第七章 化工过程开发与评价

概念设计介于小试研究和中间评价之间，其作用包括： 发现一些不成熟的条件和需要补充的数据，要求重复
或完善小型试验； 经济衡算的内容，为中间评价提供了基本的依据； 对中试研究提出具体的建议和要求。
中间评价：亦称第二次评价，是运用技术经济分析方法 对概念设计的方案进行技术可靠性和经济合理性方面的 分析，对方案的可行性作出论证。
特点： 部分解析法是一种半理论、半经验的方法，它虽然没
有建立数学模型，但采用的分解一综合和试验一简化 一验证的方法却与数学模拟法相似，其有效性也不低 于数学模型； 它与逐级放大法并不相同，因为它所进行的试验并不 是实验室结果的简单放大，而是对实验室实验基础上 的理论思维的某些设想的探索和检验。 以理论指导试验，减少了试验的盲目性，既提高了试 验效果，又简化了试验工作，因此是在当今化工技术 发展水平下的一种切合实际行之有效的放大方法
7.1.1.3 工业装置试生产阶段
目的是建立一套工业生产装置，主要工作内容有基础 设计、最终评价、工程设计、施工与开车等。
基础设计：针对第一套工业规模的生产装置(也称示范 装置或试生产装置)而进行的原则设计，它将中试结果 以设计的形式呈现，是技术转让的主要技术文件，研 究单位开发的阶段性成果。基础设计质量的好坏，体 现了研究开发工作的水平。通常，该项工作是在研究 内容全部完成，并通过鉴定之后，由研究单位编制， 并由研究人员承担。若研究单位设计力量不足时，可 以委托设计单位，或者与设计单位合作进行。
基础设计包括即将建立的生产装置的一切技术要点， 其内容如下: 设计基础；工艺流程说明；物料流程图和 物料衡算表；对工程设计的要求；带控制点的管道流 程图；设备名称表和设备规格说明书；工艺操作说明； “三废”排放点及排放量；自控设计说明；消耗定额； 有关技术资料、物性数据；安全技术和劳动保护说明 等。
目的：确定原料工艺路线，提出和验证实施反应的方 法，寻求适宜的工艺条件，收集或测定必要的物性和 热力学数据，进行催化剂性能及动力学研究，开展传 递过程研究以了解过程特征，以及建立有关的分析方 法等。
7.1.1.2 中间试验(中试)阶段
在实验室研究获得成功后，进行的概念设计、中间评价 和中试研究。
概念设计：研究人员根据小试所揭示的开发对象的特征， 针对未来生产规模所作的原则流程的尝试性设计，又称 为“预设计”。其主要内容包括: 确定原料和产品的规 格、生产规模；进行物料衡算和能量衡算；给出最佳工 艺流程和物料流程图；提出主要设备的型式、规格及材 料的初步要求；确定单耗指标以及“三废”治理方案； 估算基建投资与产品成本；预测投资回收期等。
目的：判断过程是否具有继续开发的价值，如果有进一 步开发的必要，则要提出开发方案的改进意见及实施的 具体计划。
中试研究：过渡到工业化生产的关键阶段。检验和确定 系统的连续运转条件、操作范围及可靠性；在操作条件 下，考察设备的选型及材料的性能；观察运转过程中杂 质等微量组分对过程的影响；提供足够数量的产品和副 产物以供加工和应用方面的研究；验证所采用分析方法 和控制仪表的可行性与分析系统的可靠性；研究和探讨 治理“三废”的方法。
尽管建立数学模型应当做到简化而不失真，然而简化 假定与实际过程往往存在相当程度的偏离，造成模型 不能确切反映实际；
即使模型可靠，但是模型涉及的参、变量难以准确测 定，而造成较大的放大误差；
与开发对象本身特征有关，或者说与其难易程度有关。
7.2.4 部分解析法
部分解析法是一种依据理论分析与试验探索相结合的 开发方法。根据化学反应工程的知识和理论，对过程 进行分析，并通过初步试验了解化学反应的特征(反应 类型，热效应及速率大小，收率分析及温度、浓度效 应等)，再结合工程问题的特殊性(装置结构、尺寸和工 程因素变量等)，形成一些技术概念(如设备型式和工艺 条件的选择、预测反应结果和放大效应等)，然后经过 试验验证、修改、补充，形成技术方案，并据此指导 系统试验(模试或中试)，获取放大数据，找出放大规律。
7.2.3 数学模型法
依据小试试验，研究化学反应的规律和特征，建立反应 动力学模型；在大型冷模试验装置中研究流体流动、传 热和传质规律，建立反应器的传递模型；然后通过物料 衡算和能量衡算把反应动力学模型和传逆模型结合起来， 经合理简化，得到与原型近似等效的物理模型，同时对 该模型进行数学描述，即建立反应器的数学模型。
增长管长：虽然有效，但它不是常用增加生产能力的方法。
一般认为：数学模拟法较适用于大型化工项目的开发， 而对大量精细化工产品的开发放大，可采用逐级经验放 大或部分解析的方法。
7.3 化学反应器的放大
化学反应器是化工生产过程的核心，也是化工过程放 大中最难掌控的部分。
目的：试图在工业反应器中重现小试或中试的过程结 果(反应速率、收率和选择性)。
影响过程结果的因素：温度、浓度、传递过程(搅拌程 度及混合状况)等诸变量。
7.2 化工过程开发的放大方法
7.2.1 逐级经验放大法
依据类似产品生产的经验或装置，经过一系列试验及 中间装置来逐级放大反应装置的尺寸。在放大过程中， 每一级放大设计的依据都是前一级试验取得的研究成 果和数据，是一种经验性质的放大。
基本特征： 仅着眼于外部联系，不能深入研究过程的内在规律； 人为规定试验步骤，研究程序并不科学； 放大是根据经验结果外推，可靠性差； 不需要对过程有透彻了解，适合于复杂的、难以了
(如温度、压力、速度、密度、黏度、浓度等)； 由相似转换或量纲分析，对实验变量进行归纳和简化，
从而得到相似特征数(如流体流动过程中的雷诺数Re， 传热过程中的努塞尔数Nu和普朗特数Pr等)； 根据上述有关因素确定实验模型和大型装置之间的相 似条件，并由此构造实验模型，通过试验，确定特征 数之间的关系； 从模型试验结果预计大型装置的性能，并应用特征数 方程进行放大设计计算。
7.1.2 化工过程开发中的两种开发研究
化工过程开发按其研究内容可归纳为过程研究和工程研 究两种不同性质的研究。
过程研究: 是开发工作的主体，它是以工业模拟和工程 放大为目的的试验研究，包括小型工艺试验、模型试验 和中间工厂试验等三个环节，可在实验室、中间装置、 实验工厂进行。不同层次的过程研究探索的内容可有所 偏重，有所不同，但过程研究的中心任务是一致的，即 探索工程因素对化学反应过程的影响，测取放大数据， 为项目提供设计的依据和评价的原型。
优点：
可以大大缩短过程开发周期，从而实现反应器的有 效设计、放大和工业化生产的最优操作与控制；
只要反应器的结构、型式和化学反应相同，数学模 型所描述的过程动态规律不受设备几何尺寸的限制。 Nhomakorabea 缺点：
模型研究以单因素为基础，在研究扩散和传热等物理 因素对化学反应的影响时，常以A→B这类十分简单的 单组分不可逆反应为例，与复杂的实际反应相去较远；
中间试验的规模要依据开发过程的性质和采用的放大 方法及预定的生产规模来确定，以能体现出过程的真 实特征，并能全面准确地获得过程数据。
中试可分级进行，其装置可包括与大型工业生产装置 完全类似的全部流程和设备，也可只是其中部分流程 或设备。
为了节省开发费用和缩短开发周期，应当尽量减少中 试级数和缩小中试试验的规模，力求达到经济、高效。
若工业装置与中试装置在相同密度条件下操作，则：
高湍流条件下，几何相似放大遵循：
7.3.2 等温管式反应器的放大
平行增加同样的反应器：采用多管并联的列管式反应器的设 计就是常用的和较为经济的增加生产能力的方法。
加大管径：几何相似放大，加大管径意味着也要加长管长， 以保持相同的长径比L/d。对恒压降放大，若流体为湍流状态， 则增大管径，会降低长径比。
若工业反应器中每个反应单元的温度状态、浓度水平、传递速 率与小试或中试一样，则工业反应器的工艺结果必然与小试或 中试相近。然而，放大至工业生产装置，装置参数和过程性质 随设备尺寸变化的规律各不相同，致使化学反应器因设备规模 变化而造成工艺结果难以再现，这种大小装置之间工艺结果的 差异称为“放大效应”，寻求其产生原因和改善方法是化学反 应器放大的主要任务。
但是，要将基础设计作为指导工厂建设和装置建立的 技术文件还不完善，必须转化为工程设计的形式。同 时，在工程设计之前，对整个过程还须进行最终评价 (亦称工业化评价或第三次评价)，评价的重点是项目 投资和经济效益，日的在于确定项目可否投产建设生 产装置。
工程设计：依据于基础设计所作的进一步具体化、完 善化的设计，是指导建立生产装置的最终文件。
解其本质的过程。
7.2.2 相似放大法
以相似论为基础的相似模拟放大法。相似模拟是研究将 个别现象的研究结果，推广到所有相似的现象上去的方 法。相似论的基础定律:
相似第一定律(正定理)：相似现象属于同一现象，必 须发生在几何相似的空间，服从自然界中同一基本规 律，并且具有相似的初、边值条件；彼此相似现象， 必须具备数值相同的同名相似特征数(相似准数)。
相似第二定律(逆定理)：凡同一种类现象，如表述的 相似特征数的数值相等，则两体系相似。
相似第三定律(x定理)：相似现象各种量之间的关系， 通常采取相似特征数的函数关系，称为准数方程来描 述。
相似模拟放大法被有效地应用于冷模试验的研究，它 通过“模型试验”获得流体流动、传热、传质等许多 物理过程的传递规律，进而去认识、推测原型的行为。 但是，对于有化学反应的过程，相似模拟放大法不适 相用似。模拟放大遵循的步骤是: 根据对过程理解和掌握的程度，确定有关影响因素
第七章 化工过程开发与评价
7.1 化工过程开发的步骤及内容
7.1.1 化工过程开发步骤
7.1.1.1 实验室研究(小试)阶段
根据化学学科的基础理论，或从实验观察得到的启发 与推演，以及从收集的技术情报资料加以分析、研究 所获得的信息，构思提出方案，并经过初步评价(立题 评价，亦称第一次评价)，确认其研究成果具有工业化 的可能性之后，以开发为目的，在实验室内进行的开 发基础研究。