聚合反应工程基础复习提纲.doc

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: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. 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： 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， 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： 反应器内物料浓度和温度是均一的，等于出口流体组成 物料质点在反应器内停留时间有长有短 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?由于物料与流向相反运动所造成,由于不均匀的速度分布所引起的,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？ 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 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 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时，F（t）=1；t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n1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？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14. 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 15. 实现反应器的热稳定操作需满足哪些条件? Qr=Qc, 体系放出热量; Qr dQc/dTdQr/dT, 除热量; Qc T=T-TwMc,黏度急剧增加，为非牛顿流体:MMc 为牛顿流体; 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.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? 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的液体搅拌;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. 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 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 0.10.3313.何为颗粒雷诺数?其在不同的范围时,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 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 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?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