化工过程开发程序及反应器放大 [兼容模式]
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。
化工过程开发及设计化工过程放大PPT文档72页
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
化工过程开发及设计化工过程放大
6
、
露
凝
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天
高
风
景
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。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
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我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
10、Fra bibliotek倚南
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之
易
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46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
化工过程开发概论
第二步反应经测定为一C级H3不可逆反应。 H2SO4
C O OH
CH3
CH3 OH + C O
CH3
7
第四章 开发放大方法
• （1）反应器选型 •2mm的不锈钢管作反应器进行试验。分别考察： 反应物浓度、反应温度、催化剂浓度和物料流量等工艺条件对反应结果的影响。
14
第四章 开发放大方法
• 二、研究方法 1.研究反应过程 内容：鉴别化学反应的类型和控制步骤，测定反应动力学和热力学数据，分析反
应过程中产生的一些特殊现象，以及确定工艺参数变化的范围等。
15
第四章 开发放大方法
• 2.研究传递过程 假设无化学反应进行的情况下，用冷模试验专门考察反应器内物料的流动与混合、
38
第四章 开发放大方法
• 三、部分解析法特征 • 1.分解研究和综合分析相结合 • 2.确定的技术信息主要来源于试验 • 3.技术方案的形成都通过了反复论证
39
第四章 开发放大方法
• 例4-4 丁二烯氯化制二氯丁烯过程开发
(1)化学反应特征
C4H6+Cl2
C4H6Cl2
气相热氯化反应，常温下反应速率较快，不需要催化剂，但容易生成氯代副产物 和多氯加成产物。
丁二烯 Cl2 二氯丁烯 Cl2 多氯化合物 nCl2
42
第四章 开发放大方法
• 第三组试验：寻找抑制多氯加成化合物的方法。 S=1-k2cR/k1cA
用丁二烯、氯和二氯丁烯混合进料，模拟返混式反应器内物料的实际情况，在丁 二烯过量的条件下，试验发现，几乎没有明显的多氯化合物生成。由此证明 丁二烯过量可以抑制生成多氯化合物的串联副反应。
传热与传质等物理过程的运行规律。
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。 """# $%&%’(()*# &+( 上海化工 !""#$ %%
化工过程开发步骤
化工过程开发步骤化工过程开发步骤应化2班梁家燕化工过程开发是指从一个有关新的化学产品、新技术或新工艺的概念形成，从研究、设计、建厂等过程，从实验室研发过渡到工业规模生产装置，付诸实施的全部过程化工过程开发是一种高投资、高风险、高效益，涉及面广的工程项目，它从立项开始，经过研究、设计、建设到一项新产品、新工艺或新技术投入生产，要经过一系列步骤．图1是参考原化工部新技术开发管理条例绘制的化工过程开发的工作程序，其步骤可大致概括如下：1 技术经济资料的收集2 开发课题的选择3 初步评价4 开发研究5 中间评价6 概念设计7 中间试验8 最终评价9 基础设计10 工程设计1 技术经济资料的收集化工过程开发需要收集的技术经济资料十分广泛，除了开发放大和过程优化所需的一切技术资料外，还有原料、产品、副产品、能源以及地理环境等方面的许多重要技术经济信息．只有少数是通过试验研究取得的，其它信息资料则需要通过文献或互联网调查以及社会调查来收集．对于从文献或互联网收集的资料，一般都要对它们的时效性作出预测后方能采用；对于从社会调查收集的资料，除了对时效性作必要的预测外，还要考虑不同地域、不同单位提供资料的差别2 开发课题的选择凡与化工新产品开发、生产技术改造以及新工艺和新技术的推广应用有关的研究项目，均属于化工过程开发课题．选题是化工过程开发工作开展之前的重要工作，它关系到开发工作的成败．任何开发项目在进行研究之前都必须编写选题的立题报告．立题报告应从技术、经济、市场、环境和社会等许多方面对该项目的可行性加以说明，以便提交给专家评估和决策者审定．在选题和撰写立题报告时，应充分做好国内外的调查研究，国外情况一般是从文献中了解；而国内情况，除了文献调查外，还应作社会调查，以便取得详实资料．同时，选题还必须注意以下原则：选题应合法；选题应有科学性；选题应针对市场需要；选题应考虑合理的原料路线；选题应有经济观点．3 初步评价化工开发是一个长期而艰巨的过程，通常需要大量的资金和人力，一旦决策失误，就可能造成重大损失，有时还会对社会造成危害．因此。
精细化工过程开发步骤详解
精细化工过程开发步骤详解精细化工过程开发的一般步骤是从一个新的技术思想的提出，再通过实验室试验、中间试验到实现工业化生产取得经济实效并形成一整套技术资料这一个全过程；或者说是把“设想”变成“现实”的全过程。
由于化工生产的多样性与复杂性，化工过程开发的目标和内容有所不同，如新产品开发、新技术开发、新设备开发、老技术及老设备的革新等。
但开发的程序或步骤则大同小异。
一般精细化工过程开发步骤示意如图。
综合起来看，一个新的精细化工过程开发可分为三大阶段，分述如下。
精细化工过程开发步骤示意图1.实验室研究(小试)实验室研究阶段包括根据物理和化学的基本理论、或从实验现象的启发与推演、信息资料的分析等出发，提出一个新的技术或工艺思路，然后在实验室进行实验探索，明确过程的可能性和合理性，测定基础数据，探索工艺条件等，具体事项说明如下。
(1)选择原料小试的原料通常用纯试剂(化学纯、分析纯级)。
纯试剂杂质少、能本质地显露出反应条件和原料配比对产品收率的影响，减少研制新产品的阻力。
在用纯试剂研制取得成功的基础上，逐一改用工业原料。
有些工业原料含有的杂质对新产品质量等影响很小，则可直接采用。
有些工业原料杂质较多，影响合成新产品的反应或质量，那就要经过提纯或别的方法处理后再用。
(2)确定催化体系催化剂可使反应速度大大加快，能使一些不宜用于工业生产的缓慢反应得到加速，建立新的产业。
近年来关于制取医药、农药、食品和饲料添加剂等的催化剂专利增长很快。
选择催化体系尽量要从省资源、省能源、少污染的角度考虑，尤其要注意采用生物酶作催化剂。
(3)提出和验证实施反应的方法、工艺条件范围、最优条件和指标包括进料配比和流速、反应温度、压力、接触时间、催化剂负荷、反应的转化率和选择性、催化剂的寿命或失活情况等，这些大部分可以通过安排单因素实验、多因素正交试验等来得出结论。
(4)收集或测定必要的理化数据和热力学数据包括密度、黏度、热导率、扩散系数、比热容、反应的热效应、化学平衡常数、压缩因子、蒸气压、露点、泡点、爆炸极限等。
化工及制药工业中常见的过程放大方法
化工及制药工业中常见的过程放大方法嘿，朋友！咱今天来聊聊化工及制药工业里那些常见的过程放大方法。
这可真是个有意思的话题，就像从小小的种子长成参天大树，充满了挑战和惊喜。
你想啊，在实验室里，咱们能把一个小反应做得稳稳当当，可一旦要放大到工业规模，那难度就跟让小猫咪变成大老虎似的，完全不是一回事儿！比如说，反应的温度和压力控制，在实验室里，就像在小池塘里划船，咱能轻松掌控方向。
可放大之后呢，就变成了在大海里航行，风浪一大，方向可就不好把握啦！先说物料的传递和混合吧。
在实验室，物料可能就那么一点点，搅拌均匀不是啥难事。
但到了工业规模，那物料量可是成百上千倍地增加，就像一群调皮的孩子，要让他们规规矩矩地待在一起，均匀地混合，可不容易哟！这时候就得设计厉害的搅拌装置，就像给孩子们找个厉害的老师，能把他们管得服服帖帖。
还有热传递呢！实验室里的热量传递，就像家里的小火炉，温度好控制。
可放大到工业规模，那就是大火炉啦，一不小心就会过热或者过冷。
这就得考虑更大更好的传热设备，就跟给大火炉装个高级的调温器一样。
再说说化学反应本身。
实验室里，反应条件可以精细调整，就像给花精心修剪枝叶。
但放大后，各种因素相互影响，就像一群人七嘴八舌，要让反应乖乖听话，可得下大功夫。
过程放大的时候，还得考虑设备的放大效应。
小设备就像小巧的玩具车，跑得顺溜。
大设备呢，就像大卡车，不仅自身庞大，还得应对各种路况。
所以设备的材质、结构都得重新设计和优化，不然就容易出岔子。
另外，放大过程中的安全问题可不能忽视。
这就好比走钢丝，稍微不小心，后果不堪设想。
得把各种危险因素都考虑周全，制定严格的安全措施，给这个过程穿上厚厚的“防护服”。
总之，化工及制药工业中的过程放大，可不是简单地把小的变大，而是一场精心策划的大冒险。
只有把方方面面都考虑到，把各种难题都解决好，才能让这个放大的过程顺顺利利，生产出高质量的产品。
这可真是个技术活，也是个精细活，需要咱们不断探索和创新，不是吗？。
化工过程与开发 PPT课件 第五章 反应器放大
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例：连续流动反应器中的返混测定
目的： 1 通过实验了解停留时间分布测定的基本原理和实 验方法； 2 掌握停留时间分布的统计特征值的计算方法； 3 了解停留时间分布密度函数与多釜串联流动模型 的关系； 4 了解多釜串联模型中模型参数N的物理意义；
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方法
一、按相似论进行的冷模试验 二、用概率统计方法进行的冷模试验 三、测定特殊参数的冷模试验 四、类比试验
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二、用概率统计方法进行的冷模试验
用概率统计方法测定物料在反应器内的停留 时间分布函数，由此确定物料流动的型态。 例3-5 测定连续流动串联釜内物料流动的停留 时间分布。
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原理
返混程度的大小，通常是利用物料停留
时间分布的测定来研究返混程度。但是 返混与停留时间分布两者不存在一一对 应关系，因此不能直接把测定的停留时 间分布用于描述微团间充分混和系统的 返混程度，而要藉助于反应器数学模型 间接表达。
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（4）对于气相反应，当反应管长远大于管 径；而产生的压强变化又影响反应器内的 总压强时，除了保证放大前后两反应系统 具有相同的平均停留时间和相同的停留时 间分布函数外，还必须保证压强的变化值 相同。
要满足这一要求，则不一定能满足大 小两反应系统的几何相似条件，此时 可以暂不考虑几何相似。
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反应器的开发与放大 :
依靠逐级经验放大
数学模型方法
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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。
简述化工过程开发程序
简述化工过程开发程序化工过程开发程序是指通过计算机程序来模拟和优化化工过程的设计和操作。
它是化工工程师在实际生产中的重要工具，能够帮助工程师更加准确地预测和改进化工过程的性能。
化工过程开发程序通常包括以下几个步骤：问题定义、模型建立、参数估计、模型验证和优化。
在问题定义阶段，工程师需要明确化工过程中存在的问题，并确定需要解决的目标。
这可能涉及到提高产品质量、降低能耗、增加产能等方面的需求。
问题定义的准确性对后续步骤的顺利进行非常重要。
模型建立是化工过程开发程序的核心步骤。
在这一步骤中，工程师需要根据化工过程的特性和物理原理，建立数学模型来描述化工过程的行为。
模型的建立需要综合考虑质量守恒、能量守恒、动量守恒等方面的因素，并根据实际情况引入适当的假设和简化。
参数估计是将实际操作中的数据与模型进行比较，通过调整模型中的参数使模型能够更好地与实际操作相吻合。
这一步骤通常需要利用实验数据或历史数据来进行参数估计，以提高模型的准确性。
模型验证是对建立好的模型进行验证，即通过与实际操作数据进行对比来判断模型的准确性和可靠性。
模型验证的目的是确保模型能够准确地模拟化工过程的行为，并能够在实际操作中产生可靠的结果。
优化是化工过程开发程序的最终目标。
通过对模型进行优化，工程师可以在满足一定约束条件的前提下，找到使化工过程达到最佳性能的操作条件。
优化的目标可以是最大化产量、最小化能耗、最小化废物排放等方面。
化工过程开发程序的开发需要使用计算机编程语言来实现。
常用的编程语言有Matlab、Python等。
在编程过程中，工程师需要将模型转化为计算机能够处理的形式，并编写算法来求解模型。
此外，还需要考虑数据的输入输出、界面的设计等方面的问题。
化工过程开发程序是化工工程师进行化工过程设计和优化的重要工具。
通过合理地使用化工过程开发程序，工程师可以更加准确地预测和改进化工过程的性能，提高生产效率和产品质量。
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。
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
化工过程开发
丙烯氨氧化
石灰石煅烧 低压聚乙烯 蒽醌
螺杆反应器 返混小
气液 浆态反应器 温度易控
固
三相反应器
相接触面小，传热、 氟硅酸钠 传质效率低
返混大
生化反应器
研究中
4. 按传热方式分类
工业反应器的基本类型
反应器分成绝热式和传热式反应器，后者常称为等温反应器
反应器传热方式特征
分类
绝热式 反应器
间接 传热 反应
⑵ 温度效应
部分解析法
温度也是影响化学反应的重要因素。 对于简单反应，温度影响反应速率； 对于伴随着副反应的复杂反应，温度除影 响反应速率外，还影响反应选择性。
部分解析法研究步骤
⑴ 通过定性试验，了解反应过程特征。 ⑵ 试验结果和理论分析相结合产生技术概念。 ⑶ 检验技术概念，完善技术方案。 ⑷ 取得放大设计的定量数据。
本章目录
4.3 中间工厂试验
一、中试的内容和任务 二、中试装置 三、化学反应过程中试
中试的内容和任务
1) 检验小试确定的工艺方法和工艺条件，以及 工艺系统连续运转的可靠性；
2) 考察放大效应，寻找其产生的原因和消除的 办法；
3) 检验数学模型与实际过程的等效性； 4) 考察物料对于设备材质的腐蚀作用； 5) 考察工艺过程中微量杂质积累对于过程以及
适于热效应大的 或需严格控制时 间的反应，不适 于速反应，不适 于粘度大或易结 晶物料及多相反
应。
实例
发酵
自催化反应 气固催化反应 石脑油裂解
3、按物料相态分类
工业反应器的基本类型
按物料相态，反应器可分为均相反应器和非均相反应器两大类
均相反应器的特征
分类 常见形式
特点
缺点
化工新产品的开发流程
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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
化工反应器分类、特征、应用及放大方法
化工反应过程的放大方法:
1、逐级经验放大法 2、数学模拟法 3、部分解析法 4、相似放大法
第一种 逐级经验放大法
定义： 运用物质模型从实验室规模的小试开始，经过逐 级放大的模型试验研究，直到将化工过程放大成为生产规 模。
依据：以前一级试验所取得的研究结果和数据为依据。
特点：比较原始，不够精确，不够经济，但有一定的价值
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。是目前比较先进、科学的方法。
要求：即能描述过程，又简单便于应用。
一、数学模型 建立数学模型的思维方法
如反应器模型的基础： 热力学方程、反应动力学方程、三大传 递 物料衡算式、热量衡算式、动量衡算式 数学模型的简化 非理想流动模型—— 轴向分散模型、多釜 串联模型
考察设备内物料的流动与混合，传热和传质等物理过
程的规律。 反应器内各种物理过程的规律，只随反应器的型式或 结构的改变而改变，反应的类型不会改变传递规律。
综合化学反应特征和传递过程特征，建立函
数关系式，形成数学模型，预测工业反应器 性能。
只要反应器的型式结构和化学反应相同， 由数学模型表示的过程动态规律应不受设备 几何尺寸的限制，因此用数学模型进行工业 反应器的设计，应不存在放大效应。
数学模型的针对性
每一种数学模型都有一定的限制范围 。
例：管式反应器内物料的返混可以用扩散
模型描述，但扩散模型不能描述物料在管 式反应器的层流或湍流状态。
二、研究方法 以化学反应过程开发为例，按以下步骤 进行：
测定反应热力学和动力学的特征规律及其参数。
化工过程开发的步骤
化工过程开发的步骤化工过程开发啊，就像是盖房子一样，得一步一步来，可不能乱了套。
这化工过程开发啊，简单说就是从一个化学的想法或者实验室里的小实验，变成一个能在大工厂里大规模生产的过程。
比如说，咱们想生产一种新的塑料，不能光在实验室里弄出一点点就完事儿了，得想办法让这个生产过程能大量地、稳定地、安全地生产出足够多的产品来。
1. 想法的产生这第一步啊，就像咱们脑袋里突然冒出来一个好点子。
可能是有人发现了一种新的化学反应，觉得这个反应能做出很有用的东西。
就好比当年有人发现了橡胶硫化这个反应，这就是个很棒的想法的开始。
这时候呢，科学家们或者工程师们就会琢磨，这个反应能不能用来做轮胎啊，做密封材料啥的。
这个阶段啊，大家就会各种头脑风暴，想象这个反应的各种可能性。
2. 实验室研究有了想法就得在实验室里试试了。
这就像是厨师要先在小厨房里试验新菜谱一样。
在实验室里，化学家们会精确地控制各种条件，比如温度、压力、反应物的量啥的。
他们要确定这个反应到底能不能按照预想的那样进行。
比如说要做那种新塑料，就得看看在不同温度下反应出来的东西质量好不好，性能是不是稳定。
而且啊，还得看看有没有什么副反应，就像做饭的时候，除了做出主菜，可别弄出一堆不好吃的配菜来。
这个阶段可能会发现很多问题，比如说反应速度太慢了，或者反应不完全，那就得调整反应条件或者寻找新的催化剂。
3. 初步的工艺设计话说回来，当实验室里的反应基本靠谱了，就可以开始初步的工艺设计了。
这时候工程师们就上场了。
他们要考虑怎么把实验室里的小玻璃仪器换成大工厂里的大罐子、大管道啥的。
要考虑怎么给反应物加料，怎么把产品分离出来，怎么控制整个反应过程的温度和压力。
比如说，在实验室里用小滴管加料，在工厂里就得用大的加料泵了。
这个过程就像是把一个小玩具放大成一个大的游乐设施一样，得考虑很多实际的问题。
4. 中试阶段中试啊，就是中间试验的意思。
这个阶段可重要了。
这就像是把做好的小模型放大一点，看看有没有新的问题。
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概念 设计
6.有经验专家和科研人员
2000吨/年工业试验装置 基础设计
实验研究
1.催化剂小试研究 2.催化剂放大制备研究 3.多级逆流萃取小试研究 4.转盘萃取模型试验研究 5.工业单管试验研究 6.产物精馏分离小试验证
主要问题
异丁烯氧化制甲基丙烯酸过程开发
气相产物中含有微量PTA，在产物吸收过程中，PTA析出 为细小颗粒，粘附在管道及换热设备内部，造成换热能力显 著降低，影响装置连续运行。
放大特征
进料在各管的均匀分布(床层压降均布)-停留时间 传热—床层温度 壳程换热介质流动均匀分布—床层温度 模型单管反应器是否代表多管行为—催化剂规格
通常需要进行单管模型试验，且单管反应器与工业 反应器列管规格相同。
＠2012
轴向温度分布
列管式等温反应器放大
探索
设备选型
操作条件确定
稳态模拟
否 工艺是否可行？
设备计算
投资及操作成本
优化
过程研究
项目是否可行？ 停止 动态分析
危险因素分析 基础设计 工程设计
信息收集
专利文献 信息
类似装置 信息
理论知识 工程经验
概念设计
计算机模拟
过程研究（耗时）
基础研究
概念 设计
模型试验
技术集成
＠2012
检验基础研究结果是否符合要求，提出工艺流 程、设备结构与材质、控制方案、环保等方面的 问题，并提出解决方案，确定基础研究补充内容；
确定模试及中试的必要性，并确定其内容、重 点与规模、拟解决的主要问题和提取的数据等； 评估主体技术经济指标和可能承担的风险，判 断项目工业化可行性。
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化工过程开发及 反应器放大
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化工过程开发
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化工过程开发
特点
涵盖新产品或新技术，由研发、设计、建设到投产的 整个过程； 涉及化学工艺、化学工程、设备、自控仪表、材料及 腐蚀，技术经济性等多个学科领域。
气体或液体
间歇式
管式
连续 搅拌
2
3
1
4
4
4
1
1
2
1
4
1
4
4
3
2
2
1
气体及液体
液相 气相 气 相 控制 控制 固定床
催化
气/液 流化床 固定床 移动床
3
1
1
1
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4
4
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3
1
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4
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2
2
2
1
1
1
3
3
1 非常重要. 2 必要或重要. 3 应考虑或具有一定重要性. 4 无价值或无关.
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中间试验
概念设计
特点
工程研究的核心，是技术总负责人开展工作的总线 从建厂的角度尽早提出问题，暴露问题，把建厂要解 决的技术关键突现出来 实现设计与研究的早期结合，保证研究方案的完整 性 ；运用技术经济观点指导试验研究工作。
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概念设计
作用
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开发实例
化工过程开发
异丁烯氧化制甲基丙烯酸 工业化开发
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异丁烯氧化制甲基丙烯酸过程开发
主要工艺流程
异丁烯/空气
水
萃取剂
甲基丙烯酸 产品
一 段 氧 化 反 应 器
二 段 氧 化 反 应 器
吸 收 塔
转 盘 萃 取 塔
反应器放大
典型放大倍数
体系
主体为气相(氨、甲醇) 气相反应，液体或固体产 品(硫酸、尿素)
处理规模（kg/h）
实验室
中试
0.01~0.1 10~100
0.01~0.2 10~100
气液相反应，液体产品 (氯苯)
0.01~0.2
1~30
液相反应，固体或高粘液 体产品(聚合物)
0.005~0.2
1~20
＠2012
主要问题
异丁烯氧化制甲基丙烯酸过程开发
气相产物中含有微量醛酮类杂质，并最终带入产品中，导 致产品发黄，色度不达标，只能降价销售。
萃取过程中，废水中产品含量偏高，委托清华大学进行结 构优化改造。
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异丁烯氧化制甲基丙烯酸过程开发
化工应用
搅拌釜设计 换热设备设计 精馏塔设计 薄膜蒸发器设计 燃烧反应器设计 喷雾干燥器设计
聚合物加工
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概念设计
主要内容
设计基础：规模、生产方法、设计依据、原辅 料规格 工艺流程图、物料及热量衡算 设备选型、计算及布置 过程安全 环境保护：三废排放及处置方案，尽可能提供 定量评估结果 投资及成本估算 针对工艺流程、工程放大可能的问题，对工程 设计与研发的建议、意见
固相反应，固体产品(水 泥)
0.1~1
10~200
放大倍数
实验室到中试 中试到工业化
500~1000
200~1500
200~500
100~500
100~500
100~500
20~200
20~250
10~100
10~200
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反应器放大
管式 反 应 器
多管平行 列管式等温 反应器
转化率 选择性 催化剂寿命
寻求放大特征 小试研究 模型试验
反应工程理论 文献资料
浓度、温度、停留时间
工程因素
流动特征 传热传质特征 操作方式特征
间歇或连续 预混和 返混 加料方式 进料浓度
……
动力学问题
工程问题
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反应器放大
研究内容
体系
研究的现象 反应动力学 传质 传热 放大方法 实验室研究 模型反应器 模型化
＠2012
核心理念
化工过程开发
研究目标：放大(优化) 研究方法：缩小(等效)
＠2012
化工过程开发
新过程开发成功率
从研究阶段到产业化的机会只有1～3% 从开发阶段到产业化的机会约为10～25% 从中试到产业化的机会约为40～60%
放大方法
实验室 反应器
反应器放大
经验法 解析法
理论指导下的实验 寻找反应放大特征
模型法
E.Bruce Nauman： 如果您相信模型，就设法获得模型； 如果给你选择的机会，还是应设法进行以模型为基础的放大
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工业 反应器
反应器放大
解析法放大思路
反应性能
强放/吸热反应 管长增加 管式等温 反应器
管径增大 外循环塔式 绝热反应器
管长增加 弱放/吸热反应
管式等温 反应器
管径增大
塔式
绝热反应器
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列管式等温反应器放大
概述
适用体系：气/液固相强放/吸热反应体系 工业应用:
•丙烯氧化制丙烯醛/丙烯酸 •异丁烯氧化制甲基丙烯醛/甲基丙烯酸 •丁醛加氢制丁醇 •草酸二甲酯加氢制乙二醇
主要内容
基础研究与模型试验
关键物性数据测定
热力学、动力学数据测定
热质传递过程研究
•热模试验（探寻反应放大特征）； •冷模试验-研究物料混合、停留时间分布、滞留量、 相界面及设备内构件对传递过程的影响。
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基础研究与模型试验
基础研究与传统小试的区别
现代开发程序
化工过程开发
包括概念设计、过程研究和基础设计三部分 各部分目标统一（实现工业化） 实现研究与设计、工艺与工程紧密结合
突出过程研究和工程放大，开发重点突出
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企业输入
概 念 设 计
项目设想 收集信息
探索
产生的过程概念 工艺流程设计
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基础研究与模型试验
主要内容
提出并检验选定的生产方法和工艺条件
•原料选择； •催化剂筛选及制备； •确定反应方法及反应器选型与材质； •原料与产物分离、精制方案； •确定分析方法。
初定优化工艺条件
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＠2012
传统开发程序
化工过程开发
化学试验
工艺小试
中间试验
基础设计
存在问题：工艺与工程脱节,研发与设计脱节,技术与经济分离
•小试缺陷只有在中试中才会暴露,返工多,效率低；
•目标不统一,研发人员以中试作为目标,不对放大负责; •研发与设计人员相互扯皮。
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气相产物
废水
溶
脱
产
剂
轻
回
组
品
收
分
塔
塔
塔
重组分
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开发进度
异丁烯氧化制甲基丙烯酸过程开发
2014 在华谊安庆精细化工基地建成投产 2011 完善5万吨/年工业装置工艺包，并开始工程设计 2010 完成5万吨/年工业装置工艺包编制
2006 完成工业试验装置建设,投入运行 2005 完成2000吨/年工业试验装置设计 2003 项目立题，开展催化剂小试研究
计算机模拟软件
流程模拟软件
简介
应用领域
Aspen Plus Polymers Plus Aspen dynamics Hysys PRO/Ⅱ
生产装置设计、稳态模拟和优 化，使用范围广
主要用于化工
聚合反应装置稳态、动态模拟 和优化
高分子聚合
生产装置动态模拟
主要用于化工
装置模拟、设计、性能检测， 炼油工业、油田设计
传统小试
基础研究
主要任务 研究方法
探索工艺条件
探索反应、分离特征及规 律，并结合工程知识预测 放大效应