化工过程放大.ppt

第六章第六章第六章第六章 化工过程放大化工过程放大化工过程放大化工过程放大4/24/20231概述化工过程放大化工过程放大是科学理论和实践经验相结合、质和量相结合的是科学理论和实践经验相结合、质和量相结合的工程科学工程科学问题。问题。技术上的关键问题是：技术上的关键问题是：（1）是否开发出高效催化剂）是否开发出高效催化剂（2）可靠的放大技术，特别是）可靠的放大技术，特别是反应器反应器的放大的放大（3）工业化过程的材料）工业化过程的材料（4）过程所需设备）过程所需设备（5）计量和检测技术）计量和检测技术核心核心是放大技术是放大技术4/24/20232模拟研究法模拟研究法用用模型模型研究研究化工过程的化工过程的现象、规律现象、规律模型模型实物、数学实物、数学基本方法基本方法 经验经验 数学数学 部分解析部分解析 相似相似4/24/20233第一节第一节 逐级经验放大逐级经验放大4/24/20234一、几个概念1.放大系数放大系数Whats the meaning?：在实验室中几克物料的小型实验，：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。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。大型工厂需要的全部数据。定义：定义：放大放大后后的实验（生产）规模的实验（生产）规模/前前表达：表达：小时投料量、小时投料量、每批投料量或年产量每批投料量或年产量 反应器特征尺寸比。反应器特征尺寸比。4/24/202352.放大效应放大效应如：反应状况恶化、转化率、如：反应状况恶化、转化率、选择性、收率下降、产品质选择性、收率下降、产品质量劣化等。量劣化等。反应得到改善，反应得到改善，得到正的放大效应得到正的放大效应因过程规模变大造成指标因过程规模变大造成指标不能重复的现象不能重复的现象4/24/202363.逐级经验放大逐级经验放大定义：定义：放大系数的确定：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，不断的方法和实测数据，加上开发者的经验，不断适当加大实验适当加大实验 的规模，修正前一级实验确定的规模，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。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、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。过程规律的掌握度、研究人员经验。低放大低放大系数？系数？高放大高放大系数？系数？4/24/20237典型反应过程放大系数典型反应过程放大系数4/24/202384/24/202394/24/2023104/24/2023114/24/202312二、逐级经验放大的步骤二、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小型装置考察考察“结构变量结构变量”小型装置小型装置考察考察“操作变量操作变量”模型装置模型装置考察考察“几何变量几何变量”4/24/202313三、逐级经验放大的特征三、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 黑箱黑箱三步三步线性规线性规律律缺乏理论指导，周期较缺乏理论指导，周期较长；方法简单长；方法简单4/24/202314例：合成氨技术开发4/24/202315合成氨技术开发及启示基础研究：哈伯的工作（实验室）基础研究：哈伯的工作（实验室）反应基本规律反应基本规律特点：特点：在常温常压下不反应。在常温常压下不反应。1000，常压，常压，转化，转化率也小于率也小于0.01%；提高压力，反应的转化率则提高。；提高压力，反应的转化率则提高。催化剂：催化剂：锇锇4/24/202316（1反应器选型反应器选型强放热的气固相催化反应，高温高压。强放热的气固相催化反应，高温高压。哈伯选用了哈伯选用了80g/h固定床管式催化固定床管式催化反应器反应器。4/24/202317(2)条件优化工艺条件：产品：500600；17.520 MPa；锇催化剂锇催化剂氨的体积分数达氨的体积分数达6%4/24/202318（3）预设计工艺流程A.原料循环原料循环B.热量利用热量利用C.冷冻分离冷冻分离4/24/202319（4）波施的工作（反应器放大和工业化）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、钙为助催化剂的铁含少量钾、镁、铝、钙为助催化剂的铁催化剂催化剂（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 4/24/202320启示对于化工过程开发，在实验室研究阶段即应充分对于化工过程开发，在实验室研究阶段即应充分考虑考虑实现工业化实现工业化的可行性。的可行性。在实验室研究完成之后还必须在实验室研究完成之后还必须解决与工业生解决与工业生产有关的一些技术产有关的一些技术问题。问题。技术开发的成功技术开发的成功与科学技术水平有看密切关系与科学技术水平有看密切关系。在在20世纪初，若不是可以实现高温高压技术、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。技术等近代化工技术的发展。4/24/202321例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺4/24/202322一级不可一级不可逆逆4/24/202323（I）反应器选型 反应特点：反应特点：选择：过氧化氢异丙苯的分解反应过氧化氢异丙苯的分解反应为液相反应，反应速率较快。为液相反应，反应速率较快。多种型式的反多种型式的反应器适用应器适用连续操作管式反应器连续操作管式反应器4/24/202324（2）优化工艺条件 选用一根直径为选用一根直径为 40 mm，长度为，长度为 1202mm的的不锈钢管（不锈钢管（容积约容积约 1.51L）作反应器试验）作反应器试验考察工艺条件考察工艺条件对反应结果的对反应结果的影响影响4/24/202325根据试验结果确定的工艺条件为结果：结果：转化率为98.8。4/24/202326（3）反应器放大与校验 校验试验分两级进行校验试验分两级进行 A、不改变管直径、不改变管直径，反应管延长，反应管延长，将反，将反应器容积放大到应器容积放大到 2.15 L（流量流量0.1m3/h）B、容积从、容积从2.15 L放大到放大到10L(流量流量0.464m3/h)结果：转化率结果：转化率99.8%，无放大效应无放大效应4/24/202327（4）计算反应器容积 工业化的要求处理量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 4/24/202328第二节第二节 数学模型法数学模型法4/24/202329定义定义：在充分认识过程的基础上，运用理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数学模型，应用于反应器的放大计算。算。试验的试验的目的目的是为了建立和检验数学模是为了建立和检验数学模型。试验的型。试验的方式和要求方式和要求与经验放大方与经验放大方法法有有很大很大差别差别。是否还需是否还需要实验？要实验？4/24/202330一、数学模型数学模型：要求：通常是一组描述过程运行动态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。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既要能表达实际过程运行的规律又要简单而便于应用。律又要简单而便于应用。4/24/202331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4/24/2023321.建立数学模型的方法怎样建立？怎样建立？如反应器进行化学反应的数模建立如反应器进行化学反应的数模建立掌握动态规律掌握动态规律动力学、热力学动力学、热力学流动与混合、传热、流动与混合、传热、传质传质方程组：物方程组：物料、热量、料、热量、动量衡算动量衡算4/24/2023332.数学模型的简化数学模型的简化如：固定床催化反应器中气体流动如：固定床催化反应器中气体流动规律：规律：简化表达：简化表达：要求：要求：紊乱、随机紊乱、随机返混模型返混模型结果的等效结果的等效4/24/2023343.数学模型的针对性数学模型的针对性明确的模拟目标明确的模拟目标 目标不同，模型不同。目标不同，模型不同。目标不同，目标不同，限制限制范围不同。范围不同。如：流体流动返如：流体流动返混、阻力模型不混、阻力模型不同同多为工多为工程因素程因素v如：催化剂活性温如：催化剂活性温度限制了模型温度参度限制了模型温度参数变化数变化作用：有利于模型的简化作用：有利于模型的简化4/24/202335二、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4/24/2023361.反应过程内容：反应类型、控制步骤；动力学、热力学反应类型、控制步骤；动力学、热力学与经验放大与经验放大不同不同，不需模拟生产装置不需模拟生产装置。了解过了解过程本质程本质排除外界因排除外界因素的干扰素的干扰4/24/2023372.传递过程内容：方法：反应器内反应器内物理过程物理过程的规律的规律与反应器型与反应器型式、结构有式、结构有关关冷模实验冷模实验4/24/2023383.建模物理、化学过程的结合方法：浓度、温度效应浓度、温度效应建立动力学、物料、热量衡算（动量）建立动力学、物料、热量衡算（动量）方程方程4/24/2023394.校验方法：中试中试与数模计算结果比较与数模计算结果比较是否等效？是否等效？与经验法的与经验法的实验不同实验不同4/24/202340三、特征三、特征1分解过程，不作综合考察分解过程，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着眼于过程的内部规律，对过程进行分解和综合合2合理简化过程运行规律合理简化过程运行规律 抓主要矛盾，忽略次要矛盾抓主要矛盾，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。模型；模型来源于实践，又为实践所检验。4/24/202341例：异丙苯生产苯酚和丙酮的工艺4/24/202342任务4/24/202343等温、容、均液相，一级不可逆反应动力学模型：试验测得：4/24/202344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4/24/202345活塞流反应器：4/24/2023464/24/202347例例 丙烯二聚过程开发丙烯二聚过程开发4/24/202348聚合反应聚合反应4/24/202349（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条件下进行，原料丙烯和催化剂三丙基铝混合进料。混合进料。一级不可逆反应、采用管式反应器。一级不可逆反应、采用管式反应器。4/24/202350建立反应器的数学模型的简化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，有关物性参数为在反应条件控制的范围以内，有关物性参数为常数；常数；反应器内由于物料流动所产生的压降不计；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，但沿轴向有温度变反应器内无径向温度梯度，但沿轴向有温度变化；化；物料通过反应器截面的流量恒定；物料通过反应器截面的流量恒定；活塞流状态流动；活塞流状态流动；绝热系统。绝热系统。4/24/202351反应器的数学模型反应器的数学模型放大结果绝热一维系统的活塞流模型。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、物料和数学表达形式：化学反应应动力学模型、物料和热量衡算式。热量衡算式。物料循环物料循环装置放大装置放大17 000倍，反应器出口温度的理论与实倍，反应器出口温度的理论与实验值差验值差2放大成功放大成功4/24/202352（2）异构化反应过程开发 特点特点：气、固相催化反应、硅铝催化剂，一级可逆反应。气、固相催化反应、硅铝催化剂，一级可逆反应。反应温度：反应温度：8085，转化率，转化率75%，选择性为，选择性为79。固定床催化反应器固定床催化反应器4/24/202353模型简化模型简化拟均相；活塞流；恒温无温度梯度和压力降。4/24/202354模型 恒温活塞流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其数学表达式为：化学反应动力学模型和物料衡算式联立。和物料衡算式联立。4/24/202355放大关键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。4/24/202356（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。少采用固定床反应器。4/24/202357简化拟均相、拟均相、恒温恒温无压力降等。无压力降等。4/24/202358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。4/24/202359总结经验、经验、数模数模的局限的局限耗资大、耗资大、周期长周期长建模困难建模困难4/24/202360