聚合反应工程复习习题解析

1、1. 聚合反应工程定义： 聚合反应工程以研究工业生产规模进行的聚合反应过程的规律及反应 器最佳设计和最佳操作的学科。2. 聚合反应工程 主要讨论： 聚合反应器的特性；反应器的设计方法；聚合反应器的型式和结 构；反应器的大小；物料衡算与热量衡算；最优化；聚合反应过程操作条件的稳定性。应用3. 进行聚合反应器的最佳设计应从聚合动力学与聚合物系中的传递规律二方面着手， 化学反应工程的方法使它们结合起来，对聚合反应器进行设计、放大。4. 聚合反应工程的分析和研究方法：首先掌握 “三传一反 ”理论基础，动量传递、热量传 递、质量传递、化学反应动力学；其次掌握化学反应工程的常用放大技术，逐级经验放大 法、

2、解析法、模型法。5. 设计反应器数学模型的方法：物料衡算方程、能量衡算方程、动量衡算方程。依据：质 量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律。6. 反应速率定义为单位时间，单位反应体积中所生成（或消失 ）的某组分的摩尔数。即r1 dCi7. 基元反应： 如果反应物分子按化学d反t 应式在碰撞中一步直接转化为生成物分子， 反应为基元反应。8. 反应速率常数 k 随温度的变化关系（阿累尼乌斯方程）E/ RT kA0 e则称该9. 反应器停留平均时间 t 停留时间又称接触时间、反应时间， 体微元从反应器入口到出口经历的时间。用于连续流动反应器，指流反应器容积Vtv 反应器中物料的体积流量10空间时间

3、（空时） 其定义为反应器有效容积 VR 与流体特征体积流率VRv011. 平推流模型 （PFR） 亦称活塞流、柱塞流模型或理想置换模型，是一种返混量为零的理 想流动模型。特点：沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断变化，而垂直于物料流 动方向的任一截面（又称径向平面）上物料的所有参数，如浓度、温度、压力、流速都相 同，因此，所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间，反应器中不存在返混。12. 全混流模型亦称理想混合模型或连续搅拌槽式反应器（ CSTR ）模型。是一种返混程 度为无穷大的理想流动模型。它假定反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进 入反应器的新鲜物料与存留在反应器中的物料

4、瞬间达到完全混合，反应器中所有空间位置 的物料参数都是均匀的，与出口处物料浓度和温度相等。特点：各物料微元在反应器的 停留时间不相同物料充分混合，返混最严重 反应器中各点物料组成和温度相同，不随 时间变化 连续搅拌釜式反应器13. 均相反应动力学研究的实验数据的处理方法有积分法和微分法，微分法相对精度高， 较为常用14.15.物料 A 的转化率 一级不可逆反应nA0 nA xAnA0C A0 CACA0v0之比值。即16.rA1 dnAA V dtddCtA kCAt 1 ln CA0 k CAtk1ln 1 xA二级不可逆反应（等温恒容）rAddCtA kCACB rA kC AkC2A0

5、1 xA 2xAktCA0 1 xACA0CACA0CA17. 一级可逆反应rAdt k1CA k2CRk1 k2 t lnkk12 KCA0 CAeCA CAeCA0 CAeC Ae18. 平行反应：rAddCtA k1CA k2C(k1 k2)CAln C AC A0(k1 k2 )trRdCRdCSdtk2CAk1CAdt 1 A19.理想反应器设计的理论基础：物料衡算和热量衡算20. 物料衡算式为：积累速率流入速率 流出速率反应消耗速率间歇反应器：流入量流出量 0 间歇反应器方程为：反应消失量累积量 稳态操作的连续流动反应器：累积量 0其方程为：（流入量）（流出量）（反应消失量） 0非

6、稳态操作的连续流动反应器和半连续反应器： 其方程四项均不为零，即为： （流入量）（流出量）（反应消失量）（累积量） 021. 热量衡算间歇反应器：流入热量流出热量 0稳态操作的连续流动反应器：累积热量 0非稳态操作的连续流动反应器和半连续反应器，其方程四项均不为零22. 间歇反应器优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产。缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定23.间歇釜式基本设计方程一级不可逆反应C A0xA dxAtCA dCACA 0 rA24.rA kCA kCA0(1 xA)二级不可逆反应rA kCA2 kCA20 (1 xA)2t

7、 CA0 0xA dxAt 1ln CA0 k CAA0xAdxA1 xA22kCA0(1 xA)k CA0(1 xA)25 对于间歇反应器， 达到规定转化率所需的反应时间 t 只取决于 rA 和 CA0 ，而与反应体 积无关；所以在设计间歇反应器时，无论物料的处理量多少，只要CA0 、 xA 相同，则所需反应时间是相等的。间歇反应器放大时，只要保证大、小反应器的混合及温度条件相同，即可方便地应用 小试结果来设计、放大反应器 。26. 间歇反应釜设计步骤（恒温、恒容）1. 由反应器操作特点，写出物料衡算式；2. 由物料衡算式和化学动力学方程式计算反应所需时间t 反；xA dxAtr cA0 0

8、rA3. 由辅助生产时间 t 辅和 t 反，计算生产周期t 生 = t 反 + t 辅4. 由及每小时处理的物料量 0，求出反应器的有效体积 VR= 0 t 生5. 由反应器装料系数 求出反应器实际体积V = VR / 27. 对于返混为 0 的反应器，停留时间等于反应时间对于返混不为 0 的反应器，停留时间不等于反应时间 对于间歇反应器和平推流反应器 ， 反应时间和停留时间相同 对于全混流反应器，由于可能有短路，死区和循环流，物料在器内停留时间不同，具有 停留时间的分布，此时常用平均停留时间来表征。28. 平推流反应器（等温）反应时间推导过程FA （FA dFA ） rA dVF A F A

9、0 1 xAdFA d FA0 1 xAFA0dx AFA0dx A rAdV 物料衡算式为：积分：V dV0 FdVA0A0xAf dxAVx Af dxAFA00rA0rA因为：F A00 C A0VxAf dx Av0C A0 0 rAVV x AfC A0 0dxAv0v0 A0 0rA28. 平推流反应器与间歇反应器的比较设计基本方程式形式完全相同，且图解形式也相同。由此表明二种反应器在达到相同转化 率时，所需的反应时间是相等的。在设计、放大平推流反应器时可以利用间歇反应的动力 学数据来进行计算。在间歇反应器中物料是均匀混合属非稳态过程，而平推流反应器中物 料没有返混，属稳态过程。平

10、推流反应器是连续操作，不需要辅助时间，平推流反应器的 生产能力大于间歇反应器。29. 全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR 。特性物料在反应器内充分返混；反应器内各处物料参数均一，而且不随时间而改变；反应器的出口组成与器内物料组成相同；连续、稳定流动，是一定态过程。通常带有强烈搅拌的釜式反应器可以看作理想混合反应器VRA0CAC A0 x Av0rArA30. 多级理想混合反应器的计算31. 多级理想混合反应器图解法的计算过程32. 反应器热稳定性：指反应过程的放热或除热速率发生变化时，过程的温度等因素将产 生一系列的波动，当外扰消除后，过程能恢复到原来的操作状态，

11、则反应器具有热稳定性。33. 反应器热稳定性的扰动包括： a) 进料流量、组成、温度的波动 b) 反应温度、出口 温度的波动 c) 冷却剂温度、流量的波动34. 反应器具有热稳定性的条件：(1)稳态条件：Q C QT2)稳定条件 ：dQC dQTdT dTRT2E(t) NnvC(t)0 vC(t)dtTw 间的最大温差35. 反应物料温度 T 与冷介质意义在于 : T T TWE(1) 反应器内的温度与冷却剂的温度差必须小于RT2/E， 这是热稳定性的又一条件；(2) 反应的活化能越大，容许的冷却推动力越小，在总传热系数K 不变的 情况下所需的传热面积就越大36. 造成返混的主要原因是：(l

12、) 由于物料与流向相反的运动所造成。如理想混合反应器中由于搅拌作用所引起的物 料的倒流、错流、平推流反应器中的分子扩散、涡流扩散等；(2) 由于不均匀的速度分布所引起。如粘性流体在管式反应器中作层流流动时产生的不 均匀的速度分布所造成的返混；(3) 由于反应器结构所引起的死角、短路、沟流、旁路等。37. 停留时间分布函数 F(t) 在定常态下的连续流动系统中， 流过反应器的物料中停留时间小于某一时刻 t 的流体粒 子的分率，称为停留时间分布函数 ,也称为寿命分布函数，用 F(t) 表示记 N tF t t N38. 停留时间分布的密度函数 E(t)定义： 在定常态下的连续流动系统中， 相对于某

13、瞬间 t=0 流入反应器的流体， 在反应器出口 流体的质点中在器内停留了 t 与 t+dt 之间的流体的质点所占的分率应为 E(t)dt。39.停留时间分布函数F(t)与停留时间分布密度函数Ftt0 E(t)dtE(t) dFdt(t)当tF(t) 1E(t) 应具有归一性，即0 E t dt 1则 F(t) E(t)dt 1E(t) 的关系40.停留时间分布的测定方法：两种。41.停留时间分布的两种测定方法所测定的是哪种停留时间分布？42.停留时间分布的数字特征：数学期望平均停留时间，方差:描述停留时间分布的离散程度0 tE(t)dt00 tE(t)dt0 E(t)dt2 t20 (t )2

14、 E(t)dt0 E(t)dt0 (t ) E(t)dt220 t 2E(t)dt243. 方差表示的意义：t2 越小越接近平推流，当为平推流时，其值为 044. 无因次方差表示：22t2 越大越接近理想混合流当为理想混合流时,其值为 2220为平推流21为理想混合流021为非理想流动45. 在建立流动模型时通常采用下述四个步骤： （1.）通过冷态模型实验测定装置的停留时间分布； （2）.根据所得的有关 E（t）或 F（t）的结果通过合理的简化提出可能的流动模型，并根据停留 时间分布测定的实验数据来确定所提出的模型中所引入的模型参数；（3）.结合反应动力学数据通过模拟计算来预测反应结果；（4）

15、.通过一定规模的热模实验来验证模型的准确性。46.由此可见，当完全没有返混时，2 0当返混达到极大程度时，2 1当返混介于二者之间时，即非理想流动时， 2 介于 0 和 1 之间。用来判断反应器内的流型，并判断其偏离理想流动的程度。47. 非理想流动模型用来描述介于两种理想状况之间的流型，并通过对流型的描述，预计 在非理想流动状态下的反应结果。48. 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， 如多釜串联反 应器，分层的塔式反应器等。此模型只需一个参数来表示返混大小，故为单参数模型。当 N=1 时，多级混合釜模型的停留时间分布函数与CSTR 相同。当 N= 时，多级混合釜模

16、型的停留时间分布函数与PFR 相同。在 lN 时，多级混合釜模型的停留时间分布函数属非理想流动反应器。49. 多级混合槽模型的应用多个 CSTR 串联操作时， 当釜数由 1 增加到无限多个， 其停留 时间分布规律将按 CSTR非理想流动反应器 PFR 的停留时间分布规律变化。可将多级混合槽模型计算出的出口转化率视为与它有相同停留时间分布规律的非理想流动反应器的出口转化率，这种模型与原题之间的相互联系称等效关系多级串联 CSTR 与非理想流动反应器在停留时间分布规律等效时所需釜的数量48. 容积效率 与反应级数和转化率的关系( 1)零级反应时，反应速率只是温度的函数，而与浓度无关；因此1，两种反

17、应器的体积相同，反应器形式对反应速率没有影响。( 2)其他正级数反应的容积效率均小于1 。当转化率很小时，两种反应器的体积相差很小，即低转化率时流动形态对反应器的容 积效率影响小；随转化率的提高，容积效率越来越小，因此要求高转化率的反应不宜采用理想混合反 应器。(3)当转化率一定时，反应级数越高，容积效率越低，因此反应级数高的反应宜采用 平推流反应器。49. 连锁聚合反应特点：聚合反应可分为若干个基元反应，如链引发反应、链增长反应， 链终止反应和链转移反应等。50. 聚合动力学目标参数数均聚合度、 重均聚合度、 数均分子量、 重均分子量的表示方式。 Pnj PjPj (M0PM)j 2 j 2

18、 PPWj2 PjjPjj2 Pj (M0 M)j2 j 2 j2M n PnM 0M W PW M 051. 聚合度分布函数：数基分布、重基分布、瞬时数基分布、瞬时重基分布。Fn(j)PjPjFW(j)jPjjPjfn(j)rPj52.时聚合度：瞬时数均聚合度 pnrPj pnfW ( j)jrPjjrPjjfn(j)rMjrPjpnjr Pjj2pnrPjj2rMrP53. 瞬时聚合度与平均聚合度的关系M rMdtM0 dMM0 M M0Mxt PrP dt0 dPxM 0 dx0 p nM0x dx0 p nx1 dx 0 p nPn54. 数基聚合度分布因数 Fn（j） 与瞬时数基聚合

19、度分布函数 fn（j） 关系推导fn(j)rPjpnrPjrPrMFnPjPjPjPfn(j)rPjdPjrPdPPj 0 Pfn( j)dPFn j0 f0 j d PP M n x Pnjd P M 0 dx F jPn x fn jpmn x 0 p n55. 机械搅拌目的：混合、搅动、悬浮、分散等功能56. 搅拌反应器的作用：（1）推动液体流动，混匀物料。（2）产生剪切力，分散物料，并使之悬浮。（3）增加流体的湍动，以提高传热速率。（4）加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率。（5）在高粘体系，可以更新表面，促使低分子物（如水，单体、溶剂等 ）蒸出。57. 循环 流动： 流体以 大尺

20、寸 （凝集 流体、 气泡、液滴）在大范 围（整 个釜内 空间） 中的流动状况。包括：径向流动、 轴向流动、 切线流动剪 切 流动 ：流 体 以 小 尺 寸 （小气 泡 、液 滴分 散 成更 小 的 微 滴 ）在 小范 围 （气泡、液滴大小的空间 ）中的湍动状况。58. 搅拌 雷诺数的计算公式：59. 搅拌反应釜中挡板和导流筒的作用： a。涡流和旋转流变为垂直流动， 切向流动变为轴 向动、流径向流动；增大被搅拌液体的湍动程度、改善搅拌效果。b。可提高釜内流体的搅拌程度；加强桨叶对流体的直接剪切作用；造成一定的循环流型， 使釜内所有物料均可通过导流筒内的强烈混合区，提高混合效率； ）限定了循环路径

21、，减少 了短路机会60. 按桨叶构形分搅拌桨可分为：桨式、涡轮式（透平）、推进式（螺旋桨） 、螺杆（螺轴）螺带。61. 搅拌器选用应满足的要求： 1）保证物料的混合， 2）消耗最少的功率， 3）所需费用最低， 4）操作方便，易于制造和维修。62. 搅拌器的选用的原则： 1）均相液体的混合： 主要控制因素： 容积循环速率混合时间无 要求：任何搅拌器混合时间短：推进或涡轮 ，湍流加挡板。2）非均相液体的混合（分散操作） ：主要控制因素为容积循环速率和液滴大小（分散度） 合适的选择是涡轮桨叶有较大的剪切作用和容积循环速率3）固体悬浮：主要控制因素：容积循环速率和湍流强度，根据固体性质和含固量选用。固

22、体粒子大， 固液密度差大， 固/ 液小于 30%开 式 涡固体粒子小，固液密度差小， 固/ 液 60-90%平轮固液密度差小， 固/ 液小于 50%推进式 桨4）气体吸收和液相反应 主要控制因素：局部剪切作用，容积循环速率和高转速。选用类型：圆盘式涡轮5）高黏度体系 主要控制因素：容积循环速率和低转速。随着粘度的增大可依次选用下列搅拌器：透平、锚式、框式、螺杆、螺带、特殊型高粘度 搅拌器。63. 高黏度体系搅拌反应釜如何设置搅拌方式和操作流程。 有的聚合体系随反应进行，体系的粘度不断地增大，此时低粘度适用的搅拌器不能适应聚 合后期的高粘度操作，为了改善这一状况，可以采用： 1）变速搅拌装置，以适应不同阶段的搅拌要求， 2）多釜串联，每釜