化工过程放大.ppt
2023/11/1,1,第六章 化工过程放大,2023/11/1,2,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,2023/11/1,3,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,2023/11/1,4,第一节 逐级经验放大,2023/11/1,5,一、几个概念,1.放大系数,Whats the meaning?,：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。,2023/11/1,6,2.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,2023/11/1,7,3.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？,2023/11/1,8,典型反应过程放大系数,2023/11/1,9,2023/11/1,10,2023/11/1,11,2023/11/1,12,2023/11/1,13,二、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”,2023/11/1,14,三、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,2023/11/1,15,例：合成氨技术开发,2023/11/1,16,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,2023/11/1,17,（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。,2023/11/1,18,(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%,2023/11/1,19,（3）预设计工艺流程,A.原料循环B.热量利用C.冷冻分离,2023/11/1,20,（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,2023/11/1,21,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。,2023/11/1,22,例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺,2023/11/1,23,一级不可逆,2023/11/1,24,（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,2023/11/1,25,（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,2023/11/1,26,根据试验结果确定的工艺条件为,结果：转化率为98.8。,2023/11/1,27,（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,2023/11/1,28,（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,2023/11/1,29,第二节 数学模型法,2023/11/1,30,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？,2023/11/1,31,一、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。,2023/11/1,32,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,2023/11/1,33,1.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,2023/11/1,34,2.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,2023/11/1,35,3.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,2023/11/1,36,二、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,2023/11/1,37,1.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,2023/11/1,38,2.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,2023/11/1,39,3.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,2023/11/1,40,4.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,2023/11/1,41,三、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。,2023/11/1,42,例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺,2023/11/1,43,任务,2023/11/1,44,等温、容、均液相，一级不可逆反应动力学模型：试验测得：,2023/11/1,45,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,2023/11/1,46,活塞流反应器：,2023/11/1,47,2023/11/1,48,例 丙烯二聚过程开发,2023/11/1,49,聚合反应,2023/11/1,50,（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。,2023/11/1,51,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。,2023/11/1,52,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,2023/11/1,53,（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,2023/11/1,54,模型简化,拟均相；活塞流；恒温无温度梯度和压力降。,2023/11/1,55,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。,2023/11/1,56,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。,2023/11/1,57,（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。,2023/11/1,58,简化,拟均相、恒温无压力降等。,2023/11/1,59,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。,2023/11/1,60,总结,经验、数模的局限,耗资大、周期长,建模困难,
