化工纺织百科：化学工程研究方法

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　　化学工程研究方法

　　method for chemical engineering research

　　化工过程(通常包括反应过程和单元操作)的研究通常是从化学实验室开始的。在化学实验室里取得某种成果，而且这种成果经过技术经济评价得出有利的结论后，便进入以建立生产装置为目的的化学工程研究阶段。化学工程研究的目的，在于获得生产装置中化工过程的结果与工艺参数、设备参数和物性参数间的定量关系，以指导设计和操作。一般来说，这一阶段需要经过小型试验和中间(工厂)试验等若干步骤，其中多层次的中间试验往往是一项耗资巨大、旷日持久的工作。采用科学的研究方法，减少中间试验的层次，缩小中间试验的规模，是化学工程师的一项重要任务。

　　与其他工程学科相比，化学工程所面临的实际问题往往更为复杂，主要表现是：①化学过程涉及的物料种类众多，物性千变万化;②过程进行的几何边界(如设备壁面、催化剂填充层中的孔道)十分复杂;③动量传递、热量传递、质量传递和化学反应以多种形式同时存在，互相影响。

　　最基本的研究方法不外实验研究方法和数学模型方法两类。

　　实验研究方法的应用 长期以来，化学工程更多地依赖于实验研究。但实验研究的结果往往只包含一些个别数据和个别规律，主要反映的是在实验条件下各种现象所独有的特点。如欲将个别数据整理概括再加以推广应用，以达到由此及彼、以小见大的目的，就需要有一套完整的理论和方法，其中包括对安排实验时必然遇到的问题作出正确的回答，例如：①在实验中要测量哪些物理量;②如何整理实验数据以导出结果;③实验结果的推广应用限于什么条件和范围。

　　在化学工程领域里，用于达到上述目的的实验研究方法主要有因次分析和相似论方法，这两种方法主要用于传递过程和单元操作的实验研究，都以无因次数(无量纲)群的形式来表达实验结果，可使实验工作大为简化。它们曾对化学工程学科的形成和发展起过重大作用，至今也仍有应用的价值。

　　对某些复杂的化工过程(如反应过程)，既不能利用因次分析和相似论方法来安排实验，也不能通过对过程的合理简化建立数学模型，往往只能求助于规模逐次放大的实验来搜索过程的规律，这种研究方法称为经验放大。在采用逐级的经验放大来开发化工过程时，通常首先进行小型的工艺试验，以确定优选的工艺条件;然后进行规模稍大的模型试验,以验证小型试验的结果;再建立规模更大(如中间工厂规模)的装置，进行逐级搜索;最后才能设计工业规模的大型生产装置。这种放大规律的搜索方法，通常需要经过多层次的中间试验，每次放大倍数很低，显然是相当费时费钱的，但目前这种方法还不能完全排除。

　　数学模型方法的应用 对于简单过程可根据对过程机理的了解，利用普遍适用的物理和化学原理，对过程进行数学描述，然后结合具体条件求解方程，以预测过程的结果。但是，对绝大多数化工过程是无法列出数学方程式的，因而这种做法在化学工程研究中的应用是很有限的。

　　对于化学反应和传递过程同时存在的反应过程，可首先对实际过程作出合理的简化,然后进行数学描述,再通过实验求取模型参数，并对模型的适用性进行验证。这种研究方法称为数学模型方法。实际上，数学模型方法在单元操作的研究中早已有所应用，但系统地、自觉地应用则始于化学反应工程，目前已用于化学工程其他领域。

　　数学模型方法用于过程的开发和放大时，其步聚通常为：①将过程分解成若干个子过程，如将反应过程分解为化学反应和各种传递过程;②分别研究各子过程的规律并建立数学模型，如反应动力学模型、流动模型、传热模型、传质模型等;③计算机综合，或称模拟，即通过数值计算联立求解各子过程的数学模型，以预测不同条件下大型装置的性能，目的是优化设计和优化操作。 进行过程分解的目的是：①减少各子过程数学模型所包含的待定模型参数 以减少确定模型参数所需的实验工作量和提高求得的模型参数的可靠性。②不同的子过程可以在不同类型的实验装置中进行研究。例如化学反应的规律不因设备尺寸而异，完全可以在小型装置中进行研究;物料流动和热量传递、质量传递规律一般随设备尺寸而变,因此有必要在大型装置中进行试验,但无需涉及化学反应, 以节约资金和节省时间。这类为反应过程开发所进行的不带化学反应的大型实验，统称为冷模实验，以区别于热模实验，即真正的反应过程实验。

　　进行数学模拟放大时，通常也需进行中间试验，以综合检验模型的可靠性。