化工过程开发(中南大学) 第二章 开发放大方法.ppt

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化工过程开发(中南大学) 第二章 开发放大方法

化工过程开发的方法: 逐级经验放大法 数学模拟法 部分解析法 相似放大法 物质模型:与生产装置或设备相似,但小于生产规模的实验装置或设备。 非物质模型:描述过程动态规律并与过程运行实际情况等效的数学模型。 第一节 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。 经验性质的放大! 一、研究方法 设备选型:以小试验的方法进行,考察设备的型式和结构的影响,为结构变量试验。 优化工艺条件:考察各种工艺条件的影响,筛选出最佳工艺条件,为操作变量试验。 反应器放大:采用建立模型装置的方式进行逐级放大,考察放大效应,为几何变量试验。 二、特征 只综合考虑输入变量和输出结果的关系,不能深入研究过程的内在规律; 试验步骤由人为决定,并非科学合理的研究程序; 放大是根据试验结果外推,不一定可靠。 例题1:用异丙苯为原料生产苯酚和丙酮。采用逐级经验放大法对过氧化氢异丙苯分解反应器进行放大。 第一步反应:异丙苯氧化生成过氧化氢异丙苯。 第二步反应:过氧化氢异丙苯用硫酸作催化剂在液相中分解生成苯酚和丙酮。 苯酚和丙酮的收率取决于第二步反应,分解反应为一级不可逆反应。 (1)反应器选型 液相反应:釜式反应器和管式反应器均可使用 实验结果: 管式转化率:98.8%,釜式转化率:97.8% 间歇操作搅拌釜:辅助时间降低反应器容积效率。 选用PFR反应器 (2)工艺条件优化 反应器:直径为40mm,长为1202mm,体积为1.51L 实验:考察反应物浓度、反应温度、催化剂浓度、流量对反应结果的影响。 结果:过氧化氢异丙苯分解速率随反应物浓度、反应温度、催化剂浓度的提高而加快;为保证一定的转化率,流量不能太大。 结论:较佳工艺条件 反应物浓度:3.2kmol·m-3 硫酸浓度:6N 反应温度:359K 反应物料流量:0.1m3·h-1 过氧化氢异丙苯的转化率为98.8%。 (3)反应器放大 直径为40mm,长1712mm,体积为2.15L的反应器, 转化率为99.8%。 (反应器体积增加30%,反应转化率今提高1%) 按比例放大至10L,流量为0.464m3·h-1,转化率为 99.8%。 结论:片面追求转化率并不妥当,反应器放大设计以转化率达到98.8%的要求计算。 (4)反应器设计 生产要求每小时处理过氧化氢异丙苯浓度为3.2kmol·m-3的反应物料3m3,确定反应器体积。 试验考察未发现放大效应,采用经验放大时,保持反应器几何相似,用外推法按比例放大。 方案一:反应转化率98.8%,以1.5L模型为基准,反应器体积为45.3L。 方案二:反应转化率99.8%,以2.15L模型为基准,反应器体积为64.5L。 第二节 数学模拟法 定义:在认识过程特征的基础上,运用理论分析找到描述过程规律的数学模型,并验证模型与实际过程等效,以此用来进行放大设计计算。 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。 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 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: 实验室研究化学反应特征 测定反应热力学和动力学的特征规律及其参数。 冷模试验研究传递过程特征 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。 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。 中试检验数学模型的等效性 建立中试装置进行中试,检验数学模型与实际过程的等效性。 数学模型经中试证明与实际过程等效后,就能用于预测工业反应器性能和进行反应器设计。 三、特征 分解过程,考察过程的内在规律。 分解为化学反应规律和传递过程规律

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