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(guò)程(通常包括反應(yīng)過(guò)程和單元操作)的研究通常是從化學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始的。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里取得某種成果，而且這種成果經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)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(guò)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(jì)和操作。一般來(lái)說(shuō)，這一階段需要經(jīng)過(guò)小型試驗(yàn)和中間(工廠)試驗(yàn)等若干步驟，其中多層次的中間試驗(yàn)往往是一項(xiàng)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(yàn)的層次，縮小中間試驗(yàn)的規(guī)模，是化學(xué)工程師的一項(xiàng)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(shí)際問(wèn)題往往更為復(fù)雜，主要表現(xiàn)是：①化學(xué)過(guò)程涉及的物料種類眾多，物性千變?nèi)f化;②過(guò)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(dòng)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(shí)存在，互相影響。

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

　　實(shí)驗(yàn)研究方法的應(yīng)用 長(zhǎng)期以來(lái)，化學(xué)工程更多地依賴于實(shí)驗(yàn)研究。但實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果往往只包含一些個(gè)別數(shù)據(jù)和個(gè)別規(guī)律，主要反映的是在實(shí)驗(yàn)條件下各種現(xiàn)象所獨(dú)有的特點(diǎn)。如欲將個(gè)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(jiàn)大的目的，就需要有一套完整的理論和方法，其中包括對(duì)安排實(shí)驗(yàn)時(shí)必然遇到的問(wèn)題作出正確的回答，例如：①在實(shí)驗(yàn)中要測(cè)量哪些物理量;②如何整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以導(dǎo)出結(jié)果;③實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(guò)程和單元操作的實(shí)驗(yàn)研究，都以無(wú)因次數(shù)(無(wú)量綱)群的形式來(lái)表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可使實(shí)驗(yàn)工作大為簡(jiǎn)化。它們?cè)鴮?duì)化學(xué)工程學(xué)科的形成和發(fā)展起過(guò)重大作用，至今也仍有應(yīng)用的價(jià)值。

　　對(duì)某些復(fù)雜的化工過(guò)程(如反應(yīng)過(guò)程)，既不能利用因次分析和相似論方法來(lái)安排實(shí)驗(yàn)，也不能通過(guò)對(duì)過(guò)程的合理簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)來(lái)搜索過(guò)程的規(guī)律，這種研究方法稱為經(jīng)驗(yàn)放大。在采用逐級(jí)的經(jīng)驗(yàn)放大來(lái)開(kāi)發(fā)化工過(guò)程時(shí)，通常首先進(jìn)行小型的工藝試驗(yàn)，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(yàn),以驗(yàn)證小型試驗(yàn)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(jí)搜索;最后才能設(shè)計(jì)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(guò)多層次的中間試驗(yàn)，每次放大倍數(shù)很低，顯然是相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)錢(qián)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(duì)于簡(jiǎn)單過(guò)程可根據(jù)對(duì)過(guò)程機(jī)理的了解，利用普遍適用的物理和化學(xué)原理，對(duì)過(guò)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(cè)過(guò)程的結(jié)果。但是，對(duì)絕大多數(shù)化工過(guò)程是無(wú)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(duì)于化學(xué)反應(yīng)和傳遞過(guò)程同時(shí)存在的反應(yīng)過(guò)程，可首先對(duì)實(shí)際過(guò)程作出合理的簡(jiǎn)化,然后進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,再通過(guò)實(shí)驗(yàn)求取模型參數(shù)，并對(duì)模型的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。這種研究方法稱為數(shù)學(xué)模型方法。實(shí)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(jué)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(guò)程的開(kāi)發(fā)和放大時(shí)，其步聚通常為：①將過(guò)程分解成若干個(gè)子過(guò)程，如將反應(yīng)過(guò)程分解為化學(xué)反應(yīng)和各種傳遞過(guò)程;②分別研究各子過(guò)程的規(guī)律并建立數(shù)學(xué)模型，如反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、流動(dòng)模型、傳熱模型、傳質(zhì)模型等;③計(jì)算機(jī)綜合，或稱模擬，即通過(guò)數(shù)值計(jì)算聯(lián)立求解各子過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測(cè)不同條件下大型裝置的性能，目的是優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化操作。 進(jìn)行過(guò)程分解的目的是：①減少各子過(guò)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(shí)驗(yàn)工作量和提高求得的模型參數(shù)的可靠性。②不同的子過(guò)程可以在不同類型的實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(yàn),但無(wú)需涉及化學(xué)反應(yīng), 以節(jié)約資金和節(jié)省時(shí)間。這類為反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)所進(jìn)行的不帶化學(xué)反應(yīng)的大型實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)稱為冷模實(shí)驗(yàn)，以區(qū)別于熱模實(shí)驗(yàn)，即真正的反應(yīng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)。

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