化工过程开发概论2 .pptx

第三章 开发放大方法 用模型研究化工过程发生的各种现象和规律用以 取得放大设计的依据，是化工过程开发中常采用的开 发放大方法。 研究化工过程放大规则的模型有 “物质模型”和“ 非物质模型”两种形式。前者是指那些与生产装置或 设备相似，但小于生产规模的试验装置或设备，后 者则为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，凡根据模型模拟过程所得研究结果将过 程加以放大的方法，统称为“模拟放大”。 目前化工过程开发有四种方法，它们是逐级经验 放大法，数学模拟法，部分解析法和相似放大法。;一、逐级经验放大法 逐级经验放大法是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。这种放 大方法每放大一级都必须建立相应的模型装置， 详细观察和记录模型试验中发生的各种现象和 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，故为经验性质 的放大。 ;1、研究方法 化工过程开发需要解决的问题通常是如何合理选择 设备型式，确定最佳的工艺条件，以及将设备放大达到 过程开发的目标。而逐级经验放大法的研究方法则主要 是通过试验来取得设备选型，条件优化和设备放大的信 息和结论。 1）设备选型 设备选型通常都以小试验的方式进行。因为过程开 发初期技术方案尚未确定，不可能花费大量投资建立各 种型式的大型设备作设备型式的筛选试验，例如化学反 应器选型是采用不同型式和结构的小型反应器，在实验 室对所开发的反应过程进行试验研究。从试验结果的优 劣，即可确定最佳型式的反应器。这种试验考察的因素 仅仅是设备的型式和结构，故为结构变量试验。; 2）优化工艺条件 优化工艺条件的试验研究应在设备选型试验之后进 行，如果设备型式未定，则条件优化将无意义。这种试 验仍然可以在设备选型所确定的小型试验设备内进行。 试验考察的因素是各种工艺条件，并从不同操作条件的 试验结果对比中筛选出最佳工艺条化。由于试验仅仅改 变工艺操作条件，故??操作变量试验。 3）反应器放大 反应器放大的试验研究是采用建立模型装置的方式 进行逐级放大，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判据或 数据。这种试验所考察的因素是设备几何尺寸改变以后 对于过程结果产生的影响，故为几何变量试验。 ; 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型式，最佳工艺条件，以及放大 设计的判据和数据等信息和资料，为建立生产装置提供 了比较可靠的依据。 从以上研究方法的讨论可见，逐级经验放大法具有 如下特征： ★只综合考察输入变量和输出结果的关系，未分解过程，不能深入研究过程的内在规律。 ★试验步骤由人为规定，并非科学合理的研究程序。 ★放大是根据试验结果外推，并不一定可靠。 但是化工过程开发技术的发展和人们在开发工作中 已经能够运用理论分析和经验判断解决许多放大问题， 在一定程度上弥补了逐级经验放大法的缺陷。当前这种 方法仍然是广泛采用的成熟的化工过程开发方法。 ; 例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。 异丙苯生成苯酚和丙酮的反应分两步进行： （1）异丙苯氧化生成过氧化氢异丙苯 （2）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，而且硫酸的 浓度越高，分解速率越高。分解反应为一级不可逆反应。 ;(1)反应器选型 对于均液相反应，釜式反应器和管式反应器均可应 用。但试验结果说明，在相同反应条件和相同反应器体 积的情况下，采用连续流动管式反应器的转化率为98.8 %，而采用连续操作搅拌釜的转化率只能达到97.8%左 右。至于间歇操作搅拌釜与连续流动管式反应器比较， 显然由于间歇釜在操作过程中必须保留一定的非生产性 辅助时间，而且一般釜式设备都各有一定的有效容积， 必须保留一定的自由空间，要达到相同的转化率和相同 的反应物料处理能力，则所需的设备体积要比连续流动 管式反应器的体积大许多。 考虑到苯酚和丙酮为重要的基本有机化工产品，生 产量较大。选用连续流动管式反应器比较适宜。 ; (2)工艺条件优化 在实验室选用一根直径为40 mm，长1202mm的反 应管(1.51 L)进行试验，分别考察反应物浓度、反应温 度、催化剂浓度和反应物料流量等工艺条件对反应结果 的影响。试验发现上述工艺条件