化工过程放大-0课件

第四章化工过程放大7/1/20231概述化工过程放大是科学理论和实践经验相结合、质和量相结合的工程科学问题。技术上的关键问题是：（1）是否开发出高效催化剂（2）可靠的放大技术，特别是反应器的放大（3）工业化过程的材料（4）过程所需设备（5）计量和检测技术核心是放大技术7/1/20232模拟研究法用模型研究化工过程的现象、规律模型实物、数学基本方法

经验数学部分解析相似7/1/20233第一节逐级经验放大7/1/20234一、几个概念1.放大系数What’sthemeaning?G.E.Davis：在实验室中几克物料的小型实验，对于指导大型工厂的建设工作，并没有什么作用。但用数公斤物料进行的实验，则无疑可提供大型工厂需要的全部数据。定义：放大后的实验（生产）规模/前表达：小时投料量、每批投料量或年产量反应器特征尺寸比。7/1/202352.放大效应如：反应状况恶化、转化率、选择性、收率下降、产品质量劣化等。反应得到改善，得到正的放大效应因过程规模变大造成指标不能重复的现象7/1/202363.逐级经验放大定义：放大系数的确定：在放大过程缺乏依据时，依靠小规模实验成功的方法和实测数据，加上开发者的经验，不断适当加大实验的规模，修正前一级实验确定的参数，来摸索化学反应和化学反应器的规律。化学反应类型、放大理论的成熟度、过程规律的掌握度、研究人员经验。

低放大系数？高放大系数？7/1/20237典型反应过程放大系数7/1/202387/1/20239二、逐级经验放大的步骤反应器选型工艺条件优化反应器放大小型装置考察“结构变量”小型装置考察“操作变量”模型装置考察“几何变量”7/1/202310三、逐级经验放大的特征1．只注重输入与输出关系，纯属于经验性质综合考察2．试验程序人为确定

3．放大是根据试险结果外推

黑箱三步线性规律缺乏理论指导，周期较长；方法简单7/1/202311例：合成氨技术开发7/1/202312合成氨技术开发及启示基础研究：哈伯的工作（实验室）

反应基本规律特点：在常温常压下不反应。1000℃，常压，转化率也小于0.01%；提高压力，反应的转化率则提高。催化剂：锇7/1/202313（1〕反应器选型强放热的气固相催化反应，高温高压。哈伯选用了80g/h固定床管式催化反应器。7/1/202314(2)条件优化工艺条件：产品：500～600℃；17.5～20MPa

；锇催化剂氨的体积分数达6%7/1/202315（3）预设计工艺流程A.原料循环B.热量利用C.冷冻分离7/1/202316（4）波施的工作（反应器放大和工业化）（a）研制了稳定可靠的廉价催化剂取代了锇催化剂

含少量钾、镁、铝、钙为助催化剂的铁催化剂（b）找到能耐20MPa、500～600C的高压高温材质、并设计出合成氨反应器（c）提供廉价的氮气和氢气7/1/202317启示①对于化工过程开发，在实验室研究阶段即应充分考虑实现工业化的可行性。②在实验室研究完成之后．还必须解决与工业生产有关的一些技术问题。③技术开发的成功与科学技术水平有看密切关系。在20世纪初，若不是可以实现高温高压技术、空气分离技术和深度冷冻技术，合成氨的工业化也是不可能实现。随着合成氨技术的开发．又推动了催化剂制备技术，高温高压技术，深冷分离技术等近代化工技术的发展。7/1/202318例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺7/1/202319一级不可逆7/1/202320（I）反应器选型

反应特点：

选择：过氧化氢异丙苯的分解反应为液相反应，反应速率较快。多种型式的反应器适用连续操作管式反应器7/1/202321（2）优化工艺条件

选用一根直径为40mm，长度为1202mm的不锈钢管（容积约1.51L）作反应器试验考察工艺条件对反应结果的影响7/1/202322根据试验结果确定的工艺条件为结果：转化率为98.8％。7/1/202323（3）反应器放大与校验校验试验分两级进行A、不改变管直径，反应管延长，将反应器容积放大到2.15L（流量0.1m3/h）B、容积从2.15L放大到10L(流量0.464m3/h)结果：转化率99.8%，无放大效应7/1/202324（4）计算反应器容积工业化的要求处理量：过氧化氢异丙苯（浓度为3.2kmol／m3。）的量为3m3/h。计算所需反应器的容积：按1.51L模型尺寸，根据物料处理量的扩大，按比例外推计算。结果：45.3L7/1/202325第二节数学模型法7/1/202326定义：在充分认识过程的基础上，运用理论分折，找到描述过程运行规律的数学模型，应用于反应器的放大计算。试验的目的是为了建立和检验数学模型。试验的方式和要求与经验放大方法有很大差别。是否还需要实验？7/1/202327一、数学模型数学模型：要求：通常是一组描述过程运行动态规律的代数方程或微分方程。既要能表达实际过程运行的规律又要简单而便于应用。7/1/202328建模中的问题1.建立数学模型的方法2.数学模型的简化3.数学模型的针对性7/1/2023291.建立数学模型的方法怎样建立？如反应器进行化学反应的数模建立掌握动态规律动力学、热力学流动与混合、传热、传质方程组：物料、热量、动量衡算7/1/2023302.数学模型的简化如：固定床催化反应器中气体流动规律：简化表达：要求：紊乱、随机返混模型结果的等效7/1/2023313.数学模型的针对性明确的模拟目标目标不同，模型不同。目标不同，限制范围不同。如：流体流动返混、阻力模型不同多为工程因素如：催化剂活性温度限制了模型温度参数变化作用：有利于模型的简化7/1/202332二、研究方法（化学反应器建模）1.反应过程2.传递过程3.建模4.校验7/1/2023331.反应过程内容：反应类型、控制步骤；动力学、热力学与经验放大不同，不需模拟生产装置。了解过程本质排除外界因素的干扰7/1/2023342.传递过程内容：方法：反应器内物理过程的规律与反应器型式、结构有关冷模实验7/1/2023353.建模物理、化学过程的结合方法：浓度、温度效应建立动力学、物料、热量衡算（动量）方程7/1/2023364.校验方法：中试与数模计算结果比较是否等效？与经验法的实验不同7/1/202337三、特征1．分解过程，不作综合考察

着眼于过程的内部规律，对过程进行分解和综合2．合理简化过程运行规律

抓主要矛盾，忽略次要矛盾3．科学试验是为了建立和检验数学模型

反应工程理论和传递过程理论指导下建立数学模型；模型来源于实践，又为实践所检验。7/1/202338例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺7/1/202339任务7/1/202340等温、容、均液相，一级不可逆反应动力学模型：试验测得：7/1/202341连续管式反应器，活塞流等温，无温度梯度，无返混等物理因素影响7/1/202342活塞流反应器：7/1/2023437/1/202344例丙烯二聚过程开发7/1/202345聚合反应7/1/202346（1）聚合反应过程开发特点：气相催化反应，催化剂为三丙基铝、加压条件下进行，原料丙烯和催化剂三丙基铝混合进料。一级不可逆反应、采用管式反应器。7/1/202347建立反应器的数学模型的简化①在反应条件控制的范围以内，有关物性参数为常数；②反应器内由于物料流动所产生的压降不计；③反应器内无径向温度梯度，但沿轴向有温度变化；④物料通过反应器截面的流量恒定；⑤活塞流状态流动；⑥绝热系统。7/1/202348反应器的数学模型放大结果绝热一维系统的活塞流模型。数学表达形式：化学反应应动力学模型、物料和热量衡算式。物料循环装置放大17000倍，反应器出口温度的理论与实验值差2℃放大成功7/1/202349（2）异构化反应过程开发特点：气、固相催化反应、硅铝催化剂，一级可逆反应。反应温度：80～85℃，转化率75%，选择性为79％。固定床催化反应器7/1/202350模型简化①拟均相；②活塞流；③恒温．无温度梯度和压力降。7/1/202351模型

恒温活塞流模型其数学表达式为：化学反应动力学模型和物料衡算式联立。7/1/202352放大关键催化剂国外采用低活性催化剂，将反应器放大7000倍获得了成功。7/1/202353（3）脱甲基化反应过程开发特点：吸热的催化分解反应．高温下的副反应少．采用固定床反应器。7/1/202354简化拟均相、恒温无压力降等。7/1/202355模型复杂国外采用等温炉加热，放大2000倍建立生产袋置。经生产检验，产物和副产物的分布与数学模型计算的结果十分相近。放大成功。7/1/202356总结经验、数模的局限耗资大、周期长建模困难7/1/202357第三节部分解析法7/1/202358概述基础：特点：介于经验与数模之间理论分析和实验探索相结合化学工程学科发展：较多的成熟理论和研究方法避免黑箱；易掌握7/1/202359一、研究方法反应器放大依据化学反应速率温度、浓度工程因素反应动力学实验化学反应工程学理论7/1/202360研究思路二者结合：确定实验内容、方法；预测结果、放大效应考察：浓度、温度效应7/1/2023611.浓度效应工程因素：工程因素的等效性返混、预混合、进料浓度、加料方式、操作方式浓度、浓度分布相同反应结果相同返混、分段加料、降低进料浓度等工程因素的等效（浓度、分布），不考虑其差别如：均相、非均相反应浓度不同，结果不同。简化过程7/1/2023622.温度效应需考虑：影响反应速率、选择性最佳温度温度序列温度分布7/1/202363温度序列如：

B---目的产物措施：先高后低7/1/202364温度分布如：固定床放热反应的温度流体温度与催化剂表面温度不同7/1/202365二、研究步骤了解过程特征

设想技术方案

验证、改进

确定放大设计方法

简单实验，定性理论分析，初步方案；理论与实践结合实验，定性、定量数模；经验7/1/202366三、特征分解研究与综合分析相结合与数模基本相同；不同：定性的技术方案，不确切技术信息来源于实验理论指导下的实验；节省人力、物力技术方案通过反复论证可靠、准确7/1/202367例：丁二烯制二氯乙烯7/1/202368（1）化学反应特征气相、放热、常T反应速率大，无Cat；副产物（氯代、多氯加成）多。反应器选型、操作条件提高选择性。关键：如何提高选择性7/1/202369（2）实验管式反应器、原料混合后进料7/1/202370a.温度的影响高T（>270℃）有利（抑制氯代副产物）加热方式？预热or

产物换热产物换热（√）选定反应器：返混式搅拌or射流射流（√）7/1/202371b.返混对选择性的影响目的：怎样抑制多氯加成产物？实验方法的思考？结果：返混降低选择性问题：两组实验结果矛盾反应物料用二氯丁烯7/1/202372C.抑制多氯产物的方法理论分析：实验验证：结果：丁二烯过量丁二烯、氯、二氯丁烯混合进料产物中无明显的多氯化合物7/1/202373（3）构思技术方案（定性）射流式反应器、270℃、丁二烯过量7/1/202374（4）确定反应器尺寸、工艺条件反应器大小对反应结果影响不大反应器需保证足够大的返混量（容积、工艺条件）流体力学计算（5）检验（25t/a）7/1/202375例：异丁烯二聚7/1/202376简介：石油裂解的丁烯组分（正丁烯、异丁烯），难分离。通过异丁烯的二聚，使正丁烯分离出来。异丁烯浓度：4%；20%制丁二烯汽油组分7/1/202377（1）实验（反应过程特征）非均相催化，固定床a.原料4%反应条件：结果：27℃、1atm、3/h;产物异丁烯小于0.5%，正丁烯减少10%处理低浓度原料可行7/1/202378b.原料20%反应条件：同a结果：产物异丁烯小于0.5%，正丁烯减少30%解决方法：原因—浓度影响原料循环（稀释5倍）方法不可取7/1/202379（2）实验结果与理论结合正丁烯损失原因：浓度效应，即正丁烯和异丁烯共聚温度效应（从绝热温升的计算得）；扩散控制否7/1/202380（3）检验

提高空速，强化扩散方法：结果：正丁烯损失几乎为零正丁烯损失原因：正丁烯的自聚7/1/202381热烈欢迎各位专家莅临指导7/1/202382放大方法回顾经验：数模：部分解析：化学过程物理过程冷模试验黑箱灰箱白箱7/1/202383

第四节相似放大法理论实例第四章化工过程放大7/1/202384概述以相似论和量纲分析为基础，依据模型实验得到某些物理量之间的关系，按相似原理推算模型与原型之间的相似规律。因次分析经验放大（依赖实验结果）研究传递规律（冷模实验）理论指导实验，实验得以简化7/1/202385一、理论基础7/1/2023861.相似概念（条件）几何相似时间相似运动相似动力相似现象相似当表述某种现象的所有量，在相似空间中对应的各点以及在时间上相对应的各瞬间，互成一定的比例关系，则称为——7/1/2023872.相似定理3个定理7/1/202388第一定理（1）相似现象可用相同的数学物理方程及单值条件描述。如：粘性、不可压缩流体的等T、稳流的运动方程其单值条件为：几何条件物理条件边界条件起始条件7/1/202389第一定理（续）（2）由相似现象的定义可写出量的比例关系如：7/1/202390第一定理（续）（3）由于（1）和（2）的约束，相似倍数不是任意的，而是彼此约束。如：u、l、t三个量表征物理量----速度，由于运动方程的约束，有：相似指标7/1/202391第一定理（续）（4）对于彼此相似的现象，存在着同样数值的综合量，即相似特征数。由得：彼此相似的现象，必有数值相同的相似特征数7/1/202392第二定理

具有相同的相似特征数的现象，若表明现象特征的单值条件相似，且由单值条件所组成的相似特征数相等，则它们相似。满足什么条件，模型与原型相似7/1/202393第二定理（续）如：仍以上述流体稳流为例1.单值条件相似几何相似物理条件相似边界条件相似2.相似特征数相等7/1/202394第三定理

当一个现象由n个物理量的函数关系来表示，这些物理量包含m个量纲，则应有n-m个相似特征数白金汉的π定理描述某现象的各种量之间的关系7/1/202395小结第一定理，指明应测试哪些数据第二定理，指明模型试验应遵守的条件第三定理，指明如何整理试验结果。7/1/202396二、研究方法分析影响因素，运用量纲分析，将变量按特征数合并，实验测定表达输入、输出的关系的特征数方程的待定参数。放大依据：特征数方程7/1/2023971.相似特征数及其方程

例：液体搅拌混合槽，所需搅拌功率7/1/2023987/1/2023992.由实验确定特征数方程的未知系数7/1/2023100低雷诺数区：过渡