开发放大方法

第五章开发放大方法概述逐级放大法数学模型法青岛科技大学化工学院概述从实验室研究成果到建立工业装置的过程是靠放大来实现的。选择适当的放大方法，对考察装置的适用性，确定放大过程需要时间、经费投入等都是重要的。化工过程开发放大主要采用模拟研究法。用模型来研究化工过程中的各种现象和规律，从中取得开发放大的依据。概述※化工过程采用的模拟放大方法有：经验放大法、数学模拟法、部分解析法、相似放大法。对某一特定的化工过程放大，采用何种放大方法，应以对过程解析的深入程度来确定。一般来讲，分离过程的理论较成熟，在取得可靠的相平衡数据后，就可以用现有的数学模型直接放大到工业装置。概述而反应过程比较复杂，除化学反应的规律外，同时还受到传递过程因素的影响。故只有少数简单的可用数学模型法外，现多采用经验放大法和部分解析法。在化工过程的开发中，反应过程的放大是关键，因此本章重点讲述反应过程的开发放大。第一节逐级放大法逐级经验放大法是从实验室规模的小试开始，经逐级放大到一定规模试验的研究，最后将模型研究结果放大到生产装置的规模。这种放大方法，每放大一级都必须建立相应的模型装置，详细观察记录模型试验中发生的各种现象及数据，通过技术分析得出放大结果。而每一级放大设计的依据主要是前一级试验所取得的研究结果和数据。逐级经验放大法是经验性质的放大，因此放大倍数一般在50倍以内，而且每一级放大后还必须对前一级的参数进行修正。经验放大的开发周期长，人力、物力消耗较大。一.逐级经验放大法的研究方法※1.化工过程开发主要解决的问题①如何合理选择设备形式②确定最佳工艺条件③如何将设计放大到工业规模※2.逐级经验放大法研究过程的步骤①.设备选型设备选型一般都在小试中进行。采用不同形式和结构的反应器，在实验室对所开发的反应过程进行研究。试验时主要考察设备的结构和形式对反应的转化率和选择性的影响。因此又称为“结构变量试验”。2.逐级经验放大法研究过程的步骤②.优化工艺条件在设备选型试验后，就在选定的小试试验设备中进行优化工艺条件试验。试验时主要考察各种工艺条件对反应的转化率和选择性的影响，并从中筛选出最佳工艺条件。以改变工艺操作条件，观察指标的变化，故又称之为“操作变量试验”。2.逐级经验放大法研究过程的步骤③.反应器放大逐级试验放大法的反应器放大研究是采用模型装置的方式进行逐级放大的。每放大一级都必须重复前一级试验确定的条件，考察放大效应，并取得设备放大的有关数据和判据。重点考察反应器的几何尺寸对反应转化率和选择性的影响。故又称之为“几何变量试验”。2.逐级经验放大法研究过程的步骤通过以上三种独立的变量试验，基本上可以取得化工过程开发所需要的设备形式、最佳工艺条件，以及放大的判据和数据，为建立生产装置提供可靠的数据。※二.逐级经验放大法的特征1.只综合考察输入变量和输出结果的关系。上面讲的设备选型试验、优化工艺条件试验和反应器放大试验是考察结构变量、操作变量和几何变量这些外部输入条件和试验结果的关系。是一种“暗箱操作”，只对反应器的输入与输出结果进行研究，对反应器内进行的反应特征及规律不作深入考察。二.逐级经验放大法的特征这是一种综合考察的方法，不能揭示过程的内在规律。因此，在进行反应器放大研究时，一旦放大结果发生改变，就无法找出变化的原因，只能将这种改变统统归咎于“放大效应”。在逐级经验放大中，研究者只能根据现象进行分析，凭经验来调整变量再进行试验，以减少放大效应。因此，放大成果的水平与研究者的经验和知识水平紧密相关。二.逐级经验放大法的特征2.存在前后试验结果相互矛盾的个别现象。对于一个化工过程，结构变量、操作变量和几何变量这三种变量之间是相互联系、相互影响的。但是在逐级经验放大中，人为的将试验分成结构变量试验－操作变量试验－几何变量试验三个阶段，这并非科学合理的研究程序，没有考虑他们之间的相互联系和影响，当然就可能造成前后试验结果相互矛盾的现象。二.逐级经验放大法的特征2.存在前后试验结果相互矛盾的个别现象。按照这种思维模式，小试中优选的反应器形式，大型化后也应该是最好的，即反应器的选型与反应器的尺寸无关。在化工过程中确有这样的情况，小试中优选的反应器，仍为好的反应器形式。但也有不少相反的情况。例如：在小试时流化床的效果比固定床好，但放大后流化床的效果反而比固定床差。说明小试的选型结论不一定可靠。二.逐级经验放大法的特征3.外推放大后的结果可靠性尚存问题。逐级经验放大法每一级都是根据前一级的试验结果外推设计的。外推法只适用于呈线性规律的过程。有些因素在一定范围内是渐变的或者呈线性关系，但超出这一范围后可能出现巨变。因此，将小尺寸范围内得到的试验结果外推至大尺寸范围时可能出现截然不同的结果。二.逐级经验放大法的特征3.外推放大后的结果可靠性尚存问题。而化工过程的规律很多都不呈线性关系，或者只在较小的范围内接近直线关系。对不呈线性关系的过程，用外推法进行放大必然会造成偏差。为了提高外推法的准确性，一般采用较小的放大倍数，这样就需要经过多级模拟放大，必然使开发经费增加，开发周期延长。二.逐级经验放大法的特征3.外推放大后的结果可靠性尚存问题。采用逐级经验放大法时，应该应用化学工程的理论进行分析，应用已有的经验判断和解决问题，尽量在理论指导下进行工程放大，避免完全的“黑箱操作”，可以提高逐级经验放大法的准确性。二.逐级经验放大法的特征例5－1异丙苯生产苯酚和丙酮是分两步进行的。第一步是异丙苯氧化成过氧化氢异丙苯；第二步是在硫酸催化下过氧化氢异丙苯在液相中分解成苯酚和丙酮。二.逐级经验放大法的特征从试验中得知，苯酚和丙酮的收率主要取决于第二步分解反应。分解反应是一级不可逆反应。硫酸浓度越高，分解速率越快。拟对逐级放大法对反应器进行放大。（1）反应器选型对于液相均相反应，常用的反应器有釜式和管式两种。二.逐级经验放大法的特征考虑间歇操作搅拌反应釜比连续操作搅拌反应釜的体积大，因此，实验时只考察连续操作搅拌反应釜和连续流动管式反应器在反应条件和反应体积相同的条件下两种反应器的转化率。试验结果见表5－1。反应器型式转化率连续流动管式反应器98.8连续操作搅拌反应釜97.8二.逐级经验放大法的特征由于分解反应为一级反应，返混对转化率有影响。连续操作搅拌反应釜存在返混，而连续流动管式反应器基本上不存在返混，因此后者的反应速率快，转化率高。说明达到相同转化率时，连续流动管式反应器的体积最小，故选用连续流动管式反应器。二.逐级经验放大法的特征（2）工艺条件优化试验用反应管：φ40mm×1202mm，V＝1.51L，长径比l/d=1202/40=30.05考察因素：反应物浓度、反应温度、催化剂浓度及物料流量。指标：过氧化氢异丙苯的转化率二.逐级经验放大法的特征总的规律是：反应物浓度↑反应温度↑催化剂浓度↑分解速率↑转化率↑但当上述因素提高到一定程度后，转化率几乎不再改变。物料流量↑停留时间↓转化率↓二.逐级经验放大法的特征由试验最后得到的最佳工艺条件为：反应物浓度3.2Kmol/m3，反应温度359K，硫酸浓度3Kmol/m3，物料流量0.1m3/h。此时分解反应转化率为98.8％。二.逐级经验放大法的特征（3）反应器放大反应器放大分两步进行①一级放大一级放大试验结果列于表5－2表5－2一级放大试验结果试验类型直径/mm长度/mm长径比体积/L流量/m3h-1转化率/%小试40120230.051.510.198.8一级放大40171242.82.150.199.8二.逐级经验放大法的特征从表5－2可知，反应体积增加了1.42倍（2.15/1.51），采用同样的物料流量（0.1m3/h），此时停留时间增加了1.42倍，但转化率仅增加了1.0％。说明反应后期反应速率很慢，若要提高转化率就必须大大增加反应器体积，在经济上是不合算的。因此，反应器放大时转化率达到98.8％即可。二.逐级经验放大法的特征②二级放大反应器体积10L,则放大倍数n=10/1.51=6.62放大原则：保持长径比不变，停留时间不变。长径比R=1202/40=30.05设反应管内径为d，长度为l则l=30.05d二.逐级经验放大法的特征22330.0523.58944pVdlddd得出d＝7.51cm选用φ82mm×3mm的无缝钢管，d内＝82－3×2＝7.6cm22100002205.5(7.6)44PVlmmd22062206,29.0376llmmRd取实际＝物料流量Q＝0.1×6.62＝0.662m3/h。保持停留时间不变。在小试的最优条件下试验，转化率为98.8％。证明放大过程中不存在放大效应。反应是液相均相反应，且为管式反应器，线速度较大。反应过程受工程因素影响已经排除，均无放大效应。（4）反应器设计生产规模：每小时处理过氧化氢异丙苯3m3/h，浓度C0=3.2Kmol/m3。设计原则：保持反应器几何相似，用外推法按比例放大。要求过氧化氢异丙苯的转化率为98.8％。按照VP=1.51L，模型反应器几何相似进行放大。1131122240,12021.51,0.1/3.001.5145.30.1040,12023.0300.1PPdmmlmmVLQmhVLdmmlmm小试反应器：工业反应器：取则管子根数：n=根三.中试中测定与放大有关工程数据的方法在进行反应器放大时，多数情况下仍采用逐级经验放大法，放大设计数据大多来源于中试。因此，为了反应器的工程放大，需要在中试中取得哪些数据，如何取得这些数据？下面举一个比较简单的釜式反应器为例加以说明。三.中试中测定与放大有关工程数据的方法例5－2：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，以致无法控制。因此，反应温度必须控制在60～65℃的温度范围内。三.中试中测定与放大有关工程数据的方法1.中试装置见图5－1，反应釜的夹套中通入冷却水及时移走反应热，其进出口温度及流量分别为t1,t2和W；釜内采用2支热电阻温度计分别测量液相温度（T）和气相温度（T’）；在反应釜两侧相对距釜壁500mm处放置温度计测量环境温度τ1、τ2。图5－1反应釜中试装置三.中试中测定与放大有关工程数据的方法2.反应器工程数据的测算根据氧化反应过程的特点，在对氧化反应进行工程放大时，及时移走反应热，将反应温度严格控制在60～65℃范围内是关键。中试时，重点是测定反应过程的热量平衡，混合物系的热力学性质，以及反应釜的传热系数等。三.中试中测定与放大有关工程数据的方法（1）反应釜的热量平衡假设反应釜处于全混状态，其内的物料浓度和温度分布均匀，且搅拌器搅拌物料时产生的热量忽略不计。其热量平衡方程为：QR+Q1+Q2+Q3=Q4+Q5(5-1)①QR-化学反应放出的热量②Q1-釜内物料升温（或降温）吸收（或放出）热量三.中试中测定与放大有关工程数据的方法Q1＝mpCp(T0-Tθ)(5-2)式中：mp-釜内物料量，Kg;Cp-物料的比热容，Kj/(Kg·℃)T0.Tθ-物料起始和终了温度，℃。三.中试中测定与放大有关工程数据的方法③Q2－夹套内水移走（或供给）的热量Q2=WCpW(t1-t2)△θ(5-3)式中：W－冷却水流量，Kg/h;Cpw-水的比热容，Kj/(Kg·℃)t1、t2-冷却水的进出口温度，℃△θ－测定的时间间隔，h④Q3－反应釜体升温（或降温）吸收（或放出）热量Q3＝mRCpR(TR0-TRθ)(5-4)式中：mR-釜体的质量，KgCpR-釜体的比热容，Kj/(Kg·℃)TR0、TRθ－釜体开始和终了温度，℃⑤Q4－釜上封头对环境传热量Q4＝KRAT(T’-τ)Δθ(5-5)式中：KR-