第六章 化工过程放大

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第六章 化工过程放大,9/23/2024,1,概述,化工过程放大,是科学理论和实践经验相结合、质和量相结合的,工程科学,问题。,技术上的关键问题是：,（,1,）是否开发出高效催化剂,（,2,）可靠的放大技术，特别是,反应器,的放大,（,3,）工业化过程的材料,（,4,）过程所需设备,（,5,）计量和检测技术,核心,是放大技术,9/23/2024,2,模拟研究法,用,模型,研究化工过程的现象、规律,模型,实物、数学,基本方法,经验,数学,部分解析,相似,9/23/2024,3,第一节 逐级经验放大,9/23/2024,4,一、几个概念,1.,放大系数,Whats the meaning?,G.E.Davis,：在实验室中几克物料的小型实验，,对于指导大型工厂的建设工作，并没有什么作用。,但用数公斤物料进行的实验，则无疑可提供,大型工厂需要的全部数据。,定义：,放大,后,的实验（生产）规模,/,前,表达：,小时投料量、,每批投料量或年产量,反应器特征尺寸比。,9/23/2024,5,2.,放大效应,如：反应状况恶化、转化率、选择性、收率下降、产品质量劣化等。,反应得到改善，,得到正的放大效应,因过程规模变大造成指标,不能重复的现象,9/23/2024,6,3.,逐级经验放大,定义：,放大系数的确定：,在放大过程缺乏依据时，依靠小规模实验成功的方法和实测数据，加上开发者的经验，不断适当加大实验 的规模，修正前一级实验确定的参数，来摸索化学反应和化学反应器的规律。,化学反应类型、放大理论的成熟度、过程规律的掌握度、研究人员经验。,低放大系数？高放大系数？,9/23/2024,7,典型反应过程放大系数,9/23/2024,8,9/23/2024,9,9/23/2024,10,9/23/2024,11,9/23/2024,12,二、逐级经验放大的步骤,反应器选型,工艺条件优化,反应器放大,小型装置,考察“结构变量”,小型装置,考察“操作变量”,模型装置,考察“几何变量”,9/23/2024,13,三、逐级经验放大的特征,1,只注重输入与输出关系，纯属于经验性质综合考察,2,试验程序人为确定,3,放大是根据试险结果外推,黑箱,三步,线性规律,缺乏理论指导，周期较长；方法简单,9/23/2024,14,例：合成氨技术开发,9/23/2024,15,合成氨技术开发及启示,基础研究：哈伯的工作（实验室）,反应基本规律,特点：,在常温常压下不反应。,1000,，常压 ，转化率也小于,0.01%,；提高压力，反应的转化率则提高。,催化剂：,锇,9/23/2024,16,（,1,反应器选型,强放热的气固相催化反应，高温高压。,哈伯选用了,80g/h,固定床管式催化反应器 。,9/23/2024,17,(2),条件优化,工艺条件：,产品：,500,600,；,17.5,20,MPa,；,锇催化剂,氨的体积分数达,6%,9/23/2024,18,（,3,）预设计工艺流程,A.,原料循环,B.,热量利用,C.,冷冻分离,9/23/2024,19,（,4,）波施的工作（反应器放大和工业化）,（,a,）研制了稳定可靠的廉价催化剂取代了锇催化剂,含少量钾、镁、铝、钙为助催化剂的铁催化剂,（,b,）找到能耐,20,MPa,、,500,600 C,的高压高温材质、并设计出合成氨反应器,（,c,）提供廉价的氮气和氢气,9/23/2024,20,启示,对于化工过程开发，在实验室研究阶段即应充分考虑,实现工业化,的可行性。,在实验室研究完成之后还必须,解决与工业生产有关的一些技术,问题。,技术开发的成功,与科学技术水平有看密切关系,。在,20,世纪初，若不是可以实现高温高压技术、空气分离技术和深度冷冻技术，合成氨的工业化也是不可能实现。随着合成氨技术的开发又推动了催化剂制备技术，高温高压技术，深冷分离技术等近代化工技术的发展。,9/23/2024,21,例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺,9/23/2024,22,一级不可逆,9/23/2024,23,（,I,）反应器选型,反应特点：,选择：,过氧化氢异丙苯的分解反应为液相反应，反应速率较快。,多种型式的反应器适用,连续操作管式反应器,9/23/2024,24,（,2,）优化工艺条件,选用一根直径为,40 mm,，长度为,1202mm,的不锈钢管（,容积约,1.51L,）作反应器试验,考察工艺条件对反应结果的影响,9/23/2024,25,根据试验结果确定的工艺条件为,结果：,转化率为,98. 8,。,9/23/2024,26,（,3,）反应器放大与校验,校验试验分两级进行,A,、不改变管直径 ，反应管延长 ，将反应器容积放大到,2.15 L,（,流量,0.1m3/h,）,B,、容积从,2.15 L,放大到,10L(,流量,0.464m3/h,),结果：转化率,99.8%,，,无放大效应,9/23/2024,27,（,4,）计算反应器容积,工业化的要求处理量,：过氧化氢异丙苯（浓度为,3.2,kmol,m3,。）的量为,3m3/h,。,计算所需反应器的容积,：按,1.51L,模型尺寸，根据物料处理量的扩大，按比例外推计算。,结果：,45.3L,9/23/2024,28,第二节 数学模型法,9/23/2024,29,定义,：,在充分认识过程的基础上，运用理论分折，找到描述过程运行规律的数学模型，应用于反应器的放大计算。,试验的,目的,是为了建立和检验数学模型。试验的,方式和要求,与经验放大方法,有,很大,差别,。,是否还需要实验？,9/23/2024,30,一、数学模型,数学模型：,要求：,通常是一组描述过程运行动态规律的代数方程或微分方程。,既要能表达实际过程运行的规律又要简单而便于应用。,9/23/2024,31,建模中的问题,1.,建立数学模型的方法,2.,数学模型的简化,3.,数学模型的针对性,9/23/2024,32,1.,建立数学模型的方法,怎样建立？,如反应器进行化学反应的数模建立,掌握动态规律,动力学、热力学,流动与混合、传热、传质,方程组：物料、热量、动量衡算,9/23/2024,33,2.,数学模型的简化,如：固定床催化反应器中气体流动,规律：,简化表达：,要求：,紊乱、随机,返混模型,结果的等效,9/23/2024,34,3.,数学模型的针对性,明确的模拟目标,目标不同，模型不同。,目标不同，,限制,范围不同。,如：流体流动返混、阻力模型不同,多为工程因素,如：催化剂活性温度限制了模型温度参数变化,作用：有利于模型的简化,9/23/2024,35,二、研究方法（化学反应器建模）,1.,反应过程,2.,传递过程,3.,建模,4.,校验,9/23/2024,36,1.,反应过程,内容：,反应类型、控制步骤；动力学、热力学,与经验放大,不同,，,不需模拟生产装置,。,了解过程本质,排除外界因素的干扰,9/23/2024,37,2.,传递过程,内容：,方法：,反应器内,物理过程,的规律,与反应器型式、结构有关,冷模实验,9/23/2024,38,3.,建模,物理、化学过程的结合,方法：,浓度、温度效应,建立动力学、物料、热量衡算（动量）方程,9/23/2024,39,4.,校验,方法：,中试,与数模计算结果比较,是否等效？,与经验法的实验不同,9/23/2024,40,三、特征,1,分解过程，不作综合考察,着眼于过程的内部规律，对过程进行分解和综合,2,合理简化过程运行规律,抓主要矛盾，忽略次要矛盾,3,科学试验是为了建立和检验数学模型,反应工程理论和传递过程理论指导下建立数学模型；模型来源于实践，又为实践所检验。,9/23/2024,41,例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺,9/23/2024,42,任务,9/23/2024,43,等温、容、均液相，一级不可逆反应,动力学模型：,试验测得：,9/23/2024,44,连续管式反应器，活塞流,等温，无温度梯度，无返混等物理因素影响,9/23/2024,45,活塞流反应器：,9/23/2024,46,9/23/2024,47,例 丙烯二聚过程开发,9/23/2024,48,聚合反应,9/23/2024,49,（,1,）聚合反应过程开发,特点：,气相催化反应，催化剂为三丙基铝、加压条件下进行，原料丙烯和催化剂三丙基铝混合进料。,一级不可逆反应、采用管式反应器。,9/23/2024,50,建立反应器的数学模型的简化,在反应条件控制的范围以内，有关物性参数为常数；,反应器内由于物料流动所产生的压降不计；,反应器内无径向温度梯度，但沿轴向有温度变化；,物料通过反应器截面的流量恒定；,活塞流状态流动；,绝热系统。,9/23/2024,51,反应器的数学模型,放大结果,绝热一维系统的活塞流模型。,数学表达形式：化学反应应动力学模型、物料和热量衡算式。,物料循环,装置放大,17 000,倍，反应器出口温度的理论与实验值差,2,放大成功,9/23/2024,52,（,2,）异构化反应过程开发,特点,：,气、固相催化反应、硅铝催化剂，一级可逆反应。,反应温度：,80,85,，转化率,75%,，选择性为,79, 。,固定床催化反应器,9/23/2024,53,模型简化,拟均相；,活塞流；,恒温无温度梯度和压力降。,9/23/2024,54,模型,恒温活塞流模型,其数学表达式为：化学反应动力学模型和物料衡算式联立。,9/23/2024,55,放大关键,催化剂,国外采用低活性催化剂，将反应器放大,7 000,倍获得了成功。,9/23/2024,56,（,3,）脱甲基化反应过程开发,特点：,吸热的催化分解反应高温下的副反应少采用固定床反应器。,9/23/2024,57,简化,拟均相、,恒温,无压力降等。,9/23/2024,58,模型,复杂,国外采用等温炉加热，放大,20 00,倍建立生产袋置。经生产检验，产物和副产物的分布与数学模型计算的结果十分相近。,放大成功。,9/23/2024,59,总结,经验、,数模,的局限,耗资大、,周期长,建模困难,9/23/2024,60,