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1、1习80年化学工程第1期护肚阶叭卜叮确r化学反应工程中的模型方法:陈敏恒袁渭康(上海化工学院),,化学反一般认为作为化学工程学的一个分支学科应工程学的最终形成大体是在五十仁‘’。,年代后期但是从一开始化学反应工程学的基本研究方法就与化学工程学传统的研究:,。方法有显著的不同前者是以模型方法为基点而后者则是以经验归纳方法为主,另一这一差异一方面固然是由于化学反应过程本身的特点所决定的方面也是因为计算,。技术已经发展到这样的水平为模型方法的广泛应用提供了条件源于化,,学反应工程领域并取得迸展的模型方法反过来刷新了化学工程学学科的研究、。使模型方法成为近代化学工程研
2、究中一种自觉的广泛使用的方法本文系在化学反应工程,,。学的范围内就方法论的角度概述模型方法的发展及现状模型-一过程的概括和简化,则实验的组化学工程学的传统研究方法既是以经验归纳为主织和实验数据的整理就起。,,着重要作用如何有效地组织实验如何使实验结果以最简明的方式反映出过程的规律性。,这就是早期化学工程学研究的重要课题鉴于此因次分析和相似方法曾经得到过广泛的应,。用因为这两种方法在指导实验组织和数据处理方面有其启蒙的功能随,。着生产过程的大型化和生产自动化水平的不断提高衬托出反应工程的问题日趋重要〔2,“,,,在早期一些研究工作的基础上早在五十年代已在这一重要
3、学科分支的各个方面作了。,基础理论方面的重要准备一些基本的概念提出来了(虽然其中有些借用了邻近学科的成就)’,‘,,‘6],〔6],如关于返混的概念关于反应器稳定性的概念关于微观混和的概念关于伴有反〔”。。,应的传质过程的概念等等这些概念奠定了模型方法的基础二十年来的进展表明这些。,、、基本概念的提出是有开创性的当然也应该看到早期在流动传热传质方面知识的大量。积累是这些概念形成的起点化学反应工程所涉及问题的复杂性使因次分析和相似方法归于失效,,,妻」如业已证明,‘“,。不可能在满足系统几何相似及时间相似的同时满足化学相似的条件当然并不排斥在个,。别场合如在一些
4、基础数据的测定等方面沿用因次分析和相似方法的个别结论,,概括说来反应工程问题的复杂性表现在多影响因素和这些因素之间的交联作用表现、。在变量的非线性关系和由于传热传质和流动阻力所导致的各种分布一个最熟知的例子是。,反应物浓度和反应温度之间交联关系反应物浓度与反应速率有关反应放热影响系统的温,。度而温度与反应速率间则有强烈的非线性关系(通常为阿累尼乌斯关系)这种交联作用一工一。,使反应过程各有关变量的分布极为重要而不能以它们的平均性质表示这些分布包括浓度、、,、分布温度分布速度分布以及物料的停留时间分布正是由于传热传质和流动以及化学。反应的复杂性引起的。,过程模型
5、化系将过程的各变量关系用数学方法数学模型表示有了数学模型才有。,—,可能对过程进行数学模拟按模型的由来由过程机理推导而得的为机理模型由经验数据。,。,归纳而得的为经验模型在实用中也常有介于两种之间者机理模型系过程本质的反映因此‘结果可用于外推,经验模型则不宜外推,或不宜以较大幅度外推。在条件可能时,总是摩去下,。:,首先考虑建立机理模型但我们面临这样的现实一方面是复杂的实际过程一方面是有限。,,,的描述手段因此要不分巨细地将过程各影响因素的关系详尽地予以描绘既是不现实的。,,也是不必要的所谓不现实一方面是因为对过程还不能做到完全了解另一方面亦是由于。,人们数学
6、知识和计算手段的限制所谓不必要是由于摸型方法只求有限意义和目的下与实际,,,过程的等效性并不无目的地追求其普遍性如定态模型只模拟过程在定态下的特性动。,力学模型只模拟一定操作条件下的动力学规律惟有通过简化才能将复杂的实际过程和有。。限的数学手段调和起来简化是过程模型化的重要环节通过简化勾划出来的过程物理模型,也可能与实际过程面目俱非但只要该物理模型可以以一定的逼近程度模拟实际过程的变量,。,关系我们也就不再拘泥于模型在说明过程物理本质方面的能力了例如用扩散模型和多,就是,级模型来描述连续皮应器中物料的有限返混等效性的一例虽然扩散过程和多级过程。,绝不能用来说明
7、复杂的混和现象因此等效性就构成了模型方法与经典的数学解析法的主要。区别于,,由化学工程问题的特殊性解析法往往难以奏效而模型法却可能是一种独特的有效。、、一途经化工过程中呈现的传递现象可以分别用奈维斯托克方程傅里叶定律费克定律表,。。示送些都是现成的化学反应则以速率方程(特定条件下为质量作用定律)表示然而上,,述三个友程虽然有理论上极重要的指导意义但在实际应用上却极为有限主要原因是由于,,化学工程的问题往往具有极为复杂的有时甚至是不能预知的边界条件如固体催化剂不规,,。,则的表面即使有了强有力的计算工具仍难以进行计算另一方面传递的阻力往往掩盖了,。:真实反应的动
8、力学使之以伪装的形式出现至于反应系统本
