第二章 开发放大方法

第二章开发放大方法化工过程开发的方法:逐级经验放大法数学模拟法部分解析法相似放大法物质模型：与生产装置或设备相似，但小于生产规模的实验装置或设备。非物质模型：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。第一节逐级经验放大法定义：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。依据：以前一级试验所取得的研究结果和数据为依据。

经验性质的放大！一、研究方法设备选型：以小试验的方法进行，考察设备的型式和结构的影响，为结构变量试验。优化工艺条件：考察各种工艺条件的影响，筛选出最佳工艺条件，为操作变量试验。反应器放大：采用建立模型装置的方式进行逐级放大，考察放大效应，为几何变量试验。二、特征只综合考虑输入变量和输出结果的关系，不能深入研究过程的内在规律；试验步骤由人为决定，并非科学合理的研究程序；放大是根据试验结果外推，不一定可靠。例题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。第一步反应：异丙苯氧化生成过氧化氢异丙苯。第二步反应：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，分解反应为一级不可逆反应。（1）反应器选型液相反应：釜式反应器和管式反应器均可使用实验结果：管式转化率：98.8%，釜式转化率：97.8%间歇操作搅拌釜：辅助时间降低反应器容积效率。选用PFR反应器

（2）工艺条件优化

反应器：直径为40mm，长为1202mm，体积为1.51L实验：考察反应物浓度、反应温度、催化剂浓度、流量对反应结果的影响。结果：过氧化氢异丙苯分解速率随反应物浓度、反应温度、催化剂浓度的提高而加快；为保证一定的转化率，流量不能太大。结论：较佳工艺条件反应物浓度：3.2kmol·m-3硫酸浓度：6N反应温度：359K反应物料流量：0.1m3·h-1过氧化氢异丙苯的转化率为98.8%。（3）反应器放大

直径为40mm，长1712mm，体积为2.15L的反应器，转化率为99.8%。（反应器体积增加30%，反应转化率今提高1%）

按比例放大至10L，流量为0.464m3·h-1，转化率为99.8%。结论：片面追求转化率并不妥当，反应器放大设计以转化率达到98.8%的要求计算。（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，确定反应器体积。试验考察未发现放大效应，采用经验放大时，保持反应器几何相似，用外推法按比例放大。方案一：反应转化率98.8%，以1.5L模型为基准，反应器体积为45.3L。方案二：反应转化率99.8%，以2.15L模型为基准，反应器体积为64.5L。第二节数学模拟法定义：在认识过程特征的基础上，运用理论分析找到描述过程规律的数学模型，并验证模型与实际过程等效，以此用来进行放大设计计算。特点：用一组微分方程或一组代数方程，描述过程的动态规律。要求：即能描述过程，又简单便于应用。一、数学模型建立数学模型的思维方法如反应器模型的基础：热力学方程、反应动力学方程、三大传递物料衡算式、热量衡算式、动量衡算式数学模型的简化非理想流动模型——轴向分散模型、多釜串联模型数学模型的针对性每一种数学模型都有一定的限制范围。例：管式反应器内物料的返混可以用扩散模型描述，但扩散模型不能描述物料在管式反应器的层流或湍流状态。二、研究方法以化学反应过程开发为例，按以下步骤进行：实验室研究化学反应特征

测定反应热力学和动力学的特征规律及其参数。冷模试验研究传递过程特征

考察设备内物料的流动与混合，传热和传质等物理过程的规律。

反应器内各种物理过程的规律，只随反应器的型式或结构的改变而改变，反应的类型不会改变传递规律。综合化学反应特征和传递过程特征，建立函数关系式，形成数学模型，预测工业反应器性能。只要反应器的型式结构和化学反应相同，由数学模型表示的过程动态规律应不受设备几何尺寸的限制，因此用数学模型进行工业反应器的设计，应不存在放大效应。中试检验数学模型的等效性建立中试装置进行中试，检验数学模型与实际过程的等效性。数学模型经中试证明与实际过程等效后，就能用于预测工业反应器性能和进行反应器设计。三、特征

分解过程，考察过程的内在规律。分解为化学反应规律和传递过程规律

简化过程，寻找建立等效模型的途径。如：返混、停留时间分布函数；双膜理论；边界层概念。

科学试验的目的是为了建立和检验数学模型。例题2：用数学模型法开发与例1相同的由过氧化氢异丙苯分解生成苯酚和丙酮的反应过程，当硫酸浓度为6N，在359K等温条件下每小时分解浓度为3.2kmol·m-3的过氧化氢异丙苯溶液3m3，要求转化率达到99.8%，计算反应器体积。（1）化学反应特征：等温、恒容均液相催化分解反应不可逆一级反应：（2）传递过程特征根据等温、恒容均液相反应过程特征，选用长径比较大（l/d

=30~40）的连续流动管式反应器。物料的黏度较小，通过反应器的流量较大（3m3·h-1

），物料在反应器内流动为平推流。（3）数学模型采用平推流反应器的计算公式（4）计算转化率为98.8%时，转化率为99.8%时，

第三节部分解析法

一、研究方法

化学反应器的放大化学反应结果化学反应的速率和选择性浓度效应和温度效应浓度效应影响浓度的工程因素为：物料的返混程度、预混合情况、进料浓度、加料方式、间歇或连续操作、非均相系统的混合状况。

不论采用何种反应器型式和操作方式，只要反应器内物料浓度及浓度分布相同，对于化学反应的影响必然一致。温度效应简单反应：温度影响反应速率复合反应：温度影响反应速率和选择性ABCD123假设：B是目的产物，E3<E1<E2

分析：反应前期，平行副反应速率快；反应后期，串联副反应加快温度控制方案：反应前期选择高温，后期降低反应温度二、研究步骤通过定性试验，了解反应过程特征；试验结果和理论分析相结合产生技术概念；检验技术概念，完善技术方案；取得放大设计的定量数据。三、特征分解过程和综合分析相结合；开发放大的依据主要来源于试验考察；反应器放大比较可靠。例题3：用部分解析法开发丁二烯氯化制二氯丁烯反应过程（1）化学反应特征反应过程易生成氯代副产物和多氯加成副产物，属于复合反应，反应器的选型和工艺条件的优化应从改善产物分布的角度考虑。（2）第一组试验与结果

C4H6Cl2C4H6Cl2电热调温层温度对反应选择性影响：常温下氯代副产物很多，T升高，逐渐减小提高反应温度有利。提高温度措施：预热原料使丁二烯自聚，不合适；利用反应自身的放热，采用返混式反应器，无自聚。实现返混方式：机械搅拌：高温氯气的腐蚀，不合适；采用无机械搅拌的射流式返混反应器。（3）第二组试验与结果

考察返混对反应选择性的影响高温（>543K)对多氯加成副产物反应的影响途径：平行副反应，串联副反应。返混影响：抑制平行副反应，使串联副反应速率加快。试验：采用二氯丁烯进料的管式反应器，二氯丁烯很容易氯化。

矛盾？

考虑：采取抑制生成多氯化合物的方法。（4）第三组试验与结果

假设丁二烯氯化反应均为一级反应选择性为：CA、CR分别为丁二烯和二氯丁烯的浓度CA↑→S↑试验：用氯、丁二烯和二氯丁烯混合进料进行试验。结论：过量丁二烯可以抑制生成多氯化合物。（5）设想的技术方案采用喷射式的返混反应器，温度控制在543K以上，反应物料中丁二烯配比应过量。（6）确定反应器尺寸和工艺条件丁二烯氯化反应速率快，反应器体积大小对反应结果不会产生很大影响。

从工程因素考虑，反应器内保证有足够的返混量，返混比10：1时，被射流抽吸返上的气体量为进料量的9~10倍，射流速度为100m·s-1（工业上容易实现）。根据热量衡算，将原料中丁二烯与氯气的配比控制在4：1，反应放出的热量恰好可以满足将冷料（300K）加热到所要求的温度（540K）。

4：1的配比足以满足丁二烯过量以抑制多氯加成副产物的要求。（7）实施与检验建立一套25吨/年二氯丁烯的装置。喷嘴采用改进的同心双喷嘴，氯气从内管喷出，丁二烯从环隙喷出，流速为100m·s-1。反应结果良好。第四节相似放大法

定义：以相似论和因次论为基础的放大方法，又称为“比例放大”。

方法：运用相似模拟和无因次相似准数的概念，从准数方程中考虑影响过程的各单值间的相互作用关系；试验变量由准数取代了单值变量，简化试验工作，容易得到各个变量间的定量函数关系。

有效性：对于物理过程的放大是有效的，如：单元操作的放大；对于化学过程的放大：不太适合。一、研究方法

相似准数和准数方程如液体搅拌混合系统搅拌功率功率准数雷诺数搅拌弗鲁德准数令不打漩的系统，y=0，模型试验确定准数方程的定量关系Re<10时，功率曲线为斜率等于-1的直线。Re↑，K和x的关系只能在图中表示出来。Re>10000（完全湍流），功率曲线为水平线。相似放大液体搅拌系统：几何相似、运动相似、动力相似。几何相似：大小搅拌系统的尺寸之比相等。运动相似：两槽几何相似的基础上，各自在对应点上的速度比也相等。动力相似：各自对应点上的力之比相等。在准数方程中每一个无因次准数代表一种放大规律。对于均液相搅拌系统，只要Re相等，达到了流体动力相似，两系统的功率准数也相等，只要测量小的功率，便可算出大系统的功率。为了准确放大，在模型设计时，通常使某些准数受到抑制，使某一主要准数突出。二、特征属于综合考察，反映了变量间的实质性关系；简化试验，提高了试验效果；用相似论指导模拟，为建立模型提供了可靠依据；运用相似准则放大，避免了依经验结果外推。例:搅拌器的大小改变时，各