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化学工程与技术复习习题

课后作业:

1.化学工程的研究对象的复杂性表现在哪里方面?

化学工程的研究对象通常是非常复杂的,主要表现:1)过程本身的复杂性:既有化学的,又有物理的,并且两者时常同时发生,相互影响;2)物系的复杂性: 既有流体(气体和液体),又有固体,时常多相共存。流体性质可有大幅度变化,如低粘度和高粘度、牛顿型和非牛顿型等;有时,在过程进行中有物性显著改变,如聚合过程中反应物系从低粘度向高粘度的转变。有时,在过程进行中有物性显著改变,如聚合过程中反应物系从低粘度向高粘度的转变。

3)物系流动时边界的复杂性:由于设备(如塔板、搅拌桨、档板等)的几何形状是多变的,填充物(如催化剂、填料等)的外形也是多变的,使流动边界复杂且难以确定和描述。

2.简述我国化学工程与技术学科的纵深发展方向

为了深入掌握过程的规律,对化学工程中经常遇到的多相物系、高粘度流体和非牛顿型流体的传递规律进行深入系统研究。这些研究不但有利于解决传统研究领域的问题,也有助于了解诸如人体内血液流动等新兴课题。对反应过程中多重定常稳定态问题的研究,既是反应器设计和操作的需要,也是从另一侧面对非线性系统稳定性问题研究所作的贡献。为了使大型装置的设计更为迅速可靠,研究了各种物系物性参数、热力学参数与热化学参数以及相平衡与化学平衡数据,推动了化工热力学研究进一步与实际的结合. 在研究方法方面,数学模型方法不断完善,与之相配合的是,以统计理论和信息论为基础的实验设计、数据处理、模型的筛选和鉴别以及模型参数估计等方法。为了进行过程的模拟及多方案计算,发展了多种计算机模拟系统,建立了模型库和数据库,并从定态模拟发展到为过程控制所需要的动态模拟。

3.化学工程研究中采用的类比方法有哪些,各有何特点?

1)对应态类比:由于事物的发展往往是一个从量变到质变的过程,许多现象在它们的发展过程中由于某些内在的因素的作用,使现象逐步地起着质的变化,对于这一类共有类似变化规律的现象系列,我们可将现象系列发展中的某一个别现象与其临界转折点的状态相比来表示该现象在整个系列中的质变程度,从而应用对应态类比的方法来综合数据获得类比形式的经验方程。2)微观特性类比:反映事物发展过程中微观特征(内在因素)与宏观特性间相互联系。由于认识过程的局限性,人们认识事物有所前后,故可将已认识到的事物特性推论至同类事物的宏观或微观组成部分。这有可能产生一些新的科学概念、加快对新事物的认识进程。

3)个体特性类比:由于许多化工设备中的操作效果与包括在其中的个体单元直接有关,如填料塔中的填料,筛板塔中的筛板,反应器中的催化剂颗粒。因此,将具有长度量纲的效率指标(如传质单元高度、理论等板高度,湍流混合长度等)与个体尺寸之比所得到的无因次准数,使得不同个体尺寸下所求得的效能得以综合评价和类比,使研究工作收到事半功倍的效果。

4)零态类比:零态类比是指对研究对象在受某一因素影响时所反映出的性状与不受该因素影响时的性状的对比,以反映出事物现象的发展受该因素影响的程度。这种方法与临界状态的对应态类比有所类似,不过临界状态换成了极限情况下的理想状态.5)过程相似类比:过程相似类比方法,是依据化工过程的规律,将其反映过程特征的速率参数,连同设备几何尺寸因素一起,综合经验相似准数关系的形式,按相似准数进行设备放大,由于相似准数较好地反映了各种因素之问的制约关系,使得不同尺寸的同类设备得以在过程相似准则的基础上建立类比关系,并使实俭室成果的放大工作有所遵循,从而减少放大工作中经验性的程度和步骤,当然,过程相似类比仅是放大成功的必要条件,而不是充分条件。

4.简述化学工程与技术研究的科学意义

化学工程科学是多学科交叉结合形成的应用于物质转化过程的工程科学的分支之一,是与资源、能源、化工、冶金、环境、电子、生物、制药、化肥、食品等过程工业紧密相关的应用基础科学,其任务是通过在基础科学层面上深入揭示物质转化过程中物质传递和反应之间的关系及其对物质组成-结构-性质的影响,创建高效、清洁、节能、安全、经济并且符合可持续发展要求的物质转化工艺和相关系统,解决实验室成果产业化中的关键科学问题,生产具备各种功能的产品以满足相关技术产业发展和人类生活质量提高的需求。由于是工程学科,化学工程学科发展必须满足国家需求,同时又符合科学前沿要求。

5.什么叫因次分析法?该法有何特点?

又称量纲分析,是对过程有关物理量的因次(即量纲)进行分析,得到为数较少的无因次数(即无量纲参数)群间关系的方法,因次分析法的特点:变量数减少了,实验工作量可以减少;由于只需逐次改变无因次数群的值,而不必逐个改变各物理量的值,实验工作可以大大简化。与相似论相比,因次分析方法不需要先列出描述过程的微分方程式,只需事先确定有关物理量。因此,因次分析方法的应用范围较相似论广。但是因次分析方法并不能指出哪些物理量是有关的和必要的,若过多地引入了一些关系不大的物理量,常常会增加分析上的复杂性;若遗漏了实际上有关的物理量(特别是当过程涉及无因次的物理量时),则可能导致严重的失误。

6.简述化学工程学科的研究对象

化学工程的一个重要任务就是研究有关工程因素对过程和装置的效应,特别是在放大中的效应,以解决关于过程开发、装置设计和操作的理论和方法等问题。它以物理学、化学和数学的原理为基础,广泛应用各种实验手段,与化学工艺相配合,去解决工业生产问题。

7.什么叫类比推理法,分析类比推理在科学研究中的作用?

是指由一类事物所具有的某种属性,可以推测与其类似的事物也应具有这种属性的推理方法。其结论必须由实验来检验,类比对象间共有的属性越多,则类比结论的可靠性越大。

类比方法可以帮助我们从已知的熟悉的事物出发,去探索未知的和陌生的事物。科学研究中面临的一些问题,通常是我们所未曾接触过的陌生的问题。这时,就需要我们从已有的知识和经验出发,从定性的观察、简单的断别性实验着手,分析新过程的特性,从中把握住我们已经熟悉的或确定的规律,由此不断深入,去探索和开发新的领域,获得新知识。

8.简述Buckinghan π定理的内容,因此分析法处理工程问题的步骤?

一种具有普遍性的量纲分析方法,叫做π定理,是1915年由白金汉(E.Buckinghan)提出的,故又叫白金汉定理,具体描述为:对于某个物理现象,如果存在n个变量互为函数,即F(x1,x2,……,xn)=0。而这些变量中含有m个基本量,则可排列这些变量成(n-m)个无量纲数的函数关系φ(π1,π2,……,πn-m)=0,即可合并n个物理量为(n-m)个无量纲π数。

1)通过初步的实验结果和较系统的分析,找出影响过程的主要因素,也就是找出影响过程的各种变量。2)利用因次分析,将过程的影响因素组合成几个无因次数群,以期减少实验工作中需要变化的变量数目。3)建立过程的无因次数群,一般常采用幂函数形式,通过大量实验,回归求取关联式中的待定系数。

9.结合自己即将开展的课题,或曾经从事的科研工作,阐述你拟采用或已采用的研究方法(或手段)在我们经常使用类比推论的方法,通过阅读大量与课题有关的文献,然后将其中有用内容挪列下来,进行比较,让后提出自己设想,然后设计一个研究方案,让自己知道做什么,

怎么做,要解决什么问题。其中有提出问题,然后提出自己假设,找方法与验证自己的假设,这些是我们经常采用一些方法手段。

10.简述建立经验数学模型的方法。

一是将实验数据或结果加以总结和归纳的方法.二是将理论推导与实验数据或结果相结合的方法。三是先将实际的自然现象加以合理简化,提出一个理想模型(Idealmodel),通过理论推导,得出描述理想模型规律的数学模型.然后依据实际情况对以上数学模型进行修正,从而符合实际事物的数学模型.

11.简要分析建立数学模型的原则步骤

1. 理论基础研究:主要的理论依据是质量、能量和动量守恒定律.当然还包括反应动力学、化学平衡.当研究过程的动态行为时,则模型中有对时间的导数项。模型的建立是从初步研究开始的,在此阶段,首先而且最重要的是确定目标。作为目标,例如,可以是开发一个新的过程,设计一个装置;也可以对现有生产的操作方式进行改进或最优化,或者兼而有之。在最优操作的情况下,要给出所希望的最优化判据。

2. 简化假设:建模工作重要的一步是运用工程判断力去推断作出什么样的假设简化是合理的、必要的。所谓合理是说简化后的模型能够反映过程本质、满足应用要求,所谓必要是为了求解方便和可能。

3. 检查模型的数学一致性:对于多变量的复杂系统,模型方程建立之后,应该检验一下方程的数目是否与自变量个数相等。或者说要确定那些是设计变量、那些是规定变量。总之要使系统的自由度为零。还要注意方程组中有无相关方程,全部方程所有项的单位必须统一。

4. 模型的求解:建立模型的时候,应考虑模型的可解性。解析求解方法虽然应用范围有限,但若有可能求得解析解。还是十分有利的,因为它给出系统变量的函数解。可准确地分析变量间相互关系。由于化工问题的复杂性,更多的还是使用数值法求解。

5. 模型解的验证:数学模型是对系统过程经过简化假设得到的物理模型的数学抽象,它反应过程本质的特征,但毕竟是一种近似,不可避免存在一定差异或偏离。模型的可靠性与精确度除了取决于建模假设偏离真实条件程度外,还依赖于基础理论和基础数据的精度,所以模型模拟的结果必须用实验或生产现场数据考核。若存在一定差距,则需要修改模型或校验基础数据,以趋完善。