聚合反应工程基础课后习题答案

第二章第二章 化学反应工程基础化学反应工程基础 1. 说明聚合反应工程的研究内容及其重要性。 研究内容：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；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；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。 2. 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。 3. 反应器基本要求有哪些 提供反应物料进行反应所需容积，保证设备一定生产能力；具有足够传热面积； 保证参加反应的物料均匀混合 4. 基本物料衡算式，热量衡算式 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） 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 5. 何谓容积效率？影响容积效率的因素有哪些 工业上，衡量单位反应器体积所能达到的生产能力称之为容积效率，它等于在同一反应， 相同速度、产量、转化率条件下，平推流反应器与理论混合反应器所需总体积比： =Vp/Vm=p/m。 影响因素：反应器类型，反应级数，生产过程中转化率有关 6. 何为平推流和理想混合流？ 反应物料在长径比很大的反应器中流动时，反应器内每一微元体积中流体均以同样速 度向前移动，此种流动形态称平推流； 由于反应器强烈搅拌作用，使刚进入反应器物料微元与器内原有物料元瞬时达到充分混 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此流动形态称理想混合流。 7. 实现反应器的热稳定操作需满足哪些条件？ Qr=Qc，Qr 体系放出热量； dQc/dTdQr/dT，Qc 除热量； T=T-TwMc，黏度急剧增加：MMc 为非牛顿流体 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。 温度：温度增加，黏度 下降。对于柔性，温度对其影响不大，链段运动易，活化能小。 浓度：聚合物溶液浓度增加，溶液黏度 0增加。临界浓度 Cc，当 CCc，为非牛顿流体 ，假塑性。 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.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 8.非牛顿流体在圆管中的表观粘度是如何定义的 （Ua）p=管壁处剪切应力 /流动特性=+ 9.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。 10.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，同时能了解影响官式反应、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来那个分子分布情况。 第五章第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合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：循环流动；微观：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 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？ 4 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 为 0.1-102Pas 液体搅拌；锚式、框式对高 液体。 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， 适用于液体 低，液量大液体搅拌。剪切作用不大，循环性能好。 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。 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. Nre1000: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 5 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=0.20.8 平桨 0.50.83 涡轮 0.330.4 推进式 0.10.33 13.何为颗粒雷诺数？骑在不同的范围时，密度差如何计算 NRe(p)=(dput)/ NRe(p)103 湍流 密度差 ：（p-）/（层流） (p-)/（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、g) 搅拌功率准数：Np=P/（N3p5 ） ，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=K NRe-1 湍流区：P=KN3D5 湍流区功率曲线呈一水平直线与 Re 无关，Np 为常数。 第六章第六章 搅拌聚合釜的传热与性质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 510 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 6 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(tit0 ) 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/i+1/0+/， i、0 釜内外壁传热同类系数 /:导热部 分总热阻 ：厚度 ：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 i 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 0 / 减小： 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？ P191 第七章第七章 搅拌聚合釜的放大搅拌聚合釜的放大 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