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化学反应工程
1.4 化学反应工程学中涉及的定义
宏观反应过程:在工业规模的化学反应器中,化学反应过程与质量、热量及动量传递过程同时进行,这种化学反应与物理变化过程的综合称为宏观反应过程。
宏观反应动力学:研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应动力学。
本征动力学:又称化学动力学,是在理想条件下研究化学反应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数,不包括传递过程及反应器结构等参数对反应速率的影响。
宏观反应动力学与本征动力学的区别:宏观反应动力学除了研究化学反应本身以外,还要考虑到质量、热量、动量传递过程对化学反应的交联作用及相互影响,与反应器的结构设计和操作条件有关。
1.5 化学反应工程的研究方法
早期:经验归纳法
将实验数据用量纲分析和相似方法整理而获得经验关联式。这种方法在研究管道内单向流体流动的压力降、对流给热及不带化学反应的气液两相间的传质等方面都得到了广泛的应用。
由于化学反应过于复杂,传统的经验归纳方法不能反应化学反应工程的基本规律。
现在:数学模拟法
反映和描述工业反应器中各参数之间的关系,称为物理概念模型,表达物理概念模型的数学式称为数学模型,用数学方法来模拟反应过程的模拟方法称为数学模拟方法。
用数学模拟方法来研究化学反应工程,进行反应器的放大与优化,比传统的经验方法能更好地反应其本质。
数学模型的分类:
数学模型按照处理问题的性质可分为:
化学动力学模型
流动模型
传递模型
宏观反应动力学模型(核心内容)
工业反应器中宏观反应动力学模型是化学动力学模型、流动模型及传递模型的综合。
数学模拟的简化要求:
各种工业反应工程是极为复杂的,一方面由于对过程还不能全部地观测和了解,另一方面由于数学知识和计算手段的限制,用数学模型来完整地、定量地反映事物全貌目前还未能实现。因此要将宏观反应过程的规律进行去粗取精的加工,并在一定条件下进行合理简化。简化要求:
(1)不失真 (2)能满足应用要求 (3)能适应当前实验条件,以便进行模型鉴别和参数估值(4)能适应现有计算机的能力
1.6 工程放大与优化
工程放大和优化:将实验室和小规模生产的研究成果推广到大型工业生产装置,要综合各方面的有关因素提出优化设计和操作方案,即工程放大和优化。
工程放大的方法:主要有相似放大、经验放大法和数学模型放大法。
相似放大法:生产装置以模型装置的某些参数按比例放大,即按照相同准数对应的原则放大,称为相似放大法。
经验放大法:按照小型生产装置的经验计算或定额计算,即在单位时间内,在某些操作条件下,由一定的原料组成来生产规定质量和产量的产品。
数学模型放大法:
图1.2 数学模拟放大方法示意图
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