学习方法

化学反应工程是一门涉及物理化学、化工传递过程、化工热力学、化学动力学、以及生产工艺、环境保护、经济学等知识领域的课程,是一门综合性很强的工程学科。主要研究工业规缕化学反应器中化学反应过程与反应物系质量、热量、动量传递过程即“三传一反”同时进行的物理变化与化学变化的基本规律。在此基础上,探求反应器设计包括装置的型式结构设计、操作条件(参数)的选定及控制、技术经济效果的评价及优化等的基本原理和基本方法。其核心就是对反应装置中的操作过程进行定量的工程学解析。

对所研究的化学反应,以简化的或近似的数学表达式来表述反应速率和选择率与温度和浓度等的关系。这本来是物理化学的研究领域,但是化学反应工程工作者由于工业实践的需要,在这方面也进行了大量的工作。不同之处是,化学反应工程工作者着重于建立反应速率的定量关系式,而且更多地依赖于实验测定和数据关联。多年来,已发展了一整套动力学实验研究方法,其中包括各种实验用反应器的使用、实验数据的统计处理方法和实验规划方法等。

对各类常用的反应器内的流动、传热和传质等过程进行理论和实验研究,并力求以数学式予以表达。由于传递过程只是物理的,所以研究时可以避免化学反应,用廉价的模拟物系(如空气、水、砂子等)代替实际反应物系进行实验。这种实验常称为冷态模拟实验,简称冷模实验。传递过程的规律可能因设备尺寸而异,冷模实验所采用的设备应是一系列不同尺寸的装置;为可靠起见,所用设备甚至还包括与工业规模相仿的大型实验装置。各类反应器内的传递过程大都比较复杂,有待更深入地去研究。

对一个特定反应器内进行的特定的化学反应过程,在其反应动力学模型和反应器传递模型都已确定的条件下,将这些数学模型与物料衡算、热量衡算等方程联立求解,就可以预测反应结果和反应器操作性能。由于实际工业反应过程的复杂性,至今尚不能对所有工业反应过程都建立可供实用的反应动力学模型和反应器传递模型。因此,进行化学反应工程的理论研究时,概括性地提出若干个典型的传递过程。例如:伴随着流动发生的各种不同的混合,如返混、微观混合、滴际混合等;反应过程中的传质和传热,包括反应相外传质和传热(传质和反应相继发生)和反应相内传质和传热(反应和传质同时进行)。然后,对各个典型传递过程逐个地进行研究,忽略其他因素,单独地考察其对不同类型反应结果的影响。例如,对反应相外的传质,理论研究得出其判据为达姆科勒数Dα,并已导出当Dα取不同值时外部传质对反应结果的影响程度。同样,对反应相内的传质,也得出了相应的判据西勒模数。这些理论研究成果构成了本学科内容的重要组成部分。这些成果一般并不一定能够直接用于反应器的设计,但是对于分析判断却有重要的指导意义。

由于在已选定的工业反应器中进行的宏观化学反应过程,就是具有一定化学动力学特性的反应物系进入具有一定流动和传递特性的工业装置中进行演变、达到人们期预的状之后离开反应器的全过程,整个过程涉及到多种影响参数及各参数之问相互作用的复杂关系。使宏观过程控制到期预状态,达到工程技术目的,实现技术经济目标,必须搞清上述诸多因素或参数对宏观过程、状态及生产(设计)目标的影响规律、调控的可能性及程度、技术经济效果等。在研究或处理方法上,就是在实验(实践)的基础上,用数学模拟的方法即根据反应的动力学特性和该物系在该反应器中的传递特性及流动特性,抓住影响宏观过程的主要矛盾和矛盾的主要方面。恰当地简化处理那些影响不大的次要因素,建立物系的动态物理模型。再对物理模型进行数学描述—建立宏观过程的数学模型,进而根据特定的初始条件、边界条件对数学模型求解,确定有关设计参数以及模拟放大,实践检验,修正完善。显然,该模型就是化学动力学模型、流动模型、传递模型以及相关的参数计算模型的综合。所以建模及解析无疑是各类反应器设计的中心。

学习的过程要与实际工程联系起来,例如在返混这一概念的学习中,例如,针对丁二烯氯化制二氯丁烯的开发,根据化学反应工程理论指导认识反应特征,温度效应要求反应器内不出现低温区,否则造成反应选择性差,为使反应器内不出现低温区,最直接的方法是将两种物料各自预热,然后进入反应器。但是丁二烯容易在预热器中发生自聚,造成换热面的污染,使换热器不能长期运转。因此,从工程的角度,不宜采用用原料预热的方式,可利用返混使进入反应器的冷料与反应器中的热料迅速混合,使冷料可以立刻提高温度。正如全混流反应器中提到,充分的返混将使反应器内的各处温度和浓度均匀,并等于反应器的出口浓度好温度。

工程分析方法是将化学反应工程中诸如返混,传质,传热等物理因素对反应结果的影响,进行分解处理,而后进行工程分析。工业反应器中的化学反应可以分解为物理过程和化学过程。在化学反应过程中,影响反应结果的因素可分为二类:一是与设备大小无关的反应动力学因素,即化学因素,这是过程的个性。每个反应各不相同。二是与设备大小密切相关的传递过程因素,即工程因素,这是过程的共性,同类反应器的传递特性是相同的。不因进行的反应过程而变化。但与反应器大小密切相关。而从本质上看,工程因素对反应结果的影响,是通过流体流动,传质和传热等物理过程。改变了反应场所的浓度和温度分布,再通过反应动力学的特征间接地影响了反应结果。

反应工程思维方法揭示了上述决策变量对反应结果的影响。实质上是有关工程因素对反应场所温度和浓度的影响,而反应场所的温度和浓度是通过化学反应的温度效应与浓度效应对反应速率,反应选择性产生影响,进而改变了反应结果。因此,我们在教学过程中突出强调反应工程理论思维法运用,强调从分析工程因素的本质入手,针对反应动力学特征来判别工程因素对反应结果的影响,培养采用工程分析法来分析和解决工程问题的能力。只有把握了工程因素本质及反应特征,分析了工程因素对反应结果的影响程度,才能使从反应过程设计和操作上提出优化的工程措施,解决工程问题。

强调从分析工程因素的本质入手,针对反应动力学特征来判别工程因素对反应结果的影响。培养学生采用工程分析方法来分析和解决工程问题的能力。只有建立正确的数学模型,把握了工程因素本质及反应特征,分析了工程因素对反应结果的影响程度,才能从反应过程设计和操作上提出优化的工程措施,解决工程问题。

最后修改: 2015年03月5日 星期四 19:36