《聚合物制备工程》第2章试题及答案.docx

聚合物制备工程第二章聚合物制备工程基础作业及参考答案1.什么是聚合反应器？其最基本的特征是什么？答：(1)聚合反应定义：物料在其中可发生聚合反应弁可生成目标聚合物的设备称为聚合反应器.(2)反应器的最基本特征是：有可提供反应物料进行聚合反应所需的体积，从而保证设备具有一定生产能力；具有可供加热和/或除热的传热面枳,以保法过叔的升温或降温,硼保聚合反应温度可控制在适宜的范阁：必须有保证参加反应物料充分混合的装置。2 .按照操作方式分类，反应器可以分为哪些类型？各自有何特点？答：反应器按照操作方式可分为间歇式、连续式和半连续式反应器三种。其中：(I)间歇式反应器至指生产操作时，反应前将反应物一次加入反应器内，当反应达到规定转化率后取出反应产物，间歇反应器是一种非稳态的操作过程。问歌反应器的特点是：反应物料间次加入与取出,反应物料的温度和浓度等操作参数版时间而变，不断空间住五而变，所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间：操作灵活，弹性大，投资小：需校多辅助时间，设备利用率低：产品质量不务均匀(2)半连续式反应器是指生产操作时，反应就将部分反应物料或某种反应物料一次加入反应器内,而其余物料或另一种物料则采用连续加入反应n中的反应过标.或在反应过程中连埃将某种物料从反应器中取出的生产过程。其特点是：可通过物料的加入速度控制共聚物的组成分布：可通江物料的加入速度来控制聚合逑军，从而控制聚合热的均匀释放,而从而利于控制聚合反应；半连块反应粉的生产过程也是一种典型的非稳忠操作过程。(3)连续反应器是指生产操作时各反应物料连续加入反应器内，并连续引出反应产物或最后一次得到产物的操作过程。其特点是：反应器内任一点的组成不随时间而改变，舄于稳态过程：生产柜力商，易实现自动控制，适于大规模生产；产品质量均一3 .平推流反应器,理想混合流反应器的定义与特点是什么？容：(1)平推派反应器定义：反应物料在长径比很大的设备流动时被备内每一微元体积中的流体均以相同的速度向前移动，在流动方向上不存在退混的流体称为平掂流，而能赋予平推流流态的反应器软为平推流反应器。平推流反应塞的特点是：在稳态操作时，在反应给各个板面上，物料浓度不随叶间变化；反应器内物料的浓度沿行流动方向而改变.故反应速率随空间优而变化，即反应速率的变化只限于反应W的轴向。(2)理想混合流反应器定义：反应器中在强烈的撞杆作用下，使刚进入反应器的物料战元与豁内原有的物料微元畸时达到充分花合，使各点速度相等J1.不随时间变化，出口流体组成与禺内相等的这种流动舫态称为理想混合流。而具有理想混合流流态的反应器则款为理想混合反应器。理想混合反应器的特点是：器内物料还渔强烈：存在流体然元的停留时间分布。4 .在间歇反应器,平推流反应器,理想混合流反应器、多级串联理想混合反应器中，反应物料浓度与反应时间的关系如何？答：(I)间歇反应熬：物料浓度随时间不断变化，为非稳态过程，浓度随时间变小，无限通近某一定值：(2)平推流反应器：检态操作时,在反应器的各个界面上物料浓度不Si时间变化,反应器内物料的浓度沿着流动方向而改变：(3)理想混合反应器：各点、浓度相等，物料浓度不随时间变化：(4)多级串联理想足合反应器：每一个反应给内物料浓度不施时间变化。图3飨级理想混合反应SS反应物料图4多圾理Jg混合反应器反应物料浓度时间变化曲级浓度-时间变化曲战5 .反应器设计的基本要求是什么？答:有可提供反应物料进行聚合反应所需的体积，从而保证设备具有一定生产能力；必须具有一定的除热或,加热所需的传热面积，以保证反应过程的除热或加热，使反应温度可控制在适宜的苑困：必须有保证参加反应物料充分温台的设备或装儿.6 .反应器设计的物料衡算方程是什么？间歇反应器与理想连续反应器的物料衡算方程是什么？券：物料衡算方程：某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累枳量对于间歇反应器：注入量=流出量=0；间歌反应客方程为：反应消失量=一半枳量对于理想连线反应器：累枳量=0:其方嘏为：(流入量)一(流出量)一(反应消失量)=07 .间歇反应器、平推流反应器、理想混合流反应器、多级串联理想混合反应器的设计方程分别是什么？答：(1)间歇反应器的基本设计方程是：E=aj'吗iA平推流反应器的基本设计方程是：T=XAkCzo(17z1.)=1142min=19.04h对于恒农过程有：CA=GW(I-X/,=AD1.Ao(3)理想混合反应器的度本设计方杈是：%=U=-MTCv=CAn(XMIAI)%QriC(4)多级串联理想足合反应器的设计方程是：Qv=z,.v,*7(1+r1.i+r2)(1+rv)8 .在间歇釜式反应器中，己二酸与己二群以等摩尔比，在70'C下进行缩聚反应，生产聚酯树月旨。硫酸为催化剂。由实验测得其反应速度方程为：YkC其中：Ya-反应速度，消耗己二酸kmo1.cs1.min:k反应速度常数，1.kmo1.emin:CI一己二酸的瞬时浓度，kmo1.e/1.。据实验测定.70C时，k=1.971kmo1.emin;己二酸的初始浓度Q)=O.004kmo1.es/1.：若每天处理240Okg己二酸，其转化率为90%,每批操作的辅助时间为1小时。采用单差生产，装科系数=O.75,试计算间歇反应器的体积；若采用平推流反应器，求其有效体积；若采用单级理想混合反应器。求其有效体积：若采周四级串连理想混合反应器，求其有效体积。解：或(I)若采用单釜间歇操作Ya=k盘=k%。-XaTxdxA_xadxA(E=FA%(1.-1)2XA=09kCA0(1.-x),97×0.004×(1-0.9)2400/24Fao=-=0.684kmo1.eh146则反应物中均每小叶处理量Vo=FA/Cao=0.6842004=171Uh=19.04+1=20.04hVq=1.0ti=171×20.04=34251.=3.427m3V03.4272乎=4.57m30.75(2)若采用平推流反应黠操作,则有:=CAo/普=19.03V=K0=0.171X19.03=3.25m3P=CAoxA_孙%rAkczo(1.-孙)2(3)单圾理想混合反应器：7=114217711711.97x0.004x(1-0.9)2=190.3V=K0=190.3X0.171=32.5m3(4)四级串联理想混合反应影21098765432109876543210f1.ot22211111111110000000000W：r1=*C;=1.97×60×C;=118.2C;,ACA=().0()4komo1.1.到CA=().(X)025kom1.1.作图.CA(kmo1.1.)O.CXM0.00350.003().00250.(X)2（三）(I5(>.(X)().0(X)5O.(XX)25YA(kno1.1.h)1.S91.451.062().7370.4720.2560.H80.0300.0()74CJhno1./1.)*通过试差，好斜姣的钙率为-0.170,即-1.=-0.170,=5.8824所以Vr=v<=O.I71.×5.884=I.00611i反应釜的总体积：V=4×Vr=4×1.006=4.024m,9己二酸与己二醇以等摩尔比，在70C度下进行缩镇反应，生产聚酯树脂。硫酸为催化剂。由实验测得其反应速度方程为：其中：Ya反应速度,消柜己二酸kmo1.es1.nin:k反应速度常数，1.kmo1.eminC一一己二酸的瞬时浓度，kmo1.es/1.据实验测定，70C时，k=1.971.kmo1.cmin:己二酸的初始浓度CAo=O.(XMkmoIW1.:每天处理240Okg己二酸：采用四级串连理想混合反应器，每个反应器的有效体枳均为0.55m1,求其最终己二酸的浓度及其转化率？解：巳知，Ya=<C1k=1.97IAmo1.emin,CA0=().(X)4kmo1.es1.,24kgday,V1=V2=V3=V4=O.55m3.解：图解法：从每个反应釜的体积和每天处理量可以计算出每个反的停留时间，印：V0.55,-.>I1nj.r=3.22.W1J-0.311v00.i71.r先按5=ka=1.97x60xC；=1.1.8.2C；画出SCA关系困。0.0000000050.00100.0015000200.00250.00300.003500040OOo45Chno1./1.)从CA<>=0.004mo1.1.的横坐标为起点，以斜率为。311划线，交于Ca曲线于A点，从A点画与横坐标的垂线交横坐标于A'点,N点即为第一级反应器出口的浓度Cai。依次英推，可求出第二级反应器出口的浓度Ca2弟J为0.(X)1.45mo1.1.,第三圾反应器的出口浓度为Ca3约为,0.001mo1.,弟四级反应黔的出。浓度为Caj约为0.00075moV1.,最终转化率约为8()81.%.(2)代数法：从每个反应釜的体积和每天处理量可以计算出每个反的停留时间,印：0.171从多级反应器谩计方程：Cm=(1.+r1)(I+r,)-(1+.)0.00061.kmd1.可计算出Cai:(I+ktf(I+1.97×3.22/则最终转化率为：C%=°004-Z=84.8510 .聚合反应器按照结构形式分类有哪些主要种类，其中釜式反应器由哪些基本结构组成？答：反应禽按结构形式可分为：釜式反应X、管式反应舄、塔式反应X、流化床反皮器、固定床反应器及挤出反应器.釜式反应器基本结构一般包括：釜体（茴体）、换热装置（夹套、内今管或外盘管）、搅拌袋找、密封装置、传动装就等。11 .为有效排除聚合反应热可以对聚合釜采取哪些换热方法？各：为有效梆除聚合反应热，可对聚合釜采取的换热方法有：夹套冷却（主要）、夹套附加内冷管：内冷管：反应物料釜外微坏：回流冷凝客：反应物料部分闪蒸及反应介质预冷等。12,搅拌器有哪些种类？各有何特点？如何选用搅拌器？答：搅拌器是实现物料混合、分散、传原、传热、传动量的操作的设备总称。搅摔器通常可分为桨或搅拌器、推进式搅界器、涡轮式、螺杆及螺带式及它们的组合式几种。（1）浆式搅拌器依据浆叶构杉又可分为平浆、折叶浆（斜浆）、锚式、锚格式浆及框式桨等。桨式搅抨的优点是结构药单.浆径和桨叶面可设计性强，制造相对容易。由于桨而匍向不同，不同的桨式搅抨器也具有各自的特点.平桨径向流为主，轴向流小，混合要求南的场合需加档板，适于低枯度液体的南速搅抨。折叶浆折叶桨的轴向流放平桨有很大改善，在不加档板就可达到很好的上下循环.适合低粘度流体的高速授抨锚式桨用于低速大架径搅拌器，且以径向流为主，轴向流非常小，桨径一般是釜径的0.90,搅拌功率大，适合高祐度流体下低速搅杵转下使用，同时也不适合容积大的反应釜的搅抨。锚框式撞抨器是锚式撞井桨的改进彩式，横框的增加，减少了中间死区的体积，桨径一般也是釜径的0.90,挽拌功率大，适合高粘度流体下低速搅拌转下使用，同时也不适合容积大的反应釜的援抨。框式搅拌架和锚框式搅抨器奂似。（2）推进式揽摔器：和平桨及折叶桨类似，桨径一般处釜径的0330.60,适合低粘度液体的搅拌，最适合液液分散，径向流和轴向流均很好。特点：三港叶片，其螺距S与浆径相等,转构简单，但制造难度高，一般都按阿法米他渐近线,只好磨具进行铸造。属于循环型搅抖器。（3）涡轮式（透平式）：桨叶彩式多样，可以分为开式和闭式两大类：例如：平直叶片，弯由叶片，饨斜叶片，IsI盘平直叶片，树盘对叶等。特点：种美繁多，应用广泛；处理枪度范围广；剪切强。（4）螺杆及螺带式：适合高粘度液体的搅拌。特点：螺杆式批祥器，剪切眼，推进力大，适合高粘度搅抨，通常需要找抨附件的配合，以提高传热和传原的效果。而爆带式搅抨客具有大梁径低转速，剪切若轴向债.先好，适合高粘度流体的搅拌传原传热。搅拌器的通用原则：(1)基本要求：保证物料的混合、消耗最小的功率、所需你用最低、操作方便,易于制造和维修：(2)一般考虑方法：如果生产上对搅拌无特殊要求，则可参照生产时所使用的类似搜拌器炫脸选定；如果对搅抨有严格要求,又无参照工艺，则对应工艺、设备等全面分析，找到操作的主要控制因术.选择相应的搅抨：过程开发或大型工程，通过试验研究最佳的型式、尺寸，再相似放大进行设计13 .挡板、导流桶的起到什么作用？各自在实际安装时需要注意哪些问题？答：(1)挡板的作用与安装作用：消除戏涡现象，改善混合效果。安装：一般相距90。，垂克安装，并保留挡板的1/6的空隙。(2)导流筒的作用与安装作用：提高委内流体的搅抨程度,加强桨叶对流体的克接剪切作用：造成一定的循环流型，使物料均可通过导流笛内的强烈混合区，提高混合效率。安装：对于推进式搅拌器，导流角套在桨叶的外面：对于涡轮式描界器，导流筒则应于浆叶的上方。14 .分离过程对聚合物制备的有何重要性？卷：分离过程常指将聚合物从聚合介质中分开取走聚合物的过程，不当的分离方法可能导致生成的聚合物分离不完全，收率低(溶液聚合和扎液聚合)，产品杂质含量鬲(本体聚合)。15 .后处理过程对聚合物制备的有何重要性？树脂与橡胶的后处理有何不同？答：聚合物后处理工序包括分离、干燥、脱挥、脱灰、加入助剂及形状处理等几方面：但是树脂与撑胶后处理略有区别，树脂后处理主要包括脱水、干燥、加入添加剂、立接捋到构状树脂：或者经过脱水、干蝶、加入游加剂、混炼、切粒、泥合均化、包装得到颍粒状树脂；橡胶后处理根据用途也不同，孔液用于涂料或其他直接使用扎液的场合，乳液可以直接使用或浓缩后包装、使用；需要得到固体橡胶时则需要凝聚、脱水、水洗、挤压干燥、压块、也装。在这些后处理工序中，最关饪的是脱灰和干燥工序，这些工序所使用的设备若不合理,仍会导致生成的聚合物发生交联，凝胶含量高，些至出现不合格产品。而塑料树脂导致分子量降低或交联。因此后处理过程对聚合物的制备仍有彩响，其重要性不亚于聚合过程的控制.16 .选择聚合反应器需要考虑哪些因素？聚合反应器选型的简要原则是什么？答：(1)选择聚合反应IS-般应予考虑的因索包括：生产目标聚合物所采用的聚合机理： 生产目标聚合物的反应类型，简单反应、平行反应、连串反应： 聚合反应W的操作特性：物料的停留时间及其分布,混合状况、生产能力、利用率、稳定性、传热效能、产品性能(转化率，残单量,分子量及其分布，颗粒身态，粒径及其分布) 重点在于确保反应时间的场合可选用塔式反应器 交点在于除去聚合热的场合可以选用搅抨釜反应器 以控制聚合速率和去除平衡过杼中产生的低分子的场合可选用搅拌釜式、薄膜型或表面更新型反应影 以控制反应产物颗核性状为主的场合可选用乳化、分散型搅拌釜 需要窄强剪切下进行反应的场合可以选用架叶与壁面间隙鼓小的描抨反应器聚合反应及聚合过根的特性 悬浮、乳液聚合等低拈体系，搅抨釜 本体、溶液聚合寻高粘体系，特殊型式的聚合反应器(卧式聚合釜等)，搅拌釜，塔式 注意：釜式聚合反应器的搅抨器的选抨 连锁聚合与逐步聚合、不同单体的区别： 尤其脱除小分子，需要考虑表面更新型聚合反应苕最后在保证产品质量的前提下，优先选挣投资少，经济效率高的操作方式。17 .反应器形式与操作方式的选择原则是什么？客：反应器彩式与操作方式的选择主要根据物料的停留时间及其分布、混合状况、生产能力、利用率、稳定性、传热效能、产品性能(转化率，残单量，分子量及其分布，颗粒彩态，粒径及其分布)例如： 连续釜：秘定，传热好，退混而，混合均勺，停留时间，利用率低(多釜串联改善退混，生产能力提高) 间歇釜：传热好，但有放热高峰；辅助时间，生产受限 管式：传热好.返混小，产能高,易堵塞/粘壁 塔式：返混小，停留时间可控，分段控制温度 流化床：返混大，产能低：稳定，传热好 挤出机：高粘体系，传热好18 .停省时间分布函数F、停留时间分布密度函数E的定义；F与E(t)关系。冬：停留时间分布函数Fa)三系统出口渣体中，已在系统中停留时间小于t(或介于。t间)的微元所占的分率。停留时间分布密度函数E(t):系用出口流体中,已在系统中停留时间为t到t+dt间微元所占的分率为E(Odt.件留时间分布函数F(t)与停留时间分布密度函数E(t)的关系：F()=f()4£(0-F(r)=£E(t)ch-19 .描述F(t)与E(t)的测定方法？答：停留时间分布函数F(t)与停留时间分布密度的教E可由阶跃示踪法与脉冲示踪法两种方法测得，其大致过程分别如下：阶跃示踪法：在待测定系统超定后，将原来反应客中流动的流体切犊为另一种在某些性质上与原来流体有所不同，而对流体流动没有彩响的另一种含示踪剂的流体.该法趋于“刺激一感应”技术，即在系统入。处揄入一个批号，然后在出口处分析讯号的变化。时间为t时,出口物料中示踪剂浓度为C(O,物料流量为V,所以示踪剂流出量为VC，又因为在时间为I时流出的示踪剂，也就是反应器中停留时间小于【的示踪剂，按定义，物料中停留时间小于I的粒子所占的分率为F(I),因此，当示踪剂入。流量为VcO时,出口力量VCOF(t),所以有:VQF(I)=VC(I)F()=C()C0因此，用此法可直接方便比测定实除反应器的停留时间分布函数。脉冲示踪法：与阶跃示踪法不同的是该法在原有的演JI殳中加入示珠剂，不改变原流股流量。流量Vo,t-t+dt时间内出口示踪物为C(t)vxit,在停留时间为t-t+dt间内示踪物的量为QE(t)dt.C(t)u0dr=QEU)dt,E(t)=鬻因此，用此法可近接方使她测定实际反应器的停留时间密度的数。