化工过程开发与实验设计

一、填空（每空1分，共20分）
1.化学工程开发的核心是__________和_________
2. 使用催化剂的主要作用是_______________和______________
3. 选题的四项基本原则
1）选题的先进性和科学性2）选题应符合市场需求和国家的产业政策
3）选题应考虑经济效益4）选题应考虑合理的原料路线
4.专利文献的特点：
①数量___；②范围___；③内容___；④速度___
专利文献集______、______和______三种情报于一体，是其他文献所不具备的。

5. 试验数据的特点__________和_________
6. 正交试验法的特点___________和__________
7. 化工过程采用的模拟放大方法有：经验放大法、___________、____________
和部分解析法。

8. 化工过程开发主要解决的问题：
①如何合理选择设备形式②___________________③如何将设计放大到工业规模
9. 常用的积分反应器是______________反应器和____________反应器。

传递过程的三种传递：_____传递、热量传递和_____传递。

10. 化学反应过程的优化包括___________和____________两种类型。

对于反应过程，除能量消耗，主要以____________和__________两个设计指标加以讨论。

11.从反应工程角度看，反应过程的优化就是如何选择反应器形式、操作方式和操作条件，以实现_____和______的最有利条件，提高__________和_______。

化学反应过程与反应器优化的核心是___________和___________的最优结合。

化学反应过程与设备最优化的主要技术目标可以归结为以下四个方面：
①化学反应的速率最优
②化学反应的选择性最优
③能量消耗最优
④安全清洁生产最优
二、判断（每题2分，共10分）
三、简答（每题5分，共30分）
（必考）化工过程设计步骤
如果化工过程需要一台反应器，那么该过程的设计就必须从它开始
反应器设计决定了分离再循环系统所涉及的问题，所以紧随其后的是分离再循环系统的设计
反应器设计和分离与再循环系统设计两者规定了设计过程的冷热负荷，所以接下来就是换热网络的设计
经过热量回收而不能满足的冷热负荷决定了外部公用工程（蒸汽、冷却水等）的需求量，设计的第四步就是公用工程的选择与设计。

1.化学工程：研究化学工业生产过程中的共同规律，解决规模放大、设计和生产
操作的科学。

包括传递过程、化工热力学、化学反应工程、分离工程、单元操作和过程系统工程等。

2.化工过程开发：是指从一个有关新产品、新技术或新工艺概念的形成，到科研、设计、建设工厂，从实验室研究成功的过渡到第一套工业规模生产装置，付诸实施的全部过程。

3.化工过程开发的基本内容：根据实验室开发基础研究的成果和有关的工程资料，按照科学的方法，寻求技术可靠、经济合理的途径来制备该化学品，然后进行扩大实验，评价过程的可行性，设计工业装置，实现工业化
4.化工过程开发的特点：
（1）原料、生产方法和产品的多样性和化工开发的多方案性。

（2）化工过程开发要十分重视能量和资源的充分利用
（3）环境保护和过程安全是化工过程开发中必须重视的问题
（4）在化工过程开发中技术经济观点十分重要
5.数学模型方法用于过程开发和放大时的步骤及优点：
①将过程分解成若干个子过程；
②分别研究各子过程的规律并建立数学模型；如反应动力学模型、流动模型、传热模型、传质模型等；
③过程综合，或称计算机模拟，即通过数值计算联立求解各子过程的数学模型，以预测不同条件下大型装置的性能。

数学模型方法的优点：
①可以实现高倍数的放大；
②用数学模型在计算机上进行“试验”可大量节省人力、物力和时间；
6.超临界流体的概念及特性
纯净物质根据温度、压力的不同，呈现出液体、气体、固体等状态变化，但如果达到特定的温度、压力，会出现液体和气体界面消失的现象，该点被称为临界点。

超临界流体指的是处于临界点以上温度和压力区域下的流体。

特性：
①密度类似液体，因而溶剂化能力很强，压力和温度微小变化可导致其密度显著变化；
②粘度接近于气体,具有很强传递性能和运动速度；
③扩散系数比气体小，但比液体高一到两个数量级；
④SCF的介电常数，极化率和分子行为与气液两相均有着明显的差别
7.超临界CO2萃取的特点
1）CO2超临界萃取具有广泛的适应性，特别对于天然物料的萃取，其产品称得上是100%纯天然产品
2）可在较低温度下操作，特别适合于热敏性物质，完整保留生物活性，而且能把高沸点，低挥发度，易热解的物质分离出来
3）溶剂没有污染，可以回收使用，简单方便，节省能源。

4）须在高压下操作，设备与工艺要求高，一次性投资比较大
8.简述质谱的特点。

质谱不属波谱范围
质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关
质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱, 谱图与分子结构有关
质谱法进样量少, 灵敏度高, 分析速度快
质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的方法, 而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。

9.绿色化学即是用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂在生产过程中的使用，同时也要在生产过程中不产生有毒有害的副产物、废物和产品
10.逐级经验放大法研究过程的步骤：
①.设备选型。

一般都在小试中进行，试验时主要考察设备的结构和形式对反应的转化率和选择性的影响。

又称为“结构变量试验”。

②.优化工艺条件。

在小试试验设备中进行试验。

试验时主要考察各种工艺条件对反应的转化率和选择性的影响，并从中筛选出最佳工艺条件。

以改变工艺操作条件，观察指标的变化，又称之为“操作变量试验”。

③.反应器放大。

重点考察反应器的几何尺寸对反应转化率和选择性的影响。

故又称之为“几何变量试验”。

四、论述题（每题10分，共20分）
1. It is better to prevent waste than to treat or clean up waste after it is formed.（防止废物的生成比其生成后再处理更好）
2.Synthetic methods should be designed to maximize the incorporation of all materials used in the process into the final product .
(设计合成方法应使生产过程中所采用的原料最大量地进入最终产物中)
五、计算（包含分析和计算，共20分）
例题1.第六章PPT 29页
例题2.第六章PPT 91页
例题3定量分析（一元线性回归法）第三章PPT 40页
●在一元线性回归中，趋势直线可用下面的一元一次方程表示
●Y= a＋b X
●式中a-直线的截距；b-直线的斜率
●a和b是待定系数，用yi表示各个时间需求量的历史数据（即实际值），
用Yi表示直线上相应的估计值（即理论值），按最小二乘法的原则，待定系数a和b的值为：
a=(∑yi-b∑Xi)/n （2－4）
b=[∑Xiyi-(1/n)∑Xi∑yi]/[∑Xi2-(1/n)(∑Xi)2] （2－5）
4.）
例题：某化工产品1994年至1998年的需求统计数据如下表，预测2001年的需求量。

b=[∑Xiyi-(1/n)∑Xi∑yi]/[∑Xi2-(1/n)(∑Xi)2]
=[17-0/5]/[10-0/5]=1.7
a=(∑yi-b∑Xi)/n=(65-1.7×0)/5=13
所以预测模型为Y=13+1.7X
因为1996年Xi=0,则2001年Xi＝5，所以由预测模型得到2001年的需求量Y=13+1.7×5=21.5×104(t)
例题四、（结合第四章ppt55页例题，）
.在进行单因素试验时，可按照黄金分割法序贯地确定试验点，能快速的达到优化的目的。

黄金分割法是把第一个试验点安排在距试验范围左端为区间全长的0.618处。

故又称为0.618法。

（优选法）
例：b表示试验范围的高限，a表示试验范围的低限，j表示已经作过的试验点，则试验点的位置的选取可以用下列公式计算：
第一个试验点:j1=(b-a)×0.618+a
其余试验点：(b+a)-j
掌握第四章PPT55页，正交试验法和极差分析，考试类型不定。

第五章PPT６７页反应动力学模型：幂函数型和双曲型。

掌握其表达形式和分别适用于什么反应。

（幂函数适用于均相反应，双曲型适用于非均相反应）。