化工工業(yè)放大 (2)

1、工業(yè)放大工業(yè)放大化工學(xué)院化工學(xué)院孫洲孫洲一、實(shí)驗(yàn)室研究、小試、模試、中試一、實(shí)驗(yàn)室研究、小試、模試、中試純理論、應(yīng)用基礎(chǔ)或開發(fā)基礎(chǔ)研究目的：確定原料路線、探索反應(yīng)的可行性、觀察現(xiàn)象、獲得感性認(rèn)識、樣品1.實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究2. 小試小試小型工業(yè)模擬試驗(yàn)（初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)后）任務(wù)：a驗(yàn)證開發(fā)方案的可行性、完整性。 b測定收集物化數(shù)據(jù)。 c產(chǎn)品分析方法。 d整理最佳方案，完成概念設(shè)計(jì)3. 模試模試模型試驗(yàn)：模型試驗(yàn)： 對工業(yè)生產(chǎn)中的某些重要過程作放大的工業(yè)模擬試驗(yàn)。設(shè)備：設(shè)備： 一般比實(shí)驗(yàn)室研究規(guī)模大并具有工業(yè)設(shè)備的仿真性質(zhì)。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 考察化工過程運(yùn)行的最佳條件；考察設(shè)備內(nèi)傳熱、傳質(zhì)

2、、物料流動(dòng)與混合等工程因素對于化工過程的影響；觀察設(shè)備放大后出現(xiàn)的放大效應(yīng)；尋找產(chǎn)放大效應(yīng)的原因，測定放大所需的有關(guān)數(shù)據(jù)或判據(jù)等等。從總體看，模型試驗(yàn)考查的重點(diǎn)是工藝和工程問題重點(diǎn)是工藝和工程問題。4. 中試中試 中試是”中間工廠試驗(yàn)”的簡稱，它是在小試或模試之后迸行的半工業(yè)化規(guī)模的模擬試驗(yàn)。中試結(jié)果可作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的依據(jù)。內(nèi)容：內(nèi)容：（1）檢驗(yàn)小試確定的工藝方案和工藝條件；（2）考察工藝系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性；（3）考察設(shè)備放大后所產(chǎn)生的放大效應(yīng)的程度，分析產(chǎn)生的原因，尋找消除的辦法；（4）確定檢測方法；v（5）考察物料對設(shè)備材質(zhì)的腐蝕；v（6）考察物料循環(huán)產(chǎn)生的微量雜質(zhì)積累帶來的影響；v（7）

3、提供一定量的產(chǎn)品供應(yīng)用考察；v（8）考察“三廢”的生成量、危害程度和治理方法；v（9）為估算投資和成本，以及建立生產(chǎn)工作崗位的操作規(guī)程提供資料。概 述v從實(shí)驗(yàn)室研究成果到建立工業(yè)裝置的過程是靠放大從實(shí)驗(yàn)室研究成果到建立工業(yè)裝置的過程是靠放大來實(shí)現(xiàn)的。來實(shí)現(xiàn)的。v選擇適當(dāng)?shù)姆糯蠓椒?，對考察裝置的適用性，確定選擇適當(dāng)?shù)姆糯蠓椒?，對考察裝置的適用性，確定放大過程需要時(shí)間、經(jīng)費(fèi)投入等都是重要的。放大過程需要時(shí)間、經(jīng)費(fèi)投入等都是重要的。v化工過程開發(fā)放大主要采用模擬研究法。用模型來化工過程開發(fā)放大主要采用模擬研究法。用模型來研究化工過程中的各種現(xiàn)象和規(guī)律，從中取得開發(fā)研究化工過程中的各種現(xiàn)象和規(guī)律，從中

4、取得開發(fā)放大的依據(jù)。放大的依據(jù)。v化工過程采用的模擬放大方法有：化工過程采用的模擬放大方法有：經(jīng)驗(yàn)放大法、數(shù)經(jīng)驗(yàn)放大法、數(shù)學(xué)模擬法、部分解析法、相似放大法學(xué)模擬法、部分解析法、相似放大法。 v對某一特定的化工過程放大，采用何種放大方法，對某一特定的化工過程放大，采用何種放大方法，應(yīng)以對過程解析的深入程度來確定。應(yīng)以對過程解析的深入程度來確定。v一般來講，分離過程的理論較成熟，在取得可靠的一般來講，分離過程的理論較成熟，在取得可靠的相平衡數(shù)據(jù)后，就可以用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型直接放大相平衡數(shù)據(jù)后，就可以用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型直接放大到工業(yè)裝置。到工業(yè)裝置。v而反應(yīng)過程比較復(fù)雜，除化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律外，同時(shí)而反應(yīng)過

5、程比較復(fù)雜，除化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律外，同時(shí)還受到傳遞過程因素的影響。故只有少數(shù)簡單的可還受到傳遞過程因素的影響。故只有少數(shù)簡單的可用數(shù)學(xué)模型法外，現(xiàn)多采用經(jīng)驗(yàn)放大法和部分解析用數(shù)學(xué)模型法外，現(xiàn)多采用經(jīng)驗(yàn)放大法和部分解析法。法。逐級放大法v逐級經(jīng)驗(yàn)放大法是從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小試開始，經(jīng)逐級逐級經(jīng)驗(yàn)放大法是從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小試開始，經(jīng)逐級放大到一定規(guī)模試驗(yàn)的研究，最后將模型研究結(jié)果放放大到一定規(guī)模試驗(yàn)的研究，最后將模型研究結(jié)果放大到生產(chǎn)裝置的規(guī)模。大到生產(chǎn)裝置的規(guī)模。v這種放大方法，每放大一級都必須建立相應(yīng)的模型裝這種放大方法，每放大一級都必須建立相應(yīng)的模型裝置，詳細(xì)觀察記錄模型試驗(yàn)中發(fā)生的各種現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，置

6、，詳細(xì)觀察記錄模型試驗(yàn)中發(fā)生的各種現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，通過技術(shù)分析得出放大結(jié)果。而每一級放大設(shè)計(jì)的依通過技術(shù)分析得出放大結(jié)果。而每一級放大設(shè)計(jì)的依據(jù)主要是前一級試驗(yàn)所取得的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)。據(jù)主要是前一級試驗(yàn)所取得的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)。v逐級經(jīng)驗(yàn)放大法是經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的放大，因此放大倍數(shù)逐級經(jīng)驗(yàn)放大法是經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的放大，因此放大倍數(shù)一般在一般在5050倍以內(nèi)，而且每一級放大后還必須對前一倍以內(nèi)，而且每一級放大后還必須對前一級的參數(shù)進(jìn)行修正。級的參數(shù)進(jìn)行修正。v缺點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)放大的開發(fā)周期長，人力、物力消耗較缺點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)放大的開發(fā)周期長，人力、物力消耗較大。大。一一. .逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的研究方法逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的研究方法v1

7、.1.化工過程開發(fā)主要解決的問題化工過程開發(fā)主要解決的問題v如何合理選擇設(shè)備形式如何合理選擇設(shè)備形式v確定最佳工藝條件確定最佳工藝條件v如何將設(shè)計(jì)放大到工業(yè)規(guī)模如何將設(shè)計(jì)放大到工業(yè)規(guī)模2.2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟v. .設(shè)備選型設(shè)備選型v設(shè)備選型一般都在小試中進(jìn)行。采用不同形式和結(jié)設(shè)備選型一般都在小試中進(jìn)行。采用不同形式和結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器，在實(shí)驗(yàn)室對所開發(fā)的反應(yīng)過程進(jìn)行研構(gòu)的反應(yīng)器，在實(shí)驗(yàn)室對所開發(fā)的反應(yīng)過程進(jìn)行研究。究。v試驗(yàn)時(shí)主要考察設(shè)備的結(jié)構(gòu)和形式對反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率試驗(yàn)時(shí)主要考察設(shè)備的結(jié)構(gòu)和形式對反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響。因此又稱為和選擇性的影響。因此又稱為

8、“結(jié)構(gòu)變量試驗(yàn)結(jié)構(gòu)變量試驗(yàn)”。2.2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟v. .優(yōu)化工藝條件優(yōu)化工藝條件v在設(shè)備選型試驗(yàn)后，就在選定的小試試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)在設(shè)備選型試驗(yàn)后，就在選定的小試試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行優(yōu)化工藝條件試驗(yàn)。行優(yōu)化工藝條件試驗(yàn)。v試驗(yàn)時(shí)主要考察各種工藝條件對反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選試驗(yàn)時(shí)主要考察各種工藝條件對反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響，并從中篩選出最佳工藝條件。以改變擇性的影響，并從中篩選出最佳工藝條件。以改變工藝操作條件，觀察指標(biāo)的變化，故又稱之為工藝操作條件，觀察指標(biāo)的變化，故又稱之為 “操作變量試驗(yàn)操作變量試驗(yàn)”。2.2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究

9、過程的步驟v. .反應(yīng)器放大反應(yīng)器放大v逐級試驗(yàn)放大法的反應(yīng)器放大研究是采用模型裝置逐級試驗(yàn)放大法的反應(yīng)器放大研究是采用模型裝置的方式進(jìn)行逐級放大的。每放大一級都必須重復(fù)前的方式進(jìn)行逐級放大的。每放大一級都必須重復(fù)前一級試驗(yàn)確定的條件，考察放大效應(yīng)，并取得設(shè)備一級試驗(yàn)確定的條件，考察放大效應(yīng)，并取得設(shè)備放大的有關(guān)數(shù)據(jù)和判據(jù)。放大的有關(guān)數(shù)據(jù)和判據(jù)。v重點(diǎn)考察反應(yīng)器的幾何尺寸對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性重點(diǎn)考察反應(yīng)器的幾何尺寸對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響。故又稱之為的影響。故又稱之為 “幾何變量試驗(yàn)幾何變量試驗(yàn)”。2.2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟v通過以上三種獨(dú)立的變量試驗(yàn)，

10、基本上可以取得化通過以上三種獨(dú)立的變量試驗(yàn)，基本上可以取得化工過程開發(fā)所需要的設(shè)備形式、最佳工藝條件，以工過程開發(fā)所需要的設(shè)備形式、最佳工藝條件，以及放大的判據(jù)和數(shù)據(jù)，為建立生產(chǎn)裝置提供可靠的及放大的判據(jù)和數(shù)據(jù)，為建立生產(chǎn)裝置提供可靠的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。二二. .逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征v1.1.只綜合考察輸入變量和輸出結(jié)果的關(guān)系。只綜合考察輸入變量和輸出結(jié)果的關(guān)系。v逐級經(jīng)驗(yàn)放大法是一種逐級經(jīng)驗(yàn)放大法是一種“暗箱操作暗箱操作”，只對反，只對反應(yīng)器的輸入與輸出結(jié)果進(jìn)行研究，對反應(yīng)器內(nèi)應(yīng)器的輸入與輸出結(jié)果進(jìn)行研究，對反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)特征及規(guī)律不作深入考察。進(jìn)行的反應(yīng)特征及規(guī)律不作深入

11、考察。二二. .逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征v這是一種綜合考察的方法，不能揭示過程的內(nèi)在規(guī)律。這是一種綜合考察的方法，不能揭示過程的內(nèi)在規(guī)律。因此，在進(jìn)行反應(yīng)器放大研究時(shí)，一旦放大結(jié)果發(fā)生改因此，在進(jìn)行反應(yīng)器放大研究時(shí)，一旦放大結(jié)果發(fā)生改變，就無法找出變化的原因，只能將這種改變統(tǒng)統(tǒng)歸咎變，就無法找出變化的原因，只能將這種改變統(tǒng)統(tǒng)歸咎于于“放大效應(yīng)放大效應(yīng)”。v在逐級經(jīng)驗(yàn)放大中，研究者只能根據(jù)現(xiàn)象進(jìn)行分析，憑在逐級經(jīng)驗(yàn)放大中，研究者只能根據(jù)現(xiàn)象進(jìn)行分析，憑經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整變量再進(jìn)行試驗(yàn)，以減少放大效應(yīng)。因此，經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整變量再進(jìn)行試驗(yàn)，以減少放大效應(yīng)。因此，放大成果的水平與研究者的經(jīng)驗(yàn)和知識

12、水平緊密相關(guān)。放大成果的水平與研究者的經(jīng)驗(yàn)和知識水平緊密相關(guān)。二二. .逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征v2.2.存在前后試驗(yàn)結(jié)果相互矛盾的個(gè)別現(xiàn)象。存在前后試驗(yàn)結(jié)果相互矛盾的個(gè)別現(xiàn)象。v對于一個(gè)化工過程，結(jié)構(gòu)變量、操作變量和幾何變量對于一個(gè)化工過程，結(jié)構(gòu)變量、操作變量和幾何變量這三種變量之間是相互聯(lián)系、相互影響的。但是在逐這三種變量之間是相互聯(lián)系、相互影響的。但是在逐級經(jīng)驗(yàn)放大中，人為的將試驗(yàn)分成結(jié)構(gòu)變量試驗(yàn)操級經(jīng)驗(yàn)放大中，人為的將試驗(yàn)分成結(jié)構(gòu)變量試驗(yàn)操作變量試驗(yàn)幾何變量試驗(yàn)三個(gè)階段，這并非科學(xué)合作變量試驗(yàn)幾何變量試驗(yàn)三個(gè)階段，這并非科學(xué)合理的研究程序，沒有考慮他們之間的相互聯(lián)系和影

13、響，理的研究程序，沒有考慮他們之間的相互聯(lián)系和影響，當(dāng)然就可能造成前后試驗(yàn)結(jié)果相互矛盾的現(xiàn)象。當(dāng)然就可能造成前后試驗(yàn)結(jié)果相互矛盾的現(xiàn)象。二二. .逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征v按照這種思維模式，小試中優(yōu)選的反應(yīng)器形式，大型化后也按照這種思維模式，小試中優(yōu)選的反應(yīng)器形式，大型化后也應(yīng)該是最好的，即反應(yīng)器的選型與反應(yīng)器的尺寸無關(guān)。在化應(yīng)該是最好的，即反應(yīng)器的選型與反應(yīng)器的尺寸無關(guān)。在化工過程中確有這樣的情況，小試中優(yōu)選的反應(yīng)器，仍為好的工過程中確有這樣的情況，小試中優(yōu)選的反應(yīng)器，仍為好的反應(yīng)器形式。但也有不少相反的情況。例如：在小試時(shí)流化反應(yīng)器形式。但也有不少相反的情況。例如：在小試時(shí)

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。說明小試的選型結(jié)論不一定可靠。差。說明小試的選型結(jié)論不一定可靠。二二. .逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征v3.3.外推放大后的結(jié)果可靠性尚存問題。外推放大后的結(jié)果可靠性尚存問題。v逐級經(jīng)驗(yàn)放大法每一級都是根據(jù)前一級的試驗(yàn)結(jié)果外推逐級經(jīng)驗(yàn)放大法每一級都是根據(jù)前一級的試驗(yàn)結(jié)果外推設(shè)計(jì)的。外推法只適用于呈線性規(guī)律的過程。有些因素設(shè)計(jì)的。外推法只適用于呈線性規(guī)律的過程。有些因素在一定范圍內(nèi)是漸變的或者呈線性關(guān)系，但超出這一范在一定范圍內(nèi)是漸變的或者呈線性關(guān)系，但超出這一范圍后可能出

15、現(xiàn)巨變。因此，將小尺寸范圍內(nèi)得到的試驗(yàn)圍后可能出現(xiàn)巨變。因此，將小尺寸范圍內(nèi)得到的試驗(yàn)結(jié)果外推至大尺寸范圍時(shí)可能出現(xiàn)截然不同的結(jié)果。結(jié)果外推至大尺寸范圍時(shí)可能出現(xiàn)截然不同的結(jié)果。二二. .逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征v而化工過程的規(guī)律很多都不呈線性關(guān)系，或者而化工過程的規(guī)律很多都不呈線性關(guān)系，或者只在較小的范圍內(nèi)接近直線關(guān)系。對不呈線性只在較小的范圍內(nèi)接近直線關(guān)系。對不呈線性關(guān)系的過程，用外推法進(jìn)行放大必然會(huì)造成偏關(guān)系的過程，用外推法進(jìn)行放大必然會(huì)造成偏差。為了提高外推法的準(zhǔn)確性，一般采用較小差。為了提高外推法的準(zhǔn)確性，一般采用較小的放大倍數(shù)，這樣就需要經(jīng)過多級模擬放大，的放大倍數(shù)

16、，這樣就需要經(jīng)過多級模擬放大，必然使開發(fā)經(jīng)費(fèi)增加，開發(fā)周期延長。必然使開發(fā)經(jīng)費(fèi)增加，開發(fā)周期延長。二二. .逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征v采用逐級經(jīng)驗(yàn)放大法時(shí)，應(yīng)該應(yīng)用化學(xué)工程的理論采用逐級經(jīng)驗(yàn)放大法時(shí)，應(yīng)該應(yīng)用化學(xué)工程的理論進(jìn)行分析，應(yīng)用已有的經(jīng)驗(yàn)判斷和解決問題，盡量進(jìn)行分析，應(yīng)用已有的經(jīng)驗(yàn)判斷和解決問題，盡量在理論指導(dǎo)下進(jìn)行工程放大，避免完全的在理論指導(dǎo)下進(jìn)行工程放大，避免完全的“黑箱操黑箱操作作”，可以提高逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的準(zhǔn)確性。，可以提高逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的準(zhǔn)確性。二二. .逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征v例例 異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮是分兩步進(jìn)行的。第一步異丙苯生產(chǎn)苯酚

17、和丙酮是分兩步進(jìn)行的。第一步是異丙苯氧化成過氧化氫異丙苯；第二步是在硫酸是異丙苯氧化成過氧化氫異丙苯；第二步是在硫酸催化下過氧化氫異丙苯在液相中分解成苯酚和丙酮。催化下過氧化氫異丙苯在液相中分解成苯酚和丙酮。v從試驗(yàn)中得知，苯酚和丙酮的收率主要取決于從試驗(yàn)中得知，苯酚和丙酮的收率主要取決于第二步分解反應(yīng)。分解反應(yīng)是一級不可逆反應(yīng)。第二步分解反應(yīng)。分解反應(yīng)是一級不可逆反應(yīng)。硫酸濃度越高，分解速率越快。硫酸濃度越高，分解速率越快。v擬用逐級放大法對反應(yīng)器進(jìn)行放大。擬用逐級放大法對反應(yīng)器進(jìn)行放大。v（1 1）反應(yīng)器選型）反應(yīng)器選型v對于液相均相反應(yīng)，常用的反應(yīng)器有釜式和對于液相均相反應(yīng)，常用的反應(yīng)器

18、有釜式和管式兩種。管式兩種。v考慮間歇操作攪拌反應(yīng)釜比連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜的體積考慮間歇操作攪拌反應(yīng)釜比連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜的體積大，因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)只考察連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜和連續(xù)流大，因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)只考察連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜和連續(xù)流動(dòng)管式反應(yīng)器在反應(yīng)條件和反應(yīng)體積相同的條件下兩種動(dòng)管式反應(yīng)器在反應(yīng)條件和反應(yīng)體積相同的條件下兩種反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率。試驗(yàn)結(jié)果見下表。反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率。試驗(yàn)結(jié)果見下表。反應(yīng)器型式反應(yīng)器型式轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率連續(xù)流動(dòng)管式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)管式反應(yīng)器98.898.8連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜97.897.8v由于分解反應(yīng)為一級反應(yīng)，返混對轉(zhuǎn)化率有影響。由于分解反應(yīng)為一級反應(yīng)，返混對轉(zhuǎn)化率

19、有影響。連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜存在返混，而連續(xù)流動(dòng)管式連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜存在返混，而連續(xù)流動(dòng)管式反應(yīng)器基本上不存在返混，因此后者的反應(yīng)速率反應(yīng)器基本上不存在返混，因此后者的反應(yīng)速率快，轉(zhuǎn)化率高。說明達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)，連續(xù)流快，轉(zhuǎn)化率高。說明達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)，連續(xù)流動(dòng)管式反應(yīng)器的體積最小，故選用連續(xù)流動(dòng)管式動(dòng)管式反應(yīng)器的體積最小，故選用連續(xù)流動(dòng)管式反應(yīng)器。反應(yīng)器。v（2 2）工藝條件優(yōu)化）工藝條件優(yōu)化v試驗(yàn)用反應(yīng)管：試驗(yàn)用反應(yīng)管：40mm40mm1202mm1202mm，V V1.51L1.51L，長，長徑比徑比l/dl/d=1202/40=30.05=1202/40=30.05v考察因素：反應(yīng)物濃

20、度、反應(yīng)溫度、催化劑濃度考察因素：反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度、催化劑濃度及物料流量。及物料流量。v指標(biāo)：過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率指標(biāo)：過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率v總的規(guī)律是：總的規(guī)律是：反應(yīng)物濃度反應(yīng)物濃度反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度催化劑濃度催化劑濃度分解速率分解速率轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率但當(dāng)上述因素提高到一定程度后，轉(zhuǎn)化率幾乎不再改變。但當(dāng)上述因素提高到一定程度后，轉(zhuǎn)化率幾乎不再改變。物料流量物料流量停留時(shí)間停留時(shí)間轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率v由試驗(yàn)最后得到的最佳工藝條件為：由試驗(yàn)最后得到的最佳工藝條件為：v反應(yīng)物濃度反應(yīng)物濃度3.2Kmol/m3.2Kmol/m3 3，反應(yīng)溫度，反應(yīng)溫度359K359K，硫酸濃，硫酸濃度度3Kmol/

21、m3Kmol/m3 3，物料流量，物料流量0.1m0.1m3 3/h/h。此時(shí)分解反應(yīng)轉(zhuǎn)。此時(shí)分解反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為化率為98.898.8。v（3 3）反應(yīng)器放大）反應(yīng)器放大v反應(yīng)器放大分兩步進(jìn)行反應(yīng)器放大分兩步進(jìn)行v一級放大一級放大v一級放大試驗(yàn)結(jié)果列于表一級放大試驗(yàn)結(jié)果列于表5 52 2表表5 52 2 一級放大試驗(yàn)結(jié)果一級放大試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)類型試驗(yàn)類型直徑直徑/mm長度長度/mm長徑比長徑比體積體積/L流量流量/m3h-1轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率/%小試小試40120230.051.510.198.8一級放大一級放大40171242.82.150.199.8v從表從表5 52 2可知，反應(yīng)體積增加了可知，反

22、應(yīng)體積增加了1.421.42倍（倍（2.15/1.512.15/1.51），），采用同樣的物料流量（采用同樣的物料流量（0.1m0.1m3 3/h/h），此時(shí)停留時(shí)間增加了），此時(shí)停留時(shí)間增加了1.421.42倍，但轉(zhuǎn)化率僅增加了倍，但轉(zhuǎn)化率僅增加了1.01.0。說明反應(yīng)后期反應(yīng)速。說明反應(yīng)后期反應(yīng)速率很慢，若要提高轉(zhuǎn)化率就必須大大增加反應(yīng)器體積，率很慢，若要提高轉(zhuǎn)化率就必須大大增加反應(yīng)器體積，在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。因此，反應(yīng)器放大時(shí)轉(zhuǎn)化率達(dá)到在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。因此，反應(yīng)器放大時(shí)轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.898.8即可。即可。二二. .逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征v二級放大二級放大v反應(yīng)器體

23、積反應(yīng)器體積10L,10L,則放大倍數(shù)則放大倍數(shù)vn=10/1.51=6.62n=10/1.51=6.62v放大原則：保持長徑比不變，停留時(shí)間不變。放大原則：保持長徑比不變，停留時(shí)間不變。v長徑比長徑比 R=1202/40=30.05R=1202/40=30.05v設(shè)反應(yīng)管內(nèi)徑為設(shè)反應(yīng)管內(nèi)徑為d d，長度為，長度為l lv則則l=30.05dl=30.05d22330.0523.58944pVd lddd得出得出d d7.51cm7.51cm選用選用82mm82mm3mm3mm的無縫鋼管，的無縫鋼管，d d內(nèi)內(nèi)82823 32 27.6cm7.6cm22100002205.5(7.6)44PV

24、lmmd22062206,29.0376llmmRd取實(shí)際 物料流量物料流量Q Q0.10.16.626.620.662m0.662m3 3/h/h。保持停留時(shí)間不變。保持停留時(shí)間不變。在小試的最優(yōu)條件下試驗(yàn)，轉(zhuǎn)化率為在小試的最優(yōu)條件下試驗(yàn)，轉(zhuǎn)化率為98.898.8。證明放大過程。證明放大過程中不存在放大效應(yīng)。中不存在放大效應(yīng)。反應(yīng)是液相均相反應(yīng)，且為管式反應(yīng)器，線速度較大。反應(yīng)反應(yīng)是液相均相反應(yīng)，且為管式反應(yīng)器，線速度較大。反應(yīng)過程受工程因素影響已經(jīng)排除，均無放大效應(yīng)。過程受工程因素影響已經(jīng)排除，均無放大效應(yīng)。（4）反應(yīng)器設(shè)計(jì)）反應(yīng)器設(shè)計(jì)v生產(chǎn)規(guī)模：每小時(shí)處理生產(chǎn)規(guī)模：每小時(shí)處理過氧化氫異丙

25、苯過氧化氫異丙苯3m3/h，濃度濃度C0=3.2Kmol/m3。v設(shè)計(jì)原則：保持反應(yīng)器設(shè)計(jì)原則：保持反應(yīng)器幾何相似，用外推法按幾何相似，用外推法按比例放大。比例放大。v要求過氧化氫異丙苯的要求過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率為轉(zhuǎn)化率為98.8。按照。按照VP=1.51L，模型反應(yīng)器，模型反應(yīng)器幾何相似進(jìn)行放大。幾何相似進(jìn)行放大。1131122240,12021.51 ,0.1/3.001.51 45.30.1040,12023.0300.1PPdmmlmmVLQm hVLdmmlmm小試反應(yīng)器：工業(yè)反應(yīng)器：取則管子根數(shù)：n=根三三. .中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法

26、v在進(jìn)行反應(yīng)器放大時(shí)，多數(shù)情況下仍采用逐級在進(jìn)行反應(yīng)器放大時(shí)，多數(shù)情況下仍采用逐級經(jīng)驗(yàn)放大法，放大設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)大多來源于中試。經(jīng)驗(yàn)放大法，放大設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)大多來源于中試。因此，為了反應(yīng)器的工程放大，需要在中試中因此，為了反應(yīng)器的工程放大，需要在中試中取得哪些數(shù)據(jù)，如何取得這些數(shù)據(jù)？下面舉一取得哪些數(shù)據(jù)，如何取得這些數(shù)據(jù)？下面舉一個(gè)比較簡單的釜式反應(yīng)器為例加以說明。個(gè)比較簡單的釜式反應(yīng)器為例加以說明。三三. .中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法v例例52：在開發(fā)某氧化反應(yīng)過程時(shí)，用：在開發(fā)某氧化反應(yīng)過程時(shí)，用100L帶攪拌的搪帶攪拌的搪瓷反應(yīng)釜作為反應(yīng)器，測定與放大有關(guān)

27、的工程數(shù)據(jù)。小瓷反應(yīng)釜作為反應(yīng)器，測定與放大有關(guān)的工程數(shù)據(jù)。小試中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)放熱量大，且對溫度敏感，當(dāng)反應(yīng)溫度試中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)放熱量大，且對溫度敏感，當(dāng)反應(yīng)溫度低于低于60時(shí)反應(yīng)速率緩慢；當(dāng)反應(yīng)溫度超過時(shí)反應(yīng)速率緩慢；當(dāng)反應(yīng)溫度超過6565時(shí)，反時(shí)，反應(yīng)劇烈，溫升很快，以致無法控制。因此，反應(yīng)溫度必應(yīng)劇烈，溫升很快，以致無法控制。因此，反應(yīng)溫度必須控制在須控制在60606565的溫度范圍內(nèi)。的溫度范圍內(nèi)。v1.1.中試裝置中試裝置 見圖見圖5 51 1，反應(yīng)釜的夾套中通，反應(yīng)釜的夾套中通入冷卻水及時(shí)移走反應(yīng)熱，其入冷卻水及時(shí)移走反應(yīng)熱，其進(jìn)出口溫度及流量分別為進(jìn)出口溫度及流量分別為t t1 1,

28、t,t2 2和和W W；釜內(nèi)采用；釜內(nèi)采用2 2支熱電阻溫度支熱電阻溫度計(jì)分別測量液相溫度（計(jì)分別測量液相溫度（T T）和氣）和氣相溫度（相溫度（T T）；在反應(yīng)釜兩側(cè)）；在反應(yīng)釜兩側(cè)相對距釜壁相對距釜壁500mm500mm處放置溫度計(jì)處放置溫度計(jì)測量環(huán)境溫度測量環(huán)境溫度1 1、2 2。圖圖5 51 1 反應(yīng)釜中試裝置反應(yīng)釜中試裝置v2.2.反應(yīng)器工程數(shù)據(jù)的測算反應(yīng)器工程數(shù)據(jù)的測算v根據(jù)氧化反應(yīng)過程的特點(diǎn)，在對氧化反應(yīng)進(jìn)行工根據(jù)氧化反應(yīng)過程的特點(diǎn)，在對氧化反應(yīng)進(jìn)行工程放大時(shí)，及時(shí)移走反應(yīng)熱，將反應(yīng)溫度嚴(yán)格控程放大時(shí)，及時(shí)移走反應(yīng)熱，將反應(yīng)溫度嚴(yán)格控制在制在60606565范圍內(nèi)是關(guān)鍵。中試時(shí)，

29、重點(diǎn)是測范圍內(nèi)是關(guān)鍵。中試時(shí)，重點(diǎn)是測定反應(yīng)過程的熱量平衡，混合物系的熱力學(xué)性質(zhì)，定反應(yīng)過程的熱量平衡，混合物系的熱力學(xué)性質(zhì)，以及反應(yīng)釜的傳熱系數(shù)等。以及反應(yīng)釜的傳熱系數(shù)等。v（1 1）反應(yīng)釜的熱量平衡）反應(yīng)釜的熱量平衡v假設(shè)反應(yīng)釜處于全混狀態(tài)，其內(nèi)的物料濃度和溫度假設(shè)反應(yīng)釜處于全混狀態(tài)，其內(nèi)的物料濃度和溫度分布均勻，且攪拌器攪拌物料時(shí)產(chǎn)生的熱量忽略不分布均勻，且攪拌器攪拌物料時(shí)產(chǎn)生的熱量忽略不計(jì)。其熱量平衡方程為：計(jì)。其熱量平衡方程為：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- -化學(xué)反應(yīng)放出的熱量化學(xué)反應(yīng)放出

30、的熱量vQ Q1 1- -釜內(nèi)物料升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量釜內(nèi)物料升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量vQ Q1 1m mp pC Cp p(T(T0 0-T-T) (5-2) ) (5-2) v式中：式中：m mp p- -釜內(nèi)物料量，釜內(nèi)物料量，Kg;Kg;v C Cp p- -物料的比熱容，物料的比熱容，KjKj/(Kg/(Kg)v T T0 0.T.T- -物料起始和終了溫度，物料起始和終了溫度，。vQ Q2 2夾套內(nèi)水移走（或供給）的熱量夾套內(nèi)水移走（或供給）的熱量vQ Q2 2=WC=WCpWpW(t(t1 1-t-t2 2) ) (5-3) (5-3)v式中：式中：W W冷卻

31、水流量，冷卻水流量，Kg/h;Kg/h;v C Cpwpw- -水的比熱容，水的比熱容， KjKj/(Kg/(Kg)v t t1 1、t t2 2- -冷卻水的進(jìn)出口溫度，冷卻水的進(jìn)出口溫度，v 測定的時(shí)間間隔，測定的時(shí)間間隔，h h vQ Q3 3反應(yīng)釜體升溫（或降溫）吸收（或放出）熱反應(yīng)釜體升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量量vQ Q3 3m mR RC CpRpR(T(TR0R0-T-TR R) (5-4) (5-4)v式中：式中：m mR R- -釜體的質(zhì)量，釜體的質(zhì)量，KgKgv C CpRpR- -釜體的比熱容，釜體的比熱容， KjKj/(Kg/(Kg)v T TR0R0、T TR

32、R釜體開始和終了溫度，釜體開始和終了溫度， vQ Q4 4釜上封頭對環(huán)境傳熱量釜上封頭對環(huán)境傳熱量vQ Q4 4K KR RA AT T(T(T- -) ) (5-5) (5-5)v式中：式中：K KR R- -封頭散熱的傳熱系數(shù)，封頭散熱的傳熱系數(shù)， Kj/(mKj/(m2 2h h)v A AT T- -封頭的散熱面積，封頭的散熱面積，m m2 2v T T、封頭的開始和終了溫度，封頭的開始和終了溫度， v 測定的時(shí)間間隔，測定的時(shí)間間隔，h hvQ Q5 5釜夾套側(cè)對環(huán)境的傳熱量釜夾套側(cè)對環(huán)境的傳熱量vQ Q5 5K KR RA Aj j(t(t- -) ) (5-6) (5-6)v式中

33、：式中：K KR R- -釜夾套側(cè)散熱的傳熱系數(shù)，釜夾套側(cè)散熱的傳熱系數(shù)， Kj/(mKj/(m3 3h h)v A Aj j- -釜夾套側(cè)釜夾套側(cè)的散熱面積，的散熱面積，m m2 2v t t、釜夾套側(cè)釜夾套側(cè)的開始和終了溫度，的開始和終了溫度， v 測定的時(shí)間間隔，測定的時(shí)間間隔，h hv則式則式5 51 1可寫成可寫成vQR+mpCp(t0-t)+WCpw(t1-t2)+mRCPR(TR0-t R)KRAT(T- )+ KRAj(t- ) (5-7)v測定時(shí)以水作為物料，夾套層內(nèi)以測定時(shí)以水作為物料，夾套層內(nèi)以6060左右的熱水左右的熱水供熱。以加熱釜內(nèi)的水，然后在夾套中通入冷水降供熱。

34、以加熱釜內(nèi)的水，然后在夾套中通入冷水降溫，測定釜體散熱的傳熱系數(shù)。溫，測定釜體散熱的傳熱系數(shù)。v當(dāng)以水代替物料進(jìn)行熱量平衡時(shí)，無反應(yīng)熱，且物當(dāng)以水代替物料進(jìn)行熱量平衡時(shí)，無反應(yīng)熱，且物料為水。故料為水。故：vQR=0,CP=4.184,CPW=4.184v則（則（57）變成）變成v4.184mP(t0-t)+4.184 (t1-t2) W+mRCPR(TR0-t R)KRAT(T- )+ KRAj(t- ) (5-8)v通過測定，可獲得通過測定，可獲得T T0 0、T T、t t1 1、t t2 2、T TR0R0、T T R R、T T及及、等數(shù)據(jù)，則等數(shù)據(jù)，則K KR R可求得。測試結(jié)果見

35、表可求得。測試結(jié)果見表5 53 3v對對8 8：25258 8：5555時(shí)間段進(jìn)行熱量平衡：時(shí)間段進(jìn)行熱量平衡：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釜內(nèi)液相物料加權(quán)平均溫度釜內(nèi)液相物料加權(quán)平均溫度(4352.2)2 10(52.256.5)2 10(56.558.3)2 5(58. 359.4)2 510 1055T =53.36時(shí)間釜 內(nèi)夾套內(nèi)環(huán) 境液溫T/汽溫T/進(jìn)水溫t1

36、/出水溫t1/水量/Kg溫度1/溫度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 反應(yīng)釜傳熱系數(shù)測定反應(yīng)釜傳熱系數(shù)測定夾套內(nèi)水的加權(quán)平均溫度夾套內(nèi)水的加權(quán)平均溫度同樣對夾套進(jìn)水（同樣對夾套進(jìn)水（t t1 1）出水（）出水（t t2 2）溫度求加權(quán)平）溫度求加權(quán)平均值，得出：均值，得出：t t1 1=63.48=63.48，t t2 2=62.72=62.72則夾套內(nèi)水的平均溫度為：則夾套內(nèi)水的平均溫

38、度為：t=(tt=(t1 1+t+t2 2)/2=63.10)/2=63.10環(huán)境加權(quán)平均溫度環(huán)境加權(quán)平均溫度用相同的方法求出環(huán)境的平均溫度用相同的方法求出環(huán)境的平均溫度31.3031.30釜內(nèi)汽相加權(quán)平均溫度釜內(nèi)汽相加權(quán)平均溫度T T46.5046.50釜體溫度釜體溫度用下式近似估計(jì)釜體的平均溫度用下式近似估計(jì)釜體的平均溫度3RTTtT則釜體開始時(shí)平均溫度為：則釜體開始時(shí)平均溫度為：043.037.563.1047.93RT釜體終了時(shí)的平均溫度為：釜體終了時(shí)的平均溫度為：59.452.063.1058.13RT8 8：25258 8：5555時(shí)間段內(nèi)冷卻水量時(shí)間段內(nèi)冷卻水量W W=163.7

39、1-161.23=2.48Kg=163.71-161.23=2.48Kg將上述數(shù)據(jù)代入式（將上述數(shù)據(jù)代入式（5 58 8），得到反應(yīng)釜吸熱時(shí)），得到反應(yīng)釜吸熱時(shí)的傳熱系數(shù)：的傳熱系數(shù)：K KR R=-51.83 Kj/(m=-51.83 Kj/(m2 2h h)對對9 9：15151010：1515時(shí)間段進(jìn)行熱量平衡，采用上時(shí)間段進(jìn)行熱量平衡，采用上述方法求得反應(yīng)釜放熱時(shí)的傳熱系數(shù)述方法求得反應(yīng)釜放熱時(shí)的傳熱系數(shù)K KR R=534.68 Kj/(m=534.68 Kj/(m2 2h h)3.測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)v將將159Kg159Kg物料投入搪瓷反應(yīng)釜中，開始在夾套內(nèi)通

40、物料投入搪瓷反應(yīng)釜中，開始在夾套內(nèi)通入熱水加熱升溫（入熱水加熱升溫（1414：000014:4514:45）。然后在夾套）。然后在夾套內(nèi)通入冷水控制釜內(nèi)溫度在內(nèi)通入冷水控制釜內(nèi)溫度在60606565范圍內(nèi)反應(yīng)范圍內(nèi)反應(yīng)（1414：50502020：5050），每小時(shí)取樣分析主反應(yīng)物的），每小時(shí)取樣分析主反應(yīng)物的量（量（molmol）。最后在夾套內(nèi)通入冷水將釜內(nèi)物料降）。最后在夾套內(nèi)通入冷水將釜內(nèi)物料降溫后（溫后（2020：50502121：3030）出料。整個(gè)反應(yīng)過程的情）出料。整個(gè)反應(yīng)過程的情況見表況見表5 54 4。表表5 54 4 測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)時(shí)間時(shí)間釜內(nèi)釜內(nèi)

41、夾套內(nèi)夾套內(nèi)環(huán)境環(huán)境主反應(yīng)主反應(yīng)物量物量/mol液溫液溫/汽溫汽溫/進(jìn)水溫進(jìn)水溫/出水溫出水溫/出水量出水量/Kg溫度溫度1 1/溫度溫度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 測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)時(shí)間時(shí)間釜內(nèi)釜內(nèi)夾套內(nèi)夾套內(nèi)環(huán)境環(huán)境主反應(yīng)主反應(yīng)物量物量/mol液溫液溫/汽溫汽溫/進(jìn)水溫進(jìn)水溫/出水溫出水溫/出水量出水量/Kg溫度溫度1 1/溫度溫度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物料的比熱容物料的比熱容在反應(yīng)結(jié)束后，可將降溫階段看作物料的降溫過程，在反應(yīng)結(jié)束后，可將降溫階段看作物料的降溫過程，已不存在反應(yīng)熱的放出，即已不存在反應(yīng)熱的放出，即Q QR R0 0。此時(shí)熱量衡算式為：。此時(shí)熱量衡算式為：mpCp(t0-t)+4.184W (t1-t2)+mRCPR(TR0-t R)KRAT(T-)+ KR Aj (t-) (5-9)采用類似上面的方法對采用類似上面的方法對21

45、21：00002121：3030的時(shí)間段進(jìn)的時(shí)間段進(jìn)行熱量衡算，得到物料的比熱容：行熱量衡算，得到物料的比熱容：C CP P=3.96 =3.96 KjKj/(Kg/(Kg)反應(yīng)熱反應(yīng)熱采用熱量衡算式（采用熱量衡算式（5 57 7）對）對1515：505016:5016:50時(shí)間段進(jìn)行熱時(shí)間段進(jìn)行熱量衡算，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,經(jīng)計(jì)算得到反應(yīng)熱為：經(jīng)計(jì)算得到反應(yīng)熱為：Q QR R18315.5Kj18315.5Kj在此時(shí)間段反應(yīng)掉的主反應(yīng)物的量為：在此時(shí)間段反應(yīng)掉的主反應(yīng)物的量為：23.6623.6618.2218.225.44mol,5.44mol,則摩爾反應(yīng)熱為：則摩爾反應(yīng)熱為：18315.53366.8/5.44RHKJ mol4.測定反應(yīng)釜筒體的總傳熱系數(shù)測定反應(yīng)釜筒體的總傳熱系數(shù)v在間歇反應(yīng)過程中，反應(yīng)放熱量是不均勻的，在進(jìn)行反應(yīng)在間歇反應(yīng)過程中，反應(yīng)放熱量是不均勻的，在進(jìn)行反應(yīng)釜設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以最大熱負(fù)荷來計(jì)算傳熱面積。因此，測定釜設(shè)計(jì)

47、時(shí)，應(yīng)以最大熱負(fù)荷來計(jì)算傳熱面積。因此，測定也應(yīng)在反應(yīng)熱放熱量大的階段進(jìn)行。本例以也應(yīng)在反應(yīng)熱放熱量大的階段進(jìn)行。本例以15：5016:50時(shí)段反應(yīng)掉的主反應(yīng)物量較多，故應(yīng)以該時(shí)段為基準(zhǔn)進(jìn)行時(shí)段反應(yīng)掉的主反應(yīng)物量較多，故應(yīng)以該時(shí)段為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算。v冷卻水帶走的熱量冷卻水帶走的熱量v1515：50501616：2020冷卻水帶走的熱量冷卻水帶走的熱量126.326.226.252t242.739.240.952tQ1=(150.39-150.14)10004.184(40.95-26.35)=15376.2KJv16:2016:201616：5050冷卻水帶走的熱量冷卻水帶走的熱量126.

48、224.925.552t239.236.637.92tQ2=(150.48-150.39)10004.184(37.9-25.55)=4650.5KJ環(huán)境吸收的熱量環(huán)境吸收的熱量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反應(yīng)釜筒體總傳熱系數(shù)反應(yīng)釜筒體總傳熱系數(shù)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：當(dāng)反應(yīng)物系為部分互溶或非均相物系時(shí)，注：當(dāng)反應(yīng)物系為部分互溶或非均相物系時(shí)，攪拌分散效果顯得非常重要，此時(shí)除了上述攪拌分散效果顯得非常重要，此時(shí)除了上述參數(shù)外，還應(yīng)對攪拌器形式、攪拌速率進(jìn)行參數(shù)外，還應(yīng)對攪拌器形式、攪拌速率進(jìn)行測定，并尋求放大判據(jù)。測定，并尋求放大判據(jù)。第二節(jié)

50、第二節(jié) 數(shù)學(xué)模擬法數(shù)學(xué)模擬法v數(shù)學(xué)模擬法是以建立數(shù)學(xué)模型為目的的研究方法。數(shù)學(xué)模擬法是以建立數(shù)學(xué)模型為目的的研究方法。v一一. .數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型v模型通常是指描述一個(gè)系統(tǒng)的各種參數(shù)及變量之間的數(shù)模型通常是指描述一個(gè)系統(tǒng)的各種參數(shù)及變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。學(xué)關(guān)系。v化工過程的數(shù)學(xué)模型一般是一組微分方程或是一種代數(shù)化工過程的數(shù)學(xué)模型一般是一組微分方程或是一種代數(shù)方程，它是描述過程動(dòng)態(tài)規(guī)律的。方程，它是描述過程動(dòng)態(tài)規(guī)律的。v化工過程的數(shù)學(xué)模型可以將試驗(yàn)裝置、中試裝置，甚至化工過程的數(shù)學(xué)模型可以將試驗(yàn)裝置、中試裝置，甚至大型生產(chǎn)裝置的測試數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)回歸，獲得純經(jīng)驗(yàn)大型生產(chǎn)裝置的測試數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)回歸

51、，獲得純經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)關(guān)系，這就是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停灰部梢詮幕み^程的機(jī)的數(shù)學(xué)關(guān)系，這就是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；也可以從化工過程的機(jī)理出發(fā)推導(dǎo)，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的過程數(shù)學(xué)模型，即機(jī)理理出發(fā)推導(dǎo)，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的過程數(shù)學(xué)模型，即機(jī)理模型。模型。注意：注意：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭辉谠囼?yàn)范圍內(nèi)有效，不能用于外推，因經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭辉谠囼?yàn)范圍內(nèi)有效，不能用于外推，因此受到限制。此受到限制。機(jī)理模型允許外推，是化工過程開發(fā)中理想的放大機(jī)理模型允許外推，是化工過程開發(fā)中理想的放大方法。方法。但是，由于化工過程，特別是反應(yīng)過程的復(fù)雜性，很但是，由于化工過程，特別是反應(yīng)過程的復(fù)雜性，很難建立一個(gè)純機(jī)理模型。工業(yè)設(shè)計(jì)放大時(shí)，要求既能難建立一個(gè)純機(jī)理模型。

52、工業(yè)設(shè)計(jì)放大時(shí)，要求既能描述過程特征，又要求簡單以便于應(yīng)用，因此如何對描述過程特征，又要求簡單以便于應(yīng)用，因此如何對過程進(jìn)行合理簡化，是建立數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵問題。過程進(jìn)行合理簡化，是建立數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵問題。數(shù)學(xué)模型建立的步驟模型準(zhǔn)備模型假設(shè)模型構(gòu)成模型求解模型分析v反應(yīng)過程是建立在質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、動(dòng)量傳遞反應(yīng)過程是建立在質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、動(dòng)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)過程基礎(chǔ)上的，而且各種傳遞過程間，和化學(xué)反應(yīng)過程基礎(chǔ)上的，而且各種傳遞過程間，以及它們與反應(yīng)過程都是有密切聯(lián)系的。以及它們與反應(yīng)過程都是有密切聯(lián)系的。v對于這樣復(fù)雜的反應(yīng)過程體系，一般是將反應(yīng)過程對于這樣復(fù)雜的反應(yīng)過程體系，一般是將反應(yīng)過

53、程分解成多個(gè)分解成多個(gè)“等效的等效的”簡單過程，再對分解的過程簡單過程，再對分解的過程進(jìn)行研究。這樣可以使研究問題得到簡化。進(jìn)行研究。這樣可以使研究問題得到簡化。v例如，通常將反應(yīng)過程分解為化學(xué)反應(yīng)與傳遞過程例如，通常將反應(yīng)過程分解為化學(xué)反應(yīng)與傳遞過程進(jìn)行研究。進(jìn)行研究。反應(yīng)過程反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)傳遞過程傳遞過程純化學(xué)過程純化學(xué)過程，不受反應(yīng)器結(jié)不受反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的影響構(gòu)的影響純物理過程，純物理過程，只隨設(shè)備結(jié)構(gòu)只隨設(shè)備結(jié)構(gòu)形式和流動(dòng)混形式和流動(dòng)混合狀態(tài)而改變合狀態(tài)而改變數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型綜合綜合反應(yīng)過程建立數(shù)學(xué)模型示意圖反應(yīng)過程建立數(shù)學(xué)模型示意圖1.1.研究反應(yīng)過程研究反應(yīng)過程v以化學(xué)反應(yīng)為

54、研究對象，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)的特征研究，并進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測定，以掌握反應(yīng)過程的內(nèi)在規(guī)律。v由于化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)微觀過程，其規(guī)律一般不隨設(shè)備尺寸而變化，因此，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)可以在小試裝置中進(jìn)行測定。在反應(yīng)過程研究中，影響因素多，要盡可能的排除外界因素對研究對象的影響。只有這樣，才能通過表面現(xiàn)象看到所研究的反應(yīng)體系的本質(zhì)。v化學(xué)反應(yīng)是化工生產(chǎn)的核心部分，決定著產(chǎn)品的收化學(xué)反應(yīng)是化工生產(chǎn)的核心部分，決定著產(chǎn)品的收率，對生產(chǎn)成本有著重要影響。盡管如此，在早期率，對生產(chǎn)成本有著重要影響。盡管如此，在早期因其復(fù)雜性而阻礙了人們對它的系統(tǒng)研究。直到因其復(fù)雜性而阻礙了人們對它的系統(tǒng)研究。直到20世紀(jì)

55、中葉，在單元操作和傳遞過程研究的基礎(chǔ)上，世紀(jì)中葉，在單元操作和傳遞過程研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了各種反應(yīng)過程具有的共性問題，如反應(yīng)器的發(fā)現(xiàn)了各種反應(yīng)過程具有的共性問題，如反應(yīng)器的返混、反應(yīng)相內(nèi)傳質(zhì)和傳熱，反應(yīng)相外傳質(zhì)和傳熱、返混、反應(yīng)相內(nèi)傳質(zhì)和傳熱，反應(yīng)相外傳質(zhì)和傳熱、反應(yīng)器的穩(wěn)定性等。對于這些問題的研究，以及對反應(yīng)器的穩(wěn)定性等。對于這些問題的研究，以及對反應(yīng)動(dòng)力學(xué)各種效應(yīng)的研究，構(gòu)成了一個(gè)新的學(xué)科反應(yīng)動(dòng)力學(xué)各種效應(yīng)的研究，構(gòu)成了一個(gè)新的學(xué)科分支分支化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)，從而使化學(xué)工程的內(nèi)容化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)，從而使化學(xué)工程的內(nèi)容和方法得到了充實(shí)和發(fā)展。和方法得到了充實(shí)和發(fā)展。v化工熱力學(xué)也是單元操作和反應(yīng)工

56、程的理論基礎(chǔ)，化工熱力學(xué)也是單元操作和反應(yīng)工程的理論基礎(chǔ)，研究傳遞過程的方向和極限，提供過程分析和設(shè)計(jì)研究傳遞過程的方向和極限，提供過程分析和設(shè)計(jì)所需的有關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，化學(xué)工程的學(xué)科分支所需的有關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，化學(xué)工程的學(xué)科分支也可以分兩個(gè)層面：單元操作和反應(yīng)工程較多的直也可以分兩個(gè)層面：單元操作和反應(yīng)工程較多的直接面向工業(yè)實(shí)際；傳遞過程和化工熱力學(xué)較多的從接面向工業(yè)實(shí)際；傳遞過程和化工熱力學(xué)較多的從基礎(chǔ)研究角度，支持前兩個(gè)分支。通過兩個(gè)層面使基礎(chǔ)研究角度，支持前兩個(gè)分支。通過兩個(gè)層面使理論和實(shí)際得以密切結(jié)合。理論和實(shí)際得以密切結(jié)合。v有關(guān)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)研究，已有大量的書籍和文有關(guān)反應(yīng)

57、動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)研究，已有大量的書籍和文獻(xiàn)資料，下面僅對反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)研究進(jìn)行簡單獻(xiàn)資料，下面僅對反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)研究進(jìn)行簡單介紹。介紹。（1 1）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型v常用的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型如下常用的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型如下v冪函數(shù)型冪函數(shù)型v例如反應(yīng)速率為：例如反應(yīng)速率為：abABrkC C式中：式中：C CA A、C CB B分別為反應(yīng)物分別為反應(yīng)物A A和和B B的濃度；的濃度； k k、a a、b b模型參數(shù)模型參數(shù)對于均相反應(yīng)，冪函數(shù)是一種機(jī)理模型，也可作對于均相反應(yīng)，冪函數(shù)是一種機(jī)理模型，也可作為復(fù)雜反應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。為?fù)雜反應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。雙曲型v例如反應(yīng)速率為例如反應(yīng)速率為：1A

58、BAABkp prK p p式中：式中：PA、PB-分別為反應(yīng)物分別為反應(yīng)物A A和和B B的分壓的分壓 k,Kk,KA A,K,KB B模型參數(shù)模型參數(shù)這種模型特別適用于非均相催化反應(yīng)，也是一種機(jī)這種模型特別適用于非均相催化反應(yīng)，也是一種機(jī)理模型。理模型。級數(shù)型v例如反應(yīng)速率為例如反應(yīng)速率為：式中：式中：CA、CB-分別為反應(yīng)物分別為反應(yīng)物A A和和B B的濃度的濃度 b b1 1,b,b2 2,b,b3 3,b,b4 4,b,b5 5模型參數(shù)模型參數(shù)這是一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它表示的關(guān)系式是一種復(fù)雜函數(shù)這是一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它表示的關(guān)系式是一種復(fù)雜函數(shù)的泰勒級數(shù)展開式的前幾項(xiàng)，根據(jù)逼近程度，還可以的泰

59、勒級數(shù)展開式的前幾項(xiàng)，根據(jù)逼近程度，還可以增加冪次。增加冪次。22012345ABABABrbbCb Cb Cb Cb C C（2）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測定）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測定v微分反應(yīng)器：指反應(yīng)物料高速通過小體積的反應(yīng)區(qū)，微分反應(yīng)器：指反應(yīng)物料高速通過小體積的反應(yīng)區(qū)，僅發(fā)生微小的轉(zhuǎn)化（一般轉(zhuǎn)化率小于僅發(fā)生微小的轉(zhuǎn)化（一般轉(zhuǎn)化率小于5 5）。）。v這種反應(yīng)器的特點(diǎn)：這種反應(yīng)器的特點(diǎn)：va.a.由于反應(yīng)床層中流速快，轉(zhuǎn)化率低，可以認(rèn)為不存在由于反應(yīng)床層中流速快，轉(zhuǎn)化率低，可以認(rèn)為不存在返混和擴(kuò)散阻力，溫度和濃度基本一致，因此可獲得真返混和擴(kuò)散阻力，溫度和濃度基本一致，因此可獲得真正的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律

60、；正的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律；vb.b.由于反應(yīng)轉(zhuǎn)化率很小，所獲得的數(shù)據(jù)可直接建立動(dòng)力由于反應(yīng)轉(zhuǎn)化率很小，所獲得的數(shù)據(jù)可直接建立動(dòng)力學(xué)微分表達(dá)式。但是，微分反應(yīng)器對進(jìn)出口濃度的分析學(xué)微分表達(dá)式。但是，微分反應(yīng)器對進(jìn)出口濃度的分析提出很高的要求。而且對溫度、流量和壓力的測量精度提出很高的要求。而且對溫度、流量和壓力的測量精度要求也高，在實(shí)際操作上存在許多困難，因此微分反應(yīng)要求也高，在實(shí)際操作上存在許多困難，因此微分反應(yīng)器僅用于簡單反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)測定。器僅用于簡單反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)測定。（2）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測定）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測定v對微分反應(yīng)器，可以假定在進(jìn)口轉(zhuǎn)化率（對微分反應(yīng)器，可以假定在進(jìn)口轉(zhuǎn)化率（x x