聚合反应工程复习习题
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。
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，应用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、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
7.
基元反应：如果反应物分子按化学反应式在碰撞中一步直接转化为生成物分子，则称该反应为基元反应。 8.
反应速率常数k 随温度的变化关系（阿累尼乌斯方程）
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，用于连续流动反应器，指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。
10．空间时间τ（空时） 其定义为反应器有效容积V R 与流体特征体积流率 之比值。即
11.
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：⑴各物料微元在反应器的停留时间不相同⑵物料充分混合，返混最严重 ⑶反应器中各点物料组成和温度相同，不随时间变化 ⑷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.
物料A 的转化率 15.
一级不可逆反应
16.
二级不可逆反应（等温恒容）
dt
dCi r ±=1e
RT
E A k /0-=V t v ==
反应器容积
反应器中物料的体积流量0v 0
R
v V =τ0
000
A A
A A A A A C C C n n n x -=-=A A A A kC dt dC dt dn V r =-=-=1A A C C k t 0ln 1=???? ??-=A x k t 11ln 1B
A A A C kC dt
dC r =-
=()
A k
k r x C C
A A
A
-==1220
2A
A A A A A
A C C C C x x C kt 00011-=???? ??-=
17. 一级可逆反应
18.
平行反应：
19.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：
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）＝0 21. 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
24.
二级不可逆反应
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。
= －－ R A A A C k C k dt
dC
r 21-=-=()?
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A C C C C t k k 021ln Ae
Ae A C C C K k k -==021
A A A A A C k k C k C k dt
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210
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S S C k dt
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A r dC t 0)1(0A A A A x kC kC r -==222)1(0A A A x kC kC r A -==)1(1)1(00220000A A A x A
A A A x A A A x C x k x kC dx C r dx C t A A -=-==?
?
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；
3.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ν0，求出反应器的有效体积VR= ν0× t 生
5.由反应器装料系数φ求出反应器实际体积 V = VR / φ 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
物料衡算式为：
28.
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①物料在反应器内充分返混；②反应器内各处物料参数均一，而且不随时间而改变；③反应器的出口组成与器内物料组成相同；④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 dV r dF F F A A A A ?++=)(()[]A
A A A A dx F x F d dF 001-=-=dV
r dx F A A A =0()
A A A x F F -=10Θ()
?
-=A
A A A0r d x r x c t 积分：
??
=Af
x A
A V
A r dx F dV
00
0?=Af x A
A A r dx F V 0
0因为：
00A A C F ?=
ν?=Af x A
A
A r dx C v V 0000
v V
=
τ?==
Af x A
A
A r dx C v V 000τA
A A A A A R r x C r C C v V
000=
-==τ
30.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，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：
（2）稳定条件：
35.
反应物料温度T 与冷介质Tw 间的最大温差 意义在于: (1)反应器内的温度与冷却剂的温度差必须小于RT 2/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)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 38.
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 。
E(t)应具有归一性，即
39.停留时间分布函数F(t)与停留时间分布密度函数E(t)的关系
()?=t
dt
t E t F 0
)(dt
t dF t E )()(=
1
)()(0
==?∞dt t E t F 当 ∞
=t 1
)(=t F 则
T
C Q Q =dT dQ dT dQ T
C >
E
RT T T T W 2
<
-=?()∞=N N
t F t
?
∞==0
)()
()(dt t vC t vC N n t E ()1
d 0
=?
∞t t E
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
43. 方差表示的意义： 越小越接近平推流，当为平推流时，其值为0 越大越接近理想混合流当为理想混合流时,其值为τ2
44.
无因次方差表示：
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）.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， 当返混达到极大程度时， 当返混介于二者之间时，即非理想流动时， 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，多级混合釜模型的停留时间分布函数与PFR 相同。
在l 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 ? ? ?∞∞∞ ==000 )()()(dt t tE dt t E dt t tE τ? ? ∞ ∞ -=0 022)()()(dt t E dt t E t t τσ20 220)()()(ττ-=-=? ?∞ ∞dt t E t dt t E t 2t σ2t σ2 22 τσσt =02=σ12 =σ102<<σ为平推流 为非理想流动 为理想混合流 0 2 θ=σ1 2 θ=σ2θσ 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η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η＝1，两种反应器的体积相同，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。 51. 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。 瞬 52. 时聚合度： 瞬时数均聚合度 53. 瞬时聚合度与平均聚合度的关系 2 2 21t N στσθ==[][]][]) []([02 2P M M P P j P j j j j n -= =∑∑∞ =∞=[][][]]) []([022222M M P j P j P j P j j j j j j W -==∑∑∑∞ =∞=∞=0M M P n n =0 M P M W W =∑ =] [] [)(j j n P P j F ∑=][][)(j j W P j P j j F M n P P P n r p r r r j f j j j ?==∑)(n n M P P P W p j jf r jr jr jr j f j j j ) ()(===∑P M j Pj j Pj n r r r jr p ==∑∑∞=∞ =2 2 n p dx p x p dx M M M p dx M M M P d M d dt r dt r P x n x n x n P M M t P t M n ???????=-=-=-==00 00000][0][][00 1][][][][][][][][0 54. 数基聚合度分布因数Fn(j) 与瞬时数基聚合度分布函数fn(j) 关系推导 55. 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，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。 M n Pj n M Pj P Pj Pj Pj n r p r p r r r r r r j f = = = = ∑)(()[][][][] P P P P j F j j j n == ∑] [][)(P d P d r r j f j P Pj n = = ] [)(][] [0 P d j f P P n j ?=()[][] ()[] () [] P P d j f P P j F P j n ?= =0 0[][]nj n P x M P =[][]m p dx M P d 0= ()()dx p j f x P j F x n n n n ? =0 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，每釜按不同粘度设置合适的搅拌器及操作条件。 64. 搅拌功率包括：搅拌器所消耗的能量（搅拌器轴功率 ）；搅拌轴封所消耗的能量；机械传动所消耗的能量。 65 计算搅拌功率的目的：1）衡量搅拌强度的主要物理量；2）搅拌器机械设计的基本数据；3）选择电机的依据 66. 功率相关的变量：搅拌器的转数N ；液体密度ρ；液体黏度μ；重力加速度g 。 67. 搅拌功率计算的基础：功率准数、雷诺准数及弗鲁德准数。 ； 68. 非牛顿流体的搅拌功率计算方法：利用表观粘度法μa 代替牛顿流体的粘度μ，计算雷诺数；可用牛顿流体的关联式、线图查取系数，计算搅拌功率。 69. 分散的定义：较大的液滴分散成两个以上的液滴叫分散。 推动力：作用于液滴的剪切应力。 阻力：界面张力，液滴内的粘性力。 70. 合并的分类：布朗运动引起的合并；层流速度差引起的合并；湍流引起的合并； 71. 悬浮聚合粒径和粒径分布影响因素：分散剂性质、分散剂用量、搅拌强度。 72. 档扳对粒径的影响: 无档扳时粒径分布变宽;有档扳时分布变窄. 有档板时表面的釜内逸出能分布均匀. 73. 提高传热速率方法：提高传热系数、增加传热面积、降低水温 74. 搅拌反应釜影响传热速率的因素：釜内流体与热载体的温差、传热面积、传热系数。 75. 影响传热系数的因素：物料的性质；搅拌的条件；夹套内水流的情况和水温；釜壁材质和粘釜物；水垢的沉积。 76. 搅拌反应釜传热装置夹套、内冷件、回流冷凝器、体外循环冷却器。 固体粒子大，固液密度差大，固/液小于30% 开式涡轮 固体粒子小，固液密度差小，固/液60-90% 平桨 固液密度差小，固/液小于50% 推进式 77. 反应釜夹套传热的方式有几种？空心夹套、扰流喷咀夹套、螺旋导流板夹套、半管夹套、内部夹套。 78. 反应釜传热内冷件种类：蛇管、内冷挡板、D型内冷管、发卡型内冷管、内冷管束 79. 强制对流传热的无因次准数关联式：