化工紡織百科：化學(xué)工程研究方法

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　　huaxue gongcheng yanjiu fangfa

　　化學(xué)工程研究方法

　　method for chemical engineering research

　　化工過程(通常包括反應(yīng)過程和單元操作)的研究通常是從化學(xué)實驗室開始的。在化學(xué)實驗室里取得某種成果，而且這種成果經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟評價得出有利的結(jié)論后，便進(jìn)入以建立生產(chǎn)裝置為目的的化學(xué)工程研究階段。化學(xué)工程研究的目的，在于獲得生產(chǎn)裝置中化工過程的結(jié)果與工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和物性參數(shù)間的定量關(guān)系，以指導(dǎo)設(shè)計和操作。一般來說，這一階段需要經(jīng)過小型試驗和中間(工廠)試驗等若干步驟，其中多層次的中間試驗往往是一項耗資巨大、曠日持久的工作。采用科學(xué)的研究方法，減少中間試驗的層次，縮小中間試驗的規(guī)模，是化學(xué)工程師的一項重要任務(wù)。

　　與其他工程學(xué)科相比，化學(xué)工程所面臨的實際問題往往更為復(fù)雜，主要表現(xiàn)是：①化學(xué)過程涉及的物料種類眾多，物性千變?nèi)f化;②過程進(jìn)行的幾何邊界(如設(shè)備壁面、催化劑填充層中的孔道)十分復(fù)雜;③動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)以多種形式同時存在，互相影響。

　　最基本的研究方法不外實驗研究方法和數(shù)學(xué)模型方法兩類。

　　實驗研究方法的應(yīng)用 長期以來，化學(xué)工程更多地依賴于實驗研究。但實驗研究的結(jié)果往往只包含一些個別數(shù)據(jù)和個別規(guī)律，主要反映的是在實驗條件下各種現(xiàn)象所獨有的特點。如欲將個別數(shù)據(jù)整理概括再加以推廣應(yīng)用，以達(dá)到由此及彼、以小見大的目的，就需要有一套完整的理論和方法，其中包括對安排實驗時必然遇到的問題作出正確的回答，例如：①在實驗中要測量哪些物理量;②如何整理實驗數(shù)據(jù)以導(dǎo)出結(jié)果;③實驗結(jié)果的推廣應(yīng)用限于什么條件和范圍。

　　在化學(xué)工程領(lǐng)域里，用于達(dá)到上述目的的實驗研究方法主要有因次分析和相似論方法，這兩種方法主要用于傳遞過程和單元操作的實驗研究，都以無因次數(shù)(無量綱)群的形式來表達(dá)實驗結(jié)果，可使實驗工作大為簡化。它們曾對化學(xué)工程學(xué)科的形成和發(fā)展起過重大作用，至今也仍有應(yīng)用的價值。

　　對某些復(fù)雜的化工過程(如反應(yīng)過程)，既不能利用因次分析和相似論方法來安排實驗，也不能通過對過程的合理簡化建立數(shù)學(xué)模型，往往只能求助于規(guī)模逐次放大的實驗來搜索過程的規(guī)律，這種研究方法稱為經(jīng)驗放大。在采用逐級的經(jīng)驗放大來開發(fā)化工過程時，通常首先進(jìn)行小型的工藝試驗，以確定優(yōu)選的工藝條件;然后進(jìn)行規(guī)模稍大的模型試驗,以驗證小型試驗的結(jié)果;再建立規(guī)模更大(如中間工廠規(guī)模)的裝置，進(jìn)行逐級搜索;最后才能設(shè)計工業(yè)規(guī)模的大型生產(chǎn)裝置。這種放大規(guī)律的搜索方法，通常需要經(jīng)過多層次的中間試驗，每次放大倍數(shù)很低，顯然是相當(dāng)費時費錢的，但目前這種方法還不能完全排除。

　　數(shù)學(xué)模型方法的應(yīng)用 對于簡單過程可根據(jù)對過程機理的了解，利用普遍適用的物理和化學(xué)原理，對過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，然后結(jié)合具體條件求解方程，以預(yù)測過程的結(jié)果。但是，對絕大多數(shù)化工過程是無法列出數(shù)學(xué)方程式的，因而這種做法在化學(xué)工程研究中的應(yīng)用是很有限的。

　　對于化學(xué)反應(yīng)和傳遞過程同時存在的反應(yīng)過程，可首先對實際過程作出合理的簡化,然后進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,再通過實驗求取模型參數(shù)，并對模型的適用性進(jìn)行驗證。這種研究方法稱為數(shù)學(xué)模型方法。實際上，數(shù)學(xué)模型方法在單元操作的研究中早已有所應(yīng)用，但系統(tǒng)地、自覺地應(yīng)用則始于化學(xué)反應(yīng)工程，目前已用于化學(xué)工程其他領(lǐng)域。

　　數(shù)學(xué)模型方法用于過程的開發(fā)和放大時，其步聚通常為：①將過程分解成若干個子過程，如將反應(yīng)過程分解為化學(xué)反應(yīng)和各種傳遞過程;②分別研究各子過程的規(guī)律并建立數(shù)學(xué)模型，如反應(yīng)動力學(xué)模型、流動模型、傳熱模型、傳質(zhì)模型等;③計算機綜合，或稱模擬，即通過數(shù)值計算聯(lián)立求解各子過程的數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測不同條件下大型裝置的性能，目的是優(yōu)化設(shè)計和優(yōu)化操作。 進(jìn)行過程分解的目的是：①減少各子過程數(shù)學(xué)模型所包含的待定模型參數(shù) 以減少確定模型參數(shù)所需的實驗工作量和提高求得的模型參數(shù)的可靠性。②不同的子過程可以在不同類型的實驗裝置中進(jìn)行研究。例如化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律不因設(shè)備尺寸而異，完全可以在小型裝置中進(jìn)行研究;物料流動和熱量傳遞、質(zhì)量傳遞規(guī)律一般隨設(shè)備尺寸而變,因此有必要在大型裝置中進(jìn)行試驗,但無需涉及化學(xué)反應(yīng), 以節(jié)約資金和節(jié)省時間。這類為反應(yīng)過程開發(fā)所進(jìn)行的不帶化學(xué)反應(yīng)的大型實驗，統(tǒng)稱為冷模實驗，以區(qū)別于熱模實驗，即真正的反應(yīng)過程實驗。

　　進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬放大時，通常也需進(jìn)行中間試驗，以綜合檢驗?zāi)Ｐ偷目煽啃浴?/p>