化工过程放大.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、.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
8、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4/24/2023
9、23(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
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