化工工業(yè)放大-2概要課件

工業(yè)放大化工學(xué)院孫洲工業(yè)放大化工學(xué)院孫洲一、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2

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

1.實(shí)驗(yàn)室研究32.小試小型工業(yè)模擬試驗(yàn)（初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價后）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2.小試小型工業(yè)模擬試驗(yàn)（初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價后）43.模試模型試驗(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：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：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)、物料流動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。3.模試模型試驗(yàn)：54.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)計的依據(jù)。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；4.中試6（5）考察物料對設(shè)備材質(zhì)的腐蝕；（6）考察物料循環(huán)產(chǎn)生的微量雜質(zhì)積累帶來的影響；（7）提供一定量的產(chǎn)品供應(yīng)用考察；（8）考察“三廢’”的生成量、危害程度和治理方法；（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。（5）考察物料對設(shè)備材質(zhì)的腐蝕；7概述從實(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。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間、經(jīng)費(fèi)投入等都是重要的?；み^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)放大的依據(jù)。概述從實(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?；み^程采用的模擬放大方法有：經(jīng)驗(yàn)放大法、數(shù)學(xué)模擬法、部分解析法、相似放大法。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。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)模型直接放大到工業(yè)裝置?；み^程采用的模擬放大方法有：經(jīng)驗(yàn)放大法、數(shù)學(xué)模擬法、部分解而反應(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)放大法和部分解析法。而反應(yīng)過程比較復(fù)雜，除化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律外，同時還受到傳遞過程因逐級放大法逐級經(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)果放大到生產(chǎn)裝置的規(guī)模。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)，通過技術(shù)分析得出放大結(jié)果。而每一級放大設(shè)計的依據(jù)主要是前一級試驗(yàn)所取得的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)。逐級放大法逐級經(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50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。缺點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)放大的開發(fā)周期長，人力、物力消耗較大。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50倍以內(nèi)一.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的研究方法1.化工過程開發(fā)主要解決的問題①如何合理選擇設(shè)備形式②確定最佳工藝條件③如何將設(shè)計放大到工業(yè)規(guī)模一.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的研究方法1.化工過程開發(fā)主要解決的問題2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟①.設(shè)備選型設(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)行研究。試驗(yàn)時主要考察設(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“結(jié)構(gòu)變量試驗(yàn)”。2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟①.設(shè)備選型2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟②.優(yōu)化工藝條件在設(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)。試驗(yàn)時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)”。2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟②.優(yōu)化工藝條件2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟③.反應(yīng)器放大逐級試驗(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)。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“幾何變量試驗(yàn)”。2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟③.反應(yīng)器放大2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟通過以上三種獨(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)。2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟通過以上三種獨(dú)立的變量試驗(yàn)，二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征1.只綜合考察輸入變量和輸出結(jié)果的關(guān)系。逐級經(jīng)驗(yàn)放大法是一種“暗箱操作”，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)進(jìn)行的反應(yīng)特征及規(guī)律不作深入考察。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征1.只綜合考察輸入變量和輸出結(jié)果的關(guān)二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征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，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)歸咎于“放大效應(yīng)”。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，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.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征這是一種綜合考察的方法，不能揭示過程二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征2.存在前后試驗(yàn)結(jié)果相互矛盾的個別現(xiàn)象。對于一個化工過程，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。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征2.存在前后試驗(yàn)結(jié)果相互矛盾的個別現(xiàn)二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征按照這種思維模式，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差。說明小試的選型結(jié)論不一定可靠。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征3.外推放大后的結(jié)果可靠性尚存問題。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可能出現(xiàn)截然不同的結(jié)果。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征3.外推放大后的結(jié)果可靠性尚存問題。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征而化工過程的規(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。對不呈線性關(guān)系的過程，用外推法進(jìn)行放大必然會造成偏差。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，必然使開發(fā)經(jīng)費(fèi)增加，開發(fā)周期延長。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征而化工過程的規(guī)律很多都不呈線性關(guān)系，二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征采用逐級經(jīng)驗(yàn)放大法時，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，盡量在理論指導(dǎo)下進(jìn)行工程放大，避免完全的“黑箱操作”，可以提高逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的準(zhǔn)確性。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征采用逐級經(jīng)驗(yàn)放大法時，應(yīng)該應(yīng)用化學(xué)工二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征例異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮是分兩步進(jìn)行的。第一步是異丙苯氧化成過氧化氫異丙苯；第二步是在硫酸催化下過氧化氫異丙苯在液相中分解成苯酚和丙酮。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征例異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮是分兩步進(jìn)行從試驗(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)。硫酸濃度越高，分解速率越快。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)。分解擬用逐級放大法對反應(yīng)器進(jìn)行放大。（1）反應(yīng)器選型對于液相均相反應(yīng)，常用的反應(yīng)器有釜式和管式兩種。擬用逐級放大法對反應(yīng)器進(jìn)行放大?？紤]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)時只考察連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜和連續(xù)流動管式反應(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)器型式轉(zhuǎn)化率連續(xù)流動管式反應(yīng)器98.8連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜97.8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)由于分解反應(yīng)為一級反應(yīng)，返混對轉(zhuǎn)化率有影響。連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜存在返混，而連續(xù)流動管式反應(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，連續(xù)流動管式反應(yīng)器的體積最小，故選用連續(xù)流動管式反應(yīng)器。由于分解反應(yīng)為一級反應(yīng)，返混對轉(zhuǎn)化率有影響。連續(xù)操作攪拌反應(yīng)（2）工藝條件優(yōu)化試驗(yàn)用反應(yīng)管：φ40mm×1202mm，V＝1.51L，長徑比l/d=1202/40=30.05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。指標(biāo)：過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率（2）工藝條件優(yōu)化總的規(guī)律是：反應(yīng)物濃度↑反應(yīng)溫度↑催化劑濃度↑分解速率↑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。物料流量↑停留時間↓轉(zhuǎn)化率↓總的規(guī)律是：反應(yīng)物濃度↑分解速率↑但當(dāng)上述因素提高到一定程度由試驗(yàn)最后得到的最佳工藝條件為：反應(yīng)物濃度3.2Kmol/m3，反應(yīng)溫度359K，硫酸濃度3Kmol/m3，物料流量0.1m3/h。此時分解反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為98.8％。由試驗(yàn)最后得到的最佳工藝條件為：（3）反應(yīng)器放大反應(yīng)器放大分兩步進(jìn)行①一級放大一級放大試驗(yàn)結(jié)果列于表5－2表5－2一級放大試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)類型直徑/mm長度/mm長徑比體積/L流量/m3h-1轉(zhuǎn)化率/%小試40120230.051.510.198.8一級放大40171242.82.150.199.8（3）反應(yīng)器放大試驗(yàn)類型直徑/mm長度/mm長徑比體積/L流從表5－2可知，反應(yīng)體積增加了1.42倍（2.15/1.51），采用同樣的物料流量（0.1m3/h），此時停留時間增加了1.42倍，但轉(zhuǎn)化率僅增加了1.0％。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，在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。因此，反應(yīng)器放大時轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.8％即可。從表5－2可知，反應(yīng)體積增加了1.42倍（2.15/1.51二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征②二級放大反應(yīng)器體積10L,則放大倍數(shù)n=10/1.51=6.62放大原則：保持長徑比不變，停留時間不變。長徑比R=1202/40=30.05設(shè)反應(yīng)管內(nèi)徑為d，長度為l則l=30.05d二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征②二級放大得出d＝7.51cm選用φ82mm×3mm的無縫鋼管，d內(nèi)＝82－3×2＝7.6cm得出d＝7.51cm物料流量Q＝0.1×6.62＝0.662m3/h。保持停留時間不變。在小試的最優(yōu)條件下試驗(yàn)，轉(zhuǎn)化率為98.8％。證明放大過程中不存在放大效應(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)過程受工程因素影響已經(jīng)排除，均無放大效應(yīng)。物料流量Q＝0.1×6.62＝0.662m3/h。保持停留時（4）反應(yīng)器設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模：每小時處理過氧化氫異丙苯3m3/h，濃度C0=3.2Kmol/m3。設(shè)計原則：保持反應(yīng)器幾何相似，用外推法按比例放大。要求過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率為98.8％。按照VP=1.51L，模型反應(yīng)器幾何相似進(jìn)行放大。（4）反應(yīng)器設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模：每小時處理過氧化氫異丙苯3m3/h三.中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法在進(jìn)行反應(yīng)器放大時，多數(shù)情況下仍采用逐級經(jīng)驗(yàn)放大法，放大設(shè)計數(shù)據(jù)大多來源于中試。因此，為了反應(yīng)器的工程放大，需要在中試中取得哪些數(shù)據(jù)，如何取得這些數(shù)據(jù)？下面舉一個比較簡單的釜式反應(yīng)器為例加以說明。三.中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法在進(jìn)行反應(yīng)器放大時，多三.中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法例5－2：在開發(fā)某氧化反應(yīng)過程時，用100L帶攪拌的搪瓷反應(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)溫度低于60℃時反應(yīng)速率緩慢；當(dāng)反應(yīng)溫度超過65℃時，反應(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60～65℃的溫度范圍內(nèi)。三.中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法例5－2：在開發(fā)某氧化1.中試裝置見圖5－1，反應(yīng)釜的夾套中通入冷卻水及時移走反應(yīng)熱，其進(jìn)出口溫度及流量分別為t1,t2和W；釜內(nèi)采用2支熱電阻溫度計分別測量液相溫度（T）和氣相溫度（T’）；在反應(yīng)釜兩側(cè)相對距釜壁500mm處放置溫度計測量環(huán)境溫度τ1、τ2。圖5－1反應(yīng)釜中試裝置1.中試裝置圖5－1反應(yīng)釜中試裝置2.反應(yīng)器工程數(shù)據(jù)的測算根據(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，及時移走反應(yīng)熱，將反應(yīng)溫度嚴(yán)格控制在60～65℃范圍內(nèi)是關(guān)鍵。中試時，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)，以及反應(yīng)釜的傳熱系數(shù)等。2.反應(yīng)器工程數(shù)據(jù)的測算（1）反應(yīng)釜的熱量平衡假設(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產(chǎn)生的熱量忽略不計。其熱量平衡方程為：QR+Q1+Q2+Q3=Q4+Q5(5-1)①Q(mào)R-化學(xué)反應(yīng)放出的熱量②Q1-釜內(nèi)物料升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量（1）反應(yīng)釜的熱量平衡Q1＝mpCp(T0-Tθ)(5-2)式中：mp-釜內(nèi)物料量，Kg;Cp-物料的比熱容，Kj/(Kg·℃)T0.Tθ-物料起始和終了溫度，℃。Q1＝mpCp(T0-Tθ)(③Q2－夾套內(nèi)水移走（或供給）的熱量Q2=WCpW(t1-t2)△θ(5-3)式中：W－冷卻水流量，Kg/h;Cpw-水的比熱容，Kj/(Kg·℃)t1、t2-冷卻水的進(jìn)出口溫度，℃△θ－測定的時間間隔，h③Q2－夾套內(nèi)水移走（或供給）的熱量④Q3－反應(yīng)釜體升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量Q3＝mRCpR(TR0-TRθ)(5-4)式中：mR-釜體的質(zhì)量，KgCpR-釜體的比熱容，Kj/(Kg·℃)TR0、TRθ－釜體開始和終了溫度，℃④Q3－反應(yīng)釜體升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量⑤Q4－釜上封頭對環(huán)境傳熱量Q4＝KRAT(T’-τ)Δθ(5-5)式中：KR-封頭散熱的傳熱系數(shù)，Kj/(m2·h·℃)AT-封頭的散熱面積，m2T’、τ－封頭的開始和終了溫度，℃

Δθ－測定的時間間隔，h⑤Q4－釜上封頭對環(huán)境傳熱量⑥Q5－釜夾套側(cè)對環(huán)境的傳熱量Q5＝KRAj(t-τ)Δθ(5-6)式中：KR-釜夾套側(cè)散熱的傳熱系數(shù)，Kj/(m3·h·℃)Aj-釜夾套側(cè)的散熱面積，m2t、τ－釜夾套側(cè)的開始和終了溫度，℃

Δθ－測定的時間間隔，h⑥Q5－釜夾套側(cè)對環(huán)境的傳熱量則式5－1可寫成QR+mpCp(t0-tθ)+WCpw(t1-t2)Δθ+mRCPR(TR0-tRθ)＝KRAT(T’-τ)Δθ+KRAj(t-τ)Δθ(5-7)則式5－1可寫成測定時以水作為物料，夾套層內(nèi)以60℃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溫，測定釜體散熱的傳熱系數(shù)。當(dāng)以水代替物料進(jìn)行熱量平衡時，無反應(yīng)熱，且物料為水。故：QR=0,CP=4.184,CPW=4.184則（5－7）變成4.184mP(t0-tθ)+4.184(t1-t2)WΔθ+mRCPR(TR0-tRθ)＝KRAT(T’-τ)Δθ+KRAj(t-τ)Δθ(5-8)測定時以水作為物料，夾套層內(nèi)以60℃左右的熱水供熱。以加熱釜通過測定，可獲得T0、Tθ、t1、t2、TR0、TRθ、T’及τ、Δθ等數(shù)據(jù)，則KR可求得。測試結(jié)果見表5－3對8：25～8：55時間段進(jìn)行熱量平衡：已知：CPR=0.477Kj/(Kg·℃);mR=342Kg,Aj=0.77m2,AT=0.5m2,mP=102.8Kg①釜內(nèi)液相物料加權(quán)平均溫度=53.36℃通過測定，可獲得T0、Tθ、t1、t2、TR0、TRθ、T時間釜內(nèi)夾套內(nèi)環(huán)境液溫T/℃汽溫T‘/℃進(jìn)水溫t1/℃出水溫t1/℃水量/Kg溫度τ1/℃溫度τ2/℃8:2543.037.563.262.5161.2330.530.58:3552.245.063.662.7162.1431.031.58:4556.550.063.262.8162.9431.331.58:5058.350.563.262.8163.3531.532.08:5559.452.063.262.8163.7131.732.09:1554.9750.022.725.1164.1731.832.09:2549.645.522.123.6164.6532.132.09:3546.2742.021.923.0165.1432.032.09:4544.140.521.922.7165.5932.533.09:5542.540.021.922.5166.0232.533.010:0541.33821.922.4166.5932.533.010:1540.6037.521.922.4166.9732.633.0表5－3反應(yīng)釜傳熱系數(shù)測定時間釜內(nèi)夾套內(nèi)環(huán)境液溫T/℃汽溫T‘/℃進(jìn)水溫t1/②夾套內(nèi)水的加權(quán)平均溫度同樣對夾套進(jìn)水（t1）出水（t2）溫度求加權(quán)平均值，得出：t1=63.48℃，t2=62.72℃則夾套內(nèi)水的平均溫度為：t=(t1+t2)/2=63.10℃③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τ＝31.30℃④釜內(nèi)汽相加權(quán)平均溫度T’＝46.50℃②夾套內(nèi)水的加權(quán)平均溫度⑤釜體溫度用下式近似估計釜體的平均溫度則釜體開始時平均溫度為：℃釜體終了時的平均溫度為：℃⑤釜體溫度則釜體開始時平均溫度為：℃釜體終了時的平均溫度為：⑥8：25～8：55時間段內(nèi)冷卻水量W·Δθ=163.71-161.23=2.48Kg將上述數(shù)據(jù)代入式（5－8），得到反應(yīng)釜吸熱時的傳熱系數(shù)：KR=-51.83Kj/(m2·h·℃)對9：15～10：15時間段進(jìn)行熱量平衡，采用上述方法求得反應(yīng)釜放熱時的傳熱系數(shù)KR’=534.68Kj/(m2·h·℃)⑥8：25～8：55時間段內(nèi)冷卻水量3.測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)將159Kg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（14：00～14:45）。然后在夾套內(nèi)通入冷水控制釜內(nèi)溫度在60～65℃范圍內(nèi)反應(yīng)（14：50～20：50），每小時取樣分析主反應(yīng)物的量（mol）。最后在夾套內(nèi)通入冷水將釜內(nèi)物料降溫后（20：50～21：30）出料。整個反應(yīng)過程的情況見表5－4。3.測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)將159Kg物料投入搪瓷反應(yīng)釜中，開表5－4測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)時間釜內(nèi)夾套內(nèi)環(huán)境主反應(yīng)物量/mol液溫/℃汽溫/℃進(jìn)水溫/℃出水溫/℃出水量/Kg溫度τ1/℃溫度τ2/℃14:0037.138.034.837.8148.6135.535.814:1038.8740.071.264.9148.8135.835.814:2043.940.063.862.7149.0235.836.014:3050.4342.062.662.1149.7636.036.514:4054.0745.061.760.8149.8736.337.014:5057.5347.033.448.5149.8937.035.725.5815:2058.3050.226.941.3150.0336.436.015:5058.4750.226.342.7150.1436.436.523.6616:2059.1721.026.239.2150.3936.536.516:5059.1351.024.936.6150.4836.036.518.2217:2059.4351.023.832.2150.7036.036.0表5－4測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)時間釜內(nèi)夾套內(nèi)環(huán)境主反應(yīng)物量/表5－4測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)時間釜內(nèi)夾套內(nèi)環(huán)境主反應(yīng)物量/mol液溫/℃汽溫/℃進(jìn)水溫/℃出水溫/℃出水量/Kg溫度τ1/℃溫度τ2/℃17:5059.5351.024.136.5151.0234.835.012.7218:2060.5752.023.130.7151.3333.834.018:5060.3752.023.433.8151.6333.233.26.3719:2060.4351.523.136.5151.7132.032.019:5060.4351.523.841.9151.8931.531.51.4220:2060.3751.525.045.2151.9331.031.020:5060.4051.526.044.7151.9531.231.221:0056.9351.521.724.2152.5330.630.621:1053.4050.021.623.3152.9630.530.521:2050.4347.021.622.8153.4330.230.221:3048.2345.021.522.7153.8930.230.2表5－4測定物料的熱化學(xué)性質(zhì)時間釜內(nèi)夾套內(nèi)環(huán)境主反應(yīng)物量/①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，已不存在反應(yīng)熱的放出，即QR＝0。此時熱量衡算式為：mpCp(t0-tθ)+4.184W(t1-t2)Δθ+mRCPR(TR0-tRθ)＝KRAT(T’-τ)Δθ+KRAj(t-τ)Δθ(5-9)采用類似上面的方法對21：00～21：30的時間段進(jìn)行熱量衡算，得到物料的比熱容：CP=3.96Kj/(Kg·℃)①物料的比熱容mpCp(t0-tθ)+4.184W(t1-②反應(yīng)熱采用熱量衡算式（5－7）對15：50～16:50時間段進(jìn)行熱量衡算，依次求得：T0=58.47℃,Tθ=59.13℃,TR0=42.72℃,TRθ=46.96℃t2=39.43℃,t1=25.90℃,t=32.67℃,τ=36.5℃T’=50.8℃,WΔθ=340Kg,經(jīng)計算得到反應(yīng)熱為：QR＝18315.5Kj在此時間段反應(yīng)掉的主反應(yīng)物的量為：23.66－18.22＝5.44mol,則摩爾反應(yīng)熱為：②反應(yīng)熱4.測定反應(yīng)釜筒體的總傳熱系數(shù)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)計時，應(yīng)以最大熱負(fù)荷來計算傳熱面積。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15：50～16:50時段反應(yīng)掉的主反應(yīng)物量較多，故應(yīng)以該時段為基準(zhǔn)進(jìn)行計算。①冷卻水帶走的熱量15：50～16：20冷卻水帶走的熱量℃℃Q1=(150.39-150.14)×1000×4.184×(40.95-26.35)=15376.2KJ4.測定反應(yīng)釜筒體的總傳熱系數(shù)在間歇反應(yīng)過程中，反應(yīng)放熱量是16:20～16：50冷卻水帶走的熱量℃℃Q2=(150.48-150.39)×1000×4.184×(37.9-25.55)=4650.5KJ16:20～16：50冷卻水帶走的熱量℃℃Q2=(150.4②環(huán)境吸收的熱量℃℃℃℃Q3＝KRAj(t-τ)=-51.83×0.77×(36.425-32.66)=-150.3KJ②環(huán)境吸收的熱量℃℃℃℃Q3＝KRAj(t-τ)=-51.8③反應(yīng)釜筒體總傳熱系數(shù)q=KAjΔtm℃℃Kj/(m2·h·℃)③反應(yīng)釜筒體總傳熱系數(shù)℃℃Kj/(m2·h·℃)注：當(dāng)反應(yīng)物系為部分互溶或非均相物系時，攪拌分散效果顯得非常重要，此時除了上述參數(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)。注：當(dāng)反應(yīng)物系為部分互溶或非均相物系時，攪拌分散效果顯得非常第二節(jié)數(shù)學(xué)模擬法數(shù)學(xué)模擬法是以建立數(shù)學(xué)模型為目的的研究方法。一.數(shù)學(xué)模型模型通常是指描述一個系統(tǒng)的各種參數(shù)及變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。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，它是描述過程動態(tài)規(guī)律的?；み^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)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)理模型。第二節(jié)數(shù)學(xué)模擬法數(shù)學(xué)模擬法是以建立數(shù)學(xué)模型為目的的研究方法注意：①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。②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。但是，由于化工過程，特別是反應(yīng)過程的復(fù)雜性，很難建立一個純機(jī)理模型。工業(yè)設(shè)計放大時，要求既能描述過程特征，又要求簡單以便于應(yīng)用，因此如何對過程進(jìn)行合理簡化，是建立數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵問題。注意：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反應(yīng)過程是建立在質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、動量傳遞和化學(xué)反應(yīng)過程基礎(chǔ)上的，而且各種傳遞過程間，以及它們與反應(yīng)過程都是有密切聯(lián)系的。對于這樣復(fù)雜的反應(yīng)過程體系，一般是將反應(yīng)過程分解成多個“等效的”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。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。反應(yīng)過程是建立在質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、動量傳遞和化學(xué)反應(yīng)過程基反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)傳遞過程純化學(xué)過程，不受反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的影響純物理過程，只隨設(shè)備結(jié)構(gòu)形式和流動混合狀態(tài)而改變數(shù)學(xué)模型綜合反應(yīng)過程建立數(shù)學(xué)模型示意圖反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)傳遞過程純化學(xué)過程，不受反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的影響純物1.研究反應(yīng)過程以化學(xué)反應(yīng)為研究對象，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行反應(yīng)動力學(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。由于化學(xué)反應(yīng)是一個微觀過程，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)。1.研究反應(yīng)過程以化學(xué)反應(yīng)為研究對象，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行反應(yīng)動力學(xué)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)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)動力學(xué)各種效應(yīng)的研究，構(gòu)成了一個新的學(xué)科分支——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。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)較多的從基礎(chǔ)研究角度，支持前兩個分支。通過兩個層面使理論和實(shí)際得以密切結(jié)合。有關(guān)反應(yīng)動力學(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)動力學(xué)的試驗(yàn)研究進(jìn)行簡單介紹。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（1）反應(yīng)動力學(xué)模型常用的反應(yīng)動力學(xué)模型如下①冪函數(shù)型例如反應(yīng)速率為：式中：CA、CB－分別為反應(yīng)物A和B的濃度；

k、a、b－模型參數(shù)對于均相反應(yīng)，冪函數(shù)是一種機(jī)理模型，也可作為復(fù)雜反應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?）反應(yīng)動力學(xué)模型常用的反應(yīng)動力學(xué)模型如下式中：CA、CB②雙曲型例如反應(yīng)速率為：式中：PA、PB--分別為反應(yīng)物A和B的分壓

k,KA,KB—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)理模型。②雙曲型例如反應(yīng)速率為：式中：PA、PB--分別為反應(yīng)物A和③級數(shù)型例如反應(yīng)速率為：式中：CA、CB--分別為反應(yīng)物A和B的濃度

b1,b2,b3,b4,b5—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)的泰勒級數(shù)展開式的前幾項(xiàng)，根據(jù)逼近程度，還可以增加冪次。③級數(shù)型例如反應(yīng)速率為：式中：CA、CB--分別為反應(yīng)物A和（2）反應(yīng)動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測定①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5％）。這種反應(yīng)器的特點(diǎn)：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)動力學(xué)規(guī)律；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)器僅用于簡單反應(yīng)的動力學(xué)測定。（2）反應(yīng)動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測定①微分反應(yīng)器：指反應(yīng)物料高速通過?。?）反應(yīng)動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測定對微分反應(yīng)器，可以假定在進(jìn)口轉(zhuǎn)化率（xA1）和出口轉(zhuǎn)化率（xA2)范圍內(nèi)，反應(yīng)速率為恒定值，等于平均轉(zhuǎn)化率（）時的速率式中：FA0—反應(yīng)物的進(jìn)料流量，mol/h;W—反應(yīng)床中催化劑的質(zhì)量，g;xA1,xA2—進(jìn)口與出口處反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。（2）反應(yīng)動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測定對微分反應(yīng)器，可以假定在進(jìn)口轉(zhuǎn)化率在恒溫下改變進(jìn)口轉(zhuǎn)化率，測定出口轉(zhuǎn)化率，即可得到相應(yīng)的反應(yīng)速率。改變進(jìn)口轉(zhuǎn)化率主要有兩種方法：其一是將部分反應(yīng)生成物加入原料中，配成所需轉(zhuǎn)化率時的組成；其二是在微分反應(yīng)器之前加一個預(yù)反應(yīng)器，將反應(yīng)物反應(yīng)至規(guī)定轉(zhuǎn)化率時，再進(jìn)入微分反應(yīng)器。在恒溫下改變進(jìn)口轉(zhuǎn)化率，測定出口轉(zhuǎn)化率，即可得到相應(yīng)的反應(yīng)速②積分反應(yīng)器常用的積分反應(yīng)器是間歇攪拌釜式反應(yīng)器和連續(xù)流動管式反應(yīng)器。后者是在恒定的溫度、壓力及進(jìn)料組成下改變流量，測定出口組成，并使轉(zhuǎn)化率達(dá)到20％～25％左右；前者則是按時測定物料的組成，將作圖，即得反應(yīng)速率等溫線如圖5－2通過圖解微分或數(shù)值方法，則可求得反應(yīng)速率②積分反應(yīng)器常用的積分反應(yīng)器是間歇攪拌釜式反應(yīng)器和連續(xù)流動管取一微小催化劑層對原料作物料衡算：或（5－14）由于積分反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，且與工業(yè)裝置結(jié)構(gòu)相似，因此常采用它來測定催化反應(yīng)動力學(xué)。但是積分反應(yīng)器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理較麻煩，且圖解微分時誤差較大，因此只有在計算機(jī)技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，才獲得較好的研究效果。圖5－2積分反應(yīng)器的等溫線取一微小催化劑層對原料作物料衡算：或（5－14）由于積分反應(yīng)③無梯度反應(yīng)器為了獲得精確的非均相催化反應(yīng)動力學(xué)模型，減少因循環(huán)造成的“空間反應(yīng)”和催化劑床層中的傳遞過程的影響，開發(fā)了無梯度反應(yīng)器。在這種反應(yīng)器中既無相際又無相內(nèi)反應(yīng)物的濃度和溫度梯度，這樣既提高了試驗(yàn)的精確度，又沒有因轉(zhuǎn)化率低而造成的分析困難。因此，無梯度反應(yīng)器具有催化空間較小、穩(wěn)定可靠、設(shè)備緊湊、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可直接計算反應(yīng)速率：（5－15）③無梯度反應(yīng)器為了獲得精確的非均相催化反應(yīng)動力學(xué)模型，減少因④脈沖式微型催化反應(yīng)器是由一臺色譜儀和一臺小型管式固定床組成的，反應(yīng)器連接在色譜儀的進(jìn)樣閥與色譜柱之間。載氣是惰性氣體或一種反應(yīng)物，以一定的速度通過反應(yīng)器，反應(yīng)物以脈沖的形式從進(jìn)樣閥注入系統(tǒng)，與載氣一起流過反應(yīng)器進(jìn)行催化反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體經(jīng)色譜柱分離，然后由監(jiān)測器進(jìn)行分析測定其組成。④脈沖式微型催化反應(yīng)器是由一臺色譜儀和一臺小型管式固定床組成實(shí)驗(yàn)時使溫度、壓力及脈沖保持恒定，改變載氣的流量，獲得轉(zhuǎn)化率與載氣流量的關(guān)系，然后進(jìn)一步研究反應(yīng)速率、反應(yīng)機(jī)理等問題。這種反應(yīng)器可測定穩(wěn)定狀況下的動力學(xué)數(shù)據(jù)，據(jù)此估計反應(yīng)速率和催化活性，還可用于研究催化劑的中毒過程，進(jìn)而推測催化劑的表面性質(zhì)。但是，這種反應(yīng)器不能獲得嚴(yán)格的動力學(xué)定量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時使溫度、壓力及脈沖保持恒定，改變載氣的流量，獲得轉(zhuǎn)化率選擇實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器時，應(yīng)主要考慮以下

六個方面：a.反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，造價低；b.等溫或絕熱性能好；c.流體流動為理想置換或理想混合；d.物料的停留時間能準(zhǔn)確控制；e.取樣分析方便簡單；f.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理容易方便。將實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器性能比較列于表5－5中，A表示“優(yōu)”，B表示“尚可”，C表示“差”選擇實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器時，應(yīng)主要考慮以下

六個方面：a.反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡表5－5常見實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器性能比較反應(yīng)器形式結(jié)構(gòu)簡單造價低等溫或絕熱性能理想置換或理想混合停留時間準(zhǔn)確性取樣分析簡單方便數(shù)據(jù)處理容易方便間歇攪拌反應(yīng)器AAAABB等溫積分反應(yīng)器AB-AAAAB絕熱積分反應(yīng)器AB-AAAAC微分反應(yīng)器AAABC-BA外循環(huán)反應(yīng)器BAAAAA內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器BAAAB-AA脈沖反應(yīng)器CAACAC瞬態(tài)響應(yīng)反應(yīng)器BAAAAC表5－5常見實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器性能比較反應(yīng)器形式結(jié)構(gòu)簡單造價低等溫(3)數(shù)據(jù)處理利用動力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立反應(yīng)動力學(xué)模型，一般要經(jīng)過模型篩選－數(shù)據(jù)擬合－模型顯著性檢驗(yàn)三個環(huán)節(jié)。(3)數(shù)據(jù)處理利用動力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立反應(yīng)動力學(xué)模型，一般要經(jīng)2.研究傳遞過程傳遞過程是單元操作和反應(yīng)工程的共同基礎(chǔ)。在各種單元操作設(shè)備和反應(yīng)裝置中進(jìn)行的物理過程不外乎三種傳遞：動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。研究反應(yīng)傳遞過程模型的任務(wù)是要恰當(dāng)?shù)姆从吵隽鲃?、混合、傳熱、傳質(zhì)等傳遞過程對反應(yīng)結(jié)果的影響。流動情況是反應(yīng)器放大時最不易確定的因素，而大型工業(yè)設(shè)備與小型試驗(yàn)裝置中流動情況往往相差較大，而且傳熱和傳質(zhì)總是伴隨流動而發(fā)生的，只是確定流動狀況后才能正確描述傳質(zhì)和傳熱過程。因此，確定傳遞過程模型的關(guān)鍵是流動模型。2.研究傳遞過程傳遞過程是單元操作和反應(yīng)工程的共同基礎(chǔ)。在各理想置換的特點(diǎn)是物料的所有粒子在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間是相同的，不存在返混。對流速較大、管子很長的管式反應(yīng)器來說，物料組成、溫度及轉(zhuǎn)化率只隨管程變化，就象間歇反應(yīng)釜中，這些參數(shù)只隨時間改變一樣。因此，理想置換管式反應(yīng)器中的變化規(guī)律與間歇操作反應(yīng)釜相同。理想混合的特征是反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)的濃度、溫度完全相同，且等于反應(yīng)出口的濃度和溫度，說明其返混程度達(dá)到了最大限度。對于連續(xù)操作的攪拌反應(yīng)釜，只要攪拌效果好，其流動狀況基本上是理想混合型。理想置換的特點(diǎn)是物料的所有粒子在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間是相同的，理想置換和理想混合是物理意義明確、數(shù)學(xué)表達(dá)簡便、典型的兩種極限流動狀態(tài)，他們是復(fù)雜模型的基礎(chǔ)。實(shí)際反應(yīng)過程未必會符合這兩種模型，但往往將兩種模型加以修正，即可運(yùn)用。理想置換和理想混合是物理意義明確、數(shù)學(xué)表達(dá)簡便、典型的兩種極（1）與兩種模型的偏差很小

當(dāng)實(shí)際反應(yīng)過程中的流動狀況與兩種模型的偏差很小時，可以用理想流動模型描述反應(yīng)過程的流動模型。例如：長徑比很大，流速很快的填充床反應(yīng)器和管式反應(yīng)器，可看作理想置換；劇烈攪拌的反應(yīng)釜，可看作是理想混合。（1）與兩種模型的偏差很小

當(dāng)實(shí)際反應(yīng)過程中的流動狀況與兩種（2）與兩種模型的偏差不大實(shí)際反應(yīng)過程中的流動狀況與兩種模型的偏差不大時，可對模型做適當(dāng)?shù)男拚.擴(kuò)散模型在實(shí)際流動之上添加一個以費(fèi)克定律描述的擴(kuò)散項(xiàng)Dθ，即擴(kuò)散模型。b.多級理想混合模型將實(shí)際流動看作多級（N）、串連理想混合設(shè)備的流動，即多級理想混合模型。其中，Dθ、N兩個參數(shù)綜合了流動的特征，由實(shí)驗(yàn)測定。其方法是運(yùn)用相似理論進(jìn)行冷漠試驗(yàn)和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。（2）與兩種模型的偏差不大實(shí)際反應(yīng)過程中的流動狀況與兩種模型(3)與兩種模型的偏差很大當(dāng)實(shí)際反應(yīng)過程中的流動狀況與兩種模型的偏差很大時，以上修正往往不能滿足要求，應(yīng)針對引起偏離的原因作出簡化處理。例如，將“短路”看作是流量大小在并聯(lián)反應(yīng)器間不均勻分配的結(jié)果；將“死區(qū)”看作有流體進(jìn)出口的反應(yīng)器之外，還有一個與之相連的，其間又有交換的副反應(yīng)器。化工工業(yè)放大-2概要課件一般實(shí)際反應(yīng)過程與理想模型不會發(fā)生很大偏差，過大的偏差將對反應(yīng)結(jié)果造成很大的影響。此時，首先應(yīng)改變設(shè)備形式，設(shè)法糾正偏差，其次才是尋找更合適的流動模型。判斷設(shè)備流動狀況的主要手段是測定設(shè)備中物料的停留時間分布。測定的方法多種多樣，最簡單的方法是在設(shè)備達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定操作后，在進(jìn)口處瞬時加入少量示蹤物質(zhì)，然后連續(xù)測定該脈沖信號在出口處的反應(yīng)，即可獲得停留時間分布。各種不同的流動狀況都有帶特征的停留時間分布。各種不同的流動狀況都有帶特征的停留時間分布曲線形狀?！八绤^(qū)”的特征是停留時間分布曲線上有一個很明顯的“尾巴”，“再循環(huán)”的特征是其停留時間分布曲線上，出現(xiàn)波幅逐漸衰減的波動。一般實(shí)際反應(yīng)過程與理想模型不會發(fā)生很大偏差，過大的偏差將對反3、建立數(shù)學(xué)模型對化學(xué)反應(yīng)與傳遞過程的特征進(jìn)行詳細(xì)研究后，建立描述兩種特征規(guī)律的函數(shù)關(guān)系，再用數(shù)學(xué)方法將兩種特征規(guī)律進(jìn)行綜合，就可以建立反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型了。在反應(yīng)器內(nèi)，有化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)特征和規(guī)律，有涉及到物料流動與混合、傳熱與傳質(zhì)等方面的規(guī)律。按建模的要求建立相關(guān)的衡算式，對這些衡算式聯(lián)立方程組求解，就完成了建立該反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型。3、建立數(shù)學(xué)模型對化學(xué)反應(yīng)與傳遞過程的特征進(jìn)行詳細(xì)研究后，建3、建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型的一個重要環(huán)節(jié)就是尋求簡化方法，使建立的數(shù)學(xué)模型容易運(yùn)算求解。作為工程放大的數(shù)學(xué)模型不一定要真實(shí)的反映過程的運(yùn)行機(jī)理，只要求達(dá)到與實(shí)際過程等效就可以了。所謂簡化，就是要找到與實(shí)際過程等效的簡化方法。例如：氣固催化反應(yīng)過程，一般采用固定床反應(yīng)器。反應(yīng)器中催化劑顆粒是亂堆的，形成不規(guī)則的網(wǎng)狀通道。氣體通過催化劑層是繞著催化劑顆粒流動的，不斷的分流與匯合。這是一種隨機(jī)過程，要找出氣體的這種紊亂動態(tài)模型是困難的。但是，從另一個角度看，氣體的流動狀態(tài)對反應(yīng)過程的影響，主要表現(xiàn)在由于返混程度不同引起反應(yīng)器內(nèi)溫度分布和濃度分布不同。所以，一般用返混概念描寫紊亂的分流與匯合現(xiàn)象，這樣使問題得到簡化。3、建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型的一個重要環(huán)節(jié)就是尋求簡化方法，3、建立數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型的特征是簡化，數(shù)學(xué)模型成功的關(guān)鍵也取決于簡化是否合理。如何判斷簡化的合理性？可從下面幾個方面全面衡量。（1）簡化而不失真如果模型雖然簡單但失真，顯然這種模型是無效的。例如：早期研究流化床時，建立簡單的返混模型，由返混和停留時間分布來確定反應(yīng)結(jié)果，最終均遭失敗。原因是流化床中除流動的不均勻性外，還有氣固相接觸的不均一性，由于流化床中存在濃、稀兩相，因此氣體的停留時間就完全不同于氣體與固體之間的接觸時間，而氣體與固體之間的接觸時間才是影響反應(yīng)結(jié)果的關(guān)鍵因素。由于上述模型失真，所以也就無效。3、建立數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型的特征是簡化，數(shù)學(xué)模型成功的關(guān)鍵也?。?）簡化又能滿足應(yīng)用要求模型的簡繁程度決定了模型的精度，因此，根據(jù)目的就決定了對模型的精度要求。例如，對于低轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器，只要其停留時間分布大體相符即可，因此可以采用簡化的流動模型；而對于高轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)器，返混的影響很大，其停留時間和流動狀況比較重要，特別是反應(yīng)前段轉(zhuǎn)化率變化顯著時，流動狀況影響更顯著，因此需要精確的流動模型。（2）簡化又能滿足應(yīng)用要求模型的簡繁程度決定了模型的精度，因（3）簡化使其適應(yīng)試驗(yàn)條件模型的可靠性要通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)，也只有通過試驗(yàn)才能求得模型參數(shù)。因此，必須進(jìn)行簡化，以便通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃瓦M(jìn)行參數(shù)估計。如果模型不能通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)和進(jìn)行參數(shù)估計，這樣的模型就沒有實(shí)際意義。（4）簡化使其適應(yīng)計算機(jī)運(yùn)算能力建立模型后，都要進(jìn)行大量的數(shù)值計算和模擬計算，因此一個好的模型應(yīng)盡量能在一般計算機(jī)上作計算，否則就要對模型進(jìn)一步簡化修改。（3）簡化使其適應(yīng)試驗(yàn)條件模型的可靠性要通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)，也只4檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型描述的是某一反應(yīng)的動態(tài)規(guī)律，充分考慮了化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在規(guī)律和外界因素的影響。只要工業(yè)生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式與數(shù)學(xué)模型相同，則模型就不會受到設(shè)備幾何尺寸的限制，就可以用于反應(yīng)器的放大設(shè)計。但是，數(shù)學(xué)模型的建立是通過多種簡化后得到的，所建數(shù)學(xué)模型與實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備是否等效，還需要通過試驗(yàn)檢驗(yàn)，并通過試驗(yàn)對模型進(jìn)行修正。4檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型描述的是某一反應(yīng)的動態(tài)規(guī)律，小節(jié)介紹了逐級放大法、數(shù)學(xué)模擬法兩種開發(fā)放大方法，要求掌握逐級放大法的的步驟及特征，了解放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)在中試中的測定方法，掌握數(shù)學(xué)模型建立的步驟，熟悉數(shù)學(xué)模擬放大法的研究方法，重點(diǎn)掌握幾種常用的反應(yīng)動力學(xué)模型及反應(yīng)動力學(xué)的試驗(yàn)測定。小節(jié)介紹了逐級放大法、數(shù)學(xué)模擬法兩種開發(fā)放大方法，要求掌握逐謝謝謝謝工業(yè)放大化工學(xué)院孫洲工業(yè)放大化工學(xué)院孫洲一、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104

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

1.實(shí)驗(yàn)室研究1052.小試小型工業(yè)模擬試驗(yàn)（初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價后）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2.小試小型工業(yè)模擬試驗(yàn)（初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價后）1063.模試模型試驗(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：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：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)、物料流動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。3.模試模型試驗(yàn)：1074.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)計的依據(jù)。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；4.中試108（5）考察物料對設(shè)備材質(zhì)的腐蝕；（6）考察物料循環(huán)產(chǎn)生的微量雜質(zhì)積累帶來的影響；（7）提供一定量的產(chǎn)品供應(yīng)用考察；（8）考察“三廢’”的生成量、危害程度和治理方法；（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。（5）考察物料對設(shè)備材質(zhì)的腐蝕；109概述從實(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。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間、經(jīng)費(fèi)投入等都是重要的?；み^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)放大的依據(jù)。概述從實(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?；み^程采用的模擬放大方法有：經(jīng)驗(yàn)放大法、數(shù)學(xué)模擬法、部分解析法、相似放大法。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。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)模型直接放大到工業(yè)裝置?；み^程采用的模擬放大方法有：經(jīng)驗(yàn)放大法、數(shù)學(xué)模擬法、部分解而反應(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)放大法和部分解析法。而反應(yīng)過程比較復(fù)雜，除化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律外，同時還受到傳遞過程因逐級放大法逐級經(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)果放大到生產(chǎn)裝置的規(guī)模。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)，通過技術(shù)分析得出放大結(jié)果。而每一級放大設(shè)計的依據(jù)主要是前一級試驗(yàn)所取得的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)。逐級放大法逐級經(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50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。缺點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)放大的開發(fā)周期長，人力、物力消耗較大。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50倍以內(nèi)一.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的研究方法1.化工過程開發(fā)主要解決的問題①如何合理選擇設(shè)備形式②確定最佳工藝條件③如何將設(shè)計放大到工業(yè)規(guī)模一.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的研究方法1.化工過程開發(fā)主要解決的問題2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟①.設(shè)備選型設(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)行研究。試驗(yàn)時主要考察設(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“結(jié)構(gòu)變量試驗(yàn)”。2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟①.設(shè)備選型2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟②.優(yōu)化工藝條件在設(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)。試驗(yàn)時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)”。2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟②.優(yōu)化工藝條件2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟③.反應(yīng)器放大逐級試驗(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)。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“幾何變量試驗(yàn)”。2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟③.反應(yīng)器放大2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟通過以上三種獨(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)。2.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法研究過程的步驟通過以上三種獨(dú)立的變量試驗(yàn)，二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征1.只綜合考察輸入變量和輸出結(jié)果的關(guān)系。逐級經(jīng)驗(yàn)放大法是一種“暗箱操作”，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)進(jìn)行的反應(yīng)特征及規(guī)律不作深入考察。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征1.只綜合考察輸入變量和輸出結(jié)果的關(guān)二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征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，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)歸咎于“放大效應(yīng)”。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，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.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征這是一種綜合考察的方法，不能揭示過程二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征2.存在前后試驗(yàn)結(jié)果相互矛盾的個別現(xiàn)象。對于一個化工過程，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。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征2.存在前后試驗(yàn)結(jié)果相互矛盾的個別現(xiàn)二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征按照這種思維模式，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差。說明小試的選型結(jié)論不一定可靠。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征3.外推放大后的結(jié)果可靠性尚存問題。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可能出現(xiàn)截然不同的結(jié)果。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征3.外推放大后的結(jié)果可靠性尚存問題。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征而化工過程的規(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。對不呈線性關(guān)系的過程，用外推法進(jìn)行放大必然會造成偏差。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，必然使開發(fā)經(jīng)費(fèi)增加，開發(fā)周期延長。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征而化工過程的規(guī)律很多都不呈線性關(guān)系，二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征采用逐級經(jīng)驗(yàn)放大法時，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，盡量在理論指導(dǎo)下進(jìn)行工程放大，避免完全的“黑箱操作”，可以提高逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的準(zhǔn)確性。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征采用逐級經(jīng)驗(yàn)放大法時，應(yīng)該應(yīng)用化學(xué)工二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征例異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮是分兩步進(jìn)行的。第一步是異丙苯氧化成過氧化氫異丙苯；第二步是在硫酸催化下過氧化氫異丙苯在液相中分解成苯酚和丙酮。二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征例異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮是分兩步進(jìn)行從試驗(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)。硫酸濃度越高，分解速率越快。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)。分解擬用逐級放大法對反應(yīng)器進(jìn)行放大。（1）反應(yīng)器選型對于液相均相反應(yīng)，常用的反應(yīng)器有釜式和管式兩種。擬用逐級放大法對反應(yīng)器進(jìn)行放大?？紤]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)時只考察連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜和連續(xù)流動管式反應(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)器型式轉(zhuǎn)化率連續(xù)流動管式反應(yīng)器98.8連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜97.8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)由于分解反應(yīng)為一級反應(yīng)，返混對轉(zhuǎn)化率有影響。連續(xù)操作攪拌反應(yīng)釜存在返混，而連續(xù)流動管式反應(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，連續(xù)流動管式反應(yīng)器的體積最小，故選用連續(xù)流動管式反應(yīng)器。由于分解反應(yīng)為一級反應(yīng)，返混對轉(zhuǎn)化率有影響。連續(xù)操作攪拌反應(yīng)（2）工藝條件優(yōu)化試驗(yàn)用反應(yīng)管：φ40mm×1202mm，V＝1.51L，長徑比l/d=1202/40=30.05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。指標(biāo)：過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率（2）工藝條件優(yōu)化總的規(guī)律是：反應(yīng)物濃度↑反應(yīng)溫度↑催化劑濃度↑分解速率↑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。物料流量↑停留時間↓轉(zhuǎn)化率↓總的規(guī)律是：反應(yīng)物濃度↑分解速率↑但當(dāng)上述因素提高到一定程度由試驗(yàn)最后得到的最佳工藝條件為：反應(yīng)物濃度3.2Kmol/m3，反應(yīng)溫度359K，硫酸濃度3Kmol/m3，物料流量0.1m3/h。此時分解反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為98.8％。由試驗(yàn)最后得到的最佳工藝條件為：（3）反應(yīng)器放大反應(yīng)器放大分兩步進(jìn)行①一級放大一級放大試驗(yàn)結(jié)果列于表5－2表5－2一級放大試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)類型直徑/mm長度/mm長徑比體積/L流量/m3h-1轉(zhuǎn)化率/%小試40120230.051.510.198.8一級放大40171242.82.150.199.8（3）反應(yīng)器放大試驗(yàn)類型直徑/mm長度/mm長徑比體積/L流從表5－2可知，反應(yīng)體積增加了1.42倍（2.15/1.51），采用同樣的物料流量（0.1m3/h），此時停留時間增加了1.42倍，但轉(zhuǎn)化率僅增加了1.0％。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，在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。因此，反應(yīng)器放大時轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.8％即可。從表5－2可知，反應(yīng)體積增加了1.42倍（2.15/1.51二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征②二級放大反應(yīng)器體積10L,則放大倍數(shù)n=10/1.51=6.62放大原則：保持長徑比不變，停留時間不變。長徑比R=1202/40=30.05設(shè)反應(yīng)管內(nèi)徑為d，長度為l則l=30.05d二.逐級經(jīng)驗(yàn)放大法的特征②二級放大得出d＝7.51cm選用φ82mm×3mm的無縫鋼管，d內(nèi)＝82－3×2＝7.6cm得出d＝7.51cm物料流量Q＝0.1×6.62＝0.662m3/h。保持停留時間不變。在小試的最優(yōu)條件下試驗(yàn)，轉(zhuǎn)化率為98.8％。證明放大過程中不存在放大效應(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)過程受工程因素影響已經(jīng)排除，均無放大效應(yīng)。物料流量Q＝0.1×6.62＝0.662m3/h。保持停留時（4）反應(yīng)器設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模：每小時處理過氧化氫異丙苯3m3/h，濃度C0=3.2Kmol/m3。設(shè)計原則：保持反應(yīng)器幾何相似，用外推法按比例放大。要求過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率為98.8％。按照VP=1.51L，模型反應(yīng)器幾何相似進(jìn)行放大。（4）反應(yīng)器設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模：每小時處理過氧化氫異丙苯3m3/h三.中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法在進(jìn)行反應(yīng)器放大時，多數(shù)情況下仍采用逐級經(jīng)驗(yàn)放大法，放大設(shè)計數(shù)據(jù)大多來源于中試。因此，為了反應(yīng)器的工程放大，需要在中試中取得哪些數(shù)據(jù)，如何取得這些數(shù)據(jù)？下面舉一個比較簡單的釜式反應(yīng)器為例加以說明。三.中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法在進(jìn)行反應(yīng)器放大時，多三.中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法例5－2：在開發(fā)某氧化反應(yīng)過程時，用100L帶攪拌的搪瓷反應(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)溫度低于60℃時反應(yīng)速率緩慢；當(dāng)反應(yīng)溫度超過65℃時，反應(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60～65℃的溫度范圍內(nèi)。三.中試中測定與放大有關(guān)工程數(shù)據(jù)的方法例5－2：在開發(fā)某氧化1.中試裝置見圖5－1，反應(yīng)釜的夾套中通入冷卻水及時移走反應(yīng)熱，其進(jìn)出口溫度及流量分別為t1,t2和W；釜內(nèi)采用2支熱電阻溫度計分別測量液相溫度（T）和氣相溫度（T’）；在反應(yīng)釜兩側(cè)相對距釜壁500mm處放置溫度計測量環(huán)境溫度τ1、τ2。圖5－1反應(yīng)釜中試裝置1.中試裝置圖5－1反應(yīng)釜中試裝置2.反應(yīng)器工程數(shù)據(jù)的測算根據(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，及時移走反應(yīng)熱，將反應(yīng)溫度嚴(yán)格控制在60～65℃范圍內(nèi)是關(guān)鍵。中試時，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)，以及反應(yīng)釜的傳熱系數(shù)等。2.反應(yīng)器工程數(shù)據(jù)的測算（1）反應(yīng)釜的熱量平衡假設(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產(chǎn)生的熱量忽略不計。其熱量平衡方程為：QR+Q1+Q2+Q3=Q4+Q5(5-1)①Q(mào)R-化學(xué)反應(yīng)放出的熱量②Q1-釜內(nèi)物料升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量（1）反應(yīng)釜的熱量平衡Q1＝mpCp(T0-Tθ)(5-2)式中：mp-釜內(nèi)物料量，Kg;Cp-物料的比熱容，Kj/(Kg·℃)T0.Tθ-物料起始和終了溫度，℃。Q1＝mpCp(T0-Tθ)(③Q2－夾套內(nèi)水移走（或供給）的熱量Q2=WCpW(t1-t2)△θ(5-3)式中：W－冷卻水流量，Kg/h;Cpw-水的比熱容，Kj/(Kg·℃)t1、t2-冷卻水的進(jìn)出口溫度，℃△θ－測定的時間間隔，h③Q2－夾套內(nèi)水移走（或供給）的熱量④Q3－反應(yīng)釜體升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量Q3＝mRCpR(TR0-TRθ)(5-4)式中：mR-釜體的質(zhì)量，KgCpR-釜體的比熱容，Kj/(Kg·℃)TR0、TRθ－釜體開始和終了溫度，℃④Q3－反應(yīng)釜體升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量⑤Q4－釜上封頭對環(huán)境傳熱量Q4＝KRAT(T’-τ)Δθ(5-5)式中：KR-封頭散熱的傳熱系數(shù)，Kj/(m2·h·℃)AT-封頭的散熱面積，m2T’、τ－封頭的開始和終了溫度，℃

Δθ－測定的時間間隔，h⑤Q4－釜上封頭對環(huán)境傳熱量⑥Q5－釜夾套側(cè)對環(huán)境的傳熱量Q5＝KRAj(t-τ)Δθ(5-6)式中：KR-釜夾套側(cè)散熱的傳熱系數(shù)，Kj/(m3·h·℃)Aj-釜夾套側(cè)的散熱面積，m2t、τ－釜夾套側(cè)的開始和終了溫度，℃

Δθ－測定的時間間隔，h⑥Q5－釜夾套側(cè)對環(huán)境的傳熱量則式5－1可寫成QR+mpCp(t0-tθ)+WCpw(t1-t2)Δθ+mRCPR(TR0-tRθ)＝KRAT(T’-τ)Δθ+KRAj(t-τ)Δθ(5-7)則式5－1可寫成測定時以水作為物料，夾套層內(nèi)以60℃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溫，測定釜體散熱的傳熱系數(shù)。當(dāng)以水代替物料進(jìn)行熱量平衡時，無反應(yīng)熱，且物料為水。故：QR=0,CP=4.184,CPW=4.184則（5－7）變成4.184mP(t0-tθ)+4.184(t1-t2)WΔθ+mRCPR(TR0-tRθ)＝KRAT(T’-τ)Δθ+KRAj(t-τ)Δθ(5-8)測定時以水作為物料，夾套層內(nèi)以60℃左右的熱水供熱。以加熱釜通過測定，可獲得T0、Tθ、t1、t2、TR0、TRθ、T’及τ、Δθ等數(shù)據(jù)，則KR可求得。測試結(jié)果見表5－3對8：25～8：55時間段進(jìn)行熱量平衡：已知：CPR=0.477Kj/(Kg·℃);mR=342Kg,Aj=0.77m2,AT=0.5m2,mP=102.8Kg①釜內(nèi)液相物料加權(quán)平均溫度=53.36℃通過測定，可獲得T0、Tθ、t1、t2、TR0、TRθ、T時間釜內(nèi)夾套內(nèi)環(huán)境液溫T/℃汽溫T‘/℃進(jìn)水溫t1/℃出水溫t1/℃水量/Kg溫度τ1/℃溫度τ2/℃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