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化學反應工程學習感悟

 論文欄目:化學     更新時間:2011-10-3 14:17:15   

工程分析方法是將化學反應工程中諸如返混,傳質,傳熱等物理因素對反應結果的影響,進行分解處理,而后進行工程分析。工業反應器中的化學反應可以分解為物理過程和化學過程。在化學反應過程中,影響反應結果的因素可分為二類:一是與設備大小無關的反應動力學因素,即化學因素,這是過程的個性。每個反應各不相同。二是與設備大小密切相關的傳遞過程因素,即工程因素,這是過程的共性,同類反應器的傳遞特性是相同的。不因進行的反應過程而變化。但與反應器大小密切相關。

化學反應工程學習感悟范文

化學反應工程課程體系強調與其他課程,如微積分、數值計算、化學動力學、化工原理、傳遞現象、催化原理和計算機技術的銜接、融合。化學反應速率方程的建立直接依賴于化學動力學;理想反應器和非理想反應器的模型描述需要進行質量衡算和熱量衡算,這涉及到傳遞現象、化工原理的知識;反應器數學模型的解需要用到微積分、數值計算和計算機技術的知識;非均相催化與催化原理密切相關。

化學反應工程是一門涉及物理化學、化工傳遞過程、化工熱力學、化學動力學、以及生產工藝、環境保護、經濟學等知識領域的課程,是一門綜合性很強的工程學科。主要研究工業規縷化學反應器中化學反應過程與反應物系質量、熱量、動量傳遞過程即“三傳一反”同時進行的物理變化與化學變化的基本規律。在此基礎上,探求反應器設計包括裝置的型式結構設計、操作條件(參數)的選定及控制、技術經濟效果的評價及優化等的基本原理和基本方法。其核心就是對反應裝置中的操作過程進行定量的工程學解析。

對所研究的化學反應,以簡化的或近似的數學表達式來表述反應速率和選擇率與溫度和濃度等的關系。這本來是物理化學的研究領域,但是化學反應工程工作者由于工業實踐的需要,在這方面也進行了大量的工作。不同之處是,化學反應工程工作者著重于建立反應速率的定量關系式,而且更多地依賴于實驗測定和數據關聯。多年來,已發展了一整套動力學實驗研究方法,其中包括各種實驗用反應器的使用、實驗數據的統計處理方法和實驗規劃方法等。

對各類常用的反應器內的流動、傳熱和傳質等過程進行理論和實驗研究,并力求以數學式予以表達。由于傳遞過程只是物理的,所以研究時可以避免化學反應,用廉價的模擬物系(如空氣、水、砂子等)代替實際反應物系進行實驗。這種實驗常稱為冷態模擬實驗,簡稱冷模實驗。傳遞過程的規律可能因設備尺寸而異,冷模實驗所采用的設備應是一系列不同尺寸的裝置;為可靠起見,所用設備甚至還包括與工業規模相仿的大型實驗裝置。各類反應器內的傳遞過程大都比較復雜,有待更深入地去研究。

對一個特定反應器內進行的特定的化學反應過程,在其反應動力學模型和反應器傳遞模型都已確定的條件下,將這些數學模型與物料衡算、熱量衡算等方程聯立求解,就可以預測反應結果和反應器操作性能。由于實際工業反應過程的復雜性,至今尚不能對所有工業反應過程都建立可供實用的反應動力學模型和反應器傳遞模型。因此,進行化學反應工程的理論研究時,概括性地提出若干個典型的傳遞過程。例如:伴隨著流動發生的各種不同的混合,如返混、微觀混合、滴際混合等;反應過程中的傳質和傳熱,包括反應相外傳質和傳熱(傳質和反應相繼發生)和反應相內傳質和傳熱(反應和傳質同時進行)。然后,對各個典型傳遞過程逐個地進行研究,忽略其他因素,單獨地考察其對不同類型反應結果的影響。例如,對反應相外的傳質,理論研究得出其判據為達姆科勒數Dα,并已導出當Dα取不同值時外部傳質對反應結果的影響程度。同樣,對反應相內的傳質,也得出了相應的判據西勒模數。這些理論研究成果構成了本學科內容的重要組成部分。這些成果一般并不一定能夠直接用于反應器的設計,但是對于分析判斷卻有重要的指導意義。

由于在已選定的工業反應器中進行的宏觀化學反應過程,就是具有一定化學動力學特性的反應物系進入具有一定流動和傳遞特性的工業裝置中進行演變、達到人們期預的狀之后離開反應器的全過程,整個過程涉及到多種影響參數及各參數之問相互作用的復雜關系。使宏觀過程控制到期預狀態,達到工程技術目的,實現技術經濟目標,必須搞清上述諸多因素或參數對宏觀過程、狀態及生產(設計)目標的影響規律、調控的可能性及程度、技術經濟效果等。在研究或處理方法上,就是在實驗(實踐)的基礎上,用數學模擬的方法即根據反應的動力學特性和該物系在該反應器中的傳遞特性及流動特性,抓住影響宏觀過程的主要矛盾和矛盾的主要方面。恰當地簡化處理那些影響不大的次要因素,建立物系的動態物理模型。再對物理模型進行數學描述—建立宏觀過程的數學模型,進而根據特定的初始條件、邊界條件對數學模型求解,確定有關設計參數以及模擬放大,實踐檢驗,修正完善。顯然,該模型就是化學動力學模型、流動模型、傳遞模型以及相關的參數計算模型的綜合。所以建模及解析無疑是各類反應器設計的中心。

學習的過程要與實際工程聯系起來

例如在返混這一概念的學習中,例如,針對丁二烯氯化制二氯丁烯的開發,根據化學反應工程理論指導認識反應特征,溫度效應要求反應器內不出現低溫區,否則造成反應選擇性差,為使反應器內不出現低溫區,最直接的方法是將兩種物料各自預熱,然后進入反應器。但是丁二烯容易在預熱器中發生自聚,造成換熱面的污染,使換熱器不能長期運轉。因此,從工程的角度,不宜采用用原料預熱的方式,可利用返混使進入反應器的冷料與反應器中的熱料迅速混合,使冷料可以立刻提高溫度。正如全混流反應器中提到,充分的返混將使反應器內的各處溫度和濃度均勻,并等于反應器的出口濃度好溫度。

工程分析方法是將化學反應工程中諸如返混,傳質,傳熱等物理因素對反應結果的影響,進行分解處理,而后進行工程分析。工業反應器中的化學反應可以分解為物理過程和化學過程。在化學反應過程中,影響反應結果的因素可分為二類:一是與設備大小無關的反應動力學因素,即化學因素,這是過程的個性。每個反應各不相同。二是與設備大小密切相關的傳遞過程因素,即工程因素,這是過程的共性,同類反應器的傳遞特性是相同的。不因進行的反應過程而變化。但與反應器大小密切相關。而從本質上看,工程因素對反應結果的影響,是通過流體流動,傳質和傳熱等物理過程。改變了反應場所的濃度和溫度分布,再通過反應動力學的特征間接地影響了反應結果。

反應工程思維方法揭示了上述決策變量對反應結果的影響。實質上是有關工程因素對反應場所溫度和濃度的影響,而反應場所的溫度和濃度是通過化學反應的溫度效應與濃度效應對反應速率,反應選擇性產生影響,進而改變了反應結果。因此,我們在教學過程中突出強調反應工程理論思維法運用,強調從分析工程因素的本質入手,針對反應動力學特征來判別工程因素對反應結果的影響,培養采用工程分析法來分析和解決工程問題的能力。只有把握了工程因素本質及反應特征,分析了工程因素對反應結果的影響程度,才能使從反應過程設計和操作上提出優化的工程措施,解決工程問題。

返混這一工程因素,已經知道返混造成了反應器內濃度的變化,使反應物的濃度降低了,那么對反應結果有何影響呢?對這個問題,我們不能簡單地下結論,而要根據反應過程的特征,具體問題具體分析。例如,對串聯反應而言,濃度降低總是造成反應選擇性的下降,故這一工程因素的影響總是不利的:而對平行反應而言,根據反應選擇性的動力學特征,主反應級數低于副反應級數時,濃度降低是有利的,故返混的影響是有利的,而反之則是不利的。又如,對于顆粒催化劑內部傳遞過程而言,由于傳質阻力的存在,使催化劑內部的反應物濃度從外往里呈逐漸降低的態勢,而產物濃度的變化則相反。盡管內部傳遞過程與返混是兩個截然不同的工程因素,但只要深入分析,從本質上看,內擴散同樣是改變了反應場所的濃度,使反應物濃度降低了,這恰好與返混的結果一樣,可以預見,內部傳遞過程對反應結果的影響,也必然與返混的影響一樣。工業反應過程中,影響反應結果的工程因素有返混、予混合、傳質和傳熱等,取決于反應器型式、操作方式、操作條件等決策變量。反應工程思維方法揭示了上述決策變量對反應結果的影響,實質上是有關工程因素對反應場所溫度和濃度的影響,而反應場所的溫度和濃度是通過化學反應的溫度效應與濃度效應對反應速率、反應選擇性產生影響,進而改變了反應結果。

化學工業生產過程包括進行物理變化和化學反應的過程。化學反應過程是生產的關鍵。在工業規模的化學反應器中,化學反應過程與質量、熱量及動量傳遞過程同時進行。這種化學反應與物理變化過程的綜合,稱為宏觀反應過程。研究宏觀反應過程的動力學稱為宏觀反應動力學。宏觀動力學與本征動力學不同之處在于:除了研究化學反應本身以外,還要考慮到質量、熱量、動量傳遞過程對化學反應的交聯作用及相互影響。進行宏觀反應動力學分析,應注意按相的類別、溫度條件和操作方法來分類,多相反應,或稱為非均相反應,涉及反應物及生成物在相際的質量傳遞。變溫反應涉及反應物系的相際及與外界的熱量傳遞;而流體的流動特征對質量傳遞和熱量傳遞有著重大的影響。以宏現動力學為基礎,還要進一步對工業反應裝置的結構設計墁最佳操作條件的確定控制、放大、優化等進行研究,以期應用于生產實踐時獲得良好的技術經濟效果

由于化學反應工程涉及多種影響參數及參數之問相互作用的復雜關系,例如化學反應與傳質、傳熱過程的相互交織,連續流動反應器中流體流動狀況影響到同一截面反應物的轉化率和選擇率的不均勻性,化學反應速率與溫度的非線性關系等,傳統的因次分析和相似方法已不能反映化學反應。工程的基本規律,而必須用數學方法來描述工業反應器中各參數之間的關系,這種數學表達式稱為數學模型。有了數學模型,才可能用數學方法來模擬反應過程,這種模擬方法成為數學模擬方法。用數學模擬方法來研究化學反應工程,比傳統的經驗方法能更好地反映其本質。數學模擬方法的基礎是數學模型,數學模型的基礎是對多種影響過程特性的分析,又稱為物理模型。數學模型處理問題的性質可分為化學動力學模型、流動模型、傳遞模型、宏觀動力學模型。工業反應器中宏觀動力學模型是化學動力學模型流動模型及傳遞模型的綜臺,是本書所要討論的核心內容。氣—固相催化反應和流—固相非催化反應著重討論單顆粒固相粒內和相際的宏觀反應動力學,氣—波相反應則著重討論液相內的化學反應,其宏觀動力學模型是化學動力學模型與傳遞過程模型的綜合,若討論的是整個反應器。宏觀動力學模型還包括l旎動模型在內數學模型的建立是通過實驗研究得到的對于客觀事物規律性的認識并且在一定條件下進行臺理簡化的工作。不同的條件下其簡化內容是不相同的。各種簡化模型是否失真,要通過同規模的科學實驗和生產實踐去檢驗和考核,并對原有的模型進行修正,使之更為合理。物理化學中的理想氣體定律,化工單元操作中吸收過程的雙膜論,都是在一定條件下建立的行之有效的合理的簡化模型各種工業反應過程的實際情況是復雜的,尤其是流動反應器內流體和固體的運動狀況和多孔固相催化劑及固相反應物內的宏觀反應過程,一方面由于對過程還不能全部地觀測和了解;另一方面由于數學知識和計算手段的限制,用數學模型來完整地、定量地反映事物全貌目前還不能實現。因此,將宏觀反應過程的規律進行去粗取精的加工,根據主要的矛盾和矛盾的主要方面提出一定的模型,并在一定的條件下將過程合理簡化,是十分必要的。簡化是數學模擬方法的重要環節臺理地簡化模型要達到以下要求:(1)不失真;(2)能滿足應用的要求:(3)能適應實驗條件,以便進行模型鑒別和參數估值;(4)能適應現有計算機的能力。

數學模型大都是各種型式的聯立代數方程、常微分方程、偏微分方程或積分方程,這些方程組往往難以求得解析解。但由f近年來發展了各種數值計算方法和電子計算機,給定邊界條件和有關熱力學數據和操作條件后,在計算機上迅速求取數值解。便于進行多方案評比及優化計算。這些部是數學向化學反應工程滲透而獲得的成果通過小型實驗所獲得的科研成果能迅速可靠地應用于大型工業裝置,并綜合各方面的有關因素提出優化設計和操作方案。如換熱設備,由于其影響因素比較少,其放大及優化還比較易于收效;而反應器由于其中所進行過程涉及化學反應、流動狀況、傳熱及傳質等錯綜復雜、相互關聯和非線性的多參數,它的工程放大和優化往往是整個生產系統的工程放大和優化的關鍵數學模擬放太法比傳統的經驗方怯能更好地反映反應過程的本質。由于掌握工業反應過程的內在規律,用數學模擬增大法可以增大放大倍數,縮短放大周期,還可以根據數學模擬方法來評比各類反應器的結構及預期所達到的效果,從而尋求反應器的優化設計。數學模型還可以研究反應過程中操作參數改變時反應裝置的行為,從而達到操作優化,而某些狀態往往是工業中難以實現或具有破壞性質的。因此,數學模擬方法既是進行工程放大和優化設計的基礎,也是制訂優化操作和控制方案的基礎。用數學模擬方法進行工程放大及尋求優化,能否精確地進行預計,決定于數學模型是否失真,也決定過程中各種影響參數間的相互關系的復雜性。反應過程中存在許多復雜因素,建立臺適的數學模型并不是輕而易舉的事。工業裝置中最難以模擬是其中的流體分布和流體流動狀況。對于某些參數之間關系復雜的反應系統,從實驗裝置獲得的數學模型,必須通過建立中間試驗裝置來檢驗和修正模型,使數學模型更為合理,再將經過修正的數學模型用來進行大型裝置的放大設計:投產后,還應從生產實踐進一步檢驗數學模型。

強調從分析工程因素的本質入手,針對反應動力學特征來判別工程因素對反應結果的影響。培養學生采用工程分析方法來分析和解決工程問題的能力。只有建立正確的數學模型,把握了工程因素本質及反應特征,分析了工程因素對反應結果的影響程度,才能從反應過程設計和操作上提出優化的工程措施,解決工程問題。


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