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第三章化工过程放大将一个全新的化学过程从实验室过渡到工业化生产，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。工业装置中，不仅进行着化学反应过程，而且还伴随有大量的物理过程，这些物理过程和化学过程相互影响、相互渗透，最终影响到反应的结果，使整个过程复杂化。化工过程放大的核心问题是反应过程放大。第一节传递过程与冷模试验工业反应器中主要的、基本的物理过程是传递过程。在化工开发过程中，通过大型冷模实验研究传递规律。只有将传递规律与化学反应规律结合才能形成过程研究的技术成果，并为工程研究奠定基础。1、传递过程工业反应器中基本的传递过程为动量传递、热量传递和质量传递，即人们常说的“三传”。“三传”过程在工业反应器内难以避免，它们伴随着化学反应同时发生，并影响化学反应的进行。“三传”过程是重要的影响反应过程的宏观动力学因素。1.1动量传递过程—返混和不均匀流动返混和不均匀流动是连续流动反应器中发生的两种流动现象。早先进入并保留在反应器内的物料将有机会同刚进入的、新鲜的反应物料相混合，这种现象即所谓的返混现象。流体在管内时呈现的不均匀速度分布则是一种典型的不均匀流动。以上两类流动现象将改变反应器的浓度在空间内的自然分布，从而影响反应的结果。返混是一种重要的影响反应过程的宏观动力学因素，具有如下特点：返混是不同时刻进入反应器的物料间的混合，是连续化时伴生的现象，间歇搅拌反应器中就不存在返混。返混改变了反应器内的浓度分布，它使反应器内各处的反应物浓度普遍下降，产物浓度普遍上升。这种情况主要出现在均相反应中。返混造成物料的停留时间分布（停留时间有长有短），从而造成反应结果的不均匀性。这种情况主要出现在固相反应中。反应器内的返混程度随其几何尺寸的增大而显著增强。返混对传热和传质是有利的，但对反应却是不利的。开发工作者在反应设备选型和反应器放大时，要首先根据反应特征确定是加强返混还是抑制返混。限制返混的措施主要是分割—横向分割和纵向分割。1.2质量传递过程一般而言，非均相反应过程中的反应物经常是部分甚至全部由反应相外部通过扩散提供。化学反应要以一定的速率进行，就要求反应物能以一定的速率传递进反应相；而反应物要以一定速率扩散传递，就要有一定的浓度推动力。也就是说，非均相反应中由于传质过程的存在，必然伴有浓度的差异，从而造成反应场所各部位的新的浓度差异，使反应结果发生变化。非均相反应过程的总速率是由化学反应速率和传递过程速率共同决定的，当传递过程速率远远小于化学反应速率时，过程的总速率取决于传递过程速率，称为传递过程控制。反之亦然。1.3热量传递过程当化学反应过程伴有热效应产生时，需要向反应相传入热量或从反应相引出反应热，此时反应过程将伴有热量传递。传热过程是一个速率过程，需要传热推动力—温差，并由此而引起反应场所各个部位新的温度差异。2、冷模实验冷模实验是化工过程开发中常用的一种研究手段。它是以模型与原型相似为基础，运用相似原理来考察生产设备内物料的流动与混合以及传热和传质等物理过程，其目的是使用模拟实验获得的传递规律和现象去认识、推测实际过程，寻找产生放大效应的原因和克服的方法，为过程放大设计或建立数学模型提供依据。利用空气、水和沙等惰性物料代替化学物料在实验装置或工业装置上进行的实验称为冷模实验。它特别适用于不便或不必要采用生产物料进行实验的情况，尤其在需要将过程分解，分别考察一些工程因素时多用。例如：使用空气和水可进行气液传质行为的研究，为气液反应器的设计提供参数；使用空气和沙可进行流态化行为研究，为流化床反应器的设计提供数据。冷模实验的优点如下；直观、经济。用少量实验就可求得各物理量之间的关系。实验条件容易满足，并且容易控制。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。需要强调的是，由于实验条件与实际生产过程有差别，冷模实验的结果还必须结合化学反应的特点和热效应行为等进行校正后才可用于工业过程的设计和开发。冷模实验是以相似理论为基础的，相似理论、相似特征数和特征数方程在《化工原理》和讨论化工单元操作的书籍中都有详细介绍，需要时可参考相关内容。第二节化学反应器化学反应器是用来进行化学反应的设备，不同型式的反应器适用于不同的反应介质，具有不同的传递过程特征，即有不同的流体返混程度和传热、传质特征。开发人员应熟悉各种类型反应器的性能，并善于判断某一特定的反应过程需要怎样的传递特征，了解选择或设计反应器的原则和方法，以便进行反应器的选型和放大。1、化学反应器基本概念1.1化学反应器类型按反应器结构特点可分为如下几种类型：（1）管式反应器：多用于均相反应。（2）釜式反应器：又称反应釜或搅拌反应器。多用于液相反应，有时也用于气液、液固以及气液固反应。（3）塔式反应器：其高度一般是直径的数倍以至10余倍，内部设有增加两相接触的构件，如填料、筛板等。主要用于两种流体相发生反应的过程，如气液和液液反应。（4）固定床反应器：典型的多相催化反应器，与管式反应器类似。内充固体催化剂，反应物从上到下通过床层。（5）流化床反应器：是一种有固体颗粒参与的反应器，与固定床反应器不同，这些颗粒处于运动状态，且其运动方向是多种多样的。反应器下部设有分布板，板上放置固体颗粒，流体从板下送入，均匀地流过颗粒层，当流体速度达到一定数值时，颗粒开始松动，再增大流速即进入流化状态。（6）移动床反应器：也是有固体颗粒参与的反应器，与固定床反应器无本质的区别。所不同的是固体颗粒从反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出。反应流体与颗粒成逆流，此种反应器适用于催化剂需要连续进行再生的催化反应过程。1.2化学反应器的操作方式工业反应器的操作方式按它的连续性可分为间歇操作、连续操作和半间歇（或半连续）操作三种。（1）间歇操作间歇操作就是将反应所需的原料一次性装入反应器内进行反应，经过一定时间达到反应要求，卸出全部反应物料（包括产物和未转化的原料）。接着清洗反应器，进行下一批原料的装入、反应和卸料。所以间歇反应器也称分批反应器。间歇反应过程是一个非定态过程，反应器内物系的组成随时间而变，这是间歇操作的基本特征。采用间歇操作的反应器几乎都是釜式反应器。间歇反应器适用于反应速率慢的化学反应以及产量小的化学品生产过程。对于那些批量少且品种多的企业尤其适合。但间歇操作时，需要加料、出料、清洗和升降温度等，劳动强度大，且每批产品质量不易稳定。（2）连续操作采用连续操作的反应器叫做连续反应器或流动反应器。连续操作就是连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地从反应器流出。对于工业生产中某些类型的反应器，连续操作是唯一可采用的操作方式。如固定床反应器、塔式反应器、流化床反应器等。连续操作的反应器内任何部位的物系参数，如温度、浓度等都不随时间而改变，但随位置而变。大规模工业生产的反应器绝大部分都是采用连续操作，因为它具有产品质量稳定，劳动生产率高，便于实现机械化和自动化等优点。这些都是间歇操作无法相比的。（3）半连续操作原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出而其余则为分批加入或卸出的操作，均属半连续操作，相应的反应器称为半连续反应器或半间歇反应器。如氯气和苯反应生产氯苯。苯一次性加入反应器内，氯气则连续通入反应器，未反应的氯气连续从反应器排出，当反应物系的产品分布符合要求时，停止通氯气，卸出反应产物。由此可见，半连续操作具有连续操作和间歇操作的某些特征。有连续流动的物料，也有分批加入或卸出的物料。半连续反应器内反应物系组成既随时间而改变，也随反应器内的位置而改变。2、化学反应器选型关于反应器选型，首先提出所有可能作出选择的方案，然后从分析评比中筛选出最佳方案。其操作可分为两步，第一步找出所有可供选择的方案；第二步根据若干判据对各种方案进行评选淘汰。这种分析方法，采用了逻辑分析方式，而不是随机取舍，比较科学合理。但反应器选型涉及的影响因素很多，较难兼顾，在选择时应分清主次和重点，以满足主要工艺要求为原则。2.1化学反应器选型原则反应器的选择没有固定的模式，在此仅讨论反应器选型的一般原则：（1）工业生产对化学反应器的要求A、有较高的生产强度。即反应器型式要适应反应系统特性要求。如：对气液反应，如果反应为慢反应，反应在液相主体中进行，要求选用液相反应容积较大的设备，像鼓泡和搅拌反应器。B、有利于反应选择性的提高。即反应器的选型应有利于抑制副反应的发生。如：对气固反应，如果副反应为连串反应，则应采用气相返混较少的设备，像固定床反应器等。C、有利于反应温度的控制。绝大多数化学反应都有热效应，如何将反应温度维持在允许的范围内是经常碰到的问题。D、有利于节能降耗。对气液反应可采用管式或釜式反应器。E、有较大的操作弹性。一个反应器可用来生产不同产品。间歇或连续操作的反应釜对这类操作是有利的。（2）反应器选型判据A、确定反应类型。如气液、气固、液液反应等。这是首先要确定的问题。不同的物料相态，选择不同型式的反应器。B、确定催化剂失活速度。如果催化剂失活速度很快，床层的操作周期很短，应采用流化床或移动床等，以减少投资和操作费用。C、确定反应器的混合要求。反应器的混合要求由反应的浓度效应决定。返混使反应器中反应物的平均浓度降低，产物的平均浓度升高。对于平行反应，如果主反应级数大于副反应，应保持较高的反应物浓度，选返混程度小的反应器；如果副反应级数大于主反应，则应保持较低的反应物浓度，这时选返混程度大的反应器。D、确定热量传递和温度控制要求。对强吸热反应，如不及时补充热量，温度降低可能使反应在达到预期的转化率前就已停止。对强放热反应，如不及时移走热量，则可能由温度升高而降低转化率和选择性，甚至飞温。因此，应该按照反应系统的热负荷和过程温度控制的要求，由简到繁选择反应器形式。E、确定反应过程的控制步骤。对于非均相反应，至少存在相际传质和化学反应两个串联过程，相际传质和化学反应相对速度的大小，对反应器的选型至关重要。例如：对气液反应，如果是传质控制，应选择气液接触面大、持液量小的反应器；否则应选择持液量大的反应器。以上所述反应器选型的原则是从不同角度加以叙述。实际上反应器的选型是一项复杂而细致的工作，除了考虑以上一些原则外，对于设备投资、操作的方便、控制精度、产物分离以及物料的投入和排出等等都不能忽略。只有综合考虑各种影响反应器选型的技术经济因素，才能达到反应器选型的正确。2.2反应器主要工艺条件选择反应器主要工艺条件是指温度、压力、浓度、反应时间等。工艺条件选择的一般方法：（1）温度在选择反应的操作温度时要考虑下列因素。A、反应平衡的温度效应与标准反应热。吸热反应的标准反应热为正，温度升高，转化率提高，操作时应始终保持高温。放热反应的标准反应热为负，温度提高，平衡转化率下降，所以应采取渐降的温度序列以提高平衡转化率。B、反应速率的温度效应与反应活化能。温度越高，反应速率越快；活化能高，反应难进行；活化能低，容易进行。但是化学反应大多伴有各种平行、串联反应，这时就不能片面追求提高温度，加快反应速率，而要根据主、副反应活化能的相对大小来选择温度。C、温度的限制条件。在确定反应温度时要考虑某些温度限制条件，如催化剂、材质的使用温度范围；反应压力决定的温度极限等。（2）压力对气相反应，压力可能是系统的决定因素。在确定压力时，不仅要考虑单一反应过程，还要考虑整个系统要以系统最优决定压力高低，应注意以下几方面的问题。A、压力对反应平衡的影响。气相反应中对于分子数增加的反应，压力增加将使平衡转化率下降；而对分子数减少的反应，压力增加将使平衡转化率提高。B、压力对反应速率的影响。对单一气相反应，压力增加，反应速率加快。对气液和气液固反应，压力增加，气相组分在液相中的溶解度增加，有利于提高反应速率，尤其是对气相传递控制的反应，压力增加将大大提高反应速率。（3）浓度反应物的浓度选择不一定按化学计量系数配比，以化学反应A+B→R为例，在选择进料组成A和B的比例时应注意以下问题。（1）某一反应物要求有高的转化率。可以使A或B过量，提高反应速度，减少总转化时间。（2）反应物和产物分离困难。