聚合反应工程基础课后习题答案

1第二章化学反应工程基础1.说明聚合反应工程的研究内容及其重要性。研究内容：①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；②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；③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①提供反应物料进行反应所需容积，保证设备一定生产能力；②具有足够传热面积；③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①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）②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=05.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：η=Vp/Vm=τp/τm。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？①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；②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？①Qr=Qc，Qr体系放出热量；②②dQc/dTdQr/dT，Qc除热量；③③△T=T-TwRT2/E，E反应活化能，T反应器温度，Tw冷却液温度8.何为返混？形成返混的主要原因有哪些？返混：指反应器中不同年龄的流体微元间的混合；原因：①由于物料与流向相反运动所造成，②②由于不均匀的速度分布所引起的，③由于反应器结构所引起死角、短路、沟流、旁路等。29.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10.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返混与之相适应。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。第四章化工流变学基础1.简述流变学及其研究内容？流变学就是研究物质的变形和流动科学，其任务是使物质所具有多杂变形或流动现象更明确化、系统化、定量化、进一步把产生现象的机理上升到分子水平。2.流体分类按流体力学观点：分为理想流体和实际流体两大类。理想流体又称为无黏性流体，实际流体又称黏性流体，又可分为牛顿流体与非牛顿流体。3.何为牛顿流体，非牛顿流体？非牛顿流体又有哪些类型？流动曲线通过坐标原点的一直线的流体称为牛顿流体；凡流动曲线不是直线或虽为直线但不通过坐标原点的流体称为非牛顿流体。非牛顿流体分为三大类：非依时性（假塑性、胀塑性、宾汉流体）；依时性（触变性、震凝性）；粘弹性流体（入口效应、弹性回缩、爬杆效应、***）4.高分子流体为什么多属于假塑性流体大分子链的取向原因，大分子链为无规线团，彼此缠结，对流动阻力大，表现出较大的黏度。当流动而受较大剪切作用时卷曲缠结的大分子结构被拉直取向，伸直后大分子在液体层间传递动量作用较原来小，因而随γ增加，表现出η减小，因此多属于假塑性流体。5.为什么触变性流体和震凝性流体有特殊的流变行为？由于在一定剪切条件下，流体的结构随时间而受到逐步破坏，受破坏结构在剪切作用停止作用后又可以恢复，体现出独特流动行为。6.一般对于涂料类流体希望其具有何种流动特性，为什么？一般希望具有触变性。因为触变性可使涂料在受外力作用下变成易流动的液体，而当外力消失后又很快恢复到高黏性不流动状态，这样易于涂刷而又能保持涂刷后不流动，尤其适用于垂直面上的涂刷。7.影响高分子流体流变行为的主要因素有哪些？如何对这些影响进行理论分析影响主要因素有高聚物平均分子量、分子量分布、压力、温度、以及溶液浓度。①存在一临界分子量Mc，MMc，黏度急剧增加：MMc为牛顿流体；MMc为非牛顿流体3②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。③温度：温度增加，黏度η下降。对于柔性，温度对其影响不大，链段运动易，活化能小。④浓度：聚合物溶液浓度增加，溶液黏度η0增加。临界浓度Cc，当CCc为牛顿性流体CCc，为非牛顿流体，假塑性。⑤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/r8.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τ/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η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？①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η为0.1-102Pa·s液体搅拌；锚式、框式对高η液体。②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，4适用于液体η低，液量大液体搅拌。剪切作用不大，循环性能好。③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。④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.Nre》1000: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512.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=0.2~~0.8平桨0.5~~0.83涡轮0.33~~0.4推进式0.1~~0.3313.何为颗粒雷诺数？骑在不同的范围时，密度差如何计算NRe(p)=(dp·ut·ρ)/μNRe(p)0.3层流103湍流密度差：（ρp-ρ）/μ（层流）(ρp-ρ)/ρ（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、ρ、μ、g)搅拌功率准数：Np=P/（ρN3p5），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=KNRe-1湍流区：P=KρN3D5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5~10℃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(ti—t0)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/αi+1/α0+ξδ/λ，αi、α0釜内外壁传热同类系数ξδ/λ:导热部分总热阻δ：厚度λ：导热系数6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αi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α0ξδ/λ减小：λ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