化工过程开发概论

第三章开发放大方法用模型研究化工过程发生的各种现象和规律用以取得放大设计的依据，是化工过程开发中常采用的开发放大方法。

研究化工过程放大规则的模型有“物质模型”和“非物质模型”两种形式。前者是指那些与生产装置或设备相似，但小于生产规模的试验装置或设备，后者则为描述过程动态规律并与过程运行实际情况等效的数学模型，凡根据模型模拟过程所得研究结果将过程加以放大的方法，统称为“模拟放大”。目前化工过程开发有四种方法，它们是逐级经验放大法，数学模拟法，部分解析法和相似放大法。第三章

开发放大方法一、逐级经验放大法

逐级经验放大法是运用物质模型从实验室规模的小试开始，经过逐级放大的模型试验研究直到将化工过程放大成为生产规模。这种放大方法每放大一级都必须建立相应的模型装置，详细观察和记录模型试验中发生的各种现象和结果。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，故为经验性质的放大。第三章

开发放大方法逐级经验放大法1、研究方法

化工过程开发需要解决的问题通常是如何合理选择设备型式，确定最佳的工艺条件，以及将设备放大达到过程开发的目标。而逐级经验放大法的研究方法则主要是通过试验来取得设备选型，条件优化和设备放大的信息和结论。

1）设备选型

设备选型通常都以小试验的方式进行。因为过程开发初期技术方案尚未确定，不可能花费大量投资建立各种型式的大型设备作设备型式的筛选试验，例如化学反应器选型是采用不同型式和结构的小型反应器，在实验室对所开发的反应过程进行试验研究。从试验结果的优劣，即可确定最佳型式的反应器。这种试验考察的因素仅仅是设备的型式和结构，故为结构变量试验。第三章

开发放大方法逐级经验放大法

2）优化工艺条件优化工艺条件的试验研究应在设备选型试验之后进行，如果设备型式未定，则条件优化将无意义。这种试验仍然可以在设备选型所确定的小型试验设备内进行。试验考察的因素是各种工艺条件，并从不同操作条件的试验结果对比中筛选出最佳工艺条化。由于试验仅仅改变工艺操作条件，故为操作变量试验。

3）反应器放大反应器放大的试验研究是采用建立模型装置的方式进行逐级放大，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，并取得设备放大的有关判据或数据。这种试验所考察的因素是设备几何尺寸改变以后对于过程结果产生的影响，故为几何变量试验。

第三章

开发放大方法逐级经验放大法

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型式，最佳工艺条件，以及放大设计的判据和数据等信息和资料，为建立生产装置提供了比较可靠的依据。

从以上研究方法的讨论可见，逐级经验放大法具有如下特征：

★只综合考察输入变量和输出结果的关系，未分解过程，不能深入研究过程的内在规律。

★试验步骤由人为规定，并非科学合理的研究程序。

★放大是根据试验结果外推，并不一定可靠。但是化工过程开发技术的发展和人们在开发工作中已经能够运用理论分析和经验判断解决许多放大问题，在一定程度上弥补了逐级经验放大法的缺陷。当前这种方法仍然是广泛采用的成熟的化工过程开发方法。

第三章

开发放大方法逐级经验放大法

例1.用异丙苯为原料生产苯酚和丙酮。采用逐级经验放大法对过氧化氢异丙苯分解反应器进行放大。异丙苯生成苯酚和丙酮的反应分两步进行：（1）异丙苯氧化生成过氧化氢异丙苯（2）过氧化氢异丙苯用硫酸作催化剂在液相中分解生成苯酚和丙酮

苯酚和丙酮的收率取决于第二步反应，而且硫酸的浓度越高，分解速率越高。分解反应为一级不可逆反应。

第三章

开发放大方法逐级经验放大法(1)反应器选型对于均液相反应，釜式反应器和管式反应器均可应用。但试验结果说明，在相同反应条件和相同反应器体积的情况下，采用连续流动管式反应器的转化率为98.8%，而采用连续操作搅拌釜的转化率只能达到97.8%左右。至于间歇操作搅拌釜与连续流动管式反应器比较，显然由于间歇釜在操作过程中必须保留一定的非生产性辅助时间，而且一般釜式设备都各有一定的有效容积，必须保留一定的自由空间，要达到相同的转化率和相同的反应物料处理能力，则所需的设备体积要比连续流动管式反应器的体积大许多。考虑到苯酚和丙酮为重要的基本有机化工产品，生产量较大。选用连续流动管式反应器比较适宜。

第三章

开发放大方法逐级经验放大法(2)工艺条件优化在实验室选用一根直径为40mm，长1202mm的反应管(1.51L)进行试验，分别考察反应物浓度、反应温度、催化剂浓度和反应物料流量等工艺条件对反应结果的影响。试验发现上述工艺条件对反应结果都有不同程度的影响。其中过氧化氢异丙苯的分解速率随着反应物料浓度、反应温度和催化剂浓度的提高而加快，但达到一定数值后，分解速率的变化逐渐减缓。至于反应物料的流量则不宜过大，因为流量过大，反应物科在反应器内的停留时间较短,物料分解不完全，而致转化率和收率下降。根据试验结果，选定的较佳工艺条件为：反应物料浓度：3.2kmol.m-3反应温度：359K硫酸浓度（催化剂）：6N反应物料流量：0.1m3.h-1此时过氧化氢异丙苯的转化率为98.8％。第三章

开发放大方法逐级经验放大法(3)反应器放大放大试验分两级进行，首先取一根直径为40mm，长1719mm的反应管(2.15L)按上述工艺条件进行试验，反应转化率提高至99.8%。然后按2.15L反应管的尺寸比例将反应管体积放大至10L，并将反应物料流量相应增大至0.464m3.h-1,进行试验,反应转化率仍可达到99.8%，未发现放大效应。从上述试验结果看，维持小试工艺条件将反应器体积由1.51L增大至2.15L，反应转化率仅增加1%，而反应器体积则要增大30%，说明反应后期反应速率已经变得十分缓慢，此时若要提高产品收率就必需增大反应器体积，从技术经济观点考虑，片面追求高转化率并不一定妥当。因此反应器放大设计应依转化率达到98.8％的要求计算。

第三章

开发放大方法逐级经验放大法(4)反应器设计生产要求每小时处理过氧化氢异丙苯浓度为3.2kmol.m-3的反应物料3m3，确定反应器的体积。由于过氧化氢异丙苯的分解为均液相反应，反应温度和催化剂浓度等工艺条件的要求不苛刻，反应过程进行得比较完全，经放大试验考察末发现放大效应，所以生产用反应器的设计可以按试验用反应器的尺寸，依要求完成的反应物料处理量，保持反应器几何相似，用外推法按比例放大。因放大倍数较小，可认为符合线性变化规律。当要求反应转化率达到98.8%，用反应管体积为1.51L模型反应器作几何相似放大时，由外推法算出的生产用反应器的体积为0.0453m3(45.3L)。如果要求反应转化率达到99.8%，则用反应管体积为2.15L的模型反应器作几何相似放大，由外推法算出的生产用反应器的体积为0.0645m3(64.5L)。

第三章

开发放大方法逐级经验放大法二、、数数学学模模拟拟法法数学学模模拟拟法法是是一一种种新新开开发发方方法法，，它它不不一一定定要要通通过过试验验去去取取得得放放大大的的判判据据和和数数据据，，一一般般是是在在认认识识过过程程特特征征的基基础础上上，，运运用用理理论论分分析析找找到到描描述述过过程程规规律律的的数数学学模模型型，，并验验证证该该模模型型与与实实际际过过程程等等效效，，就就可可以以用用来来进进行行放放大大设设计计计算算。。1.数数学学模模型型数学学模模型型通通常常是是一一组组微微分分方方程程或或者者一一组组代代数数方方程程，，用以以描描述述过过程程的的动动态态规规律律。。由由于于化化工工过程程一一般般都都比比较较复复杂，，要要找找到到真真实实描描述述过过程程动动态态规规律律的的数数学学模模型型往往往往十十分分困难难，，即即使使是是能能够够找找到到，，也也常常因因模模型型过过于于复复杂杂，，而而无无法法实际际应应用用。。因因此此，，对对于于数数学学模模型型的的要要求求，，既既要要能能够够描描述述过程程，，又又要要简简单单而而便便于于应应用用。。第三三章章开发发放放大大方方法法数数学学模模拟拟放放大大法法1））建建立立数数学学模模型型的的思思想想方方法法建立立数数学学模模型型首首先先应应掌掌握握化化工工过过程程运运行行的的动动态态规规律律，，然后后才才能能找找到到描描述述这这种种动动态态规规律律的的数数学学方方法法。。例例如如，，描描述反反应应器器内内进进行行化化学学反反应应的的数数学学模模型型，，必必须须在在掌掌握握了了化化学反反应应热热力力学学和和动动力力学学规规律律的的基基础础上上，，结结合合不不同同型型式式反反应器器内内物物料料流流动动与与混混合合规规律律，，以以及及传传热热和和传传质质规规律律，，才才能建建立立以以物物料料衡衡算算式式、、热热量量衡衡算算式式和和动动量量衡衡算算式式联联立立方方程组组表表示示的的数数学学模模型型。。该该模模型型反反映映了了反反应应器器内内物物料料进进行行化学反反应的的动态态规律律。求求解联联立方方程组组，可可以设设计任任何、、生产规规模的的反应应器容容积，，预测测生产产条件件下的的反应应结果果，确定最最佳工工艺条条件。第三章章开发放放大方方法数数学学模拟拟放大大法2）数数学摸摸型的的简化化如果化化工过过程运运行的的动态态规律律十分分复杂杂，则则必须须寻求描描述这这种规规律的的简化化方法法，以以使建建立的的数学学模型型容易运算算求解解。而而简化化数学学模型型的关关键，，在于于如何何找到到与实际过过程等等效的的简化化方法法。因此，，作为为工程程放大大设计计的数数学模模型，，并不不一定定要求真实实地反反映过过程运运行的的机理理；只只要能能够达达到与与实际际过程等效效。第三章章开发放放大方方法数数学学模拟拟放大大法3）数数学模模型的的针对对性任何数数学模模型都都有明明确的的模拟拟目标标，即即使模模拟对对象相同而而模拟拟目标标不同同，数数学模模型的的型式式也各各异。。例如如，管式反反应器器内物物料的的返混混可以以用扩扩散模模型描描述，，但扩扩散模型绝绝不能能描述述物料料通过过反应应管的的滞流流或者者湍流流流动动状态。由于数数学模模型是是根据据模拟拟目标标建立立的，，每一一种数数学模型都都有一一定的的限制制范围围，而而这种种限制制一般般多为为工程程因素。例例如，，反应应器的的热交交换措措施，，限制制了模模型的的温度度范围；物物料预预混合合状态态的好好坏，，决定定了模模拟对对象是是均相相体系还是是非均均相体体系；；物料料的循循环和和分离离决定定了流流动模模型的型式式和限限制了了模型型的浓浓度范范围等等等。。如果果事先先明确确了数学模模型的的描述述目标标及其其限制制条件件，不不仅容容易掌掌握过过程运行的的动态态规律律，而而且在在一定定程度度上能能使模模型简简化，，有利于提提高数数学模模型的的可靠靠性。。第三章章开发放放大方方法数数学学模拟拟放大大法2、研研究方方法根据建建立数数学模模型的的思想想方法法，以以化学学反应应过程程开发发为例例，数数学模模拟法法可以以按以以下研研究步步骤进进行。。1）实实验室室研究究化学学反应应特征征实验室室研究究化学学反应应特征征的主主要任任务是是测定定反应应热力学学和动动力学学的特特征规规律及及其参参数。。由于研研究目目的是是掌握握过程程运行行的内内在规规律，，其研研究内容容和研研究手手段都都与逐逐级经经验放放大法法的实实验室室研究究有很大大差别别。它它已不不再是是反应应器选选型和和条件件优化化，而而是希望望从过过程内内在规规律上上去揭揭示过过程运运行的的实质质。因此应尽尽可能能排除除外界界因素素对于于过程程内在在规律律的干干扰，，试验装装置并并不一一定要要求与与生产产装置置相似似，但但对于于试验验测定的的精度度要求求较高高。第三章章开发放放大方方法数数学学模拟拟放大大法2）冷冷模试试验研研究传传递过过程特特征冷模试试验是是在无无化学学反应应参与与的情情况下下，专专门考考察设设备内内物料料的流流动与与混合合，以以及传传热和和传质质等物物理过过程规规律的的试验验，目目的在在于研研究化化学反反应器器的属属性，，了解解反应应器型型式和和结构构对于于反应应过程程的影影响。。这种种试验验应有有一定定规模模，而而且试试验装装置也也应与与生产产装置置相似似。反应器器内各各种物物理过过程的的规律律只随随反应应器的的型式式或结结构的的改变变而改改变，，只要要反应应器的的型式式和结结构相相同，，无论论反应应器内内进行行何种种类型型的化化学反反应，，反应应器内内物料料的流流动与与混合合，以以及传传热和和传质质等传传递过过程的的规律律相同同。因因此，，传递递过程程的规规律对对于化化学反反应过过程的的影响响具有有共性性。了了解这这一点点，就就为分分解过过程建建立数数学模模型提提供了了方便便。第三章章开发放放大方方法数数学学模拟拟放大大法3）综综合两两种特特征，，建立立数学学模型型，预预测工工业反反应器器性能能当化学学反应应特征征和传传递过过程特特征以以及描描述两两种特特征规规律的的函数数关系系式确确定之之后，，即可可用数数学方方法将将两种种规律律予以以综合合，形形成数数学模模型。。这种种模型型已充充分考考虑了了化学学反应应过程程的内内在规规律和和外界界环境境的影影响因因素，，如果果经过过检验验并验验证其其可靠靠，即即可用用来进进行运运算求求解，，可以以预测测放大大后反反应器器的性性能。。由于数数学模模型所所描述述的对对象是是某种种型式式反应应器内内进行行某一一化学学反应应的动动态规规律，，只要要反应应器的的型式式结构构和化化学反反应相相同，，由数数学模模型表表示的的过程程动态态规律律应不不受设设备几几何尺尺寸的的限制制。故故运用用数学学模型型进行行工业业反应应器设设计，，应不不存在在放大大效应应。数学模模型求求解一一般采采用电电子计计算机机。如如果将将数学学模型型编成成程序序输入入计算算机，，只要要改变变输入入的工工艺条条件，，即可可获得得该条条件下下的反反应结结果，，它能能够反反映工工业反反应器器操作作参数数改变变时可可能出出现的的问题题，也也可以以优选选最佳佳工艺艺条件件和预预测反反应器器的性性能。。第三章章开发放放大方方法数数学学模拟拟放大大法4）中中试检检验数数学模模型的的等效效性按上述述步骤骤取得得的数数学模模型是是否能能够模模拟实实际生生产过过程，，还有有待于于通过过实践践检验验。因因此应应建立立中试试装置置进行行中试试，以以检验验数学学模型型与实实际过过程的的等效效性。。这是是数学学模拟拟法的的一个个不可可缺少少的环环节。。但试试验目目的与与逐级级经验验放大大法的的中试试不同同。当当数学学模型型经中中试证证明与与实际际过程程等效效后，，就能能用于于预测测工业业反应应器性性能和和进行行反应应器设设计。3、特特征★分解过过程，，考察察过程程的内内在规规律★简化过过程，，寻找找建立立等效效模型型的途途径★科学试试验的的目的的是为为了建建立和和检验验数学学模型型第三章章开发放放大方方法数数学学模拟拟放大大法例2用用数数学模模拟法法开发发与例例1相相同的的由过过氧化化氢异异丙苯苯分解解生产产苯酚酚和丙丙酮的的反应应过程程。当当硫酸酸浓度度为6N，，在359K等等温条条件下下每小小时分分解浓浓度为为3.2kmol.m-3的过氧氧化氢氢异丙丙苯溶溶液3m3，要求求转化化率达达到99.8%，计计算所所需的的反应应器体体积。。(1)化学学反应应特征征该反应应过程程为等等温、、等容容均液液相催催化分分解反反应，，为不不可逆逆一级级反应应，其其动力力学模模型为为：由试验验测得得分解解速率率常数数k＝＝0.08s-1第三章章开发放放大方方法数数学学模拟拟放大大法(2)传递递过程程特征征根据等等温、、等容容、均均液相相等反反应过过程特特征，，考虑虑选用用长径径比较较大(l/d＝＝30~40)的连连续流流动管管式反反应器器作为为生产产设备备。由由于物物料的的粘度度较小小，通通过反反应器器的物物料流流量较较大(3m3.h-1)，反反应器器内流流动物物料应应基本本上处处于活活塞流流状态态，所所产生生的阻阻力损损失与与总压压强相相比，，也可可以忽忽略不不计，，而且且由于于反应应器等等温，，器内内应无无温度度梯度度，故故在反反应过过程中中基本本上不不存在在物料料的流流动与与混合合，以以及传传热和和传质质等传传递过过程对对于化化学反反应结结果的的影响响。上上述分分析与与模型型试验验的结结果相相符。。第三章开发放大方方法数数学模拟拟放大法(3)数学学模型按活塞流反反应器特征征，对于不不可逆一级级反应，表表示反应器器有效容积积与物料流流量和反应应转化率关关系的数学学模型为：：式中，VR为反应器的的有效容积积m3；Fo为反应物料料流量，m3.h-1；k为化学学反应速率率常数s-1；xA为化学反应应转化率，，%。(4)计算算结果当要要求求转转化化率率xA=99.8%时，，反反应应器器体体积积为为：：第三三章章开发发放放大大方方法法数数学学模模拟拟放放大大法法若将将分分解解转转化化率率降降低低1%，即即xA＝98.8%时，，反反应应器器体体积积为为：：数学学模模拟拟法法的的计计算算结结果果与与例例l用用逐逐级级经经验验放放大大法法的的外推推结结果果基基本本相相符符。。从从两两种种开开发发方方法法都都看看到到，，分分解解转转化化率率只只降降低低1%，，而而所所需需反反应应器器体体积积却却减减少少30%。。由由此此可可见见，，过过多多的的提提高高转转化化率率，，必必导导致致设设备备庞庞大大，，因因为为反反应应后后期期的的反反应应速速率率已已极极为为缓缓慢慢。。若若过过分分追追求求高高转转化化率率指指标标，，从从经经济济效效益益方方面面考考虑虑，，并并不不一一定定恰恰当当。第三三章章开发发放放大大方方法法数数学学模模拟拟放放大大法法第四四章章试验试验验是是化化工工过过程程开开发发的的主主要要工工作作，，从从立立题题之之初初的的实实验室室研研究究开开始始，，直直到到建建成成生生产产装装置置后后的的调调试试开开车车为为止止，，似乎乎每每一一步步都都离离不不开开试试验验研研究究。。严严格格地地说说化化工工过过程程开开发发的试试验验研研究究与与通通常常化化学学实实验验室室所所进进行行的的科科学学实实验验是是有有差差别的的。。前前者者研研究究的的目目的的是是确确定定技技术术路路线线、、技技术术方方法法和和技技术措措施施，，而而后后者者则则着着重重于于探探索索自自然然、、研研究究自自然然规规律律。。虽虽然在在一一定定条条件件下下由由化化工工过过程程开开发发试试验验所所取取得得的的数数据据和和资资料也也会会成成为为人人们们认认识识自自然然的的宝宝贵贵信信息息，，但但两两者者的的目目的的要要求不不同同。。因因此此化化工工过过程程开开发发试试验验表表现现了了如如下下特特征征：：(1)具有有试试探探性性和和验验证证性性的的双双重重性性质质(2)力求解析性和和综合性统一一第四章试验一、试验工工作程序1.拟订试试验计划试验计划通常常包括以下内内容：1）试验目的的2）试验提纲纲①试验的任务务和目的②试验考察的的内容③确定试验方方法及试验结结果检测方法法④提出试验设设计方案⑤确定测取哪哪些数据及其其测量范围；；⑥预计结果和和可能达到的的精度。3）试验准备备第四章试验试试验验工作程序2.进行试试验在试验准备工工作一切就绪绪后，就可开开展试验考察。3.撰写试验验报告①试验工作的的简要说明。。包括试验内内容、试验方方法、试验条件、试试验装置和测测试数据等的的说明。②试验数据处处理。即按合理的处处理方法将测测定的试验数据整理成具具有一定规律律的简明图表表、坐标曲线线或者数学模型。③试验结果分分析和结论。。包括在试验验数据处理的的基础上，分析试验验结果精度及及误差范围，，提出考察结结论，讨论结论适用的的范围和存在在的问题，提提出发展建议议。④参考文文献。列列举试验验研究所所依据的的有关文文献和调调查收集的有有关资料料。第四章试验试试验工工作程序序二、预试试验和系系统试验验预试验和和系统试试验相结结合是化化工过程程开发中中最常采采用的一种种研究方方法，这这种方法法能收到到以较少少的试验验次数和较少的的消耗而而取得准准确的技技术信息息的效果果。1.预预试验其任务是是定性地地或半定定量地认认识开发发对象，，以便在开发初初期，对对研究方方案或技技术开发发方案提提出一些些初步设想。预试验不不需要事事先提出出一个全全面的试试验计划划，但必必须有明朗朗的试验验目的。。试验内内容一般般是根据据前面试试验取得的结果果或发现现的问题题提出的的。第四章试验预预试试验和系系统试验验根据预试试验的考考察目的的，可将将其划分分为以下下三种试验方式式：1）认识识试验它是为了了认识过过程特征征而专门门设计的的试验，，例如考考察化学反反应过程程的温度度效应和和浓度效效应，定定性鉴别别工艺方法或工工艺路线线的优劣劣，了解解传递因因素对于于过程影影响的大小以及及转化率率和收率率的高低低，产品品质量和和性能的的好坏等。最常采用用的方法法是对比比方法，，如不同同路线和和方法的对比、、或不同同条件的的对比。。通过对对比，来来了解过过程特征，建立立技术概概念，形形成技术术方案和和技术措措施。第四章试验预预试试验和系系统试验验2）析因因试验它是一种种分析过过程结果果产生原原因的试试验。由由于化工工过程大多多是复杂杂的动态态系统，，涉及的的影响因因素很多多，过程的结局局往往都都是许多多因素综综合作用用的结果果，要从从复杂因素中查查明影响响结果的的主要因因素，可可以借助助于析因因试验。。在设计这这种试验验时，①①应充分分注意许许多工程程因素的的等效性，，并不一一定要对对各种因因素逐个个进行试试验；②②应分清可调因因素和不不可调因因素，对对于不可可调因素素不必作作专门考察；③③应分清清敏感因因素和非非敏感因因素，对对于非敏敏感因素不必着着重考察察。3）鉴别别试验它是为试试验研究究者的推推论中形形成的一一些结论论而设计计的试验。。这些结结论一般般是对技技术方案案提出的的某些设设想，如果设想想一旦经经试验验验证，即即可形成成技术决决策。第四章试验预预试试验和系系统试验验2.系系统试验验是在预试试验的基基础上，，针对预预试验确确定的某某些重要要结论或技术术设想，，有目的的、有计计划地探探明过程程规律，，并取得得定量数据据的一种种试验。。在化工过过程开发发中，预预试验为为概念设设计服务务，而系系统试验则为为基础设设计服务务。系统试验验又分为为数学模模拟放大大的系统统试验和和经验放放大的系统试试验。前前者是围围绕建立立数学模模型而进进行系统统地定量量测试，包包括：动动力学试试验、传传递过程程试验、、中试验验证试验；后者者则是为为放大设设计提供供定量的的技术参参数，包包括：寻寻找克服放放大效应应的条件件、测定定反应热热、优化化工艺条条件和防防腐试验。。第四章试验预预试试验和系系统试验验三、模型型试验模型试验验是一种种对研究究对象进进行间接接研究的的试验方方法，必须须建立模模仿研究究对象、、并与研研究对象象相似或或等效的模型。。由模型型试验取取得的试试验数据据，通过过一定的的转换方法，即即可转变变为反映映研究对对象某些些本质特特征的数数据。这种试验验方法在在化工过过程开发发中是一一种重要要的研究究手段。。模型试验验所采用用的模型型有“物物理模型型’和““数学模模型”两种形式式。选用用何种模模型进行行试验，，取决于于化工过过程开发的方法法。●物理模模型试验验：以模模型和原原型之间间物理量量相似为为基础建建立模型型实体所所进行的的试验。。●数学模模型试验验：依据据模型与与原型之之间表征征研究对对象规律律的数学学函数关关系一致致。即数数学模型型与实际际过程的的变化规规律等效效，或达达到数学学形式的的相似。。第四章试验模模型试验验四、中间间工厂试试验（中中试）它是将实实验室研研究成果果放大成成生产规规模之前前的一种种过渡性性试验。。目前，即即使采用用数学模模拟法进进行开发发放大，，也仍然然要用中中试来验验证数学模型型，所以以，中试试是化工工过程开开发步骤骤中不可可缺少的的环节。。中试规模模一般都都比小试试大，而而比实际际生产规规模小。。但对于于过程的的模拟则比比较接近近实际生生产情况况，故能能反映出出小试中中许多不不易观察察到的现象，，有利于于考察工工程因素素对于过过程的影影响。中试的内内容和任任务：①检验小小试确定定的工艺艺方法和和工艺条条件，以以及工艺艺系统连连续运转转的可靠靠性②考察放放大效应应，寻找找其产生生的原因因和消除除的办法法③检验数数学模型型与实际际过程的的等效性性④考察物物料对于于设备材材质的腐腐蚀作用用⑤考察工工艺过程程中微量量杂质积积累对于于过程以以及最终终产品质质量的影影响⑥提供一一定量的的产品供供进一步步加工应应用考察察⑦考察工工艺过程程中产生生的“三三废”情情况，寻寻找综合合治理的的方法第四章试验中中间工工厂试验验五、试验验方案设设计试验方案案设计是是为了科科学地、、系统地地进行试试验研究究而对试验验研究工工作预先先作出一一个具体体的实施施计划。。设计时时，应力求用用少数试试验取得得具有代代表性的的试验结结果。1.基基本概念念因素：温温度、时时间、配配比等水平：表表示试验验因素在在试验中中所选取取的具体体量的等等级。如温度水水平：55℃、、75℃℃、95℃℃判据（指指标）：：是一种种表征试试验研究究对象的的指标，，它表示该试验验研究对对象整体体技术水水平的高高低。如如转化率率、产品品质量等2.试试验方法法单因素试试验法：：一次只只试验一一个因素素多因素试试验法：：将多个个因素组组合在一一起进行行试验第四章试验试试验方方案设计计3.单单因素试试验法▲均分法法：将某一因因素要试试验考察察的范围围，等间间距地分分成5~6个试点进行行试验。。将试验验结果以以因素为为横坐标标，指标标为纵坐坐标，制成成图（或或表格）），从变变化趋势势确定因因素的最最优水平平。此法适用用于某一一确定因因素的条条件试验验。在使使用此法法进行因素素水平变变动的定定量试验验时要注注意三个个问题：：●试验范范围●试验间间距●试验顺顺序第四章试验试试验方方案设计计▲平分法法总是在试试验范围围的中点点安排试试验。设试验范范围在a~b之之间，中中点以x1表示示，则：：第四章试验试试验方方案设计计ax2x1bx1=(a+b)/2若第一次次试验结结果表明明x1取取大了，，则舍去去大于x1的一一半，在在（a,x1)的中中点x2处作第第二次试试验；反反之，若若取小了了，则舍舍去小于于x1的的一半，，把第二二点取在在（x1,b）的中中点。显然，应应用此法法时必须须先有一一个标准准或具体体指标，，且能从从一个试试验的结结果直接接分析出出该因素素的值是是取大了了还是取取小了，，从而决决定下次次试验的的方向。。▲黄金分分割法黄金分割割法又称称“0.618法’，，是一种种单因素素试验设设计方法，适适用于单单因素优优化。设有一线线段为L，将它它分割为为两部分分，长的的一段为为x，短的一段段为L-x。如如果分割割的比例例满足以以下关系系：这种分割割称为黄黄金分割割。式中中λ为比比例系数数，即整整个线段与与分割后后长的一一段的长长度之比比，等于于长的一一段与短短的一段的的长度之之比。对上式求求解得：：x=λλL=0.618L即黄金分分割点在在线段L的0.618处。黄黄金分割割法是一一种消去法，，每找到到一个新新的对称称点，试试验范围围即缩小小38.2%。。第四章试验试试验方方案设计计4.多多因素试试验法在多因素素试验中中，每个个因素都都要选择择若干水水平等级级和因素搭配配，如果果因素多多，而选选择的水水平也多多，则搭搭配的数数量很大，，有时可可使试验验工作量量大到无无法按受受的程度度。例如：某某化工产产品生产产转化率率受反应应温度(A)，，反应时间(B)和物物料配比比(C)三个因因素的影影响，而而规定各各因素的的试验范围围为：A:353~363K,B:90~150min,C:5%~7%试验的目目的是为为了解A、B、、C三个个因素对对转化率率的影响，并并确定最最适宜的的生产条条件。首先从试试验范围围选定三三个水平平等级：：A1=353K,A2=358K,A3=363KB1=90,B2=120,B3=150minC1=5%,C2=6%,C3=7%第四章试验试试验方方案设计计按常规网网络设计计方法，，将所有有因素和和水平搭搭配，则则有A1B1C1,A1B2C1,A1B3C1,………，，共计33=27次次试验。。这种设计计对因素素与水平平之间的的关系剖剖析得比比较清楚楚，但试验次次数多。。如果将将因素维维持不变变，将选选择的水水平由3增至6个个，则试试验次数数为36=729次。显显然，这这样的各各种量是无法接接受的。。★正交试试验设计计正交设计计法与网网络法相相比，具具有试验验次数少少，又能能全面反映研研究对象象指标的的优点。。因为它它是根据据试验目目的和数数、据来选择择试验点点，能使使所选择择的点在在试验范范围内分分布均匀匀，具有典型型性和代代表性。。例如上述述三因素素三水平平试验，，按正交交设计法法进行试试验设计，首首先要选选据好正正交表。。正交表表是已经经规格化化了的表表格，它是是正交设设计的基基本工具具。第四章试验试试验方方案设计计表中列数数，最多多可安排排的因素素数表1.L9(34)正交表表正交表代代号表中的行行数，表表示需做做的试验验次数因素的水水平数第四章试验试试验方方案设计计L9(34)列号列号试验号1234111112122231333421235223162312731328321393321按正交表表安排进进行试验验的具体体步骤为为：★排表头：：按照预预先排好好的因素素水平表表，将三三个因素素A、B、C顺顺序分别别填入L9(34)正交表表上方的的三个纵纵列，第第四个没没有因素素填入，，可以删删去。★各因素水水平对号号入座：：按照先先前排好好的因素素水平中中所确定定的关系系，将其其对号列列入表内内。表2.试试验方方案表第四章试验试试验方方案设计计因素试验号A（温度，K）B(反应时间,min)C(配料比,%)1A1(353)B1(90)C1(5)2A1(353)B2(120)C2(6)3A1(353)B3(150)C3(7)4A2(358)B1(90)C2(6)5A2(358)B2(120)C3(7)6A2(358)B3(150)C1(5)7A3(363)B1(90)C3(7)8A3(363)B2(120)C1(5)9A3(363)B3(150)C2(6)正交设计计的特点点：★每个因素素及各个个水平在在试验中中都出现现相同的的次数★任何两个个因素的的各个不不同水平平搭配，，在试验验中都出出现，且且出现的的次数也也相同。第五章技术经济济资料专专门资料料第五章技技术经经济资料料以建立化化工生产产装置为为目标所所需的技技术经济济资料可可分成：：专门资料料：与设设计和建建立生产产装置直直接有关关的资料料，如设计所需需的数据据和判据据。外围资料料：围绕绕建立生生产装置置和保障障装置正正常运行行所需的外部条条件的有有关资料料，如产产品、原原料、能能源和劳动动力等方方面的资资料。一、专门门资料1.物性性数据：：粘度、扩扩散系数数、导热热系数、、蒸汽压压、汽化潜热、、沸点、、凝固点点，以及及气、液液平衡数据等等等。是确确定工艺艺方法和和设计工工艺步骤的重要要依据。。第五章技术经济济资料专专门资料料2.化化学平衡衡数据：：Kc、Kp，是研究究化学反反应过程程，确定定工艺方法法和进行行技术评评价的重重要数据据。3.转转化率和和收率：：对于反应应：aA+bBpP+qQ转化率:XA=(nA0-nA)/nA0表明反应应物中关关键组分分A的转转化程度度。收率:Y=(a/p)(nP/nA0)表明反应应物中关关键组分分A转化化为目的的产物P的相对生成量量。选择性：：Ф=(a/p)(nP/(nA0-nA))表明主反反应和副副反应的的相对强强弱。三者关系系：Y=XAФ产率：γ=反应得到到某产物物的量/按理论论计算全全部反应应完全得得某产物物的量第五章技术经济济资料专专门资料料4.化化学反应应速率：：rA,是反应应器放大大的重要要依据之之一。5.物料料衡算和能能量衡算：：是设计生产产装置和工工艺流程的的基础，也是是技术经济济评价的依依据。●物料衡算稳定条件下下：输入量=输输出量当衡算体系系内有化学学反应发生生时：输入量+生生成量=输输出量+消消耗量+累累积量如果过程处处于稳定状状态，上述述关系中的的累积量为为0，则上上式变为：：输入量+生生成量=输输出量+消消耗量●能量衡算稳定条件下下：输入能量=输出能量量当反应体系系内有热效效应时：输入能量+反应放出出能量=输输出能量+系统中累累积能量化工系统的的能量衡算算主要有机械能衡算算和热量衡算。第五章技术经济资资料专专门资料料4.流程程图：是用来展示示整个工艺艺过程中设设备和单元元操作的关关联顺序，，说明物料料流动和能能量传递的的情况，简简明地将生生产程序表表示出来的的图样。按按照不同的的使用目的的，可分为为：工艺流程图图：用以表表明生产中中物料流向向，所包含含工艺方案流流程图的单元操作作和所需的的设备。物料平衡图图：表示工工艺操作中中原料和产产物（副产物）在各各设备中中的定量关关系。工艺施工流流程图：是带控制制点的工艺艺流程图，，应画出所所有生产设设备及全部管路路、控制点点、阀件。。工艺流程图图都应有相相应的技术术说明书，，以说明各各工艺步骤骤的作用、、工艺条件件及技术要要求等内容容。苯十二烯烷基化反应应AlCl3AlCl3淤泥精馏馏轻馏分杂质质重馏分杂质质磺化反应含SO320%的发烟硫酸酸油水分离器器水78%的废废硫酸中和反反应20%的NaOH干燥燥产品图1.十十二烷基苯苯磺酸钠生生产工艺流流程方框图图第五章技术经济资资料专专门资料料第五章技术经济资资料专专门资料料图2.制制备十二烷烷基苯磺酸酸钠的工艺艺流程图第五章技术经济资资料专专门资料料图3.生生产十二烷烷基苯磺酸酸钠的物科科平衡图第五章技术经济资资料外外围资料料二、外围资资料原料方面化工生产中中原料费用用往往是生生产成本的的主要组成成部分，因此，，收集原料料价格、产产地、品位位、供应量量，以及国家资源政政策和工业业发展规划划等方面的的信息和资资料，是决定项目开开发的工艺艺技术路线线、生产规规模，甚至至项目取舍的重要依依据之一。。表1.几几种重要化化工产品原原料费用在在成本结构构中的比重重第五章技术经济资资料外外围资料料化工产品的的原料主要要有：矿产品：贮贮量、品品位、开采采规模、价价格及国家家对自然资源的开发发规划及对对矿产品的的分配计划划。农副产品：产地、产产量，作为为工业原料料的可能性性，非收获季节供应应的可能性性，价格，，贮存条件件。化学合成产产品：生产厂家家的规模，，产品规格格，质量及及价格，市场供供应情况，，进口的可可能性，国国内发展前景。2.产品品方面产品特性：纯度和有有害杂质的的限量。产品的社会会需求市场价格第五章技术经济资资料外外围资料料3.副产产品方面主要应收集集副产品的的种类、性性能、数量量、对环境境的危害性，以以及可能采采取的处置置方法。其其中特别注注意收集对环境影响响的详细数数据和不同同处置方案案的经济价价值，以便在考虑产产品开发技技术方案时时注意综合合利用和综综合治理。。4.能源源热能：用作作加热介质质和设备动动力电能：用于于动力设备备，电加热热设备和电电化学反应应5.厂地地选择方面面主要是气象象条件、地地形、工程程地质资料料、交通运运输、环境保护、、水源、厂厂区及邻近近地区情况况、排洪及及排水资料、供电及及电讯资料料。第六章反应器及其其放大第六章反反应器器及其放大大在化工过程程开发中，，反应器的的投资只占占装置总投投资的一小小部分，但但它却是化化工生产的的核心。化化工产品开开发的成败败，在一定定程度上取取决于反应应器结构型型式和材质质选择是否否恰当，放放大设计是是否合理，，以及操作作条件是否否优化。反应器型式式和材质选选择主要依依据是化学学反应特征征、反应物物料特性以以及工艺要要求；反应应器放大设设计的目标标是放大前前后产品的的收率相等等；而操作作条件优化化则主要从从化学反应应速率和反反应选择性性考虑，选选择最佳反反应条件，，使产品质质量和收率率达到最优优。化学反应过过程的产物物收率主要要由反应的的平衡状态态、反应速速率和反应应物料在反反应器内的的停留时间间分布等三三个因素控控制。第六章反应器及其其放大一般化学反反应平衡规规律和速率率规律不会会因反应器的型式式和大小而而改变，因因此，只要要保持放大大前后两系统统的绝对压压强和绝对对温度相等等，则平衡衡常数和速率率常数的数数值也会相相等。影响化学反反应速率的的因素除反反应温度外外，还有反应物浓浓度。物料料在反应器器内的停留留时间分布布对反应体系系内物料的的浓度和浓浓度分布有有很大的影影响，这种现现象出现在在除了活塞塞流反应器器以外的所所有连续流动动的反应器器内。因此此，在放大大时应考虑虑两系统的停停留时间分分布相同。。第六章反应器及其其放大反反应器器选择★反应器的的基本类型型按反应器的的构型特征征分：釜式、管式式、塔式、、固定床、、流化床按反应物料料的相态分分：均相反应器器：釜式反反应器、管管式反应器器非均相反应应器：塔式式、固定床床、流化床床按操作方法法分：间歇操作、、连续操作作、半间歇歇操作第六章反应器及其其放大反反应器器选择★反应器的的选择选择反应器器不仅是化化工过程开开发的重要要内容，而而且也是比较困困难的一项项开发工作作。由于实实际生产过过程中所涉及的影响响因素很多多，要从反反应器的型型式上兼顾顾各种因素均能处于于最佳状态态，一般很很难做到。。但应尽可可能满足化学反应特特征和对工工艺的要求求。选择反反应器原则则一般应考虑以下几几个方面：：▲根据物料料相态选择择反应器均液相反应应：间歇或连续续操作搅拌拌釜，或活活塞流管式式反应器气相反应：：管式反应器器气固反应：：固定定床床反反应应器器或或沸沸腾腾床床反反应应器器气液液反反应应：：半间间歇歇或或连连续续鼓鼓泡泡反反应应器器，，或或逆逆流流塔塔式式反反应应器器第六六章章反应应器器及及其其放放大大反反应应器器选选择择第六六章章反应应器器及及其其放放大大反反应应器器选选择择第六六章章反应应器器及及其其放放大大反反应应器器选选择择第六六章章反应应器器及及其其放放大大反反应应器器选选择择第六六章章反应应器器及及其其放放大大反反应应器器选选择择▲根根据据传传热热要要求求选选择择反反应应器器凡化化学学反反应应都都伴伴随随着着热热效效应应，，而而又又必必须须维维持持一一定定的的反反应温温度度，，因因此此对对反反应应系系统统提提出出了了传传热热要要求求，，在在反反应应器器的的设计计中中，，应应设设置置热热交交换换构构件件。。一般般对对于于反反应应热热效效应应较较小小的的反反应应过过程程可可以以考考虑虑绝热热操作作。而而对对于于反反应应热热较较大大的的反反应应过过程程则则采采用用非绝绝热热操操作作。第六六章章反应应器器及及其其放放大大反反应应器器材材质质化工工生生产产中中常常常常涉涉及及各各种种腐腐蚀蚀性性介介质质，，因因此此，，正确确选选择择反反应应器器及及其其它它化化工工设设备备材材料料，，无无疑疑是是化化工过过程程开开发发中中应应于于着着重重考考虑虑的的问问题题。。这这一一问问题题否否妥善善解解决决，，有有时时甚甚至至是是决决定定整整个个开开发发工工作作成成败败的的关键键。。●碳碳素素钢钢、、合合金金钢钢等等黑黑色色金金属属材材料料普通通碳碳素素钢钢、、不不锈锈耐耐酸酸钢钢、、高高硅硅铸铸铁铁●铅铅、、铝铝、、钛钛等等有有色色金金属属材材料料●耐酸搪搪瓷及其其它无机机耐腐蚀蚀材料耐酸搪瓷瓷、陶瓷瓷和玻璃璃、辉绿绿岩铸石石、石墨墨●塑料、、橡胶和和玻璃纤纤维增强强塑料第七章技术经济济评价技技术经经济评价价内容第七章技术经济济评价技术经济济评价的的任务是是论证技技术开发发方案的的可行性性。在化工过过程开发发中每一一个开发发步骤都都必须经经过技术术经济评价，只只有通过过评价证证明该步步骤所取取得的结结果和所所作出的结论在在技术上上可靠和和经济上上合理，，才能转转入下一一个开发步骤。。故随着着化工过过程开发发工作的的进展，，技术经经济评价随之深深入，而而技术方方案的形形成也随随之完善善而具体体。因此，技术术经济评评价是化化工过程程开发不不可缺少少的环节节。技术经济济评价属属于工程程研究。。它要求求研究者者不仅应应熟悉过程程的有关关技术内内容，而而且还应应掌握投投资、成成本、价格和市市场等经经济信息息以及评评价标准准和评价价方法。。第七章技术经济济评价技技术经经济评价价内容技术经济济评价的的内容主主要是从从社会效效益、经经济效益益和环境效效益等方方面对技技术开发发方案进进行评价价，以决决定取舍。评价价时，首首先应确确定一个个用以衡衡量方案案价值的的综合标准，作作为评价价的依据据。▲价值标标准：是从社社会、经经济、技技术和生生态环境境等方面面预测方案案实施后后所产生生的效果果，而提提出的一一个具有有可比性和比较较客观的的标准。。▲技术经经济评价价内容技术评价价：即评价方方案的技技术水平平。主要要考虑技技术开发发方案的的先进性、、可靠性性和适用用性。经济评价价：主要是从从方案实实施后生生产单位位产品产产生的经经济效果果和对社会会产生的的经济效效果两方方面考虑虑。具体体有：成成本、盈利利、生命命周期。。社会评价价：是对方案案实施后后可能产产生的社社会效果果进行评评估。第七章技术经济济评价技技术经经济评价价内容生态环境境评价：：主要考虑虑生产中中排放的的“三废废”对于于自然环环境可能产生的的污染。。主要有有：污染染程度、、危害性性、治理方法法的有效效性、治治理投资资等。原料、能能源和水水源评价价：市场评价价：着重重考虑产产品的销销售及销销售前景景。▲评价方方法：●专家评评价法：：函询、专专家会议议●直观判判断法：：是一种以以“分数数”为尺尺度对项项目进