化工过程放大 0
第六章 化工过程放大1
（1）操作周期 开车 停车
（2）放大系数 放大系数＝放大后的实验（或生产）规模/ 放大前的规模
（3） 放大效应 过程规模变大所引起的指标不能重复的 现象称放大效应。 1) 装置形状 2) 装备的几何尺寸 3）操作模式 4）装置的结构 5）散热问题 6）边壁和终端效应
6.1.2
反应过程放大基本方法
（2）按反应器的结构型式分类
塔式反应器
固定床反应器 流化床反应器
间歇操作反应器 （3）按操作方式分类
连续操作反应器 半连续(半间歇) 反应器
6.3.2 反应器选型
6.3.2.1 化学反应器选型原则 （1）工业生产对化学反应器的要求 • 有较高的生产强度 • 有利于反应选择性的提高 • 有利于反应温度的控制 • 有利于节能降耗 • 有较大的操作弹性
问题的提出： （1）存在放大效应； （2）不但包括有化学反应，还伴随有各种物理过程； 相似放大法在化学反应器放大方面则无能为力，主 要原因是无法同时保持物理和化学相似。 目前使用的化学反应器放大法有： 逐级经验放大法（主要靠经验）; 数学模型法 可以提高放大倍数，缩短半经验放 大法。
6.1.2.1 逐级经验放大
需全流程中试： 1 综合研究整个工艺过程； 2 提供一定批量的样品进行应用试验； 3 物料循环对生产的影响不可预测，而且对生产的影响大。
（4）运行周期 （5）测试深度 （6）中试装置的运行可靠性和安全性
冷模试验优点：
1）直观、经济； 2）试验条件容易满足，并容易控制； 3）可进行在真实条件下不便或不可能进行的类比实 验，减少实验的危险性。 6.2.2.1 冷模实验的理论基础 （1）相似现象 几何相似 时间相似 动力相似 热相似 化学相似
（2）相似理论 相似第一定律 A 相似现象属于同一类现象； B 各相同的量间有一定的相似倍数； C 相似倍数不是任意的； D 相似特征参数。 相似第二定律 两体系相似时，对应点上必须具有的数值相等的、 单值条件相似的并有一定物理意义的数组。
化工中试放大与生产工艺规程
中试放大与生产工艺规程：中试放大的目的是验证、复审和完善实验室工艺所研究确定的反应条件，及研究选定的工业化生产设备结构、材质、安装和车间布置等，为正式生产提供数据，以及物质量和消耗等。
（一）、中试放大的研究内容1.概述工艺过程：在生产过程中凡直接关系到化学合成反应或生物合成途径的次序、条件（配料比、温度、反应时间、搅拌方式、后处理方法和精制条件等）统称为工艺条件。
其它过程则成为辅助过程。
2.中试放大的重要性确定工艺路线后，每步化学合成反应或生物合成反应不会因小试、中试放大和大型生产条件不同而有明显变化，但各步最佳工艺条件，则随试验规模和设备等外部条件的不同而有可能需要调整。
3.中试放大的研究1）生产工艺路线的复审一般情况下，单元反应的方法和生产工艺路线应在实验室阶段就基本选定。
在中试放大阶段，只是确定具体工艺操作和条件以适应工业生产。
但是当选定的工艺路线和工艺过程，在中试放大时暴露出难以克服的重大问题时，就需要复审实验室工艺路线，修正其工艺过程。
2）设备材质与型式的选择开始中试放大时应考虑所需各种设备的材质和型式，并考查是否合适，尤其应注意接触腐蚀性物料的设备材质的选择。
3）搅拌器型式与搅拌速度的考查在实验室中由于物料体积较小，搅拌效率好，传热、传质的问题表现不明显，但是在中试放大时，由于搅拌效率的影响，传热，传质的问题就突出地暴露出来。
因此，中试放大时必须根据物料性质和反应特点注意研究搅拌器的型式，考察搅拌速度对反应规律的影响，特别是在固－液非均相反应时，要选择合乎反应要求的搅拌器型式和适宜的搅拌速度。
4）反应条件的进一步研究实验室阶段获得的最佳反应条件不一定能符合中试放大要求。
应该就其中的主要的影响因素，如放热反应中的加料速度，反应罐的传热面积与传热系数，以及制冷剂等因素进行深入的试验研究，掌握它们在中试装置中的变化规律，以得到更合适的反应条件。
5）工艺流程与操作方法的确定在中试放大阶段由于处理物料增加，因而又必要考虑使反应与后处理的操作方法如何适应工业生产的要求，特别要注意缩短工序、简化操作。
化工过程的放大全解
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化学工艺的放大
13应化3班林富
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概述
化工过程放大 是科学理论和实践经验相结合、质和量相结合的工程科学问题。 核心 是放大技术 技术上的关键问题是： （1）是否开发出高效催化剂 （2）可靠的放大技术，特别是反应器的放大 （3）工业化过程的材料 （4）过程所需设备 （5）计量和检测技术
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例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺
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一级不可 逆
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（I）反应器选型
反应特点： 选择：
过氧化氢异丙苯的分解反应 为液相反应，反应速率较快。
多种型式的反 应器适用 连续操作管式反应器
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（2）优化工艺条件
3. 逐级经验放大 定义：
在放大过程缺乏依据时，依靠小规模实验成功 的方法和实测数据，加上开发者的经验，不断 放大系数的确定： 适当加大实验 的规模，修正前一级实验确定 的参数，来摸索化学反应和化学反应器的规律。
低放大 系数？ 高放大 化学反应类型、放大理论的成熟度、 系数？ 过程规律的掌握度、研究人员经验。
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（4）计算反应器容积
•工业化的要求处理量：过氧化氢异丙苯（浓度为3.2 kmol／m3。）的量为 3m3/h。 •计算所需反应器的容积：按 1.51L模型尺寸，根据物料处理量的扩大，按比 例外推计算。 •结果：45.3L
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放大关键
•催化剂 •国外采用低活性催化剂，将反应器放大 7 000倍获得了成功。
关于化工生产中“放大效应”的改进想法
关于化工生产中“放大效应”的改进想法
放大效应, 改进, 实验室, 效率
本帖最后由姜正好于 2011-4-3 11:21 编辑
在化工生产中，常常会遇到这样的问题，一些生产方法在实验室非常成功，生产效率也很高，但是当其运用到工厂中大规模生产时，就会遇到困难，生产效率低下，甚至是不发生反应。
其中的原因很多，也有一些原因至今也没有搞清楚。
这导致一些好的生产工艺被迫搁置。
我提出一种“化整为零，化零为整”的生产思想，应该可以解决某一些问题。
具体思想就是：假设某一反应在实验室可以很好的反应，但是放大很多倍，在工厂中大规模生产就不行的话，我们可
以在两个设备大小之间，设置很多组梯度，然后测定每一组大小的设备的生产效率，结果一定是一个曲线，找出曲线的最高点所对应的设备参数，按照这一参数制造出来的设备，生产效率一定不低于实验室的效率。
然而工厂需要大规模生产，此设备参数做出来的设备的生产量可能不能满足需要，这时，我们可以按照这个参数，制造出若干个相同的设备，然后一起生产，（这其中就牵涉到生产成本问题，需要细细计算，算出具体的设备规模和数量。
）这还有一个好处，若干个设备同时生产，但又相互独立。
这肯定要用到自动化处理。
至于
生产装置，可以有很多种，我想象的一种雏形，主反应是空圆柱体的，里面是各个相同的子反应设备，然后其他的部分变化不大。
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化工过程放大_宋世权
理过程； 二是化学反应过程， 属于有组分变化的化学 过程。 这些过程是在设备中实现的，所以过程放大就 是设备能力的放大。
$
过程放大一般经历的阶段
过程放大一般经历下列阶段： , ! - 实验室研究阶段； , $ - 小量试制阶段； , & - 按预定工艺规模进行概念设计； , # - 中试， 着重解决概念设计中遇到的问题； , ’ - 编制工艺软件包； , + - 按要求的规模进行工程设计； , ( - 工业装置的建设和投产。
提条件， 多次反复， 直到获得最好的方案。 !" # 必须保证设备放大后经济上的合理性和各项 指标的先进性及系统调优 设备放大以后还必须保证经济上的合理性和各 项指标的先进性。 往往放大之后， 有一些指标趋于合 理， 如能耗一般可以降低。但另一些指标， 由于在大 型化以后， 如反应产物的收率往往有所降低， 温度等 “ 操作条件不易控制，这就是通常所说的 放大效 应” 。 放大效应被认为是一种弊端。 我们的一个重要 任务就是尽可能使这些指标在过程放大后仍保持一 个较高水平。另一个现实是， 一个实际过程， 通常不 能处在最优的操作状态下。这是因为过程的复杂性 和人们的认识能力限制所决定的，何况过程的一些 参数会随时间变化（ 如催化剂的失活） 。即使今天找 到了最优条件， 明天还可能发生变化。 上述仅就单个设备而言，因为过程是由多套设 备组成完整的流程，即是一个系统，从这个意义上 讲， 过程放大应该是系统放大， 系统中单个设备的放 大并不等于系统放大， 因此必须要系统优化。所以 $ 完整的过程放大应包括设备放大与系统调优。
质不同的过程的组合） ， 通常是难以通过人们的经验 和知识判断如何进行优化组合的。用计算机进行组 合过程的模拟 （ 或称流程模拟） ， 是一种很有效的定 量方法。目前已有各类商业化的流程模拟系统，如 *+,-.、,/0+、12+-.+ 和 ,345-++ 等，可以提供 离线优化的基础。 )" # 系统优化是单元过程优化的前提 组成系统的各类单元过程有各自的优化问题。 """# $%&%’(()*# &+( 上海化工 !""#$ %%
化工过程的放大
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典型反应过程放大系数
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二、逐级经验放大的步骤
•反应器选型
•工艺条件优化 •反应器放大
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小型装置 考察“结构变量”
小型装置 考察“操作变量”
模型装置 考察“几何变量”
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三、逐级经验放大的特征
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1．只注重输入与输出关系，纯属于经验性质综合考察 2．试验程序人为确定 3．放大是根据试险结果外推
黑箱 三步
缺乏理论指导，周期 较长；方法简单
线性规 律
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例：合成氨技术开发
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模拟研究法
模型 实物、数学
用模型研究 化工过程的 现象、规律
基本方法 经验 数学 部分解析 相似
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第一节 逐级经验放大
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1. 放大系数
一、几个概念
What’s the meaning?
G.E.Davis：在实验室中几克物料的小型实验， 对于指导大型工厂的建设工作，并没有什么作用。 但用数公斤物料进行的实验，则无疑可提供 大型工厂需要的全部数据。
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(2) 条件优化
化工放大效应
化工放大效应化工放大效应是指在化学反应中，少量的添加物能够显著地影响反应速率或产物的生成量。
这种效应的存在使得化学工业在合成新材料、制造新产品以及改善工艺过程方面具有了更大的灵活性和可塑性。
化工放大效应的发现源于对催化剂的研究。
催化剂作为化学反应中的重要角色，能够加速反应速率，降低活化能，从而提高反应效率。
然而，在某些情况下，添加的催化剂量并不是线性地与反应速率成正比。
相反，当催化剂的添加量超过某个临界值时，反应速率会呈现出迅速增加的趋势，形成所谓的“化工放大效应”。
化工放大效应的出现往往与催化剂的表面特性和反应体系的微观环境密切相关。
在催化剂表面，活性位点的存在和数量对反应速率起着至关重要的作用。
当催化剂的添加量较少时，活性位点的数量较少，因此反应速率较低。
但当催化剂的添加量超过一定阈值时，活性位点的数量突然增加，导致反应速率的剧增。
这种现象被称为“化工放大效应”。
化工放大效应的应用非常广泛。
在化学工业中，通过合理调节催化剂的添加量，可以显著提高反应速率和产物的产率，从而降低生产成本。
另外，化工放大效应还可以用于改善传统工艺过程，提高反应的选择性和效率。
例如，通过控制催化剂的含量，可以实现对废水中有害物质的高效去除，达到环保治理的目的。
化工放大效应还可以应用于新材料的合成和性能调控。
通过添加少量的掺杂剂或添加剂，可以显著地改变材料的结构和性能。
例如，在固态材料中添加少量的掺杂剂，可以提高材料的导电性、光学性能或机械强度。
在液态材料中添加少量的添加剂，可以实现相变温度的调控、流变性能的改善等。
化工放大效应的研究不仅对于催化化学、化工工艺的发展具有重要意义，而且对于深入理解化学反应的机理和规律也具有重要价值。
通过对化工放大效应的深入研究，可以揭示催化剂的工作原理和反应动力学过程，为设计高效催化剂和优化工艺条件提供理论依据。
化工放大效应的发现和应用为化学工业带来了巨大的推动力。
通过合理利用化工放大效应，我们可以实现更高效、更经济、更环保的化学反应和工艺过程。
化工过程的放大.
模型装置 考察“几何变量”
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三、逐级经验放大的特征
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1．只注重输入与输出关系，纯属于经验性质综合考察 2．试验程序人为确定 3．放大是根据试险结果外推
黑箱 三步
缺乏理论指导，周期 较长；方法简单
线性规 律
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例：合成氨技术开发
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例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺
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一级不可 逆
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（I）反应器选型
反应特点： 选择：
过氧化氢异丙苯的分解反应 为液相反应，反应速率较快。
多种型式的反 应器适用 连续操作管式反应器
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（2）优化工艺条件
化学工艺的放大
13应化3班林富
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概述
化工过程放大 是科学理论和实践经验相结合、质和量相结合的工程科学问题。 核心 是放大技术 技术上的关键问题是： （1）是否开发出高效催化剂 （2）可靠的放大技术，特别是反应器的放大 （3）工业化过程的材料 （4）过程所需设备 （5）计量和检测技术
定义： 放大后的实验（生产）规模/前
表达： 小时投料量、 每批投料量或年产量 反应器特征尺寸比。
5Leabharlann 2017/10/8RED2. 放大效应
因过程规模变大造成指标 不能重复的现象
如：反应状况恶化、转化率、 选择性、收率下降、产品质 量劣化等。 反应得到改善， 得到正的放大效应
化工放大效应
化工放大效应化工放大效应是指在化学反应中，当初始反应物中的一个组分发生了微小的变化时，这个变化会在整个反应过程中被放大，从而对反应的结果产生巨大的影响。
化工放大效应在化学工业中具有重要的意义，对于提高反应效率、降低生产成本和改善产品质量具有重要作用。
化工放大效应的实现依赖于反应体系的复杂性和反应条件的控制。
在一个复杂的反应系统中，反应物之间的相互作用以及反应物与催化剂、溶剂等之间的相互作用都会影响整个反应的进行。
当反应物之间的相互作用发生微小的变化时，这种变化会在整个反应过程中被放大，从而导致反应速率、产物选择性等发生明显的变化。
化工放大效应在催化剂设计和优化中发挥着重要的作用。
通过调控催化剂的活性位点和结构，可以实现对反应物的选择性吸附和转化，从而提高反应效率和产品质量。
例如，铂基催化剂在加氢反应中具有高的催化活性和选择性，通过控制铂的物理状态和晶体结构，可以实现对不同反应物的选择性加氢，从而提高产品的纯度和产量。
反应条件的控制也是实现化工放大效应的重要手段。
反应温度、压力、溶剂选择等参数的变化都会对反应动力学和平衡产物分布产生影响，从而改变反应的结果。
例如，在合成酯的反应中，通过调整反应温度和催化剂的选择，可以实现对不同酯类的选择性合成，从而提高产物的纯度和收率。
化工放大效应还在多相反应中起着重要作用。
多相反应是指反应体系中存在两个或多个相的反应，如气固反应、气液反应等。
在这种反应中，相界面的存在会导致反应物的传质和反应动力学发生变化，从而对反应结果产生影响。
通过调控相界面的性质和反应条件，可以实现对反应速率和选择性的调控，从而提高反应效率和产品质量。
化工放大效应在化学工业中的应用广泛。
例如，在有机合成中，通过合理设计反应体系和反应条件，可以实现对不同官能团的选择性转化，从而提高合成的效率和产物的纯度。
在石油化工中，通过调控催化剂和反应条件，可以实现对原油中的不饱和烃和杂质的选择性转化和去除，从而提高燃料的质量和环境友好性。
化工过程开发4开发放大方法课件
经验放大中的理论分析
对别人的应用条件及机理进行理论分析，实地应用 考察 与本过程的异同比较、分析与计算 多方案比较，选优 多级过程放大试验
例： K2CrO4加氢还原制Cr2O3的反应器工程放大
充分利用钨钼合金厂的生产经验与技术积累，多方案 比较，租用生产厂的设备进行工艺试验 先不追求先进性，而追求可靠性
升温
反应
降温
计算反应热 计算物料的
ΔHr
比热容cp
（4）测定反应釜筒体的总传热系数
在间歇反应过程中，反应放热量是不均匀的，在进行反 应釜设计时，应以最大热负荷来计算传热面积。因此， 测定也应在反应放热量大的阶段进行。本例以 15:50~16:50时段反应掉的主反应物量最多，故应以该时 段为基准进行计算。
简化
数学描述
实际过程
物理模型
数学模型
经验关联 建立反应过程数学模型的三种途径
反应器模型的实际建立程序
实验室试验 化学模型 物理模型
小型试验
中间试验 工厂设计
过程放大的理论基础与应用技巧
过程设备与系统放大效应以及非线性特征
过程工程与设备的种类繁多、千变万化。包 括物理过程、化学过程、生物过程。
化学反应设备
10:15 40.60
37.5
21.9
22.4
166.97 32.6 33.0
… … …
… …
… …
…
（3）测定物料的热化学性质
将159kg物料投入搪瓷反应釜中，开始在夹套内通入热水 加热升温（14:00~14:45）。然后在夹套内通入冷水控制 釜内温度在60～65℃范围内反应（14:45~20:50），每小 时取样分析主反应物的量(mol)。最后在夹套内通入冷水 将釜内物料降温后（20:50~21:30）出料。
化工设计课件中试放大
二 逐级经验放大
三、逐级经验放大的特征
1．只注重输入与输出关系，不能深入研究过
程的内在规律；纯属于经验性质综合考察-------黑箱 2．试验程序人为确定，并非科学合理的研究 程序， 3．放大是根据实验结果外推，不一定可靠。 缺乏理论指导，周期较长；方法简单。
三 数学模型法
定义 在充分认识过程的基础上，运用理论分折，找到描 述过程运行规律的数学模型，应用于反应器的放大 计算。 试验的目的是为了建立和检验数学模型。试验的方 式和要求与经验放大方法有很大差别。 特点：用一组微分方程或一组代数方程，描述过程 的动态规律。 要求：即能描述过程，又简单便于应用。
二 逐级经验放大
2. 放大效应 因过程规模变大造成指标不能重复的现象. 如：反应状况恶化、转化率、选择性、收率下降、产品质量劣化等。 3. 逐级经验放大 1) 定义： 在放大过程缺乏依据时，依靠小规模实验成功的方法和实测数据， 加上开发者的经验，不断适当加大实验 的规模，修正前一级实验确定的 参数，来摸索化学反应和化学反应器的规律。 2）依据：以前一级试验所取得的研究结果和数据为依据。 3)放大系数的确定： 化学反应类型、放大理论的成熟度、过程规律的掌握度、研究人员经验。
五 相似放大法
以相似论和量纲分析为基础，依据模型实验
得到某些物理量之间的关系，按相似原理推 算模型与原型之间的相似规律。 经验放大（依赖实验结果） 研究传递规律（冷模实验） 理论指导实验，实验得以简化
五 相似放大法
1.相似概念（条件） 几何相似 要求两个大小不同体系的对应尺寸具有比例性。 时间相似 运动相似 各对应点的运动速度相同。 动力相似 各对应点的作用力相同。 现象相似------当表述某种现象的所有量，在相似空间中对应 的各点以及在时间上相对应的各瞬间，互成一定的比例关系， 则称为——
04化工过程放大
f (1 , 2 ,..., nr ) 0
式中 1，2，…n-r，是独立的、无量纲的数，由 方程中的若干个物理量所构成的。
π项的选取原则：
r个基本物理参数必须包含r个基本量纲； 所选择的物理参数至少应包含一个几何特征参数， 一个质量特征参数，一个流动特征参数； 非独立变量不能作为基本物理参数。
化工过程开发与设计
4 化工过程放大
将一个全新的化学过程从实验室过度到工 业化生产，即由实验室研究成果到第一套 工业装置之间的技术活动，称为化工过程 放大。
遵守牛顿粘性定律的不可压缩流体在等温 情况下的流动服从纳维—斯托克斯方程：
Dv 2 g p v Dt
v x v x v x Dv x p Fx 2 2 2 Dt x y z x 2 2 2 vy vy vy Dv y p F y 2 2 2 x Dt y y z 2 2 2 vz vz vz Dvz p Fz 2 2 2 Dt z x y z
m-表示模型
Dv m 2 m m gm m pm m v m Dtm
根据流动相似条件: 几何相似： x p Cl xm , y p Cl ym , z p Cl zm 运动相似：
px Cvmx , py Cvmy , pz Cvmz
是否满足了主要动力相似。
只要满足了决定性相似准数相等后，就满足
了主要动力相似，抓住了解决问题的实质。
（注意：对于Eu准数而言，在其他相似准数
作为决定性相似准数满足相等时， Eu准数 同时可以满足）
化工反应过程的放大效应研究
化工反应过程的放大效应研究一、背景和目的化工反应过程是化学工业的核心环节，其效率和稳定性对整个工业生产具有重要影响。
然而，在将实验室规模的反应过程放大到工业规模时，常常会出现所谓的“放大效应”，导致大装置中的技术经济指标无法达到预期效果，甚至装置无法正常运转。
为了解决这一问题，本报告旨在深入研究管式反应器的放大效应，提出可行的解决方案，并验证其效果。
二、研究方法和数据来源本研究采用了理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法。
首先，对管式反应器的放大效应进行了理论分析，明确了其产生的原因和影响。
然后，利用数值模拟软件对管式反应器在不同放大条件下的性能进行了模拟，得到了大量数据。
最后，通过实验验证了模拟结果的准确性，并对解决方案进行了测试。
三、关键发现和结果1.放大效应分析：研究发现，管式反应器的放大效应主要由流体流动、传热和传质过程中的不均匀性引起。
随着装置规模的扩大，这些不均匀性对反应过程的影响逐渐增大，导致放大效应的出现。
2.数值模拟结果：通过对不同放大条件下管式反应器的性能进行模拟，发现采用“数值放大”的方法可以显著降低放大效应的影响。
与单纯尺寸放大的方法相比，“数值放大”能够更好地预测大装置中的性能。
3.实验验证：实验结果进一步证实了数值模拟结果的准确性。
采用“数值放大”的方法可以使管式反应器的性能得到更好的重现，从而提高了产量和经济效益。
四、结论和建议本研究表明，管式反应器在放大过程中存在明显的放大效应问题。
为了降低其影响，建议采用“数值放大”的方法替代单纯尺寸放大的方法。
此外，进一步研究和优化管式反应器的结构、操作条件等也是提高其放大效果的重要途径。
在实际应用中，应充分考虑放大效应的影响，制定合理的放大策略，以确保化工反应过程的稳定性和效率。
同时，加强科研与生产的结合，不断探索和创新，为化工行业的可持续发展提供有力支持。
化工过程开发4开发放大方法
中试中测定与放大有关工程数据的方法
例：在开发某氧化反应过程时，用100L带搅拌的搪瓷 反应釜作为反应器，测定与放大有关的工程数据，小试 中发现，反应放热量大，且对温度敏感，当反应温度低 于60℃时反应速率缓慢；当反应温度超过65℃时，反应 剧烈，温升很快，以至无法控制。因此，反应温度必 须严格控制在60～65℃的温度范围内。 1、中试装置 2、反应工程数据的测算 3、测定物料的热化学性质 4、测定反应釜筒体的总传热系数
工业反应器的放大
化学加工过程规模的变化不仅仅是量变，同时还产生 质变。 以相似理论和因次分析为基础的相似放大法适于物理 加工过程，不适于反应器的放大。 长期以来，反应器放大采用的是逐级经验放大。 六十年代发展起来的数学模型方法是一种比较理想的 反应器放大方法。
逐级经验放大法的研究方法
反应器的型式和结构 工艺条件 反应器的放大
规模效应
规模经济与生产效率：市场风险承担能力，技术风险 承担能力 规模经济与社会效益：社会就业、地方经济繁荣 规模经济与环境效益：污染治理能力、综合经济效益 规模经济与投资效益：
投资比例＝(规模生产能力比例)n是工业生产永恒的主题！ 同一过程可以由不同类型的设备来完成。同一设备内 部结构还会千变万化，不可能一次就做到尽善尽美 对于一个新过程，第一次选用什么设备，如何确定其 内部结构？
传递规律 验证和修改数学模型
过程开发工作框图
概念设计
工程研究
技术经济评价
基础设计 工程设计
实验室 基础研究
小型试验
过程研究
大型冷模试验
中间试验
化学反应规律
传递规律 验证和修改数学模型
过程放大的理论基础与应用技巧
过程设备与系统放大效应以及非线性特征
化工过程的放大与转化
化工过程的放大与转化化工过程是生产出各种化学物质的过程，它们可以是日常生活中所使用的产品、食品添加剂和药品等。
化工工业是全球经济增长的重要组成部分，它为人们提供了各种生活所需的产品，也为发展国家的经济建设做出了重要贡献。
在化工过程中，放大与转化是核心部分。
在实验室内生产出可行的化学反应，但如何将其放大到工业规模，以及如何进行合理的转化，是化工发展的关键所在。
本文将分别对两者进行探讨。
一、放大所谓化工放大，就是将实验室的小规模化学反应放大到工业规模进行生产。
这是化工工业必不可少的环节。
放大的过程需要考虑一些细节问题，例如参与反应的物质的质量、数量、热量和温度等。
因此在进行放大前，需要进行实验室规模的反应研究，根据实验结果对进行规模放大的参数进行调整。
化工放大过程并不容易。
通常情况下，实验室中的反应操作能够掌控、监测，并且方便调整。
但是化工厂的反应则需要面对更多的操作实现问题。
由于大规模反应难以进行监测，关键是在反应的过程中不能接受不必要的损失。
为了避免反应失败，人们通常会使用先进的技术，在反应过程中控制化学反应的阶段性，即使反应不能完成，也不会出现危险性与浪费。
然而，化学反应放大与小规模实验相比，是更多变化和复杂的。
在反应的过程中，需要考虑更多的因素，光满足最佳的参数设置还达不到成功反应的目的。
例如，在进行规模反应时，应选择最适宜的反应时间、温度和介质等，以确保反应过程充分进行，但此外需要考虑到放大过程的物理性质（如流态模式和混合性能）和商业潜力等。
因此，放大过程需要考虑多种因素带来的变化，并确保大规模生产的可持续性和稳定性。
二、转化在化学生产工艺中，化学反应的产物必须被进一步转化为最终产品。
然而，转化过程通常是耗时的，包括低效的过程，会导致损耗、间歇停机、质量不良等问题。
因此，加快转化过程非常重要。
目前的转换技术是在更短的时间内获得更高的产量，同时维持精度和质量。
这是通过创新性生产技术来实现的，通常涉及自动化和过程优化。
生物化工 放大效应
生物化工放大效应
生物化工是一种利用生物体的代谢、生长和遗传工程技术，将生物体转化为有用产品的技术。
随着生物技术的快速发展，生物化工在制药、食品、能源、化工等领域得到了广泛应用。
生物化工的放大效应是指将实验室中的生物反应器放大到工业化生产中，从而实现产量和效益的大幅提高。
放大效应需要考虑多个因素，包括生物反应器的设计和选型、培养基的选择和优化、菌种的筛选和改良、操作工艺的优化等。
在生物化工中，放大效应的成功与否直接影响着产品的质量和成本。
因此，科学家们不断探索新的技术手段，如代谢工程、基因编辑等，在提高放大效应的同时，确保产品质量和安全性。
生物化工的放大效应不仅可以促进化工产业的发展，还可以为社会创造更多的就业机会。
随着技术的不断创新，生物化工的放大效应将会不断提升，为人类带来更多的福利。
- 1 -。
化工过程开发与设计 第8章 化工过程放大
1.22
Ga Q1c1 Q2 c2
kG a
Q1c1 Q2 c2 c1 ln Vr (c1 c2 ) c2
2.40
kG a 1.64 10 3 u1.56 g ,0 R
（12）
8.1.2 数学模型方法
表8-3 模试实验数据
化工过程开发与设计
第8章 化工过程放大
第8章 化工过程放大
8.1 反应过程放大的基本方法 8.2 冷模试验
8.3 中 试
8.4 反应器的设计
8.1 反应过程放大的基本方法
1
逐级经验放大
数学模型方法
2
8.1.1 逐级经验放大
1．研究方法 （1）反应器的选型 （2）优化工艺条件 （3）反应器放大
8.1.1 逐级经验放大
S × 102/ t Sr
G1 G2×10 2 /kg· pH h-1 /kg· h-1 119.2 2.33 5.07 131.8 130.7 100.1 91.3 99.3 98.9 229.5 177,4 219.2 181.2 8.24 6.06 1.95 1.64 4.54 8.14 16.20 18,90 6.17 2.28 5.42 5.30 4.31 5.16 5.53 5.16 5.37 5,37 5.27 5.27
11.99 11.06 11.76 16.26 13.64 11.78
+1.6
4.0 +2.3 -2.1 +0.4
-9.2
-0.4 +2.4
0.922
16.82 16.76 12.45 12.75
8.1.2 数学模型方法
续上表
试验 号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
最新化工过程开发与放大
目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Keywords (1)前言 (1)1化工过程开发的步骤 (1)1.1收集资料 (1)1.2概念设计 (2)1.3技术经济评价 (2)1.4模型试验 (2)1.5中试 (3)1.6基础设计 (3)1.7工程设计 (3)2化工放大过程的步骤 (3)3过程放大的方法 (4)3.1全流程逐级放大 (4)3.2数学模拟放大 (4)4放大过程应注意的问题 (4)4.1过程放大实验室化学家和过程工程师的任务及相互配合 (4)4.2必须保证设备放大后经济上的合理性和各项指标的先进性及系统调优 (5)5过程优化 (5)5.1大系统优化 (5)5.2系统优化是单元过程优化的前提 (5)5.3系统和单元过程的优化都是以模型为基础 (5)5.4离线优化中有关特殊或专用模块需要使用者自行开发 (6)结语 (6)参考文献 (6)化工过程开发与放大摘要：化工的发展，新技术大多都是从实验室试验开始的，但是在付诸生产之前要进行必要的科学论证，才能过渡到化工的装置生产。
而化工过程的放大是新产品开发过程中的必由之路，是科研转化为生产力的必经途径。
处理好这个环节，就能加速实现新产品的工业化。
关键词：过程开发；过程放大；过程优化Abstract: chemical development, new technologies are mostly from laboratory tests started, but before put into production to conduct the necessary scientific proof to the transition to the production of chemical apparatus. The chemical amplification process is a new product development process in the only way, is to research into productivity necessary way. Handle this aspect, we can accelerate the industrialization of new products.Keywords: process development; amplification process; Process Optimization 前言从化学工业的发展看，各种新产品、新工艺、新技术，在他们实现工业化之前，大多都是从实验室研究开始的。
化工放大 经验公式
化工放大经验公式
化工放大是指化学反应或化学过程中，将实验室规模的反应放大到工业规模的过程。
在化工放大过程中，经验公式是一种经验性的数学公式，用于预测和计算化工放大过程中的各种参数和变量。
经验公式是通过实验数据和经验总结得出的，通常是一种简化的数学模型。
它可以用于预测反应速率、产量、物料流动、传热传质等各种参数，以及优化反应条件和工艺参数。
但需要注意的是，经验公式是基于实验数据和经验得出的，它的适用范围和精度有限。
对于复杂的化工反应和过程，更加精确和准确的模型和方法可能需要使用物理化学原理和计算机模拟等技术。
化工放大的经验公式可以通过实验数据和经验总结得出，也可以通过文献和专业资料查阅获得。
在实际应用中，需要根据具体情况选择适合的经验公式，并结合实际数据进行验证和修正，以提高预测和计算的准确性。
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要求：
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既要能表达实际过程运行的规 律又要简单而便于应用。
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建模中的问题
1.建立数学模型的方法 2.数学模型的简化 3.数学模型的针对性
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1.建立数学模型的方法
❖ 怎样建立？
掌握动态规律
❖ 如反应器进行化学反应的数模建立
动力学、热力学 流动与混合、传热、 传质
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例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺
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一级不可 逆
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（I）反应器选型
过氧化氢异丙苯的分解反应 为液相反应，反应速率较快。
反应特点：
选择：
多种型式的反 应器适用
连续操作管式反应器
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（2）优化工艺条件
选用一根直径为 40 mm，长度为 1202mm的 不锈钢管（容积约 1.51L）作反应器试验
定义：在放大过程缺乏依据时，依靠小规模实验成功
的方法和实测数据，加上开发者的经验，不断 适当加大实验 的规模，修正前一级实验确定 的参数，来摸索化学反应和化学反应器的规律 高放大
化学反应类型、放大理论的系成数熟？度、
过程规律的掌握度、研究人员经验。
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典型反应过程放大系数
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启示
①对于化工过程开发，在实验室研究阶段即应充 分考虑实现工业化的可行性。
②在实验室研究完成之后．还必须解决与工业生 产有关的一些技术问题。
③技术开发的成功与科学技术水平有看密切关系。 在20世纪初，若不是可以实现高温高压技术、 空气分离技术和深度冷冻技术，合成氨的工业 化也是不可能实现。随着合成氨技术的开 发．又推动了催化剂制备技术，高温高压技术， 深冷分离技术等近代化工技术的发展。
考察工艺条件 对反应结果的
影响
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根据试验结果确定的工艺条件为
结果：转化率为98. 8％。
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（3）反应器放大与校验
❖ 校验试验分两级进行 A、不改变管直径 ，反应管延长 ，将反应器容
积放大到 2.15 L （流量0.1m3/h） B、容积从2.15 L放大到10L(流量0.464m3/h) 结果：转化率99.8%，无放大效应
多❖为如工：催化剂活性温 程度因限素制了模型温度参 数变化
作用：有利于模型的简化
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二、逐级经验放大的步骤
❖ 反应器选型 ❖ 工艺条件优化 ❖ 反应器放大
小型装置 考察“结构变量”
小型装置 考察“操作变量”
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模型装置 考察“几何变量”
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三、逐级经验放大的特征
1．只注重输入与输出关系，纯属于经验性
质综合考察
黑箱
2．试验程序人为确定 三步
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❖ 定义：
在充分认识过程的基础上，运用理 论分折，找到描述过程运行规律的 数学模型，应用于反应器的放大计 算。
是否还需 要实验？
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试验的目的是为了建立和检验数学模 型。试验的方式和要求与经验放大方
法有很大差别。
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一、数学模型
数学模型：
通常是一组描述过程运行动态 规律的代数方程或微分方程。
A.原料循环 B.热量利用 C.冷冻分离
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（4）波施的工作（反应器放大和工业化）
（a）研制了稳定可靠的廉价催化剂取代了锇催 化剂
含少量钾、镁、铝、钙为助催化剂的铁催化 剂
（b）找到能耐 20 MPa、 500～600 C的高压 高温材质、并设计出合成氨反应器
（c）提供廉价的氮气和氢气
定义： 放大后的实验（生产）规模/前
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表达： 小时投料量、 每批投料量或年产量 反应器特征尺寸比。
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2. 放大效应
因过程规模变大造成指标 不能重复的现象
如：反应状况恶化、转化率、 选择性、收率下降、产品质
量劣化等。
反应得到改善， 得到正的放大效应
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3. 逐级经验放大
模拟研究法
模型 实物、数学
用模型研究 化工过程的 现象、规律
基本方法
经验
数学
部分解析
相似
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第一节 逐级经验放大
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一、几个概念
1. 放大系数
What’s the meaning?
G.E.Davis：在实验室中几克物料的小型实验， 对于指导大型工厂的建设工作，并没有什么作用。 但用数公斤物料进行的实验，则无疑可提供 大型工厂需要的全部数据。
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（4）计算反应器容积
❖ 工业化的要求处理量：过氧化氢异丙苯（浓 度为3.2 kmol／m3。）的量为3m3/h。
❖ 计算所需反应器的容积：按 1.51L模型尺寸， 根据物料处理量的扩大，按比例外推计算。
❖ 结果：45.3L
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第二节 数学模型法
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方程组：物 料、热量、
动量衡算
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2.数学模型的简化
❖ 如：固定床催化反应器中气体流动
❖ 规律：
紊乱、随机
❖ 简化表达： ❖ 要求：
返混模型 结果的等效
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3.数学模型的针对性
❖ 明确的模拟目标 目标不同，模型不同。
如：流体流动返 混、阻力模型不 同
目标不同，限制范围不同。
催化剂：锇
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（1〕反应器选型
强放热的气固相催化反应，高温高压。
哈伯选用了80g/h固定床管式催化 反应器 。
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(2) 条件优化
工艺条件： 产品：
500～600℃ ； 17.5～20 MPa ；
锇催化剂
氨的体积分数达 6%
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（3）预设计工艺流程
3．放大是根据试险结果外推 线性规
缺乏理论指导，周期
律
较长；方法简单
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例：合成氨技术开发
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合成氨技术开发及启示
❖ 基础研究：哈伯的工作（实验室）
反应基本规律
特点：在常温常压下不反应。1000℃，常压 ，转化 率也小于0.01% ；提高压力，反应的转化率则提高。
第四章 化工过程放大
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概述
化工过程放大 是科学理论和实践经验相结合、质和量相结合的工程科学问题。
核心 是放大技术
技术上的关键问题是：
（1）是否开发出高效催化剂
（2）可靠的放大技术，特别是反应器的放大
（3）工业化过程的材料
（4）过程所需设备
2020/10/9 （5）计量和检测技术
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