物一次加入反应器内，当反应达到规定转化率后取出反应产物。
特点：
（1）物料浓度随时间不断变化，为非稳态过程；
（2）操作灵活，弹性大，投资小；（3）需较多辅助时间，设备利用率低（4）.产品质量不易均匀
连续反应器是指反应按规定的加料速度和出料速度进行的反应，通过反应器体积大小或串连的级数多少来控制最终转化率。
其特点是：
：
（1）物料浓度不随时间变化，为稳态过程；
（2）操作弹性效能，投资大；（3）不需辅助时间，设备利用率较高（4）.产品质量波动小。
半连续反应器是指某一种或某一类物料按规定的加料速度连续进入，整个反应器并无物料采出，当反应达到规定转化率后，一次采出。
其特点是：
（1）物料浓度随时间变化，为非稳态过程；
（2）操作弹性大，投资小；（3）辅助时间长，设备利用率较高（4）.易于控制反应物浓度及产物组成，产品质量波动小。
三、选择题（30分）
1.下列资源属于可再生资源的是（B）。
A.石油B.淀粉C.煤炭D.废塑料
2.ESBR通过（C）控制聚合物分子量，聚氯乙烯工业生产通过（A）调节聚合物分子量。
A.反应温度B.转化率C.链转移剂D.分散剂
3.在聚合物制备过程中需要避免产生旋涡，消除旋涡的方法包括（C）
A.提高搅拌转速B.升高聚合温度C.安装挡板D.改变体系配方
4.苯乙烯常压乳液聚合转化率不能达到95％以上的原因是（D）。
A.凝胶效应B.链转移C.反应时间短D.玻璃化效应
5.用于LDPE生产的催化剂（引发剂）是（A），用于HDPE生产的催化剂（引发剂）是（D）。
A.有机过氧化物B.环烷酸镍催化剂C.茂金属催化剂D.齐格勒－纳塔催化剂
6.目标聚合物产品采用何种实施方法由（ABC）决定。
A.单体的结构性质B.催化剂的性质C.产品的性能D.聚合机理
7.反应器流动模型接近于理想混合流模型的是（C），反应器流动模型接近于平推流模型的是（BD）。
A.间歇釜式反应器B.管式反应器C.单级连续釜式反应器D.塔式反应器
8.聚苯乙烯本体聚合最后阶段提高聚合温度将使（ACD）。
A.转化率提高；B.分子量提高；C.熔体粘度下降D.分子量降低
9.溶剂在溶液聚合中可以起到（ABC）作用。
A.链转移剂；B.缩合剂；C.传热介质；D.链终止剂
10.在进行乳液聚合反应时可采用（BF）增大产品乳胶粒的粒径。
A.加入电解质；B.增加搅拌强度；C.增加水油比；D.提高温度；
E.增加乳化剂浓度F.种子乳液聚合
11.氯乙烯悬浮聚合按照（D）成粒，氯乙烯乳液聚合按照（C）成粒。
A.单体液滴成粒机理；B.珠状成粒机理；C.胶束成粒机理；D.粉状成粒机理
12.ABS的主要生产工艺包括（AD）。
A.本体聚合；B.溶液聚合；C.悬浮聚合；D.乳液接枝聚合
13.顺丁橡胶工业过程的搅拌选取（C），PET熔融缩聚的搅拌选取（D）。
A.锚式搅拌桨B.平桨C.双螺带搅拌桨D.表面更新型搅拌桨
E.推进式搅拌桨F.涡轮式搅拌桨
14.使用了离子型和非离子型乳化剂配方的乳液聚合体系，其聚合温度应高于（D），低于（AB）。
A.浊点B.转相点C.单体的沸点D.三相点
15.在生产过程中依靠搅拌推动聚合体系发生相翻转的聚合物是（BD）
A.EPSB.HIPSC.MBSD.ABSE.SBS
四、流程与工艺（15分）
用流程框图和文字简述乳液丁苯橡胶生产工艺过程，并简述其产品质量的控制方法。
流程叙述：
（1）在水相配制槽中加入计量的去离子水，扩散剂亚甲基双萘磺酸钠，粒径调节剂氯化钾，乳化剂歧化松香酸钠和硬脂酸钠，活化剂刁白块和硫酸亚铁剂螯合剂EDTA，开启搅拌配制好备用。
（2）在油相配制槽中加入计量的新鲜苯乙烯、丁二烯剂回收的苯乙烯和丁二烯及硫醇调节剂；搅拌均匀备用。
（3）在引发剂配制槽中，加入计量的去离子水和对孟烷过氧化氢（或过氧化异丙苯）;
（4）聚合：
将水相配制槽和油相配制槽的混合料连续打入预乳化槽中，并开启聚合物搅拌，将引发剂配制槽中的引发剂溶液连续打入聚合物A中，这样引发及聚合就开始，严格控制聚合温度在5～6℃，当终止釜开始流出时加入终止剂，并卸压，气相进入分离回收工序，液相进行脱苯乙烯工序，脱出单体后的乳液进入凝聚工序
（5）凝聚:
：
将胶乳按比例进行稀释，连续打入凝聚釜中，同时打入硫酸及凝聚剂溶液，产物经震动筛后进入水洗工序，洗涤两次后，进行挤压脱水工序；
（6）挤出干燥：
经挤压脱水的生胶在经挤出干燥后，就可得到合格产品；
（7）包装：
得到的合格产品，经压块机压块、包装即可。
产品质量的控制方法：
共聚组成：
直接影响力学性能、磨耗、滚动阻力、抗湿滑性能等；门尼粘度：
受到共聚组成、分子量、分子量分布、支化度等影响；直接影响加工性能；控制单体转化率和聚合反应温度：
控制转化率60％左右的目的：
控制共聚组成；控制温度：
控制分子量及其分布、交联和支化
评分标准：
流程框图5分，过程描述5分，质量控制5分，按照要点给分。
五、计算题（15分）
一化工企业准备开发脂肪族聚酯产品，请某化工设计院进行设计聚合反应装置，要求如下：
要求每天反应6000kg的己二酸，且反应过程严格控制与己二醇等摩尔比反应，在343K下，以硫酸为催化剂的动力学方程为：
，其中：
rA——消耗己二酸反应速度，kmoles/l•min；k——反应速度常数，l/kmole•min；CA——己二酸的瞬时浓度，kmole/l。
70℃，k=1.97l/kmole•min，己二酸的初始浓度CA0＝0.004kmoles/l；最终转化率为85％。
设计院分别采用间歇反应器、平推流反应器、单级理想混合反应器进行设计，请计算各反应器体积，并归纳三种反应器的体积变化规律。
其中间歇反应器的操作时间为1.5小时，装料系数为0.8，己二酸分子量为146。
答：
在外加酸催化下，这是一个标准的二级反应，且副产物水在体系中一直维持在0的情况，因此可采用A＋B→R的二级不可逆积分方程式。
（1）对于采用间歇反应器的设计：
计算反应器所需的容积
每小时的进料量FA0为
每小时己二酸的体积流量：
每批生产操作周期tT为：
故反应器的有效容积为：
反应器的实际容积V为：
（2）对于平推流反应器的设计
反应器设计方程与间歇相同，只是没有辅助时间而已，故
每小时己二酸的体积流量：
故反应器的有效容积为：
（3）对于单级理想混合反应器的设计：
反应器流量：
通过三种类型反应器设计及体积的比较可知，在控制最终转化率相同、单位时间处理物料相同下，以平推流反应器所用体积最小，以理想缓和反应器所需体积最大。
评分标准：
基本参数计算3分，每种反应器计算各3分，反应器比较3分；列出相关方程给一定分数；计算结果错误，扣1分。
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