聚合反应工程复习题.doc

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《聚合反应工程》复习题

名词解释
◆间歇反应器
◆理想混合反应器
◆有效容积
◆容积效率
◆返混
◆流体微元
◆宏观混合
◆表观粘度
◆轴功率
◆线性放大比
◆流况
◆全挡板条件
◆泵送量
◆反应器的热稳定性
◆假塑性流体
判断
◆间歇反应器和平推流反应器的基本设计方程相同,所以二者的实际生产能力也相同。（ ）
◆对二级反应rA=kCA2，为完成一定的生产任务，平推流反应器比多级串联理想混合反应器所需体积小。（ ）
◆理想混合反应器在热稳定操作点,其放热线斜率小于移热线斜率。（ ）
◆在一连续操作搅拌釜中进行自由基聚合，为了使产物的聚合度分布较窄，应尽量达到宏观混合。（ ）
◆在间歇反应器中进行自由基聚合，产物的瞬时聚合度与累积聚合度相同。（ ）
◆多级串联理想混合反应器，串联级数越多，其停留时间分布越接近平推流反应器。（ ）
◆搅拌釜内流体产生的旋涡是径向流况。（ ）
◆搅拌高粘度流体宜选用推进式搅拌器。（ ）
◆在间歇反应器中进行自由基聚合，产物的瞬时聚合度与累积聚合度相同。（ ）
◆对二级反应rA=kCA2，为完成一定的生产任务，
平推流反应器比多级串联理想混合反应器所需体积小（ ）；
单级理想混合反应器比多级串联理想混合反应器所需体积大（ ）。
◆普遍的物料衡算式包括四项 ：
流入速度 = 流出速度 + 反应掉的速度 + 累积速度
对间歇反应器，只有反应掉的速度 = -累积速度；（ ）
对连续流动反应器，稳态操作时，只有流入速度 = 流出速度。（ ）
◆用脉冲法测定反应器停留时间分布。即在极短时间，向稳定流动流体中加入一定量示踪剂，同时计时，并
不断分析出口处示踪剂浓度，用C/C0对t作图，可得到停留时间分布函数F（t）。（ ）
◆多级串联理想混合反应器的模型参数N，代表该模型由N个等容理想混合反应器串联，N只能是整数
（ ）
◆在间歇反应器中进行自由基聚合，产物的聚合度分布窄，（ ）
在理想混合反应器中进行缩聚反应，产物的聚合度分布窄。（ ）
◆高聚物溶液或熔体多为假塑性流体，其在圆管中流动时的流速分布比小分子牛顿流体不均匀（ ）。
◆三种连续操作反应器：理想混合反应器，平推流反应器，多级串联理想混合反应器
其中返混程度最小的是多级串联理想混合反应器，（ ）
返混程度最大的是理想混合反应器。（ ）

选择题
◆普遍的物料衡算式包括四项 ：
流入速度 = 流出速度 + 反应掉的速度 + 累积速度
在间歇反应器中进行化学反应，只有（ ），
在连续流动反应器中进行化学反应，稳态操作时，只有（ ），
对连续流动反应器进行停留时间分布测定，则只有（ ）。
A、流入速度 = 流出速度
B、流入速度 = 流出速度 + 反应掉的速度
C、反应掉的速度 = -累积速度
D、流入速度 = 流出速度 + 累积速度
◆对二级反应rA=kCA2，为完成一定的生产任务，所需反应器体积最小的是（ ），
最大的是（ ）。
A、间歇反应器，
B、单级理想混合反应器，
C、多级串联理想混合反应器
◆多级串联理想混合反应器，串联级数越多，其停留时间分布越接近（ ）。
A、理想混合反应器，
B、平推流反应器
◆增加搅拌强度；减少釜串联级数，可以（ ）
A、加强返混，
B、减少返混
◆在某反应器中进行自由基聚合，产物的瞬时聚合度与累积聚合度相同，该反应器是（ ）。
A、间歇反应器，
B、平推流反应器，
C、理想混合反应器
◆在（ ）中进行自由基聚合，产物的聚合度分布窄，
在（ ）中进行缩聚反应，产物的聚合度分布窄。
A、间歇反应器，
B、理想混合反应器，
C、多级串联理想混合反应器
◆高聚物溶液或熔体多为假塑性流体，其在圆管中流动时的流速分布比小分子牛顿流体（ ）。
A、均匀，
B、不均匀，
C、相同
◆搅拌釜内流体产生的旋涡是（ ）流况。
A、轴向，
B、径向，
C、切向
◆搅拌高粘度流体宜选用（ ）搅拌器。
A、推进式
B、螺带式，
C、透平式
◆在一连续操作搅拌釜中进行自由基聚合，为了使产物的聚合度分布较窄，应尽量达到（ ）混合。
A、宏观 ，
B、微观
◆三种连续操作反应器：
A、理想混合反应器，B、平推流反应器，C、多级串联理想混合反应器，
其中返混程度最小的是（ ），返混程度最大的是（ ）。
◆剪切作用小，以容积循环流动为主的搅拌器是（ ）。
A、推进式 B、桨式
◆反应物料在反应器内的停留时间分布和浓度变化经历都影响聚合产物的分子量分布宽窄。
（ ），浓度变化影响大，在理想混合反应器中分子量分布窄；
（ ），停留时间分布影响大，在间歇反应器、平推流反应器中分子量分布窄。
A、活性链寿命短， B、活性链寿命长
简答题
◆搅拌反应釜放大时，能同时实现剪切力、单位体积消耗功率、给热系数在大小反应器中相等吗？为什么？
◆简述怎样通过测定停留时间分布数据，得到不易精确测定的工业反应器的有效体积VR
◆自由基聚合需要考虑瞬时聚合度及分布，还要考虑累积聚合度及分布。缩聚反应为什么只考虑累积聚合
度及分布而不考虑瞬时聚合度及分布？
◆写出下面几个准数的表达式，其代表什么特性？在工程计算中的用处。
NRE NP Nqd
◆在计算悬浮搅动型搅拌的转速时，需求得设计沉降速度Ud，请简述得到Ud的步骤。
◆什么是返混？如何反映反应器中返混程度的大小？
◆与理想模型中的平推流反应器和全混流反应器相比，实际反应器的返混程度如何？通常采用什么样的模型
来替代计算？
◆在一个理想混合搅拌釜中分别进行二种化学反应，A为一级反应；B为二级反应。发现搅拌激烈程度对其
中一个反应的转化率有影响，而对另一个反应无影响。问：有影响的是哪个反应？为什么？
◆为什么在全混釜和间歇釜中进行自由基聚合和缩聚反应，产物聚合度分布宽窄相反？
◆在强力搅拌下，瞬时能否达到微观混合？为什么？
◆可以通过怎么样的计算来判断搅拌桨的桨叶是循环型的还是剪切型的？
◆若要减少反应器中的返混，可采取哪些措施？
◆对实际连续反应器进行计算时，常采用多级串联理想混合反应器模型替代，如何确定多级串联理想混合
反应器模型的串联级数N？
◆打漩现象有何危害？如何消除？
◆搅拌釜完成混合搅动靠搅拌桨的泵送能力，若知道釜径和工艺要求的搅拌级别，如何计算泵送量？
◆本书雷诺数有下面四种表达式，各用于何种计算
NRe =ρND2/μ
NRe（n） =ρND2/μa
NRe （p） =dpUtρ/μ
NRe =Deρ（U0Ua）0.5/μ
◆搅拌器的剪切力大小与桨叶端速ND有关；搅拌器的循环能力与ND3成正比。N和D在一定范围内变化，
即采用较大桨径D较慢转速N，或采用较小桨径D较快转速N都可满足工艺要求，怎样选择有利？
计算题
◆一个反应器以脉冲输入法测得连续输出示踪剂浓度数据如下：
　　　　时间（分） 0 3 6 9 12 15 18 21
　　　出口浓度（mol/l） 0 3 5 5 4 2 1 0
计算该反应器的平均停留时间τ ； 方差σt2 ； 无因次方差σ2 ；
计算该反应器相当于多少个全混釜串联？

解： τ= [ΣtE(t)] /ΣE(t) = [ΣtC] / ΣC
= (3×3 + 6×5 + 9×5 + 12×4 + 15×2 + 18×1)/(3+5+5+4+2+1)
= 9 (min)
σt2=[Σt2E(t)] /ΣE(t)－τ2 = [Σt2C] / ΣC－τ2
= (32×3 + 62×5 + 92×5 + 122×4 + 152×2 + 182×1)/(3+5+5+4+2+1)－92 = 17.1
σ2 =σt2 /τ2 = 17.1 / 92 = 0.211
N = 1 /σ2 = 1 / 0.211 = 4.74
答：该反应器相当于4.74个全混釜串联.

◆甲基丙烯酸甲酯用AIBN引发在60℃下本体聚合,已知Kd=1.16×10-5秒,f=0.52,Kp=367 l/mol.S, Kt=0.93×107 l/mol.S, 双基歧化终止。若引发剂浓度[I]=3×10-3 mol/l （可在反应过程中视为常数）。
求：⑴用间歇操作预聚到转化率10%所需时间
⑵在连续操作搅拌釜中以30 l/min流速进料，达10%转化率所需釜有效体积

解： ⑴ t = -ln（1-X）Kt 1/2/（2fKd [I] Kp ）
= -ln（1-0.1）×(0.93×107)1/2/（2×0.52×1.16×10-5×3×10-3×367）
= 4602 S
= 76.7 min
⑵τ= X /[ Kp(2fKd[I]/Kt)1/2(1-X)]
= 4853 S =80.9 min
VR = V0τ
= 80.9×30 =2427 L

◆在一个间歇釜中进行自由基聚合，假设：反应恒容、稳态条件成立 、无链转移、偶合终止。Kd = 2×10-6 ,
f = 0.8 , [I]= 0.01 mol/l , kp = 176 l/mol.s, ktc = 7.2×107 l/mol.s,[M0]=5mol/l
求：①转化率为50%时的瞬时数均聚合度pn；
②在此瞬时生成的聚合物中，聚合度等于pnn的分子所占的数量分数；
③在转化率从0到50%间生成聚合物的累积数均聚合度Pn和累积重均聚合度Pw
④若聚合反应改在理想混合反应器中进行，其它条件不变，生成聚合物的累积数均聚合度Pn和累积重
均聚合度Pw为多少？
解： 2 f kd [I] = ktc [P·]2
[P·] = ( 2 f kd [I] / ktc)1/2= (2×0.8×2×10-6×0.01/7.2×107)1/2 = 2.108×10-8 mol/l
υ0 = kp [M]0 / (kt [P·]) = 176×5 / (7.2×107×2.108×10-8) = 580
υ=υ0(1-X) = 580×0.5 = 290
①　　Pn= 2υ= 290×2 = 580
②　　Fn (j) = j /υ2 exp (-j /υ) Fn(580) = 580/290 2 exp (-580 / 290) = 9.3×10-4
③Pn = X /∫X0 dx / pn = X /∫X0 dx / [2υ0（1－X）]
= 2υ0 X /∫X0 dx / [－d（1－X）/（1－X） ]= 2υ0 X /－ln（1－X）
= 2×580×0.5/—ln0.5 = 836.8
Pw = 1/X /∫X0 pw dx = 1/0.5 /∫X0 3υ0（1－X）dX︳
=3×580/0.5(X－X2/2)︱ X0
= 3×580/0.5(0.5－0.125)
= 1305
④ 理想混合Pn = pn = 580

◆在间歇釜中用H2N（CH2）5COOH缩聚制备尼龙-6，反应结束后测得反应程度P=0。99，
⑴ 求数均聚合度Pn，重均聚合度PW ，分子量分布指数D
⑵ 若该聚合反应改用连续操作的理想混合反应器进行,反应程度保持不变, 数均聚合度Pn，重均聚合度PW ，分子量分布指数D为多少?
⑶ 尼龙-6常用来制作成锦纶纤维,纺丝要求聚合物分子量分布尽可能窄, 在哪个反应器中制得的尼龙-6更适合?
⑷ 若工艺要求尼龙-6制备采用连续操作,要提供适合纺丝的尼龙-6树脂, 应如何设计反应器?
解: ⑴ Pn= 1 / (1－P) =1 / (1－0.99) = 100
PW = (1＋P) / (1－P) = (1+0.99) / (1－0.99) = 199
D = PW / Pn =1+P =1+0.99 = 1.99
⑵ Pn= 1 / (1－P) =1 / (1－0.99) = 100
PW = (1＋P2) / (1－P)2 = (1+0.992) / (1－0.99)2 = 19801
D = PW / Pn =19801/100 = 198.01
⑶ ∵间歇釜D＜＜理想混合反应器D , ∴ 在间歇釜中中制得的尼龙-6更适合纺丝
⑷ 若需连续操作, 反应器应采用多级串联.

◆标准釜直径T=3m ，搅拌器直径D=1 m ，无挡板，采用六叶园盘平直叶搅拌桨，D：L：b=20:5:4, 流体密度ρ=1200Kg/m3,　粘度μ =60CP , 搅拌转数N=60 rpm, 求搅拌功率P
解：NRe = ρND2 / μ = 1200×1×1/0.06 = 2×104
NRe ＞300　无挡板
查表得 α=1, β=40
q = (α－lg NRe ) /β=( 1－lg20000) / 40 = －0.0825
NFr = DN2 / g = 1×12 / 9.81 = 0.102
NFrq = 0.102-0.0825 = 1.207
由图查得φ=1.2
Np = φ NFrq = 1.2×1.207 = 1.45
P = NpρN3D5 = 1.45×1200×13×15 = 1730 W = 1.73 KW

◆年产1000吨顺丁胶反应釜，已知釜体积 V1 = 1.5 m3,釜径 T1 = 0.9 m,螺带式搅拌,浆径 D1 = 0.9 m, 转数N1 = 100 rpm,实际消耗功率P1 = 5.57 KW,釜内壁传热系数α1 = 50 Kcal/hm2℃,要采用相似放大法扩大为年产10000吨规模, V2 = 12 m3，b=0.5，按单位体积功不变( P/V = 常数 )放大,求放大后的反应釜径 T2、搅拌浆径 D2、搅拌转数 N2、消耗功率 P2、釜内壁传热系数 α2
解：V2/V1=12/1.5=8=Lr3 Lr=2
T2= Lr T1=2×0.9=1.8 m
D2= Lr D1=2×0.9=1.8 m
N2= Lr -2/3N1=2 -2/3×100=62.996 rpm
P2= Lr 3 P1=23×5.57= 44.56 kw
α2 = Lr 4b/3-1×α1=24×0.5/3-1 ×50= 39.685 Kcal/hm2℃
◆年产1000吨顺丁胶反应釜，已知釜体积 V1 = 1.5 m3,釜径 T1 = 0.9 m,螺带式搅拌,桨径 D1 = 0.9 m,转数N1 = 100 rpm,实际消耗功P1 =5.57 KW,釜内壁给热系数α1=50 Kcal/hm2℃,　b=0.5,要采用相似放大法扩大为年产10000吨规模, V2 = 12 m3，按给热系数α不变(α = 常数 )的准则放大,求放大后的反应釜径T2、搅拌桨径D2、搅拌转数N2、消耗功率 P2
解： V2 / V1 = 12/1.5 = 8 = Lr3 Lr = 2
T2 = Lr T1 = 2×0.9 = 1.8 m
D2 = Lr D1 =2×0.9 = 1.8 m
当按(α = 常数) 的准则放大时
Nr = Lr 1/b – 2 = 21/0.5 – 2 = 1
N2 = Lr1/b–2×N1 = 21/0.5 – 2×100 = 100 rpm
Pr = Lr 3/b – 1 = 23/0.5 – 1 = 32
P2 = P1× Lr 3/b – 1 = 5.57×32 = 178.24 kw
◆釜径T = 1.2 m的搅拌釜中装有一个浆径 D = 0.4 m的六叶圆盘直叶透平搅拌器,（ D：L：B=20：5：4
无挡板），搅拌器转数N = 120 rpm，釜内有密度ρ=1053 Kg/m3、稠度系数K=56.7 Kg.m-1sn-2、流动行
为指数 n = 0.469的羧甲基纤维素水溶液，请按线图计算搅拌功率。
解：N = 120 rpm = 2 S-1
ΥaV= ksN=11.5×2=23 S-1
μa = KΥaV n-1= 56.7×230.469-1　=10.728 Kg/m S
NRe(n) = (1053×2×0.42)/10.728 = 31.409
NRe(n)<300
查(图5-13)得:Φ= 4.5 =Np
P= NpρN3D5 =4.5×1035×23×0.45 =388 (W)

◆一个用于预聚的搅拌釜，釜径T = 1 m，透平式搅拌器，浆叶直径D = 0.4 m，搅拌器转数N = 90 rpm，
单体粘度μ=1 Kg m-1s-1，密度ρ= 871 Kg m-3，问这种条件下，作为混合效果来看，达到了几级搅拌？
解：N = 90 rpm = 1.5 S-1

（一）上海的经济环境对饰品消费的影响 NRe = ρND2/μ= 871×1.5×0.42/1 =209.04

5、你认为一件DIY手工艺制品在什么价位可以接受？ D/T=0.4 查(图5-17)得: Nqd= 0.44

根本不知道□ qd = Nq d ND3 =0.44×1.5×0.43 =0.04224 m3/s

据介绍，经常光顾“碧芝”的都是些希望得到世界上“独一无二”饰品的年轻人，他们在琳琅满目的货架上挑选，然后亲手串连，他们就是偏爱这种ＤＩＹ的方式，完全自助。 u = 4 qd /(πT2) = 4×0.4224/(3.1416×12) =0.05378 m/s = 3.2269 m/min

“碧芝自制饰品店”拥有丰富的不可替代的异国风采和吸引人的魅力，理由是如此的简单：世界是每一个国家和民族都有自己的饰品文化，将其汇集进行再组合可以无穷繁衍。 由(表5-5)查得: u = 3.2269 m/min相当于接近二级搅拌(3.7 m/min)

喜欢□ 一般□ 不喜欢□◆用两个釜式反应器串联以连续操作生产乙酸乙酯，物料在反应器内为理想混合,假定反应恒温恒容,第一釜醋酸转化率X A1=35%，第二釜醋酸转化率XA2达55%，动力学方程为YA=KCA2，式中K=17.4 L/kgmolmin,醋酸与乙醇的起始浓度都为0.00175 kgmol / L,进料速度V0=1784.9L/h, 试计算此二反应器有效体积
解： VR1=(XA1×V0）/｛K×CA0（1-XA1）2｝
=（0.35×1784.9）/｛17.4×0.00175×（1－0.35）2×60｝ =809.3 L
VR2=｛ (XA2－XA1）×V0｝/｛K×CA0（1-XA2）2｝
=｛（0.35－0.35）×1784.9｝/｛17.4×0.00175×（1－0.55）2×60｝=964.9 L

众上所述，我们认为：我们的创意小屋计划或许虽然会有很多的挑战和困难，但我们会吸取和借鉴“漂亮女生”和“碧芝”的成功经验，在产品的质量和创意上多下工夫，使自己的产品能领导潮流，领导时尚。在它们还没有打入学校这个市场时，我们要巩固我们的学生市场，制作一些吸引学生，又有使学生能接受的价格，勇敢的面对它们的挑战，使自己立于不败之地。证明
试证明间歇操作时，一级反应转化率到99.9%所需时间约为转化率到50%所需时间的10倍；而在单釜连续操作时（为理想混合），则为999倍。
设Χ1=0.999 , Χ2=0.5
间歇操作,一级反应: t=1/k ln[1/(1－Χ)]

4、如果学校开设一家DIY手工艺制品店，你是否会经常去光顾？ t1/ t2={1/k ln[1/(1－Χ1)]}/{ t=1/k ln[1/(1－Χ2)]}= {ln[1/(1－Χ1)]}/{ ln[1/(1－Χ2)]}
= ln0.001/ ln0.5 ≈10

为了解目前大学生对DIY手工艺品制作的消费情况，我们于己于人2004年3月22日下午利用下课时间在校园内进行了一次快速抽样调查。据调查本次调查人数共50人，并收回有效问卷50份。调查分析如下： 单釜连续操作,一级反应: τ=Χ/[ k(1－Χ)]

6、你购买DIY手工艺制品的目的有那些？ τ1/τ2={Χ1/[ k(1－Χ1)] }/{Χ2/[ k(1－Χ2)] }={Χ1/[ (1－Χ1)] }/{Χ2/[ (1－Χ2)] }
=[0.999/(1－0.999)]/ [ 0.5/(1－0.5)] =999 得证.

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