化工过程放大课件.ppt
2023/3/15,1,第四章 化工过程放大,2023/3/15,2,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,2023/3/15,3,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,2023/3/15,4,第一节 逐级经验放大,2023/3/15,5,一、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。,2023/3/15,6,2.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,2023/3/15,7,3.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？,2023/3/15,8,典型反应过程放大系数,2023/3/15,9,2023/3/15,10,二、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”,2023/3/15,11,三、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,2023/3/15,12,例：合成氨技术开发,2023/3/15,13,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,2023/3/15,14,（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。,2023/3/15,15,(2)条件优化,工艺条件：产品：,500600；17.520 MPa；锇催化剂,氨的体积分数达6%,2023/3/15,16,（3）预设计工艺流程,A.原料循环B.热量利用C.冷冻分离,2023/3/15,17,（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、500600 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,2023/3/15,18,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。,2023/3/15,19,例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺,2023/3/15,20,一级不可逆,2023/3/15,21,（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,2023/3/15,22,（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,2023/3/15,23,根据试验结果确定的工艺条件为,结果：转化率为98.8。,2023/3/15,24,（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,2023/3/15,25,（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 kmolm3。）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,2023/3/15,26,第二节 数学模型法,2023/3/15,27,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？,2023/3/15,28,一、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。,2023/3/15,29,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,2023/3/15,30,1.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,2023/3/15,31,2.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,2023/3/15,32,3.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,2023/3/15,33,二、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,2023/3/15,34,1.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,2023/3/15,35,2.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,2023/3/15,36,3.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,2023/3/15,37,4.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,2023/3/15,38,三、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。,2023/3/15,39,例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺,2023/3/15,40,任务,2023/3/15,41,等温、容、均液相，一级不可逆反应动力学模型：试验测得：,2023/3/15,42,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,2023/3/15,43,活塞流反应器：,2023/3/15,44,2023/3/15,45,例 丙烯二聚过程开发,2023/3/15,46,聚合反应,2023/3/15,47,（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。,2023/3/15,48,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。,2023/3/15,49,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,2023/3/15,50,（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：8085，转化率75%，选择性为79。固定床催化反应器,2023/3/15,51,模型简化,拟均相；活塞流；恒温无温度梯度和压力降。,2023/3/15,52,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。,2023/3/15,53,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。,2023/3/15,54,（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。,2023/3/15,55,简化,拟均相、恒温无压力降等。,2023/3/15,56,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。,2023/3/15,57,总结,经验、数模的局限,耗资大、周期长,建模困难,2023/3/15,58,第三节 部分解析法,2023/3/15,59,概述,基础：特点：,介于经验与数模之间理论分析和实验探索相结合,化学工程学科发展：较多的成熟理论和研究方法,避免黑箱；易掌握,2023/3/15,60,一、研究方法,反应器放大依据,化学反应速率,温度、浓度,工程因素,反应动力学实验,化学反应工程学理论,2023/3/15,61,研究思路,二者结合：确定实验内容、方法；预测结果、放大效应考察：浓度、温度效应,2023/3/15,62,1.浓度效应,工程因素：工程因素的等效性,返混、预混合、进料浓度、加料方式、操作方式,浓度、浓度分布相同,反应结果相同,返混、分段加料、降低进料浓度等工程因素的等效（浓度、分布），不考虑其差别,如：均相、非均相反应浓度不同，结果不同。,简化过程,2023/3/15,63,2.温度效应,需考虑：,影响反应速率、选择性,最佳温度温度序列温度分布,2023/3/15,64,温度序列,如：,B-目的产物,措施：先高后低,2023/3/15,65,温度分布,如：固定床放热反应的温度,流体温度与催化剂表面温度不同,2023/3/15,66,二、研究步骤,了解过程特征 设想技术方案 验证、改进 确定放大设计方法,简单实验，定性,理论分析，初步方案；理论与实践结合,实验，定性、定量,数模；经验,2023/3/15,67,三、特征,分解研究与综合分析相结合 与数模基本相同；不同：定性的技术方案，不确切技术信息来源于实验 理论指导下的实验；节省人力、物力技术方案通过反复论证 可靠、准确,2023/3/15,68,例：丁二烯制二氯乙烯,2023/3/15,69,（1）化学反应特征,气相、放热、常T反应速率大，无Cat；副产物（氯代、多氯加成）多。,反应器选型、操作条件 提高选择性。,关键：如何提高选择性,2023/3/15,70,（2）实验,管式反应器、原料混合后进料,2023/3/15,71,a.温度的影响,高T（270）有利（抑制氯代副产物）,加热方式？,预热 or 产物换热,产物换热（）,选定反应器：返混式,搅拌or射流,射流（）,2023/3/15,72,b.返混对选择性的影响,目的：怎样抑制多氯加成产物？,实验方法的思考？,结果：返混降低选择性,问题：两组实验结果矛盾,反应物料用二氯丁烯,2023/3/15,73,C.抑制多氯产物的方法,理论分析：实验验证：结果：,丁二烯过量,丁二烯、氯、二氯丁烯混合进料,产物中无明显的多氯化合物,2023/3/15,74,（3）构思技术方案（定性）,射流式反应器、270、丁二烯过量,2023/3/15,75,（4）确定反应器尺寸、工艺条件反应器大小对反应结果影响不大反应器需保证足够大的返混量（容积、工艺条件）流体力学计算（5）检验（25t/a）,2023/3/15,76,例：异丁烯二聚,2023/3/15,77,简介：石油裂解的丁烯组分（正丁烯、异丁烯），难分离。通过异丁烯的二聚，使正丁烯分离出来。异丁烯浓度：4%；20%,制丁二烯,汽油组分,2023/3/15,78,（1）实验（反应过程特征）,非均相催化，固定床a.原料4%反应条件：结果：,27、1atm、3/h;,产物异丁烯小于0.5%，正丁烯减少10%,处理低浓度原料可行,2023/3/15,79,b.原料20%,反应条件：同a 结果：产物异丁烯小于0.5%，正丁烯减少30%解决方法：,原因浓度影响,原料循环（稀释5倍）,方法不可取,2023/3/15,80,（2）实验结果与理论结合,正丁烯损失原因：浓度效应，即正丁烯和异丁烯共聚温度效应（从绝热温升的计算得）；扩散控制,否,2023/3/15,81,（3）检验,提高空速，强化扩散,方法：,结果：,正丁烯损失几乎为零,正丁烯损失原因：正丁烯的自聚,2023/3/15,82,热烈欢迎各位专家莅临指导,2023/3/15,83,放大方法回顾,经验：数模：部分解析：,化学过程物理过程,冷模试验,黑箱,灰箱,白箱,2023/3/15,84,第四节 相似放大法,理论实例,第四章 化工过程放大,2023/3/15,85,概述,以相似论和量纲分析为基础，依据模型实验得到某些物理量之间的关系，按相似原理推算模型与原型之间的相似规律。,因次分析,经验放大（依赖实验结果）研究传递规律（冷模实验）理论指导实验，实验得以简化,2023/3/15,86,一、理论基础,2023/3/15,87,1.相似概念（条件）,几何相似时间相似运动相似动力相似,现象相似,当表述某种现象的所有量，在相似空间中对应的各点以及在时间上相对应的各瞬间，互成一定的比例关系，则称为,2023/3/15,88,2.相似定理,3个定理,2023/3/15,89,第一定理,（1）相似现象可用相同的数学物理方程及单值条件描述。,如：粘性、不可压缩流体的等T、稳流的运动方程,其单值条件为：,几何条件物理条件边界条件起始条件,2023/3/15,90,第一定理（续）,（2）由相似现象的定义可写出量的比例关系如：,2023/3/15,91,第一定理（续）,（3）由于（1）和（2）的约束，相似倍数不是任意的，而是彼此约束。如：u、l、t 三个量表征物理量-速度，由于运动方程的约束，有：,相似指标,2023/3/15,92,第一定理（续）,（4）对于彼此相似的现象，存在着同样数值的综合量，即相似特征数。由得：,彼此相似的现象，必有数值相同的相似特征数,2023/3/15,93,第二定理,具有相同的相似特征数的现象，若表明现象特征的单值条件相似，且由单值条件所组成的相似特征数相等，则它们相似。,满足什么条件，模型与原型相似,2023/3/15,94,第二定理（续）,如：仍以上述流体稳流为例1.单值条件相似几何相似物理条件相似边界条件相似2.相似特征数相等,2023/3/15,95,第三定理,当一个现象由n个物理量的函数关系来表示，这些物理量包含m个量纲，则应有n-m个相似特征数,白金汉的定理,描述某现象的各种量之间的关系,2023/3/15,96,小结,第一定理，指明应测试哪些数据第二定理，指明模型试验应遵守的条件第三定理，指明如何整理试验结果。,2023/3/15,97,二、研究方法,分析影响因素，运用量纲分析，将变量按特征数合并，实验测定表达输入、输出的关系的特征数方程的待定参数。,放大依据：特征数方程,2023/3/15,98,1.相似特征数及其方程,例：液体搅拌混合槽，所需搅拌功率,2023/3/15,99,2023/3/15,100,2.由实验确定特征数方程的未知系数,2023/3/15,101,低雷诺数区：过渡区：K、-d不恒定湍流区：,2023/3/15,102,3.相似放大,均相：Re、Fr相等非均相：,2023/3/15,103,搅拌放大的判据,2023/3/15,104,三、特征,（1）试验研究属于综合考察放大依据来自实验相似特征数方程是依据试验来确定的。试验只考察了输入条件和输出结果的关系，与经验放大法的试验相似。,2023/3/15,105,2，简化了试验，提高了实验效率3运用相似特征数相等为放大提拱了简单可靠的依据,2023/3/15,106,四、数量放大法和比例放大法,1数量放大法采用设备单元数增加的一种放大方法，在固定床催化反应器的放大时常见。2比例放大法以一个或数个能表达过程主要特征的参数为依据，按比例对该过程进行放大的方法。,2023/3/15,107,例27用相似放大法将生产某种合成洗涤剂的搅拌釜放大至容积为 5.72 m3（槽直径2.7m。已知物料的密度为1400kgm3，粘度为1PaS，初步试验采用标准构型的搅拌釜（有挡板）所消耗的功率最小。,2023/3/15,108,选用 3台构型相同而容积不同的搅拌釜进行试验。反应釜容积分别为：0.008 39m3（槽直径 0.225 m），0.0715 m3(槽直径 0.45 m）和 0.572(槽直径 0.90 m).调节搅拌器转速使之达到相同的均匀乳化效果。试验结果见下表：,2023/3/15,109,2023/3/15,110,从表中数据看出；当达到相同的乳化效果时；在各种放大判据中，只有叶轮末梢速度，在搅拌釜大小改变时保持不变。因此确定叶轮末梢速度为该工艺过程的放大判据。,2023/3/15,111,The end!,2023/3/15,112,谢谢各位光临！,
