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1、第四章第四章 化工过程放大化工过程放大9/20/20241概述化工过程放大化工过程放大是科学理论和实践经验相结合、质和量相结合的是科学理论和实践经验相结合、质和量相结合的工程科学工程科学问题。问题。技术上的关键问题是：技术上的关键问题是：（1）是否开发出高效催化剂）是否开发出高效催化剂（2）可靠的放大技术，特别是）可靠的放大技术，特别是反应器反应器的放大的放大（3）工业化过程的材料）工业化过程的材料（4）过程所需设备）过程所需设备（5）计量和检测技术）计量和检测技术核心核心是放大技术是放大技术9/20/20242模拟研究法模拟研究法用用模型模型研究研究化工过程的化工过程的现象、规律现象、规律模
2、型模型实物、数学实物、数学基本方法基本方法 经验经验 数学数学 部分解析部分解析 相似相似9/20/20243第一节第一节 逐级经验放大逐级经验放大9/20/20244一、几个概念1. 放大系数放大系数Whats the meaning?G.E.Davis：在实验室中几克物料的小型实验，：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。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。大型工厂需要的全部数据。定义：定义：放大放大后后的实验（生产）规模的实验（生产）规模/前前表
3、达：表达：小时投料量、小时投料量、每批投料量或年产量每批投料量或年产量 反应器特征尺寸比。反应器特征尺寸比。9/20/202452. 放大效应放大效应如：反应状况恶化、转化率、如：反应状况恶化、转化率、选择性、收率下降、产品质选择性、收率下降、产品质量劣化等。量劣化等。反应得到改善，反应得到改善，得到正的放大效应得到正的放大效应因过程规模变大造成指标因过程规模变大造成指标不能重复的现象不能重复的现象9/20/202463. 逐级经验放大逐级经验放大定义：定义：放大系数的确定：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
4、发者的经验，不断的方法和实测数据，加上开发者的经验，不断适当加大实验适当加大实验 的规模，修正前一级实验确定的规模，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。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、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。过程规律的掌握度、研究人员经验。 低放大低放大系数？系数？高放大高放大系数？系数？9/20/20247典型反应过程放大系数典型反应过程放大系数9/20/202489/20/20249二、逐级经验放大的步骤二、逐级经验放大的步骤v反应器选型v工艺条件优化v反应器放大小型装置小型装置考察考
5、察“结构变量结构变量”小型装置小型装置考察考察“操作变量操作变量”模型装置模型装置考察考察“几何变量几何变量”9/20/202410三、逐级经验放大的特征三、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 黑箱黑箱三步三步线性规线性规律律缺乏理论指导，周期较缺乏理论指导，周期较长；方法简单长；方法简单9/20/202411例：合成氨技术开发9/20/202412合成氨技术开发及启示v基础研究：哈伯的工作（实验室）基础研究：哈伯的工作（实验室） 反应基本规律反应基本规律特点：特点：在常温常压下不反应。在常温常压下不反应。1000，常压
6、，常压 ，转化，转化率也小于率也小于0.01% ；提高压力，反应的转化率则提高。；提高压力，反应的转化率则提高。催化剂：催化剂：锇锇9/20/202413（1反应器选型反应器选型强放热的气固相催化反应，高温高压。强放热的气固相催化反应，高温高压。哈伯选用了哈伯选用了80g/h固定床管式催化固定床管式催化反应器反应器 。9/20/202414(2) 条件优化工艺条件：产品：500600 ；17.520 MPa ；锇催化剂锇催化剂氨的体积分数达氨的体积分数达6%9/20/202415（3）预设计工艺流程A.原料循环原料循环B.热量利用热量利用C.冷冻分离冷冻分离9/20/202416（4）波施的工
7、作（反应器放大和工业化）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含少量钾、镁、铝、钙为助催化剂的铁催化剂剂（b）找到能耐 20 MPa、 500600 C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 9/20/202417启示对于化工过程开发，在实验室研究阶段即应充分对于化工过程开发，在实验室研究阶段即应充分考虑考虑实现工业化实现工业化的可行性。的可行性。 在实验室研究完成之后还必须在实验室研究完成之后还必须解决与工业生解决与工业生产有关的一些技术产有关的一些技术问题。问题。 技术开发的成功技术开
8、发的成功与科学技术水平有看密切关系与科学技术水平有看密切关系。在在20世纪初，若不是可以实现高温高压技术、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。技术等近代化工技术的发展。 9/20/202418例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺9/20/202419一级不可一级不可逆逆9/20/202420（I）反应器选型 反应特点：反应特点：
9、选择：过氧化氢异丙苯的分解反应过氧化氢异丙苯的分解反应为液相反应，反应速率较快。为液相反应，反应速率较快。多种型式的反多种型式的反应器适用应器适用连续操作管式反应器连续操作管式反应器9/20/202421（2）优化工艺条件 选用一根直径为选用一根直径为 40 mm，长度为，长度为 1202mm的的不锈钢管（不锈钢管（容积约容积约 1.51L）作反应器试验）作反应器试验考察工艺条件考察工艺条件对反应结果的对反应结果的影响影响9/20/202422根据试验结果确定的工艺条件为结果：结果：转化率为98. 8。9/20/202423（3）反应器放大与校验 v校验试验分两级进行校验试验分两级进行 A、不
10、改变管直径、不改变管直径 ，反应管延长，反应管延长 ，将反应器容，将反应器容积放大到积放大到 2.15 L （流量流量0.1m3/h）B、容积从、容积从2.15 L放大到放大到10L(流量流量0.464m3/h)结果：转化率结果：转化率99.8%，无放大效应无放大效应9/20/202424（4）计算反应器容积 v工业化的要求处理量工业化的要求处理量：过氧化氢异丙苯（浓度为3.2 kmolm3。）的量为3m3/h。v计算所需反应器的容积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。v结果：45.3L 9/20/202425第二节第二节 数学模型法数学模型法9
11、/20/202426v定义定义：在充分认识过程的基础上，运用理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数学模型，应用于反应器的放大计算。算。试验的试验的目的目的是为了建立和检验数学模是为了建立和检验数学模型。试验的型。试验的方式和要求方式和要求与经验放大方与经验放大方法法有有很大很大差别差别。是否还需是否还需要实验？要实验？9/20/202427一、数学模型数学模型：要求：通常是一组描述过程运行动态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。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既要能表达实际
12、过程运行的规律又要简单而便于应用。律又要简单而便于应用。9/20/202428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9/20/2024291.建立数学模型的方法v怎样建立？怎样建立？v如反应器进行化学反应的数模建立如反应器进行化学反应的数模建立掌握动态规律掌握动态规律动力学、热力学动力学、热力学流动与混合、传热、流动与混合、传热、传质传质方程组：物方程组：物料、热量、料、热量、动量衡算动量衡算9/20/2024302.数学模型的简化数学模型的简化v如：固定床催化反应器中气体流动如：固定床催化反应器中气体流动v规律：规律：v简化表达：简化表达：v要求：要求：紊乱
13、、随机紊乱、随机返混模型返混模型结果的等效结果的等效9/20/2024313.数学模型的针对性数学模型的针对性v明确的模拟目标明确的模拟目标 目标不同，模型不同。目标不同，模型不同。 目标不同，目标不同，限制限制范围不同。范围不同。如：流体流动返如：流体流动返混、阻力模型不混、阻力模型不同同多为工多为工程因素程因素v如：催化剂活性温如：催化剂活性温度限制了模型温度参度限制了模型温度参数变化数变化作用：有利于模型的简化作用：有利于模型的简化9/20/202432二、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9/20/2024331.反应过程内容：反应类型、控制步骤；动力学
14、、热力学反应类型、控制步骤；动力学、热力学与经验放大与经验放大不同不同，不需模拟生产装置不需模拟生产装置。了解过了解过程本质程本质排除外界因排除外界因素的干扰素的干扰9/20/2024342.传递过程内容：方法：反应器内反应器内物理过程物理过程的规律的规律与反应器型与反应器型式、结构有式、结构有关关冷模实验冷模实验9/20/2024353.建模物理、化学过程的结合方法：浓度、温度效应浓度、温度效应建立动力学、物料、热量衡算（动量）建立动力学、物料、热量衡算（动量）方程方程9/20/2024364.校验方法：中试中试与数模计算结果比较与数模计算结果比较是否等效？是否等效？与经验法的与经验法的实验
15、不同实验不同9/20/202437三、特征三、特征1分解过程，不作综合考察分解过程，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合理简化过程运行规律 抓主要矛盾，忽略次要矛盾抓主要矛盾，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；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。模型来源于实践，又为实践所检验。9/20/202438例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺9/20/202439任务9/20/202440v
16、等温、容、均液相，一级不可逆反应v动力学模型：v试验测得：9/20/202441v连续管式反应器，活塞流v等温，无温度梯度，无返混等物理因素影响9/20/202442v活塞流反应器：9/20/2024439/20/202444例例 丙烯二聚过程开发丙烯二聚过程开发9/20/202445聚合反应聚合反应9/20/202446（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条件下进行，原料丙烯和催化剂三丙基铝混合进料。混合进料。 一级不可逆反应、采用管式反应器。一级不可逆反应、采用管式反应器。9/20/2024
17、47建立反应器的数学模型的简化建立反应器的数学模型的简化v在反应条件控制的范围以内，有关物性参数为在反应条件控制的范围以内，有关物性参数为常数；常数；v反应器内由于物料流动所产生的压降不计；反应器内由于物料流动所产生的压降不计；v反应器内无径向温度梯度，但沿轴向有温度变反应器内无径向温度梯度，但沿轴向有温度变化；化；v物料通过反应器截面的流量恒定；物料通过反应器截面的流量恒定；v活塞流状态流动；活塞流状态流动；v绝热系统。绝热系统。9/20/202448反应器的数学模型反应器的数学模型放大结果绝热一维系统的活塞流模型。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、物料和数学表达
18、形式：化学反应应动力学模型、物料和热量衡算式。热量衡算式。物料循环物料循环装置放大装置放大17 000倍，反应器出口温度的理论与实倍，反应器出口温度的理论与实验值差验值差2放大成功放大成功9/20/202449（2）异构化反应过程开发v 特点特点：气、固相催化反应、硅铝催化剂，一级可逆反应。气、固相催化反应、硅铝催化剂，一级可逆反应。反应温度：反应温度： 8085，转化率，转化率75%，选择性为，选择性为79 。固定床催化反应器固定床催化反应器9/20/202450模型简化模型简化v拟均相；v活塞流；v恒温无温度梯度和压力降。9/20/202451模型v 恒温活塞流模型恒温活塞流模型v其数学表
19、达式为：化学反应动力学模型和物其数学表达式为：化学反应动力学模型和物料衡算式联立。料衡算式联立。9/20/202452放大关键放大关键v催化剂v国外采用低活性催化剂，将反应器放大 7 000倍获得了成功。9/20/202453（3）脱甲基化反应过程开发v 特点：吸热的催化分解反应高温下的副反应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。少采用固定床反应器。9/20/202454简化v拟均相、拟均相、v恒温恒温v无压力降等。无压力降等。9/20/202455模型v复杂v 国外采用等温炉加热，放大20 00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。v放大成
20、功。9/20/202456总结经验、经验、数模数模的局限的局限耗资大、耗资大、周期长周期长建模困难建模困难9/20/202457第三节 部分解析法9/20/202458概述概述基础：特点：介于经验与数模之间介于经验与数模之间理论分析和实验探索相结合理论分析和实验探索相结合化学工程学科发展：化学工程学科发展：较多的成熟理论和研究方法较多的成熟理论和研究方法避免黑箱；避免黑箱；易掌握易掌握9/20/202459一、研究方法v反应器放大依据化学反应速率化学反应速率温度、温度、浓度浓度工程因工程因素素反应动力反应动力学实验学实验化学反应工化学反应工程学理论程学理论9/20/202460研究思路v二者结
21、合：二者结合：确定实验内容、方法；预测结果、放大效应v考察：考察：浓度、温度效应9/20/2024611.浓度效应v工程因素：v工程因素的等效性返混、预混合、进料浓度、返混、预混合、进料浓度、加料方式、操作方式加料方式、操作方式浓度、浓度分浓度、浓度分布相同布相同反应结果反应结果相同相同返混、分段加料、降低进返混、分段加料、降低进料浓度等工程因素的等效料浓度等工程因素的等效（浓度、分布），不考虑（浓度、分布），不考虑其差别其差别如：均相、如：均相、非均相反应非均相反应浓度浓度不同不同 ， 结果不同。结果不同。简化过程简化过程9/20/2024622.温度效应v需考虑：影响反应速率、选择性影响反
22、应速率、选择性最佳温度最佳温度温度序列温度序列温度分布温度分布9/20/202463温度序列v如： B-目的产目的产物物措施：先高后低措施：先高后低9/20/202464温度分布v如：固定床放热反应的温度流体温度与流体温度与催化剂表面催化剂表面温度不同温度不同9/20/202465二、研究步骤v了解过程特征了解过程特征 v设想技术方案设想技术方案 v验证、改进验证、改进 v确定放大设计方法确定放大设计方法 简单实验，定性简单实验，定性理论分析，初步方案；理论分析，初步方案；理论与实践结合理论与实践结合实验，定性、定量实验，定性、定量数模；经验数模；经验9/20/202466三、特征v分解研究与
23、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v技术信息来源于实验 理论指导下的实验；节省人力、物力v技术方案通过反复论证 可靠、准确9/20/202467例：丁二烯制二氯乙烯9/20/202468（1）化学反应特征气相、放热、常气相、放热、常T反应速率大，无反应速率大，无Cat；副产物（氯代、多氯加成）多。副产物（氯代、多氯加成）多。反应器选型、操作条件反应器选型、操作条件 提高选择性。提高选择性。关键：关键：如何提如何提高选择高选择性性9/20/202469（2）实验管式反应器、原料混合后进料9/20/202470a.温度的影响温度的影响高高T（270） 有利（抑制氯代副产物
24、）有利（抑制氯代副产物）加热方式？加热方式？预热预热 or 产产物换热物换热产物换热（产物换热（）选定反应器：返混式选定反应器：返混式搅拌搅拌or射射流流射流（射流（ ）9/20/202471b.返混对选择性的影响v目的：怎样抑制多氯加成产物？实验方法的思考？实验方法的思考？结果：返混降低选择性结果：返混降低选择性问题：两组实验问题：两组实验结果矛盾结果矛盾反应物料用二氯反应物料用二氯丁烯丁烯9/20/202472C.抑制多氯产物的方法理论分析：实验验证：结果：丁二烯过量丁二烯过量丁二烯、氯、二丁二烯、氯、二氯丁烯混合进料氯丁烯混合进料产物中无明显的产物中无明显的多氯化合物多氯化合物9/20/
25、202473（3）构思技术方案（定性）射流式反应器、270、丁二烯过量9/20/202474（4）确定反应器尺寸、工艺条件）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（）检验（25t/a）9/20/202475例：异丁烯二聚9/20/202476v简介：石油裂解的丁烯组分（正丁烯、异丁烯），难分离。v通过异丁烯的二聚，使正丁烯分离出来。v异丁烯浓度：4%；20%制丁二烯制丁二烯汽油组分汽油组分9/20/202477（1）实验（反应过程特征）非均相催化，固定床a.原料原料4%反应条件：结果：27、1atm、3/h;产物异
26、丁烯小于产物异丁烯小于0.5%，正丁烯，正丁烯减少减少10%处理低浓度原料可行处理低浓度原料可行9/20/202478b.原料20%反应条件：反应条件：同a 结果：结果：产物异丁烯小于0.5%，正丁烯减少30%解决方法：解决方法：原因原因浓度影浓度影响响原料循环（稀释原料循环（稀释5倍）倍）方法不可取方法不可取9/20/202479（2）实验结果与理论结合正丁烯损失原因：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9/20/202480（3）检验提高空速，强化扩散提高空速，强化扩散方法：方法：结果：结果：正丁烯损失几乎为零正丁烯损失几乎为零正丁烯损失
27、原因：正丁烯的自聚正丁烯损失原因：正丁烯的自聚9/20/2024819/20/202482放大方法回顾v经验：v数模：v部分解析：化学过程化学过程物理过程物理过程冷模试验冷模试验黑箱黑箱灰箱灰箱白箱白箱9/20/202483第四节 相似放大法理论理论实例实例第四章第四章 化工过程放大化工过程放大9/20/202484概述v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。因次分析因次分析经验放大（依赖实验结果）经验放大（依赖实验结果）研究传递规律（冷模实验）研究传递规律（冷模实验）理论指导实验，实验得以简化理论指导实验，实验得以简化9/20
28、/202485一、理论基础9/20/2024861.相似概念（条件）v几何相似v时间相似v运动相似v动力相似现象相似现象相似当表述某种现象的所有量，当表述某种现象的所有量，在相似空间中对应的各点以在相似空间中对应的各点以及在时间上相对应的各瞬间，及在时间上相对应的各瞬间，互成一定的比例关系，则称互成一定的比例关系，则称为为9/20/2024872.相似定理3个定理个定理9/20/202488第一定理第一定理v（1）相似现象可用相同的数学物理方程及）相似现象可用相同的数学物理方程及单值条件描述。单值条件描述。如：如：粘性、不可压缩流体的等粘性、不可压缩流体的等T、稳流的运动方程、稳流的运动方程其
29、单值条件为：其单值条件为：几何条件几何条件物理条件物理条件边界条件边界条件起始条件起始条件9/20/202489第一定理（续）第一定理（续）v（2）由相似现象的定义可写出量的比例关系）由相似现象的定义可写出量的比例关系v如：9/20/202490第一定理（续）第一定理（续）v（3）由于（）由于（1）和（）和（2）的约束，相似倍数不）的约束，相似倍数不是任意的，而是彼此约束。是任意的，而是彼此约束。v如：u、l、t 三个量表征物理量-速度，由于运动方程的约束，v有：相似相似指标指标9/20/202491第一定理（续）第一定理（续）v（4）对于彼此相似的现象，存在着同样数值的）对于彼此相似的现象，
30、存在着同样数值的综合量，即相似特征数。综合量，即相似特征数。v由v得：彼此相似的现象，必有数值相同的相似特征数彼此相似的现象，必有数值相同的相似特征数9/20/202492第二定理第二定理 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件相似相似，且由单值条件所组成的相似特征数，且由单值条件所组成的相似特征数相等相等，则它们，则它们相似。相似。满足什么满足什么条件，模条件，模型与原型型与原型相似相似9/20/202493第二定理（续）第二定理（续）如：仍以上述流体稳流为例如：仍以上述流体稳流为例1.单值条件相似单值条件相似几何相似物理条件
31、相似边界条件相似2.相似特征数相等相似特征数相等9/20/202494第三定理第三定理v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白金汉的定理定理描述某现象的各种量之间的关系描述某现象的各种量之间的关系9/20/202495小结v第一定理，指明应测试哪些数据v第二定理，指明模型试验应遵守的条件v第三定理，指明如何整理试验结果。9/20/202496二、研究方法v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：特征数方程放大依据：特征数方程9/20/2024971.相似特征数及其方
32、程v例：液体搅拌混合槽，所需搅拌功率9/20/2024989/20/2024992.由实验确定特征数方程的未知系数9/20/2024100v低雷诺数区：v过渡区：K、-d不恒定v湍流区：9/20/20241013.相似放大v均相：Re、Fr相等v非均相：9/20/2024102搅拌放大的判据9/20/2024103三、特征v （1）试验研究属于综合考察放大依据来自实验v相似特征数方程是依据试验来确定的。v试验只考察了输入条件和输出结果的关系，与经验放大法的试验相似。9/20/2024104v2，简化了试验，提高了实验效率v3运用相似特征数相等为放大提拱了简单可靠的依据9/20/2024105四
33、、数量放大法和比例放大法v1数量放大法v采用设备单元数增加的一种放大方法，在固定床催化反应器的放大时常见。v 2比例放大法v以一个或数个能表达过程主要特征的参数为依据，按比例对该过程进行放大的方法。9/20/2024106v 例27用相似放大法将生产某种合成洗涤剂的搅拌釜放大至容积为 5.72 m3（槽直径2.7m。已知物料的密度为1400kgm3，粘度为1PaS，初步试验采用标准构型的搅拌釜（有挡板）所消耗的功率最小。v 9/20/2024107v选用 3台构型相同而容积不同的搅拌釜进行试验。v反应釜容积分别为：0.008 39m3（槽直径 0.225 m），0.0715 m3(槽直径 0.45 m）和 0.572(槽直径 0.90 m).调节搅拌器转速使之达到相同的均匀乳化效果。试验结果见下表：9/20/20241089/20/2024109v 从表中数据看出；当达到相同的乳化效果时；在各种放大判据中，只有叶轮末梢速度，在搅拌釜大小改变时保持不变。v因此确定叶轮末梢速度为该工艺过程的放大判据。v 9/20/2024110The end!9/20/2024111谢谢各位光临！谢谢各位光临！9/20/2024112
