第二章-開發(fā)放大方法

其次章開發(fā)放大方法化工過程開發(fā)接受的探討方法主要是模擬探討法，即用模型來探討化工過程發(fā)生的各種現(xiàn)象和規(guī)律，從中取得開發(fā)放大的依據(jù)。凡依據(jù)模型來模擬生產(chǎn)過程，并從試驗所得的結(jié)果將過程放大的方法，統(tǒng)稱為“模擬放大法”。

模擬化工過程的模型有實物模型和數(shù)學(xué)模型。實物模型：接受與生產(chǎn)裝置或設(shè)備構(gòu)型相像，但規(guī)模小于生產(chǎn)裝置或設(shè)備的試驗裝置進行試驗。數(shù)學(xué)模型：用一組描述化工過程動態(tài)規(guī)律，并接受與過程運行的實際狀況相等效的數(shù)學(xué)方程進行模擬。化工過程開發(fā)常用的模擬放大方法有：閱歷放大法、數(shù)學(xué)模型法、部分解析法和相像放大法四種。四種方法各有其適應(yīng)的對象和條件，不同過程須要選擇不同的模擬放大方法，對于一些較困難的過程可能接受幾種放大方法的綜合，會取得較好的開發(fā)效果。第一節(jié)閱歷放大法閱歷放大法是接受實物模型來模擬放大化工過程的一種沿用已久的方法。它是從試驗室小試起先，經(jīng)過若干級放大的模型裝置進行試驗，漸漸取得接近于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的技術(shù)信息和設(shè)計數(shù)據(jù)后，依此將化工過程放大成生產(chǎn)規(guī)模。每設(shè)計一級模型試驗的依據(jù)，是前一級模型試驗所取得的結(jié)果，屬于閱歷性質(zhì)的考察，故此得名。一、探討方法化學(xué)反應(yīng)過程開發(fā)內(nèi)容：選擇反應(yīng)器型式；確定最佳工藝條件；反應(yīng)器的放大；1反應(yīng)器的選型反應(yīng)器的選型通常接受小型裝置在試驗室進行試驗。因為開發(fā)工作初期，技術(shù)方案尚未確定，不行能投入大量資金制作各種構(gòu)型的大型設(shè)備來用作選型試驗。假如接受不同構(gòu)型的小型反應(yīng)器在試驗室進行探討，則投入資金較少而且更便利。盡管小型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與工業(yè)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)不行能完全一樣，但其基本形式卻是相同的。反應(yīng)器選型試驗變更的是反應(yīng)器型式和結(jié)構(gòu)來考察反應(yīng)過程，故稱之為“結(jié)構(gòu)變量”試驗。2優(yōu)化工藝條件優(yōu)化工藝條件是在設(shè)備選型之后進行的，也是接受小型試驗裝置進行試驗。通過變更工藝條件來考察反應(yīng)結(jié)果，從中篩選出最佳條件，通常稱之為“工藝試驗”。由于試驗內(nèi)容是變更工藝操作條件，故把這種考察看成“操作變量”試驗。由于試驗規(guī)模放大后，物料運行的物理過程規(guī)律會相應(yīng)變更，故由小試確定的條件在之后的模型試驗和中試中會相應(yīng)地調(diào)整或變更，但是其仍舊是探討的基礎(chǔ)。3反應(yīng)器的放大在閱歷放大法中，反應(yīng)器的放大是用建立模型裝置來進行的考察的。由于設(shè)備放大后，不行避開會帶來放大效應(yīng)。而產(chǎn)生放大效應(yīng)的緣由并不清晰，故一次放大的倍數(shù)不宜過高，原則上由試驗室小試規(guī)模放大至生產(chǎn)規(guī)模應(yīng)經(jīng)過若干級。而每放大一級都必需重復(fù)前一級試驗確定的工藝條件，視察放大效應(yīng)的強弱。然后用調(diào)整工藝條件或?qū)嵭凶兏O(shè)備結(jié)構(gòu)等措施來抑制放大效應(yīng)，從而找出與設(shè)備放大的有關(guān)數(shù)據(jù)或判據(jù)。由于變更設(shè)備的幾何尺寸進行試驗，把反應(yīng)器放大稱為“幾何變量”試驗。二、特征1只留意輸入與輸出關(guān)系，純屬綜合考察性質(zhì)；通過變更輸入變量來考察輸出的試驗結(jié)果，對于試驗中發(fā)生的現(xiàn)象和過程運行的規(guī)律則不作深究。這種探討方法沒有深化到過程規(guī)律的內(nèi)部進行考察，從機理上找到反應(yīng)器內(nèi)進行化學(xué)反應(yīng)過程的運行規(guī)律，屬于閱歷性質(zhì)的綜合考察。影響反應(yīng)結(jié)果的因素：動力學(xué)、熱力學(xué)、物料的傳質(zhì)、傳熱等；接受黑箱方案對反應(yīng)設(shè)備進行放大，無法分清影響結(jié)果的主次因素。措施：通過變更試驗變量，視察放大效應(yīng)的強弱。缺點：試驗方法繁復(fù)，所得試驗結(jié)果精確度不高。2試驗程序人為規(guī)定閱歷放大法的試驗程序依次為結(jié)構(gòu)變量試驗、操作變量試驗和幾何變量試驗。將三種相互有影響的變量分割開來進行考察，忽視了它們之間的聯(lián)系。這樣就不免出現(xiàn)前后試驗步驟所得試驗結(jié)果相互沖突的現(xiàn)象。3放大是依據(jù)試驗結(jié)果外推閱歷放大法中每一級放大都是由前一級試驗結(jié)果外推確定的。外推只適用于線性規(guī)律。在化工過程的運行中，各種規(guī)律的絕大多數(shù)都是非線性規(guī)律。假如不分對象，一律當成線性規(guī)律來外推放大，必定會產(chǎn)生偏差。正因為如此，在放大時可建議縮小放大倍數(shù)，把局部曲線規(guī)律當成直線處理，這樣可以提高放大的精確程度，但又勢必會增加開發(fā)費用和延長開發(fā)周期。例2-1合成氨技術(shù)的開發(fā)N2+3H22NH320世紀初，德國人哈伯通過試驗確定了上述反應(yīng)的平衡常數(shù)，并研制了加速反應(yīng)的鋨催化劑。（1）反應(yīng)器選型氮和氫氣的反應(yīng)是強放熱的氣固相高溫高壓反應(yīng)，哈伯選用了固定床管式反應(yīng)器，并建立了一套小試固定床反應(yīng)裝置。（2）條件優(yōu)化上述小試裝置上進行試驗，確定的工藝條件為：反應(yīng)溫度：500-600℃系統(tǒng)壓強：17.5-20MPa催化劑的活性組分：鋨在確定的工藝條件下試驗，氣體中氨的體積分數(shù)可達到6%。（3）預(yù)設(shè)計工藝流程哈伯設(shè)計工藝流程要點：①反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)后的氣體須要分別氨后循環(huán)利用；→物料的綜合利用②為強放熱反應(yīng)，應(yīng)使反應(yīng)后的氣體與原料氣換熱，達到熱量綜合利用的目的；→能量的綜合利用③接受液氨為冷凍劑將反應(yīng)后的氣體中的氨冷卻下來；→分別方法的考慮（4）反應(yīng)器的放大和工業(yè)化德國人波時的探討成果：①研制了穩(wěn)定牢靠的廉價催化劑取代鋨催化劑進行了大約6500次試驗，測試了2500個配方，確定了含少量鉀、鎂、鋁、鈣為助催化劑的配方。②找到能耐20MPa和500-600℃高壓高溫材質(zhì)，并設(shè)計出合成氨反應(yīng)器；選擇材質(zhì)：低碳鋼制作的反應(yīng)器在高溫高壓下很快與氫氣發(fā)生了反應(yīng)，產(chǎn)生了反應(yīng)器破損；接受了只含微量碳的純鐵做反應(yīng)器的襯里，解決了這一問題。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：接受列管式換熱器，管間走冷原料氣，管內(nèi)走反應(yīng)氣，填充催化劑，并設(shè)置中心管，管內(nèi)繞上電熱絲，作為反應(yīng)初期的加熱熱源；反應(yīng)器外設(shè)換熱器，以降低反應(yīng)后的氣體的溫度，并通過氨冷器分別出氨，未反應(yīng)氣體循環(huán)與簇新原料氣混合進入反應(yīng)器。③供應(yīng)廉價的氮氣和氫氣哈伯試驗中原料來源：氫氣由氯堿工業(yè)供應(yīng)，氮氣由氫氣與空氣混合燃燒來制備。氯堿工業(yè)：工業(yè)上用電解飽和NaCl溶液的方法來制取NaOH、Cl2和H2，并以它們?yōu)樵仙a(chǎn)一系列化工產(chǎn)品，稱為氯堿工業(yè)。波時試驗接受的原料來源：制備水煤氣作為氫氣的來源，氮氣由深度冷凍空氣后分別獲得。波時做的工作：開發(fā)廉價催化劑，解決反應(yīng)器材質(zhì)和反應(yīng)器設(shè)計，原料供應(yīng)，于1913年在德國建立了世界上第一套合成氨生產(chǎn)裝置，規(guī)模是30t（氨）/d。（5）從合成氨開發(fā)獲得的啟示①對于化工過程開發(fā)，在試驗室探討階段即應(yīng)充分考慮實現(xiàn)工業(yè)化的可行性；②在試驗室探討完成之后，必需解決與工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的技術(shù)問題（如開發(fā)廉價催化劑，解決反應(yīng)器材質(zhì)和反應(yīng)器設(shè)計，原料供應(yīng)）；③技術(shù)開發(fā)成功與科學(xué)技術(shù)水平有親密關(guān)系。高溫高壓技術(shù)、空氣分別技術(shù)、深度冷凍技術(shù)的發(fā)展，成就了合成氨工業(yè)化，而合成氨工業(yè)化也促進了這些技術(shù)的進一步發(fā)展。例2-2用異丙苯為原料生產(chǎn)苯酚和丙酮的早期工藝路途說明閱歷放大法中的外推計算。第一步：其次步：其次步反應(yīng)為一級不行逆反應(yīng)，以該反應(yīng)過程的放大說明閱歷放大法步驟：（1）反應(yīng)器的選型過氧化氫異丙苯的分解反應(yīng)速率快，接受管式反應(yīng)器優(yōu)點：操作簡便，設(shè)備容積利用率高，操作中無需保留確定的非生產(chǎn)協(xié)助時間；（2）優(yōu)化工藝條件反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度、催化劑濃度、物料流量；反應(yīng)溫度：隨溫度上升分解速率加快，有利于提高生產(chǎn)效率；丙酮揮發(fā)增加，不利于反應(yīng)器的穩(wěn)定操作，增加了物料損失；催化劑濃度：隨催化劑濃度增加過氧化氫異丙苯的分解速率增加，但催化劑濃度達到確定程度后，過氧化氫異丙苯分解速率的增加漸漸減慢；反應(yīng)物料流量：流量過大，物料停留時間削減，過氧化氫異丙苯分解不完全，降低了反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率；流量過小，反應(yīng)器的容積利用率不高，降低了反應(yīng)器的生產(chǎn)實力。試驗結(jié)果確定的最佳工藝條件：反應(yīng)物濃度：3.2kmol/m3；反應(yīng)溫度：86℃；催化劑濃度（硫酸）：0.07%-0.1%（質(zhì)量濃度）；反應(yīng)物料流量：0.1m3/h；過氧化氫異丙苯轉(zhuǎn)化率：98.8%；（3）反應(yīng)器放大與校驗第一步：不變更管徑，將反應(yīng)管由1202mm（1.51L)延長至1712mm，反應(yīng)器容積為2.15L。依據(jù)最佳工藝條件試驗，轉(zhuǎn)化率達到了99.8%，比小試提高了1%。其次步：將反應(yīng)器容積由2.15L的尺寸比例擴大到10L（增加管徑），反應(yīng)物料流量增大至0.464m3/h，在最佳試驗條件下進行試驗，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為99.8%，反應(yīng)物料基本反應(yīng)完全，未發(fā)覺有放大效應(yīng)。管長由1202mm增加至1712mm（容積由1.51L增至2.15L)，轉(zhuǎn)化率提高1%，反應(yīng)器容積卻增加了30%，說明過氧化氫異丙苯分解速率后期已經(jīng)特別緩慢，反應(yīng)器以1202mm（1.51L)推算較為合適。（4）計算反應(yīng)器容積工業(yè)化要求：每小時處理過氧化氫異丙苯的量為3m3，依據(jù)1.51L模型尺寸，依據(jù)物料處理量的擴大，按比例外推計算（近似看做線性關(guān)系）。反應(yīng)物料流量由0.1m3增大至3m3，放大了30倍。反應(yīng)器容積相應(yīng)擴大30倍，由1.51L擴大至1.51×30=45.3L。所需反應(yīng)器的容積較小，放大倍數(shù)不高（閱歷），放大效應(yīng)不明顯。其次節(jié)數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法是一種新的開發(fā)放大方法。從放大原理看，它并不須要通過試驗去取得反應(yīng)器放大的判據(jù)或數(shù)據(jù)，而是在充分相識過程的基礎(chǔ)上，運用理論分析，找到描述過程運行規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。只要驗證了該數(shù)學(xué)模型與實際過程的運行等效，即可應(yīng)用于反應(yīng)器的放大計算。建立數(shù)學(xué)模型也須要通過科學(xué)試驗來相識過程，試驗的目的是為了建立和檢驗數(shù)學(xué)模型。一、數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型通常是一組描述過程運行動態(tài)規(guī)律的代數(shù)方程或微分方程。困難：化工過程的困難性難以用數(shù)學(xué)手段真實描述過程的動態(tài)規(guī)律；要求：既要能表達實際過程的運行規(guī)律，又要簡潔而便于應(yīng)用。1建立數(shù)學(xué)模型的思想方法建立數(shù)學(xué)模型首先要駕馭過程運行的動態(tài)規(guī)律，然后才能找到描述這種動態(tài)規(guī)律的數(shù)學(xué)方法。就化學(xué)反應(yīng)過程而言，要建立一個描述反應(yīng)器內(nèi)物料的流淌與混合、傳熱和傳質(zhì)規(guī)律對于反應(yīng)速率和平衡規(guī)律的影響，在此基礎(chǔ)上建立起來的化學(xué)反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型，通常是用物料衡算式、熱量衡算式和動量衡算式的聯(lián)立方程組表示。只要求解這樣的聯(lián)立方程組，即可對反應(yīng)器進行設(shè)計和預(yù)料不同工藝條件下的反應(yīng)結(jié)果。2數(shù)學(xué)模型的簡化數(shù)學(xué)模型的簡化是指對困難的過程運行規(guī)律予以合理簡化，以便建立簡潔而好用的數(shù)學(xué)模型。這是使數(shù)學(xué)模型能夠應(yīng)用的必不行少的條件。在建立數(shù)學(xué)模型過程中，找到等效的簡化方法，是建立數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵。舉例：固定床催化反應(yīng)器內(nèi)的催化劑是亂堆的，形成很多不規(guī)則通道，氣流在其中不斷地分流和匯合，要用數(shù)學(xué)模型描述這種隨機的流淌狀態(tài)很困難。等效性考慮：氣體流淌對于化學(xué)反應(yīng)過程的影響，主要為物料返混引起，將氣體在催化劑顆粒間的運行差異用返混概念予以描述，兩者的本質(zhì)雖然不同，但是表達的對反應(yīng)結(jié)果的影響程度則可以達到一樣。好處：描述返混程度的模型已有軸向擴散模型和多釜串聯(lián)模型，可以借用已有的模型描述固定床反應(yīng)器的流體流淌狀況，達到簡化目的。3數(shù)學(xué)模型的針對性任何數(shù)學(xué)模型都有明確的模擬目標。假如模擬目標不同，即使模擬對象相同，其數(shù)學(xué)模型的形式也不一樣。每一種數(shù)學(xué)模型都有其應(yīng)用的限制范圍。這種限制也是有針對性的，模型模擬的目標不同，其限制范圍也不同。二、探討方法1探討反應(yīng)過程探討反應(yīng)過程的內(nèi)容是鑒別化學(xué)反應(yīng)的類型和限制步驟，測定反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)，分析反應(yīng)過程中產(chǎn)生的一些特殊現(xiàn)象，以及確定工藝參數(shù)變更的范圍等等。其目的在于揭示反應(yīng)過程的內(nèi)在規(guī)律。與閱歷放大法不同，不是只考察輸入和輸出的關(guān)系，而是深化過程內(nèi)部去了解過程運行的本質(zhì)，找到主要的反應(yīng)過程規(guī)律。2探討傳遞過程探討傳遞過程通常是在假設(shè)無化學(xué)反應(yīng)進行的狀況下，用冷模試驗特地考察反應(yīng)器內(nèi)物料的流淌與混合、傳熱與傳質(zhì)等物理過程的運行規(guī)律。目的在于了解反應(yīng)器的構(gòu)型特征，探討反應(yīng)器構(gòu)型對于反應(yīng)過程的影響。要求：冷模試驗要有確定的規(guī)模，所用設(shè)備應(yīng)當模擬生產(chǎn)反應(yīng)器。分析：反應(yīng)器內(nèi)的過程規(guī)律一般只與反應(yīng)器的構(gòu)型有關(guān)，有利于從過程規(guī)律來建立化學(xué)反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型。3綜合兩過程規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型探討反應(yīng)過程和探討傳遞過程是將大型反應(yīng)器內(nèi)進行的反應(yīng)過程分解為化學(xué)過程和物理過程分別加以探討的。這種分解有利于揭示過程運行的內(nèi)在規(guī)律，但是反應(yīng)器內(nèi)進行化學(xué)反應(yīng)的物料轉(zhuǎn)化率和收率等指標，都是化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和物理過程規(guī)律共同作用的結(jié)果。因此，建立的數(shù)學(xué)模型必需綜合兩種規(guī)律。

化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和物理過程規(guī)律的結(jié)合點主要體現(xiàn)在物理過程規(guī)律對于反應(yīng)溫度和反應(yīng)物濃度的影響?！鷾囟刃?yīng)和濃度效應(yīng)。聯(lián)系兩種規(guī)律的方式：把化學(xué)動力學(xué)方程和反應(yīng)器的物料衡算式和熱量衡算式聯(lián)立，即可達到建立數(shù)學(xué)模型的目的。4檢驗數(shù)學(xué)模型檢驗數(shù)學(xué)模型的方法通常是建立中試裝置來進行中試，將中試結(jié)果與數(shù)學(xué)模型在相同條件下的計算結(jié)果比照，假如兩者相同或特別相近則證明該數(shù)學(xué)模型與實際過程等效。否則，應(yīng)修正數(shù)學(xué)模型后再進行檢驗。應(yīng)用：數(shù)學(xué)模型經(jīng)過檢驗之后，可利用計算機進行各種條件試驗，預(yù)料反應(yīng)器的性能，為設(shè)計工業(yè)裝置供應(yīng)所需的技術(shù)經(jīng)濟信息。特點：數(shù)學(xué)模型描述的是某一種反應(yīng)器內(nèi)進行的化學(xué)反應(yīng)的動態(tài)規(guī)律，只要在相同的構(gòu)型反應(yīng)器內(nèi)進行相同的化學(xué)反應(yīng)，可用相同的數(shù)學(xué)模型進行描述，不受反應(yīng)器幾何尺寸的限制。用數(shù)學(xué)模型進行放大，應(yīng)不存在放大效應(yīng)的問題。三、特征1分解過程，不作綜合考察數(shù)學(xué)模型法最明顯的特征是分解過程，按化學(xué)過程和物理過程分別進行探討，而不是只考察輸入和輸出關(guān)系的綜合結(jié)果，這樣做的目的有利于建立數(shù)學(xué)模型。緣由：化學(xué)反應(yīng)規(guī)律不受設(shè)備構(gòu)型的影響，只有物料的流淌與混合、傳熱和傳質(zhì)等物理過程規(guī)律與設(shè)備構(gòu)型親密相關(guān)。將化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和物理過程規(guī)律綜合形成描述反應(yīng)器內(nèi)物料進行化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。2合理簡化過程運行規(guī)律通過合理的簡化過程規(guī)律，建立好用簡潔的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過簡化后建立起來的數(shù)學(xué)模型，并不要求理論規(guī)律上的完整模擬，只要求解的結(jié)果與實際過程運行結(jié)果的偏差在允許的范圍內(nèi)即可。事實上對于大型的工業(yè)反應(yīng)器這樣的宏觀系統(tǒng)，合理地將一些次要因素簡化后，并不會影響數(shù)學(xué)模型的牢靠性。簡化途徑用分清主次因素的方法來削減模型的可變參數(shù)用擬均相表示非均相用志向的活塞流或全混流代替實際流淌將二維溫度分布簡化為一維溫度分布將困難的幾何圖形簡化為規(guī)整的圓形、方形、球形等形態(tài)將偏微分方程簡化為常微分方程將非線性規(guī)律簡化為近似的線性規(guī)律簡化原則：必需滿足簡化后的規(guī)律應(yīng)與實際過程等效。建立的典型模型

（1）返混和停留時間分布函數(shù)返混:又稱逆向混合。泛指不同時間進入系統(tǒng)的物料之間的混合，包括物料逆流淌方向的流淌，例如：環(huán)流和由湍流和分子擴散所造成的軸向混合，及由不勻整的速度分布所造成的短路、停滯區(qū)或“死區(qū)”、溝流等使物料在系統(tǒng)中的停留時間有差異的全部因素。

（2）活塞流和全混流模型活塞流：又稱平推流，志向置換流，志向排擠流或栓式流等，是志向流淌的一種，其特征是：在流淌方向上，即軸向不存在混合，而在徑向則達到完全混合，因而在垂直于流淌方向的橫截面上，其流速均一，濃度均一。全混流：反應(yīng)器中的物料充分混合，不存在死區(qū)，濃度完全一樣；（3）氣液相傳質(zhì)的雙膜理論雙膜理論:雙膜理論（two-filmtheory），是一經(jīng)典的傳質(zhì)機理理論，于1923年由惠特曼（W.G.Whitman）和劉易斯（L.K.Lewis）提出，作為界面?zhèn)髻|(zhì)動力學(xué)的理論，該理論較好地說明白液體吸取劑對氣體吸取質(zhì)吸取的過程。氣體吸取是氣相中的吸取質(zhì)經(jīng)過相際傳遞到液相的過程。當氣體與液體相互接觸時，即使在流體的主體中已呈湍流，氣液相際兩側(cè)仍分別存在有穩(wěn)定的氣體滯流層（氣膜）和液體滯流層（液膜),而吸取過程是吸取質(zhì)分子從氣相主體運動到氣膜面，再以分子擴散的方式通過氣膜到達氣液兩相界面，在界面上吸取質(zhì)溶入液相，再從液相界面以分子擴散方式通過液膜進入液相主體。針對氣體吸取傳質(zhì)過程，雙膜理論的基本論點如下：1、相互接觸的氣、液兩相流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一個很薄的停滯膜，相界面兩側(cè)的傳質(zhì)阻力全部集中于這兩個停滯膜內(nèi)，吸取質(zhì)以分子擴散方式通過此二膜層由氣相主體進入液相主體；2、在相界面處，氣、液兩項瞬間即可達到平衡，界面上沒有傳質(zhì)阻力，溶質(zhì)在界面上兩相的的組成存在平衡關(guān)系，即所需的傳質(zhì)推動力為零或氣、液兩相達到平衡。3、在兩個停滯膜以外的氣、液兩相主體中，由于流體充分湍動，不存在濃度梯度，物質(zhì)組成勻整。溶質(zhì)在每一相中的傳質(zhì)阻力都集中在虛擬的停滯膜內(nèi)。（4）流體流淌邊界層假定流體在大雷諾數(shù)下作繞流流淌時，在離固體壁面較遠處，粘性力比慣性力小得多，可以忽視；但在固體壁面旁邊的薄層中,粘性力的影響則不能忽視,沿壁面法線方向存在相當大的速度梯度，這一薄層叫做邊界層。流體的雷諾數(shù)越大，邊界層越薄。從邊界層內(nèi)的流淌過渡到外部流淌是漸變的。3科學(xué)試驗是為了建立和檢驗數(shù)學(xué)模型建立和檢驗數(shù)學(xué)模型都必需通過科學(xué)試驗，因此，科學(xué)試驗仍舊是數(shù)學(xué)模型法不行缺少的探討手段，不過試驗的目的與閱歷放大法不同。從方法論的角度看，數(shù)學(xué)模型法與閱歷放大法是完全不同的兩種開發(fā)放大方法。前者是從了解過程運行的規(guī)律入手，建立數(shù)學(xué)模型作為放大依據(jù)；后者則把過程當成“黑箱”看待，靠綜合考察獲得的試驗結(jié)果作為放大依據(jù)。明顯數(shù)學(xué)模型法具有閱歷放大法不行替代的優(yōu)點，它可以實現(xiàn)高倍數(shù)放大，縮短開發(fā)周期，削減人力和物力的消耗，但建立正確的數(shù)學(xué)模型難度較大。例2-3丙烯二聚過程開發(fā)丙烯二聚生產(chǎn)異戊二烯，該過程的反應(yīng)為：①聚合反應(yīng)：2CH2=CHCH2→CH2=C(CH3)CH2CH2CH3②異構(gòu)化反應(yīng)CH2=C(CH3)CH2CH2CH3（CH3)2C=CHCH2CH3③脫甲基反應(yīng)（CH3)2C=CHCH2CH3→CH2=C(CH3)CH=CH2+CH4（1）聚合反應(yīng)過程開發(fā)丙烯聚合是氣相催化反應(yīng)，催化劑為三丙基鋁，在加壓條件下進行，原料丙烯和催化劑三丙基鋁混合進料。反應(yīng)為一級不行逆反應(yīng)，管式反應(yīng)器。作如下假設(shè)以建立數(shù)學(xué)模型：①在反應(yīng)條件限制范圍內(nèi)，有關(guān)物性參數(shù)（密度、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等）為常數(shù)；②反應(yīng)器內(nèi)由于物料流淌所產(chǎn)生的壓強降可以忽視不計，③反應(yīng)器內(nèi)徑向無溫度梯度，但沿軸向有溫度變更；④物料通過反應(yīng)器截面上的流量恒定；⑤反應(yīng)器內(nèi)徑向物料混合勻整，無軸向返混，成活塞流狀態(tài)流淌；⑥反應(yīng)器與外界無熱交換，可視為絕熱系統(tǒng)；模型確定：通過假設(shè)可以確定反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型為絕熱一維系統(tǒng)的活塞流模型；數(shù)學(xué)表達式為：化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型與物料衡算式和熱量衡算式聯(lián)立。小試中反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較低，接受反應(yīng)后物料分別循環(huán)流程。依據(jù)這一流程設(shè)計工業(yè)反應(yīng)裝置，放大17000倍，經(jīng)生產(chǎn)測定，反應(yīng)器出口溫度與用數(shù)學(xué)模型計算的出口溫度只相差了2℃.由小試確定的工藝條件也在生產(chǎn)裝置上獲得確認。（2）異構(gòu)化反應(yīng)過程開發(fā)異構(gòu)化反應(yīng)是氣固相催化反應(yīng)，催化劑為含有Si、Al的酸性催化劑，反應(yīng)速率較快，經(jīng)測定為簡潔一級可逆反應(yīng)。反應(yīng)溫度為80-85℃，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為75%，反應(yīng)選擇性為79%。接受固定床催化反應(yīng)器。做如下假設(shè)以建立數(shù)學(xué)模型：①反應(yīng)過程看做擬均相；②反應(yīng)器內(nèi)物料流淌視為活塞流；③反應(yīng)器恒溫，催化劑床層內(nèi)無溫度梯度和壓力降；模型確定：恒溫系統(tǒng)的活塞流模型；其數(shù)學(xué)表達式為：化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型和物料衡算式聯(lián)立；（3）脫甲基化反應(yīng)過程開發(fā)脫甲基化屬于吸熱的催化分解反應(yīng)，高溫下的副反應(yīng)少，接受固定床反應(yīng)器。為了建立模型做了擬均相、恒溫、無壓力降等假設(shè)。數(shù)學(xué)模型：恒溫系統(tǒng)的活塞流模型；其數(shù)學(xué)表達形式為反應(yīng)動力學(xué)模型和物料衡算式聯(lián)立。國外接受等溫爐加入，放大20000倍建立生產(chǎn)裝置。例2-4用數(shù)學(xué)模型法放大[例2-2]過氧化氫異丙苯分解生成丙酮和苯酚的反應(yīng)過程。反應(yīng)過程是用硫酸做催化劑進行液相催化反應(yīng)，已測得該反應(yīng)為不行逆一級反應(yīng)，其動力學(xué)模型為：-rA=kca,o(1-xA)反應(yīng)速率常數(shù)為k=0.08s-1。接受管式反應(yīng)器。建立數(shù)學(xué)模型時，可作擬均相、活塞流、恒溫順無壓力降等假設(shè)，數(shù)學(xué)模型為動力學(xué)方程和物料衡算式聯(lián)立，簡化后為：VR=(qv/k)In[1/(1-xA)]VR為反應(yīng)器容積，m3；qv為反應(yīng)物料的體積流量，m3/h；k為反應(yīng)速率常數(shù)，s-1；ca,o為過氧化氫異丙苯的初始濃度，kmol/m3；xA為過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率，%。將有關(guān)數(shù)據(jù)帶入數(shù)學(xué)模型：（1）當反應(yīng)物料的體積流量為3m3/h，要求轉(zhuǎn)化率達到99.8%時：VR={3m3/h/[3600s/h)×0.08s-1)]}In[1/(1-0.998)]=0.0647m3(2)當反應(yīng)物料的體積流量為3m3/h，要求轉(zhuǎn)化率達到98.8%時：VR={3m3/h/[3600s/h)×0.08s-1)]}In[1/(1-0.988)]=0.0461m3由閱歷放大法所得的外推結(jié)果為0.0453m3。兩個結(jié)果基本相符第三節(jié)部分解析法

部分分析法是介于閱歷放大法和數(shù)學(xué)模型法之間的一種開發(fā)放大方法，即用理論分析和試驗探究相結(jié)合來進行化工過程的開發(fā)放大。對于一些較為困難的化工過程，建立數(shù)學(xué)模型比較困難；而閱歷放大又耗資巨大且開發(fā)周期較長，接受部分解析法則可收到較好的開發(fā)效果。理論與試驗相結(jié)合的優(yōu)勢：接受理論分析為指導(dǎo)來進行試驗，可以避開完全把過程當做黑箱看待，可以削減試驗的盲目性，既提高了試驗效果，又比數(shù)學(xué)模型法簡潔駕馭。一、探討方法化學(xué)反應(yīng)器的放大中，反應(yīng)器計算的重要依據(jù)是化學(xué)反應(yīng)速率，而反應(yīng)速率則是溫度和反應(yīng)物料濃度的函數(shù)。從動力學(xué)試驗確定：反應(yīng)速率和溫度與濃度的關(guān)系；從化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)確定：反應(yīng)器的類型、加料方式、操作方式、物料的流淌與混合狀態(tài)、熱交換型式等影響反應(yīng)溫度和反應(yīng)物濃度變更的規(guī)律；目的：分析化學(xué)反應(yīng)中可能發(fā)生的現(xiàn)象，確定試驗應(yīng)當考察的內(nèi)容和應(yīng)接受的方法，預(yù)料反應(yīng)結(jié)果和放大效應(yīng)。1濃度效應(yīng)在大型工業(yè)反應(yīng)器中，影響反應(yīng)物濃度的因素有物料返混、預(yù)混合、進料濃度、加料方式、操作方式，以及非均一系的混合狀況等工程因素。在實際生產(chǎn)中，不同生產(chǎn)條件下的工程因素及其產(chǎn)生的機理各不相同，但只要使反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和濃度分布相同，對于同一化學(xué)反應(yīng)，必定產(chǎn)生相同的反應(yīng)結(jié)果。若用這樣的相識來分析工業(yè)反應(yīng)過程，則可使原來很困難的過程得以簡化。舉例A、B兩種液體連續(xù)流入反應(yīng)器進行反應(yīng)?；旌喜襟E為：一種液體裂開成為微團，然后向另一種液體中擴散而漸漸分散勻整。①當化學(xué)反應(yīng)速率很慢時，混合前的反應(yīng)可以忽視，反應(yīng)體系可視為均相；②當反應(yīng)速率很快時，在物料混勻之前已有大量微團進行了化學(xué)反應(yīng)，此時反應(yīng)體系為非均相反應(yīng)；等效性舉例手段：①物料返混、②分段加料、③降低濃度進料上述三種方式都可以降低反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度。三種方式造成的反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)物料濃度和濃度分布相同，對化學(xué)反應(yīng)過程的影響也相同，此即工程因素的等效性。目的：通過考慮不同工程手段之間的等效性，找到探討過程的簡化途徑。2溫度效應(yīng)溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素，對于困難反應(yīng)除了影響反應(yīng)速率外，還影響反應(yīng)的選擇性。從化學(xué)反應(yīng)過程的條件優(yōu)化看，對于一個反應(yīng)過程除了須維持一個最佳的溫度水平外，有時還需維持一個最佳的漸變溫度序列。例如：A→B→CA→DB是目的產(chǎn)物，C和D是副產(chǎn)物。在兩個副反應(yīng)中，B→C的串聯(lián)副反應(yīng)的活化能E2大于A→B的活化能E1。為了抑制串聯(lián)副反應(yīng)，應(yīng)實行低溫；平行副反應(yīng)A→D的活化能E3小于主反應(yīng)的活化能E1，抑制平行副反應(yīng)則應(yīng)高溫。反應(yīng)特點：反應(yīng)前期平行副反應(yīng)速率快，反應(yīng)后期串聯(lián)副反應(yīng)漸漸加速；措施：反應(yīng)初期接受高溫，反應(yīng)后期降低溫度，保持一個先高后低的溫度序列。

在探討反應(yīng)過程的溫度效應(yīng)時，除了留意溫度序列外，還須留意溫度分布。反應(yīng)器內(nèi)的溫度不勻整分布，往往是傳熱不良所引起的。因為催化劑表面是進行化學(xué)反應(yīng)的場所，反應(yīng)釋放的熱量主要集中于此。在小試時，由于反應(yīng)量微小，其差異也小，不簡潔察覺。當反應(yīng)器放大后，反應(yīng)量大，產(chǎn)生的熱效應(yīng)也大，而催化劑傳熱性能不良，致使差別特殊明顯，甚至還可能引起反應(yīng)結(jié)果惡化。二、探討步驟1了解過程特征在化工過程開發(fā)初期，用簡潔試驗來了解一些過程的特征，以便取得對過程的初步相識，這是部分解析法接受的探討方法。此時所進行的試驗往往是定性的，不行能也不要求取得精確的定量數(shù)據(jù)。了解內(nèi)容：反應(yīng)速率的快慢；副反應(yīng)的強弱；影響反應(yīng)過程的主要因素等；2設(shè)想技術(shù)方案在了解過程特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合化學(xué)工程理論對過程進行分析，設(shè)想初步的技術(shù)方案。這里形成的技術(shù)方案比較粗略，還有待于進一步量化和驗證。盡管方案尚不成熟，但已在開發(fā)工作初期加強了理論與實踐的結(jié)合，發(fā)揮了理論指導(dǎo)實踐的作用。3驗證設(shè)想，改進技術(shù)方案驗證初步技術(shù)方案中的技術(shù)措施，并不確定要對該技術(shù)措施作真實模擬，在很多狀況下，可以接受等效分析方法，對驗證試驗加以簡化。依據(jù)驗證要求，驗證試驗可以定性，也可以定量。4確定放大設(shè)計方法經(jīng)過以上步驟探討之后，所擬定的技術(shù)方案已比較完整，但缺乏定量的設(shè)計數(shù)據(jù)。假如過程規(guī)律已駕馭，可以建立數(shù)學(xué)模型，此時應(yīng)按數(shù)學(xué)模型的要求，定量測取有關(guān)模型參數(shù)。假如不能建立數(shù)學(xué)模型，則可按閱歷放大法的要求，進行系統(tǒng)試驗，測取有關(guān)的設(shè)計數(shù)據(jù)。三、特征1分解探討與綜合分析相結(jié)合部分解析法的探討方法也是把化學(xué)過程和傳遞過程分解后分別探討的。然后將化學(xué)過程結(jié)合工程理論進行分析，形成技術(shù)方案，將化學(xué)反應(yīng)規(guī)律與傳遞過程規(guī)律進行綜合。2確定的技術(shù)信息主要來源于試驗部分解析法對于試驗的依靠程度，并不亞于閱歷放大法。但與閱歷放大法試驗的不同之處是部分解析法的試驗是在理論分析指導(dǎo)下進行的，而不是把試驗對象當作“黑箱”來看待。核心：接受試驗內(nèi)容等效轉(zhuǎn)換的形式簡化試驗，對技術(shù)措施不確定做完全真實地模擬，可以節(jié)約人力物力消耗和縮短開發(fā)周期。3技術(shù)方案的形成都通過了反復(fù)論證部分解析法的技術(shù)方案是在不斷試驗和不斷進行理論分析的反復(fù)論證中形成的，較全面地考慮了各種影響因素，每一項技術(shù)措施的形成都有較充分的科學(xué)依據(jù)，各種設(shè)計判據(jù)和數(shù)據(jù)也都經(jīng)過了理論分析和試驗的檢驗，而且在探討過程中對于放大效應(yīng)作了預(yù)料，因此，提高了技術(shù)方案的牢靠性和精確性。例2-5丁二烯氯化制二氯丁烯過程開發(fā)C4H6+Cl2→C4H6Cl2(1)化學(xué)反應(yīng)特征丁二烯氯化是氣相熱氯化反應(yīng)，常溫下反應(yīng)速度較快，不需催化劑，但反應(yīng)過程簡潔生成氯代副產(chǎn)物和多氯加成副產(chǎn)物。反應(yīng)選擇性是確定收率凹凸的主要因素，應(yīng)從提高反應(yīng)選擇性方面選擇反應(yīng)器和工藝條件優(yōu)化。(2)試驗考察選擇管式反應(yīng)器，反應(yīng)器外部包袱電熱保溫層，用以調(diào)整反應(yīng)器溫度。丁二烯和氯氣分別進料，提前混合，然后進入反應(yīng)器?！ㄟ^Y型管實現(xiàn)①第一組試驗考察反應(yīng)過程的溫度對于反應(yīng)選擇性的影響；常溫下生成氯代副產(chǎn)物較多，隨著反應(yīng)溫度上升，氯代副產(chǎn)物的生成量漸漸削減；溫度達到270℃以上，氯代副產(chǎn)物的生成量只占總量的幾個百分點。試驗考察結(jié)果：高溫有利于抑制氯代副產(chǎn)物的生成。措施：加熱工業(yè)上加熱方式：Ⅰ預(yù)熱原料：丁二烯在加熱狀態(tài)下簡潔自聚，生成的聚合物粘稠，易堵塞設(shè)備和管道；Ⅱ利用反應(yīng)物料放出的熱量維持反應(yīng)器達到高溫：丁二烯氯化是放熱反應(yīng)，將反應(yīng)后的高溫氣體與冷原料混合可以滿足對反應(yīng)物料加熱的要求；但要求物料在反應(yīng)器內(nèi)完全返混以達到快速混合避開丁二烯自聚，反應(yīng)器選擇返混式反應(yīng)器；返混方式：Ⅰ機械攪拌：簡潔使攪拌軸和軸封腐蝕，不易運用；Ⅱ射流；反應(yīng)器選型：流體射流式返混反應(yīng)器；②其次組試驗是檢驗上述結(jié)論正確性，考察物料返混是否影響反應(yīng)的選擇性。高溫下可以抑制氯代副產(chǎn)物，但多氯加成副產(chǎn)物是否受高溫抑制未知，須要考察返混對于生成多氯副產(chǎn)物的影響。丁二烯→二氯丁烯→多氯化合物丁二烯→多氯化合物Cl2nCl2Cl2多氯加成副產(chǎn)物的生成有串聯(lián)反應(yīng)和平行反應(yīng)兩條途徑試驗前的分析：平行反應(yīng)須要多個氯分子與丁二烯作用，對于氯的反應(yīng)級數(shù)確定高于主反應(yīng)。物料返混降低了反應(yīng)物濃度，也會降低平行副反應(yīng)的速率，因此返混可以抑制生成多氯化合物的平行副反應(yīng)，這樣可以簡化試驗，僅僅考察返混對生成多氯化合物的串聯(lián)副反應(yīng)的影響。物料返混的結(jié)果會增加反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物的濃度，接受提高反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物二氯丁烯的濃度，可達到與返混等效的結(jié)果。反應(yīng)器內(nèi)二氯丁烯的增加，促使生成多氯加成副產(chǎn)物的串聯(lián)副反應(yīng)加速。試驗內(nèi)容：在原有管式反應(yīng)器內(nèi)，將反應(yīng)物料丁二烯改成二氯丁烯進料，可以取得返混影響生成多氯加成副產(chǎn)物的信息，而不必制作射流式返混反應(yīng)器，簡化了試驗裝置。試驗結(jié)果：生成了大量的多氯化合物。證明二氯丁烯很簡潔進一步被氯化，返混會降低反應(yīng)的選擇性。沖突點：提高反應(yīng)溫度可以抑制氯代副反應(yīng)，需接受返混式射流反應(yīng)器，但返混又使多氯加成副產(chǎn)物的量增加。措施：考察進一步抑制生成多氯加成化合物的方法。③第三組試驗找尋抑制多氯加成化合物的方法假設(shè)丁二烯氯化對于各種反應(yīng)物濃度的反應(yīng)級數(shù)都是一級，依據(jù)反應(yīng)選擇性S可得到：S=1-k2cR/k1cAcA:丁二烯濃度；cR:二氯丁烯濃度；k1:主反應(yīng)反應(yīng)速率常數(shù)（生成二氯丁烯）；k2:串聯(lián)副反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)（生成多氯化合物）；k1cA:生成二氯丁烯的反應(yīng)速率（一級反應(yīng)）；k2cR:串聯(lián)副反應(yīng)生成多氯化合物的反應(yīng)速率（一級反應(yīng)）；提高反應(yīng)物料中丁二烯濃度cA可使選擇性增大。仍舊接受管式反應(yīng)器，用丁二烯、氯和二氯丁烯混合進料，在丁二烯過量狀況下，試驗發(fā)覺幾乎沒有多余的多氯化合物生成。丁二烯過量可以抑制生成多氯化合物的串聯(lián)副反應(yīng)發(fā)生。(3)構(gòu)思技術(shù)方案定性方案：由丁二烯生成二氯丁烯的反應(yīng)器接受射流式返混反應(yīng)器，反應(yīng)溫度限制在270℃以上高溫，反應(yīng)物料中丁二烯過量。（4）確定反應(yīng)器尺寸和工藝條件反應(yīng)器的容積由反應(yīng)速率計算。反應(yīng)速率高，完成化學(xué)反應(yīng)所需的有效容積就小。從返混角度考慮，反應(yīng)器內(nèi)必需保證足夠大的返混量，反應(yīng)器內(nèi)的容積和工藝條件都應(yīng)考慮到這點。依據(jù)流體力學(xué)原理，高速射流呈圓錐形擴大，在錐形體內(nèi)氣體流速漸漸降低，使得靠近反應(yīng)器壁四周的氣體因抽吸作用而倒流向上，形成較大返混量，并借助射流造成的高度湍動而使物料快速混合升溫。反應(yīng)器的長度可依據(jù)射流達到出口的流速來確定，即計算射流流體在反應(yīng)器內(nèi)流速降低至出口流速時，錐形體的長度。反應(yīng)器出口流速可依據(jù)下一工序要求的流速確定。反應(yīng)器直徑應(yīng)依據(jù)射流所形成的錐體最大出口直徑來確定。反應(yīng)器直徑應(yīng)當略大于最大圓錐直徑，使射流錐體與反應(yīng)器壁直徑留有確定的余隙。為了利用反應(yīng)自身的熱量來加熱冷物料，使其從27℃上升到270℃以上溫度下操作，最簡潔的方法是調(diào)整丁二烯的量。假如反應(yīng)放出的熱量不足以使冷物料升溫到270℃以上，則必需向反應(yīng)器供熱；若反應(yīng)放出的熱量過多，則還需冷卻反應(yīng)器。傳熱面存在簡潔被污染而使傳熱不良的隱患。最好的方法是限制丁二烯的量使反應(yīng)放出的熱量，恰好加熱冷氣體并使之達到270℃，既不要對反應(yīng)器供熱，又不須要冷卻反應(yīng)器。依據(jù)熱量衡算，若將原料氣中丁二烯與氯氣的物質(zhì)的量比限制在4:1，則反應(yīng)放出的熱量恰好可以滿足這一要求，這也滿足前述所要求的丁二烯過量以抑制生產(chǎn)多氯加成副產(chǎn)物的要求。（5）檢驗技術(shù)方案依據(jù)已確定的技術(shù)方案，建立一套25t（二氯丁烯）/a的中試裝置。進料方式：噴嘴設(shè)計接受常規(guī)同心雙氣道噴嘴，氯氣量小，從內(nèi)管噴出；丁二烯量大，從環(huán)隙噴出。兩股物料均以100m/s流速同步進入反應(yīng)器。中試結(jié)果：開車數(shù)小時后，發(fā)覺噴嘴易被黑色粉末堵塞。分析緣由：中試與小試的唯一區(qū)分是進料方式。小試接受Y形管進料，丁二烯和氯氣在Y形管中進行了預(yù)混合；而同心雙氣路噴嘴進料，是丁二烯和氯氣分別進入反應(yīng)器后才混合。由于該反應(yīng)的反應(yīng)速率很快，在物料來不及混合之前即已大量反應(yīng)。其反應(yīng)條件是氯氣過量，而不是要求的丁二烯過量，有大量的氯剝奪丁二烯分子上的全部氫，生成了氯化氫和碳。因此出現(xiàn)了炭黑堵塞噴嘴的現(xiàn)象。措施：改進噴嘴設(shè)計，使反應(yīng)物料進入反應(yīng)器之前進行預(yù)混合，反應(yīng)結(jié)果良好，克服了炭黑堵塞現(xiàn)象?！擁椖康拈_發(fā)探討任務(wù)至此完成。例2-6異丁烯二聚過程開發(fā)在工業(yè)上進行異丁烯二聚過程的目的是將石腦油中的異丁烯和正丁烯分別，制取純凈的正丁烯，用作丁烯氧化脫氫的原料。異丁烯二聚成C8組分后，可用作汽油的添加劑，提高汽油的辛烷值。異丁烯原料為石油分餾后的C4組分，有4%和20%兩種濃度。（1）試驗考察反應(yīng)過程特征選用固定床反應(yīng)器，催化劑床層高度為20cm。試驗過程：①首先用異丁烯摩爾分數(shù)為4%的原料進行試驗，在27℃和100kPa下，以空速為3h-1通過催化劑床層，產(chǎn)物中殘留的異丁烯摩爾分數(shù)小于0.5%，正丁烯量削減10%。這一技術(shù)方案在處理低濃度異丁烯原料時工業(yè)上是可行的。②處理含異丁烯摩爾分數(shù)為20%的原料，試驗結(jié)果為產(chǎn)物中殘余的異丁烯摩爾分數(shù)仍可達到0.5%，但正丁烯的量削減了30%，該技術(shù)方案不能用于處理高濃度原料。條件試驗：空速、壓力、溫度對于正丁烯量的削減無明顯影響，濃度對于正丁烯量的削減有影響。對策：接受稀釋原料的方式雖然可以降低單次通過反應(yīng)器的正丁烯的損失，但是總損失率并沒有得到降低，方法不行取。（2）用試驗結(jié)果與理論分析相結(jié)合，找尋克制正丁烯損失的方法分析：假如正丁烯損失隨著異丁烯的濃度增大而增大，則正丁烯與異丁烯存在共聚物，只有發(fā)生共聚反應(yīng)，才會出現(xiàn)隨著異丁烯濃度增加而使正丁烯損失增加的結(jié)果。產(chǎn)物中并沒有發(fā)覺共聚的C8組分，否定了濃度效應(yīng)引起正丁烯損失的結(jié)論。從影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素分析，濃度和溫度都可以影響反應(yīng)速率的快慢。聚合反應(yīng)是放熱反應(yīng)，須要驗證是否是放熱反應(yīng)導(dǎo)致催化劑顆粒表面的溫度過高（氣體在催化劑表面反應(yīng)），而使氣流主體溫度不能代表反應(yīng)溫度。通過對強放熱催化反應(yīng)的絕熱溫升計算，當異丁烯摩爾分數(shù)為4%時，反應(yīng)系統(tǒng)的絕熱溫升只有20℃左右。催化劑表面溫度與流體主體溫度并不會產(chǎn)生明顯差別；當原料中異丁烯摩爾分數(shù)提高到20%以后，絕熱溫升提高了5倍，此時假如過程為擴散限制，則催化劑顆粒表面溫度與流體主體溫度差別很大。反應(yīng)條件：空速3.0h-1，催化劑床層高度為20cm，限制反應(yīng)時間20min，物料通過催化劑床層的線速度只有1cm/s，在這種低流速下，反應(yīng)過程可能處于擴散限制。因此，可以推斷引起正丁烯損失的緣由不是濃度效應(yīng)而是溫度效應(yīng)。（3）檢驗接受高空速進行試驗，以便強化擴散過程。試驗結(jié)果表明，空速提高后，反應(yīng)器出口異丁烯摩爾分數(shù)由0.5%提高到了4%，而正丁烯幾乎沒有損失。假如增加反應(yīng)器長度，提高催化劑床層高度，就可以使殘留的異丁烯接著反應(yīng)而降至0.5%以下。此時正丁烯損失也只有10%左右。結(jié)論：正丁烯損失的真正緣由是由于催化劑表面溫度上升而引起了正丁烯的自聚。以上探討取得了反應(yīng)器構(gòu)型、催化劑床層高度、高空速等工藝條件組成的技術(shù)方案，為以后的反應(yīng)器放大設(shè)計供應(yīng)了依據(jù)。第四節(jié)相像放大法相像放大法是以相像論和量綱分析為基礎(chǔ)的相像模擬放大法，多用于化工單元操作的開發(fā)放大。相像放大法是一種依靠于試驗結(jié)果的閱歷放大法。與閱歷放大法的區(qū)分：運用了相像特征數(shù)的概念，對試驗的變量做了歸納和簡化。應(yīng)用：主要用于物理過程（冷模試驗）放大，對于困難的化學(xué)反應(yīng)過程難以同時滿足物理過程和化學(xué)過程的相像。一、探討方法相像放大法的探討方法是從分析影響過程的各種因素入手，運用量綱分析，將試驗考察的各種變量按特征數(shù)予以合并，然后用試驗測定出描述過程運行規(guī)律的輸入與輸出關(guān)系的特征數(shù)方程式中的待定參數(shù)。并以特征方程作為相像放大的依據(jù)。1相像條件相像：模型與原型之間相對應(yīng)的物理量的相像。（1）幾何相像：指模型和原型的幾何形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)相像，各對應(yīng)邊應(yīng)互成比例，且比值相等。（2）時間相像：指模型和原型運動相對應(yīng)的時間間隔應(yīng)互成比例，且比值相等。（3）運動相像：指在模型與原型的對應(yīng)點上物質(zhì)運動的速度（或加速度）應(yīng)互成比例，且比值相等。（4）動力相像：指模型和原型在對應(yīng)時刻和對應(yīng)點上受力的方向一樣，其大小應(yīng)互成比例，且比值相等。除了以上幾種相像條件外，還有溫度場相像，速度場相像，壓力場相像和電磁場相像等等。也都是在模型和原型的各對應(yīng)點上各種場值及其分布的比例相等。2相像定理（1）相像第確定理：凡彼此相像的現(xiàn)象，必具有數(shù)值相同的相像特征數(shù)。（2）相像其次定理：凡具有相同特征數(shù)的現(xiàn)象，若表明現(xiàn)象特征的單值條件彼此相像，且由單值條件所組成的相像特征數(shù)相等，則它們必相像。（3）相像第三定理：當一個現(xiàn)象由n個物理量的函數(shù)關(guān)系來表示，而且這些物理量中包含了m個量綱（將一個物理導(dǎo)出量用若干個基本量的乘方之積表示出來的表達式，稱為該物理量的量綱式，簡稱量綱。量綱又稱為因次。它是在選定了單位制之后，由基本物理量單位表達的式子。），則應(yīng)有n-m個相像特征數(shù)。又稱π定理或白金漢定理。3相像特征數(shù)及其方程舉例說明：液體攪拌混合槽中，要使槽內(nèi)物料混合達到確定的工藝要求，所需的攪拌功率P取決于以下條件：攪拌槳的葉輪直徑D和轉(zhuǎn)速n，液體的密度ρ和粘度μ，自由落體加速度g，槽徑d，槽內(nèi)液層深度HL，擋板數(shù)目，擋板的大小，安裝位置。標準構(gòu)型的攪拌槽，各種尺寸都與葉輪直徑D成確定比例，葉輪直徑D確定之后其他尺寸都可確定，只有轉(zhuǎn)速n，葉輪直徑D，液體密度ρ，粘度μ，自由落體加速度g是自由變量，于是攪拌功率可以寫成：P=f(n,D,ρ,μ,g)用指數(shù)方程表達為：P=KnaDbρcμdgeK為函數(shù)方程系數(shù)，量綱為1。功率的單位為瓦特，通過定義可知：P=W/T=FL/T=MgL/T=M(L/T2)L/T=ML2/T3將式（2-2）寫成量綱式，即ML2/T3=(T-1)a(L)b(ML-3)c(ML-1T-1)d(LT-2)eML2/T3=Mc+dLb-3c-d+eT-a-c-2e比較等式兩端各量綱指數(shù)，依據(jù)量綱相等原則，有：c+d=1b-3c-d+e=2-a-d-2e=-3五個未知數(shù)，三個方程，用未知數(shù)d,e表示a,b,c，則：c=1-d,b=5-2d-e,a=3-d-2e,帶入指數(shù)方程，并將相同指數(shù)項合并，得到：P/ρn3D5=K(D2nρ/μ)-d(n2D/g)-eP/ρn3D5(=P0)：稱為功率數(shù)，量綱為1，表示攪拌器施加于液體的功率；D2nρ/μ（=Re）：為攪拌雷諾數(shù)，量綱為1,；表示施加于液體的力與由液體粘性引起的曳力（流體與固體顆粒之間有相對運動時，將發(fā)生動量傳遞，顆粒表面對流體有阻力，流體則對顆粒表面有曳力）之比。n2D/g（=Fr）：攪拌弗勞德數(shù)，量綱為1，表示施加于液體的力與重力之比。常數(shù)K：代表幾何構(gòu)型的形態(tài)因素。于是函數(shù)關(guān)系簡化為：P0=KRe-dFr-e特殊狀況：不打漩的系統(tǒng)，重力的影響很小，可以不考慮，此時攪拌弗勞德數(shù)Fr的指數(shù)-e=0。公式簡化為：P0=KRe-d4由試驗確定特征數(shù)方程的未知系數(shù)試驗條件：均液相攪拌槽；（1）在Re<10的低雷諾數(shù)狀況下，液體的粘性力限制系統(tǒng)內(nèi)流淌，重力的影響可以忽視。試驗測得：P0=P/ρn3D5=71.0Re-1.0變形有：P=71.0ρn3D5（D2nρ/μ）-1=71.0μn2D3（2）攪拌雷諾數(shù)增大時，流淌型態(tài)由層流過渡到湍流，式中系數(shù)K和指數(shù)-e均不恒定。（3）當流淌進入充分湍流時（Re>10000），此時功率消耗與攪拌雷諾數(shù)和攪拌弗勞德數(shù)均無關(guān)，由試驗測得：P0=6.1或P=6.1ρn3D5以上方程為用相像放大準則導(dǎo)出的標準構(gòu)型攪拌槽的設(shè)計方程。5相像放大對于均相和非均相物料的放大要求不同：①對于均相液體混合的攪拌槽放大，只要保持放大后槽內(nèi)攪拌雷諾數(shù)Re和攪拌弗勞德數(shù)Fr的數(shù)值與模型試驗時的數(shù)值相等，則兩系統(tǒng)相像。②對于非均相攪拌系統(tǒng)，在混合時還要克服相界面間的抗拒力，在上述方程中須要加入施加力與氣泡表面張力之比的攪拌韋伯數(shù)：We=(ρnD3/б)б：表面張力于是，P0=f(Re,Fr,We)Re∝nD2Fr∝n2DWe∝nD3相像放大法的缺陷：由于系統(tǒng)放大時的物料相同，其特性參數(shù)值ρ、μ、б等不變。在滿足了Re、Fr、We三者中隨意一個特征數(shù)相等之后，不能保證其他兩個特征數(shù)也相等。涉及的特征數(shù)越多，則相像放大越困難。對策：在模型試驗設(shè)計時，使某些特征數(shù)受到抑制，而只突出某一特殊的特征數(shù)，可以將多變量函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)閱巫兞亢瘮?shù)關(guān)系，這樣可以防止相像放大中就不會出現(xiàn)相互沖突的相像條件。例如：添加擋板在液體攪拌槽中，可以消退打漩，使重力的影響受到抑制，可忽視弗勞德數(shù)，這樣在放大時，只須要保持幾何相像和雷諾數(shù)的數(shù)值相等即可?；どa(chǎn)中，攪拌往往是圍繞完成以下工藝要求進行：（1）使物料混合勻整；（2）使氣體在液體中分散；（3）使固體粒子在液體中懸浮；（4）使互不相容的液體乳化；（5）強化相間傳質(zhì)；（6）強化傳熱；要滿足這些工藝要求，依據(jù)功率數(shù)方程來進行放大是不合適的，接受一些放大判據(jù)，供特殊工藝要求的攪拌系統(tǒng)選用：①保持攪拌雷諾數(shù)（nD2/μ)不變，nD2=n’D’2；②保持攪拌弗勞德數(shù)（n2D/g）不變，n2D=n’2D’；③保持攪拌韋伯數(shù)(ρnD3/б)不變，nD3=n‘D’3；④保持葉輪末梢速度（πnD）不變，nD=n’D’；⑤保持單位體積流體的功率（P/V）不變，n3D2=n3‘D’2。n和D分別代表原型的葉輪轉(zhuǎn)速和葉輪直徑；n’和D’分別代表模型的葉輪轉(zhuǎn)速和葉輪直徑。判據(jù)選定方法：取三個構(gòu)型相同而大小不同（D不同）的小型攪拌槽進行試驗，在達到要求的工藝結(jié)果時，測定攪拌器的轉(zhuǎn)速n，然后將n和D的值分別代入判據(jù)計算，取其中各槽計算判據(jù)接近于恒定者，作為該工藝過程的放大判據(jù)。二、特征1試驗探討屬于綜合考察，放大依據(jù)來源于試驗；相像放大法的相像特征數(shù)方程式依據(jù)試驗確定的。試驗的變量由單值物理量變更成了由若干物理量組合的量綱為一的特征數(shù)。仍舊將過程當做黑箱處理，只考察了輸入和輸出的關(guān)系，屬于閱歷放大法范疇。2簡化了試驗，提高了試驗效率；用特征數(shù)代替單值物理量作為試驗變量后，不僅使試驗考察的變量大為削減，而且特征數(shù)也體現(xiàn)了由若干個單