1、工業放大工業放大化工學院化工學院孫洲孫洲一、實驗室研究、小試、模試、中試一、實驗室研究、小試、模試、中試純理論、應用基礎或開發基礎研究目的：確定原料路線、探索反應的可行性、觀察現象、獲得感性認識、樣品1.實驗室研究實驗室研究2. 小試小試小型工業模擬試驗（初步技術經濟評價后）任務：a驗證開發方案的可行性、完整性。 b測定收集物化數據。 c產品分析方法。 d整理最佳方案，完成概念設計3. 模試模試模型試驗：模型試驗： 對工業生產中的某些重要過程作放大的工業模擬試驗。設備：設備： 一般比實驗室研究規模大并具有工業設備的仿真性質。主要內容：主要內容： 考察化工過程運行的最佳條件；考察設備內傳熱、傳質

2、、物料流動與混合等工程因素對于化工過程的影響；觀察設備放大后出現的放大效應；尋找產放大效應的原因，測定放大所需的有關數據或判據等等。從總體看，模型試驗考查的重點是工藝和工程問題重點是工藝和工程問題。4. 中試中試 中試是”中間工廠試驗”的簡稱，它是在小試或模試之后迸行的半工業化規模的模擬試驗。中試結果可作為基礎設計的依據。內容：內容：（1）檢驗小試確定的工藝方案和工藝條件；（2）考察工藝系統連續運轉的可靠性；（3）考察設備放大后所產生的放大效應的程度，分析產生的原因，尋找消除的辦法；（4）確定檢測方法；v（5）考察物料對設備材質的腐蝕；v（6）考察物料循環產生的微量雜質積累帶來的影響；v（7）

3、提供一定量的產品供應用考察；v（8）考察“三廢”的生成量、危害程度和治理方法；v（9）為估算投資和成本，以及建立生產工作崗位的操作規程提供資料。概 述v從實驗室研究成果到建立工業裝置的過程是靠放大從實驗室研究成果到建立工業裝置的過程是靠放大來實現的。來實現的。v選擇適當的放大方法，對考察裝置的適用性，確定選擇適當的放大方法，對考察裝置的適用性，確定放大過程需要時間、經費投入等都是重要的。放大過程需要時間、經費投入等都是重要的。v化工過程開發放大主要采用模擬研究法。用模型來化工過程開發放大主要采用模擬研究法。用模型來研究化工過程中的各種現象和規律，從中取得開發研究化工過程中的各種現象和規律，從中

4、取得開發放大的依據。放大的依據。v化工過程采用的模擬放大方法有：化工過程采用的模擬放大方法有：經驗放大法、數經驗放大法、數學模擬法、部分解析法、相似放大法學模擬法、部分解析法、相似放大法。 v對某一特定的化工過程放大，采用何種放大方法，對某一特定的化工過程放大，采用何種放大方法，應以對過程解析的深入程度來確定。應以對過程解析的深入程度來確定。v一般來講，分離過程的理論較成熟，在取得可靠的一般來講，分離過程的理論較成熟，在取得可靠的相平衡數據后，就可以用現有的數學模型直接放大相平衡數據后，就可以用現有的數學模型直接放大到工業裝置。到工業裝置。v而反應過程比較復雜，除化學反應的規律外，同時而反應過

5、程比較復雜，除化學反應的規律外，同時還受到傳遞過程因素的影響。故只有少數簡單的可還受到傳遞過程因素的影響。故只有少數簡單的可用數學模型法外，現多采用經驗放大法和部分解析用數學模型法外，現多采用經驗放大法和部分解析法。法。逐級放大法v逐級經驗放大法是從實驗室規模的小試開始，經逐級逐級經驗放大法是從實驗室規模的小試開始，經逐級放大到一定規模試驗的研究，最后將模型研究結果放放大到一定規模試驗的研究，最后將模型研究結果放大到生產裝置的規模。大到生產裝置的規模。v這種放大方法，每放大一級都必須建立相應的模型裝這種放大方法，每放大一級都必須建立相應的模型裝置，詳細觀察記錄模型試驗中發生的各種現象及數據，置

6、，詳細觀察記錄模型試驗中發生的各種現象及數據，通過技術分析得出放大結果。而每一級放大設計的依通過技術分析得出放大結果。而每一級放大設計的依據主要是前一級試驗所取得的研究結果和數據。據主要是前一級試驗所取得的研究結果和數據。v逐級經驗放大法是經驗性質的放大，因此放大倍數逐級經驗放大法是經驗性質的放大，因此放大倍數一般在一般在5050倍以內，而且每一級放大后還必須對前一倍以內，而且每一級放大后還必須對前一級的參數進行修正。級的參數進行修正。v缺點：經驗放大的開發周期長，人力、物力消耗較缺點：經驗放大的開發周期長，人力、物力消耗較大。大。一一. .逐級經驗放大法的研究方法逐級經驗放大法的研究方法v1

7、.1.化工過程開發主要解決的問題化工過程開發主要解決的問題v如何合理選擇設備形式如何合理選擇設備形式v確定最佳工藝條件確定最佳工藝條件v如何將設計放大到工業規模如何將設計放大到工業規模2.2.逐級經驗放大法研究過程的步驟逐級經驗放大法研究過程的步驟v. .設備選型設備選型v設備選型一般都在小試中進行。采用不同形式和結設備選型一般都在小試中進行。采用不同形式和結構的反應器，在實驗室對所開發的反應過程進行研構的反應器，在實驗室對所開發的反應過程進行研究。究。v試驗時主要考察設備的結構和形式對反應的轉化率試驗時主要考察設備的結構和形式對反應的轉化率和選擇性的影響。因此又稱為和選擇性的影響。因此又稱為

8、“結構變量試驗結構變量試驗”。2.2.逐級經驗放大法研究過程的步驟逐級經驗放大法研究過程的步驟v. .優化工藝條件優化工藝條件v在設備選型試驗后，就在選定的小試試驗設備中進在設備選型試驗后，就在選定的小試試驗設備中進行優化工藝條件試驗。行優化工藝條件試驗。v試驗時主要考察各種工藝條件對反應的轉化率和選試驗時主要考察各種工藝條件對反應的轉化率和選擇性的影響，并從中篩選出最佳工藝條件。以改變擇性的影響，并從中篩選出最佳工藝條件。以改變工藝操作條件，觀察指標的變化，故又稱之為工藝操作條件，觀察指標的變化，故又稱之為 “操作變量試驗操作變量試驗”。2.2.逐級經驗放大法研究過程的步驟逐級經驗放大法研究

9、過程的步驟v. .反應器放大反應器放大v逐級試驗放大法的反應器放大研究是采用模型裝置逐級試驗放大法的反應器放大研究是采用模型裝置的方式進行逐級放大的。每放大一級都必須重復前的方式進行逐級放大的。每放大一級都必須重復前一級試驗確定的條件，考察放大效應，并取得設備一級試驗確定的條件，考察放大效應，并取得設備放大的有關數據和判據。放大的有關數據和判據。v重點考察反應器的幾何尺寸對反應轉化率和選擇性重點考察反應器的幾何尺寸對反應轉化率和選擇性的影響。故又稱之為的影響。故又稱之為 “幾何變量試驗幾何變量試驗”。2.2.逐級經驗放大法研究過程的步驟逐級經驗放大法研究過程的步驟v通過以上三種獨立的變量試驗，

10、基本上可以取得化通過以上三種獨立的變量試驗，基本上可以取得化工過程開發所需要的設備形式、最佳工藝條件，以工過程開發所需要的設備形式、最佳工藝條件，以及放大的判據和數據，為建立生產裝置提供可靠的及放大的判據和數據，為建立生產裝置提供可靠的數據。數據。二二. .逐級經驗放大法的特征逐級經驗放大法的特征v1.1.只綜合考察輸入變量和輸出結果的關系。只綜合考察輸入變量和輸出結果的關系。v逐級經驗放大法是一種逐級經驗放大法是一種“暗箱操作暗箱操作”，只對反，只對反應器的輸入與輸出結果進行研究，對反應器內應器的輸入與輸出結果進行研究，對反應器內進行的反應特征及規律不作深入考察。進行的反應特征及規律不作深入

11、考察。二二. .逐級經驗放大法的特征逐級經驗放大法的特征v這是一種綜合考察的方法，不能揭示過程的內在規律。這是一種綜合考察的方法，不能揭示過程的內在規律。因此，在進行反應器放大研究時，一旦放大結果發生改因此，在進行反應器放大研究時，一旦放大結果發生改變，就無法找出變化的原因，只能將這種改變統統歸咎變，就無法找出變化的原因，只能將這種改變統統歸咎于于“放大效應放大效應”。v在逐級經驗放大中，研究者只能根據現象進行分析，憑在逐級經驗放大中，研究者只能根據現象進行分析，憑經驗來調整變量再進行試驗，以減少放大效應。因此，經驗來調整變量再進行試驗，以減少放大效應。因此，放大成果的水平與研究者的經驗和知識

12、水平緊密相關。放大成果的水平與研究者的經驗和知識水平緊密相關。二二. .逐級經驗放大法的特征逐級經驗放大法的特征v2.2.存在前后試驗結果相互矛盾的個別現象。存在前后試驗結果相互矛盾的個別現象。v對于一個化工過程，結構變量、操作變量和幾何變量對于一個化工過程，結構變量、操作變量和幾何變量這三種變量之間是相互聯系、相互影響的。但是在逐這三種變量之間是相互聯系、相互影響的。但是在逐級經驗放大中，人為的將試驗分成結構變量試驗操級經驗放大中，人為的將試驗分成結構變量試驗操作變量試驗幾何變量試驗三個階段，這并非科學合作變量試驗幾何變量試驗三個階段，這并非科學合理的研究程序，沒有考慮他們之間的相互聯系和影

13、響，理的研究程序，沒有考慮他們之間的相互聯系和影響，當然就可能造成前后試驗結果相互矛盾的現象。當然就可能造成前后試驗結果相互矛盾的現象。二二. .逐級經驗放大法的特征逐級經驗放大法的特征v按照這種思維模式，小試中優選的反應器形式，大型化后也按照這種思維模式，小試中優選的反應器形式，大型化后也應該是最好的，即反應器的選型與反應器的尺寸無關。在化應該是最好的，即反應器的選型與反應器的尺寸無關。在化工過程中確有這樣的情況，小試中優選的反應器，仍為好的工過程中確有這樣的情況，小試中優選的反應器，仍為好的反應器形式。但也有不少相反的情況。例如：在小試時流化反應器形式。但也有不少相反的情況。例如：在小試時

14、流化床的效果比固定床好，但放大后流化床的效果反而比固定床床的效果比固定床好，但放大后流化床的效果反而比固定床差。說明小試的選型結論不一定可靠。差。說明小試的選型結論不一定可靠。二二. .逐級經驗放大法的特征逐級經驗放大法的特征v3.3.外推放大后的結果可靠性尚存問題。外推放大后的結果可靠性尚存問題。v逐級經驗放大法每一級都是根據前一級的試驗結果外推逐級經驗放大法每一級都是根據前一級的試驗結果外推設計的。外推法只適用于呈線性規律的過程。有些因素設計的。外推法只適用于呈線性規律的過程。有些因素在一定范圍內是漸變的或者呈線性關系，但超出這一范在一定范圍內是漸變的或者呈線性關系，但超出這一范圍后可能出

15、現巨變。因此，將小尺寸范圍內得到的試驗圍后可能出現巨變。因此，將小尺寸范圍內得到的試驗結果外推至大尺寸范圍時可能出現截然不同的結果。結果外推至大尺寸范圍時可能出現截然不同的結果。二二. .逐級經驗放大法的特征逐級經驗放大法的特征v而化工過程的規律很多都不呈線性關系，或者而化工過程的規律很多都不呈線性關系，或者只在較小的范圍內接近直線關系。對不呈線性只在較小的范圍內接近直線關系。對不呈線性關系的過程，用外推法進行放大必然會造成偏關系的過程，用外推法進行放大必然會造成偏差。為了提高外推法的準確性，一般采用較小差。為了提高外推法的準確性，一般采用較小的放大倍數，這樣就需要經過多級模擬放大，的放大倍數

16、，這樣就需要經過多級模擬放大，必然使開發經費增加，開發周期延長。必然使開發經費增加，開發周期延長。二二. .逐級經驗放大法的特征逐級經驗放大法的特征v采用逐級經驗放大法時，應該應用化學工程的理論采用逐級經驗放大法時，應該應用化學工程的理論進行分析，應用已有的經驗判斷和解決問題，盡量進行分析，應用已有的經驗判斷和解決問題，盡量在理論指導下進行工程放大，避免完全的在理論指導下進行工程放大，避免完全的“黑箱操黑箱操作作”，可以提高逐級經驗放大法的準確性。，可以提高逐級經驗放大法的準確性。二二. .逐級經驗放大法的特征逐級經驗放大法的特征v例例 異丙苯生產苯酚和丙酮是分兩步進行的。第一步異丙苯生產苯酚

17、和丙酮是分兩步進行的。第一步是異丙苯氧化成過氧化氫異丙苯；第二步是在硫酸是異丙苯氧化成過氧化氫異丙苯；第二步是在硫酸催化下過氧化氫異丙苯在液相中分解成苯酚和丙酮。催化下過氧化氫異丙苯在液相中分解成苯酚和丙酮。v從試驗中得知，苯酚和丙酮的收率主要取決于從試驗中得知，苯酚和丙酮的收率主要取決于第二步分解反應。分解反應是一級不可逆反應。第二步分解反應。分解反應是一級不可逆反應。硫酸濃度越高，分解速率越快。硫酸濃度越高，分解速率越快。v擬用逐級放大法對反應器進行放大。擬用逐級放大法對反應器進行放大。v（1 1）反應器選型）反應器選型v對于液相均相反應，常用的反應器有釜式和對于液相均相反應，常用的反應器

18、有釜式和管式兩種。管式兩種。v考慮間歇操作攪拌反應釜比連續操作攪拌反應釜的體積考慮間歇操作攪拌反應釜比連續操作攪拌反應釜的體積大，因此，實驗時只考察連續操作攪拌反應釜和連續流大，因此，實驗時只考察連續操作攪拌反應釜和連續流動管式反應器在反應條件和反應體積相同的條件下兩種動管式反應器在反應條件和反應體積相同的條件下兩種反應器的轉化率。試驗結果見下表。反應器的轉化率。試驗結果見下表。反應器型式反應器型式轉化率轉化率連續流動管式反應器連續流動管式反應器98.898.8連續操作攪拌反應釜連續操作攪拌反應釜97.897.8v由于分解反應為一級反應，返混對轉化率有影響。由于分解反應為一級反應，返混對轉化率

19、有影響。連續操作攪拌反應釜存在返混，而連續流動管式連續操作攪拌反應釜存在返混，而連續流動管式反應器基本上不存在返混，因此后者的反應速率反應器基本上不存在返混，因此后者的反應速率快，轉化率高。說明達到相同轉化率時，連續流快，轉化率高。說明達到相同轉化率時，連續流動管式反應器的體積最小，故選用連續流動管式動管式反應器的體積最小，故選用連續流動管式反應器。反應器。v（2 2）工藝條件優化）工藝條件優化v試驗用反應管：試驗用反應管：40mm40mm1202mm1202mm，V V1.51L1.51L，長，長徑比徑比l/dl/d=1202/40=30.05=1202/40=30.05v考察因素：反應物濃

20、度、反應溫度、催化劑濃度考察因素：反應物濃度、反應溫度、催化劑濃度及物料流量。及物料流量。v指標：過氧化氫異丙苯的轉化率指標：過氧化氫異丙苯的轉化率v總的規律是：總的規律是：反應物濃度反應物濃度反應溫度反應溫度催化劑濃度催化劑濃度分解速率分解速率轉化率轉化率但當上述因素提高到一定程度后，轉化率幾乎不再改變。但當上述因素提高到一定程度后，轉化率幾乎不再改變。物料流量物料流量停留時間停留時間轉化率轉化率v由試驗最后得到的最佳工藝條件為：由試驗最后得到的最佳工藝條件為：v反應物濃度反應物濃度3.2Kmol/m3.2Kmol/m3 3，反應溫度，反應溫度359K359K，硫酸濃，硫酸濃度度3Kmol/

21、m3Kmol/m3 3，物料流量，物料流量0.1m0.1m3 3/h/h。此時分解反應轉。此時分解反應轉化率為化率為98.898.8。v（3 3）反應器放大）反應器放大v反應器放大分兩步進行反應器放大分兩步進行v一級放大一級放大v一級放大試驗結果列于表一級放大試驗結果列于表5 52 2表表5 52 2 一級放大試驗結果一級放大試驗結果試驗類型試驗類型直徑直徑/mm長度長度/mm長徑比長徑比體積體積/L流量流量/m3h-1轉化率轉化率/%小試小試40120230.051.510.198.8一級放大一級放大40171242.82.150.199.8v從表從表5 52 2可知，反應體積增加了可知，反

22、應體積增加了1.421.42倍（倍（2.15/1.512.15/1.51），），采用同樣的物料流量（采用同樣的物料流量（0.1m0.1m3 3/h/h），此時停留時間增加了），此時停留時間增加了1.421.42倍，但轉化率僅增加了倍，但轉化率僅增加了1.01.0。說明反應后期反應速。說明反應后期反應速率很慢，若要提高轉化率就必須大大增加反應器體積，率很慢，若要提高轉化率就必須大大增加反應器體積，在經濟上是不合算的。因此，反應器放大時轉化率達到在經濟上是不合算的。因此，反應器放大時轉化率達到98.898.8即可。即可。二二. .逐級經驗放大法的特征逐級經驗放大法的特征v二級放大二級放大v反應器體

23、積反應器體積10L,10L,則放大倍數則放大倍數vn=10/1.51=6.62n=10/1.51=6.62v放大原則：保持長徑比不變，停留時間不變。放大原則：保持長徑比不變，停留時間不變。v長徑比長徑比 R=1202/40=30.05R=1202/40=30.05v設反應管內徑為設反應管內徑為d d，長度為，長度為l lv則則l=30.05dl=30.05d22330.0523.58944pVd lddd得出得出d d7.51cm7.51cm選用選用82mm82mm3mm3mm的無縫鋼管，的無縫鋼管，d d內內82823 32 27.6cm7.6cm22100002205.5(7.6)44PV

24、lmmd22062206,29.0376llmmRd取實際 物料流量物料流量Q Q0.10.16.626.620.662m0.662m3 3/h/h。保持停留時間不變。保持停留時間不變。在小試的最優條件下試驗，轉化率為在小試的最優條件下試驗，轉化率為98.898.8。證明放大過程。證明放大過程中不存在放大效應。中不存在放大效應。反應是液相均相反應，且為管式反應器，線速度較大。反應反應是液相均相反應，且為管式反應器，線速度較大。反應過程受工程因素影響已經排除，均無放大效應。過程受工程因素影響已經排除，均無放大效應。（4）反應器設計）反應器設計v生產規模：每小時處理生產規模：每小時處理過氧化氫異丙

25、苯過氧化氫異丙苯3m3/h，濃度濃度C0=3.2Kmol/m3。v設計原則：保持反應器設計原則：保持反應器幾何相似，用外推法按幾何相似，用外推法按比例放大。比例放大。v要求過氧化氫異丙苯的要求過氧化氫異丙苯的轉化率為轉化率為98.8。按照。按照VP=1.51L，模型反應器，模型反應器幾何相似進行放大。幾何相似進行放大。1131122240,12021.51 ,0.1/3.001.51 45.30.1040,12023.0300.1PPdmmlmmVLQm hVLdmmlmm小試反應器：工業反應器：取則管子根數：n=根三三. .中試中測定與放大有關工程數據的方法中試中測定與放大有關工程數據的方法

26、v在進行反應器放大時，多數情況下仍采用逐級在進行反應器放大時，多數情況下仍采用逐級經驗放大法，放大設計數據大多來源于中試。經驗放大法，放大設計數據大多來源于中試。因此，為了反應器的工程放大，需要在中試中因此，為了反應器的工程放大，需要在中試中取得哪些數據，如何取得這些數據？下面舉一取得哪些數據，如何取得這些數據？下面舉一個比較簡單的釜式反應器為例加以說明。個比較簡單的釜式反應器為例加以說明。三三. .中試中測定與放大有關工程數據的方法中試中測定與放大有關工程數據的方法v例例52：在開發某氧化反應過程時，用：在開發某氧化反應過程時，用100L帶攪拌的搪帶攪拌的搪瓷反應釜作為反應器，測定與放大有關

27、的工程數據。小瓷反應釜作為反應器，測定與放大有關的工程數據。小試中發現，反應放熱量大，且對溫度敏感，當反應溫度試中發現，反應放熱量大，且對溫度敏感，當反應溫度低于低于60時反應速率緩慢；當反應溫度超過時反應速率緩慢；當反應溫度超過6565時，反時，反應劇烈，溫升很快，以致無法控制。因此，反應溫度必應劇烈，溫升很快，以致無法控制。因此，反應溫度必須控制在須控制在60606565的溫度范圍內。的溫度范圍內。v1.1.中試裝置中試裝置 見圖見圖5 51 1，反應釜的夾套中通，反應釜的夾套中通入冷卻水及時移走反應熱，其入冷卻水及時移走反應熱，其進出口溫度及流量分別為進出口溫度及流量分別為t t1 1,

28、t,t2 2和和W W；釜內采用；釜內采用2 2支熱電阻溫度支熱電阻溫度計分別測量液相溫度（計分別測量液相溫度（T T）和氣）和氣相溫度（相溫度（T T）；在反應釜兩側）；在反應釜兩側相對距釜壁相對距釜壁500mm500mm處放置溫度計處放置溫度計測量環境溫度測量環境溫度1 1、2 2。圖圖5 51 1 反應釜中試裝置反應釜中試裝置v2.2.反應器工程數據的測算反應器工程數據的測算v根據氧化反應過程的特點，在對氧化反應進行工根據氧化反應過程的特點，在對氧化反應進行工程放大時，及時移走反應熱，將反應溫度嚴格控程放大時，及時移走反應熱，將反應溫度嚴格控制在制在60606565范圍內是關鍵。中試時，

29、重點是測范圍內是關鍵。中試時，重點是測定反應過程的熱量平衡，混合物系的熱力學性質，定反應過程的熱量平衡，混合物系的熱力學性質，以及反應釜的傳熱系數等。以及反應釜的傳熱系數等。v（1 1）反應釜的熱量平衡）反應釜的熱量平衡v假設反應釜處于全混狀態，其內的物料濃度和溫度假設反應釜處于全混狀態，其內的物料濃度和溫度分布均勻，且攪拌器攪拌物料時產生的熱量忽略不分布均勻，且攪拌器攪拌物料時產生的熱量忽略不計。其熱量平衡方程為：計。其熱量平衡方程為：vQ QR R+Q+Q1 1+Q+Q2 2+Q+Q3 3=Q=Q4 4+Q+Q5 5 (5-1) (5-1)vQ QR R- -化學反應放出的熱量化學反應放出

30、的熱量vQ Q1 1- -釜內物料升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量釜內物料升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量vQ Q1 1m mp pC Cp p(T(T0 0-T-T) (5-2) ) (5-2) v式中：式中：m mp p- -釜內物料量，釜內物料量，Kg;Kg;v C Cp p- -物料的比熱容，物料的比熱容，KjKj/(Kg/(Kg)v T T0 0.T.T- -物料起始和終了溫度，物料起始和終了溫度，。vQ Q2 2夾套內水移走（或供給）的熱量夾套內水移走（或供給）的熱量vQ Q2 2=WC=WCpWpW(t(t1 1-t-t2 2) ) (5-3) (5-3)v式中：式中：W W冷卻

31、水流量，冷卻水流量，Kg/h;Kg/h;v C Cpwpw- -水的比熱容，水的比熱容， KjKj/(Kg/(Kg)v t t1 1、t t2 2- -冷卻水的進出口溫度，冷卻水的進出口溫度，v 測定的時間間隔，測定的時間間隔，h h vQ Q3 3反應釜體升溫（或降溫）吸收（或放出）熱反應釜體升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量量vQ Q3 3m mR RC CpRpR(T(TR0R0-T-TR R) (5-4) (5-4)v式中：式中：m mR R- -釜體的質量，釜體的質量，KgKgv C CpRpR- -釜體的比熱容，釜體的比熱容， KjKj/(Kg/(Kg)v T TR0R0、T TR

32、R釜體開始和終了溫度，釜體開始和終了溫度， vQ Q4 4釜上封頭對環境傳熱量釜上封頭對環境傳熱量vQ Q4 4K KR RA AT T(T(T- -) ) (5-5) (5-5)v式中：式中：K KR R- -封頭散熱的傳熱系數，封頭散熱的傳熱系數， Kj/(mKj/(m2 2h h)v A AT T- -封頭的散熱面積，封頭的散熱面積，m m2 2v T T、封頭的開始和終了溫度，封頭的開始和終了溫度， v 測定的時間間隔，測定的時間間隔，h hvQ Q5 5釜夾套側對環境的傳熱量釜夾套側對環境的傳熱量vQ Q5 5K KR RA Aj j(t(t- -) ) (5-6) (5-6)v式中

33、：式中：K KR R- -釜夾套側散熱的傳熱系數，釜夾套側散熱的傳熱系數， Kj/(mKj/(m3 3h h)v A Aj j- -釜夾套側釜夾套側的散熱面積，的散熱面積，m m2 2v t t、釜夾套側釜夾套側的開始和終了溫度，的開始和終了溫度， v 測定的時間間隔，測定的時間間隔，h hv則式則式5 51 1可寫成可寫成vQR+mpCp(t0-t)+WCpw(t1-t2)+mRCPR(TR0-t R)KRAT(T- )+ KRAj(t- ) (5-7)v測定時以水作為物料，夾套層內以測定時以水作為物料，夾套層內以6060左右的熱水左右的熱水供熱。以加熱釜內的水，然后在夾套中通入冷水降供熱。

34、以加熱釜內的水，然后在夾套中通入冷水降溫，測定釜體散熱的傳熱系數。溫，測定釜體散熱的傳熱系數。v當以水代替物料進行熱量平衡時，無反應熱，且物當以水代替物料進行熱量平衡時，無反應熱，且物料為水。故料為水。故：vQR=0,CP=4.184,CPW=4.184v則（則（57）變成）變成v4.184mP(t0-t)+4.184 (t1-t2) W+mRCPR(TR0-t R)KRAT(T- )+ KRAj(t- ) (5-8)v通過測定，可獲得通過測定，可獲得T T0 0、T T、t t1 1、t t2 2、T TR0R0、T T R R、T T及及、等數據，則等數據，則K KR R可求得。測試結果見

35、表可求得。測試結果見表5 53 3v對對8 8：25258 8：5555時間段進行熱量平衡：時間段進行熱量平衡：v已知：已知：C CPRPR=0.477Kj/(Kg=0.477Kj/(Kg);m);mR R=342Kg,A=342Kg,Aj j=0.77m=0.77m2 2,A,AT T=0.5m=0.5m2 2, , m mP P=102.8Kg=102.8Kgv釜內液相物料加權平均溫度釜內液相物料加權平均溫度(4352.2)2 10(52.256.5)2 10(56.558.3)2 5(58. 359.4)2 510 1055T =53.36時間釜 內夾套內環 境液溫T/汽溫T/進水溫t1

36、/出水溫t1/水量/Kg溫度1/溫度2/8:2543.037.563.262.5161.2330.530.58:3552.245.063.662.7162.1431.031.58:4556.550.063.262.8162.9431.331.58:5058.350.563.262.8163.3531.532.08:5559.452.063.262.8163.7131.732.09:1554.9750.022.725.1164.1731.832.09:2549.645.522.123.6164.6532.132.09:3546.2742.021.923.0165.1432.032.09:4544

37、.140.521.922.7165.5932.533.09:5542.540.021.922.5166.0232.533.010:0541.33821.922.4166.5932.533.010:1540.6037.521.922.4166.9732.633.0表表5 53 3 反應釜傳熱系數測定反應釜傳熱系數測定夾套內水的加權平均溫度夾套內水的加權平均溫度同樣對夾套進水（同樣對夾套進水（t t1 1）出水（）出水（t t2 2）溫度求加權平）溫度求加權平均值，得出：均值，得出：t t1 1=63.48=63.48，t t2 2=62.72=62.72則夾套內水的平均溫度為：則夾套內水的平均溫

38、度為：t=(tt=(t1 1+t+t2 2)/2=63.10)/2=63.10環境加權平均溫度環境加權平均溫度用相同的方法求出環境的平均溫度用相同的方法求出環境的平均溫度31.3031.30釜內汽相加權平均溫度釜內汽相加權平均溫度T T46.5046.50釜體溫度釜體溫度用下式近似估計釜體的平均溫度用下式近似估計釜體的平均溫度3RTTtT則釜體開始時平均溫度為：則釜體開始時平均溫度為：043.037.563.1047.93RT釜體終了時的平均溫度為：釜體終了時的平均溫度為：59.452.063.1058.13RT8 8：25258 8：5555時間段內冷卻水量時間段內冷卻水量W W=163.7

39、1-161.23=2.48Kg=163.71-161.23=2.48Kg將上述數據代入式（將上述數據代入式（5 58 8），得到反應釜吸熱時），得到反應釜吸熱時的傳熱系數：的傳熱系數：K KR R=-51.83 Kj/(m=-51.83 Kj/(m2 2h h)對對9 9：15151010：1515時間段進行熱量平衡，采用上時間段進行熱量平衡，采用上述方法求得反應釜放熱時的傳熱系數述方法求得反應釜放熱時的傳熱系數K KR R=534.68 Kj/(m=534.68 Kj/(m2 2h h)3.測定物料的熱化學性質測定物料的熱化學性質v將將159Kg159Kg物料投入搪瓷反應釜中，開始在夾套內通

40、物料投入搪瓷反應釜中，開始在夾套內通入熱水加熱升溫（入熱水加熱升溫（1414：000014:4514:45）。然后在夾套）。然后在夾套內通入冷水控制釜內溫度在內通入冷水控制釜內溫度在60606565范圍內反應范圍內反應（1414：50502020：5050），每小時取樣分析主反應物的），每小時取樣分析主反應物的量（量（molmol）。最后在夾套內通入冷水將釜內物料降）。最后在夾套內通入冷水將釜內物料降溫后（溫后（2020：50502121：3030）出料。整個反應過程的情）出料。整個反應過程的情況見表況見表5 54 4。表表5 54 4 測定物料的熱化學性質測定物料的熱化學性質時間時間釜內釜內

41、夾套內夾套內環境環境主反應主反應物量物量/mol液溫液溫/汽溫汽溫/進水溫進水溫/出水溫出水溫/出水量出水量/Kg溫度溫度1 1/溫度溫度2 2/14:0037.138.034.837.8148.6135.535.814:1038.8740.071.264.9148.8135.835.814:2043.940.063.862.7149.0235.836.014:3050.4342.062.662.1149.7636.036.514:4054.0745.061.760.8149.8736.337.014:5057.5347.033.448.5149.8937.035.725.5815:2058.

42、3050.226.941.3150.0336.436.015:5058.4750.226.342.7150.1436.436.523.6616:2059.1721.026.239.2150.3936.536.516:5059.1351.024.936.6150.4836.036.518.2217:2059.4351.023.832.2150.7036.036.0表表5 54 4 測定物料的熱化學性質測定物料的熱化學性質時間時間釜內釜內夾套內夾套內環境環境主反應主反應物量物量/mol液溫液溫/汽溫汽溫/進水溫進水溫/出水溫出水溫/出水量出水量/Kg溫度溫度1 1/溫度溫度2 2/17:5059.

43、5351.024.136.5151.0234.835.012.7218:2060.5752.023.130.7151.3333.834.018:5060.3752.023.433.8151.6333.233.26.3719:2060.4351.523.136.5151.7132.032.019:5060.4351.523.841.9151.8931.531.51.4220:2060.3751.525.045.2151.9331.031.020:5060.4051.526.044.7151.9531.231.221:0056.9351.521.724.2152.5330.630.621:1053

44、.4050.021.623.3152.9630.530.521:2050.4347.021.622.8153.4330.230.221:3048.2345.021.522.7153.8930.230.2物料的比熱容物料的比熱容在反應結束后，可將降溫階段看作物料的降溫過程，在反應結束后，可將降溫階段看作物料的降溫過程，已不存在反應熱的放出，即已不存在反應熱的放出，即Q QR R0 0。此時熱量衡算式為：。此時熱量衡算式為：mpCp(t0-t)+4.184W (t1-t2)+mRCPR(TR0-t R)KRAT(T-)+ KR Aj (t-) (5-9)采用類似上面的方法對采用類似上面的方法對21

45、21：00002121：3030的時間段進的時間段進行熱量衡算，得到物料的比熱容：行熱量衡算，得到物料的比熱容：C CP P=3.96 =3.96 KjKj/(Kg/(Kg)反應熱反應熱采用熱量衡算式（采用熱量衡算式（5 57 7）對）對1515：505016:5016:50時間段進行熱時間段進行熱量衡算，依次求得：量衡算，依次求得：T T0 0=58.47,T=58.47,T=59.13,T=59.13,TR0R0=42.72,T=42.72,TR R=46.96=46.96t t2 2=39.43,t=39.43,t1 1=25.90,t=32.67,=25.90,t=32.67,=36.

46、5=36.5T T=50.8,W=50.8,W=340Kg,=340Kg,經計算得到反應熱為：經計算得到反應熱為：Q QR R18315.5Kj18315.5Kj在此時間段反應掉的主反應物的量為：在此時間段反應掉的主反應物的量為：23.6623.6618.2218.225.44mol,5.44mol,則摩爾反應熱為：則摩爾反應熱為：18315.53366.8/5.44RHKJ mol4.測定反應釜筒體的總傳熱系數測定反應釜筒體的總傳熱系數v在間歇反應過程中，反應放熱量是不均勻的，在進行反應在間歇反應過程中，反應放熱量是不均勻的，在進行反應釜設計時，應以最大熱負荷來計算傳熱面積。因此，測定釜設計

47、時，應以最大熱負荷來計算傳熱面積。因此，測定也應在反應熱放熱量大的階段進行。本例以也應在反應熱放熱量大的階段進行。本例以15：5016:50時段反應掉的主反應物量較多，故應以該時段為基準進行時段反應掉的主反應物量較多，故應以該時段為基準進行計算。計算。v冷卻水帶走的熱量冷卻水帶走的熱量v1515：50501616：2020冷卻水帶走的熱量冷卻水帶走的熱量126.326.226.252t242.739.240.952tQ1=(150.39-150.14)10004.184(40.95-26.35)=15376.2KJv16:2016:201616：5050冷卻水帶走的熱量冷卻水帶走的熱量126.

48、224.925.552t239.236.637.92tQ2=(150.48-150.39)10004.184(37.9-25.55)=4650.5KJ環境吸收的熱量環境吸收的熱量25.939.4332.662t136.436.536.536.036.354236.536.536.536.536.5436.3536.536.4252Q Q3 3K KR RA Aj j(t(t- -)=-51.83)=-51.830.770.77(36.425-32.66)=-150.3KJ(36.425-32.66)=-150.3KJ反應釜筒體總傳熱系數反應釜筒體總傳熱系數q=q=KAKAj jt tm m12

49、315376.24650.5 150.319876.4/1QQQqKJ h58.4759.1759.1759.1358.9854T212139.42525.925.73358.98525.9lnln58.98539.425mtttTtTt19876.41003.130.77 25.733jmqKAtKj/(m2h)v注：當反應物系為部分互溶或非均相物系時，注：當反應物系為部分互溶或非均相物系時，攪拌分散效果顯得非常重要，此時除了上述攪拌分散效果顯得非常重要，此時除了上述參數外，還應對攪拌器形式、攪拌速率進行參數外，還應對攪拌器形式、攪拌速率進行測定，并尋求放大判據。測定，并尋求放大判據。第二節

50、第二節 數學模擬法數學模擬法v數學模擬法是以建立數學模型為目的的研究方法。數學模擬法是以建立數學模型為目的的研究方法。v一一. .數學模型數學模型v模型通常是指描述一個系統的各種參數及變量之間的數模型通常是指描述一個系統的各種參數及變量之間的數學關系。學關系。v化工過程的數學模型一般是一組微分方程或是一種代數化工過程的數學模型一般是一組微分方程或是一種代數方程，它是描述過程動態規律的。方程，它是描述過程動態規律的。v化工過程的數學模型可以將試驗裝置、中試裝置，甚至化工過程的數學模型可以將試驗裝置、中試裝置，甚至大型生產裝置的測試數據，通過數學回歸，獲得純經驗大型生產裝置的測試數據，通過數學回歸

51、，獲得純經驗的數學關系，這就是經驗模型；也可以從化工過程的機的數學關系，這就是經驗模型；也可以從化工過程的機理出發推導，并經過試驗驗證的過程數學模型，即機理理出發推導，并經過試驗驗證的過程數學模型，即機理模型。模型。注意：注意：經驗模型只在試驗范圍內有效，不能用于外推，因經驗模型只在試驗范圍內有效，不能用于外推，因此受到限制。此受到限制。機理模型允許外推，是化工過程開發中理想的放大機理模型允許外推，是化工過程開發中理想的放大方法。方法。但是，由于化工過程，特別是反應過程的復雜性，很但是，由于化工過程，特別是反應過程的復雜性，很難建立一個純機理模型。工業設計放大時，要求既能難建立一個純機理模型。

52、工業設計放大時，要求既能描述過程特征，又要求簡單以便于應用，因此如何對描述過程特征，又要求簡單以便于應用，因此如何對過程進行合理簡化，是建立數學模型的關鍵問題。過程進行合理簡化，是建立數學模型的關鍵問題。數學模型建立的步驟模型準備模型假設模型構成模型求解模型分析v反應過程是建立在質量傳遞、熱量傳遞、動量傳遞反應過程是建立在質量傳遞、熱量傳遞、動量傳遞和化學反應過程基礎上的，而且各種傳遞過程間，和化學反應過程基礎上的，而且各種傳遞過程間，以及它們與反應過程都是有密切聯系的。以及它們與反應過程都是有密切聯系的。v對于這樣復雜的反應過程體系，一般是將反應過程對于這樣復雜的反應過程體系，一般是將反應過

53、程分解成多個分解成多個“等效的等效的”簡單過程，再對分解的過程簡單過程，再對分解的過程進行研究。這樣可以使研究問題得到簡化。進行研究。這樣可以使研究問題得到簡化。v例如，通常將反應過程分解為化學反應與傳遞過程例如，通常將反應過程分解為化學反應與傳遞過程進行研究。進行研究。反應過程反應過程化學反應化學反應傳遞過程傳遞過程純化學過程純化學過程，不受反應器結不受反應器結構的影響構的影響純物理過程，純物理過程，只隨設備結構只隨設備結構形式和流動混形式和流動混合狀態而改變合狀態而改變數學模型數學模型綜合綜合反應過程建立數學模型示意圖反應過程建立數學模型示意圖1.1.研究反應過程研究反應過程v以化學反應為

54、研究對象，在實驗室進行反應動力學、熱力學的特征研究，并進行基礎數據的測定，以掌握反應過程的內在規律。v由于化學反應是一個微觀過程，其規律一般不隨設備尺寸而變化，因此，反應動力學數據可以在小試裝置中進行測定。在反應過程研究中，影響因素多，要盡可能的排除外界因素對研究對象的影響。只有這樣，才能通過表面現象看到所研究的反應體系的本質。v化學反應是化工生產的核心部分，決定著產品的收化學反應是化工生產的核心部分，決定著產品的收率，對生產成本有著重要影響。盡管如此，在早期率，對生產成本有著重要影響。盡管如此，在早期因其復雜性而阻礙了人們對它的系統研究。直到因其復雜性而阻礙了人們對它的系統研究。直到20世紀

55、中葉，在單元操作和傳遞過程研究的基礎上，世紀中葉，在單元操作和傳遞過程研究的基礎上，發現了各種反應過程具有的共性問題，如反應器的發現了各種反應過程具有的共性問題，如反應器的返混、反應相內傳質和傳熱，反應相外傳質和傳熱、返混、反應相內傳質和傳熱，反應相外傳質和傳熱、反應器的穩定性等。對于這些問題的研究，以及對反應器的穩定性等。對于這些問題的研究，以及對反應動力學各種效應的研究，構成了一個新的學科反應動力學各種效應的研究，構成了一個新的學科分支分支化學反應工程學，從而使化學工程的內容化學反應工程學，從而使化學工程的內容和方法得到了充實和發展。和方法得到了充實和發展。v化工熱力學也是單元操作和反應工

56、程的理論基礎，化工熱力學也是單元操作和反應工程的理論基礎，研究傳遞過程的方向和極限，提供過程分析和設計研究傳遞過程的方向和極限，提供過程分析和設計所需的有關基礎數據。因此，化學工程的學科分支所需的有關基礎數據。因此，化學工程的學科分支也可以分兩個層面：單元操作和反應工程較多的直也可以分兩個層面：單元操作和反應工程較多的直接面向工業實際；傳遞過程和化工熱力學較多的從接面向工業實際；傳遞過程和化工熱力學較多的從基礎研究角度，支持前兩個分支。通過兩個層面使基礎研究角度，支持前兩個分支。通過兩個層面使理論和實際得以密切結合。理論和實際得以密切結合。v有關反應動力學的試驗研究，已有大量的書籍和文有關反應

57、動力學的試驗研究，已有大量的書籍和文獻資料，下面僅對反應動力學的試驗研究進行簡單獻資料，下面僅對反應動力學的試驗研究進行簡單介紹。介紹。（1 1）反應動力學模型）反應動力學模型v常用的反應動力學模型如下常用的反應動力學模型如下v冪函數型冪函數型v例如反應速率為：例如反應速率為：abABrkC C式中：式中：C CA A、C CB B分別為反應物分別為反應物A A和和B B的濃度；的濃度； k k、a a、b b模型參數模型參數對于均相反應，冪函數是一種機理模型，也可作對于均相反應，冪函數是一種機理模型，也可作為復雜反應的經驗模型。為復雜反應的經驗模型。雙曲型v例如反應速率為例如反應速率為：1A

58、BAABkp prK p p式中：式中：PA、PB-分別為反應物分別為反應物A A和和B B的分壓的分壓 k,Kk,KA A,K,KB B模型參數模型參數這種模型特別適用于非均相催化反應，也是一種機這種模型特別適用于非均相催化反應，也是一種機理模型。理模型。級數型v例如反應速率為例如反應速率為：式中：式中：CA、CB-分別為反應物分別為反應物A A和和B B的濃度的濃度 b b1 1,b,b2 2,b,b3 3,b,b4 4,b,b5 5模型參數模型參數這是一種經驗模型，它表示的關系式是一種復雜函數這是一種經驗模型，它表示的關系式是一種復雜函數的泰勒級數展開式的前幾項，根據逼近程度，還可以的泰

59、勒級數展開式的前幾項，根據逼近程度，還可以增加冪次。增加冪次。22012345ABABABrbbCb Cb Cb Cb C C（2）反應動力學的實驗測定）反應動力學的實驗測定v微分反應器：指反應物料高速通過小體積的反應區，微分反應器：指反應物料高速通過小體積的反應區，僅發生微小的轉化（一般轉化率小于僅發生微小的轉化（一般轉化率小于5 5）。）。v這種反應器的特點：這種反應器的特點：va.a.由于反應床層中流速快，轉化率低，可以認為不存在由于反應床層中流速快，轉化率低，可以認為不存在返混和擴散阻力，溫度和濃度基本一致，因此可獲得真返混和擴散阻力，溫度和濃度基本一致，因此可獲得真正的反應動力學規律

60、；正的反應動力學規律；vb.b.由于反應轉化率很小，所獲得的數據可直接建立動力由于反應轉化率很小，所獲得的數據可直接建立動力學微分表達式。但是，微分反應器對進出口濃度的分析學微分表達式。但是，微分反應器對進出口濃度的分析提出很高的要求。而且對溫度、流量和壓力的測量精度提出很高的要求。而且對溫度、流量和壓力的測量精度要求也高，在實際操作上存在許多困難，因此微分反應要求也高，在實際操作上存在許多困難，因此微分反應器僅用于簡單反應的動力學測定。器僅用于簡單反應的動力學測定。（2）反應動力學的實驗測定）反應動力學的實驗測定v對微分反應器，可以假定在進口轉化率（對微分反應器，可以假定在進口轉化率（x x