化工过程开发概论

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1、化工过程开发概论2011-09-26第四章开发放大方法§4.1经验放大法一、研究方法1.反应器的选型反应器的选型通常采用小型装置在实验室进行试验。由于设备选型试验是以改变反应器的型式和结构来考察整个反应过程，故把这种考察看成“结构变量”试验。第四章开发放大方法2.优化工艺条件优化工艺条件是在设备选型之后进行的，也是采用小型试验装置进行试验。通过改变工艺条件来考察反应结果，从中筛选出最佳条件，称之为“工艺试验”。由于试验内容是改变工艺条件，故把这种考察看成“操作变量”试验。第四章开发放大方法3.反应器的放大反应器的放大是通过建立模型装置来进行考察的。从试验改变

2、的条件看，由于是改变设备的几何尺寸进行试验，故把反应器放大看成是“几何变量”试验。第四章开发放大方法二、经验放大法的特征1.只注重输入与输出关系，纯属于综合考察性质2.试验程序人为规定3.放大是根据试验结果外推第四章开发放大方法例4-1异丙苯为原料生产苯酚和丙酮的早期工艺路线来说明经验放大法中的外推计算。解：该工艺过程分为两步。第一步是异丙苯氧化生成过氧化氢异丙苯第四章开发放大方法第二步用硫酸作催化剂，使过氧化氢异丙苯在液相中分解为苯酚和丙酮：第二步反应经测定为一级不可逆反应。第四章开发放大方法（1）反应器选型连续操作管式反应器（2）优化工艺条件选用直径40

3、mm，长度1202mm的不锈钢管作反应器进行试验。分别考察：反应物浓度、反应温度、催化剂浓度和物料流量等工艺条件对反应结果的影响。第四章开发放大方法温度上升，分解速率加速，但丙酮挥发增强。催化剂浓度增加，分解速率加速。根据试验结果确定的工艺条件为：反应物浓度：3.2kmol/m3反应温度：86℃催化剂浓度：0.07%～0.1%反应物料流量：0.1m3/h根据上述反应条件进行反应，过氧化氢异丙苯的转化率为98.8%第四章开发放大方法（3）反应器的放大与校验管径不变，长度延长至1712mm转化率达到99.8%比例不变容积放大到10L转化率达到99.8%第四章开发

4、放大方法（4）计算反应器容积工业化的要求为：每小时处理过氧化氢异丙苯的量为3m3，计算所需反应器的容积。解：可按1.5L模型尺寸，根据物料处理量的扩大，按比例外推计算。反应物料流量由0.1增大到3，放大了30倍。反应器容积也应放大30倍：1.5×30=45.3L。放大倍数不高，放大效应不明显。第四章开发放大方法§4.2数学模型法一、数学模型数学模型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。1.建立数学模型的思想方法掌握过程运行的动态规律，寻找描述这种动态规律的数学方法。第四章开发放大方法2.数学模型的简化数学模型简化是指对复杂的过程运行规律予以合理

5、简化，以便建立简单而实用的数学模型。实际应用的数学模型，并不一定要真实地描述过程运行机理，但必须与描述的实际过程运行结果具有等效性。第四章开发放大方法3.数学模型的针对性任何数学模型都有明确的模拟目标。且每一种数学模型都有其应用的限制范围。第四章开发放大方法二、研究方法1.研究反应过程内容：鉴别化学反应的类型和控制步骤，测定反应动力学和热力学数据，分析反应过程中产生的一些特殊现象，以及确定工艺参数变化的范围等。第四章开发放大方法2.研究传递过程假设无化学反应进行的情况下，用冷模试验专门考察反应器内物料的流动与混合、传热与传质等物理过程的运行规律。第四章开发放

6、大方法3.综合两过程规律，建立数学模型找到化学过程与物理过程的结合点，运用数学手段予以描述。结合点：主要体现于物理过程规律对于反应温度和反应物浓度的影响。第四章开发放大方法4.检验数学模型通常建立中试装置进行中试，将中试结果与数学模型计算结果对照。反应器的数学模型是描述某一种型式反应器内进行化学反应的动态规律，只要在相同构型的反应器内进行相同的化学反应，都可用相同的数学模型描述，不受反应器集合尺寸大小的限制。因此，用数学模型进行放大，不存在放大效应的问题。第四章开发放大方法三、数学模型放大法的特征1.分解过程，不作综合考察2.合理简化过程运行规律3.科学试验

7、是为了建立和检验数学模型第四章开发放大方法例4-2用数学模型法放大过氧化氢异丙苯分解生成苯酚和丙酮反应过程。解：该反应过程是用硫酸作为催化剂进行的液相催化反应，已测得该反应为不可逆一级反应，动力学模型为：-rA=kcA,0(1-xA)反应速率常数k=0.08s-1。采用管式反应器。第四章开发放大方法建立数学模型：拟均相、活塞流、恒温和无压力降等简化。反应动力学模型与物料衡算式联立，简化后得：第四章开发放大方法将有关数据代入数学模型计算：（1）当反应物料的体积流量为3m3/h，要求转化率达到99.8%时：（2）当反应物料的体积流量为3m3/h，要求转化率达到9

8、8.8%时：第四章开发放大方法第四章开发放大方法例4