聚合过程原理”习题

1、聚合过程原理 ”习题第二章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？2. 名词解释：返混 ; 微观混合 ; 宏观混合 ; 停留时间分布函数 ; 停留时间分布密度函数 ; 平均停留时间 ;有效 利用系数3. 理想反应器设计的基本原理是什么？4. 反应器的流动模型有哪些？各有何特点？5. 平推流及理想混合反应器的停留时间分布有何特点？6. 返混对简单反应、复杂反应和连串反应各有何影响？7. 描述连续式反应器的重要性质有哪些？8. 微观混合和宏观混合对理想混合反应器各有何影响？第三章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

2、积平均聚合度有何影 响？2. 在阳离子聚合中，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？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？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 ?第四章1. 非牛顿流体可分为几类？各有何主要特征？2. 影响高聚物剪切流动曲线的因素有哪些？3. 宾汉塑性流体为何具有屈服应力？4. 名词解释：入口效应；孔口膨大(Barns)效应;弹性回缩现象；法向应力效应；Toms效应5. 利用幂律模型如何计算流动行为指数n？6. 为何流体的假塑性行为只表现在某一剪切速率范围内？7. 指出下列体系可能属于哪种非牛顿

3、流体类型？高分子凝胶，饱和聚酯溶液，牙膏，聚丙烯熔体。8. 可采用哪些仪器和方法可测量非牛顿流体的流变特性 ?9. 试讨论高聚物的平均分子量及分子量分布对其剪切流动曲线的影响 .10. 为何胀塑性流体的粘度随剪切应力的增加而增大 ?第五章1. 工艺过程对搅拌的要求主要有哪几种 ?各起何作用 ?2. 漩涡对聚合过程有何影响？工业上可采取哪些措施消除搅拌所产生的漩涡？3. 说明 Navier-Stokes 方程式和无因次 Navier-Stokes 方程式中各项所代表的物理意义。4. 解释功率准数、无因次速度、泵送准数和无因次混合时间的物理意义。5. 工业上处理不相溶液体有哪些方法？各起何作用？6

4、. 在分散体系中 ,有哪些力作用于分散相 ?对分散相起什么作用 ?7. 在“混合和搅动”及“悬浮”类型的聚合体系中 ,搅拌任务的“尺度” 和“难度”各指什么 ?8. 表征搅拌器特性和行为的无因次准数有哪些?各与流体及搅拌器的什么特征有关 ?9. 搅拌器功率计算和压力计算的基础是什么 ?10. 什么是搅拌过程的混合时间 ?它与搅拌过程有何联系 ?11. 搅拌器的设计中主要应确定哪些参数 ?12. 在搅拌聚合釜的放大时 ,着重需考虑的问题是什么 ? “方次法则”中的指数有何意义 ?第六章1. 在聚合过程中 ,可采取哪些措施控制聚合反应所产生的热量?2. 说出搅拌聚合釜的几种传热方式和作用3. 可采

5、用那些方法提高总包传热系数 K 的值?4. 阐述搅拌分散过程和传质过程的关系 ,它们与搅拌器的设计有何联系 ?计算题1.有一反应，在一间歇反应器中进行， 经过8 min后, 求表达此反应的动力学方程式。反应物转化掉80%,经过18min后，转化掉90%。Xa1 ktCa01 - Xa1 0.8(kcA0 ) 8 min(kcA0)i8 min假设正确,一 jdt18 10.8 2_ 10.9_1一18 10.9 2动力学方程为N=22.反应 2H2 2NO N2 2H2O 反应级数。总压 kg / cm20.272半衰期 S 256，在恒容下用等摩尔H2和NO进行实验，测得以下数据：求此反应的

6、0.326 0.3811861150.4350.44310467n 1.2 -11 _0CA0k(n -1)n A.2-1ln t1 = In(1 - n) ln cA02 k(n -1)解：已知：50=晋=為即：In 打=k0(1 -n)ln p总In t1 In pA0作图为In t15.585.234.914.644.2In Pa0-4.3-4.11-3.96-3.83-3.61斜率 5.58 一4.22-4.3-(- 3.61)即:1 一 n =2 n =310截距=T1.42 In6.620.08206得 k =218(mol. I)2 s3.可逆一级液相反应 A p,以知CA0 =

7、0.5mol/l,Cp0 =0，当此反应在间歇反应器中进行时, 经过8min后，A的转化率是33.3%，而平衡转化率是 66.7%，求此反应的动力学方程式。4.三级气相反应2N0 -o2- 2NO2 ，在30 c及1 kg/cm2下，以知反应的速度常数 k0 =2.65 104l2/mol2 s，今若以_rA =kP pA2pB表示，反应速度常数kP应为何值?5.考虑反应A- 3P，其动力学方程式为 _rA =-(1/V)(dnA/dt) =k(nA/V)，试推导在恒容下以总压pt =pA 3( pA0 -Pa)即Pt 二 -2Pa-pA0dPt一2 dpAdtdtp表示的动力学方程。：(-r

8、A)1 dnAk比 - v dtV(A)dCA1 dpA1 dpA1dPt 十 nA dtRT dt2RT dt2RTdtV二 kcA 二 k巴RT得 dPt彳得2kpadt26.在700c及3kg/cm恒压下发生下列反应：C4H102C2H4 H2，反应开始时，系统中含有C4H10为116 kg,当反应完成50%时，丁烷分压以2.4Kg/cm2 s的速率发生变化，试求下列项次的变化速率：(1)乙烯分压；(2) H2的摩尔数；(3) 丁烷的摩尔分率。解：C4/10 T 2C2Ha 十 H2NtIB +C(a)乙烯的分压P=nRT,PV = nRTPjP n丹二(1 + 2Q=1.6(i7fiM

9、/5) dt(b) 112的摩尔数警一弩沖T)(c) 丁烷的摩尔分率7.在一等温操作的间歇反应器中进行某一级液相反应，13min后反应物转化掉70%。今若把此反应移至平推流反应器或全混流反应器中进行，为达到相同的转化率，所需的空时和空速各是多少？解：间歇反应器-1k=0.0926min7a-1oAKcoAc-Adxr7a I ooAc-平推流反应器Ca dCaT =07 dXAK(1-Xa)1=-inK全混流反应器=C A0X AT - 一ACA0X AKCa(1-Xa)1研-25.2min8.在555K及0.3MPa在平推流管式反应器中进行反应：A P,已知进料中含30% A （摩尔百分数）

10、，其余为惰性物料，加料流量为 6.3 mol/s，动力学方程式为A = k CA，为了达到95%转化率，试求：（1）所需空速为多少？ （2）反应器容积大小。解:CAo=-PY981 03 =0.019134mol/lRT 8.314 555Ca=/=晋役?Ca dCAA00.00191341舌乔 in 10-8.528s0.27Ca 0.270.019134V。卡CA06.3-0.019134 1033 =0.3293m /s3V= V 0T =0.3293 8.528=2.808mcA0dCACa0dCAP _cS(-J)-CA00.27ca1 ,Ca01, 11 ,1 一 /lnlnln=

11、11.1s0.27Ca0.271 Xa0.270.05V=0.09S4FA0 = Ft0 30% = 6.3 0.3 =1.89mol sCA0Pa0RT0.3 0.38.314 555=19.5mol m3 pVpT二 Fa0 -CA0= 1.89 111 = 1.076 m319.59. 液相反应A t P在一间歇反应器中进行，反应速度如下表所示：Ca mol/l0.10.2 0.3 0.4 0.5 0.60.7 0.8 1.0 1.32.0（-a） mol/l ?min 0.10.30.50.60.50.25 0.10.06 0.050.045 0.042（1）若CA0-1.3mol/l

12、，CAf -0.3mol/l，则反应时间为多少？（2）若在平推流反应器中进行，CA0-1.5mol/l，FA0-1000mol/hr，求Xa-0.80时所需反应器大小。 当CA0-1.2mol/l，FA0-1000mol/hr，Xa-0.75时，求所需的全混流釜式反应器大小。1(1)由cA(-rA)表作出cA曲线（-。）cA0 二 1.3mol L用梯形法cAf = 0.3mol L tBR(1) = 0.1 (0.5J 1 0.6 10.510.25J 0.1 J 0.06J -)2 21 1 1 1 _1 10.2 (0.060.05 )0.3 (0.050.045 )2 2= 12.7

13、mincA0 dcA=f cA (-a)用内插法：VpFAo15 dcA.05(-a)cA =1.05,(2)cA T.5,0.0520(22.22 - 20) = 20 0.167 2.22 二 20.37(6)0.3=22.22 竺(23.8 - 22.22) = 22.67(-5)0.7 梯形法:Vp _ 1Fa。2(1.3 -1.05)(20.37 22.22)1 0.2 (22.22 22.67) = 9.81 min L mol2FA01000 60Vp =9.81 A0 =9.81109cA01 .2cA0(1-xa) =1.2(1 - 0.75) =0.3mol l(3)cAf

14、V _ cA0FA0cA0( _rA) f1.2 0.5Ca0.10.20.30.4050.60.70.81.01.32.0(-a)0.10.30.50.60.50.250.10.060.050.0450.0421103.3321.67241016.672022.2223.8(-a)cAf 二 cA0(1-xA) =1.5 (1-0.3) = 1.05mol LV =1.5 1000 =25L6010. 均相气相反应 A T 3P,服从二级反应动力学。在 0.5 MPa、350C和V。= 4 m3/hr下，采用一个2.5 cm 内径、2 m长的实验反应器，能获得 60%转化率。为了设计工业规模

15、反应器，当处理量为320 m3/hr，进料中含50%惰性物料时，在2.5 MPa和350 C下反应，为了获得 80%转化率，（1）需用2.5 cm内径、2 m长 的管子多少根？（ 2）这些管子应以平行或串联联结？假设流动状况为平推流，忽略压降，反应气体符合理想气体行为。11. 丙烷热裂解为乙烯的反应可表示为 C3H 8 t C2H4+CH4 (忽略副反应),在772 C等温反应时，动力学方 程式为 _dpA/dt =kpA，其中 k=0.4 hr-1。若系统保持恒压，P=0.1MPa, V0=800 l/hr ( 772C, O.IMPa), 求当Xa=0.5时，所需反应器体积。解：恒压变容反

16、应CA0paR厂845刁.5 m3Vp=CA0V0xa dXA)(-Xa)PA1 Xa5=dpA1(1 Xa)(1Xa) 1 dxA頁二 pA0(2)dpA 二dT _(1 Xa)21 - XA2 亠=_kp kpA0 (1+xa) dt1+XadxAdt即.些dt(-rA)kk2= 2(1-Xa)(1Xa) =2(1)CA0 dxA1xA dtCA0(XA)VpXadxA2( Xa)k 1 - Xa令66Vp= 3.466 0.8 = 2.77m312. 理想气体分解反应 Atp+s,在初始温度为 348K、压力为0.5MPa，反应器容积为 0.25M3下进行，反 应的热效应在348K时为-

17、5815J/mol，假定各物料的比热在反应过程中恒定不便，且分别为CPA=126J/mol?K，Cpp=Cps=105J/mol ?K ;反应速度常数如下表所示：试计算在绝热情况下达到90%转化率所需的时间。T，K3453503553603651K，hr12.333.284.617.209.41T/K345350355360365k /h-12.333.284.617.209.41试计算在绝热情况下达到 90 %转化率所需的时间。 解：T345350355360365k2.333.284.617.209.40X1%0.0028990.0028570.0028170.0027780.002740

18、yiln k0.84591.1881.5281.9742.242E k = ko e RtIn k = In k0作图得截距2.242-.8459= 8780.5R 0.00274-0.002899Ek =8780.5In k。= E 1 s k =8780.5 0.002817 1.5 二 26.32 R T11.k。=2.90 10用最小二乘法2, E 丫正 Xi E Xi/E XiIn k2厂m送 Xi (送 Xi) yi -7.7779 Xi -0.0140915 Xi -3.9727 10 xiyi =0.021778,7.7779x3.9727x10-0.014091x0.0217

19、78ln 心525汉 3.972710(0.014091)2二 26.9164k0 = 4.894 1011E m Xiyiy, x2 2R m x _( 托)_ 5 0.021778 -7.7779 0.014091-5 3.9727 10 “ -0.0140912-8998.96 二-9000E =9000R恒容反应t(-：H a ) = ( - : H A)348T LcpdtT0t= 5815 匕(2x105 126)dt= 5815-84T 84 348-35047 - 84T由热量恒算式dxA (- Ha)二 ntCvdt = n(1XA)qdt5 =Cp - R *aCpaypC

20、ppysCps - RyA =1 XaXa1XaysXa1XaCpA (CpA Cps Cps)，Xa cvR1 Xa(1 Xa) Cv 二 126 叫-8.34(1 Xa)1 Xa117.7 75.7xadxA_ dT117.7 75.7xa35047 -84T:(+117.7、广 1 ；( T. ln(XA75.7)0 = 84 _(ln(xA 1.5548) -ln 1.5548184-ln( Xa1)=1 n(6.027 - T75.71.5548以而175.7175.784Xa3504、 T)i84348ln(417.2-T)-In 69.22】69.22)八 A4 11T(A 1)

21、=6.027 _1.554869.221.5548111T =417.22 -69.22()1.111.5548+ xAXao6一一XAOxAdxA0 kexp(E R 1 T)(1Xa)Xa00.10.20.30.40.50.60.70.80.9t348352.63356.91360.31363.53366.43369.04371.4373.56375.53I(x)0.34840.27570.22840.20570.19230.18980.19940.22770.29690.5234用梯形求积分令 I(X)kexp(-E R1T)(1-Xa)0.9 dXA0 K二 I8)=0.仆(.3484

22、；.5234+Ij二 0.2252hr13. 一级反应AtP,在一体积为 Vp的平推流反应器中进行，已知进料温度为150C，活化能为 84kJ/mol，今如改用全混流反应器，其所需体积为 Vm，则Vm/V p应为如何？若转化率分别为 0.6和0.9,如要使Vm=vP，反应温度应如何变化？如反应级数分别为n=2，1/2，-1时，全混流反应器的体积将如何变化？解：平推流反应器n=1全混流反应器Vp-V0VA0XadXA)K(Cao(1-Xa)VoKln11 - Xan=2VpVmVmVpVm=VCao-VoC ao-VoCaoXaKCao(1-Xa)VoXaK 1-Xan=2Vp=VoCaO1 -

23、 X AXaXalndXAo2 AKcXaVoXa-Xa)2KCao1XaKVa1(1 -Xa)2VoXaKCao (Xa)VpVP“XaXadXA1kc：2(i Xa)21_ VoC Ao_ K1dX a2VoC2oKXa01-Xa(1-1- XaXadXAn=-1 Vp =V0CA0 11p ，0 KCa0(1_Xa)V0CA0Xa0(1_XA)dXAV0CA0K (Xa冷xA)Vm =V Ca0XaVC：1 1KCa0(1 -Xa)Xa(1 -Xa)Vm1冷Xa1 -Xa平推流反应器VoVP =爲1 -XaVp丄In丄K1501 Xx1 XaKt 1-Xa全混流反应器V。XaKT 1 - XaXa=0.6 -lnK1500.4 Kt0.6Kt= 1.637 二 e晟爲84 103 11e 8.314 T 為 =e二 1.6371-0.6K150T=423K=159CXa=0.910.9InK1501-0.9 KT 1-0.90 = 3.90865= e &314 T 423K15084 103 11-77 ( )-=3.908651423 =1 3492410/T=44.86K=175.6 CT14. 某一反应，在间歇反应釜中进行实验测定，得到如下数据：试预测：（1 ）三