第五章 化工过程放大

最佳温度 温度序列 温度分布
措施：先高后低
温度分布

3、研究步骤
简单实验，定性
了解过程特征 设想技术方案 验证、改进 确定放大设计方法
理论分析，初步方案； 理论与实践结合 实验，定性、定量
如：固定床放热反应的温度

流体温度与 催化剂表面 温度不同


数模；经验
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4、特征
分解研究与综合分析相结合
模型

恒温活塞流模型 料衡算式联立。
其数学表达式为：化学反应动力学模型和物
例 丙烯二聚过程开发
例 丙烯二聚过程开发
放大关键
催化剂 国外采用低活性催化剂，将反应器放大
（3）脱甲基化反应过程开发
特点：
吸热的催化分解反应．高温下的副反应 少．采用固定床反应器。
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000倍获得了成功。
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三步
3．放大是根据试险结果外推
缺乏理论指导，周期 较长；方法简单 线性规 律
例：合成氨技术开发
4. 每级放大均建立在实验基础之上，可靠程 度高。但周期长、成本高、难以做到高倍 数的放大。
合成氨技术开发及启示
逐级经验放大
逐级经验放大
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。
如：均相、 非均相反应 浓度不同 ， 结果不同。 返混、预混合、进料浓度、 加料方式、操作方式
放大效应 考察：浓度、温度效应
反应结果 相同
返混、分段加料、降低进 料浓度等工程因素的等效 简化过程 （浓度、分布），不考虑 其差别
（2）温度效应
影响反应速率、选择性
如：
温度序列
需考虑：
B---目的产 物
丁二烯、氯、二 氯丁烯混合进料 产物中无明显的 多氯化合物
结果：
反应物料用二氯 丁烯
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（3）构思技术方案（定性）
射流式反应器、270℃、丁二烯过量 （4）确定反应器尺寸、工艺条件 反应器大小对反应结果影响不大 反应器需保证足够大的返混量（容积、工艺条 件） 流体力学计算 （5）检验（25t/a）
（2）传递过程
内容：
反应器内物理过程的规律 与反应器型 式、结构有 关 冷模实验
（3）建模
浓度、温度效应
物理、化学过程的结合 方法：
建立动力学、物料、热量衡算（动量） 方程
方法：
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（4）校验
与经验法的 实验不同
3、特征
1．分解过程，不作综合考察 着眼于过程的内部规律，对过程进行分解和综合 2．合理简化过程运行规律 抓主要矛盾，忽略次要矛盾 3．科学试验是为了建立和检验数学模型 反应工程理论和传递过程理论指导下建立数学模型； 模型来源于实践，又为实践所检验。
氨的体积分数达 6%
逐级经验放大
启示
逐级经验放大
（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
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着密切关系。 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。
F、数学模型的针对性
明确的模拟目标
目标不同，模型不同。 目标不同，限制范围不同。
如：流体流动返 混、阻力模型不 同
如：催化剂活性温 多为工 程因素 度限制了模型温度参 数变化
作用：有利于模型的简化
2、研究方法（化学反应器建模）
反应过程 传递过程 建模 校验
（1）反应过程
内容：
反应类型、控制步骤；动力学、热力学 了解过 程本质 与经验放大不同，不需模拟生产装置。 排除外界因 素的干扰
（2）实验
管式反应器、原料混合后进料
搅拌or射 流
高T（>270℃） 有利（抑制氯代副产物）
加热方式？
产物换热（√）
预热 or 产 选定反应器：返混式 物换热
射流（ √ ）
C.抑制多氯产物的方法
b.返混对选择性的影响
目的：怎样抑制多氯加成产物？
理论分析：
丁二烯过量
实验验证：
问题：两组实验 结果矛盾 实验方法的思考？ 结果：返混降低选择性
C、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
D、.建立数学模型的方法
掌握动态规律 怎样建立？ 如反应器进行化学反应的数模建立 方程组：物 料、热量、 动量衡算
动力学、热力学 流动与混合、传热、 传质
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E、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： 返混模型 要求： 结果的等效
（1〕反应器选型
强放热的气固相催化反应，高温高压。
催化剂：锇
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：
500～600℃ ； 17.5～20 MPa ； 锇催化剂
逐级经验放大
逐级经验放大
（3）预设计工艺流程
A.原料循环 B.热量利用 C.冷冻分离
产品：
1、研究方法
反应器放大依据
温度、 浓度 反应动力 学实验
化学反应速率
基础：
化学工程学科发展： 较多的成熟理论和研究方法
化学反应工 程学理论
工程因 素

特点：
避免黑箱；易掌握
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2、研究思路
二者结合：确定实验内容、方法；预测结果、
（1）浓度效应
工程因素： 工程因素的等效性 浓度、浓度分 布相同
2、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。
论分析，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？
要求：
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。
既要能表达实际过程运行的规 律又要简单而便于应用。
模型 实物、数学
用模型研究 化工过程的 现象、规律
第一节 反应过程放大的基本方法
基本方法 经验 数学 部分解析 相似
一、 基本概念
（一）反应进度 （二）转化率 （三）收率和选择性 （四）操作周期

（五）化学反应速率和速率方程
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（六）放大系数和放大效应
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。
逐级经验放大
逐级经验放大
例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺
一级不可 逆
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（I）反应器选型
逐级经验放大
逐级经验放大
（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
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。
例 丙烯二聚过程开发
例 丙烯二聚过程开发
（1）聚合反应过程开发
特点：

建立反应器的数学模型的简化
①在反应条件控制的范围以内，有关物性参数 为常数； ②反应器内由于物料流动所产生的压降不计； ③反应器内无径向温度梯度，但沿轴向有温度 变化； ④物料通过反应器截面的流量恒定； ⑤活塞流状态流动； ⑥绝热系统。
逐级经验放大
（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
（二）数学模型法
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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1、定义： 在充分认识过程的基础上，运用理
特点：
气、固相催化反应、硅铝催化剂，一级可逆反应。 反应温度： 80～85℃，转化率75%，选择性为79 ％。 固定床催化反应器
放大结果
物料循环 装置放大17 000倍，反应器出口温度的理论与实 验值差2℃ 放大成功
例 丙烯二聚过程开发
例 丙烯二聚过程开发
模型简化
①拟均相； ②活塞流； ③恒温．无温度梯度和压力降。
简介：石油裂解的丁烯组分（正丁烯、异丁 制丁二烯
烯），难分离。
通过异丁烯的二聚，使正丁烯分离出来。
例：异丁烯二聚
异丁烯浓度：4%；20% 汽油组分
（1）实验（反应过程特征）
非均相催化，固定床 a.原料4% 反应条件： 结果：
27℃、1atm、3/h;
b.原料20%
反应条件：同a 结果：产物异丁烯小于0.5%，正丁烯减少30% 解决方法： 原料循环（稀释5倍）
二、 反应过程放大基本方法
逐级经验放大 数学模型放大 部分解析放大法
（二）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。 低放大 系数？ 放大系数的确定： 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。