化工工业放大 (2)

1、工业放大工业放大化工学院化工学院孙洲孙洲一、实验室研究、小试、模试、中试一、实验室研究、小试、模试、中试纯理论、应用基础或开发基础研究目的：确定原料路线、探索反应的可行性、观察现象、获得感性认识、样品1.实验室研究实验室研究2. 小试小试小型工业模拟试验（初步技术经济评价后）任务：a验证开发方案的可行性、完整性。 b测定收集物化数据。 c产品分析方法。 d整理最佳方案，完成概念设计3. 模试模试模型试验：模型试验： 对工业生产中的某些重要过程作放大的工业模拟试验。设备：设备： 一般比实验室研究规模大并具有工业设备的仿真性质。主要内容：主要内容： 考察化工过程运行的最佳条件；考察设备内传热、传质

2、、物料流动与混合等工程因素对于化工过程的影响；观察设备放大后出现的放大效应；寻找产放大效应的原因，测定放大所需的有关数据或判据等等。从总体看，模型试验考查的重点是工艺和工程问题重点是工艺和工程问题。4. 中试中试 中试是”中间工厂试验”的简称，它是在小试或模试之后迸行的半工业化规模的模拟试验。中试结果可作为基础设计的依据。内容：内容：（1）检验小试确定的工艺方案和工艺条件；（2）考察工艺系统连续运转的可靠性；（3）考察设备放大后所产生的放大效应的程度，分析产生的原因，寻找消除的办法；（4）确定检测方法；v（5）考察物料对设备材质的腐蚀；v（6）考察物料循环产生的微量杂质积累带来的影响；v（7）

3、提供一定量的产品供应用考察；v（8）考察“三废”的生成量、危害程度和治理方法；v（9）为估算投资和成本，以及建立生产工作岗位的操作规程提供资料。概 述v从实验室研究成果到建立工业装置的过程是靠放大从实验室研究成果到建立工业装置的过程是靠放大来实现的。来实现的。v选择适当的放大方法，对考察装置的适用性，确定选择适当的放大方法，对考察装置的适用性，确定放大过程需要时间、经费投入等都是重要的。放大过程需要时间、经费投入等都是重要的。v化工过程开发放大主要采用模拟研究法。用模型来化工过程开发放大主要采用模拟研究法。用模型来研究化工过程中的各种现象和规律，从中取得开发研究化工过程中的各种现象和规律，从中

4、取得开发放大的依据。放大的依据。v化工过程采用的模拟放大方法有：化工过程采用的模拟放大方法有：经验放大法、数经验放大法、数学模拟法、部分解析法、相似放大法学模拟法、部分解析法、相似放大法。 v对某一特定的化工过程放大，采用何种放大方法，对某一特定的化工过程放大，采用何种放大方法，应以对过程解析的深入程度来确定。应以对过程解析的深入程度来确定。v一般来讲，分离过程的理论较成熟，在取得可靠的一般来讲，分离过程的理论较成熟，在取得可靠的相平衡数据后，就可以用现有的数学模型直接放大相平衡数据后，就可以用现有的数学模型直接放大到工业装置。到工业装置。v而反应过程比较复杂，除化学反应的规律外，同时而反应过

5、程比较复杂，除化学反应的规律外，同时还受到传递过程因素的影响。故只有少数简单的可还受到传递过程因素的影响。故只有少数简单的可用数学模型法外，现多采用经验放大法和部分解析用数学模型法外，现多采用经验放大法和部分解析法。法。逐级放大法v逐级经验放大法是从实验室规模的小试开始，经逐级逐级经验放大法是从实验室规模的小试开始，经逐级放大到一定规模试验的研究，最后将模型研究结果放放大到一定规模试验的研究，最后将模型研究结果放大到生产装置的规模。大到生产装置的规模。v这种放大方法，每放大一级都必须建立相应的模型装这种放大方法，每放大一级都必须建立相应的模型装置，详细观察记录模型试验中发生的各种现象及数据，置

6、，详细观察记录模型试验中发生的各种现象及数据，通过技术分析得出放大结果。而每一级放大设计的依通过技术分析得出放大结果。而每一级放大设计的依据主要是前一级试验所取得的研究结果和数据。据主要是前一级试验所取得的研究结果和数据。v逐级经验放大法是经验性质的放大，因此放大倍数逐级经验放大法是经验性质的放大，因此放大倍数一般在一般在5050倍以内，而且每一级放大后还必须对前一倍以内，而且每一级放大后还必须对前一级的参数进行修正。级的参数进行修正。v缺点：经验放大的开发周期长，人力、物力消耗较缺点：经验放大的开发周期长，人力、物力消耗较大。大。一一. .逐级经验放大法的研究方法逐级经验放大法的研究方法v1

7、.1.化工过程开发主要解决的问题化工过程开发主要解决的问题v如何合理选择设备形式如何合理选择设备形式v确定最佳工艺条件确定最佳工艺条件v如何将设计放大到工业规模如何将设计放大到工业规模2.2.逐级经验放大法研究过程的步骤逐级经验放大法研究过程的步骤v. .设备选型设备选型v设备选型一般都在小试中进行。采用不同形式和结设备选型一般都在小试中进行。采用不同形式和结构的反应器，在实验室对所开发的反应过程进行研构的反应器，在实验室对所开发的反应过程进行研究。究。v试验时主要考察设备的结构和形式对反应的转化率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。因此又称为和选择性的影响。因此又称为

8、“结构变量试验结构变量试验”。2.2.逐级经验放大法研究过程的步骤逐级经验放大法研究过程的步骤v. .优化工艺条件优化工艺条件v在设备选型试验后，就在选定的小试试验设备中进在设备选型试验后，就在选定的小试试验设备中进行优化工艺条件试验。行优化工艺条件试验。v试验时主要考察各种工艺条件对反应的转化率和选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，故又称之为工艺操作条件，观察指标的变化，故又称之为 “操作变量试验操作变量试验”。2.2.逐级经验放大法研究过程的步骤逐级经验放大法研究

9、过程的步骤v. .反应器放大反应器放大v逐级试验放大法的反应器放大研究是采用模型装置逐级试验放大法的反应器放大研究是采用模型装置的方式进行逐级放大的。每放大一级都必须重复前的方式进行逐级放大的。每放大一级都必须重复前一级试验确定的条件，考察放大效应，并取得设备一级试验确定的条件，考察放大效应，并取得设备放大的有关数据和判据。放大的有关数据和判据。v重点考察反应器的几何尺寸对反应转化率和选择性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。故又称之为的影响。故又称之为 “几何变量试验几何变量试验”。2.2.逐级经验放大法研究过程的步骤逐级经验放大法研究过程的步骤v通过以上三种独立的变量试验，

10、基本上可以取得化通过以上三种独立的变量试验，基本上可以取得化工过程开发所需要的设备形式、最佳工艺条件，以工过程开发所需要的设备形式、最佳工艺条件，以及放大的判据和数据，为建立生产装置提供可靠的及放大的判据和数据，为建立生产装置提供可靠的数据。数据。二二. .逐级经验放大法的特征逐级经验放大法的特征v1.1.只综合考察输入变量和输出结果的关系。只综合考察输入变量和输出结果的关系。v逐级经验放大法是一种逐级经验放大法是一种“暗箱操作暗箱操作”，只对反，只对反应器的输入与输出结果进行研究，对反应器内应器的输入与输出结果进行研究，对反应器内进行的反应特征及规律不作深入考察。进行的反应特征及规律不作深入

11、考察。二二. .逐级经验放大法的特征逐级经验放大法的特征v这是一种综合考察的方法，不能揭示过程的内在规律。这是一种综合考察的方法，不能揭示过程的内在规律。因此，在进行反应器放大研究时，一旦放大结果发生改因此，在进行反应器放大研究时，一旦放大结果发生改变，就无法找出变化的原因，只能将这种改变统统归咎变，就无法找出变化的原因，只能将这种改变统统归咎于于“放大效应放大效应”。v在逐级经验放大中，研究者只能根据现象进行分析，凭在逐级经验放大中，研究者只能根据现象进行分析，凭经验来调整变量再进行试验，以减少放大效应。因此，经验来调整变量再进行试验，以减少放大效应。因此，放大成果的水平与研究者的经验和知识

12、水平紧密相关。放大成果的水平与研究者的经验和知识水平紧密相关。二二. .逐级经验放大法的特征逐级经验放大法的特征v2.2.存在前后试验结果相互矛盾的个别现象。存在前后试验结果相互矛盾的个别现象。v对于一个化工过程，结构变量、操作变量和几何变量对于一个化工过程，结构变量、操作变量和几何变量这三种变量之间是相互联系、相互影响的。但是在逐这三种变量之间是相互联系、相互影响的。但是在逐级经验放大中，人为的将试验分成结构变量试验操级经验放大中，人为的将试验分成结构变量试验操作变量试验几何变量试验三个阶段，这并非科学合作变量试验几何变量试验三个阶段，这并非科学合理的研究程序，没有考虑他们之间的相互联系和影

13、响，理的研究程序，没有考虑他们之间的相互联系和影响，当然就可能造成前后试验结果相互矛盾的现象。当然就可能造成前后试验结果相互矛盾的现象。二二. .逐级经验放大法的特征逐级经验放大法的特征v按照这种思维模式，小试中优选的反应器形式，大型化后也按照这种思维模式，小试中优选的反应器形式，大型化后也应该是最好的，即反应器的选型与反应器的尺寸无关。在化应该是最好的，即反应器的选型与反应器的尺寸无关。在化工过程中确有这样的情况，小试中优选的反应器，仍为好的工过程中确有这样的情况，小试中优选的反应器，仍为好的反应器形式。但也有不少相反的情况。例如：在小试时流化反应器形式。但也有不少相反的情况。例如：在小试时

14、流化床的效果比固定床好，但放大后流化床的效果反而比固定床床的效果比固定床好，但放大后流化床的效果反而比固定床差。说明小试的选型结论不一定可靠。差。说明小试的选型结论不一定可靠。二二. .逐级经验放大法的特征逐级经验放大法的特征v3.3.外推放大后的结果可靠性尚存问题。外推放大后的结果可靠性尚存问题。v逐级经验放大法每一级都是根据前一级的试验结果外推逐级经验放大法每一级都是根据前一级的试验结果外推设计的。外推法只适用于呈线性规律的过程。有些因素设计的。外推法只适用于呈线性规律的过程。有些因素在一定范围内是渐变的或者呈线性关系，但超出这一范在一定范围内是渐变的或者呈线性关系，但超出这一范围后可能出

15、现巨变。因此，将小尺寸范围内得到的试验围后可能出现巨变。因此，将小尺寸范围内得到的试验结果外推至大尺寸范围时可能出现截然不同的结果。结果外推至大尺寸范围时可能出现截然不同的结果。二二. .逐级经验放大法的特征逐级经验放大法的特征v而化工过程的规律很多都不呈线性关系，或者而化工过程的规律很多都不呈线性关系，或者只在较小的范围内接近直线关系。对不呈线性只在较小的范围内接近直线关系。对不呈线性关系的过程，用外推法进行放大必然会造成偏关系的过程，用外推法进行放大必然会造成偏差。为了提高外推法的准确性，一般采用较小差。为了提高外推法的准确性，一般采用较小的放大倍数，这样就需要经过多级模拟放大，的放大倍数

16、，这样就需要经过多级模拟放大，必然使开发经费增加，开发周期延长。必然使开发经费增加，开发周期延长。二二. .逐级经验放大法的特征逐级经验放大法的特征v采用逐级经验放大法时，应该应用化学工程的理论采用逐级经验放大法时，应该应用化学工程的理论进行分析，应用已有的经验判断和解决问题，尽量进行分析，应用已有的经验判断和解决问题，尽量在理论指导下进行工程放大，避免完全的在理论指导下进行工程放大，避免完全的“黑箱操黑箱操作作”，可以提高逐级经验放大法的准确性。，可以提高逐级经验放大法的准确性。二二. .逐级经验放大法的特征逐级经验放大法的特征v例例 异丙苯生产苯酚和丙酮是分两步进行的。第一步异丙苯生产苯酚

17、和丙酮是分两步进行的。第一步是异丙苯氧化成过氧化氢异丙苯；第二步是在硫酸是异丙苯氧化成过氧化氢异丙苯；第二步是在硫酸催化下过氧化氢异丙苯在液相中分解成苯酚和丙酮。催化下过氧化氢异丙苯在液相中分解成苯酚和丙酮。v从试验中得知，苯酚和丙酮的收率主要取决于从试验中得知，苯酚和丙酮的收率主要取决于第二步分解反应。分解反应是一级不可逆反应。第二步分解反应。分解反应是一级不可逆反应。硫酸浓度越高，分解速率越快。硫酸浓度越高，分解速率越快。v拟用逐级放大法对反应器进行放大。拟用逐级放大法对反应器进行放大。v（1 1）反应器选型）反应器选型v对于液相均相反应，常用的反应器有釜式和对于液相均相反应，常用的反应器

18、有釜式和管式两种。管式两种。v考虑间歇操作搅拌反应釜比连续操作搅拌反应釜的体积考虑间歇操作搅拌反应釜比连续操作搅拌反应釜的体积大，因此，实验时只考察连续操作搅拌反应釜和连续流大，因此，实验时只考察连续操作搅拌反应釜和连续流动管式反应器在反应条件和反应体积相同的条件下两种动管式反应器在反应条件和反应体积相同的条件下两种反应器的转化率。试验结果见下表。反应器的转化率。试验结果见下表。反应器型式反应器型式转化率转化率连续流动管式反应器连续流动管式反应器98.898.8连续操作搅拌反应釜连续操作搅拌反应釜97.897.8v由于分解反应为一级反应，返混对转化率有影响。由于分解反应为一级反应，返混对转化率

19、有影响。连续操作搅拌反应釜存在返混，而连续流动管式连续操作搅拌反应釜存在返混，而连续流动管式反应器基本上不存在返混，因此后者的反应速率反应器基本上不存在返混，因此后者的反应速率快，转化率高。说明达到相同转化率时，连续流快，转化率高。说明达到相同转化率时，连续流动管式反应器的体积最小，故选用连续流动管式动管式反应器的体积最小，故选用连续流动管式反应器。反应器。v（2 2）工艺条件优化）工艺条件优化v试验用反应管：试验用反应管：40mm40mm1202mm1202mm，V V1.51L1.51L，长，长径比径比l/dl/d=1202/40=30.05=1202/40=30.05v考察因素：反应物浓

20、度、反应温度、催化剂浓度考察因素：反应物浓度、反应温度、催化剂浓度及物料流量。及物料流量。v指标：过氧化氢异丙苯的转化率指标：过氧化氢异丙苯的转化率v总的规律是：总的规律是：反应物浓度反应物浓度反应温度反应温度催化剂浓度催化剂浓度分解速率分解速率转化率转化率但当上述因素提高到一定程度后，转化率几乎不再改变。但当上述因素提高到一定程度后，转化率几乎不再改变。物料流量物料流量停留时间停留时间转化率转化率v由试验最后得到的最佳工艺条件为：由试验最后得到的最佳工艺条件为：v反应物浓度反应物浓度3.2Kmol/m3.2Kmol/m3 3，反应温度，反应温度359K359K，硫酸浓，硫酸浓度度3Kmol/

21、m3Kmol/m3 3，物料流量，物料流量0.1m0.1m3 3/h/h。此时分解反应转。此时分解反应转化率为化率为98.898.8。v（3 3）反应器放大）反应器放大v反应器放大分两步进行反应器放大分两步进行v一级放大一级放大v一级放大试验结果列于表一级放大试验结果列于表5 52 2表表5 52 2 一级放大试验结果一级放大试验结果试验类型试验类型直径直径/mm长度长度/mm长径比长径比体积体积/L流量流量/m3h-1转化率转化率/%小试小试40120230.051.510.198.8一级放大一级放大40171242.82.150.199.8v从表从表5 52 2可知，反应体积增加了可知，反

22、应体积增加了1.421.42倍（倍（2.15/1.512.15/1.51），），采用同样的物料流量（采用同样的物料流量（0.1m0.1m3 3/h/h），此时停留时间增加了），此时停留时间增加了1.421.42倍，但转化率仅增加了倍，但转化率仅增加了1.01.0。说明反应后期反应速。说明反应后期反应速率很慢，若要提高转化率就必须大大增加反应器体积，率很慢，若要提高转化率就必须大大增加反应器体积，在经济上是不合算的。因此，反应器放大时转化率达到在经济上是不合算的。因此，反应器放大时转化率达到98.898.8即可。即可。二二. .逐级经验放大法的特征逐级经验放大法的特征v二级放大二级放大v反应器体

23、积反应器体积10L,10L,则放大倍数则放大倍数vn=10/1.51=6.62n=10/1.51=6.62v放大原则：保持长径比不变，停留时间不变。放大原则：保持长径比不变，停留时间不变。v长径比长径比 R=1202/40=30.05R=1202/40=30.05v设反应管内径为设反应管内径为d d，长度为，长度为l lv则则l=30.05dl=30.05d22330.0523.58944pVd lddd得出得出d d7.51cm7.51cm选用选用82mm82mm3mm3mm的无缝钢管，的无缝钢管，d d内内82823 32 27.6cm7.6cm22100002205.5(7.6)44PV

24、lmmd22062206,29.0376llmmRd取实际 物料流量物料流量Q Q0.10.16.626.620.662m0.662m3 3/h/h。保持停留时间不变。保持停留时间不变。在小试的最优条件下试验，转化率为在小试的最优条件下试验，转化率为98.898.8。证明放大过程。证明放大过程中不存在放大效应。中不存在放大效应。反应是液相均相反应，且为管式反应器，线速度较大。反应反应是液相均相反应，且为管式反应器，线速度较大。反应过程受工程因素影响已经排除，均无放大效应。过程受工程因素影响已经排除，均无放大效应。（4）反应器设计）反应器设计v生产规模：每小时处理生产规模：每小时处理过氧化氢异丙

25、苯过氧化氢异丙苯3m3/h，浓度浓度C0=3.2Kmol/m3。v设计原则：保持反应器设计原则：保持反应器几何相似，用外推法按几何相似，用外推法按比例放大。比例放大。v要求过氧化氢异丙苯的要求过氧化氢异丙苯的转化率为转化率为98.8。按照。按照VP=1.51L，模型反应器，模型反应器几何相似进行放大。几何相似进行放大。1131122240,12021.51 ,0.1/3.001.51 45.30.1040,12023.0300.1PPdmmlmmVLQm hVLdmmlmm小试反应器：工业反应器：取则管子根数：n=根三三. .中试中测定与放大有关工程数据的方法中试中测定与放大有关工程数据的方法

26、v在进行反应器放大时，多数情况下仍采用逐级在进行反应器放大时，多数情况下仍采用逐级经验放大法，放大设计数据大多来源于中试。经验放大法，放大设计数据大多来源于中试。因此，为了反应器的工程放大，需要在中试中因此，为了反应器的工程放大，需要在中试中取得哪些数据，如何取得这些数据？下面举一取得哪些数据，如何取得这些数据？下面举一个比较简单的釜式反应器为例加以说明。个比较简单的釜式反应器为例加以说明。三三. .中试中测定与放大有关工程数据的方法中试中测定与放大有关工程数据的方法v例例52：在开发某氧化反应过程时，用：在开发某氧化反应过程时，用100L带搅拌的搪带搅拌的搪瓷反应釜作为反应器，测定与放大有关

27、的工程数据。小瓷反应釜作为反应器，测定与放大有关的工程数据。小试中发现，反应放热量大，且对温度敏感，当反应温度试中发现，反应放热量大，且对温度敏感，当反应温度低于低于60时反应速率缓慢；当反应温度超过时反应速率缓慢；当反应温度超过6565时，反时，反应剧烈，温升很快，以致无法控制。因此，反应温度必应剧烈，温升很快，以致无法控制。因此，反应温度必须控制在须控制在60606565的温度范围内。的温度范围内。v1.1.中试装置中试装置 见图见图5 51 1，反应釜的夹套中通，反应釜的夹套中通入冷却水及时移走反应热，其入冷却水及时移走反应热，其进出口温度及流量分别为进出口温度及流量分别为t t1 1,

28、t,t2 2和和W W；釜内采用；釜内采用2 2支热电阻温度支热电阻温度计分别测量液相温度（计分别测量液相温度（T T）和气）和气相温度（相温度（T T）；在反应釜两侧）；在反应釜两侧相对距釜壁相对距釜壁500mm500mm处放置温度计处放置温度计测量环境温度测量环境温度1 1、2 2。图图5 51 1 反应釜中试装置反应釜中试装置v2.2.反应器工程数据的测算反应器工程数据的测算v根据氧化反应过程的特点，在对氧化反应进行工根据氧化反应过程的特点，在对氧化反应进行工程放大时，及时移走反应热，将反应温度严格控程放大时，及时移走反应热，将反应温度严格控制在制在60606565范围内是关键。中试时，

29、重点是测范围内是关键。中试时，重点是测定反应过程的热量平衡，混合物系的热力学性质，定反应过程的热量平衡，混合物系的热力学性质，以及反应釜的传热系数等。以及反应釜的传热系数等。v（1 1）反应釜的热量平衡）反应釜的热量平衡v假设反应釜处于全混状态，其内的物料浓度和温度假设反应釜处于全混状态，其内的物料浓度和温度分布均匀，且搅拌器搅拌物料时产生的热量忽略不分布均匀，且搅拌器搅拌物料时产生的热量忽略不计。其热量平衡方程为：计。其热量平衡方程为：vQ QR R+Q+Q1 1+Q+Q2 2+Q+Q3 3=Q=Q4 4+Q+Q5 5 (5-1) (5-1)vQ QR R- -化学反应放出的热量化学反应放出

30、的热量vQ Q1 1- -釜内物料升温（或降温）吸收（或放出）热量釜内物料升温（或降温）吸收（或放出）热量vQ Q1 1m mp pC Cp p(T(T0 0-T-T) (5-2) ) (5-2) v式中：式中：m mp p- -釜内物料量，釜内物料量，Kg;Kg;v C Cp p- -物料的比热容，物料的比热容，KjKj/(Kg/(Kg)v T T0 0.T.T- -物料起始和终了温度，物料起始和终了温度，。vQ Q2 2夹套内水移走（或供给）的热量夹套内水移走（或供给）的热量vQ Q2 2=WC=WCpWpW(t(t1 1-t-t2 2) ) (5-3) (5-3)v式中：式中：W W冷却

31、水流量，冷却水流量，Kg/h;Kg/h;v C Cpwpw- -水的比热容，水的比热容， KjKj/(Kg/(Kg)v t t1 1、t t2 2- -冷却水的进出口温度，冷却水的进出口温度，v 测定的时间间隔，测定的时间间隔，h h vQ Q3 3反应釜体升温（或降温）吸收（或放出）热反应釜体升温（或降温）吸收（或放出）热量量vQ Q3 3m mR RC CpRpR(T(TR0R0-T-TR R) (5-4) (5-4)v式中：式中：m mR R- -釜体的质量，釜体的质量，KgKgv C CpRpR- -釜体的比热容，釜体的比热容， KjKj/(Kg/(Kg)v T TR0R0、T TR

32、R釜体开始和终了温度，釜体开始和终了温度， vQ Q4 4釜上封头对环境传热量釜上封头对环境传热量vQ Q4 4K KR RA AT T(T(T- -) ) (5-5) (5-5)v式中：式中：K KR R- -封头散热的传热系数，封头散热的传热系数， Kj/(mKj/(m2 2h h)v A AT T- -封头的散热面积，封头的散热面积，m m2 2v T T、封头的开始和终了温度，封头的开始和终了温度， v 测定的时间间隔，测定的时间间隔，h hvQ Q5 5釜夹套侧对环境的传热量釜夹套侧对环境的传热量vQ Q5 5K KR RA Aj j(t(t- -) ) (5-6) (5-6)v式中

33、：式中：K KR R- -釜夹套侧散热的传热系数，釜夹套侧散热的传热系数， Kj/(mKj/(m3 3h h)v A Aj j- -釜夹套侧釜夹套侧的散热面积，的散热面积，m m2 2v t t、釜夹套侧釜夹套侧的开始和终了温度，的开始和终了温度， v 测定的时间间隔，测定的时间间隔，h hv则式则式5 51 1可写成可写成vQR+mpCp(t0-t)+WCpw(t1-t2)+mRCPR(TR0-t R)KRAT(T- )+ KRAj(t- ) (5-7)v测定时以水作为物料，夹套层内以测定时以水作为物料，夹套层内以6060左右的热水左右的热水供热。以加热釜内的水，然后在夹套中通入冷水降供热。

34、以加热釜内的水，然后在夹套中通入冷水降温，测定釜体散热的传热系数。温，测定釜体散热的传热系数。v当以水代替物料进行热量平衡时，无反应热，且物当以水代替物料进行热量平衡时，无反应热，且物料为水。故料为水。故：vQR=0,CP=4.184,CPW=4.184v则（则（57）变成）变成v4.184mP(t0-t)+4.184 (t1-t2) W+mRCPR(TR0-t R)KRAT(T- )+ KRAj(t- ) (5-8)v通过测定，可获得通过测定，可获得T T0 0、T T、t t1 1、t t2 2、T TR0R0、T T R R、T T及及、等数据，则等数据，则K KR R可求得。测试结果见

35、表可求得。测试结果见表5 53 3v对对8 8：25258 8：5555时间段进行热量平衡：时间段进行热量平衡：v已知：已知：C CPRPR=0.477Kj/(Kg=0.477Kj/(Kg);m);mR R=342Kg,A=342Kg,Aj j=0.77m=0.77m2 2,A,AT T=0.5m=0.5m2 2, , m mP P=102.8Kg=102.8Kgv釜内液相物料加权平均温度釜内液相物料加权平均温度(4352.2)2 10(52.256.5)2 10(56.558.3)2 5(58. 359.4)2 510 1055T =53.36时间釜 内夹套内环 境液温T/汽温T/进水温t1

36、/出水温t1/水量/Kg温度1/温度2/8:2543.037.563.262.5161.2330.530.58:3552.245.063.662.7162.1431.031.58:4556.550.063.262.8162.9431.331.58:5058.350.563.262.8163.3531.532.08:5559.452.063.262.8163.7131.732.09:1554.9750.022.725.1164.1731.832.09:2549.645.522.123.6164.6532.132.09:3546.2742.021.923.0165.1432.032.09:4544

37、.140.521.922.7165.5932.533.09:5542.540.021.922.5166.0232.533.010:0541.33821.922.4166.5932.533.010:1540.6037.521.922.4166.9732.633.0表表5 53 3 反应釜传热系数测定反应釜传热系数测定夹套内水的加权平均温度夹套内水的加权平均温度同样对夹套进水（同样对夹套进水（t t1 1）出水（）出水（t t2 2）温度求加权平）温度求加权平均值，得出：均值，得出：t t1 1=63.48=63.48，t t2 2=62.72=62.72则夹套内水的平均温度为：则夹套内水的平均温

38、度为：t=(tt=(t1 1+t+t2 2)/2=63.10)/2=63.10环境加权平均温度环境加权平均温度用相同的方法求出环境的平均温度用相同的方法求出环境的平均温度31.3031.30釜内汽相加权平均温度釜内汽相加权平均温度T T46.5046.50釜体温度釜体温度用下式近似估计釜体的平均温度用下式近似估计釜体的平均温度3RTTtT则釜体开始时平均温度为：则釜体开始时平均温度为：043.037.563.1047.93RT釜体终了时的平均温度为：釜体终了时的平均温度为：59.452.063.1058.13RT8 8：25258 8：5555时间段内冷却水量时间段内冷却水量W W=163.7

39、1-161.23=2.48Kg=163.71-161.23=2.48Kg将上述数据代入式（将上述数据代入式（5 58 8），得到反应釜吸热时），得到反应釜吸热时的传热系数：的传热系数：K KR R=-51.83 Kj/(m=-51.83 Kj/(m2 2h h)对对9 9：15151010：1515时间段进行热量平衡，采用上时间段进行热量平衡，采用上述方法求得反应釜放热时的传热系数述方法求得反应釜放热时的传热系数K KR R=534.68 Kj/(m=534.68 Kj/(m2 2h h)3.测定物料的热化学性质测定物料的热化学性质v将将159Kg159Kg物料投入搪瓷反应釜中，开始在夹套内通

40、物料投入搪瓷反应釜中，开始在夹套内通入热水加热升温（入热水加热升温（1414：000014:4514:45）。然后在夹套）。然后在夹套内通入冷水控制釜内温度在内通入冷水控制釜内温度在60606565范围内反应范围内反应（1414：50502020：5050），每小时取样分析主反应物的），每小时取样分析主反应物的量（量（molmol）。最后在夹套内通入冷水将釜内物料降）。最后在夹套内通入冷水将釜内物料降温后（温后（2020：50502121：3030）出料。整个反应过程的情）出料。整个反应过程的情况见表况见表5 54 4。表表5 54 4 测定物料的热化学性质测定物料的热化学性质时间时间釜内釜内

41、夹套内夹套内环境环境主反应主反应物量物量/mol液温液温/汽温汽温/进水温进水温/出水温出水温/出水量出水量/Kg温度温度1 1/温度温度2 2/14:0037.138.034.837.8148.6135.535.814:1038.8740.071.264.9148.8135.835.814:2043.940.063.862.7149.0235.836.014:3050.4342.062.662.1149.7636.036.514:4054.0745.061.760.8149.8736.337.014:5057.5347.033.448.5149.8937.035.725.5815:2058.

42、3050.226.941.3150.0336.436.015:5058.4750.226.342.7150.1436.436.523.6616:2059.1721.026.239.2150.3936.536.516:5059.1351.024.936.6150.4836.036.518.2217:2059.4351.023.832.2150.7036.036.0表表5 54 4 测定物料的热化学性质测定物料的热化学性质时间时间釜内釜内夹套内夹套内环境环境主反应主反应物量物量/mol液温液温/汽温汽温/进水温进水温/出水温出水温/出水量出水量/Kg温度温度1 1/温度温度2 2/17:5059.

43、5351.024.136.5151.0234.835.012.7218:2060.5752.023.130.7151.3333.834.018:5060.3752.023.433.8151.6333.233.26.3719:2060.4351.523.136.5151.7132.032.019:5060.4351.523.841.9151.8931.531.51.4220:2060.3751.525.045.2151.9331.031.020:5060.4051.526.044.7151.9531.231.221:0056.9351.521.724.2152.5330.630.621:1053

44、.4050.021.623.3152.9630.530.521:2050.4347.021.622.8153.4330.230.221:3048.2345.021.522.7153.8930.230.2物料的比热容物料的比热容在反应结束后，可将降温阶段看作物料的降温过程，在反应结束后，可将降温阶段看作物料的降温过程，已不存在反应热的放出，即已不存在反应热的放出，即Q QR R0 0。此时热量衡算式为：。此时热量衡算式为：mpCp(t0-t)+4.184W (t1-t2)+mRCPR(TR0-t R)KRAT(T-)+ KR Aj (t-) (5-9)采用类似上面的方法对采用类似上面的方法对21

45、21：00002121：3030的时间段进的时间段进行热量衡算，得到物料的比热容：行热量衡算，得到物料的比热容：C CP P=3.96 =3.96 KjKj/(Kg/(Kg)反应热反应热采用热量衡算式（采用热量衡算式（5 57 7）对）对1515：505016:5016:50时间段进行热时间段进行热量衡算，依次求得：量衡算，依次求得：T T0 0=58.47,T=58.47,T=59.13,T=59.13,TR0R0=42.72,T=42.72,TR R=46.96=46.96t t2 2=39.43,t=39.43,t1 1=25.90,t=32.67,=25.90,t=32.67,=36.

46、5=36.5T T=50.8,W=50.8,W=340Kg,=340Kg,经计算得到反应热为：经计算得到反应热为：Q QR R18315.5Kj18315.5Kj在此时间段反应掉的主反应物的量为：在此时间段反应掉的主反应物的量为：23.6623.6618.2218.225.44mol,5.44mol,则摩尔反应热为：则摩尔反应热为：18315.53366.8/5.44RHKJ mol4.测定反应釜筒体的总传热系数测定反应釜筒体的总传热系数v在间歇反应过程中，反应放热量是不均匀的，在进行反应在间歇反应过程中，反应放热量是不均匀的，在进行反应釜设计时，应以最大热负荷来计算传热面积。因此，测定釜设计

47、时，应以最大热负荷来计算传热面积。因此，测定也应在反应热放热量大的阶段进行。本例以也应在反应热放热量大的阶段进行。本例以15：5016:50时段反应掉的主反应物量较多，故应以该时段为基准进行时段反应掉的主反应物量较多，故应以该时段为基准进行计算。计算。v冷却水带走的热量冷却水带走的热量v1515：50501616：2020冷却水带走的热量冷却水带走的热量126.326.226.252t242.739.240.952tQ1=(150.39-150.14)10004.184(40.95-26.35)=15376.2KJv16:2016:201616：5050冷却水带走的热量冷却水带走的热量126.

48、224.925.552t239.236.637.92tQ2=(150.48-150.39)10004.184(37.9-25.55)=4650.5KJ环境吸收的热量环境吸收的热量25.939.4332.662t136.436.536.536.036.354236.536.536.536.536.5436.3536.536.4252Q Q3 3K KR RA Aj j(t(t- -)=-51.83)=-51.830.770.77(36.425-32.66)=-150.3KJ(36.425-32.66)=-150.3KJ反应釜筒体总传热系数反应釜筒体总传热系数q=q=KAKAj jt tm m12

49、315376.24650.5 150.319876.4/1QQQqKJ h58.4759.1759.1759.1358.9854T212139.42525.925.73358.98525.9lnln58.98539.425mtttTtTt19876.41003.130.77 25.733jmqKAtKj/(m2h)v注：当反应物系为部分互溶或非均相物系时，注：当反应物系为部分互溶或非均相物系时，搅拌分散效果显得非常重要，此时除了上述搅拌分散效果显得非常重要，此时除了上述参数外，还应对搅拌器形式、搅拌速率进行参数外，还应对搅拌器形式、搅拌速率进行测定，并寻求放大判据。测定，并寻求放大判据。第二节

50、第二节 数学模拟法数学模拟法v数学模拟法是以建立数学模型为目的的研究方法。数学模拟法是以建立数学模型为目的的研究方法。v一一. .数学模型数学模型v模型通常是指描述一个系统的各种参数及变量之间的数模型通常是指描述一个系统的各种参数及变量之间的数学关系。学关系。v化工过程的数学模型一般是一组微分方程或是一种代数化工过程的数学模型一般是一组微分方程或是一种代数方程，它是描述过程动态规律的。方程，它是描述过程动态规律的。v化工过程的数学模型可以将试验装置、中试装置，甚至化工过程的数学模型可以将试验装置、中试装置，甚至大型生产装置的测试数据，通过数学回归，获得纯经验大型生产装置的测试数据，通过数学回归

51、，获得纯经验的数学关系，这就是经验模型；也可以从化工过程的机的数学关系，这就是经验模型；也可以从化工过程的机理出发推导，并经过试验验证的过程数学模型，即机理理出发推导，并经过试验验证的过程数学模型，即机理模型。模型。注意：注意：经验模型只在试验范围内有效，不能用于外推，因经验模型只在试验范围内有效，不能用于外推，因此受到限制。此受到限制。机理模型允许外推，是化工过程开发中理想的放大机理模型允许外推，是化工过程开发中理想的放大方法。方法。但是，由于化工过程，特别是反应过程的复杂性，很但是，由于化工过程，特别是反应过程的复杂性，很难建立一个纯机理模型。工业设计放大时，要求既能难建立一个纯机理模型。

52、工业设计放大时，要求既能描述过程特征，又要求简单以便于应用，因此如何对描述过程特征，又要求简单以便于应用，因此如何对过程进行合理简化，是建立数学模型的关键问题。过程进行合理简化，是建立数学模型的关键问题。数学模型建立的步骤模型准备模型假设模型构成模型求解模型分析v反应过程是建立在质量传递、热量传递、动量传递反应过程是建立在质量传递、热量传递、动量传递和化学反应过程基础上的，而且各种传递过程间，和化学反应过程基础上的，而且各种传递过程间，以及它们与反应过程都是有密切联系的。以及它们与反应过程都是有密切联系的。v对于这样复杂的反应过程体系，一般是将反应过程对于这样复杂的反应过程体系，一般是将反应过

53、程分解成多个分解成多个“等效的等效的”简单过程，再对分解的过程简单过程，再对分解的过程进行研究。这样可以使研究问题得到简化。进行研究。这样可以使研究问题得到简化。v例如，通常将反应过程分解为化学反应与传递过程例如，通常将反应过程分解为化学反应与传递过程进行研究。进行研究。反应过程反应过程化学反应化学反应传递过程传递过程纯化学过程纯化学过程，不受反应器结不受反应器结构的影响构的影响纯物理过程，纯物理过程，只随设备结构只随设备结构形式和流动混形式和流动混合状态而改变合状态而改变数学模型数学模型综合综合反应过程建立数学模型示意图反应过程建立数学模型示意图1.1.研究反应过程研究反应过程v以化学反应为

54、研究对象，在实验室进行反应动力学、热力学的特征研究，并进行基础数据的测定，以掌握反应过程的内在规律。v由于化学反应是一个微观过程，其规律一般不随设备尺寸而变化，因此，反应动力学数据可以在小试装置中进行测定。在反应过程研究中，影响因素多，要尽可能的排除外界因素对研究对象的影响。只有这样，才能通过表面现象看到所研究的反应体系的本质。v化学反应是化工生产的核心部分，决定着产品的收化学反应是化工生产的核心部分，决定着产品的收率，对生产成本有着重要影响。尽管如此，在早期率，对生产成本有着重要影响。尽管如此，在早期因其复杂性而阻碍了人们对它的系统研究。直到因其复杂性而阻碍了人们对它的系统研究。直到20世纪

55、中叶，在单元操作和传递过程研究的基础上，世纪中叶，在单元操作和传递过程研究的基础上，发现了各种反应过程具有的共性问题，如反应器的发现了各种反应过程具有的共性问题，如反应器的返混、反应相内传质和传热，反应相外传质和传热、返混、反应相内传质和传热，反应相外传质和传热、反应器的稳定性等。对于这些问题的研究，以及对反应器的稳定性等。对于这些问题的研究，以及对反应动力学各种效应的研究，构成了一个新的学科反应动力学各种效应的研究，构成了一个新的学科分支分支化学反应工程学，从而使化学工程的内容化学反应工程学，从而使化学工程的内容和方法得到了充实和发展。和方法得到了充实和发展。v化工热力学也是单元操作和反应工

56、程的理论基础，化工热力学也是单元操作和反应工程的理论基础，研究传递过程的方向和极限，提供过程分析和设计研究传递过程的方向和极限，提供过程分析和设计所需的有关基础数据。因此，化学工程的学科分支所需的有关基础数据。因此，化学工程的学科分支也可以分两个层面：单元操作和反应工程较多的直也可以分两个层面：单元操作和反应工程较多的直接面向工业实际；传递过程和化工热力学较多的从接面向工业实际；传递过程和化工热力学较多的从基础研究角度，支持前两个分支。通过两个层面使基础研究角度，支持前两个分支。通过两个层面使理论和实际得以密切结合。理论和实际得以密切结合。v有关反应动力学的试验研究，已有大量的书籍和文有关反应

57、动力学的试验研究，已有大量的书籍和文献资料，下面仅对反应动力学的试验研究进行简单献资料，下面仅对反应动力学的试验研究进行简单介绍。介绍。（1 1）反应动力学模型）反应动力学模型v常用的反应动力学模型如下常用的反应动力学模型如下v幂函数型幂函数型v例如反应速率为：例如反应速率为：abABrkC C式中：式中：C CA A、C CB B分别为反应物分别为反应物A A和和B B的浓度；的浓度； k k、a a、b b模型参数模型参数对于均相反应，幂函数是一种机理模型，也可作对于均相反应，幂函数是一种机理模型，也可作为复杂反应的经验模型。为复杂反应的经验模型。双曲型v例如反应速率为例如反应速率为：1A

58、BAABkp prK p p式中：式中：PA、PB-分别为反应物分别为反应物A A和和B B的分压的分压 k,Kk,KA A,K,KB B模型参数模型参数这种模型特别适用于非均相催化反应，也是一种机这种模型特别适用于非均相催化反应，也是一种机理模型。理模型。级数型v例如反应速率为例如反应速率为：式中：式中：CA、CB-分别为反应物分别为反应物A A和和B B的浓度的浓度 b b1 1,b,b2 2,b,b3 3,b,b4 4,b,b5 5模型参数模型参数这是一种经验模型，它表示的关系式是一种复杂函数这是一种经验模型，它表示的关系式是一种复杂函数的泰勒级数展开式的前几项，根据逼近程度，还可以的泰

59、勒级数展开式的前几项，根据逼近程度，还可以增加幂次。增加幂次。22012345ABABABrbbCb Cb Cb Cb C C（2）反应动力学的实验测定）反应动力学的实验测定v微分反应器：指反应物料高速通过小体积的反应区，微分反应器：指反应物料高速通过小体积的反应区，仅发生微小的转化（一般转化率小于仅发生微小的转化（一般转化率小于5 5）。）。v这种反应器的特点：这种反应器的特点：va.a.由于反应床层中流速快，转化率低，可以认为不存在由于反应床层中流速快，转化率低，可以认为不存在返混和扩散阻力，温度和浓度基本一致，因此可获得真返混和扩散阻力，温度和浓度基本一致，因此可获得真正的反应动力学规律

60、；正的反应动力学规律；vb.b.由于反应转化率很小，所获得的数据可直接建立动力由于反应转化率很小，所获得的数据可直接建立动力学微分表达式。但是，微分反应器对进出口浓度的分析学微分表达式。但是，微分反应器对进出口浓度的分析提出很高的要求。而且对温度、流量和压力的测量精度提出很高的要求。而且对温度、流量和压力的测量精度要求也高，在实际操作上存在许多困难，因此微分反应要求也高，在实际操作上存在许多困难，因此微分反应器仅用于简单反应的动力学测定。器仅用于简单反应的动力学测定。（2）反应动力学的实验测定）反应动力学的实验测定v对微分反应器，可以假定在进口转化率（对微分反应器，可以假定在进口转化率（x x