化工紡織百科：化學工程研究方法

化工紡織百科：化學工程研究方法

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　　化學工程研究方法

　　method for chemical engineering research

　　化工過程(通常包括反應過程和單元操作)的研究通常是從化學實驗室開始的。在化學實驗室里取得某種成果，而且這種成果經過技術經濟評價得出有利的結論后，便進入以建立生產裝置為目的的化學工程研究階段?；瘜W工程研究的目的，在于獲得生產裝置中化工過程的結果與工藝參數、設備參數和物性參數間的定量關系，以指導設計和操作。一般來說，這一階段需要經過小型試驗和中間(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。采用科學的研究方法，減少中間試驗的層次，縮小中間試驗的規模，是化學工程師的一項重要任務。

　　與其他工程學科相比，化學工程所面臨的實際問題往往更為復雜，主要表現是：①化學過程涉及的物料種類眾多，物性千變萬化;②過程進行的幾何邊界(如設備壁面、催化劑填充層中的孔道)十分復雜;③動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和化學反應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學模型方法兩類。

　　實驗研究方法的應用 長期以來，化學工程更多地依賴于實驗研究。但實驗研究的結果往往只包含一些個別數據和個別規律，主要反映的是在實驗條件下各種現象所獨有的特點。如欲將個別數據整理概括再加以推廣應用，以達到由此及彼、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如何整理實驗數據以導出結果;③實驗結果的推廣應用限于什么條件和范圍。

　　在化學工程領域里，用于達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(無量綱)群的形式來表達實驗結果，可使實驗工作大為簡化。它們曾對化學工程學科的形成和發展起過重大作用，至今也仍有應用的價值。

　　對某些復雜的化工過程(如反應過程)，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學模型，往往只能求助于規模逐次放大的實驗來搜索過程的規律，這種研究方法稱為經驗放大。在采用逐級的經驗放大來開發化工過程時，通常首先進行小型的工藝試驗，以確定優選的工藝條件;然后進行規模稍大的模型試驗,以驗證小型試驗的結果;再建立規模更大(如中間工廠規模)的裝置，進行逐級搜索;最后才能設計工業規模的大型生產裝置。這種放大規律的搜索方法，通常需要經過多層次的中間試驗，每次放大倍數很低，顯然是相當費時費錢的，但目前這種方法還不能完全排除。

　　數學模型方法的應用 對于簡單過程可根據對過程機理的了解，利用普遍適用的物理和化學原理，對過程進行數學描述，然后結合具體條件求解方程，以預測過程的結果。但是，對絕大多數化工過程是無法列出數學方程式的，因而這種做法在化學工程研究中的應用是很有限的。

　　對于化學反應和傳遞過程同時存在的反應過程，可首先對實際過程作出合理的簡化,然后進行數學描述,再通過實驗求取模型參數，并對模型的適用性進行驗證。這種研究方法稱為數學模型方法。實際上，數學模型方法在單元操作的研究中早已有所應用，但系統地、自覺地應用則始于化學反應工程，目前已用于化學工程其他領域。

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

　　進行數學模擬放大時，通常也需進行中間試驗，以綜合檢驗模型的可靠性。