化工过程开发2

1、 第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 用模型研究化工过程发生的各种现象和规律用以用模型研究化工过程发生的各种现象和规律用以取得放大设计的依据，是化工过程开发中常采用的开取得放大设计的依据，是化工过程开发中常采用的开发放大方法。发放大方法。 研究化工过程放大规则的模型有研究化工过程放大规则的模型有 “物质模型物质模型”和和“非物质模型非物质模型”两种形式。前者是指那些与生产装置或两种形式。前者是指那些与生产装置或设备相似，但小于生产规模的试验装置或设备，后设备相似，但小于生产规模的试验装置或设备，后者则为描述过程动态规律并与过程运行实际情况等效者则为描述过程动态规律并与过程运行实际情况等效的

2、数学模型，凡根据模型模拟过程所得研究结果将过的数学模型，凡根据模型模拟过程所得研究结果将过程加以放大的方法，统称为程加以放大的方法，统称为“模拟放大模拟放大”。 目前化工过程开发有四种方法，它们是逐级经验目前化工过程开发有四种方法，它们是逐级经验放大法，数学模拟法，部分解析法和相似放大法。放大法，数学模拟法，部分解析法和相似放大法。第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 一、逐级经验放大法一、逐级经验放大法 逐级经验放大法是运用物质模型从实验室逐级经验放大法是运用物质模型从实验室规模的小试开始，经过逐级放大的模型试验研规模的小试开始，经过逐级放大的模型试验研究直到将化工过程放大成为生产规模。这

3、种放究直到将化工过程放大成为生产规模。这种放大方法每放大一级都必须建立相应的模型装置，大方法每放大一级都必须建立相应的模型装置，详细观察和记录模型试验中发生的各种现象和详细观察和记录模型试验中发生的各种现象和结果。而每一级放大设计的依据主要是前一级结果。而每一级放大设计的依据主要是前一级试验所取得的研究结果和数据，故为经验性质试验所取得的研究结果和数据，故为经验性质的放大。的放大。第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 逐级经验放大法逐级经验放大法 1、研究方法、研究方法 化工过程开发需要解决的问题通常是如何合理选择化工过程开发需要解决的问题通常是如何合理选择设备型式，确定最佳的工艺条件，以及

4、将设备放大达到设备型式，确定最佳的工艺条件，以及将设备放大达到过程开发的目标。而逐级经验放大法的研究方法则主要过程开发的目标。而逐级经验放大法的研究方法则主要是通过试验来取得设备选型，条件优化和设备放大的信是通过试验来取得设备选型，条件优化和设备放大的信息和结论。息和结论。 1 1）设备选型）设备选型 设备选型通常都以小试验的方式进行。因为过程开设备选型通常都以小试验的方式进行。因为过程开发初期技术方案尚未确定，不可能花费大量投资建立各发初期技术方案尚未确定，不可能花费大量投资建立各种型式的大型设备作设备型式的筛选试验，例如化学反种型式的大型设备作设备型式的筛选试验，例如化学反应器选型是采用不

5、同型式和结构的小型反应器，在实验应器选型是采用不同型式和结构的小型反应器，在实验室对所开发的反应过程进行试验研究。从试验结果的优室对所开发的反应过程进行试验研究。从试验结果的优劣，即可确定最佳型式的反应器。这种试验考察的因素劣，即可确定最佳型式的反应器。这种试验考察的因素仅仅是设备的型式和结构，故为仅仅是设备的型式和结构，故为结构变量试验结构变量试验。第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 逐级经验放大法逐级经验放大法 2 2）优化工艺条件）优化工艺条件 优化工艺条件的试验研究应在设备选型试验之后进优化工艺条件的试验研究应在设备选型试验之后进行，如果设备型式未定，则条件优化将无意义。这种试行，

6、如果设备型式未定，则条件优化将无意义。这种试验仍然可以在设备选型所确定的小型试验设备内进行。验仍然可以在设备选型所确定的小型试验设备内进行。试验考察的因素是各种工艺条件，并从不同操作条件的试验考察的因素是各种工艺条件，并从不同操作条件的试验结果对比中筛选出最佳工艺条化。由于试验仅仅改试验结果对比中筛选出最佳工艺条化。由于试验仅仅改变工艺操作条件，故为变工艺操作条件，故为操作变量试验操作变量试验。 3）反应器放大）反应器放大 反应器放大的试验研究是采用建立模型装置的方式反应器放大的试验研究是采用建立模型装置的方式进行逐级放大，每放大一级都必须重复前一级试验确定进行逐级放大，每放大一级都必须重复前

7、一级试验确定的条件，考察放大效应，并取得设备放大的有关判据或的条件，考察放大效应，并取得设备放大的有关判据或数据。这种试验所考数据。这种试验所考察的因素是设备几何尺寸改变以后察的因素是设备几何尺寸改变以后对于过程结果产生的影响，故为对于过程结果产生的影响，故为几何变量试验几何变量试验。 第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 逐级经验放大法逐级经验放大法 通过以上三种独立的变量试验基本上可以取得化工通过以上三种独立的变量试验基本上可以取得化工过程开发所需要的设备型式，最佳工艺条件，以及放大过程开发所需要的设备型式，最佳工艺条件，以及放大设计的判据和数据等信息和资料，为建立生产装置提供设计的判据

8、和数据等信息和资料，为建立生产装置提供了比较可靠的依据。了比较可靠的依据。 从以上研究方法的讨论可见，逐级经验放大法具有从以上研究方法的讨论可见，逐级经验放大法具有如下特征：如下特征： 只综合考察输入变量和输出结果的关系，未分解过程，只综合考察输入变量和输出结果的关系，未分解过程，不能深入研究过程的内在规律。不能深入研究过程的内在规律。 试验步骤由人为规定，并非科学合理的研究程序。试验步骤由人为规定，并非科学合理的研究程序。 放大是根据试验结果外推，并不一定可靠。放大是根据试验结果外推，并不一定可靠。 但是化工过程开发技术的发展和人们在开发工作中但是化工过程开发技术的发展和人们在开发工作中已经

9、能够运用理论分析和经验判断解决许多放大问题，已经能够运用理论分析和经验判断解决许多放大问题，在一定程度上弥补了逐级经验放大法的缺陷。当前这种在一定程度上弥补了逐级经验放大法的缺陷。当前这种方法仍然是广泛采用的成熟的化工过程开发方法。方法仍然是广泛采用的成熟的化工过程开发方法。 第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 逐级经验放大法逐级经验放大法 例例1. 用异丙苯为原料生产苯酚和丙酮。采用逐级经用异丙苯为原料生产苯酚和丙酮。采用逐级经验放大法对过氧化氢异丙苯分解反应器进行放大。验放大法对过氧化氢异丙苯分解反应器进行放大。 异丙苯生成苯酚和丙酮的反应分两步进行：异丙苯生成苯酚和丙酮的反应分两步进

10、行：（1）异丙苯氧化生成过氧化氢异丙苯）异丙苯氧化生成过氧化氢异丙苯 （2）过氧化氢异丙苯用硫酸作催化剂在液相中分解生成）过氧化氢异丙苯用硫酸作催化剂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决于第二步反应，而且硫酸的苯酚和丙酮的收率取决于第二步反应，而且硫酸的浓度越高，分解速率越高。分解反应为一级不可逆反应。浓度越高，分解速率越高。分解反应为一级不可逆反应。 第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 逐级经验放大法逐级经验放大法 (1)反应器选型反应器选型 对于均液相反应，釜式反应器和管式反应器均可应对于均液相反应，釜式反应器和管式反应器均可应用。但试验结果说明，在相同反应条件和

11、相同反应器体用。但试验结果说明，在相同反应条件和相同反应器体积的情况下，采用连续流动管式反应器的转化率为积的情况下，采用连续流动管式反应器的转化率为98.8%，而采用连续操作搅拌釜的转化率只能达到，而采用连续操作搅拌釜的转化率只能达到97.8%左左右。至于间歇操作搅拌釜与连续流动管式反应器比较，右。至于间歇操作搅拌釜与连续流动管式反应器比较，显然由于间歇釜在操作过程中必须保留一定的非生产性显然由于间歇釜在操作过程中必须保留一定的非生产性辅助时间，而且一般釜式设备都各有一定的有效容积，辅助时间，而且一般釜式设备都各有一定的有效容积，必须保留一定的自由空间，要达到相同的转化率和相同必须保留一定的自

12、由空间，要达到相同的转化率和相同的反应物料处理能力，则所需的设备体积要比连续流动的反应物料处理能力，则所需的设备体积要比连续流动管式反应器的体积大许多。管式反应器的体积大许多。 考虑到苯酚和丙酮考虑到苯酚和丙酮为重要的基本有机化工产品，生为重要的基本有机化工产品，生产量较大。选用连续流动管式反应器比较适宜。产量较大。选用连续流动管式反应器比较适宜。 第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 逐级经验放大法逐级经验放大法 (2)工艺条件优化工艺条件优化 在实验室选用一根直径为在实验室选用一根直径为40 mm，长，长1202mm的反的反应管应管(1.51 L)进行试验，分别考察反应物浓度、反应温进行

13、试验，分别考察反应物浓度、反应温度、催化剂浓度和反应物料流量等工艺条件对反应结果度、催化剂浓度和反应物料流量等工艺条件对反应结果的影响。试验发现上述工艺条件对反应结果都有不同程的影响。试验发现上述工艺条件对反应结果都有不同程度的影响。其中过氧化氢异丙苯的分解速率随着反应物度的影响。其中过氧化氢异丙苯的分解速率随着反应物料浓度、反应温度和催化剂浓度的提高而加快，但达到料浓度、反应温度和催化剂浓度的提高而加快，但达到一定数值后，分解速率的变化逐渐减缓。至于反应物料一定数值后，分解速率的变化逐渐减缓。至于反应物料的流量则不宜过大，因为流量过大，反应物科在反应器的流量则不宜过大，因为流量过大，反应物科

14、在反应器内的停留时间较短内的停留时间较短, 物料分解不完全，而致转化率和收物料分解不完全，而致转化率和收率下降。根据试验结果，选定的较佳工艺条件为：率下降。根据试验结果，选定的较佳工艺条件为： 反应物料浓度：反应物料浓度：3.2kmol.m-3 反应温度：反应温度：359K 硫酸浓度（催化剂）：硫酸浓度（催化剂）：6N 反应物料流量：反应物料流量：0.1m3.h-1 此时过氧化氢异丙苯的转化率为此时过氧化氢异丙苯的转化率为98.8。第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 逐级经验放大法逐级经验放大法 (3)反应器放大反应器放大 放大试验分两级进行，首先取一根直径为放大试验分两级进行，首先取一根

15、直径为40 mm，长长1719mm的反应管的反应管(2.15L)按上述工艺条件进行试验，按上述工艺条件进行试验，反应转化率提高至反应转化率提高至99.8%。然后按。然后按2.15L反应管的尺寸比反应管的尺寸比例将反应管体积放大至例将反应管体积放大至10L，并将反应物料流量相应增，并将反应物料流量相应增大至大至0.464m3.h-1, 进行试验进行试验,反应转化率仍可达到反应转化率仍可达到99.8%，未发现放大效应。未发现放大效应。 从上述试验结果看，维持小试工艺条件将反应器体从上述试验结果看，维持小试工艺条件将反应器体积由积由1.51L增大至增大至2.15L，反应转化，反应转化率仅增加率仅增加

16、1%，而反，而反应器体积则要增大应器体积则要增大30%，说明反应后期反应速率已经变，说明反应后期反应速率已经变得十分缓慢，此时若要提高产品收率就必需增大反应器得十分缓慢，此时若要提高产品收率就必需增大反应器体积，从技术经济观点考虑，片面追求高转化率并不一体积，从技术经济观点考虑，片面追求高转化率并不一定妥当。因此反应器放大设计应依转化率达到定妥当。因此反应器放大设计应依转化率达到98.8的的要求计算。要求计算。 第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 逐级经验放大法逐级经验放大法 (4)反应器设计反应器设计 生产要求每小时处理过氧化氢异丙苯浓度为生产要求每小时处理过氧化氢异丙苯浓度为3.2km

17、ol.m-3的反应物料的反应物料3m3，确定反应器的体积。，确定反应器的体积。 由于过氧化氢异丙苯的分解为均液相反应，反应温由于过氧化氢异丙苯的分解为均液相反应，反应温度和催化剂浓度等工艺条件的要求不苛刻，反应过程进度和催化剂浓度等工艺条件的要求不苛刻，反应过程进行得比较完全，经放大试验考察末发现放大效应，所以行得比较完全，经放大试验考察末发现放大效应，所以生产用反应器的设计可以按试验用反应器的尺寸，依要生产用反应器的设计可以按试验用反应器的尺寸，依要求完成的反应物料处理量，保持反应器几何相似，用外求完成的反应物料处理量，保持反应器几何相似，用外推法按比例放大。因放大倍数较小，可认为符合线性变

18、推法按比例放大。因放大倍数较小，可认为符合线性变化规律。当要求反应转化率达到化规律。当要求反应转化率达到98.8%，用反应管体积，用反应管体积为为1.51L模型反应器作几何相似放大时，由外推法算出的模型反应器作几何相似放大时，由外推法算出的生产用反应器的体积为生产用反应器的体积为0.0453m3(45.3L)。如果要求反应。如果要求反应转化率达到转化率达到99.8%，则用反应管体积为，则用反应管体积为2.15L的模型反应的模型反应器作几何相似器作几何相似放大，由外推法算出的生产用反应器的体放大，由外推法算出的生产用反应器的体积为积为0.0645m3(64.5L)。 第三章第三章 开发放大方法开

19、发放大方法 逐级经验放大法逐级经验放大法 二、数学模拟法二、数学模拟法 数学模拟法是一种新开发方法，它不一定要通过数学模拟法是一种新开发方法，它不一定要通过试验去取得放大的判据和数据，一般是在认识过程特征试验去取得放大的判据和数据，一般是在认识过程特征的基础上，运用理论分析找到描述过程规律的数学模型，的基础上，运用理论分析找到描述过程规律的数学模型，并验证该模型与实际过程等效，就可以用来进行放大设并验证该模型与实际过程等效，就可以用来进行放大设计计算。计计算。 1. 数学模型数学模型 数学模型通常是一组微分方程或者一组代数方程，数学模型通常是一组微分方程或者一组代数方程，用以描述过程的动态规律

20、。由于化工用以描述过程的动态规律。由于化工过程一般都比较复过程一般都比较复杂，要找到真实描述过程动态规律的数学模型往往十分杂，要找到真实描述过程动态规律的数学模型往往十分困难，即使是能够找到，也常因模型过于复杂，而无法困难，即使是能够找到，也常因模型过于复杂，而无法实际应用。因此，对于数学模型的要求，既要能够描述实际应用。因此，对于数学模型的要求，既要能够描述过程，又要简单而便于应用。过程，又要简单而便于应用。 第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放大法数学模拟放大法 1） 建立数学模型的思想方法建立数学模型的思想方法 建立数学模型首先应掌握化工过程运行的动态规律，建立数学模型首先

21、应掌握化工过程运行的动态规律，然后才能找到描述这种动态规律的数学方法。例如，描然后才能找到描述这种动态规律的数学方法。例如，描述反应器内进行化学反应的数学模型，必须在掌握了化述反应器内进行化学反应的数学模型，必须在掌握了化学反应热力学和动力学规律的基础上，结合不同型式反学反应热力学和动力学规律的基础上，结合不同型式反应器内物料流动与混合规律，以及传热和传质规律，才应器内物料流动与混合规律，以及传热和传质规律，才能建立以物料衡算式、热量衡算式和动量衡算式联立方能建立以物料衡算式、热量衡算式和动量衡算式联立方程组表示的数学模型。该模型反映了反应器内物料进行程组表示的数学模型。该模型反映了反应器内物

22、料进行化学反应的动态规律。求解联立方程组，可以设计任何、化学反应的动态规律。求解联立方程组，可以设计任何、生产规模的反应器容积，预测生产条件下的反应结果，生产规模的反应器容积，预测生产条件下的反应结果，确定最佳工艺条件确定最佳工艺条件。第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放大法数学模拟放大法 2）数学摸型的简化）数学摸型的简化 如果化工过程运行的动态规律十分复杂，则必须如果化工过程运行的动态规律十分复杂，则必须寻求描述这种规律的简化方法，以使建立的数学模型容寻求描述这种规律的简化方法，以使建立的数学模型容易运算求解。而简化数学模型的关键，在于如何找到与易运算求解。而简化数学模型的关

23、键，在于如何找到与实际过程等效的简化方法。实际过程等效的简化方法。 因此，作为工程放大设计的数学模型，并不一定要因此，作为工程放大设计的数学模型，并不一定要求真实地反映过程运行的机理；只要能够达到与实际过求真实地反映过程运行的机理；只要能够达到与实际过程等效。程等效。第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放大法数学模拟放大法 3）数学模型的针对性）数学模型的针对性 任何数学模型都有明确的模拟目标，即使模拟对象任何数学模型都有明确的模拟目标，即使模拟对象相同而模拟目标不同，数学模型的型式也各异。例如，相同而模拟目标不同，数学模型的型式也各异。例如，管式反应器内物料的返混可以用扩散模型描

24、述，但扩散管式反应器内物料的返混可以用扩散模型描述，但扩散模型绝不能描述物料通过反应管的滞流或者湍流流动状模型绝不能描述物料通过反应管的滞流或者湍流流动状态。态。 由于数学模型是根据模拟目标建立的，每一种数学由于数学模型是根据模拟目标建立的，每一种数学模型都有一定的限制范围，而这种限制一般多为工程因模型都有一定的限制范围，而这种限制一般多为工程因素。例如，反应器的热交换措施，限制了模型的温度范素。例如，反应器的热交换措施，限制了模型的温度范围；物料预混合状态的好坏，决定了模拟对象是均相体围；物料预混合状态的好坏，决定了模拟对象是均相体系还是非均相体系；物料的循环和分离决定了流动模型系还是非均相

25、体系；物料的循环和分离决定了流动模型的型式和限制了模型的浓度范围等等。如果事先明确了的型式和限制了模型的浓度范围等等。如果事先明确了数学模型的描述目标及其限制条件，不仅容易掌握过程数学模型的描述目标及其限制条件，不仅容易掌握过程运行的动态规律，而且在一定程度上能使模型简化，有运行的动态规律，而且在一定程度上能使模型简化，有利于提高数学模型的可靠性。利于提高数学模型的可靠性。第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放大法数学模拟放大法 2、研究方法、研究方法 根据建立数学模型的思想方法，以化学反应过程根据建立数学模型的思想方法，以化学反应过程开发为例，数学模拟法可以按以下研究步骤进行。开

26、发为例，数学模拟法可以按以下研究步骤进行。 1）实验室研究化学反应特征）实验室研究化学反应特征 实验室研究化学反应特征的主要任务是测定反应实验室研究化学反应特征的主要任务是测定反应 热力学和动力学的特征规律及其参数。热力学和动力学的特征规律及其参数。 由于研究目的是掌握过程运行的内在规律，其研由于研究目的是掌握过程运行的内在规律，其研 究内容和研究手段都与逐级经验放大法的实验室研究究内容和研究手段都与逐级经验放大法的实验室研究 有很大差别。它已不再是反应器选型和条件优化，而有很大差别。它已不再是反应器选型和条件优化，而 是希望从过程内在规律上去揭示过程运行的实质。是希望从过程内在规律上去揭示过

27、程运行的实质。 因因 此应尽可能排除外界因素对于过程内在规律的干扰，此应尽可能排除外界因素对于过程内在规律的干扰， 试验装置并不一定要求与生产装置相似，但对于试验试验装置并不一定要求与生产装置相似，但对于试验 测定的精度要求较高。测定的精度要求较高。 第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放大法数学模拟放大法 2）冷模试验研究传递过程特征）冷模试验研究传递过程特征 冷模试验是在无化学反应参与的情况下，专门考察冷模试验是在无化学反应参与的情况下，专门考察设备内物料的流动与混合，以及传热和传质等物理过程设备内物料的流动与混合，以及传热和传质等物理过程规律的试验，目的在于研究化学反应器的属

28、性，了解反规律的试验，目的在于研究化学反应器的属性，了解反应器型式和结构对于反应过程的影响。这种试验应有一应器型式和结构对于反应过程的影响。这种试验应有一定规模，而且试验装置也应与生产装置相似。定规模，而且试验装置也应与生产装置相似。 反应器内各种物理过程的规律只随反应器的型式或反应器内各种物理过程的规律只随反应器的型式或结构的改变而改变，只要反应器的型式和结构相同，无结构的改变而改变，只要反应器的型式和结构相同，无论反应器内进行何种类型的化学反应，反应器内物料的论反应器内进行何种类型的化学反应，反应器内物料的流动与混合，以及传热和传质等传递过程的规律相同。流动与混合，以及传热和传质等传递过程

29、的规律相同。因此，传递过程的规律对于化学反应过程的影响具有共因此，传递过程的规律对于化学反应过程的影响具有共性。了解这一点，就为分解过程建立数学模型提供了方性。了解这一点，就为分解过程建立数学模型提供了方便。便。 第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放大法数学模拟放大法 3）综合两种特征，建立数学模型，预测工业反应器）综合两种特征，建立数学模型，预测工业反应器性能性能 当化学反应特征和传递过程特征以及描述两种特征规当化学反应特征和传递过程特征以及描述两种特征规律的函数关系式确定之后，即可用数学方法将两种规律予律的函数关系式确定之后，即可用数学方法将两种规律予以综合，形成数学模型。这

30、种模型已充分考虑了化学反应以综合，形成数学模型。这种模型已充分考虑了化学反应过程的内在规律和外界环境的影响因素，如果经过检验并过程的内在规律和外界环境的影响因素，如果经过检验并验证其可靠，即可用来进行运算求解，可以预测放大后反验证其可靠，即可用来进行运算求解，可以预测放大后反应器的性能。应器的性能。 由于数学模型所描述的对象是某种型式反应器内进行由于数学模型所描述的对象是某种型式反应器内进行某一化学反应的动态规律，只要反应器的型式结构和化学某一化学反应的动态规律，只要反应器的型式结构和化学反应相同，由数学模型表示的过程动态规律应不受设备几反应相同，由数学模型表示的过程动态规律应不受设备几何尺寸

31、的限制。故运用数学模型进行工业反应器设计，应何尺寸的限制。故运用数学模型进行工业反应器设计，应不存在放大效应。不存在放大效应。 数学模型求解一般采用电子计算机。如果将数学模型数学模型求解一般采用电子计算机。如果将数学模型编成程序输入计算机，只要改变输入的工艺条件，即可获编成程序输入计算机，只要改变输入的工艺条件，即可获得该条件下的反应结果，它能够反映工业反应器操作参数得该条件下的反应结果，它能够反映工业反应器操作参数改变时可能出现的问题，也可以优选最佳工艺条件和预测改变时可能出现的问题，也可以优选最佳工艺条件和预测反应器的性能。反应器的性能。 第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放

32、大法数学模拟放大法 4）中试检验数学模型的等效性）中试检验数学模型的等效性 按上述步骤取得的数学模型是否能够模拟实际生按上述步骤取得的数学模型是否能够模拟实际生产过程，还有待于通过实践检验。因此应建立中试装产过程，还有待于通过实践检验。因此应建立中试装置进行中试，以检验数学模型与实际过程的等效性。置进行中试，以检验数学模型与实际过程的等效性。这是数学模拟法的一个不可缺少的环节。但试验目的这是数学模拟法的一个不可缺少的环节。但试验目的与逐级经验放大法的中试不同。当数学模型经中试证与逐级经验放大法的中试不同。当数学模型经中试证明与实际过程等效后，就能用于预测工业反应器性能明与实际过程等效后，就能用

33、于预测工业反应器性能和进行反应器设计和进行反应器设计。 3、特征、特征 分解过程，考察过程的内在规律分解过程，考察过程的内在规律 简化过程，寻找建立等效模型的途径简化过程，寻找建立等效模型的途径 科学试验的目的是为了建立和检验数学模型科学试验的目的是为了建立和检验数学模型第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放大法数学模拟放大法 例例2 用数学模拟法开发与例用数学模拟法开发与例1相同的由过氧化氢异相同的由过氧化氢异丙苯分解生产苯酚和丙酮的反应过程。当硫酸浓度为丙苯分解生产苯酚和丙酮的反应过程。当硫酸浓度为6N，在，在359K等温条件下每小时分解浓度为等温条件下每小时分解浓度为3.2k

34、mol.m-3的过氧化氢异丙苯溶液的过氧化氢异丙苯溶液3m3，要求转化率达到，要求转化率达到99.8%，计算所需的反应器体积。计算所需的反应器体积。 (1)化学反应特征化学反应特征 该反应过程为等温、等容均液相催化分解反应，为该反应过程为等温、等容均液相催化分解反应，为不可逆一级反应，其动力学模型为：不可逆一级反应，其动力学模型为： 由试验测得分解速率常数由试验测得分解速率常数k0.08s-1第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放大法数学模拟放大法 (2)传递过程特征传递过程特征 根据等温、等容、均液相等反应过程特征，考虑选根据等温、等容、均液相等反应过程特征，考虑选用长径比较大用

35、长径比较大(l/d3040)的连续流动管式反应器作为的连续流动管式反应器作为生产设备。由于物料的粘度较小，通过反应器的物料流生产设备。由于物料的粘度较小，通过反应器的物料流量较大量较大(3m3.h-1)，反应器内流动物料应基本上处于活塞，反应器内流动物料应基本上处于活塞流状态，所产生的阻力损失与总压强相比，也可以忽略流状态，所产生的阻力损失与总压强相比，也可以忽略不计，而且由于反应器等温，器内应无温度梯度，故在不计，而且由于反应器等温，器内应无温度梯度，故在反应过程中基本上不存在物料的流动与混合，以及传热反应过程中基本上不存在物料的流动与混合，以及传热和传质等传递过程对于化学反应结果的影响。上

36、述分析和传质等传递过程对于化学反应结果的影响。上述分析与模型试验的结果相符。与模型试验的结果相符。第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放大法数学模拟放大法 (3)数学模型数学模型 按活塞流反应器特征，对于不可逆一级反应，表示按活塞流反应器特征，对于不可逆一级反应，表示反应器有效容积与物料流量和反应转化率关系的数学模反应器有效容积与物料流量和反应转化率关系的数学模型为：型为： 式中，式中，VR为反应器的有效容积为反应器的有效容积m3 ；Fo为反应物料流量，为反应物料流量，m3.h-1；k为化学反应速率常数为化学反应速率常数s-1；xA为化学反应转化率，为化学反应转化率，%。 (4)计

37、算结果计算结果 当要求转化率当要求转化率xA=99.8%时，反应器体积为：时，反应器体积为： 第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放大法数学模拟放大法 若将分解转化率降低若将分解转化率降低1%，即，即xA98.8%时，反应时，反应器体积为：器体积为： 数学模拟法的计算结果与例数学模拟法的计算结果与例l用逐级经验放大法的用逐级经验放大法的 外推结果基本相符。从两种开发方法都看到，分解转外推结果基本相符。从两种开发方法都看到，分解转化率只降低化率只降低1%，而所需反应器体积却减少，而所需反应器体积却减少30%。由此。由此可见，过多的提高转化率，必导致设备庞大，因为反可见，过多的提高转化

38、率，必导致设备庞大，因为反应后期的反应速率已极为缓慢。若过分追求高转化率应后期的反应速率已极为缓慢。若过分追求高转化率指标，从经济效益方面考虑，并不一定恰当指标，从经济效益方面考虑，并不一定恰当。第三章第三章 开发放大方法开发放大方法 数学模拟放大法数学模拟放大法 第四章第四章 试试 验验 试验是化工过程开发的主要工作，从立题之初的实试验是化工过程开发的主要工作，从立题之初的实验室研究开始，直到建成生产装置后的调试开车为止，验室研究开始，直到建成生产装置后的调试开车为止，似乎每一步都离不开试验研究。严格地说化工过程开发似乎每一步都离不开试验研究。严格地说化工过程开发的试验研究与通常化学实验室所

39、进行的科学实验是有差的试验研究与通常化学实验室所进行的科学实验是有差别的。前者研究的目的是确定技术路线、技术方法和技别的。前者研究的目的是确定技术路线、技术方法和技术措施，而后者则着重于探索自然、研究自然规律。虽术措施，而后者则着重于探索自然、研究自然规律。虽然在一定条件下由化工过程开发试验所取得的数据和资然在一定条件下由化工过程开发试验所取得的数据和资料也会成为人们认识自然的宝贵信息，但两者的目的要料也会成为人们认识自然的宝贵信息，但两者的目的要求不同。因此化工过程开发试验表现了如下特征：求不同。因此化工过程开发试验表现了如下特征： (1)(1)具有试探性和验证性的双重性质具有试探性和验证性

40、的双重性质 (2)力求解析性和综合性统一力求解析性和综合性统一 第四章第四章 试验试验 一、一、 试验工作程序试验工作程序1. 拟订试验计划拟订试验计划 试验计划通常包括以下内容：试验计划通常包括以下内容：1）试验目的）试验目的2）试验提纲）试验提纲 试验的任务和目的试验的任务和目的 试验考察的内容试验考察的内容 确定试验方法及试验结果检测方法确定试验方法及试验结果检测方法 提出试验设计方案提出试验设计方案 确定测取哪些数据及其测量范围；确定测取哪些数据及其测量范围； 预计结果和可能达到的精度。预计结果和可能达到的精度。3）试验准备）试验准备第四章第四章 试验试验 试验工作程序试验工作程序 2

41、. 进行试验进行试验 在试验准备工作一切就绪后，就可开展试在试验准备工作一切就绪后，就可开展试验考察。验考察。3.3.撰写试验报告撰写试验报告 试验工作的简要说明。包括试验内容、试验方法、试验工作的简要说明。包括试验内容、试验方法、试验条件、试验装置和测试数据等的说明。试验条件、试验装置和测试数据等的说明。 试验数据处试验数据处理。理。即按合理的处理方法将测定的试验即按合理的处理方法将测定的试验数据整理成具有一定规律的简明图表、坐标曲线或者数数据整理成具有一定规律的简明图表、坐标曲线或者数学模型。学模型。 试验结果分析和结论。包括在试验数据处理的基础试验结果分析和结论。包括在试验数据处理的基础

42、上，分析试验结果精度及误差范围，提出考察结论，讨上，分析试验结果精度及误差范围，提出考察结论，讨论结论适用的范围和存在的问题，提出发展建议论结论适用的范围和存在的问题，提出发展建议。 参考文献。列举试验研究所依据的有关文献和调查参考文献。列举试验研究所依据的有关文献和调查收集的有关资料。收集的有关资料。 第四章第四章 试验试验 试验工作程序试验工作程序 二、预试验和系统试验二、预试验和系统试验 预试验和系统试验相结合是化工过程开发中最常采预试验和系统试验相结合是化工过程开发中最常采用的一种研究方法，这种方法能收到以较少的试验次数用的一种研究方法，这种方法能收到以较少的试验次数和较少的消耗而取得

43、准确的技术信息的效果。和较少的消耗而取得准确的技术信息的效果。 1. 预试验预试验 其任务是定性地或半定量地认识开发对象，以便其任务是定性地或半定量地认识开发对象，以便在开发初期，对研究方案或技术开发方案提出一些初步在开发初期，对研究方案或技术开发方案提出一些初步设想。设想。 预试验不需要事先提出一个全面的试验计划，但必预试验不需要事先提出一个全面的试验计划，但必须有明朗的试验目的。试验内容一般是根据前面试验取须有明朗的试验目的。试验内容一般是根据前面试验取得的结果或发现的问题提出的。得的结果或发现的问题提出的。第四章第四章 试验试验 预试验和系统试验预试验和系统试验 根据预试验的考察目的，可

44、将其划分为以下三种根据预试验的考察目的，可将其划分为以下三种试验方式：试验方式：1）认识试验）认识试验 它是为了认识过程特征而专门设计的试验，例如考它是为了认识过程特征而专门设计的试验，例如考察化学反应过程的温度效应和浓度效应，定性鉴别工艺察化学反应过程的温度效应和浓度效应，定性鉴别工艺方法或工艺路线的优劣，了解传递因素对于过程影响的方法或工艺路线的优劣，了解传递因素对于过程影响的大小以及转化率和收率的高低，产品质量和性能的好坏大小以及转化率和收率的高低，产品质量和性能的好坏等。等。 最常采用的方法是对比方法，如不同路线和方法最常采用的方法是对比方法，如不同路线和方法的对比、或不同条件的对比。

45、通过对比，来了解过程特的对比、或不同条件的对比。通过对比，来了解过程特征，建立技术概念，形成技术方案和技术措施。征，建立技术概念，形成技术方案和技术措施。第四章第四章 试验试验 预试验和系统试验预试验和系统试验 2）析因试验）析因试验 它是一种分析过程结果产生原因的试验。由于化工它是一种分析过程结果产生原因的试验。由于化工过程大多是复杂的动态系统，涉及的影响因素很多，过过程大多是复杂的动态系统，涉及的影响因素很多，过程的结局往往都是许多因素综合作用的结果，要从复杂程的结局往往都是许多因素综合作用的结果，要从复杂因素中查明影响结果的主要因素，可以借助于析因试验。因素中查明影响结果的主要因素，可以

46、借助于析因试验。 在设计这种试验时，在设计这种试验时，应充分注意许多工程因素的应充分注意许多工程因素的等效性，并不一定要对各种因素逐个进行试验；等效性，并不一定要对各种因素逐个进行试验；应分应分清可调因素和不可调因素，对于不可调因素不必作专门清可调因素和不可调因素，对于不可调因素不必作专门考察；考察；应分清敏感因素和非敏感因素，对于非敏感因应分清敏感因素和非敏感因素，对于非敏感因素不必着重考察。素不必着重考察。 3）鉴别试验）鉴别试验 它是为试验研究者的推论中形成的一些结论而设计它是为试验研究者的推论中形成的一些结论而设计的试验。这些结论一般是对技术方案提出的某些设想，的试验。这些结论一般是对

47、技术方案提出的某些设想，如果设想一旦经试验验证，即可形成技术决策。如果设想一旦经试验验证，即可形成技术决策。第四章第四章 试验试验 预试验和系统试验预试验和系统试验 2. 系统试验系统试验 是在预试验的基础上，针对预试验确定的某些重要结是在预试验的基础上，针对预试验确定的某些重要结论或技术设想，有目的、有计划地探明过程规律，并取得论或技术设想，有目的、有计划地探明过程规律，并取得定量数据的一种试验。定量数据的一种试验。 在化工过程开发中，预试验为概念设计服务，而系统在化工过程开发中，预试验为概念设计服务，而系统试验则为基础设计服务。试验则为基础设计服务。 系统试验又分为数学模拟放大的系统试验和

48、经验放大系统试验又分为数学模拟放大的系统试验和经验放大的系统试验。前者是围绕建立数学模型而进行系统地定量的系统试验。前者是围绕建立数学模型而进行系统地定量测试，包括：动力学试验、传递过程试验、中试验证试测试，包括：动力学试验、传递过程试验、中试验证试验；后者则是为放大设计提供定量的技术参数，包括：寻验；后者则是为放大设计提供定量的技术参数，包括：寻找克服放大效应的条件、测定反应热、优化工艺条件和防找克服放大效应的条件、测定反应热、优化工艺条件和防腐试验。腐试验。第四章第四章 试验试验 预试验和系统试验预试验和系统试验 三、模型试验三、模型试验 模型试验是一种对研究对象进行间接研究的试验方模型试

49、验是一种对研究对象进行间接研究的试验方法，必须建立模仿研究对象、并与研究对象相似或等效法，必须建立模仿研究对象、并与研究对象相似或等效的模型。由模型试验取得的试验数据，通过一定的转换的模型。由模型试验取得的试验数据，通过一定的转换方法，即可转变为反映研究对象某些本质特征的数据。方法，即可转变为反映研究对象某些本质特征的数据。这种试验方法在化工过程开发中是一种重要的研究手段。这种试验方法在化工过程开发中是一种重要的研究手段。 模型试验所采用的模型有模型试验所采用的模型有“物理模型物理模型和和“数学模型数学模型”两种形式。选用何种模型进行试验，取决于化工过程开两种形式。选用何种模型进行试验，取决于

50、化工过程开发的方法。发的方法。物理模型试验：以模型和原型之间物理量相似为基础建物理模型试验：以模型和原型之间物理量相似为基础建立模型实体所进行的试验。立模型实体所进行的试验。数学模型试验：依据模型与原型之间表征研究对象规律数学模型试验：依据模型与原型之间表征研究对象规律的数学函数关系一致。即数学模型与实际过程的变化的数学函数关系一致。即数学模型与实际过程的变化规律等效，或达到数学形式的相似。规律等效，或达到数学形式的相似。第四章第四章 试验试验 模型试验模型试验 四、中间工厂试验（中试）四、中间工厂试验（中试） 它是将实验室研究成果放大成生产规模之前的一种过渡性试验。它是将实验室研究成果放大成

51、生产规模之前的一种过渡性试验。目前，即使采用数学模拟法进行开发放大，也仍然要用中试来验证目前，即使采用数学模拟法进行开发放大，也仍然要用中试来验证数学模型，所以，中试是化工过程开发步骤中不可缺少的环节。数学模型，所以，中试是化工过程开发步骤中不可缺少的环节。 中试规模一般都比小试大，而比实际生产规模小。但对于过程的中试规模一般都比小试大，而比实际生产规模小。但对于过程的模拟则比较接近实际生产情况，故能反映出小试中许多不易观察到模拟则比较接近实际生产情况，故能反映出小试中许多不易观察到的现象，有利于考察工程因素对于过程的影响。的现象，有利于考察工程因素对于过程的影响。 中试的内容和任务：中试的内

52、容和任务： 检验小试确定的工艺方法和工艺条件，以及工艺系统连续运转的检验小试确定的工艺方法和工艺条件，以及工艺系统连续运转的可靠性可靠性 考察放大效应，寻找其产生的原因和消除的办法考察放大效应，寻找其产生的原因和消除的办法 检验数学模型与实际过程的等效性检验数学模型与实际过程的等效性 考察物料对于设备材质的腐蚀作用考察物料对于设备材质的腐蚀作用 考察工艺过程中微量杂质积累对于过程以及最终产品质量的影响考察工艺过程中微量杂质积累对于过程以及最终产品质量的影响 提供一定量的产品供进一步加工应用考察提供一定量的产品供进一步加工应用考察 考察工艺过程中产生的考察工艺过程中产生的“三废三废”情况，寻找综

53、合治理的方法情况，寻找综合治理的方法 第四章第四章 试验试验 中间工厂试验中间工厂试验五、试验方案设计五、试验方案设计 试验方案设计是为了科学地、系统地进行试验研究试验方案设计是为了科学地、系统地进行试验研究而对试验研究工作预先作出一个具体的实施计划。设计时，而对试验研究工作预先作出一个具体的实施计划。设计时，应力求用少数试验取得具有代表性的试验结果。应力求用少数试验取得具有代表性的试验结果。1. 基本概念基本概念 因素：温度、时间、配比等因素：温度、时间、配比等 水平：表示试验因素在试验中所选取的具体量的等级。水平：表示试验因素在试验中所选取的具体量的等级。如温度水平：如温度水平：55、75

54、 、95 判据（指标）：是一种表征试验研究对象的指标，它表判据（指标）：是一种表征试验研究对象的指标，它表示该试验研究对象整体技术水平的高低。如转化率、产品示该试验研究对象整体技术水平的高低。如转化率、产品质量等质量等2. 试验方法试验方法 单因素试验法：一次只试验一个因素单因素试验法：一次只试验一个因素 多因素试验法：将多个因素组合在一起进行试验多因素试验法：将多个因素组合在一起进行试验第四章第四章 试验试验 试验方案设计试验方案设计 3. 单因素试验法单因素试验法 均分法：均分法： 将某一因素要试验考察的范围，等间距地分成将某一因素要试验考察的范围，等间距地分成56个个试点进行试验。将试验

55、结果以因素为横坐标，指标为纵坐试点进行试验。将试验结果以因素为横坐标，指标为纵坐标，制成图（或表格），从变化趋势确定因素的最优水平。标，制成图（或表格），从变化趋势确定因素的最优水平。 此法适用于某一确定因素的条件试验。在使用此法此法适用于某一确定因素的条件试验。在使用此法进行因素水平变动的定量试验时要注意三个问题：进行因素水平变动的定量试验时要注意三个问题：试验范围试验范围试验间距试验间距试验顺序试验顺序第四章第四章 试验试验 试验方案设计试验方案设计 平分法平分法 总是在试验范围的中点安排试验。总是在试验范围的中点安排试验。 设试验范围在设试验范围在ab之间，中点以之间，中点以x1表示，则

56、：表示，则： 第四章第四章 试验试验 试验方案设计试验方案设计 a x2 x1 bx1=(a+b)/2 若第一次试验结果表明若第一次试验结果表明x1取大了，则舍去大于取大了，则舍去大于x1的的一半，在（一半，在（a, x1)的中点的中点x2处作第二次试验；反之，若处作第二次试验；反之，若取小了，则舍去小于取小了，则舍去小于x1的一半，把第二点取在（的一半，把第二点取在（x1, b）的中点。的中点。 显然，应用此法时必须先有一个标准或具体指标，显然，应用此法时必须先有一个标准或具体指标，且能从一个试验的结果直接分析出该因素的值是取大了且能从一个试验的结果直接分析出该因素的值是取大了还是取小了，从

57、而决定下次试验的方向。还是取小了，从而决定下次试验的方向。黄金分割法黄金分割法 黄金分割法又称黄金分割法又称“0.618法法，是一种单因素试验设计，是一种单因素试验设计方方法，法， 适用于单因素优化。适用于单因素优化。 设有一线段为设有一线段为L，将它分割为两部分，长的一段为，将它分割为两部分，长的一段为x，短的一段为短的一段为L-x。如果分割的比例满足以下关系：。如果分割的比例满足以下关系： 这种分割称为黄金分割。式中这种分割称为黄金分割。式中为比例系数，即整为比例系数，即整个线段与分割后长的一段的长度之比，等于长的一段与短个线段与分割后长的一段的长度之比，等于长的一段与短的一段的长度之比。

58、的一段的长度之比。 对上式求解得：对上式求解得：x=L=0.618L 即黄金分割点在线段即黄金分割点在线段L的的0.618处。黄金分割法是一种处。黄金分割法是一种消去法，每找到一个新的对称点，试验范围即缩小消去法，每找到一个新的对称点，试验范围即缩小38.2%。第四章第四章 试验试验 试验方案设计试验方案设计 4. 多因素试验法多因素试验法 在多因素试验中，每个因素都要选择若干水平等级和在多因素试验中，每个因素都要选择若干水平等级和因素搭配，如果因素多，而选择的水平也多，则搭配的数因素搭配，如果因素多，而选择的水平也多，则搭配的数量很大，有时可使试验工作量大到无法按受的程度。量很大，有时可使试

59、验工作量大到无法按受的程度。 例如：某化工产品生产转化率受反应温度例如：某化工产品生产转化率受反应温度(A)，反应，反应时间时间(B)和物料配比和物料配比(C)三个因素的影响，而规定各因素的三个因素的影响，而规定各因素的试验范围为：试验范围为：A:353363K, B:90150min, C:5%7% 试验的目的是为了解试验的目的是为了解A、B、C三个因素对转化率的三个因素对转化率的影响，并确定最适宜的生产条件。影响，并确定最适宜的生产条件。 首先从试验范围选定三个水平等级：首先从试验范围选定三个水平等级： 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 试验试验 试验方案设计试验方案设计 按常规网络设计方法，将所有因素和水平搭配，则有按常规网络设计方法，将所有因素和水平搭配，则有A1B1C1, A1B2C1, A1B3C1, ，共计，共计33 =27次试验。次试验。 这种设计对因素与水平之间的关系剖析得比较清楚，这种设计对因素与水平之间的关系剖析得比较清楚，但试验次数多。如果将因素维持不变，将选择的水平由但试验次数多。如果将因素维持不变，将选择的水平由3增至增至6个，则试验次数为个，则试验次数为36 =729次。显然，这样的各种量次。显然，这样的各种量是无法接受的。是无法接