化工過(guò)程放大課件

第四章化工過(guò)程放大12/31/20221第四章化工過(guò)程放大12/27/20221概述化工過(guò)程放大是科學(xué)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合、質(zhì)和量相結(jié)合的工程科學(xué)問(wèn)題。技術(shù)上的關(guān)鍵問(wèn)題是：（1）是否開(kāi)發(fā)出高效催化劑（2）可靠的放大技術(shù)，特別是反應(yīng)器的放大（3）工業(yè)化過(guò)程的材料（4）過(guò)程所需設(shè)備（5）計(jì)量和檢測(cè)技術(shù)核心是放大技術(shù)12/31/20222概述化工過(guò)程放大技術(shù)上的關(guān)鍵問(wèn)題是：核心12/27/2022模擬研究法用模型研究化工過(guò)程的現(xiàn)象、規(guī)律模型實(shí)物、數(shù)學(xué)基本方法

經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)部分解析相似12/31/20223模擬研究法用模型研究化工過(guò)程的現(xiàn)象、規(guī)律模型基本方法12/2第一節(jié)逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大12/31/20224第一節(jié)逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大12/27/20224一、幾個(gè)概念1.放大系數(shù)What’sthemeaning?G.E.Davis：在實(shí)驗(yàn)室中幾克物料的小型實(shí)驗(yàn)，對(duì)于指導(dǎo)大型工廠的建設(shè)工作，并沒(méi)有什么作用。但用數(shù)公斤物料進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，則無(wú)疑可提供大型工廠需要的全部數(shù)據(jù)。定義：放大后的實(shí)驗(yàn)（生產(chǎn)）規(guī)模/前表達(dá)：小時(shí)投料量、每批投料量或年產(chǎn)量反應(yīng)器特征尺寸比。12/31/20225一、幾個(gè)概念1.放大系數(shù)What’sthemeanin2.放大效應(yīng)如：反應(yīng)狀況惡化、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率下降、產(chǎn)品質(zhì)量劣化等。反應(yīng)得到改善，得到正的放大效應(yīng)因過(guò)程規(guī)模變大造成指標(biāo)不能重復(fù)的現(xiàn)象12/31/202262.放大效應(yīng)如：反應(yīng)狀況惡化、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率下降、產(chǎn)3.逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大定義：放大系數(shù)的確定：在放大過(guò)程缺乏依據(jù)時(shí)，依靠小規(guī)模實(shí)驗(yàn)成功的方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，加上開(kāi)發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)，不斷適當(dāng)加大實(shí)驗(yàn)的規(guī)模，修正前一級(jí)實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)，來(lái)摸索化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)器的規(guī)律。化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型、放大理論的成熟度、過(guò)程規(guī)律的掌握度、研究人員經(jīng)驗(yàn)。

低放大系數(shù)？高放大系數(shù)？12/31/202273.逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大在放大過(guò)程缺乏依據(jù)時(shí)，依靠小規(guī)模實(shí)驗(yàn)成功的典型反應(yīng)過(guò)程放大系數(shù)12/31/20228典型反應(yīng)過(guò)程放大系數(shù)12/27/2022812/31/2022912/27/20229二、逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的步驟反應(yīng)器選型工藝條件優(yōu)化反應(yīng)器放大小型裝置考察“結(jié)構(gòu)變量”小型裝置考察“操作變量”模型裝置考察“幾何變量”12/31/202210二、逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的步驟小型裝置小型裝置模型裝置12/27/2三、逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的特征1．只注重輸入與輸出關(guān)系，純屬于經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)綜合考察2．試驗(yàn)程序人為確定

3．放大是根據(jù)試險(xiǎn)結(jié)果外推

黑箱三步線性規(guī)律缺乏理論指導(dǎo)，周期較長(zhǎng)；方法簡(jiǎn)單12/31/202211三、逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的特征黑箱三步線性規(guī)律缺乏理論指導(dǎo)，周期較長(zhǎng)例：合成氨技術(shù)開(kāi)發(fā)12/31/202212例：合成氨技術(shù)開(kāi)發(fā)12/27/202212合成氨技術(shù)開(kāi)發(fā)及啟示基礎(chǔ)研究：哈伯的工作（實(shí)驗(yàn)室）

反應(yīng)基本規(guī)律特點(diǎn)：在常溫常壓下不反應(yīng)。1000℃，常壓，轉(zhuǎn)化率也小于0.01%；提高壓力，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率則提高。催化劑：鋨12/31/202213合成氨技術(shù)開(kāi)發(fā)及啟示基礎(chǔ)研究：哈伯的工作（實(shí)驗(yàn)室）反應(yīng)基本規(guī)（1〕反應(yīng)器選型強(qiáng)放熱的氣固相催化反應(yīng)，高溫高壓。哈伯選用了80g/h固定床管式催化反應(yīng)器。12/31/202214（1〕反應(yīng)器選型強(qiáng)放熱的氣固相催化反應(yīng)，高溫高壓。哈伯選用了(2)條件優(yōu)化工藝條件：產(chǎn)品：500～600℃；17.5～20MPa；鋨催化劑氨的體積分?jǐn)?shù)達(dá)6%12/31/202215(2)條件優(yōu)化500～600℃；17.5～20MPa（3）預(yù)設(shè)計(jì)工藝流程A.原料循環(huán)B.熱量利用C.冷凍分離12/31/202216（3）預(yù)設(shè)計(jì)工藝流程A.原料循環(huán)12/27/202216（4）波施的工作（反應(yīng)器放大和工業(yè)化）（a）研制了穩(wěn)定可靠的廉價(jià)催化劑取代了鋨催化劑

含少量鉀、鎂、鋁、鈣為助催化劑的鐵催化劑（b）找到能耐20MPa、500～600C的高壓高溫材質(zhì)、并設(shè)計(jì)出合成氨反應(yīng)器（c）提供廉價(jià)的氮?dú)夂蜌錃?2/31/202217（4）波施的工作（反應(yīng)器放大和工業(yè)化）（a）研制了穩(wěn)定可靠的啟示①對(duì)于化工過(guò)程開(kāi)發(fā)，在實(shí)驗(yàn)室研究階段即應(yīng)充分考慮實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的可行性。②在實(shí)驗(yàn)室研究完成之后．還必須解決與工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的一些技術(shù)問(wèn)題。③技術(shù)開(kāi)發(fā)的成功與科學(xué)技術(shù)水平有看密切關(guān)系。在20世紀(jì)初，若不是可以實(shí)現(xiàn)高溫高壓技術(shù)、空氣分離技術(shù)和深度冷凍技術(shù)，合成氨的工業(yè)化也是不可能實(shí)現(xiàn)。隨著合成氨技術(shù)的開(kāi)發(fā)．又推動(dòng)了催化劑制備技術(shù)，高溫高壓技術(shù)，深冷分離技術(shù)等近代化工技術(shù)的發(fā)展。12/31/202218啟示①對(duì)于化工過(guò)程開(kāi)發(fā)，在實(shí)驗(yàn)室研究階段即應(yīng)充分考慮實(shí)現(xiàn)工業(yè)例：異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮的工藝12/31/202219例：異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮的工藝12/27/202219一級(jí)不可逆12/31/202220一級(jí)不可逆12/27/202220（I）反應(yīng)器選型

反應(yīng)特點(diǎn)：

選擇：過(guò)氧化氫異丙苯的分解反應(yīng)為液相反應(yīng)，反應(yīng)速率較快。多種型式的反應(yīng)器適用連續(xù)操作管式反應(yīng)器12/31/202221（I）反應(yīng)器選型過(guò)氧化氫異丙苯的分解反應(yīng)為液相反應(yīng)，反應(yīng)速率（2）優(yōu)化工藝條件

選用一根直徑為40mm，長(zhǎng)度為1202mm的不銹鋼管（容積約1.51L）作反應(yīng)器試驗(yàn)考察工藝條件對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響12/31/202222（2）優(yōu)化工藝條件選用一根直徑為40mm，長(zhǎng)度為120根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定的工藝條件為結(jié)果：轉(zhuǎn)化率為98.8％。12/31/202223根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定的工藝條件為12/27/202223（3）反應(yīng)器放大與校驗(yàn)校驗(yàn)試驗(yàn)分兩級(jí)進(jìn)行A、不改變管直徑，反應(yīng)管延長(zhǎng)，將反應(yīng)器容積放大到2.15L（流量0.1m3/h）B、容積從2.15L放大到10L(流量0.464m3/h)結(jié)果：轉(zhuǎn)化率99.8%，無(wú)放大效應(yīng)12/31/202224（3）反應(yīng)器放大與校驗(yàn)校驗(yàn)試驗(yàn)分兩級(jí)進(jìn)行12/27/20（4）計(jì)算反應(yīng)器容積工業(yè)化的要求處理量：過(guò)氧化氫異丙苯（濃度為3.2kmol／m3。）的量為3m3/h。計(jì)算所需反應(yīng)器的容積：按1.51L模型尺寸，根據(jù)物料處理量的擴(kuò)大，按比例外推計(jì)算。結(jié)果：45.3L12/31/202225（4）計(jì)算反應(yīng)器容積工業(yè)化的要求處理量：過(guò)氧化氫異丙苯（濃第二節(jié)數(shù)學(xué)模型法12/31/202226第二節(jié)數(shù)學(xué)模型法12/27/202226定義：在充分認(rèn)識(shí)過(guò)程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用理論分折，找到描述過(guò)程運(yùn)行規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用于反應(yīng)器的放大計(jì)算。試驗(yàn)的目的是為了建立和檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)的方式和要求與經(jīng)驗(yàn)放大方法有很大差別。是否還需要實(shí)驗(yàn)？12/31/202227定義：在充分認(rèn)識(shí)過(guò)程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用理論分折，找到描述過(guò)程運(yùn)行一、數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型：要求：通常是一組描述過(guò)程運(yùn)行動(dòng)態(tài)規(guī)律的代數(shù)方程或微分方程。既要能表達(dá)實(shí)際過(guò)程運(yùn)行的規(guī)律又要簡(jiǎn)單而便于應(yīng)用。12/31/202228一、數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型：通常是一組描述過(guò)程運(yùn)行動(dòng)態(tài)規(guī)律的代數(shù)方建模中的問(wèn)題1.建立數(shù)學(xué)模型的方法2.數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化3.數(shù)學(xué)模型的針對(duì)性12/31/202229建模中的問(wèn)題1.建立數(shù)學(xué)模型的方法12/27/2022291.建立數(shù)學(xué)模型的方法怎樣建立？如反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的數(shù)模建立掌握動(dòng)態(tài)規(guī)律動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)流動(dòng)與混合、傳熱、傳質(zhì)方程組：物料、熱量、動(dòng)量衡算12/31/2022301.建立數(shù)學(xué)模型的方法掌握動(dòng)態(tài)規(guī)律動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)方程組：物料2.數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化如：固定床催化反應(yīng)器中氣體流動(dòng)規(guī)律：簡(jiǎn)化表達(dá)：要求：紊亂、隨機(jī)返混模型結(jié)果的等效12/31/2022312.數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化如：固定床催化反應(yīng)器中氣體流動(dòng)紊亂、隨機(jī)返3.數(shù)學(xué)模型的針對(duì)性明確的模擬目標(biāo)目標(biāo)不同，模型不同。目標(biāo)不同，限制范圍不同。如：流體流動(dòng)返混、阻力模型不同多為工程因素如：催化劑活性溫度限制了模型溫度參數(shù)變化作用：有利于模型的簡(jiǎn)化12/31/2022323.數(shù)學(xué)模型的針對(duì)性明確的模擬目標(biāo)如：流體流動(dòng)返混、阻力模型二、研究方法（化學(xué)反應(yīng)器建模）1.反應(yīng)過(guò)程2.傳遞過(guò)程3.建模4.校驗(yàn)12/31/202233二、研究方法（化學(xué)反應(yīng)器建模）1.反應(yīng)過(guò)程12/27/2021.反應(yīng)過(guò)程內(nèi)容：反應(yīng)類(lèi)型、控制步驟；動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)與經(jīng)驗(yàn)放大不同，不需模擬生產(chǎn)裝置。了解過(guò)程本質(zhì)排除外界因素的干擾12/31/2022341.反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)類(lèi)型、控制步驟；動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)與經(jīng)驗(yàn)放大不同2.傳遞過(guò)程內(nèi)容：方法：反應(yīng)器內(nèi)物理過(guò)程的規(guī)律與反應(yīng)器型式、結(jié)構(gòu)有關(guān)冷模實(shí)驗(yàn)12/31/2022352.傳遞過(guò)程內(nèi)容：反應(yīng)器內(nèi)物理過(guò)程的規(guī)律與反應(yīng)器型式、結(jié)構(gòu)有3.建模物理、化學(xué)過(guò)程的結(jié)合方法：濃度、溫度效應(yīng)建立動(dòng)力學(xué)、物料、熱量衡算（動(dòng)量）方程12/31/2022363.建模濃度、溫度效應(yīng)建立動(dòng)力學(xué)、物料、熱量衡算（動(dòng)量）方程4.校驗(yàn)方法：中試與數(shù)模計(jì)算結(jié)果比較是否等效？與經(jīng)驗(yàn)法的實(shí)驗(yàn)不同12/31/2022374.校驗(yàn)中試與數(shù)模計(jì)算結(jié)果比較是否等效？與經(jīng)驗(yàn)法的實(shí)驗(yàn)不同1三、特征1．分解過(guò)程，不作綜合考察

著眼于過(guò)程的內(nèi)部規(guī)律，對(duì)過(guò)程進(jìn)行分解和綜合2．合理簡(jiǎn)化過(guò)程運(yùn)行規(guī)律

抓主要矛盾，忽略次要矛盾3．科學(xué)試驗(yàn)是為了建立和檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

反應(yīng)工程理論和傳遞過(guò)程理論指導(dǎo)下建立數(shù)學(xué)模型；模型來(lái)源于實(shí)踐，又為實(shí)踐所檢驗(yàn)。12/31/202238三、特征1．分解過(guò)程，不作綜合考察12/27/202238例：異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮的工藝12/31/202239例：異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮的工藝12/27/202239任務(wù)12/31/202240任務(wù)12/27/202240等溫、容、均液相，一級(jí)不可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型：試驗(yàn)測(cè)得：12/31/202241等溫、容、均液相，一級(jí)不可逆反應(yīng)12/27/202241連續(xù)管式反應(yīng)器，活塞流等溫，無(wú)溫度梯度，無(wú)返混等物理因素影響12/31/202242連續(xù)管式反應(yīng)器，活塞流12/27/202242活塞流反應(yīng)器：12/31/202243活塞流反應(yīng)器：12/27/20224312/31/20224412/27/202244例丙烯二聚過(guò)程開(kāi)發(fā)12/31/202245例丙烯二聚過(guò)程開(kāi)發(fā)12/27/202245聚合反應(yīng)12/31/202246聚合反應(yīng)12/27/202246（1）聚合反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：氣相催化反應(yīng)，催化劑為三丙基鋁、加壓條件下進(jìn)行，原料丙烯和催化劑三丙基鋁混合進(jìn)料。一級(jí)不可逆反應(yīng)、采用管式反應(yīng)器。12/31/202247（1）聚合反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：氣相催化反應(yīng)，催化劑為三丙基鋁、建立反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化①在反應(yīng)條件控制的范圍以?xún)?nèi)，有關(guān)物性參數(shù)為常數(shù)；②反應(yīng)器內(nèi)由于物料流動(dòng)所產(chǎn)生的壓降不計(jì)；③反應(yīng)器內(nèi)無(wú)徑向溫度梯度，但沿軸向有溫度變化；④物料通過(guò)反應(yīng)器截面的流量恒定；⑤活塞流狀態(tài)流動(dòng)；⑥絕熱系統(tǒng)。12/31/202248建立反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化①在反應(yīng)條件控制的范圍以?xún)?nèi)，有關(guān)物反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型放大結(jié)果絕熱一維系統(tǒng)的活塞流模型。數(shù)學(xué)表達(dá)形式：化學(xué)反應(yīng)應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、物料和熱量衡算式。物料循環(huán)裝置放大17000倍，反應(yīng)器出口溫度的理論與實(shí)驗(yàn)值差2℃放大成功12/31/202249反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型絕熱一維系統(tǒng)的活塞流模型。物料循環(huán)12/27（2）異構(gòu)化反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：氣、固相催化反應(yīng)、硅鋁催化劑，一級(jí)可逆反應(yīng)。反應(yīng)溫度：80～85℃，轉(zhuǎn)化率75%，選擇性為79％。固定床催化反應(yīng)器12/31/202250（2）異構(gòu)化反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：氣、固相催化反應(yīng)、硅鋁催化劑模型簡(jiǎn)化①擬均相；②活塞流；③恒溫．無(wú)溫度梯度和壓力降。12/31/202251模型簡(jiǎn)化12/27/202251模型

恒溫活塞流模型其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和物料衡算式聯(lián)立。12/31/202252模型12/27/202252放大關(guān)鍵催化劑國(guó)外采用低活性催化劑，將反應(yīng)器放大7000倍獲得了成功。12/31/202253放大關(guān)鍵12/27/202253（3）脫甲基化反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：吸熱的催化分解反應(yīng)．高溫下的副反應(yīng)少．采用固定床反應(yīng)器。12/31/202254（3）脫甲基化反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：吸熱的催化分解反應(yīng)．高溫下簡(jiǎn)化擬均相、恒溫?zé)o壓力降等。12/31/202255簡(jiǎn)化擬均相、12/27/202255模型復(fù)雜國(guó)外采用等溫爐加熱，放大2000倍建立生產(chǎn)袋置。經(jīng)生產(chǎn)檢驗(yàn)，產(chǎn)物和副產(chǎn)物的分布與數(shù)學(xué)模型計(jì)算的結(jié)果十分相近。放大成功。12/31/202256模型復(fù)雜12/27/202256總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、數(shù)模的局限耗資大、周期長(zhǎng)建模困難12/31/202257總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、數(shù)模的局限耗資大、建模困難12/27/202257第三節(jié)部分解析法12/31/202258第三節(jié)部分解析法12/27/202258概述基礎(chǔ)：特點(diǎn)：介于經(jīng)驗(yàn)與數(shù)模之間理論分析和實(shí)驗(yàn)探索相結(jié)合化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展：較多的成熟理論和研究方法避免黑箱；易掌握12/31/202259概述介于經(jīng)驗(yàn)與數(shù)模之間化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展：避免黑箱；易掌握12一、研究方法反應(yīng)器放大依據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率溫度、濃度工程因素反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)理論12/31/202260一、研究方法反應(yīng)器放大依據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率溫度、濃度工程因素反應(yīng)研究思路二者結(jié)合：確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法；預(yù)測(cè)結(jié)果、放大效應(yīng)考察：濃度、溫度效應(yīng)12/31/202261研究思路二者結(jié)合：確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法；預(yù)測(cè)結(jié)果、放大效應(yīng)121.濃度效應(yīng)工程因素：工程因素的等效性返混、預(yù)混合、進(jìn)料濃度、加料方式、操作方式濃度、濃度分布相同反應(yīng)結(jié)果相同返混、分段加料、降低進(jìn)料濃度等工程因素的等效（濃度、分布），不考慮其差別如：均相、非均相反應(yīng)濃度不同，結(jié)果不同。簡(jiǎn)化過(guò)程12/31/2022621.濃度效應(yīng)工程因素：返混、預(yù)混合、進(jìn)料濃度、濃度、濃度分布2.溫度效應(yīng)需考慮：影響反應(yīng)速率、選擇性最佳溫度溫度序列溫度分布12/31/2022632.溫度效應(yīng)影響反應(yīng)速率、選擇性最佳溫度12/27/2022溫度序列如：

B---目的產(chǎn)物措施：先高后低12/31/202264溫度序列如：B---目的溫度分布如：固定床放熱反應(yīng)的溫度流體溫度與催化劑表面溫度不同12/31/202265溫度分布流體溫度與催化劑表面溫度不同12/27/202265二、研究步驟了解過(guò)程特征

設(shè)想技術(shù)方案

驗(yàn)證、改進(jìn)

確定放大設(shè)計(jì)方法

簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，定性理論分析，初步方案；理論與實(shí)踐結(jié)合實(shí)驗(yàn)，定性、定量數(shù)模；經(jīng)驗(yàn)12/31/202266二、研究步驟了解過(guò)程特征簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，定性理論分析，初步方案；理三、特征分解研究與綜合分析相結(jié)合與數(shù)?；鞠嗤徊煌憾ㄐ缘募夹g(shù)方案，不確切技術(shù)信息來(lái)源于實(shí)驗(yàn)理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)；節(jié)省人力、物力技術(shù)方案通過(guò)反復(fù)論證可靠、準(zhǔn)確12/31/202267三、特征分解研究與綜合分析相結(jié)合12/27/202267例：丁二烯制二氯乙烯12/31/202268例：丁二烯制二氯乙烯12/27/202268（1）化學(xué)反應(yīng)特征氣相、放熱、常T反應(yīng)速率大，無(wú)Cat；副產(chǎn)物（氯代、多氯加成）多。反應(yīng)器選型、操作條件提高選擇性。關(guān)鍵：如何提高選擇性12/31/202269（1）化學(xué)反應(yīng)特征氣相、放熱、常T反應(yīng)速率大，無(wú)Cat；副產(chǎn)（2）實(shí)驗(yàn)管式反應(yīng)器、原料混合后進(jìn)料12/31/202270（2）實(shí)驗(yàn)12/27/202270a.溫度的影響高T（>270℃）有利（抑制氯代副產(chǎn)物）加熱方式？預(yù)熱or產(chǎn)物換熱產(chǎn)物換熱（√）選定反應(yīng)器：返混式攪拌or射流射流（√）12/31/202271a.溫度的影響高T（>270℃）有利（抑制氯代副產(chǎn)物）加熱b.返混對(duì)選擇性的影響目的：怎樣抑制多氯加成產(chǎn)物？實(shí)驗(yàn)方法的思考？結(jié)果：返混降低選擇性問(wèn)題：兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果矛盾反應(yīng)物料用二氯丁烯12/31/202272b.返混對(duì)選擇性的影響目的：怎樣抑制多氯加成產(chǎn)物？實(shí)驗(yàn)方法的C.抑制多氯產(chǎn)物的方法理論分析：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：結(jié)果：丁二烯過(guò)量丁二烯、氯、二氯丁烯混合進(jìn)料產(chǎn)物中無(wú)明顯的多氯化合物12/31/202273C.抑制多氯產(chǎn)物的方法理論分析：丁二烯過(guò)量丁二烯、氯、二氯丁（3）構(gòu)思技術(shù)方案（定性）射流式反應(yīng)器、270℃、丁二烯過(guò)量12/31/202274（3）構(gòu)思技術(shù)方案（定性）射流式反應(yīng)器、270℃、丁二烯過(guò)量（4）確定反應(yīng)器尺寸、工藝條件反應(yīng)器大小對(duì)反應(yīng)結(jié)果影響不大反應(yīng)器需保證足夠大的返混量（容積、工藝條件）流體力學(xué)計(jì)算（5）檢驗(yàn)（25t/a）12/31/202275（4）確定反應(yīng)器尺寸、工藝條件12/27/202275例：異丁烯二聚12/31/202276例：異丁烯二聚12/27/202276簡(jiǎn)介：石油裂解的丁烯組分（正丁烯、異丁烯），難分離。通過(guò)異丁烯的二聚，使正丁烯分離出來(lái)。異丁烯濃度：4%；20%制丁二烯汽油組分12/31/202277簡(jiǎn)介：石油裂解的丁烯組分（正丁烯、異丁烯），難分離。制丁二烯（1）實(shí)驗(yàn)（反應(yīng)過(guò)程特征）非均相催化，固定床a.原料4%反應(yīng)條件：結(jié)果：27℃、1atm、3/h;產(chǎn)物異丁烯小于0.5%，正丁烯減少10%處理低濃度原料可行12/31/202278（1）實(shí)驗(yàn)（反應(yīng)過(guò)程特征）非均相催化，固定床27℃、1atmb.原料20%反應(yīng)條件：同a結(jié)果：產(chǎn)物異丁烯小于0.5%，正丁烯減少30%解決方法：原因—濃度影響原料循環(huán)（稀釋5倍）方法不可取12/31/202279b.原料20%反應(yīng)條件：同a原因—濃度影響原料循環(huán)（稀釋5（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)合正丁烯損失原因：濃度效應(yīng)，即正丁烯和異丁烯共聚溫度效應(yīng)（從絕熱溫升的計(jì)算得）；擴(kuò)散控制否12/31/202280（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)合正丁烯損失原因：否12/27/202（3）檢驗(yàn)

提高空速，強(qiáng)化擴(kuò)散方法：結(jié)果：正丁烯損失幾乎為零正丁烯損失原因：正丁烯的自聚12/31/202281（3）檢驗(yàn)

提高空速，強(qiáng)化擴(kuò)散方法：結(jié)果：正丁烯損失幾乎為零熱烈歡迎各位專(zhuān)家蒞臨指導(dǎo)12/31/202282熱烈歡迎各位專(zhuān)家蒞臨指導(dǎo)12/27/202282放大方法回顧經(jīng)驗(yàn)：數(shù)模：部分解析：化學(xué)過(guò)程物理過(guò)程冷模試驗(yàn)黑箱灰箱白箱12/31/202283放大方法回顧經(jīng)驗(yàn)：化學(xué)過(guò)程冷模試驗(yàn)黑箱灰箱白箱12/27/2

第四節(jié)相似放大法理論實(shí)例第四章化工過(guò)程放大12/31/202284

第四節(jié)相似放大法理論第四章化工過(guò)程放大12/27/2概述以相似論和量綱分析為基礎(chǔ)，依據(jù)模型實(shí)驗(yàn)得到某些物理量之間的關(guān)系，按相似原理推算模型與原型之間的相似規(guī)律。因次分析經(jīng)驗(yàn)放大（依賴(lài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果）研究傳遞規(guī)律（冷模實(shí)驗(yàn)）理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得以簡(jiǎn)化12/31/202285概述以相似論和量綱分析為基礎(chǔ)，依據(jù)模型實(shí)驗(yàn)得到某些物理量之間一、理論基礎(chǔ)12/31/202286一、理論基礎(chǔ)12/27/2022861.相似概念（條件）幾何相似時(shí)間相似運(yùn)動(dòng)相似動(dòng)力相似現(xiàn)象相似當(dāng)表述某種現(xiàn)象的所有量，在相似空間中對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)以及在時(shí)間上相對(duì)應(yīng)的各瞬間，互成一定的比例關(guān)系，則稱(chēng)為——12/31/2022871.相似概念（條件）現(xiàn)象相似當(dāng)表述某種現(xiàn)象的所有量，在相似空2.相似定理3個(gè)定理12/31/2022882.相似定理3個(gè)定理12/27/202288第一定理（1）相似現(xiàn)象可用相同的數(shù)學(xué)物理方程及單值條件描述。如：粘性、不可壓縮流體的等T、穩(wěn)流的運(yùn)動(dòng)方程其單值條件為：幾何條件物理?xiàng)l件邊界條件起始條件12/31/202289第一定理（1）相似現(xiàn)象可用相同的數(shù)學(xué)物理方程及單值條件描述。第一定理（續(xù)）（2）由相似現(xiàn)象的定義可寫(xiě)出量的比例關(guān)系如：12/31/202290第一定理（續(xù)）（2）由相似現(xiàn)象的定義可寫(xiě)出量的比例關(guān)系12/第一定理（續(xù)）（3）由于（1）和（2）的約束，相似倍數(shù)不是任意的，而是彼此約束。如：u、l、t三個(gè)量表征物理量----速度，由于運(yùn)動(dòng)方程的約束，有：相似指標(biāo)12/31/202291第一定理（續(xù)）（3）由于（1）和（2）的約束，相似倍數(shù)不是任第一定理（續(xù)）（4）對(duì)于彼此相似的現(xiàn)象，存在著同樣數(shù)值的綜合量，即相似特征數(shù)。由得：彼此相似的現(xiàn)象，必有數(shù)值相同的相似特征數(shù)12/31/202292第一定理（續(xù)）（4）對(duì)于彼此相似的現(xiàn)象，存在著同樣數(shù)值的綜合第二定理

具有相同的相似特征數(shù)的現(xiàn)象，若表明現(xiàn)象特征的單值條件相似，且由單值條件所組成的相似特征數(shù)相等，則它們相似。滿(mǎn)足什么條件，模型與原型相似12/31/202293第二定理具有相同的相似特征數(shù)的現(xiàn)象，若表明現(xiàn)象特征的單第二定理（續(xù)）如：仍以上述流體穩(wěn)流為例1.單值條件相似幾何相似物理?xiàng)l件相似邊界條件相似2.相似特征數(shù)相等12/31/202294第二定理（續(xù)）如：仍以上述流體穩(wěn)流為例12/27/20229第三定理

當(dāng)一個(gè)現(xiàn)象由n個(gè)物理量的函數(shù)關(guān)系來(lái)表示，這些物理量包含m個(gè)量綱，則應(yīng)有n-m個(gè)相似特征數(shù)白金漢的π定理描述某現(xiàn)象的各種量之間的關(guān)系12/31/202295第三定理

當(dāng)一個(gè)現(xiàn)象由n個(gè)物理量的函數(shù)關(guān)系來(lái)表示，這些物理量小結(jié)第一定理，指明應(yīng)測(cè)試哪些數(shù)據(jù)第二定理，指明模型試驗(yàn)應(yīng)遵守的條件第三定理，指明如何整理試驗(yàn)結(jié)果。12/31/202296小結(jié)第一定理，指明應(yīng)測(cè)試哪些數(shù)據(jù)12/27/202296二、研究方法分析影響因素，運(yùn)用量綱分析，將變量按特征數(shù)合并，實(shí)驗(yàn)測(cè)定表達(dá)輸入、輸出的關(guān)系的特征數(shù)方程的待定參數(shù)。放大依據(jù)：特征數(shù)方程12/31/202297二、研究方法分析影響因素，運(yùn)用量綱分析，將變量按特征數(shù)合并，1.相似特征數(shù)及其方程

例：液體攪拌混合槽，所需攪拌功率12/31/2022981.相似特征數(shù)及其方程

例：液體攪拌混合槽，所需攪拌功率1212/31/20229912/27/2022992.由實(shí)驗(yàn)確定特征數(shù)方程的未知系數(shù)12/31/20221002.由實(shí)驗(yàn)確定特征數(shù)方程的未知系數(shù)12/27/2022100低雷諾數(shù)區(qū)：過(guò)渡區(qū)：K、-d不恒定湍流區(qū)：12/31/2022101低雷諾數(shù)區(qū)：12/27/20221013.相似放大均相：Re、Fr相等非均相：12/31/20221023.相似放大12/27/2022102攪拌放大的判據(jù)12/31/2022103攪拌放大的判據(jù)12/27/2022103三、特征（1）試驗(yàn)研究屬于綜合考察．放大依據(jù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)相似特征數(shù)方程是依據(jù)試驗(yàn)來(lái)確定的。試驗(yàn)只考察了輸入條件和輸出結(jié)果的關(guān)系，與經(jīng)驗(yàn)放大法的試驗(yàn)相似。12/31/2022104三、特征（1）試驗(yàn)研究屬于綜合考察．放大依據(jù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)12/2，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)效率3．運(yùn)用相似特征數(shù)相等為放大提拱了簡(jiǎn)單可靠的依據(jù)12/31/20221052，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)效率12/27/2022105四、數(shù)量放大法和比例放大法1．?dāng)?shù)量放大法采用設(shè)備單元數(shù)增加的一種放大方法，在固定床催化反應(yīng)器的放大時(shí)常見(jiàn)。2．比例放大法以一個(gè)或數(shù)個(gè)能表達(dá)過(guò)程主要特征的參數(shù)為依據(jù)，按比例對(duì)該過(guò)程進(jìn)行放大的方法。12/31/2022106四、數(shù)量放大法和比例放大法1．?dāng)?shù)量放大法12/27/2022例2－7用相似放大法將生產(chǎn)某種合成洗滌劑的攪拌釜放大至容積為5.72m3（槽直徑2.7m。已知物料的密度為1400kg／m3，粘度為1Pa·S，初步試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型的攪拌釜（有擋板）所消耗的功率最小。

12/31/2022107例2－7用相似放大法將生產(chǎn)某種合成洗滌劑的攪拌釜放大至容積選用3臺(tái)構(gòu)型相同而容積不同的攪拌釜進(jìn)行試驗(yàn)。反應(yīng)釜容積分別為：0.00839m3（槽直徑0.225m），0.0715m3(槽直徑0.45m）和0.572(槽直徑0.90m).調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速．使之達(dá)到相同的均勻乳化效果。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表：12/31/2022108選用3臺(tái)構(gòu)型相同而容積不同的攪拌釜進(jìn)行試驗(yàn)。12/27/212/31/202210912/27/2022109從表中數(shù)據(jù)看出；當(dāng)達(dá)到相同的乳化效果時(shí)；在各種放大判據(jù)中，只有葉輪末梢速度，在攪拌釜大小改變時(shí)保持不變。因此確定葉輪末梢速度為該工藝過(guò)程的放大判據(jù)。

12/31/2022110從表中數(shù)據(jù)看出；當(dāng)達(dá)到相同的乳化效果時(shí)；在各種放大判據(jù)中，Theend!12/31/202211112/27/2022111謝謝各位光臨！12/31/2022112謝謝各位光臨！12/27/2022112第四章化工過(guò)程放大12/31/2022113第四章化工過(guò)程放大12/27/20221概述化工過(guò)程放大是科學(xué)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合、質(zhì)和量相結(jié)合的工程科學(xué)問(wèn)題。技術(shù)上的關(guān)鍵問(wèn)題是：（1）是否開(kāi)發(fā)出高效催化劑（2）可靠的放大技術(shù)，特別是反應(yīng)器的放大（3）工業(yè)化過(guò)程的材料（4）過(guò)程所需設(shè)備（5）計(jì)量和檢測(cè)技術(shù)核心是放大技術(shù)12/31/2022114概述化工過(guò)程放大技術(shù)上的關(guān)鍵問(wèn)題是：核心12/27/2022模擬研究法用模型研究化工過(guò)程的現(xiàn)象、規(guī)律模型實(shí)物、數(shù)學(xué)基本方法

經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)部分解析相似12/31/2022115模擬研究法用模型研究化工過(guò)程的現(xiàn)象、規(guī)律模型基本方法12/2第一節(jié)逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大12/31/2022116第一節(jié)逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大12/27/20224一、幾個(gè)概念1.放大系數(shù)What’sthemeaning?G.E.Davis：在實(shí)驗(yàn)室中幾克物料的小型實(shí)驗(yàn)，對(duì)于指導(dǎo)大型工廠的建設(shè)工作，并沒(méi)有什么作用。但用數(shù)公斤物料進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，則無(wú)疑可提供大型工廠需要的全部數(shù)據(jù)。定義：放大后的實(shí)驗(yàn)（生產(chǎn)）規(guī)模/前表達(dá)：小時(shí)投料量、每批投料量或年產(chǎn)量反應(yīng)器特征尺寸比。12/31/2022117一、幾個(gè)概念1.放大系數(shù)What’sthemeanin2.放大效應(yīng)如：反應(yīng)狀況惡化、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率下降、產(chǎn)品質(zhì)量劣化等。反應(yīng)得到改善，得到正的放大效應(yīng)因過(guò)程規(guī)模變大造成指標(biāo)不能重復(fù)的現(xiàn)象12/31/20221182.放大效應(yīng)如：反應(yīng)狀況惡化、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率下降、產(chǎn)3.逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大定義：放大系數(shù)的確定：在放大過(guò)程缺乏依據(jù)時(shí)，依靠小規(guī)模實(shí)驗(yàn)成功的方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，加上開(kāi)發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)，不斷適當(dāng)加大實(shí)驗(yàn)的規(guī)模，修正前一級(jí)實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)，來(lái)摸索化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)器的規(guī)律?；瘜W(xué)反應(yīng)類(lèi)型、放大理論的成熟度、過(guò)程規(guī)律的掌握度、研究人員經(jīng)驗(yàn)。

低放大系數(shù)？高放大系數(shù)？12/31/20221193.逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大在放大過(guò)程缺乏依據(jù)時(shí)，依靠小規(guī)模實(shí)驗(yàn)成功的典型反應(yīng)過(guò)程放大系數(shù)12/31/2022120典型反應(yīng)過(guò)程放大系數(shù)12/27/2022812/31/202212112/27/20229二、逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的步驟反應(yīng)器選型工藝條件優(yōu)化反應(yīng)器放大小型裝置考察“結(jié)構(gòu)變量”小型裝置考察“操作變量”模型裝置考察“幾何變量”12/31/2022122二、逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的步驟小型裝置小型裝置模型裝置12/27/2三、逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的特征1．只注重輸入與輸出關(guān)系，純屬于經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)綜合考察2．試驗(yàn)程序人為確定

3．放大是根據(jù)試險(xiǎn)結(jié)果外推

黑箱三步線性規(guī)律缺乏理論指導(dǎo)，周期較長(zhǎng)；方法簡(jiǎn)單12/31/2022123三、逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的特征黑箱三步線性規(guī)律缺乏理論指導(dǎo)，周期較長(zhǎng)例：合成氨技術(shù)開(kāi)發(fā)12/31/2022124例：合成氨技術(shù)開(kāi)發(fā)12/27/202212合成氨技術(shù)開(kāi)發(fā)及啟示基礎(chǔ)研究：哈伯的工作（實(shí)驗(yàn)室）

反應(yīng)基本規(guī)律特點(diǎn)：在常溫常壓下不反應(yīng)。1000℃，常壓，轉(zhuǎn)化率也小于0.01%；提高壓力，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率則提高。催化劑：鋨12/31/2022125合成氨技術(shù)開(kāi)發(fā)及啟示基礎(chǔ)研究：哈伯的工作（實(shí)驗(yàn)室）反應(yīng)基本規(guī)（1〕反應(yīng)器選型強(qiáng)放熱的氣固相催化反應(yīng)，高溫高壓。哈伯選用了80g/h固定床管式催化反應(yīng)器。12/31/2022126（1〕反應(yīng)器選型強(qiáng)放熱的氣固相催化反應(yīng)，高溫高壓。哈伯選用了(2)條件優(yōu)化工藝條件：產(chǎn)品：500～600℃；17.5～20MPa；鋨催化劑氨的體積分?jǐn)?shù)達(dá)6%12/31/2022127(2)條件優(yōu)化500～600℃；17.5～20MPa（3）預(yù)設(shè)計(jì)工藝流程A.原料循環(huán)B.熱量利用C.冷凍分離12/31/2022128（3）預(yù)設(shè)計(jì)工藝流程A.原料循環(huán)12/27/202216（4）波施的工作（反應(yīng)器放大和工業(yè)化）（a）研制了穩(wěn)定可靠的廉價(jià)催化劑取代了鋨催化劑

含少量鉀、鎂、鋁、鈣為助催化劑的鐵催化劑（b）找到能耐20MPa、500～600C的高壓高溫材質(zhì)、并設(shè)計(jì)出合成氨反應(yīng)器（c）提供廉價(jià)的氮?dú)夂蜌錃?2/31/2022129（4）波施的工作（反應(yīng)器放大和工業(yè)化）（a）研制了穩(wěn)定可靠的啟示①對(duì)于化工過(guò)程開(kāi)發(fā)，在實(shí)驗(yàn)室研究階段即應(yīng)充分考慮實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的可行性。②在實(shí)驗(yàn)室研究完成之后．還必須解決與工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的一些技術(shù)問(wèn)題。③技術(shù)開(kāi)發(fā)的成功與科學(xué)技術(shù)水平有看密切關(guān)系。在20世紀(jì)初，若不是可以實(shí)現(xiàn)高溫高壓技術(shù)、空氣分離技術(shù)和深度冷凍技術(shù)，合成氨的工業(yè)化也是不可能實(shí)現(xiàn)。隨著合成氨技術(shù)的開(kāi)發(fā)．又推動(dòng)了催化劑制備技術(shù)，高溫高壓技術(shù)，深冷分離技術(shù)等近代化工技術(shù)的發(fā)展。12/31/2022130啟示①對(duì)于化工過(guò)程開(kāi)發(fā)，在實(shí)驗(yàn)室研究階段即應(yīng)充分考慮實(shí)現(xiàn)工業(yè)例：異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮的工藝12/31/2022131例：異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮的工藝12/27/202219一級(jí)不可逆12/31/2022132一級(jí)不可逆12/27/202220（I）反應(yīng)器選型

反應(yīng)特點(diǎn)：

選擇：過(guò)氧化氫異丙苯的分解反應(yīng)為液相反應(yīng)，反應(yīng)速率較快。多種型式的反應(yīng)器適用連續(xù)操作管式反應(yīng)器12/31/2022133（I）反應(yīng)器選型過(guò)氧化氫異丙苯的分解反應(yīng)為液相反應(yīng)，反應(yīng)速率（2）優(yōu)化工藝條件

選用一根直徑為40mm，長(zhǎng)度為1202mm的不銹鋼管（容積約1.51L）作反應(yīng)器試驗(yàn)考察工藝條件對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響12/31/2022134（2）優(yōu)化工藝條件選用一根直徑為40mm，長(zhǎng)度為120根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定的工藝條件為結(jié)果：轉(zhuǎn)化率為98.8％。12/31/2022135根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定的工藝條件為12/27/202223（3）反應(yīng)器放大與校驗(yàn)校驗(yàn)試驗(yàn)分兩級(jí)進(jìn)行A、不改變管直徑，反應(yīng)管延長(zhǎng)，將反應(yīng)器容積放大到2.15L（流量0.1m3/h）B、容積從2.15L放大到10L(流量0.464m3/h)結(jié)果：轉(zhuǎn)化率99.8%，無(wú)放大效應(yīng)12/31/2022136（3）反應(yīng)器放大與校驗(yàn)校驗(yàn)試驗(yàn)分兩級(jí)進(jìn)行12/27/20（4）計(jì)算反應(yīng)器容積工業(yè)化的要求處理量：過(guò)氧化氫異丙苯（濃度為3.2kmol／m3。）的量為3m3/h。計(jì)算所需反應(yīng)器的容積：按1.51L模型尺寸，根據(jù)物料處理量的擴(kuò)大，按比例外推計(jì)算。結(jié)果：45.3L12/31/2022137（4）計(jì)算反應(yīng)器容積工業(yè)化的要求處理量：過(guò)氧化氫異丙苯（濃第二節(jié)數(shù)學(xué)模型法12/31/2022138第二節(jié)數(shù)學(xué)模型法12/27/202226定義：在充分認(rèn)識(shí)過(guò)程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用理論分折，找到描述過(guò)程運(yùn)行規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用于反應(yīng)器的放大計(jì)算。試驗(yàn)的目的是為了建立和檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)的方式和要求與經(jīng)驗(yàn)放大方法有很大差別。是否還需要實(shí)驗(yàn)？12/31/2022139定義：在充分認(rèn)識(shí)過(guò)程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用理論分折，找到描述過(guò)程運(yùn)行一、數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型：要求：通常是一組描述過(guò)程運(yùn)行動(dòng)態(tài)規(guī)律的代數(shù)方程或微分方程。既要能表達(dá)實(shí)際過(guò)程運(yùn)行的規(guī)律又要簡(jiǎn)單而便于應(yīng)用。12/31/2022140一、數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型：通常是一組描述過(guò)程運(yùn)行動(dòng)態(tài)規(guī)律的代數(shù)方建模中的問(wèn)題1.建立數(shù)學(xué)模型的方法2.數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化3.數(shù)學(xué)模型的針對(duì)性12/31/2022141建模中的問(wèn)題1.建立數(shù)學(xué)模型的方法12/27/2022291.建立數(shù)學(xué)模型的方法怎樣建立？如反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的數(shù)模建立掌握動(dòng)態(tài)規(guī)律動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)流動(dòng)與混合、傳熱、傳質(zhì)方程組：物料、熱量、動(dòng)量衡算12/31/20221421.建立數(shù)學(xué)模型的方法掌握動(dòng)態(tài)規(guī)律動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)方程組：物料2.數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化如：固定床催化反應(yīng)器中氣體流動(dòng)規(guī)律：簡(jiǎn)化表達(dá)：要求：紊亂、隨機(jī)返混模型結(jié)果的等效12/31/20221432.數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化如：固定床催化反應(yīng)器中氣體流動(dòng)紊亂、隨機(jī)返3.數(shù)學(xué)模型的針對(duì)性明確的模擬目標(biāo)目標(biāo)不同，模型不同。目標(biāo)不同，限制范圍不同。如：流體流動(dòng)返混、阻力模型不同多為工程因素如：催化劑活性溫度限制了模型溫度參數(shù)變化作用：有利于模型的簡(jiǎn)化12/31/20221443.數(shù)學(xué)模型的針對(duì)性明確的模擬目標(biāo)如：流體流動(dòng)返混、阻力模型二、研究方法（化學(xué)反應(yīng)器建模）1.反應(yīng)過(guò)程2.傳遞過(guò)程3.建模4.校驗(yàn)12/31/2022145二、研究方法（化學(xué)反應(yīng)器建模）1.反應(yīng)過(guò)程12/27/2021.反應(yīng)過(guò)程內(nèi)容：反應(yīng)類(lèi)型、控制步驟；動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)與經(jīng)驗(yàn)放大不同，不需模擬生產(chǎn)裝置。了解過(guò)程本質(zhì)排除外界因素的干擾12/31/20221461.反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)類(lèi)型、控制步驟；動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)與經(jīng)驗(yàn)放大不同2.傳遞過(guò)程內(nèi)容：方法：反應(yīng)器內(nèi)物理過(guò)程的規(guī)律與反應(yīng)器型式、結(jié)構(gòu)有關(guān)冷模實(shí)驗(yàn)12/31/20221472.傳遞過(guò)程內(nèi)容：反應(yīng)器內(nèi)物理過(guò)程的規(guī)律與反應(yīng)器型式、結(jié)構(gòu)有3.建模物理、化學(xué)過(guò)程的結(jié)合方法：濃度、溫度效應(yīng)建立動(dòng)力學(xué)、物料、熱量衡算（動(dòng)量）方程12/31/20221483.建模濃度、溫度效應(yīng)建立動(dòng)力學(xué)、物料、熱量衡算（動(dòng)量）方程4.校驗(yàn)方法：中試與數(shù)模計(jì)算結(jié)果比較是否等效？與經(jīng)驗(yàn)法的實(shí)驗(yàn)不同12/31/20221494.校驗(yàn)中試與數(shù)模計(jì)算結(jié)果比較是否等效？與經(jīng)驗(yàn)法的實(shí)驗(yàn)不同1三、特征1．分解過(guò)程，不作綜合考察

著眼于過(guò)程的內(nèi)部規(guī)律，對(duì)過(guò)程進(jìn)行分解和綜合2．合理簡(jiǎn)化過(guò)程運(yùn)行規(guī)律

抓主要矛盾，忽略次要矛盾3．科學(xué)試驗(yàn)是為了建立和檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

反應(yīng)工程理論和傳遞過(guò)程理論指導(dǎo)下建立數(shù)學(xué)模型；模型來(lái)源于實(shí)踐，又為實(shí)踐所檢驗(yàn)。12/31/2022150三、特征1．分解過(guò)程，不作綜合考察12/27/202238例：異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮的工藝12/31/2022151例：異丙苯生產(chǎn)苯酚和丙酮的工藝12/27/202239任務(wù)12/31/2022152任務(wù)12/27/202240等溫、容、均液相，一級(jí)不可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型：試驗(yàn)測(cè)得：12/31/2022153等溫、容、均液相，一級(jí)不可逆反應(yīng)12/27/202241連續(xù)管式反應(yīng)器，活塞流等溫，無(wú)溫度梯度，無(wú)返混等物理因素影響12/31/2022154連續(xù)管式反應(yīng)器，活塞流12/27/202242活塞流反應(yīng)器：12/31/2022155活塞流反應(yīng)器：12/27/20224312/31/202215612/27/202244例丙烯二聚過(guò)程開(kāi)發(fā)12/31/2022157例丙烯二聚過(guò)程開(kāi)發(fā)12/27/202245聚合反應(yīng)12/31/2022158聚合反應(yīng)12/27/202246（1）聚合反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：氣相催化反應(yīng)，催化劑為三丙基鋁、加壓條件下進(jìn)行，原料丙烯和催化劑三丙基鋁混合進(jìn)料。一級(jí)不可逆反應(yīng)、采用管式反應(yīng)器。12/31/2022159（1）聚合反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：氣相催化反應(yīng)，催化劑為三丙基鋁、建立反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化①在反應(yīng)條件控制的范圍以?xún)?nèi)，有關(guān)物性參數(shù)為常數(shù)；②反應(yīng)器內(nèi)由于物料流動(dòng)所產(chǎn)生的壓降不計(jì)；③反應(yīng)器內(nèi)無(wú)徑向溫度梯度，但沿軸向有溫度變化；④物料通過(guò)反應(yīng)器截面的流量恒定；⑤活塞流狀態(tài)流動(dòng)；⑥絕熱系統(tǒng)。12/31/2022160建立反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化①在反應(yīng)條件控制的范圍以?xún)?nèi)，有關(guān)物反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型放大結(jié)果絕熱一維系統(tǒng)的活塞流模型。數(shù)學(xué)表達(dá)形式：化學(xué)反應(yīng)應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、物料和熱量衡算式。物料循環(huán)裝置放大17000倍，反應(yīng)器出口溫度的理論與實(shí)驗(yàn)值差2℃放大成功12/31/2022161反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型絕熱一維系統(tǒng)的活塞流模型。物料循環(huán)12/27（2）異構(gòu)化反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：氣、固相催化反應(yīng)、硅鋁催化劑，一級(jí)可逆反應(yīng)。反應(yīng)溫度：80～85℃，轉(zhuǎn)化率75%，選擇性為79％。固定床催化反應(yīng)器12/31/2022162（2）異構(gòu)化反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：氣、固相催化反應(yīng)、硅鋁催化劑模型簡(jiǎn)化①擬均相；②活塞流；③恒溫．無(wú)溫度梯度和壓力降。12/31/2022163模型簡(jiǎn)化12/27/202251模型

恒溫活塞流模型其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和物料衡算式聯(lián)立。12/31/2022164模型12/27/202252放大關(guān)鍵催化劑國(guó)外采用低活性催化劑，將反應(yīng)器放大7000倍獲得了成功。12/31/2022165放大關(guān)鍵12/27/202253（3）脫甲基化反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：吸熱的催化分解反應(yīng)．高溫下的副反應(yīng)少．采用固定床反應(yīng)器。12/31/2022166（3）脫甲基化反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)特點(diǎn)：吸熱的催化分解反應(yīng)．高溫下簡(jiǎn)化擬均相、恒溫?zé)o壓力降等。12/31/2022167簡(jiǎn)化擬均相、12/27/202255模型復(fù)雜國(guó)外采用等溫爐加熱，放大2000倍建立生產(chǎn)袋置。經(jīng)生產(chǎn)檢驗(yàn)，產(chǎn)物和副產(chǎn)物的分布與數(shù)學(xué)模型計(jì)算的結(jié)果十分相近。放大成功。12/31/2022168模型復(fù)雜12/27/202256總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、數(shù)模的局限耗資大、周期長(zhǎng)建模困難12/31/2022169總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、數(shù)模的局限耗資大、建模困難12/27/202257第三節(jié)部分解析法12/31/2022170第三節(jié)部分解析法12/27/202258概述基礎(chǔ)：特點(diǎn)：介于經(jīng)驗(yàn)與數(shù)模之間理論分析和實(shí)驗(yàn)探索相結(jié)合化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展：較多的成熟理論和研究方法避免黑箱；易掌握12/31/2022171概述介于經(jīng)驗(yàn)與數(shù)模之間化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展：避免黑箱；易掌握12一、研究方法反應(yīng)器放大依據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率溫度、濃度工程因素反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)理論12/31/2022172一、研究方法反應(yīng)器放大依據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率溫度、濃度工程因素反應(yīng)研究思路二者結(jié)合：確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法；預(yù)測(cè)結(jié)果、放大效應(yīng)考察：濃度、溫度效應(yīng)12/31/2022173研究思路二者結(jié)合：確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法；預(yù)測(cè)結(jié)果、放大效應(yīng)121.濃度效應(yīng)工程因素：工程因素的等效性返混、預(yù)混合、進(jìn)料濃度、加料方式、操作方式濃度、濃度分布相同反應(yīng)結(jié)果相同返混、分段加料、降低進(jìn)料濃度等工程因素的等效（濃度、分布），不考慮其差別如：均相、非均相反應(yīng)濃度不同，結(jié)果不同。簡(jiǎn)化過(guò)程12/31/20221741.濃度效應(yīng)工程因素：返混、預(yù)混合、進(jìn)料濃度、濃度、濃度分布2.溫度效應(yīng)需考慮：影響反應(yīng)速率、選擇性最佳溫度溫度序列溫度分布12/31/20221752.溫度效應(yīng)影響反應(yīng)速率、選擇性最佳溫度12/27/2022溫度序列如：

B---目的產(chǎn)物措施：先高后低12/31/2022176溫度序列如：B---目的溫度分布如：固定床放熱反應(yīng)的溫度流體溫度與催化劑表面溫度不同12/31/2022177溫度分布流體溫度與催化劑表面溫度不同12/27/202265二、研究步驟了解過(guò)程特征

設(shè)想技術(shù)方案

驗(yàn)證、改進(jìn)

確定放大設(shè)計(jì)方法

簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，定性理論分析，初步方案；理論與實(shí)踐結(jié)合實(shí)驗(yàn)，定性、定量數(shù)模；經(jīng)驗(yàn)12/31/2022178二、研究步驟了解過(guò)程特征簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，定性理論分析，初步方案；理三、特征分解研究與綜合分析相結(jié)合與數(shù)?；鞠嗤?；不同：定性的技術(shù)方案，不確切技術(shù)信息來(lái)源于實(shí)驗(yàn)理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)；節(jié)省人力、物力技術(shù)方案通過(guò)反復(fù)論證可靠、準(zhǔn)確12/31/2022179三、特征分解研究與綜合分析相結(jié)合12/27/202267例：丁二烯制二氯乙烯12/31/2022180例：丁二烯制二氯乙烯12/27/202268（1）化學(xué)反應(yīng)特征氣相、放熱、常T反應(yīng)速率大，無(wú)Cat；副產(chǎn)物（氯代、多氯加成）多。反應(yīng)器選型、操作條件提高選擇性。關(guān)鍵：如何提高選擇性12/31/2022181（1）化學(xué)反應(yīng)特征氣相、放熱、常T反應(yīng)速率大，無(wú)Cat；副產(chǎn)（2）實(shí)驗(yàn)管式反應(yīng)器、原料混合后進(jìn)料12/31/2022182（2）實(shí)驗(yàn)12/27/202270a.溫度的影響高T（>270℃）有利（抑制氯代副產(chǎn)物）加熱方式？預(yù)熱or產(chǎn)物換熱產(chǎn)物換熱（√）選定反應(yīng)器：返混式攪拌or射流射流（√）12/31/2022183a.溫度的影響高T（>270℃）有利（抑制氯代副產(chǎn)物）加熱b.返混對(duì)選擇性的影響目的：怎樣抑制多氯加成產(chǎn)物？實(shí)驗(yàn)方法的思考？結(jié)果：返混降低選擇性問(wèn)題：兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果矛盾反應(yīng)物料用二氯丁烯12/31/2022184b.返混對(duì)選擇性的影響目的：怎樣抑制多氯加成產(chǎn)物？實(shí)驗(yàn)方法的C.抑制多氯產(chǎn)物的方法理論分析：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：結(jié)果：丁二烯過(guò)量丁二烯、氯、二氯丁烯混合進(jìn)料產(chǎn)物中無(wú)明顯的多氯化合物12/31/2022185C.抑制多氯產(chǎn)物的方法理論分析：丁二烯過(guò)量丁二烯、氯、二氯丁（3）構(gòu)思技術(shù)方案（定性）射流式反應(yīng)器、270℃、丁二烯過(guò)量12/31/2022186（3）構(gòu)思技術(shù)方案（定性）射流式反應(yīng)器、270℃、丁二烯過(guò)量（4）確定反應(yīng)器尺寸、工藝條件反應(yīng)器大小對(duì)反應(yīng)結(jié)果影響不大反應(yīng)器需保證足夠大的返混量（容積、工藝條件）流體力學(xué)計(jì)算（5）檢驗(yàn)（25t/a）12/31/2022187（4）確定反應(yīng)器尺寸、工藝條件12/27/202275例：異丁烯二聚12/31/2022188例：異丁烯二聚12/27/202276簡(jiǎn)介：石油裂解的丁烯組分（正丁烯、異丁烯），難分離。通過(guò)異丁烯的二聚，使正丁烯分離出來(lái)。異丁烯濃度：4%；20%制丁二烯汽油組分12/31/2022189簡(jiǎn)介：石油裂解的丁烯組分（正丁烯、異丁烯），難分離。制丁二烯（1）實(shí)驗(yàn)（反應(yīng)過(guò)程特征）非均相催化，固定床a.原料4%反應(yīng)條件：結(jié)果：27℃、1atm、3/h;產(chǎn)物異丁烯小于0.5%，正丁烯減少10%處理低濃度原料可行12/31/2022190（1）實(shí)驗(yàn)（反應(yīng)過(guò)程特征）非均相催化，固定床27℃、1atmb.原料20%反應(yīng)條件：同a結(jié)果：產(chǎn)物異丁烯小于0.5%，正丁烯減少30%解決方法：原因—濃度影響原料循環(huán)（稀釋5倍）方法不可取12/31/2022191b.原料20%反應(yīng)條件：同a原因—濃度影響原料循環(huán)（稀釋5（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)合正丁烯損失原因：濃度效應(yīng)，即正丁烯和異丁烯共聚溫度效應(yīng)（從絕熱溫升的計(jì)算得）；擴(kuò)散控制否12/31/2022192（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)合正丁烯損失原因：否12/27/202（3）檢驗(yàn)

提高空速，強(qiáng)化擴(kuò)散方法：結(jié)果：正丁烯損失幾乎為零正丁烯損失原因：正丁烯的自聚12/31/2022193（3）檢驗(yàn)

提高空速，強(qiáng)化擴(kuò)散方法：結(jié)果：正丁烯損失幾乎為零熱烈歡迎各位專(zhuān)家蒞臨指導(dǎo)12/31/2022194熱烈歡迎各位專(zhuān)家蒞臨指導(dǎo)12/27/202282放大方法回顧經(jīng)驗(yàn)：數(shù)模：部分解析：化學(xué)過(guò)程物理過(guò)程冷模試驗(yàn)黑箱灰箱白箱12/31/2022195放大方法回顧經(jīng)驗(yàn)：化學(xué)過(guò)程冷模試驗(yàn)黑箱灰箱白箱12/27/2

第四節(jié)相似放大法理論實(shí)例第四章化工過(guò)程放大12/31/2022196

第四節(jié)相似放大法理論第四章化工過(guò)程放大12/27/2概述以相似論和量綱分析為基礎(chǔ)，依據(jù)模型實(shí)驗(yàn)得到某些物理量之間的關(guān)系，按相似原理推算模型與原型之間的相似規(guī)律。因次分析經(jīng)驗(yàn)放大（依賴(lài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果）研究傳遞規(guī)律（冷模實(shí)驗(yàn)）理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得以簡(jiǎn)化12/31/2022197概述以相似論和量綱分析為基礎(chǔ)，依據(jù)模型實(shí)驗(yàn)得到某些物理量之間一、理論基礎(chǔ)12/31/2022198一、理論基礎(chǔ)12/27/2022861.相似概念（條件）幾何相似時(shí)間相似運(yùn)動(dòng)相似動(dòng)力相似現(xiàn)象相似當(dāng)表述某種現(xiàn)象的所有量，在相似空間中對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)以及在時(shí)間上相對(duì)應(yīng)的各瞬間，互成一定的比例關(guān)系，則稱(chēng)為——12/31/20221991.相似概念（條件）現(xiàn)象相似當(dāng)表述某種現(xiàn)象的所有量，在相似空2.相似定理3個(gè)定理12/31/20222002.相似定理3個(gè)定理12/27/202288第一定理（1）相似現(xiàn)象可用相同的數(shù)學(xué)物理方程及單值條件描述。如：粘性、不可壓縮流體的等T、穩(wěn)流的運(yùn)動(dòng)