學(xué)習(xí)情境一 反應(yīng)器認(rèn)知與反應(yīng)技術(shù)開發(fā)

1、學(xué)習(xí)情境一 反應(yīng)器認(rèn)知與反應(yīng)技術(shù)開發(fā)學(xué)習(xí)情境1反應(yīng)器認(rèn)知與反應(yīng)技術(shù)開發(fā)總學(xué)時(shí)數(shù)4學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)1. 掌握化學(xué)反應(yīng)器的作用、分類；2. 理解理想流動反應(yīng)器的特點(diǎn)；3. 了解化學(xué)反應(yīng)工程的發(fā)展、過程開發(fā)與反應(yīng)技術(shù)、反應(yīng)工程與放大方法；4. 理解常用的反應(yīng)裝置與反應(yīng)方法。教學(xué)內(nèi)容【知識點(diǎn)】1、化學(xué)反應(yīng)器的分類；2、理想流動反應(yīng)器的特點(diǎn)；3、化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)技術(shù)開發(fā)過程與放大方法；4、常用的反應(yīng)裝置與反應(yīng)方法?！炯寄茳c(diǎn)】1.化學(xué)反應(yīng)器認(rèn)知；2.理想流動反應(yīng)器型式認(rèn)知；3. 化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)技術(shù)開發(fā)過程與放大分析； 教學(xué)方法講述法、模擬教學(xué)法、認(rèn)知實(shí)訓(xùn)教學(xué)法教學(xué)條件化工素材庫、四位一體反應(yīng)釜、高壓多功能反應(yīng)釜、多

2、釜串聯(lián)反應(yīng)裝置、流化床反應(yīng)器、化工仿真軟件等考核評價(jià)操作情況現(xiàn)場評價(jià)，課后作業(yè)，閉卷考試學(xué)生的知識和能力要求知識要求：1.化學(xué)反應(yīng)知識； 2.化工設(shè)備知識； 3.化工原理知識； 能力要求：1.化工制圖能力；2.化工單元操作能力；3.數(shù)據(jù)處理能力。教師的知識和能力要求教師資格證；1.熟練掌握前導(dǎo)課程；2.計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；3.仿真軟件使用技術(shù)；4.化工設(shè)備操作經(jīng)驗(yàn)。任務(wù)一、 反應(yīng)裝置與反應(yīng)方法的認(rèn)識任何化學(xué)品的生產(chǎn)，都離不開三個階段：原料預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)品精制?；どa(chǎn)過程包括物理變化和化學(xué)變化兩個過程，化學(xué)反應(yīng)過程是化工生產(chǎn)過程的核心，反應(yīng)過程的情況直接影響反應(yīng)前后的工藝流程與設(shè)備的投入，完

3、成反應(yīng)過程的設(shè)備稱為反應(yīng)器，化學(xué)反應(yīng)過程與技術(shù)就是研究和學(xué)習(xí)反應(yīng)器原理、操作、簡單維修等的學(xué)科。過程工業(yè)中包含有進(jìn)行物理轉(zhuǎn)化和化學(xué)轉(zhuǎn)化兩類過程。進(jìn)行物理轉(zhuǎn)化的過程，如流體輸送、液體攪拌、固體的破碎、過濾、結(jié)晶、換熱、蒸發(fā)、干燥、吸收、精餾、萃取、吸附，增濕、減濕及膜分離等單元操作。進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化的過程，如按參與反應(yīng)物質(zhì)的相的類別來區(qū)分，可分為均相和多相(又稱為非均相)反應(yīng)，均相反應(yīng)含氣相反應(yīng)和液相反應(yīng)，而多相反應(yīng)含液一液相反應(yīng)、氣一液相反應(yīng)、液一固相反應(yīng)、氣一固相反應(yīng)、固一固相反應(yīng)和氣一液一固三相反應(yīng)。進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化的過程，即化學(xué)反應(yīng)過程。是生產(chǎn)的關(guān)鍵過程。在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過程的裝置或化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)

4、行反應(yīng)時(shí)，必然伴有放熱或吸熱的熱效應(yīng)。對于多相反應(yīng)，必然存在處于不同相的物質(zhì)間的質(zhì)量傳遞。在反應(yīng)裝置中必然存在著流體流動或固體顆粒的流動，不同結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器中，又存在著不同的流動形式。例如，進(jìn)行氣一固相的反應(yīng)，有多種形式的反應(yīng)器，可以使用固定床反應(yīng)器、移動床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器等實(shí)現(xiàn)綜合上述，化學(xué)反應(yīng)過程是一個綜合化學(xué)反應(yīng)與動量、質(zhì)量、熱量傳遞交互作用的宏觀反應(yīng)過程，這也就是20世紀(jì)初期國際化工學(xué)術(shù)界確立的“三傳一反”的概念。一、化學(xué)反應(yīng)技術(shù)發(fā)展歷程：古代的陶瓷制作、酒與醋的釀造、金屬的冶煉以及煉丹、造紙等等，都是化學(xué)反應(yīng)過程。然而人類并沒有從那么多五花八門、看起來風(fēng)牛馬不相及而又變化多端的反應(yīng)

5、過程中，認(rèn)清它們的共同規(guī)律。因此，只能依靠經(jīng)驗(yàn)，成為一門手藝，而達(dá)不到工程科學(xué)的水平。四十年代開始，原子能工業(yè)的發(fā)展（二次世界大戰(zhàn)后）提出高倍率放大反應(yīng)器的問題，推動了對工業(yè)化學(xué)反應(yīng)器特性規(guī)律的研究。五十年代后，石油化工的迅猛發(fā)展（石油、天然氣為主要原料），反應(yīng)器規(guī)模不斷增大。反應(yīng)器的放大問題，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)特性與傳遞特性的統(tǒng)一研究。在對流體的流動與混合，流體元在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間分布函數(shù)和宏觀動力學(xué)研究，奠定了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基礎(chǔ)。遂于1957年第一屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程會議上，正式使用“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”的概念。六十年代以后，數(shù)學(xué)模型法在反應(yīng)工程的研究中日益深入。1970年前后，相繼出現(xiàn)全面系統(tǒng)

6、地論述“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”的教科書和專著，標(biāo)志著化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的成熟。七十年代中期，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)向深廣兩方面發(fā)展，出現(xiàn)了“氣液反應(yīng)器”、“氣液固三相反應(yīng)器設(shè)計(jì)”、“生物化學(xué)反應(yīng)工程”等著作。生物化學(xué)反應(yīng)工程的發(fā)展（基因、克隆技術(shù)），標(biāo)志著化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)發(fā)展的新階段。二、化學(xué)工程學(xué)發(fā)展趨勢：（一）發(fā)展高效、低耗、潔凈的關(guān)鍵技術(shù)。以開發(fā)能夠推動社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的高、新過程技術(shù)為目標(biāo)和推動力。促進(jìn)傳統(tǒng)學(xué)科的交叉、滲透與整合，開拓新的學(xué)科領(lǐng)域。1.在全球經(jīng)濟(jì)一體化的大趨勢下，只有依靠先進(jìn)的化學(xué)工程技術(shù)，提高傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和附加值，降低消耗，才能保證化學(xué)加工工業(yè)的產(chǎn)品能夠在市場上占據(jù)應(yīng)有的地位。2

7、.大力發(fā)展綠色過程技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)化學(xué)加工技術(shù)的更新?lián)Q代，從根本上減少環(huán)境污染，才能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與社會的持續(xù)發(fā)展。（二）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化。1.由重視普通化學(xué)品，均質(zhì)、廉價(jià)、低性能材料和材料的合成，轉(zhuǎn)變到重視生產(chǎn)特殊與功能化學(xué)品，重視生產(chǎn)復(fù)合、結(jié)構(gòu)化、高性能與昂貴材料和材料的配方。2.由重視大規(guī)模、連續(xù)過程轉(zhuǎn)變到小規(guī)模、分批與靈活過程。3.由價(jià)格競爭轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量競爭。4.由國家型、生產(chǎn)型轉(zhuǎn)變?yōu)槿蛐秃头?wù)型。（三）利用計(jì)算機(jī)輔助的過程和過程控制得到迅速發(fā)展。（四）.新反應(yīng)工程技術(shù) 1.超臨界反應(yīng)工程（縱橫結(jié)合，以潔凈油、潔凈煤的重要反應(yīng)為研究對象和模型體系）；2.反應(yīng)蒸餾（縱橫結(jié)合，以烷基化等重要反應(yīng)作為

8、研究對象和模型體系）；3.非定態(tài)催化反應(yīng)技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)；4.反應(yīng)/反應(yīng)耦合技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)；5.微波、等離子體與光化學(xué)反應(yīng)工程；6.反應(yīng)-結(jié)晶過程（催化劑制備、精細(xì)化學(xué)品、納米材料制備等）固相產(chǎn)物尺寸、形態(tài)控制；7.生物反應(yīng)和生物反應(yīng)器工程。由于化工產(chǎn)品品種日新月異，化工能源重點(diǎn)不斷轉(zhuǎn)移，人們對新產(chǎn)品、新能源和新過程的開發(fā)日益注意，遂之出現(xiàn)反應(yīng)過程開發(fā)方法的研究，進(jìn)一步豐富了化學(xué)反應(yīng)工程的研究內(nèi)容。三、反應(yīng)過程與技術(shù)的研究目的研究目的：使化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中的反應(yīng)過程最優(yōu)化。（一）設(shè)計(jì)最優(yōu)化：由給定的生產(chǎn)任務(wù)，確定反應(yīng)器的型式和適宜的尺寸及其相應(yīng)的操作條件（二）操作最優(yōu)化：在反應(yīng)器投產(chǎn)運(yùn)行之后，還必須

9、根據(jù)各種因素和條件的變化作相應(yīng)的修正，以使它仍能處于最優(yōu)的條件下操作。四、反應(yīng)過程與技術(shù)的研究內(nèi)容在工業(yè)反應(yīng)器中實(shí)際進(jìn)行的過程不但包括有化學(xué)反應(yīng)，還伴隨有各種物理過程，如熱量的傳遞、物質(zhì)的流動、混和和傳遞等，所有這些傳遞過程使得反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生溫度分布和濃度分布，從而影響反應(yīng)的最終結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)室開發(fā)到工業(yè)生產(chǎn)存在放大效應(yīng)?；瘜W(xué)動力學(xué)特性的研究 ：在實(shí)驗(yàn)室的小反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，完全排除流動、傳遞過程對反應(yīng)的影響。處理整個反應(yīng)工程的問題需要具備三個方面的知識（三傳一反）：（1）化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律（反應(yīng)動力學(xué)）； （2）傳遞過程的規(guī)律（質(zhì)量、熱量和動量的傳遞）；（3）上述兩者的結(jié)合。五、化學(xué)反應(yīng)過程與技術(shù)的研究

10、作用反應(yīng)器的合理選型；反應(yīng)器操作的優(yōu)選條件；反應(yīng)器的工程放大六、化學(xué)反應(yīng)器的分類：（一）按物料的聚集狀態(tài)分 1.均相： （1）氣相：如石油烴管式裂解爐 （2）液相：如乙酸丁酯的生產(chǎn) 2.非均相：氣-液相：如苯的烷基化 氣-固相：如合成氨 液-液相：如已內(nèi)酰胺縮合 液-固相：如離子交換 氣-液-固相：如焦油加氫精制實(shí)質(zhì)是按宏觀動力學(xué)特性分類，相同聚集狀態(tài)反應(yīng)有相同的動力學(xué)規(guī)律。均相反應(yīng)，反應(yīng)速率主要考慮溫度、濃度等因素，傳質(zhì)不是主要矛盾；非均相反應(yīng)過程，反應(yīng)速率除考慮溫度、濃度等因素外還與相間傳質(zhì)速率有關(guān)。（二）根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)分類：種類特點(diǎn)應(yīng)用范圍管式反應(yīng)器長度遠(yuǎn)大于管徑,內(nèi)部沒有任何構(gòu)件多用于

11、均相反應(yīng)過程釜式反應(yīng)器高度與直徑比約為2-3內(nèi)設(shè)攪拌裝置和檔板均相、多相反應(yīng)過程均可塔式 (填塔板式塔)高度遠(yuǎn)大于直徑，內(nèi)部設(shè)有填料、塔板等以提高相互接觸面積用于多相反應(yīng)過程固定床底層內(nèi)部裝有不動的固體顆粒，固體顆?？梢允谴呋瘎┗蚴欠磻?yīng)物用于多相反應(yīng)系統(tǒng)流化床反應(yīng)過程中反應(yīng)器內(nèi)部有固體顆粒的懸浮和循環(huán)運(yùn)動，提高反應(yīng)器內(nèi)液體的混合性能多相反應(yīng)體系，可以提高傳熱速率移動床固體顆粒自上而下作定向移動與反應(yīng)流體逆向接觸用于多相體系，催化劑可以連續(xù)再生滴流床是固定反應(yīng)器的一種，但反應(yīng)物還包括氣液兩種屬于固定床的一種，用于使用固體催化劑的氣液反應(yīng)過程實(shí)質(zhì)是按傳遞過程的特征分類，相同結(jié)構(gòu)反應(yīng)器內(nèi)物料具有相同

12、流動、混和、傳質(zhì)、傳熱等特征。(a) 管式反應(yīng)器(b) 移動床反應(yīng)器(c) 機(jī)械攪拌漿態(tài)床反應(yīng)器 (d) 循環(huán)式漿態(tài)反應(yīng)器(e) 半連續(xù)漿態(tài)床反應(yīng)器(f) 固定床鼓泡床反應(yīng)器(g) 滴流床反應(yīng)器(h) 規(guī)整填料塔反應(yīng)器(i) 噴霧塔式反應(yīng)器(j) 板式塔反應(yīng)器(k) 鼓泡塔反應(yīng)器(l) 氣液攪拌釜式反應(yīng)器（三）根據(jù)溫度條件和傳熱方式分類：根據(jù)溫度條件分：等溫、非等溫式反應(yīng)器。根據(jù)傳熱方式分絕熱式：不與外界進(jìn)行熱交換；外熱式：由熱載體供給或移走熱量， 又有間壁傳熱式、直接傳熱式、外循環(huán)傳熱式之分。蒸發(fā)傳熱式：靠揮發(fā)性反應(yīng)物、產(chǎn)物、溶劑的蒸發(fā)移除熱量。（四）按操作方式分：分批(或稱間歇)式操作：一

13、次性加入反應(yīng)物料，在一定條件下，經(jīng)過一定的反應(yīng)時(shí)間，達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率時(shí)，取出全部物料的生產(chǎn)過程。屬非定態(tài)過程，反應(yīng)器內(nèi)參數(shù)隨時(shí)間而變。適用：小批量、多品種的生產(chǎn)過程。半分批(或稱半連續(xù))式操作：原料與產(chǎn)物只要其中的一種為連續(xù)輸入或輸出而其余則為分批加入或卸出的操作。屬于非定態(tài)過程，反應(yīng)器內(nèi)參數(shù)隨時(shí)間而變，也隨反應(yīng)器內(nèi)位置而變。連續(xù)式操作：連續(xù)加入反應(yīng)物料和取出產(chǎn)物的生產(chǎn)過程。屬定態(tài)過程，反應(yīng)器內(nèi)參數(shù)不隨時(shí)間而改變，適于大規(guī)模生產(chǎn)。七、反應(yīng)過程特點(diǎn)及化學(xué)反應(yīng)器基本方程（一）化學(xué)反應(yīng)過程的特點(diǎn)1.化學(xué)反應(yīng)遵守物質(zhì)守恒，能量守恒定律。即反應(yīng)前后物料平衡，熱量平衡2.反應(yīng)嚴(yán)格按著反應(yīng)方程式所示的摩爾

14、比例進(jìn)行3.化學(xué)反應(yīng)中除發(fā)生化學(xué)變化外，還發(fā)生相應(yīng)物理變化4.反應(yīng)在一定條件下進(jìn)行，T、P、催化劑（二）化學(xué)反應(yīng)的基本方程動力學(xué)方程式： 定義：單位時(shí)間內(nèi)單位反應(yīng)體積中某一反應(yīng)物或生成物摩爾數(shù)的變化量。對反應(yīng)物A，其反應(yīng)速度為對生成物M，其反應(yīng)速度為： 任務(wù)二、 反應(yīng)器的開發(fā)過程一、過程開發(fā)步驟（一）實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)研究一般在小型裝置中進(jìn)行，故稱小試。有時(shí)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用金屬裝置做規(guī)模稍稍放大一點(diǎn)的試驗(yàn)，稱模試。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的主要任務(wù)是A.提出和驗(yàn)證選定的方法和基本的工藝條件（原料的選擇，反應(yīng)的方法，催化劑的活性、選擇性和壽命，原料或產(chǎn)物的分離精制，各種因素變化時(shí)的影響、最佳試驗(yàn)條件以及物料衡算等內(nèi)容。

15、）；B.測定必要的物理數(shù)據(jù)、熱力學(xué)數(shù)據(jù)和動力學(xué)數(shù)據(jù)（動力學(xué)試驗(yàn)為小試的重要任務(wù)）；C.測定傳遞過程的影響（在技術(shù)開發(fā)中特別重要。所謂“放大效應(yīng)”都是由此產(chǎn)生的。）。（二）預(yù)設(shè)計(jì)及評價(jià)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果可以預(yù)期今后工業(yè)化的前景。結(jié)合已有的各種資料和經(jīng)驗(yàn)，較粗地預(yù)設(shè)計(jì)出全過程的流程和設(shè)備，粗算出投資、成本和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，然后加以評價(jià)。（三）中間廠試驗(yàn)中間工廠階段是在建成大廠之前耗費(fèi)最大的一個階段，也是過渡到工業(yè)化的關(guān)鍵階段，因此它的建設(shè)和運(yùn)用要力求經(jīng)濟(jì)和高效。中間廠的任務(wù)是：A.檢驗(yàn)和確定系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)條件 它的可靠性；B.提供更全面和準(zhǔn)確的必要數(shù)據(jù)，供放大用；C.考察設(shè)備和材料的性能；D.考察

16、雜質(zhì)等微量組分的影響；E.提供足夠的產(chǎn)品和副產(chǎn)品；F.研究解決“三廢”的處理問題。（舉例）（四）工業(yè)裝置的設(shè)計(jì)及評價(jià)根據(jù)中試結(jié)果進(jìn)行工業(yè)化裝置的設(shè)計(jì)，并再一次對整個裝置作一次技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評價(jià)。（五）工業(yè)化生產(chǎn)與大型化從工業(yè)化裝置中可以最確切地確定出整個系統(tǒng)及個別裝置的各種技術(shù)性能以及原料和公用工程的各項(xiàng)消耗定額，為設(shè)計(jì)相同的工廠提供更可靠的資料。另外，根據(jù)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程，進(jìn)一步比較出與其它同類過程的優(yōu)劣，作為研究和改進(jìn)的方向二、化學(xué)反應(yīng)過程與技術(shù)的基本研究方法（一）以相似論和因次論為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)法 基本程序：確定影響因素；用因次分析法確定準(zhǔn)數(shù)；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸，得出準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式； 根據(jù)相似論，用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式

17、進(jìn)行放大。（二）相似模擬法倍加法可以認(rèn)為是一種相似放大法。如從催化反應(yīng)的單管試驗(yàn)放大成為具有幾千根同樣的單管所組成的列管式反應(yīng)器，以及象石腦油裂解，從只有一組爐管的“原型爐”放大成為具有多組相同爐管的大型爐。這種方法是常見的有效方法。另一類就是通常所說的相似模擬放大法。它的步驟是：1.根據(jù)對過程的了解，確定出影響因素（如溫度、壓力、反應(yīng)物濃度、流速等）；2.用因次分析法得出相似準(zhǔn)數(shù)；或者先列出描述過程的方程式，再經(jīng)過相似轉(zhuǎn)換而得出的相似準(zhǔn)數(shù)，這些準(zhǔn)數(shù)是無因次的。3.通過實(shí)驗(yàn)，定出準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系式和各系數(shù)。4.應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)方程進(jìn)行放大的設(shè)計(jì)計(jì)算。上述這種相似模擬法被廣泛應(yīng)用于各種物理過程中，但是對于

18、有化學(xué)反應(yīng)的過程，情況如何就大不相同了。因?yàn)橐瑫r(shí)保持幾何相似，流體力學(xué)相似，傳熱相似和反應(yīng)相似往往是行不同的。如果大小兩種裝置要完全相似，則反應(yīng)器的長度和直徑都要增加n倍；流速要減為1/n倍；而反應(yīng)速度則需減少1/n2（即溫度要大為降低），而反應(yīng)器的體積（DH）則需增大n3倍之多。顯然這是完全不合理的方案。如果要保持相同的反應(yīng)速度和合理的反應(yīng)器容積，則只能放棄幾何相似和流體力學(xué)相似的條件，而流動狀態(tài)的改變又影響到傳熱和混合等情況，從而近一步影響到反應(yīng)速度，因此用相似理論的方法 難以解決化學(xué)反應(yīng)的問題的，只在某些特殊的情況下才有可能應(yīng)用。(三)部分解析法本法實(shí)際上是半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法。即：1.

19、根據(jù)化學(xué)反應(yīng)工程的知識，對反應(yīng)系統(tǒng)的某些部分進(jìn)行分析，確定各影響因素之間的關(guān)系，并以數(shù)學(xué)形式做出部分描述。2.在小裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以檢驗(yàn)這些關(guān)系式，探明其偏離程度。3.找出修正因子，或結(jié)合經(jīng)驗(yàn)判斷。定出設(shè)計(jì)方法或所需的結(jié)果?？傊?，對于許多目前還難于全面進(jìn)行理論解析的過程，應(yīng)用這種部分解析的方法，結(jié)合相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，簡化問題，突出矛盾，通過部分計(jì)算，部分經(jīng)驗(yàn)決定的方法來進(jìn)行反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)與放大仍是切合實(shí)際的辦法，因而得到了廣泛的應(yīng)用。（四）數(shù)學(xué)模型法反映和描述工業(yè)反應(yīng)器中各參數(shù)之間的關(guān)系，稱為物理概念模型，表達(dá)物理概念模型的數(shù)學(xué)式稱為數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)方法來模擬反應(yīng)過程的模擬方法稱為數(shù)學(xué)模擬方法。用

20、數(shù)學(xué)模擬方法來研究化學(xué)反應(yīng)工程，進(jìn)行反應(yīng)器的放大、優(yōu)化，比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法能更好地反映其本質(zhì)。數(shù)學(xué)模型按處理問題的性質(zhì)可分為化學(xué)動力學(xué)模型、流動模型、傳遞模型、宏觀反應(yīng)動力學(xué)模型。工業(yè)反應(yīng)器中宏觀反應(yīng)動力學(xué)模型是化學(xué)動力學(xué)模型、流動模型及傳遞模型的綜合。數(shù)學(xué)模型方法的一般過程：基本特征是過程的分解和過程的簡化，將化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的過程分解為化學(xué)反應(yīng)過程和物理傳遞過程，然后分別研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和傳遞過程規(guī)律。經(jīng)過合理簡化，這些子過程都能建立數(shù)學(xué)方程表述，化學(xué)反應(yīng)過程的性質(zhì)、行為和結(jié)果通過方程的聯(lián)立求解獲得。合理地簡化來源于對過程有深刻的、本質(zhì)的理解。建模要求：不失真；能滿足應(yīng)用的要求；能適應(yīng)當(dāng)前實(shí)

21、驗(yàn)條件，以便進(jìn)行模型鑒別和參數(shù)估值；能適應(yīng)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的能力。三、工程放大與優(yōu)化由于新技術(shù)的開發(fā)，往往是技術(shù)問題比較集中和比較復(fù)雜的工作，而放大技術(shù)又是整個開發(fā)工作的重要環(huán)節(jié)，所以化學(xué)反應(yīng)工程在這方面的應(yīng)用是一個重要領(lǐng)域。以往將實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模生產(chǎn)的研究成果推廣到大型一業(yè)生產(chǎn)裝置，要綜合各方面的有關(guān)因素提出優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作方案，即“工程放大和優(yōu)化”，難度比換熱等物理過程大得多，需要經(jīng)歷一系列的中問試驗(yàn)。通過中間試驗(yàn)來考核不同規(guī)模的牛產(chǎn)裝置能否達(dá)到小型試驗(yàn)所預(yù)期的效果。中間試驗(yàn)不僅耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，并日_試驗(yàn)的周期相當(dāng)長，一般要三、五年或更長一些，這就會延誤大型裝置的建設(shè)，如果沒有掌握反應(yīng)過

22、程的規(guī)律，未能從分析反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和各種參數(shù)對反應(yīng)過程的影響中找到關(guān)鍵所在、即使小規(guī)模試驗(yàn)成功，而較大規(guī)模的生產(chǎn)試驗(yàn)往往會失敗。因此，要求盡可能地掌握反應(yīng)過程的基本規(guī)律。盡可能地減少中試的層次和增大放大的倍數(shù)。人們在實(shí)踐中提出了各種化工生產(chǎn)的工程放大方法，主要有相似放大法、經(jīng)驗(yàn)放大法和數(shù)學(xué)模擬放大法，并不斷地改進(jìn)工程放大和優(yōu)化的方法。依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行放大，只能知其然而不知其所以然；相似放大的方法，則只對物理過程有效，對于同時(shí)兼有物理作用和化學(xué)作用的反應(yīng)過程來說，要既保持物理相似，又保持化學(xué)相似一般是做不到的。半經(jīng)驗(yàn)、半理論的部分解析法主要是人們的認(rèn)識還有不足，還不能那么理想地做出過程的模型。在這種情況

23、下，只能搞一些局部的或較粗的模型，并輔之以比較適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)成份來解決問題。它雖然不及完全的數(shù)學(xué)模擬那樣引人入勝，但比起一般的經(jīng)驗(yàn)方法來終究好得多，因此，也是現(xiàn)實(shí)地解決許多問題的有效方法。數(shù)學(xué)模擬放大的方法是目前認(rèn)為最科學(xué)的方法，它可以免除許多由于認(rèn)識上的盲目性而造成的差錯和浪費(fèi)，能夠節(jié)約人力、物力和時(shí)間，并把生產(chǎn)技術(shù)建立在較高的技術(shù)水平之上。數(shù)學(xué)模擬放大方法四、理想流動與非理想流動關(guān)于物料質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間的描述：年齡：指反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)算起已經(jīng)停留的時(shí)間。壽命：指反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時(shí)間，即質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中總共停留的時(shí)間。壽命可看作時(shí)反應(yīng)器出口物料質(zhì)點(diǎn)的年齡。返混：又稱逆向混合，是指不同年齡質(zhì)點(diǎn)之間的混合，即“逆向”為時(shí)間上得逆向，而非一般的攪拌混合。如間歇反應(yīng)器，雖然物料被攪拌均勻，但并不存在返混，而只是統(tǒng)一時(shí)間進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間的混合。流動模型是連續(xù)流動反應(yīng)器中流體流經(jīng)反應(yīng)器的流動和返混的模型，對各種流動模型進(jìn)行的數(shù)學(xué)描述即流動的數(shù)學(xué)模型。連續(xù)流動反應(yīng)器中流體流動模型從返混情況可以分為理想流動模型和非理想流動模型。