第四章過程放大課件

第四章過程放大

研究化工過程放大規(guī)則的模型有所謂“物質模型”和“非物質模型”兩種形式。前者是指那些與生產裝置或設備相似，但小于生產規(guī)模的試驗裝置或設備；后者則為描述過程動態(tài)規(guī)律并與過程運行實際情況等效的數(shù)學模型。凡根據(jù)模型模擬過程所得研究結果將過程加以放大的方法，統(tǒng)稱為“模擬放大”。目前，化工過程開發(fā)有四種放大方法，它們是逐級經驗放大法，數(shù)學模擬法，部分解析法和相似放大法。本章將以化學反應過程的開發(fā)放大，分別說明四種方法的研究方法和主要特征。

1精選課件ppt第四章過程放大4.1逐級經驗放大法

4.2數(shù)學模擬法

4.3部分解析法

4.4相似放大法

2精選課件ppt4.1逐級經驗放大法

逐級經驗放大法是運用物質模型從實驗室規(guī)模的小試開始，經過逐級放大的模型試驗研究，直到將化工過程放大成為生產規(guī)模。3精選課件ppt4.1逐級經驗放大法

4.1.1研究步驟

1．設備選型：結構變量試驗

實驗考察因素僅僅是設備的型式和結構

設備選型階段用小試還是中試？為什么？

4精選課件ppt4.1逐級經驗放大法

4.1.1研究步驟

2．優(yōu)化工藝條件：操作變量試驗

為什么優(yōu)化工藝條件必須在設備選型之后進行？

5精選課件ppt4.1逐級經驗放大法

4.1.1研究步驟

3．反應囂放大：幾何變量試驗

反應器結構改變，造成放大效應6精選課件ppt4.1逐級經驗放大法

4.1.2逐級放大法的特征

1.只綜合考察輸入變量和輸出結果的關系，不能深入研究過程的內在規(guī)律

“黑箱模型”、“放大效應”

7精選課件ppt4.1逐級經驗放大法

4.1.2逐級放大法的特征

2.試驗步驟由人為規(guī)定，并非科學合理的研究程序

認為割裂、忽略相互聯(lián)系

后果：前后矛盾

8精選課件ppt4.1逐級經驗放大法

4.1.2逐級放大法的特征

3.放大是根據(jù)試驗結果外推，并不一定可靠

解決辦法：多級模擬、縮小放大倍數(shù)

后果：開發(fā)費用、開發(fā)周期

理論分析、工程經驗9精選課件ppt4.1逐級經驗放大法

舉例：用異丙苯為原料生產苯酚和丙酮。采用逐級經驗放大法對過氧化氫異丙苯分解反應器進行放大。第—步為異丙苯氧化生成過氧化氫異丙苯。第二步為過氧化氫異丙苯用硫酸作催化劑在液相中分解生成苯酚和丙酮10精選課件ppt4.1逐級經驗放大法

舉例：選型：連續(xù)管式反應器工藝條件反應物料濃度：3.2kmol/m3反應溫度：359K硫酸濃度(催化劑)：6N反應物料流量：0.1m3/h此時過氧化氫異丙苯的轉化率為98.8％。反應器：直徑為40mm，長1202mm的反應管(1.51L)11精選課件ppt4.1逐級經驗放大法

舉例：3.放大：放大試驗分兩級進行，首先取一根直徑為40mm，長1712mm的反應管(2.15L)按上述工藝條件進行試驗，反應轉化率提高至99.8％。然后按2.15L反應管的尺寸比例將反應管體積放大至10L，并將反應物料流量相應增大至0.464m3/h進行試驗反應轉化率仍可達到99.8％，未發(fā)現(xiàn)放大效應，反應物料在反應器內已基本反應完全。12精選課件ppt4.1逐級經驗放大法

舉例：4.反應器設計：生產要求每小時處理過氧化氫異丙苯濃度為3.2kmol/m3的反應物料3m3，確定反應器的體積。當要求反應轉化率達到98.8％，用反應管體積為1.51L模型反應器作幾何相似放大時，由外推法算出的生產用反應器的體積為45.3L。如果要求反應轉化率達到99.8％，則用反應管體積為2.15L的模型反應器作幾何相似放大時，由外推法算出的生產用反應器的體積為64.5L13精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法

數(shù)學模擬法是一種較新的開發(fā)方法，它不一定要通過試驗去取得放大的判據(jù)和數(shù)據(jù)，一般是在認識過程特征的基礎上，運用理論分析找到描述過程規(guī)律的數(shù)學模型，并驗證該模型與實際過程等效，就可以用來進行放大設計計算。14精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法4.2.1數(shù)學模型

1．建立數(shù)學模型的思想方法：

首先應掌握化工過程運行的動態(tài)規(guī)律，然后才能找到描述這種動態(tài)規(guī)律的數(shù)學方法。

15精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法4.2.1數(shù)學模型

2．數(shù)學模型的簡化：

如果化工過程運行的動態(tài)規(guī)律十分復雜，則必須尋求描述這種規(guī)律的簡化方法，以使建立的數(shù)學模型容易運算求解。

16精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法4.2.1數(shù)學模型

3．數(shù)學模型的針對性：

任何數(shù)學模型都有明確的模擬目標，即使模擬對象相同而模擬目標不同，數(shù)學模型的型式也各異。

17精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法4.2.2研究方法

1．實驗室研究化學反應特征實驗室研究化學反應特征的主要任務是測定反應熱力學和動力學的特征規(guī)律及其參數(shù)。由于研究目的是掌握過程運行的內在規(guī)律，其研究內容和研究手段都與逐級經驗放大法的實驗室研究有很大差別。它已不再是反應器選型和條件優(yōu)化，而是希望從過程內在規(guī)律上去揭示過程運行的實質。因此，應盡可能排除外界因素對于過程內在規(guī)律的干擾，試驗裝置并不一定要求與生產裝置相同，但對于試驗測定的精度要求較高。

18精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法4.2.2研究方法

2.冷模試驗研究傳遞過程特征冷模試驗是在無化學反應參與的情況下，專門考察設備內物料的流動與混合，以及傳熱和傳質等物理過程規(guī)律的試驗，目的在于研究化學反應器的屬性，了解反應器型式和結構對于反應過程的影響。這種試驗應有一定規(guī)模，而且試驗裝置也應與生產裝置相同。19精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法4.2.2研究方法

3.綜合兩種特征，建立數(shù)學模型，預測工業(yè)反應性能當化學反應特征和傳遞過程特征以及描述兩種特征規(guī)律的函數(shù)關系式確定之后，即可用數(shù)學方法將兩種規(guī)律予以綜合，形成數(shù)學模型。這種模型已充分考慮了化學反應過程的內在規(guī)律和外界環(huán)境的影響因素，如果經過檢驗并驗證其可靠，即可用來進行運算求解，可以預測放大后反應器的性能。

20精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法4.2.2研究方法

4.中試檢驗數(shù)學模型的等效性按上述步驟取得的數(shù)學模型是否能夠模擬實際生產過程，還有待于通過實踐檢驗。因此，應建立中試裝置進行中試，以檢驗數(shù)學模型與實際過程的等效性。這是數(shù)學模擬法的一個不可缺少的環(huán)節(jié)。但試驗目故顯然與逐級經驗放大法的中試不同，當數(shù)學模型經中試證明與實際過程等效后，就能預測工業(yè)反應器性能和進行反應器設計。

21精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法4.2.3數(shù)學模擬法特點1．分解過程，考察過程的內在規(guī)律建立數(shù)學模型必須掌握過程特征及其內在規(guī)律，如果過程比較復雜，涉及的影響因素多，若不采取分解過程的研究方法，則很難深入過程內部而加深對于內在規(guī)律的認識。22精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法4.2.3數(shù)學模擬法特點2．簡化過程，尋找建立等效模型的途徑在化學工程學科中已經建立的一些概念和理論，如反混及停留時間分布函數(shù)；宏觀動力學及其參數(shù)；雙膜理論及擴散阻力；以及邊界層概念及摩擦阻力和熱阻等等，都是對復雜化工過程所進行的等效簡化。如果能運用這些概念和理論來分折實際化工過程，則可以找到比較好的簡化途徑。正由于數(shù)學模型可以找到等效簡化的途徑，才使得數(shù)學模擬法在化工過程開發(fā)中得以迅速發(fā)展。23精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法4.2.3數(shù)學模擬法特點3．科學試驗的目的是建立和檢驗數(shù)學模型在數(shù)學模擬法中科學試驗仍然是不可缺少的環(huán)節(jié)，但試驗的目的是為了建立數(shù)學模型和檢驗數(shù)學模型，而不是一般綜合考察的因素試驗。另外，對于試驗裝置、試驗操作和測量精度的要求都更為嚴格。

24精選課件ppt4.2數(shù)學摸擬法

數(shù)學模擬法與逐級經驗放大法比較具有許多優(yōu)點，它可以實現(xiàn)高倍數(shù)放大，縮短開發(fā)周期，減少人力和物力消耗，但由于建立可靠的數(shù)學模型比較因難，故至今運用數(shù)學模擬法開發(fā)成功的實例尚不多見，然而該方法的科學性和優(yōu)點，決定了它是今后化工過程開發(fā)技術發(fā)展的方向。25精選課件ppt4.3部分解折法

部分解析法是一種理論分析和試驗探索相結合的開發(fā)方法。由于許多復雜的化工過程規(guī)律至今尚不能透徹了解，要用數(shù)學模擬法困難很大，故不得不依賴于試驗考察以取得放大的經驗判據(jù)。但是近代科學技術的發(fā)展，化學工程學科以及有關的工藝技術學科都已有了比較成熟而完整的理論，對于化工過程中許多工程因素及其相互作用的規(guī)律也已有了較深入的探索。如果以理論為指導進行試驗研究，就可避免把過程完全當作“黑箱”來看待，從而減少試驗的盲目性，既提高了試驗效果，也使試驗工作得以簡化。因此，部分解折法是在當今科學技術發(fā)展基礎上形成的一種行之有效的開發(fā)方法。26精選課件ppt4.3部分解折法

4.3.1研究方法

反應速率和反應選擇性可以決定反應器的尺寸、產品純度以及原材料消耗和能耗等重要設計參數(shù)。反應選擇性取決于主、副反應速率的相對關系，因此歸根結底，反應選擇性仍然屬于反應速率問題?；瘜W反應速率只是反應溫度和反應物料濃度的函數(shù)，在化工過程開發(fā)中需要能夠掌握這種函數(shù)關系，又能認識反應器型式、操作方式、加料方法、混合狀態(tài)和熱交換等工程條件在反應過程中對反應溫度和反應物料濃度的作用原理。27精選課件ppt4.3部分解折法

4.3.1研究方法

化學反應歸根到底取決于濃度效應和溫度效應。1.濃度效應：返混程度、預混合情況，進料濃度、加料方式、間歇或連續(xù)操作和非均相系統(tǒng)的混合狀態(tài)等2.溫度效應：反應速率、反應選擇性、溫度分布、溫度序列。28精選課件ppt4.3部分解折法

4.3.2研究步驟

l.通過定性試驗，了解反應過程特征

在開發(fā)研究的最初階段，部分解析法只是需要定性地考察化學反應特征。如化學反應速率的快慢、副反應的強弱，操作條件的影響等等。29精選課件ppt4.3部分解折法

4.3.2研究步驟

2.試驗結果和理論分析的結合產生技術概念

設備型式、工藝條件，預測反應結果和放大效應等等。已經實現(xiàn)了化學反應特征和工程因素的結合，初步考慮了工業(yè)化的技術措施。30精選課件ppt4.3部分解折法

4.3.2研究步驟

3．檢驗技術概念，完成技術方案。

檢驗技術概念即驗證理論分析結果，一般是采取鑒別試驗的方式。這種試驗也是定性的，只需要鑒別理論分析結論是否正確。31精選課件ppt4.3部分解折法

4.3.2研究步驟

4．取得放大設計的定量數(shù)據(jù)。

要取得定量設計數(shù)據(jù)，還必須進行系統(tǒng)試驗或詳細的理論推算。此時的系統(tǒng)試驗是在取得了實現(xiàn)技術開發(fā)比較完整的技術方案后進行的，可以避免盲目探索，如通過試驗對于過程規(guī)律了解得比較清楚，也可以建立數(shù)學模型。系統(tǒng)試驗通常采用模型試驗或者中試，因為只有在一定規(guī)模的試驗裝置上進行試驗，才能取得可靠的定量數(shù)據(jù)。32精選課件ppt4.3部分解折法

4.3.2特點

1.分解過程和綜合分析相結合。

部分解析法用試驗考察化學反應特征，以及運用工程理論分析工程因素對于化學反應過程的影響，是在分解過程的指導思想之下進行的；而通過理論分析預測放大效應和形成技術概念，是化學反應規(guī)律和傳遞過程規(guī)律在研究者頭腦中的綜合。33精選課件ppt4.3部分解折法

4.3.2特點

2．開發(fā)放大的依據(jù)主要來源于試驗考察。部分解折法對于試驗的依賴程度并不亞于逐級經驗放大法，開發(fā)放大所需的判據(jù)或數(shù)據(jù)主要通過試驗取得。但試驗內容大多是為了認識過程特征所進行的定性試驗。而反應器選型和工藝條件優(yōu)化都必須結合工程理論分析，首先形成技術概念，而后通過試驗驗證方能確定。34精選課件ppt4.3部分解折法

4.3.2特點

3．反應器放大比較可靠。

部分解析法的技術開發(fā)方案是在反復取證和理論分析中形成的。通過理論分析巳充分考慮了各種工程因素對于過程的影響；而對化學反應特征的考察又盡可能注意到了過程各種內在關系，兩者結合起來所取得的一切判據(jù)和數(shù)據(jù)，都有比較充分的理論依據(jù)，而且經過了試驗檢驗，一般都比較可靠，應用這些判據(jù)或數(shù)據(jù)進行設計，則與實際生產過程比較接近。35精選課件ppt4.4相似放大法

相似放大法通常指以相似論和量綱分析（因次論）為基礎的相似模擬放大法，又稱為“比擬放大”，多用于化工單元操作的開發(fā)放大。這種放大方法對于物理過程的放大是有效的；但對于復雜的化學反應過程，在滿足了過程物理條件相似的情況下，很難同時滿足化學條件相似，故在化學過程的放大中，只在某些特殊的情況下應用。36精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析37精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析

38精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析一、表征物理化學現(xiàn)象的模型量綱一致例一：

39精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析例二：

40精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟

41精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟例三：鐘擺的擺動周期42精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟例三：鐘擺的擺動周期43精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟例三：鐘擺的擺動周期44精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟例四：毛細管液滴直徑45精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟例四：毛細管液滴直徑46精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟例五：肉制品烘烤時間47精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟例五：肉制品烘烤時間48精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟例五：肉制品烘烤時間49精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟例五：肉制品烘烤時間50精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟例五：肉制品烘烤時間51精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析二、量綱分析步驟

52精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用

53精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降

54精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降

55精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降

1.重要的變量應在ResidualMatrix中出現(xiàn)56精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降

2.通過行變換把CoreMatrix變?yōu)槔硐雴挝痪仃嚕▽蔷€元素為1，其余為0）57精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降

58精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降注意：59精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降

60精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降

61精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降

62精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降

63精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降

64精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用例六：流體在光滑圓管中流動的壓降

65精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用層流：過渡區(qū)：湍流：

66精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1量綱分析三、Pi定理的應用

67精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.2研究方法

相似放大法的研究方法是將影響過程的各種因素根據(jù)因次論或相似論推導出由若干無因次準數(shù)組成的準數(shù)方程，然后通過模型試驗測定準數(shù)方程中的系數(shù)，使準數(shù)方程具有定量的關系。68精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.2研究方法

1.相似準數(shù)和準數(shù)方程以液體攪拌混合系統(tǒng)為例：69精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.1研究方法

1.相似準數(shù)和準數(shù)方程以液體攪拌混合系統(tǒng)為例，使系統(tǒng)內液體物料流動與混合達到一定工藝要求所需的功率，取決于攪拌漿的葉輪直徑D和轉速n，液體的密度ρ和粘度μ，重力加速度g，以及槽徑T、槽中液體深度HL，擋板數(shù)目、大小和位置等等。由于標準構型攪拌器規(guī)定了各種尺寸都與葉輪直徑成一定比例，如圖所示。在考慮相似條件時，將這些比值定為形狀因素放在準數(shù)方程的系數(shù)中暫不作考慮，可以得出功率N的函數(shù)關系70精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.2研究方法

2.模型試驗確定準數(shù)方程的定量關系

71精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.2研究方法

3.相似放大即幾何相似、運動相似和動力相似。其中幾何相似為大小兩個攪拌槽中的一個任何兩部分尺寸之比與另一槽相應兩部分的尺寸之比相等。一般構形相同的設備都算幾何相似。如果兩槽不僅幾何相似，而且各自在對應點上的速度比也相等，則它們便達到運動相似，若各自在對應點上的力之比也相等，便是動力相似。

72精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.3特點

1．仍屬綜合考察，但已反映變量間的實質性關系。

相似準數(shù)取代單值變量進行試驗考察，仍屬考察了外部輸入變量和輸出結果的聯(lián)系。試驗考察是在分析了影響過程的各種因素之后，并運用相似論和因次分析導出了維持過程相似的相似準數(shù)方程的情況下進行的，考察目的是為了確定大小兩系統(tǒng)之間的相似關系。

73精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.3特點

2．簡化試驗，提高試驗效果由于試驗簡化是建立在相似準數(shù)方程的基礎上，雖然研究方法仍然沒有擺脫經驗性質，但試驗的盲目性可以減少，試驗效果也可以提高。

74精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.3特點

3．相似論指導模擬，為建立模型提供可靠依據(jù)。相似論的研究對象是過程的相似條件，在相似論指導下的過程模擬必然是從過程運動的實質出發(fā)，根據(jù)相似準數(shù)方程要求的各種相似條件進行模擬，而不應當只是單一的構型相似。在建立模型裝置時，如果能按照相似準數(shù)及準數(shù)方程的關系考慮模型裝置和模型試驗的條件，則模型及模型試驗結果較接近于生產實際情況。

75精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.3特點

4．運用相似準則放大，避免了依經驗結果外推。

76精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.4數(shù)量放大法和比例放大法

在化工過程開發(fā)中經常采用數(shù)量放大法和比例放大法。雖然這兩種方法并不必按照上述相似放大法的程序進行，但仍然屬于相似放大。

77精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.4數(shù)量放大法和比例放大法

1．數(shù)量放大法：數(shù)量放大法是一種采用設備單元數(shù)增加的放大方法常用于固定床催化反應器的放大，例如由單管反應器放大成列管反應器時，只要放大后列管反應器中每一根反應管的反應條件以及流體流動、傳熱和傳質等條件與單管試驗時的情況相同，放大一般均能保證可靠。

2．比例放大：比例放大是以一個或數(shù)個能表達過程主要特征的參數(shù)為依據(jù)，按照比例予以放大的方法。如過濾強度對于過濾機

78精選課件ppt4.4相似放大法

4.4.