化工過程開發(fā)概論2

1、 第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 用模型研究化工過程發(fā)生的各種現(xiàn)象和規(guī)律用以用模型研究化工過程發(fā)生的各種現(xiàn)象和規(guī)律用以取得放大設(shè)計的依據(jù)，是化工過程開發(fā)中常采用的開取得放大設(shè)計的依據(jù)，是化工過程開發(fā)中常采用的開發(fā)放大方法。發(fā)放大方法。 研究化工過程放大規(guī)則的模型有研究化工過程放大規(guī)則的模型有 “物質(zhì)模型物質(zhì)模型”和和“非物質(zhì)模型非物質(zhì)模型”兩種形式。前者是指那些與生產(chǎn)裝置或兩種形式。前者是指那些與生產(chǎn)裝置或設(shè)備相似，但小于生產(chǎn)規(guī)模的試驗裝置或設(shè)備，后設(shè)備相似，但小于生產(chǎn)規(guī)模的試驗裝置或設(shè)備，后者則為描述過程動態(tài)規(guī)律并與過程運行實際情況等效者則為描述過程動態(tài)規(guī)律并與過程運行實際情況等效的

2、數(shù)學模型，凡根據(jù)模型模擬過程所得研究結(jié)果將過的數(shù)學模型，凡根據(jù)模型模擬過程所得研究結(jié)果將過程加以放大的方法，統(tǒng)稱為程加以放大的方法，統(tǒng)稱為“模擬放大模擬放大”。 目前化工過程開發(fā)有四種方法，它們是逐級經(jīng)驗?zāi)壳盎み^程開發(fā)有四種方法，它們是逐級經(jīng)驗放大法，數(shù)學模擬法，部分解析法和相似放大法。放大法，數(shù)學模擬法，部分解析法和相似放大法。第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 一、逐級經(jīng)驗放大法一、逐級經(jīng)驗放大法 逐級經(jīng)驗放大法是運用物質(zhì)模型從實驗室逐級經(jīng)驗放大法是運用物質(zhì)模型從實驗室規(guī)模的小試開始，經(jīng)過逐級放大的模型試驗研規(guī)模的小試開始，經(jīng)過逐級放大的模型試驗研究直到將化工過程放大成為生產(chǎn)規(guī)模。這

3、種放究直到將化工過程放大成為生產(chǎn)規(guī)模。這種放大方法每放大一級都必須建立相應(yīng)的模型裝置，大方法每放大一級都必須建立相應(yīng)的模型裝置，詳細觀察和記錄模型試驗中發(fā)生的各種現(xiàn)象和詳細觀察和記錄模型試驗中發(fā)生的各種現(xiàn)象和結(jié)果。而每一級放大設(shè)計的依據(jù)主要是前一級結(jié)果。而每一級放大設(shè)計的依據(jù)主要是前一級試驗所取得的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)，故為經(jīng)驗性質(zhì)試驗所取得的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)，故為經(jīng)驗性質(zhì)的放大。的放大。第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 逐級經(jīng)驗放大法逐級經(jīng)驗放大法 1、研究方法、研究方法 化工過程開發(fā)需要解決的問題通常是如何合理選擇化工過程開發(fā)需要解決的問題通常是如何合理選擇設(shè)備型式，確定最佳的工藝條件，以及

4、將設(shè)備放大達到設(shè)備型式，確定最佳的工藝條件，以及將設(shè)備放大達到過程開發(fā)的目標。而逐級經(jīng)驗放大法的研究方法則主要過程開發(fā)的目標。而逐級經(jīng)驗放大法的研究方法則主要是通過試驗來取得設(shè)備選型，條件優(yōu)化和設(shè)備放大的信是通過試驗來取得設(shè)備選型，條件優(yōu)化和設(shè)備放大的信息和結(jié)論。息和結(jié)論。 1 1）設(shè)備選型）設(shè)備選型 設(shè)備選型通常都以小試驗的方式進行。因為過程開設(shè)備選型通常都以小試驗的方式進行。因為過程開發(fā)初期技術(shù)方案尚未確定，不可能花費大量投資建立各發(fā)初期技術(shù)方案尚未確定，不可能花費大量投資建立各種型式的大型設(shè)備作設(shè)備型式的篩選試驗，例如化學反種型式的大型設(shè)備作設(shè)備型式的篩選試驗，例如化學反應(yīng)器選型是采用不

5、同型式和結(jié)構(gòu)的小型反應(yīng)器，在實驗應(yīng)器選型是采用不同型式和結(jié)構(gòu)的小型反應(yīng)器，在實驗室對所開發(fā)的反應(yīng)過程進行試驗研究。從試驗結(jié)果的優(yōu)室對所開發(fā)的反應(yīng)過程進行試驗研究。從試驗結(jié)果的優(yōu)劣，即可確定最佳型式的反應(yīng)器。這種試驗考察的因素劣，即可確定最佳型式的反應(yīng)器。這種試驗考察的因素僅僅是設(shè)備的型式和結(jié)構(gòu)，故為僅僅是設(shè)備的型式和結(jié)構(gòu)，故為結(jié)構(gòu)變量試驗結(jié)構(gòu)變量試驗。第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 逐級經(jīng)驗放大法逐級經(jīng)驗放大法 2 2）優(yōu)化工藝條件）優(yōu)化工藝條件 優(yōu)化工藝條件的試驗研究應(yīng)在設(shè)備選型試驗之后進優(yōu)化工藝條件的試驗研究應(yīng)在設(shè)備選型試驗之后進行，如果設(shè)備型式未定，則條件優(yōu)化將無意義。這種試行，

6、如果設(shè)備型式未定，則條件優(yōu)化將無意義。這種試驗仍然可以在設(shè)備選型所確定的小型試驗設(shè)備內(nèi)進行。驗仍然可以在設(shè)備選型所確定的小型試驗設(shè)備內(nèi)進行。試驗考察的因素是各種工藝條件，并從不同操作條件的試驗考察的因素是各種工藝條件，并從不同操作條件的試驗結(jié)果對比中篩選出最佳工藝條化。由于試驗僅僅改試驗結(jié)果對比中篩選出最佳工藝條化。由于試驗僅僅改變工藝操作條件，故為變工藝操作條件，故為操作變量試驗操作變量試驗。 3）反應(yīng)器放大）反應(yīng)器放大 反應(yīng)器放大的試驗研究是采用建立模型裝置的方式反應(yīng)器放大的試驗研究是采用建立模型裝置的方式進行逐級放大，每放大一級都必須重復(fù)前一級試驗確定進行逐級放大，每放大一級都必須重復(fù)前

7、一級試驗確定的條件，考察放大效應(yīng)，并取得設(shè)備放大的有關(guān)判據(jù)或的條件，考察放大效應(yīng)，并取得設(shè)備放大的有關(guān)判據(jù)或數(shù)據(jù)。這種試驗所考數(shù)據(jù)。這種試驗所考察的因素是設(shè)備幾何尺寸改變以后察的因素是設(shè)備幾何尺寸改變以后對于過程結(jié)果產(chǎn)生的影響，故為對于過程結(jié)果產(chǎn)生的影響，故為幾何變量試驗幾何變量試驗。 第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 逐級經(jīng)驗放大法逐級經(jīng)驗放大法 通過以上三種獨立的變量試驗基本上可以取得化工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(fā)所需要的設(shè)備型式，最佳工藝條件，以及放大過程開發(fā)所需要的設(shè)備型式，最佳工藝條件，以及放大設(shè)計的判據(jù)和數(shù)據(jù)等信息和資料，為建立生產(chǎn)裝置提供設(shè)計的判據(jù)

8、和數(shù)據(jù)等信息和資料，為建立生產(chǎn)裝置提供了比較可靠的依據(jù)。了比較可靠的依據(jù)。 從以上研究方法的討論可見，逐級經(jīng)驗放大法具有從以上研究方法的討論可見，逐級經(jīng)驗放大法具有如下特征：如下特征： 只綜合考察輸入變量和輸出結(jié)果的關(guān)系，未分解過程，只綜合考察輸入變量和輸出結(jié)果的關(guān)系，未分解過程，不能深入研究過程的內(nèi)在規(guī)律。不能深入研究過程的內(nèi)在規(guī)律。 試驗步驟由人為規(guī)定，并非科學合理的研究程序。試驗步驟由人為規(guī)定，并非科學合理的研究程序。 放大是根據(jù)試驗結(jié)果外推，并不一定可靠。放大是根據(jù)試驗結(jié)果外推，并不一定可靠。 但是化工過程開發(fā)技術(shù)的發(fā)展和人們在開發(fā)工作中但是化工過程開發(fā)技術(shù)的發(fā)展和人們在開發(fā)工作中已經(jīng)

9、能夠運用理論分析和經(jīng)驗判斷解決許多放大問題，已經(jīng)能夠運用理論分析和經(jīng)驗判斷解決許多放大問題，在一定程度上彌補了逐級經(jīng)驗放大法的缺陷。當前這種在一定程度上彌補了逐級經(jīng)驗放大法的缺陷。當前這種方法仍然是廣泛采用的成熟的化工過程開發(fā)方法。方法仍然是廣泛采用的成熟的化工過程開發(fā)方法。 第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 逐級經(jīng)驗放大法逐級經(jīng)驗放大法 例例1. 用異丙苯為原料生產(chǎn)苯酚和丙酮。采用逐級經(jīng)用異丙苯為原料生產(chǎn)苯酚和丙酮。采用逐級經(jīng)驗放大法對過氧化氫異丙苯分解反應(yīng)器進行放大。驗放大法對過氧化氫異丙苯分解反應(yīng)器進行放大。 異丙苯生成苯酚和丙酮的反應(yīng)分兩步進行：異丙苯生成苯酚和丙酮的反應(yīng)分兩步進

10、行：（1）異丙苯氧化生成過氧化氫異丙苯）異丙苯氧化生成過氧化氫異丙苯 （2）過氧化氫異丙苯用硫酸作催化劑在液相中分解生成）過氧化氫異丙苯用硫酸作催化劑在液相中分解生成苯酚和丙酮苯酚和丙酮 苯酚和丙酮的收率取決于第二步反應(yīng)，而且硫酸的苯酚和丙酮的收率取決于第二步反應(yīng)，而且硫酸的濃度越高，分解速率越高。分解反應(yīng)為一級不可逆反應(yīng)。濃度越高，分解速率越高。分解反應(yīng)為一級不可逆反應(yīng)。 第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 逐級經(jīng)驗放大法逐級經(jīng)驗放大法 (1)反應(yīng)器選型反應(yīng)器選型 對于均液相反應(yīng)，釜式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器均可應(yīng)對于均液相反應(yīng)，釜式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器均可應(yīng)用。但試驗結(jié)果說明，在相同反應(yīng)條件和

11、相同反應(yīng)器體用。但試驗結(jié)果說明，在相同反應(yīng)條件和相同反應(yīng)器體積的情況下，采用連續(xù)流動管式反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率為積的情況下，采用連續(xù)流動管式反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率為98.8%，而采用連續(xù)操作攪拌釜的轉(zhuǎn)化率只能達到，而采用連續(xù)操作攪拌釜的轉(zhuǎn)化率只能達到97.8%左左右。至于間歇操作攪拌釜與連續(xù)流動管式反應(yīng)器比較，右。至于間歇操作攪拌釜與連續(xù)流動管式反應(yīng)器比較，顯然由于間歇釜在操作過程中必須保留一定的非生產(chǎn)性顯然由于間歇釜在操作過程中必須保留一定的非生產(chǎn)性輔助時間，而且一般釜式設(shè)備都各有一定的有效容積，輔助時間，而且一般釜式設(shè)備都各有一定的有效容積，必須保留一定的自由空間，要達到相同的轉(zhuǎn)化率和相同必須保留一定的自

12、由空間，要達到相同的轉(zhuǎn)化率和相同的反應(yīng)物料處理能力，則所需的設(shè)備體積要比連續(xù)流動的反應(yīng)物料處理能力，則所需的設(shè)備體積要比連續(xù)流動管式反應(yīng)器的體積大許多。管式反應(yīng)器的體積大許多。 考慮到苯酚和丙酮考慮到苯酚和丙酮為重要的基本有機化工產(chǎn)品，生為重要的基本有機化工產(chǎn)品，生產(chǎn)量較大。選用連續(xù)流動管式反應(yīng)器比較適宜。產(chǎn)量較大。選用連續(xù)流動管式反應(yīng)器比較適宜。 第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 逐級經(jīng)驗放大法逐級經(jīng)驗放大法 (2)工藝條件優(yōu)化工藝條件優(yōu)化 在實驗室選用一根直徑為在實驗室選用一根直徑為40 mm，長，長1202mm的反的反應(yīng)管應(yīng)管(1.51 L)進行試驗，分別考察反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫進行

13、試驗，分別考察反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度、催化劑濃度和反應(yīng)物料流量等工藝條件對反應(yīng)結(jié)果度、催化劑濃度和反應(yīng)物料流量等工藝條件對反應(yīng)結(jié)果的影響。試驗發(fā)現(xiàn)上述工藝條件對反應(yīng)結(jié)果都有不同程的影響。試驗發(fā)現(xiàn)上述工藝條件對反應(yīng)結(jié)果都有不同程度的影響。其中過氧化氫異丙苯的分解速率隨著反應(yīng)物度的影響。其中過氧化氫異丙苯的分解速率隨著反應(yīng)物料濃度、反應(yīng)溫度和催化劑濃度的提高而加快，但達到料濃度、反應(yīng)溫度和催化劑濃度的提高而加快，但達到一定數(shù)值后，分解速率的變化逐漸減緩。至于反應(yīng)物料一定數(shù)值后，分解速率的變化逐漸減緩。至于反應(yīng)物料的流量則不宜過大，因為流量過大，反應(yīng)物科在反應(yīng)器的流量則不宜過大，因為流量過大，反應(yīng)物科

14、在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間較短內(nèi)的停留時間較短, 物料分解不完全，而致轉(zhuǎn)化率和收物料分解不完全，而致轉(zhuǎn)化率和收率下降。根據(jù)試驗結(jié)果，選定的較佳工藝條件為：率下降。根據(jù)試驗結(jié)果，選定的較佳工藝條件為： 反應(yīng)物料濃度：反應(yīng)物料濃度：3.2kmol.m-3 反應(yīng)溫度：反應(yīng)溫度：359K 硫酸濃度（催化劑）：硫酸濃度（催化劑）：6N 反應(yīng)物料流量：反應(yīng)物料流量：0.1m3.h-1 此時過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率為此時過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率為98.8。第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 逐級經(jīng)驗放大法逐級經(jīng)驗放大法 (3)反應(yīng)器放大反應(yīng)器放大 放大試驗分兩級進行，首先取一根直徑為放大試驗分兩級進行，首先取一根

15、直徑為40 mm，長長1719mm的反應(yīng)管的反應(yīng)管(2.15L)按上述工藝條件進行試驗，按上述工藝條件進行試驗，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率提高至反應(yīng)轉(zhuǎn)化率提高至99.8%。然后按。然后按2.15L反應(yīng)管的尺寸比反應(yīng)管的尺寸比例將反應(yīng)管體積放大至例將反應(yīng)管體積放大至10L，并將反應(yīng)物料流量相應(yīng)增，并將反應(yīng)物料流量相應(yīng)增大至大至0.464m3.h-1, 進行試驗進行試驗,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率仍可達到反應(yīng)轉(zhuǎn)化率仍可達到99.8%，未發(fā)現(xiàn)放大效應(yīng)。未發(fā)現(xiàn)放大效應(yīng)。 從上述試驗結(jié)果看，維持小試工藝條件將反應(yīng)器體從上述試驗結(jié)果看，維持小試工藝條件將反應(yīng)器體積由積由1.51L增大至增大至2.15L，反應(yīng)轉(zhuǎn)化，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率僅增加率僅增加

16、1%，而反，而反應(yīng)器體積則要增大應(yīng)器體積則要增大30%，說明反應(yīng)后期反應(yīng)速率已經(jīng)變，說明反應(yīng)后期反應(yīng)速率已經(jīng)變得十分緩慢，此時若要提高產(chǎn)品收率就必需增大反應(yīng)器得十分緩慢，此時若要提高產(chǎn)品收率就必需增大反應(yīng)器體積，從技術(shù)經(jīng)濟觀點考慮，片面追求高轉(zhuǎn)化率并不一體積，從技術(shù)經(jīng)濟觀點考慮，片面追求高轉(zhuǎn)化率并不一定妥當。因此反應(yīng)器放大設(shè)計應(yīng)依轉(zhuǎn)化率達到定妥當。因此反應(yīng)器放大設(shè)計應(yīng)依轉(zhuǎn)化率達到98.8的的要求計算。要求計算。 第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 逐級經(jīng)驗放大法逐級經(jīng)驗放大法 (4)反應(yīng)器設(shè)計反應(yīng)器設(shè)計 生產(chǎn)要求每小時處理過氧化氫異丙苯濃度為生產(chǎn)要求每小時處理過氧化氫異丙苯濃度為3.2km

17、ol.m-3的反應(yīng)物料的反應(yīng)物料3m3，確定反應(yīng)器的體積。，確定反應(yīng)器的體積。 由于過氧化氫異丙苯的分解為均液相反應(yīng)，反應(yīng)溫由于過氧化氫異丙苯的分解為均液相反應(yīng)，反應(yīng)溫度和催化劑濃度等工藝條件的要求不苛刻，反應(yīng)過程進度和催化劑濃度等工藝條件的要求不苛刻，反應(yīng)過程進行得比較完全，經(jīng)放大試驗考察末發(fā)現(xiàn)放大效應(yīng)，所以行得比較完全，經(jīng)放大試驗考察末發(fā)現(xiàn)放大效應(yīng)，所以生產(chǎn)用反應(yīng)器的設(shè)計可以按試驗用反應(yīng)器的尺寸，依要生產(chǎn)用反應(yīng)器的設(shè)計可以按試驗用反應(yīng)器的尺寸，依要求完成的反應(yīng)物料處理量，保持反應(yīng)器幾何相似，用外求完成的反應(yīng)物料處理量，保持反應(yīng)器幾何相似，用外推法按比例放大。因放大倍數(shù)較小，可認為符合線性變

18、推法按比例放大。因放大倍數(shù)較小，可認為符合線性變化規(guī)律。當要求反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達到化規(guī)律。當要求反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達到98.8%，用反應(yīng)管體積，用反應(yīng)管體積為為1.51L模型反應(yīng)器作幾何相似放大時，由外推法算出的模型反應(yīng)器作幾何相似放大時，由外推法算出的生產(chǎn)用反應(yīng)器的體積為生產(chǎn)用反應(yīng)器的體積為0.0453m3(45.3L)。如果要求反應(yīng)。如果要求反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達到轉(zhuǎn)化率達到99.8%，則用反應(yīng)管體積為，則用反應(yīng)管體積為2.15L的模型反應(yīng)的模型反應(yīng)器作幾何相似器作幾何相似放大，由外推法算出的生產(chǎn)用反應(yīng)器的體放大，由外推法算出的生產(chǎn)用反應(yīng)器的體積為積為0.0645m3(64.5L)。 第三章第三章 開發(fā)放大方法開

19、發(fā)放大方法 逐級經(jīng)驗放大法逐級經(jīng)驗放大法 二、數(shù)學模擬法二、數(shù)學模擬法 數(shù)學模擬法是一種新開發(fā)方法，它不一定要通過數(shù)學模擬法是一種新開發(fā)方法，它不一定要通過試驗去取得放大的判據(jù)和數(shù)據(jù)，一般是在認識過程特征試驗去取得放大的判據(jù)和數(shù)據(jù)，一般是在認識過程特征的基礎(chǔ)上，運用理論分析找到描述過程規(guī)律的數(shù)學模型，的基礎(chǔ)上，運用理論分析找到描述過程規(guī)律的數(shù)學模型，并驗證該模型與實際過程等效，就可以用來進行放大設(shè)并驗證該模型與實際過程等效，就可以用來進行放大設(shè)計計算。計計算。 1. 數(shù)學模型數(shù)學模型 數(shù)學模型通常是一組微分方程或者一組代數(shù)方程，數(shù)學模型通常是一組微分方程或者一組代數(shù)方程，用以描述過程的動態(tài)規(guī)律

20、。由于化工用以描述過程的動態(tài)規(guī)律。由于化工過程一般都比較復(fù)過程一般都比較復(fù)雜，要找到真實描述過程動態(tài)規(guī)律的數(shù)學模型往往十分雜，要找到真實描述過程動態(tài)規(guī)律的數(shù)學模型往往十分困難，即使是能夠找到，也常因模型過于復(fù)雜，而無法困難，即使是能夠找到，也常因模型過于復(fù)雜，而無法實際應(yīng)用。因此，對于數(shù)學模型的要求，既要能夠描述實際應(yīng)用。因此，對于數(shù)學模型的要求，既要能夠描述過程，又要簡單而便于應(yīng)用。過程，又要簡單而便于應(yīng)用。 第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法 1） 建立數(shù)學模型的思想方法建立數(shù)學模型的思想方法 建立數(shù)學模型首先應(yīng)掌握化工過程運行的動態(tài)規(guī)律，建立數(shù)學模型首先

21、應(yīng)掌握化工過程運行的動態(tài)規(guī)律，然后才能找到描述這種動態(tài)規(guī)律的數(shù)學方法。例如，描然后才能找到描述這種動態(tài)規(guī)律的數(shù)學方法。例如，描述反應(yīng)器內(nèi)進行化學反應(yīng)的數(shù)學模型，必須在掌握了化述反應(yīng)器內(nèi)進行化學反應(yīng)的數(shù)學模型，必須在掌握了化學反應(yīng)熱力學和動力學規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同型式反學反應(yīng)熱力學和動力學規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同型式反應(yīng)器內(nèi)物料流動與混合規(guī)律，以及傳熱和傳質(zhì)規(guī)律，才應(yīng)器內(nèi)物料流動與混合規(guī)律，以及傳熱和傳質(zhì)規(guī)律，才能建立以物料衡算式、熱量衡算式和動量衡算式聯(lián)立方能建立以物料衡算式、熱量衡算式和動量衡算式聯(lián)立方程組表示的數(shù)學模型。該模型反映了反應(yīng)器內(nèi)物料進行程組表示的數(shù)學模型。該模型反映了反應(yīng)器內(nèi)物

22、料進行化學反應(yīng)的動態(tài)規(guī)律。求解聯(lián)立方程組，可以設(shè)計任何、化學反應(yīng)的動態(tài)規(guī)律。求解聯(lián)立方程組，可以設(shè)計任何、生產(chǎn)規(guī)模的反應(yīng)器容積，預(yù)測生產(chǎn)條件下的反應(yīng)結(jié)果，生產(chǎn)規(guī)模的反應(yīng)器容積，預(yù)測生產(chǎn)條件下的反應(yīng)結(jié)果，確定最佳工藝條件確定最佳工藝條件。第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法 2）數(shù)學摸型的簡化）數(shù)學摸型的簡化 如果化工過程運行的動態(tài)規(guī)律十分復(fù)雜，則必須如果化工過程運行的動態(tài)規(guī)律十分復(fù)雜，則必須尋求描述這種規(guī)律的簡化方法，以使建立的數(shù)學模型容尋求描述這種規(guī)律的簡化方法，以使建立的數(shù)學模型容易運算求解。而簡化數(shù)學模型的關(guān)鍵，在于如何找到與易運算求解。而簡化數(shù)學模型的關(guān)

23、鍵，在于如何找到與實際過程等效的簡化方法。實際過程等效的簡化方法。 因此，作為工程放大設(shè)計的數(shù)學模型，并不一定要因此，作為工程放大設(shè)計的數(shù)學模型，并不一定要求真實地反映過程運行的機理；只要能夠達到與實際過求真實地反映過程運行的機理；只要能夠達到與實際過程等效。程等效。第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法 3）數(shù)學模型的針對性）數(shù)學模型的針對性 任何數(shù)學模型都有明確的模擬目標，即使模擬對象任何數(shù)學模型都有明確的模擬目標，即使模擬對象相同而模擬目標不同，數(shù)學模型的型式也各異。例如，相同而模擬目標不同，數(shù)學模型的型式也各異。例如，管式反應(yīng)器內(nèi)物料的返混可以用擴散模型描

24、述，但擴散管式反應(yīng)器內(nèi)物料的返混可以用擴散模型描述，但擴散模型絕不能描述物料通過反應(yīng)管的滯流或者湍流流動狀模型絕不能描述物料通過反應(yīng)管的滯流或者湍流流動狀態(tài)。態(tài)。 由于數(shù)學模型是根據(jù)模擬目標建立的，每一種數(shù)學由于數(shù)學模型是根據(jù)模擬目標建立的，每一種數(shù)學模型都有一定的限制范圍，而這種限制一般多為工程因模型都有一定的限制范圍，而這種限制一般多為工程因素。例如，反應(yīng)器的熱交換措施，限制了模型的溫度范素。例如，反應(yīng)器的熱交換措施，限制了模型的溫度范圍；物料預(yù)混合狀態(tài)的好壞，決定了模擬對象是均相體圍；物料預(yù)混合狀態(tài)的好壞，決定了模擬對象是均相體系還是非均相體系；物料的循環(huán)和分離決定了流動模型系還是非均相

25、體系；物料的循環(huán)和分離決定了流動模型的型式和限制了模型的濃度范圍等等。如果事先明確了的型式和限制了模型的濃度范圍等等。如果事先明確了數(shù)學模型的描述目標及其限制條件，不僅容易掌握過程數(shù)學模型的描述目標及其限制條件，不僅容易掌握過程運行的動態(tài)規(guī)律，而且在一定程度上能使模型簡化，有運行的動態(tài)規(guī)律，而且在一定程度上能使模型簡化，有利于提高數(shù)學模型的可靠性。利于提高數(shù)學模型的可靠性。第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法 2、研究方法、研究方法 根據(jù)建立數(shù)學模型的思想方法，以化學反應(yīng)過程根據(jù)建立數(shù)學模型的思想方法，以化學反應(yīng)過程開發(fā)為例，數(shù)學模擬法可以按以下研究步驟進行。開

26、發(fā)為例，數(shù)學模擬法可以按以下研究步驟進行。 1）實驗室研究化學反應(yīng)特征）實驗室研究化學反應(yīng)特征 實驗室研究化學反應(yīng)特征的主要任務(wù)是測定反應(yīng)實驗室研究化學反應(yīng)特征的主要任務(wù)是測定反應(yīng) 熱力學和動力學的特征規(guī)律及其參數(shù)。熱力學和動力學的特征規(guī)律及其參數(shù)。 由于研究目的是掌握過程運行的內(nèi)在規(guī)律，其研由于研究目的是掌握過程運行的內(nèi)在規(guī)律，其研 究內(nèi)容和研究手段都與逐級經(jīng)驗放大法的實驗室研究究內(nèi)容和研究手段都與逐級經(jīng)驗放大法的實驗室研究 有很大差別。它已不再是反應(yīng)器選型和條件優(yōu)化，而有很大差別。它已不再是反應(yīng)器選型和條件優(yōu)化，而 是希望從過程內(nèi)在規(guī)律上去揭示過程運行的實質(zhì)。是希望從過程內(nèi)在規(guī)律上去揭示過

27、程運行的實質(zhì)。 因因 此應(yīng)盡可能排除外界因素對于過程內(nèi)在規(guī)律的干擾，此應(yīng)盡可能排除外界因素對于過程內(nèi)在規(guī)律的干擾， 試驗裝置并不一定要求與生產(chǎn)裝置相似，但對于試驗試驗裝置并不一定要求與生產(chǎn)裝置相似，但對于試驗 測定的精度要求較高。測定的精度要求較高。 第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法 2）冷模試驗研究傳遞過程特征）冷模試驗研究傳遞過程特征 冷模試驗是在無化學反應(yīng)參與的情況下，專門考察冷模試驗是在無化學反應(yīng)參與的情況下，專門考察設(shè)備內(nèi)物料的流動與混合，以及傳熱和傳質(zhì)等物理過程設(shè)備內(nèi)物料的流動與混合，以及傳熱和傳質(zhì)等物理過程規(guī)律的試驗，目的在于研究化學反應(yīng)器的屬

28、性，了解反規(guī)律的試驗，目的在于研究化學反應(yīng)器的屬性，了解反應(yīng)器型式和結(jié)構(gòu)對于反應(yīng)過程的影響。這種試驗應(yīng)有一應(yīng)器型式和結(jié)構(gòu)對于反應(yīng)過程的影響。這種試驗應(yīng)有一定規(guī)模，而且試驗裝置也應(yīng)與生產(chǎn)裝置相似。定規(guī)模，而且試驗裝置也應(yīng)與生產(chǎn)裝置相似。 反應(yīng)器內(nèi)各種物理過程的規(guī)律只隨反應(yīng)器的型式或反應(yīng)器內(nèi)各種物理過程的規(guī)律只隨反應(yīng)器的型式或結(jié)構(gòu)的改變而改變，只要反應(yīng)器的型式和結(jié)構(gòu)相同，無結(jié)構(gòu)的改變而改變，只要反應(yīng)器的型式和結(jié)構(gòu)相同，無論反應(yīng)器內(nèi)進行何種類型的化學反應(yīng)，反應(yīng)器內(nèi)物料的論反應(yīng)器內(nèi)進行何種類型的化學反應(yīng)，反應(yīng)器內(nèi)物料的流動與混合，以及傳熱和傳質(zhì)等傳遞過程的規(guī)律相同。流動與混合，以及傳熱和傳質(zhì)等傳遞過程

29、的規(guī)律相同。因此，傳遞過程的規(guī)律對于化學反應(yīng)過程的影響具有共因此，傳遞過程的規(guī)律對于化學反應(yīng)過程的影響具有共性。了解這一點，就為分解過程建立數(shù)學模型提供了方性。了解這一點，就為分解過程建立數(shù)學模型提供了方便。便。 第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法 3）綜合兩種特征，建立數(shù)學模型，預(yù)測工業(yè)反應(yīng)器）綜合兩種特征，建立數(shù)學模型，預(yù)測工業(yè)反應(yīng)器性能性能 當化學反應(yīng)特征和傳遞過程特征以及描述兩種特征規(guī)當化學反應(yīng)特征和傳遞過程特征以及描述兩種特征規(guī)律的函數(shù)關(guān)系式確定之后，即可用數(shù)學方法將兩種規(guī)律予律的函數(shù)關(guān)系式確定之后，即可用數(shù)學方法將兩種規(guī)律予以綜合，形成數(shù)學模型。這

30、種模型已充分考慮了化學反應(yīng)以綜合，形成數(shù)學模型。這種模型已充分考慮了化學反應(yīng)過程的內(nèi)在規(guī)律和外界環(huán)境的影響因素，如果經(jīng)過檢驗并過程的內(nèi)在規(guī)律和外界環(huán)境的影響因素，如果經(jīng)過檢驗并驗證其可靠，即可用來進行運算求解，可以預(yù)測放大后反驗證其可靠，即可用來進行運算求解，可以預(yù)測放大后反應(yīng)器的性能。應(yīng)器的性能。 由于數(shù)學模型所描述的對象是某種型式反應(yīng)器內(nèi)進行由于數(shù)學模型所描述的對象是某種型式反應(yīng)器內(nèi)進行某一化學反應(yīng)的動態(tài)規(guī)律，只要反應(yīng)器的型式結(jié)構(gòu)和化學某一化學反應(yīng)的動態(tài)規(guī)律，只要反應(yīng)器的型式結(jié)構(gòu)和化學反應(yīng)相同，由數(shù)學模型表示的過程動態(tài)規(guī)律應(yīng)不受設(shè)備幾反應(yīng)相同，由數(shù)學模型表示的過程動態(tài)規(guī)律應(yīng)不受設(shè)備幾何尺寸

31、的限制。故運用數(shù)學模型進行工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計，應(yīng)何尺寸的限制。故運用數(shù)學模型進行工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計，應(yīng)不存在放大效應(yīng)。不存在放大效應(yīng)。 數(shù)學模型求解一般采用電子計算機。如果將數(shù)學模型數(shù)學模型求解一般采用電子計算機。如果將數(shù)學模型編成程序輸入計算機，只要改變輸入的工藝條件，即可獲編成程序輸入計算機，只要改變輸入的工藝條件，即可獲得該條件下的反應(yīng)結(jié)果，它能夠反映工業(yè)反應(yīng)器操作參數(shù)得該條件下的反應(yīng)結(jié)果，它能夠反映工業(yè)反應(yīng)器操作參數(shù)改變時可能出現(xiàn)的問題，也可以優(yōu)選最佳工藝條件和預(yù)測改變時可能出現(xiàn)的問題，也可以優(yōu)選最佳工藝條件和預(yù)測反應(yīng)器的性能。反應(yīng)器的性能。 第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放

32、大法數(shù)學模擬放大法 4）中試檢驗數(shù)學模型的等效性）中試檢驗數(shù)學模型的等效性 按上述步驟取得的數(shù)學模型是否能夠模擬實際生按上述步驟取得的數(shù)學模型是否能夠模擬實際生產(chǎn)過程，還有待于通過實踐檢驗。因此應(yīng)建立中試裝產(chǎn)過程，還有待于通過實踐檢驗。因此應(yīng)建立中試裝置進行中試，以檢驗數(shù)學模型與實際過程的等效性。置進行中試，以檢驗數(shù)學模型與實際過程的等效性。這是數(shù)學模擬法的一個不可缺少的環(huán)節(jié)。但試驗?zāi)康倪@是數(shù)學模擬法的一個不可缺少的環(huán)節(jié)。但試驗?zāi)康呐c逐級經(jīng)驗放大法的中試不同。當數(shù)學模型經(jīng)中試證與逐級經(jīng)驗放大法的中試不同。當數(shù)學模型經(jīng)中試證明與實際過程等效后，就能用于預(yù)測工業(yè)反應(yīng)器性能明與實際過程等效后，就能用

33、于預(yù)測工業(yè)反應(yīng)器性能和進行反應(yīng)器設(shè)計和進行反應(yīng)器設(shè)計。 3、特征、特征 分解過程，考察過程的內(nèi)在規(guī)律分解過程，考察過程的內(nèi)在規(guī)律 簡化過程，尋找建立等效模型的途徑簡化過程，尋找建立等效模型的途徑 科學試驗的目的是為了建立和檢驗數(shù)學模型科學試驗的目的是為了建立和檢驗數(shù)學模型第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法 例例2 用數(shù)學模擬法開發(fā)與例用數(shù)學模擬法開發(fā)與例1相同的由過氧化氫異相同的由過氧化氫異丙苯分解生產(chǎn)苯酚和丙酮的反應(yīng)過程。當硫酸濃度為丙苯分解生產(chǎn)苯酚和丙酮的反應(yīng)過程。當硫酸濃度為6N，在，在359K等溫條件下每小時分解濃度為等溫條件下每小時分解濃度為3.2k

34、mol.m-3的過氧化氫異丙苯溶液的過氧化氫異丙苯溶液3m3，要求轉(zhuǎn)化率達到，要求轉(zhuǎn)化率達到99.8%，計算所需的反應(yīng)器體積。計算所需的反應(yīng)器體積。 (1)化學反應(yīng)特征化學反應(yīng)特征 該反應(yīng)過程為等溫、等容均液相催化分解反應(yīng)，為該反應(yīng)過程為等溫、等容均液相催化分解反應(yīng)，為不可逆一級反應(yīng)，其動力學模型為：不可逆一級反應(yīng)，其動力學模型為： 由試驗測得分解速率常數(shù)由試驗測得分解速率常數(shù)k0.08s-1第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法 (2)傳遞過程特征傳遞過程特征 根據(jù)等溫、等容、均液相等反應(yīng)過程特征，考慮選根據(jù)等溫、等容、均液相等反應(yīng)過程特征，考慮選用長徑比較大用

35、長徑比較大(l/d3040)的連續(xù)流動管式反應(yīng)器作為的連續(xù)流動管式反應(yīng)器作為生產(chǎn)設(shè)備。由于物料的粘度較小，通過反應(yīng)器的物料流生產(chǎn)設(shè)備。由于物料的粘度較小，通過反應(yīng)器的物料流量較大量較大(3m3.h-1)，反應(yīng)器內(nèi)流動物料應(yīng)基本上處于活塞，反應(yīng)器內(nèi)流動物料應(yīng)基本上處于活塞流狀態(tài)，所產(chǎn)生的阻力損失與總壓強相比，也可以忽略流狀態(tài)，所產(chǎn)生的阻力損失與總壓強相比，也可以忽略不計，而且由于反應(yīng)器等溫，器內(nèi)應(yīng)無溫度梯度，故在不計，而且由于反應(yīng)器等溫，器內(nèi)應(yīng)無溫度梯度，故在反應(yīng)過程中基本上不存在物料的流動與混合，以及傳熱反應(yīng)過程中基本上不存在物料的流動與混合，以及傳熱和傳質(zhì)等傳遞過程對于化學反應(yīng)結(jié)果的影響。上

36、述分析和傳質(zhì)等傳遞過程對于化學反應(yīng)結(jié)果的影響。上述分析與模型試驗的結(jié)果相符。與模型試驗的結(jié)果相符。第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法 (3)數(shù)學模型數(shù)學模型 按活塞流反應(yīng)器特征，對于不可逆一級反應(yīng)，表示按活塞流反應(yīng)器特征，對于不可逆一級反應(yīng)，表示反應(yīng)器有效容積與物料流量和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率關(guān)系的數(shù)學模反應(yīng)器有效容積與物料流量和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率關(guān)系的數(shù)學模型為：型為： 式中，式中，VR為反應(yīng)器的有效容積為反應(yīng)器的有效容積m3 ；Fo為反應(yīng)物料流量，為反應(yīng)物料流量，m3.h-1；k為化學反應(yīng)速率常數(shù)為化學反應(yīng)速率常數(shù)s-1；xA為化學反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，為化學反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，%。 (4)計

37、算結(jié)果計算結(jié)果 當要求轉(zhuǎn)化率當要求轉(zhuǎn)化率xA=99.8%時，反應(yīng)器體積為：時，反應(yīng)器體積為： 第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法 若將分解轉(zhuǎn)化率降低若將分解轉(zhuǎn)化率降低1%，即，即xA98.8%時，反應(yīng)時，反應(yīng)器體積為：器體積為： 數(shù)學模擬法的計算結(jié)果與例數(shù)學模擬法的計算結(jié)果與例l用逐級經(jīng)驗放大法的用逐級經(jīng)驗放大法的 外推結(jié)果基本相符。從兩種開發(fā)方法都看到，分解轉(zhuǎn)外推結(jié)果基本相符。從兩種開發(fā)方法都看到，分解轉(zhuǎn)化率只降低化率只降低1%，而所需反應(yīng)器體積卻減少，而所需反應(yīng)器體積卻減少30%。由此。由此可見，過多的提高轉(zhuǎn)化率，必導致設(shè)備龐大，因為反可見，過多的提高轉(zhuǎn)化

38、率，必導致設(shè)備龐大，因為反應(yīng)后期的反應(yīng)速率已極為緩慢。若過分追求高轉(zhuǎn)化率應(yīng)后期的反應(yīng)速率已極為緩慢。若過分追求高轉(zhuǎn)化率指標，從經(jīng)濟效益方面考慮，并不一定恰當指標，從經(jīng)濟效益方面考慮，并不一定恰當。第三章第三章 開發(fā)放大方法開發(fā)放大方法 數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法 第四章第四章 試試 驗驗 試驗是化工過程開發(fā)的主要工作，從立題之初的實試驗是化工過程開發(fā)的主要工作，從立題之初的實驗室研究開始，直到建成生產(chǎn)裝置后的調(diào)試開車為止，驗室研究開始，直到建成生產(chǎn)裝置后的調(diào)試開車為止，似乎每一步都離不開試驗研究。嚴格地說化工過程開發(fā)似乎每一步都離不開試驗研究。嚴格地說化工過程開發(fā)的試驗研究與通?；瘜W實驗室所

39、進行的科學實驗是有差的試驗研究與通常化學實驗室所進行的科學實驗是有差別的。前者研究的目的是確定技術(shù)路線、技術(shù)方法和技別的。前者研究的目的是確定技術(shù)路線、技術(shù)方法和技術(shù)措施，而后者則著重于探索自然、研究自然規(guī)律。雖術(shù)措施，而后者則著重于探索自然、研究自然規(guī)律。雖然在一定條件下由化工過程開發(fā)試驗所取得的數(shù)據(jù)和資然在一定條件下由化工過程開發(fā)試驗所取得的數(shù)據(jù)和資料也會成為人們認識自然的寶貴信息，但兩者的目的要料也會成為人們認識自然的寶貴信息，但兩者的目的要求不同。因此化工過程開發(fā)試驗表現(xiàn)了如下特征：求不同。因此化工過程開發(fā)試驗表現(xiàn)了如下特征： (1)(1)具有試探性和驗證性的雙重性質(zhì)具有試探性和驗證性

40、的雙重性質(zhì) (2)力求解析性和綜合性統(tǒng)一力求解析性和綜合性統(tǒng)一 第四章第四章 試驗試驗 一、一、 試驗工作程序試驗工作程序1. 擬訂試驗計劃擬訂試驗計劃 試驗計劃通常包括以下內(nèi)容：試驗計劃通常包括以下內(nèi)容：1）試驗?zāi)康模┰囼災(zāi)康?）試驗提綱）試驗提綱 試驗的任務(wù)和目的試驗的任務(wù)和目的 試驗考察的內(nèi)容試驗考察的內(nèi)容 確定試驗方法及試驗結(jié)果檢測方法確定試驗方法及試驗結(jié)果檢測方法 提出試驗設(shè)計方案提出試驗設(shè)計方案 確定測取哪些數(shù)據(jù)及其測量范圍；確定測取哪些數(shù)據(jù)及其測量范圍； 預(yù)計結(jié)果和可能達到的精度。預(yù)計結(jié)果和可能達到的精度。3）試驗準備）試驗準備第四章第四章 試驗試驗 試驗工作程序試驗工作程序 2

41、. 進行試驗進行試驗 在試驗準備工作一切就緒后，就可開展試在試驗準備工作一切就緒后，就可開展試驗考察。驗考察。3.3.撰寫試驗報告撰寫試驗報告 試驗工作的簡要說明。包括試驗內(nèi)容、試驗方法、試驗工作的簡要說明。包括試驗內(nèi)容、試驗方法、試驗條件、試驗裝置和測試數(shù)據(jù)等的說明。試驗條件、試驗裝置和測試數(shù)據(jù)等的說明。 試驗數(shù)據(jù)處試驗數(shù)據(jù)處理。理。即按合理的處理方法將測定的試驗即按合理的處理方法將測定的試驗數(shù)據(jù)整理成具有一定規(guī)律的簡明圖表、坐標曲線或者數(shù)數(shù)據(jù)整理成具有一定規(guī)律的簡明圖表、坐標曲線或者數(shù)學模型。學模型。 試驗結(jié)果分析和結(jié)論。包括在試驗數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)試驗結(jié)果分析和結(jié)論。包括在試驗數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)

42、上，分析試驗結(jié)果精度及誤差范圍，提出考察結(jié)論，討上，分析試驗結(jié)果精度及誤差范圍，提出考察結(jié)論，討論結(jié)論適用的范圍和存在的問題，提出發(fā)展建議論結(jié)論適用的范圍和存在的問題，提出發(fā)展建議。 參考文獻。列舉試驗研究所依據(jù)的有關(guān)文獻和調(diào)查參考文獻。列舉試驗研究所依據(jù)的有關(guān)文獻和調(diào)查收集的有關(guān)資料。收集的有關(guān)資料。 第四章第四章 試驗試驗 試驗工作程序試驗工作程序 二、預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗二、預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗 預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗相結(jié)合是化工過程開發(fā)中最常采預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗相結(jié)合是化工過程開發(fā)中最常采用的一種研究方法，這種方法能收到以較少的試驗次數(shù)用的一種研究方法，這種方法能收到以較少的試驗次數(shù)和較少的消耗而取得

43、準確的技術(shù)信息的效果。和較少的消耗而取得準確的技術(shù)信息的效果。 1. 預(yù)試驗預(yù)試驗 其任務(wù)是定性地或半定量地認識開發(fā)對象，以便其任務(wù)是定性地或半定量地認識開發(fā)對象，以便在開發(fā)初期，對研究方案或技術(shù)開發(fā)方案提出一些初步在開發(fā)初期，對研究方案或技術(shù)開發(fā)方案提出一些初步設(shè)想。設(shè)想。 預(yù)試驗不需要事先提出一個全面的試驗計劃，但必預(yù)試驗不需要事先提出一個全面的試驗計劃，但必須有明朗的試驗?zāi)康?。試驗?nèi)容一般是根據(jù)前面試驗取須有明朗的試驗?zāi)康摹Ｔ囼瀮?nèi)容一般是根據(jù)前面試驗取得的結(jié)果或發(fā)現(xiàn)的問題提出的。得的結(jié)果或發(fā)現(xiàn)的問題提出的。第四章第四章 試驗試驗 預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗 根據(jù)預(yù)試驗的考察目的，可

44、將其劃分為以下三種根據(jù)預(yù)試驗的考察目的，可將其劃分為以下三種試驗方式：試驗方式：1）認識試驗）認識試驗 它是為了認識過程特征而專門設(shè)計的試驗，例如考它是為了認識過程特征而專門設(shè)計的試驗，例如考察化學反應(yīng)過程的溫度效應(yīng)和濃度效應(yīng)，定性鑒別工藝察化學反應(yīng)過程的溫度效應(yīng)和濃度效應(yīng)，定性鑒別工藝方法或工藝路線的優(yōu)劣，了解傳遞因素對于過程影響的方法或工藝路線的優(yōu)劣，了解傳遞因素對于過程影響的大小以及轉(zhuǎn)化率和收率的高低，產(chǎn)品質(zhì)量和性能的好壞大小以及轉(zhuǎn)化率和收率的高低，產(chǎn)品質(zhì)量和性能的好壞等。等。 最常采用的方法是對比方法，如不同路線和方法最常采用的方法是對比方法，如不同路線和方法的對比、或不同條件的對比。

45、通過對比，來了解過程特的對比、或不同條件的對比。通過對比，來了解過程特征，建立技術(shù)概念，形成技術(shù)方案和技術(shù)措施。征，建立技術(shù)概念，形成技術(shù)方案和技術(shù)措施。第四章第四章 試驗試驗 預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗 2）析因試驗）析因試驗 它是一種分析過程結(jié)果產(chǎn)生原因的試驗。由于化工它是一種分析過程結(jié)果產(chǎn)生原因的試驗。由于化工過程大多是復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，涉及的影響因素很多，過過程大多是復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，涉及的影響因素很多，過程的結(jié)局往往都是許多因素綜合作用的結(jié)果，要從復(fù)雜程的結(jié)局往往都是許多因素綜合作用的結(jié)果，要從復(fù)雜因素中查明影響結(jié)果的主要因素，可以借助于析因試驗。因素中查明影響結(jié)果的主要因素，可以

46、借助于析因試驗。 在設(shè)計這種試驗時，在設(shè)計這種試驗時，應(yīng)充分注意許多工程因素的應(yīng)充分注意許多工程因素的等效性，并不一定要對各種因素逐個進行試驗；等效性，并不一定要對各種因素逐個進行試驗；應(yīng)分應(yīng)分清可調(diào)因素和不可調(diào)因素，對于不可調(diào)因素不必作專門清可調(diào)因素和不可調(diào)因素，對于不可調(diào)因素不必作專門考察；考察；應(yīng)分清敏感因素和非敏感因素，對于非敏感因應(yīng)分清敏感因素和非敏感因素，對于非敏感因素不必著重考察。素不必著重考察。 3）鑒別試驗）鑒別試驗 它是為試驗研究者的推論中形成的一些結(jié)論而設(shè)計它是為試驗研究者的推論中形成的一些結(jié)論而設(shè)計的試驗。這些結(jié)論一般是對技術(shù)方案提出的某些設(shè)想，的試驗。這些結(jié)論一般是對

47、技術(shù)方案提出的某些設(shè)想，如果設(shè)想一旦經(jīng)試驗驗證，即可形成技術(shù)決策。如果設(shè)想一旦經(jīng)試驗驗證，即可形成技術(shù)決策。第四章第四章 試驗試驗 預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗 2. 系統(tǒng)試驗系統(tǒng)試驗 是在預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，針對預(yù)試驗確定的某些重要結(jié)是在預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，針對預(yù)試驗確定的某些重要結(jié)論或技術(shù)設(shè)想，有目的、有計劃地探明過程規(guī)律，并取得論或技術(shù)設(shè)想，有目的、有計劃地探明過程規(guī)律，并取得定量數(shù)據(jù)的一種試驗。定量數(shù)據(jù)的一種試驗。 在化工過程開發(fā)中，預(yù)試驗為概念設(shè)計服務(wù)，而系統(tǒng)在化工過程開發(fā)中，預(yù)試驗為概念設(shè)計服務(wù)，而系統(tǒng)試驗則為基礎(chǔ)設(shè)計服務(wù)。試驗則為基礎(chǔ)設(shè)計服務(wù)。 系統(tǒng)試驗又分為數(shù)學模擬放大的系統(tǒng)試驗和

48、經(jīng)驗放大系統(tǒng)試驗又分為數(shù)學模擬放大的系統(tǒng)試驗和經(jīng)驗放大的系統(tǒng)試驗。前者是圍繞建立數(shù)學模型而進行系統(tǒng)地定量的系統(tǒng)試驗。前者是圍繞建立數(shù)學模型而進行系統(tǒng)地定量測試，包括：動力學試驗、傳遞過程試驗、中試驗證試測試，包括：動力學試驗、傳遞過程試驗、中試驗證試驗；后者則是為放大設(shè)計提供定量的技術(shù)參數(shù)，包括：尋驗；后者則是為放大設(shè)計提供定量的技術(shù)參數(shù)，包括：尋找克服放大效應(yīng)的條件、測定反應(yīng)熱、優(yōu)化工藝條件和防找克服放大效應(yīng)的條件、測定反應(yīng)熱、優(yōu)化工藝條件和防腐試驗。腐試驗。第四章第四章 試驗試驗 預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗預(yù)試驗和系統(tǒng)試驗 三、模型試驗三、模型試驗 模型試驗是一種對研究對象進行間接研究的試驗方模型試

49、驗是一種對研究對象進行間接研究的試驗方法，必須建立模仿研究對象、并與研究對象相似或等效法，必須建立模仿研究對象、并與研究對象相似或等效的模型。由模型試驗取得的試驗數(shù)據(jù)，通過一定的轉(zhuǎn)換的模型。由模型試驗取得的試驗數(shù)據(jù)，通過一定的轉(zhuǎn)換方法，即可轉(zhuǎn)變?yōu)榉从逞芯繉ο竽承┍举|(zhì)特征的數(shù)據(jù)。方法，即可轉(zhuǎn)變?yōu)榉从逞芯繉ο竽承┍举|(zhì)特征的數(shù)據(jù)。這種試驗方法在化工過程開發(fā)中是一種重要的研究手段。這種試驗方法在化工過程開發(fā)中是一種重要的研究手段。 模型試驗所采用的模型有模型試驗所采用的模型有“物理模型物理模型和和“數(shù)學模型數(shù)學模型”兩種形式。選用何種模型進行試驗，取決于化工過程開兩種形式。選用何種模型進行試驗，取決于

50、化工過程開發(fā)的方法。發(fā)的方法。物理模型試驗：以模型和原型之間物理量相似為基礎(chǔ)建物理模型試驗：以模型和原型之間物理量相似為基礎(chǔ)建立模型實體所進行的試驗。立模型實體所進行的試驗。數(shù)學模型試驗：依據(jù)模型與原型之間表征研究對象規(guī)律數(shù)學模型試驗：依據(jù)模型與原型之間表征研究對象規(guī)律的數(shù)學函數(shù)關(guān)系一致。即數(shù)學模型與實際過程的變化的數(shù)學函數(shù)關(guān)系一致。即數(shù)學模型與實際過程的變化規(guī)律等效，或達到數(shù)學形式的相似。規(guī)律等效，或達到數(shù)學形式的相似。第四章第四章 試驗試驗 模型試驗?zāi)Ｐ驮囼?四、中間工廠試驗（中試）四、中間工廠試驗（中試） 它是將實驗室研究成果放大成生產(chǎn)規(guī)模之前的一種過渡性試驗。它是將實驗室研究成果放大成

51、生產(chǎn)規(guī)模之前的一種過渡性試驗。目前，即使采用數(shù)學模擬法進行開發(fā)放大，也仍然要用中試來驗證目前，即使采用數(shù)學模擬法進行開發(fā)放大，也仍然要用中試來驗證數(shù)學模型，所以，中試是化工過程開發(fā)步驟中不可缺少的環(huán)節(jié)。數(shù)學模型，所以，中試是化工過程開發(fā)步驟中不可缺少的環(huán)節(jié)。 中試規(guī)模一般都比小試大，而比實際生產(chǎn)規(guī)模小。但對于過程的中試規(guī)模一般都比小試大，而比實際生產(chǎn)規(guī)模小。但對于過程的模擬則比較接近實際生產(chǎn)情況，故能反映出小試中許多不易觀察到模擬則比較接近實際生產(chǎn)情況，故能反映出小試中許多不易觀察到的現(xiàn)象，有利于考察工程因素對于過程的影響。的現(xiàn)象，有利于考察工程因素對于過程的影響。 中試的內(nèi)容和任務(wù)：中試的內(nèi)

52、容和任務(wù)： 檢驗小試確定的工藝方法和工藝條件，以及工藝系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)的檢驗小試確定的工藝方法和工藝條件，以及工藝系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)的可靠性可靠性 考察放大效應(yīng)，尋找其產(chǎn)生的原因和消除的辦法考察放大效應(yīng)，尋找其產(chǎn)生的原因和消除的辦法 檢驗數(shù)學模型與實際過程的等效性檢驗數(shù)學模型與實際過程的等效性 考察物料對于設(shè)備材質(zhì)的腐蝕作用考察物料對于設(shè)備材質(zhì)的腐蝕作用 考察工藝過程中微量雜質(zhì)積累對于過程以及最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響考察工藝過程中微量雜質(zhì)積累對于過程以及最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響 提供一定量的產(chǎn)品供進一步加工應(yīng)用考察提供一定量的產(chǎn)品供進一步加工應(yīng)用考察 考察工藝過程中產(chǎn)生的考察工藝過程中產(chǎn)生的“三廢三廢”情況，尋找綜

53、合治理的方法情況，尋找綜合治理的方法 第四章第四章 試驗試驗 中間工廠試驗中間工廠試驗五、試驗方案設(shè)計五、試驗方案設(shè)計 試驗方案設(shè)計是為了科學地、系統(tǒng)地進行試驗研究試驗方案設(shè)計是為了科學地、系統(tǒng)地進行試驗研究而對試驗研究工作預(yù)先作出一個具體的實施計劃。設(shè)計時，而對試驗研究工作預(yù)先作出一個具體的實施計劃。設(shè)計時，應(yīng)力求用少數(shù)試驗取得具有代表性的試驗結(jié)果。應(yīng)力求用少數(shù)試驗取得具有代表性的試驗結(jié)果。1. 基本概念基本概念 因素：溫度、時間、配比等因素：溫度、時間、配比等 水平：表示試驗因素在試驗中所選取的具體量的等級。水平：表示試驗因素在試驗中所選取的具體量的等級。如溫度水平：如溫度水平：55、75

54、 、95 判據(jù)（指標）：是一種表征試驗研究對象的指標，它表判據(jù)（指標）：是一種表征試驗研究對象的指標，它表示該試驗研究對象整體技術(shù)水平的高低。如轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品示該試驗研究對象整體技術(shù)水平的高低。如轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品質(zhì)量等質(zhì)量等2. 試驗方法試驗方法 單因素試驗法：一次只試驗一個因素單因素試驗法：一次只試驗一個因素 多因素試驗法：將多個因素組合在一起進行試驗多因素試驗法：將多個因素組合在一起進行試驗第四章第四章 試驗試驗 試驗方案設(shè)計試驗方案設(shè)計 3. 單因素試驗法單因素試驗法 均分法：均分法： 將某一因素要試驗考察的范圍，等間距地分成將某一因素要試驗考察的范圍，等間距地分成56個個試點進行試驗。將試驗

55、結(jié)果以因素為橫坐標，指標為縱坐試點進行試驗。將試驗結(jié)果以因素為橫坐標，指標為縱坐標，制成圖（或表格），從變化趨勢確定因素的最優(yōu)水平。標，制成圖（或表格），從變化趨勢確定因素的最優(yōu)水平。 此法適用于某一確定因素的條件試驗。在使用此法此法適用于某一確定因素的條件試驗。在使用此法進行因素水平變動的定量試驗時要注意三個問題：進行因素水平變動的定量試驗時要注意三個問題：試驗范圍試驗范圍試驗間距試驗間距試驗順序試驗順序第四章第四章 試驗試驗 試驗方案設(shè)計試驗方案設(shè)計 平分法平分法 總是在試驗范圍的中點安排試驗。總是在試驗范圍的中點安排試驗。 設(shè)試驗范圍在設(shè)試驗范圍在ab之間，中點以之間，中點以x1表示，則

56、：表示，則： 第四章第四章 試驗試驗 試驗方案設(shè)計試驗方案設(shè)計 a x2 x1 bx1=(a+b)/2 若第一次試驗結(jié)果表明若第一次試驗結(jié)果表明x1取大了，則舍去大于取大了，則舍去大于x1的的一半，在（一半，在（a, x1)的中點的中點x2處作第二次試驗；反之，若處作第二次試驗；反之，若取小了，則舍去小于取小了，則舍去小于x1的一半，把第二點取在（的一半，把第二點取在（x1, b）的中點。的中點。 顯然，應(yīng)用此法時必須先有一個標準或具體指標，顯然，應(yīng)用此法時必須先有一個標準或具體指標，且能從一個試驗的結(jié)果直接分析出該因素的值是取大了且能從一個試驗的結(jié)果直接分析出該因素的值是取大了還是取小了，從

57、而決定下次試驗的方向。還是取小了，從而決定下次試驗的方向。黃金分割法黃金分割法 黃金分割法又稱黃金分割法又稱“0.618法法，是一種單因素試驗設(shè)計，是一種單因素試驗設(shè)計方方法，法， 適用于單因素優(yōu)化。適用于單因素優(yōu)化。 設(shè)有一線段為設(shè)有一線段為L，將它分割為兩部分，長的一段為，將它分割為兩部分，長的一段為x，短的一段為短的一段為L-x。如果分割的比例滿足以下關(guān)系：。如果分割的比例滿足以下關(guān)系： 這種分割稱為黃金分割。式中這種分割稱為黃金分割。式中為比例系數(shù)，即整為比例系數(shù)，即整個線段與分割后長的一段的長度之比，等于長的一段與短個線段與分割后長的一段的長度之比，等于長的一段與短的一段的長度之比。

58、的一段的長度之比。 對上式求解得：對上式求解得：x=L=0.618L 即黃金分割點在線段即黃金分割點在線段L的的0.618處。黃金分割法是一種處。黃金分割法是一種消去法，每找到一個新的對稱點，試驗范圍即縮小消去法，每找到一個新的對稱點，試驗范圍即縮小38.2%。第四章第四章 試驗試驗 試驗方案設(shè)計試驗方案設(shè)計 4. 多因素試驗法多因素試驗法 在多因素試驗中，每個因素都要選擇若干水平等級和在多因素試驗中，每個因素都要選擇若干水平等級和因素搭配，如果因素多，而選擇的水平也多，則搭配的數(shù)因素搭配，如果因素多，而選擇的水平也多，則搭配的數(shù)量很大，有時可使試驗工作量大到無法按受的程度。量很大，有時可使試

59、驗工作量大到無法按受的程度。 例如：某化工產(chǎn)品生產(chǎn)轉(zhuǎn)化率受反應(yīng)溫度例如：某化工產(chǎn)品生產(chǎn)轉(zhuǎn)化率受反應(yīng)溫度(A)，反應(yīng)，反應(yīng)時間時間(B)和物料配比和物料配比(C)三個因素的影響，而規(guī)定各因素的三個因素的影響，而規(guī)定各因素的試驗范圍為：試驗范圍為：A:353363K, B:90150min, C:5%7% 試驗的目的是為了解試驗的目的是為了解A、B、C三個因素對轉(zhuǎn)化率的三個因素對轉(zhuǎn)化率的影響，并確定最適宜的生產(chǎn)條件。影響，并確定最適宜的生產(chǎn)條件。 首先從試驗范圍選定三個水平等級：首先從試驗范圍選定三個水平等級： A1=353K, A2=358K , A3=363K B1=90, B2=120, B

60、3=150min C1=5%, C2=6%, C3=7%第四章第四章 試驗試驗 試驗方案設(shè)計試驗方案設(shè)計 按常規(guī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，將所有因素和水平搭配，則有按常規(guī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，將所有因素和水平搭配，則有A1B1C1, A1B2C1, A1B3C1, ，共計，共計33 =27次試驗。次試驗。 這種設(shè)計對因素與水平之間的關(guān)系剖析得比較清楚，這種設(shè)計對因素與水平之間的關(guān)系剖析得比較清楚，但試驗次數(shù)多。如果將因素維持不變，將選擇的水平由但試驗次數(shù)多。如果將因素維持不變，將選擇的水平由3增至增至6個，則試驗次數(shù)為個，則試驗次數(shù)為36 =729次。顯然，這樣的各種量次。顯然，這樣的各種量是無法接受的。是無法接