聚合反应工程基础

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=0 5. 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；②dQc/dT>dQr/dT，Qc 除热量；③△T=T-Tw

/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，②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。

9. 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0.1-102

Pa ·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，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？

满足：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/排出流量数？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.聚合反应的搅拌级别一般分为几个等级 P164 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=0.2~~0.8 平桨 0.5~~0.83 涡轮 0.33~~0.4 推进式 0.1~~0.33

13. 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。 14.层流和湍流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 ）， NFr=DN2/g：搅拌弗鲁德准数 功率函数φ=Np/NFr =f（NRe ） 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=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 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α0 ξδ/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、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

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，不论反应机理如何，若工业反应器中速度分布、浓度分布，温度分布和停留时间分布均与反应器相同，两者反应后果也必然相同

四种分布并非独立，相互呈复杂制约关系，找出对反应后果影响最大的关键混合参数及其适应的范围，并以此混合物参数作为放大准则

3. 如何理解和应用相似放大？

相似放大着眼于如何在工业反应器中复现模拟反应器结果。相似放大应用于搅拌聚合釜. 1.搅拌设备传热放大可分为 按动力相似放大，按传热系数相等放大、按单位体积传热速率不变放大、按搅拌聚合釜搅拌放大。

4. 搅拌釜传热可采用哪几种方法放大 ？

动力相似，叶端速度相等，给热系数相等，单位体积输入搅拌功相等，单位体积传热速率不变，总传热系数K 放大