工业化学概述 工业化学教案(2).ppt

工业化学,工业化学是从一个新产品、新工艺概念的形成，通过实验室研究、中试放大、工艺设计、技术经济评价等环节，直至付诸工业化的全部过程，是范围极广的一门综合性工程技术课程。本课程目的是了解从实验室到工业化过程的步骤和内容，掌握化工过程开发与设计的思维方法，提高联系生产实际开展应用与开发研究能力。本课程着重介绍化工过程开发的基本概念、科学选题、实验室研究、过程放大、过程分析与合成、工业设计基础和技术经济评价等内容。,第一章 概述,凡是运用化学方法改变物质组成、结构，合成新物质的生产过程和技术称为化学工艺(Chemical Technology)。运用化学工艺生产化学品的产业部门，即为化学工业（Chemical Industry）。研究化学工业生产过程中的共同规律，解决规模放大、设计和生产操作的科学，称为化学工程（Chemical Engineering）。化学工程包括：传递过程（特别是流体力学），化工热力学、化学反应工程、过程工程和过程系统五个分支。在现代汉语中，化学工艺、化学工业和化学工程都简称为化工。,研究包括基础研究和工程技术研究两个阶段 基础研究以发现物质世界的规律为目标，核心是高水平的理论创新，不强调特定的商业目的。其成果往往孕育了新发现、新理论、新规律与定律，表现形式是学术论文或著作。工程技术研究的成果是将实验室的研究成果转化为第一套工业装置，表现形式是研究报告、论文、专利、图纸以及装置，设备，产品等。,由实验室研究过渡到建立生产装置的全过程，就是化工新产品、新工艺或新技术的开发过程，统称为“化工过程开发”。化工过程开发属于工程技术研究阶段，其目的是：产品开发：即开拓满足国民经济需要的新产品；工艺过程开发：包括创造已有产品的新生产工艺和开发 适用于新产品的新工艺；工艺改进：对现有设备进行改造，达到提高产品质量、节约能耗、减少环境污染等目的；应用开发：为现有产品寻找新的用途，延长产品寿命，使其持续赢利。,实验室研究与工业生产的不同点 实验室研究结果，只能说明该方案的可能性，不能真实反映工业生产的情况，因为二者有许多重大不同之处。1、实验室研究一般不考虑物料的综合回收利用；而生产中则多数应考虑未转化物料的返回利用。由于物料返回循环引起的杂质积累对工艺过程和产品质量的影响，在实验室研究中无法了解；2、实验室研究设备的容量很小，较难对大型工业设备中出现的传热、传质以及物料的流动与混合等工程因素作充分的考察。,3、由实验室研究中往往采用精密控制工艺条件、较纯净的化学试剂和严格的物料配；而工业生产中的原料纯度和工艺条件控制，都很难达到实验室的精度水平，因此，实验室获得的产品质量及其性能都不足以作为生产产品的标准。4、在实验室研究中常采用玻璃仪器，腐蚀较少，不涉及设备腐蚀对生产过程和产品质量带来的影响；而工业生产则必须考虑设备材料被腐蚀及防腐问题。此外，工业生产还必须从经济角度考虑原材料的品级和供应渠道，产品质量及市场销售，能源供应及消耗，建设投资和生产成本以及“三废”治理和环境保护等等。这些都是实验室研究中很少考虑的问题。,因此，将实验室研究成果直接用于大规模生产是不合适的，必须在实验室研究成果的基础上，采用不同形式的研究方法和手段考察实验室条件下未能获得的各种技术经济信息；同时还应论证该研究成果放大成为工业规模的可能性。只有经过科学论证，确认其工艺技术路线在技术上的可靠性，在经济上的合理性，并能提供设计生产装置的准确数据，才有条件去建立生产装置。,化工过程开发的基本方法 把实验室成果实现工业化需要经过中间试验，多层次的中间试验是一项耗资巨大、旷日持久的工作。采用科学研究方法，能减少中间试验的层次，缩小中间试验的规模。最基本的研究方法有实验研究和数学模型两种方法一、实验研究方法 通常首先进行小型的工艺试验，以优化工艺条件，然后进行规模稍大的模型试验，验证小型试验的结果，再建立规模更大的装置。通过逐级放大，最后才能设计出工业规模的大型生产装置。多层次的中间试验，每次放大倍数很低，相当费时费钱，但目前该方法还不能完全排除。,二、数学模型方法 首先对实际过程做出合理简化，然后进行数学描述，再通过实验求取模型参数，并对模型的适用性进行验证，称为数学模型方法。数学模型的优点是可以实现高倍数的放大，并且用数学模型在计算机上进行“试验”可大量节省人力、物力和时间。数学模型化和计算机的应用，使得化工过程的分析与合成有可能按系统工程的理论进行优化。数学模型方法放大，无疑是过程开发研究中的一个重要方向。但一个正确的数学模型往往经过小试、中试，甚至通过工业生产的检验后才能趋于完善。目前还不能完全排斥经验或半经验放大的方法。重要的是通过实验设计，力求减少从实验室过渡到工业生产的试验级数。,第一节 化工过程开发步骤,一、实验室研究 实验室研究有两项内容，即应用基础研究和小试。应用基础研究是指在实验室进行的筛选技术路线和工艺方法，测定有关物性数据而后反应动力学及热力学参数，筛选分析方法和研制催化剂等。小试是当筛选的技术路线和方法确定后，在实验室建立小型试验装置进行工艺模拟试验，优化工艺条件。在小型工艺实验中，要充分注重方案的创新性、先进性与实用性、经济性的关系，确保整个研究工作的连续进行。,二、概念设计 概念设计又称“预设计”，是根据实验室取得的研究成果，对工业化方案提出初步设想。其目的是承前启后，既检验实验室成果是否符合技术开发要求，又对以后开发步骤的研究或设计工作提供指导。概念设计时应注意以下问题：设计的重点应放在合理安排工艺流程上，不要单纯追求化学反应的优化目标，以免给反应前后处理步骤带来困难；应尽可能对由实验室确定的技术路线从理论分析和计算中寻找合理的技术依据；尽可能对全工艺流程系统作物料衡算和能量衡算，以便提供估算投资和成本所需数据。,三、技术经济评价 技术经济评价的目的是对被开发项目的工艺技术方案进行科学论证，以便为该方案的实施作出决策。在不同开发阶段有以下几种评价方式：初步评价：在开发项目立项之前，对该项目决定取舍的一次评价，又称为“立项评价”。如果对该项目的科学性、实用性和可靠性取得了肯定评价，即可立项进行开发性研究。中间评价：对各研究阶段的成果所作的评价。侧重于技术方案的科学性和可靠性以及在经济上的合理性。比如对小试、概念设计、模型试验、中试以及基础设计的评价等。最终评价：又称“工业化评价”或“项目评估”，是在技术开发工作后期进行的。其目的是为该项目的投资建设作出抉择，如果取得肯定结论，即可投资进行建设。,四、模型试验 模型试验是对工业生产中的某些重要过程做放大的工业模拟试验。其研究的主要内容是：考察最佳条件；考察设备内传热、传质、物料流动与混合等工程因素对化工过程的影响；观察设备放大后出现的放大效应；寻找产生放大效应的原因；测定放大所需的有关数据等。模型试验分冷模试验和热模试验两种形式：冷模试验：用物理性质与工业生产物料相近的惰性物质进行试验，不发生化学反应，只单纯考察过程的物理规律，便于寻找产生放大效应的原因。热模试验：用实际生产物料并按实际操作条件进行试验，属于综合性试验考察，便于测取工艺参数和发现放大效应。设备内物理和化学过程同时发生。如不需要对工艺技术全流程考察，往往用热模试验代替中试来测取过程放大的技术信息，这样可以缩小中试规模和降低中试费用。,五、中试 中试是“中间工厂试验”的简称，是耗资最大也是最重要的步骤，其考察的主要内容如下：检验小试确定的工艺方案和工艺条件；考察工艺系统连续运转的可靠性；考察放大效应程度，分析产生的原因，寻找消除的办法；确定检测方法；考察物料对设备的腐蚀；考察物料循环产生的杂质积累带来的影响；提供一定量的产品供应用考察；考察三废“的排放量、危害程度和治理方法；为估算投资和成本以及建立生产岗位操作规程提供资料。,六、基础设计 基础设计是根据中试研究结果和所收集的资料，对工业生产方案及生产装置型式所做的原则性设计。它是化工过程开发的成果形式，是完成工程设计的依据。基础设计包括：设计说明书；工艺流程说明；物料流程图；带控制点管道流程图；设备名称表和设备规格说明书；工程设计的要求；设备布置图；装置操作说明；三废及处理；自控设计说明；消耗定额；有关技术资料；安全技术与劳动保护说明。其中，最关键的是生产规模，他涉及中试装置的放大倍数这一敏感问题。,七、工程设计 工程设计又称为“施工图设计”，它是依据基础设计来编制有关工程实施的技术文件。其内容除基础设计所以内容外，还包括详细的定型设备型号、规格明细表，非定型设备加工制造的图纸和装配图，指导装置安装的详细工艺流程图，设备的平面和立面布置图，投资和成本概算等。八、建立生产装置 依据上述设计文件和图纸，购进和制作设备，安装生产装置，按工艺要求进行调试、开车和试生产。调试也是一种试验过程，可以调整工艺参数，还可以修改和验证其数学模型。只有经过调试和试生产后，才能逐步转入正常生产。,第二节 过程研究和工程研究的关系,化工开发研究主要包括过程研究和工程研究。化学实验是起点，工程设计是成果，如图1-1所示。,化学实验,小 试,模型试验,中 试,（过程研究）,概 念设 计,技术经济评 价,基 础设 计,工程设计,（工程研究）,图1-1 过程研究和工程研究,过程研究和工程研究是两种不同性质的研究工作。二者的关系十分密切。过程研究的重点是了解过程运行的特征和影响过程的因素，优化工艺条件，测定放大数据等。它必须借助仪器设备对过程运行的物理和化学规律进行探讨。工程研究是综合从不同途径收集的资料，进行分析构思形成技术方案或评价结论。它依赖于人们的知识、经验和思维为化工过程开发提供决策。过程研究为工程研究提供分析判断的信息；而工程研究是检验过程研究质量的最好方式。二者是经常交换信息，反复交替展开工作的。,第三节 放大程度和开发周期,放大程度和开发周期是化工过程开发的两个基本概念。前者与被开发项目所采用的技术成熟程度以及开发放大方法有关；后者则与开发工作的难易程度有关。一、放大程度 放大程度一般是指由实验室小试规模一次放大的倍数，即用放大倍数来表示。放大倍数一般取决于研究者对被开发过程运行规律掌握的程度和他们从事开发工作的经验。如果对化工生产过程的运行规模还不能完全掌握，又无成熟的经验可供借鉴，那么放大倍数不能太高，否则影响放大的可靠性。在设计中试装置前，首先要了解可能实现的放大倍数。,二、放大效应 放大效应是指化工过程放大之后，表现于相同条件下在大小两个设备内进行同一过程的结果不同。化工过程开发的核心问题是放大，过程研究在很大程度上就是寻找放大效应的原因和克服的方法。从化学反应器的放大来看，放大效应产生的原因主要是放大后设备内物料的流动与混合，传热和传质等情况与放大前有所不同，因此，常采用冷模试验专门考察这些物理过程规律的变化，以便掌握产生放大效应的规律。三、开发周期 开发周期是指从立题研究开始直到建成生产装置并投入正常生产所经过的时间，即完成化工过程开发各个步骤的总时间。,第四节 科学选题,一、选题基本原则选择一个好课题，对化工过程的开发至关重要，一般应考虑以下几个原则。1、选题的先进性和科学性2、选题应符合市场需求和产业政策3、选题应考虑经济效益和社会效益4、选题应考虑合理的原料路线 选题立项前的调研是很重要的，尤其对于一些运用新技术的大型开发课题，文献调研和市场调研必须充分，掌握的国内外资料应详实，此外还必须做一些简单的探索性试验。,二、研究课题的性质和来源在我国现行体制下，研究课题主要有三个来源。1、纵向课题纵向课题是指国家或地方规划内的课题。目前我国主要有国家基础性重大规划项目、国家高技术研究发展计划（863、973项目）、国家科技攻关项目等。2、横向课题横向课题是指委托研究课题，一般由企事业单位根据各自的发展需要提出课题，并委托研究单位进行研究。3、自选课题自选课题是指研究人员根据文献和市场调研自行确定的课题，由选题者自筹经费进行开发研究。,三、立项报告 为使选题得以立项并获得经费，必须向有关部门提出立项报告。立项报告应包括以下内容。1、项目名称2、项目的立项依据（国内外研究现状及分析、项目研究的意义）3、项目的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题4、项目的研究方案及可行性分析5、项目的特色与创新之处6、年度研究计划及预期研究结果7、经费预算说明8、项目组成员的明确分工,第五节 绿色化学与技术,一、绿色化学及其特点 绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学。绿色化学是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则，即在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子，实现“零排放”。绿色化学是从源头解决污染的一门科学，其核心是利用化学原理从根本上减少或消除化学工业对环境的污染。在此基础上发展的技术称为清洁技术或环境友好技术。,绿色化学的特点：1、采用无毒，无害的原料；2、在无毒、无害的反应条件下进行；3、具有“原子经济性”，即反应具有高选择性，极少副产品，甚至实现零排放；4、产品应是环境友好的，即对环境无害；5、满足“物美价廉”的传统标准。绿色化学的主要研究领域是围绕化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品的绿色化开展的，如图1-2所示。,无毒无害原料 可再生资源,原子经济反应高选择性反应,环境友好产 品,无毒无害 催 化 剂,无毒无害溶 剂,图1-2 绿色化学过程示意图,原子经济性的概念,原子经济性是指原料分子中究竟有百分之几的原子转化为产物。以原子利用率衡量反应的原子经济性，可表述为：原子利用率越高，反应产生的废弃物越少，对环境的污染也越少。理想的原子经济性反应是原料分子中的原子百分之百转化为产物。这种反应最节约能源与资源，同时也避免了废物或副产物的分离与处理等过程。,原子利用率（%）=,预期产物的分子量,反应物质的原子量总和,100%,二、绿色化学原则在实施化学生产的过程中，应该充分考虑以下12条原则：1、防止环境污染;2、提高原子经济性;3、尽量减少化学反应中的有毒原料和有毒产物;4、设计安全的化学品;5、使用安全的溶剂和助剂;6、提高能源经济性;7、原料的再利用；,8、减少官能团的引人;9、新型催化剂的开发;10、产物的易降解性;11、以降低环污染为宗旨的现场实际分析;12、防止生产事故的安全生产工艺。三、绿色化学的研究重点1、设计或重新设计对人类健康和环境更安全的化合物，这是绿色化学的关键部分;2、探求新的、更安全的、对环境更友好的化学合成路线和生产工艺，这可从改变基本原料和起始化合物以及引人新试剂人手;3、改善化学反应条件、降低对人类健康和环境的危害，减少废弃物的生产和排放。,四、清洁生产,1、清洁生产的定义 清洁生产是指将综合预防的环境策略持续地应用于生产过程和产品中，以便减少对人类和环境的风险性。对生产过程而言，清洁生产包括节约原材料和能源，淘汰有毒原材料并在全部排放物和废物离开生产过程以前减少它的数量和毒性；对产品而言，清洁生产策略旨在减少产品在整个生产周期过程中对人类和环境的影响。清洁生产不包括末端治理技术如空气污染控制、废水及固体废弃物处理。概括地说，清洁生产就是低能耗、低污染、高产出，是实现经济效益、社会效益与环境效益相统一的工业生产模式。,2、清洁生产的内容尽量使用低污染、无污染原料；采用清洁高效的生产工艺，使物料能源高效率地转化成产品，减少废物排放量，并对废物进行再利用；向社会提供清洁的产品，这种产品从原材料提炼到产品最终的整个生命周期中，要求对人体和环境不产生污染危害或将有害影响减少到最低程度；在商品使用寿命终结后，能够回收利用，不对环境造成污染或潜在威胁；完善的企业管理，有保障清洁生产的规章制度和操作规程，并监督其实施；要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中。,3、清洁生产的特点清洁生产是一项系统工程。推行清洁生产需要企业建立一个预防污染、保护资源的组织机构，要明确职责并进行科学规划，制定发展战略、政策和法规。重在预防和有效性。清洁生产以预防为主，通过污染源的削减和回收利用，使废物减至最少。经济性良好。在技术可靠的前提下执行清洁生产，使生产体系运行最优化，即产品具备最佳的质量价格。与企业发展相适应。使清洁生产目标符合企业生产经营发展的需要，这样清洁生产不仅推进了企业生产的发展而且保护了生态环境和自然资源。,4、实施清洁生产的途径在产品设计和原料选择时以保护环境为目标，不生产有毒有害的产品，不使用有毒有害原料，以防止其对环境的危害；改革生产工艺，更新生产设备，尽可能提高每一道工序的原材料和能源利用率，减少资源浪费和污染物排放；建立生产闭合圈，废物循环利用。加强科学管理。清洁生产是一场新的革命，要转变传统生产观念，建立一套健全的管理体系，使人为的资源浪费和污染物排放减至最少。,复习题1、解释名词：过程研究与工程研究；概念设计与基础设计；绿色化学；原子经济性；清洁生产2、化学实验室研究与化工生产的主要不同点？为什么实验室研究成果一般不能作为放大成工业规模的设计依据？3、选择开发课题应遵循的原则是什么？由化学实验研究成果过渡到工业生产，应经过哪些开发步骤？4、化工过程开发中的“放大效应”指什么？什么情况下最易产生放大效应，应如何克服放大效应？5、清洁生产的一般原则和步骤是什么？,第二章 开发放大方法,化工过程开发采用的研究方法主要是模拟研究法，即用模型来研究化工过程发生的各种现象和规律，从中取得开发放大的依据。凡根据模型来模拟生产过程，并从试验所得结果将过程放大的方法，统称为“模拟放大法”。化工过程开发常采用的模拟放大方法有：经验放大法、数学模型法、部分解析法和相似放大法四种。每种方法各有其适应的对象和条件，在化工过程开发中选择合适的开发放大方法，是优化开发过程的一项重要工作。,第一节 经验放大法,一、研究方法 经验放大法是一种经典的放大方法，是通过小型反应器进行工艺试验，优选出操作条件和反应器型式，确定所能达到的技术经济指标。其研究步骤如下：1、反应器的选型 反应器的选型通常采用小型装置在实验室进行试验，投资少，方便快捷。尽管小型反应器结构与工业反应器结构不可能完全一致，但其基本形式是相同的。由于设备选型试验是以改变反应器的型式和结构来考察整个反应过程，故把这种考察看成“结构变量”试验。,2、优化工艺条件 优化工艺条件是在设备选型后进行的，也是采用小型试验装置进行试验。通过改变工艺条件来考察反应结果，从中筛选出最佳条件，通常称之为“工艺试验”。小试确定的最佳工艺条件是研究的基础，以后模型试验和中试的工艺条件优化，都应在此基础上进行修正。由于试验内容是改变工艺操作条件，故把这种考察看成“操作变量”试验。,3、反应器放大 在经验放大法中，反应器的放大是用建立模型装置来进行考察的。由于设备放大后，不可避免会带来放大效应，故一次放大的倍数不宜过高，应逐级放大。每放大一级都必须重复前一级的工艺条件，观察放大效应的强弱，然后采用调整工艺条件或改变设备结构等措施来抑制放大效应，从而找出与设备放大有关的数据。从试验改变的条件来看，由于是改变设备的几何尺寸进行试验，故把反应器放大看成是“几何变量”试验。,二、特征从以上研究方法看，经验放大法具有如下基本特征：1、只注重输入与输出关系，不研究内部规律 经验放大方法在各级放大过程中，以反应结果的好坏为标准，评选出所谓最佳反应器型式和工艺条件，推测进一步放大到工业规模的反应结果，进而完成设计、施工。这样的研究方法是把反应过程当作“黑箱”来看待，只考察输入和输出的关系，即外部关系，也即仅仅依据实验，将小试结果不断外推，而不考察内部规律。当人们对一些反应过程知之不多，或过程对象极为复杂，暂时无法分解时，不得不采用逐级经验放大。,2、着眼与综合研究，不进行过程分解 化学反应结果不仅受反应热力学和动力学等反应自身规律的影响，还受到反应器内物料的流动与混合，传热与传质等外界条件的影响，且各自有特定的规律。经验放大方法没有将它们分解开来单独研究，而是综合研究的结果，只能找到宏观原因，例如温度、压力、浓度等笼统的原因，无法找到具体真实的原因。一旦放大前后的反应结果不符合，只能归咎于“放大效应”，无法指出原因，对症下药，只得重新调整变量进行考察，观察放大效应的强弱，由此确定克制放大效应的条件。,3、人为地规定了决策序列 经验放大法的试验程序依次为结构变量试验、操作变量试验和几何变量试验。人为地将三种相互影响的变量分割开来进行考察，忽略了它们之间的联系，是不符合化学工程理论的，但也是无奈的，因为不可能在大型装置上做选型试验和选择工艺条件，即不能先建厂后试验。经验放大法周期长、成本高、放大倍数低，但它是建立在实验基础之上，可靠程度高，故至今仍被广泛应用。,第二节 数学模型法,数学模型是一种新的开发放大方法。从放大原理看，它并不需要通过试验取得反应器放大的数据，而是在充分认识过程的基础上，运用理论分析，找到描述过程运行规律的数学模型。只要验证该数学模型与实际过程的运行等效，即可用于反应器的放大计算。数学模型法用于放大设计的依据是数学模型，而不是由试验取得的经验数据，但为了建立数学模型，在很大程度上仍然要通过严格的科学试验来认识反应过程。不过试验的目的是建立和检验数学模型。试验的方式和要求与经验放大法也有很大差别。,一、数学模型 数学模型通常是一组描述过程运行动态规律的代数方程或微分方程，要用数学手段真实描述化工过程的动态规律，往往十分困难。因此，数学模型既要能表达实际过程运行的规律，又要简单而便于应用。1、建立数学模型的思想方法 建立数学模型首先必须了解反应的动力学和热力学规律，然后掌握不同型式反应器内物料的流动与混合、传热与传质规律对反应速率和平衡规律的影响。数学模型通常用物料衡算、热量衡算和动量衡算的联立方程组表示，只要求解联立方程组，即可对反应器进行设计和预测不同工艺条件下的反应结果。,2、数学模型的简化 数学模型的简化是指对复杂的过程运行规律给以合理简化，以便建立简单而实用的数学模型。实际应用的数学模型并不一定要真实地描述过程运行机理，但必须与描述的实际过程运行结果具有等效性，这就是合理简化数学模型的目的。因此，如何找到等效的简化方法，就成为建立数学模型的关键。3、数学模型的针对性 任何数学模型都有明确的模拟目标。如果模拟目标不同，其数学模型的形式也不同。此外，每一种数学模型都有其应用的限制范围。如果事先明确了数学模型的限制条件，则有利于模型的简化。,二、研究方法建立化学反应器数学模型的研究步骤如下：1、研究反应过程 研究反应过程的内容是鉴别化学反应的类型和控制步骤，测定反应动力学和热力学数据，分析反应过程中产生的一些特殊现象，以及确定工艺参数变化的范围等。其目的在于揭示反应过程的内在规律。这项研究工作通常在实验室进行。它与逐级经验放大法的试验不同，不再是只考察输入和输出的关系，而是深入过程内部去了解过程运行的本质。,2、研究传递过程 研究传递过程通常是在假设无化学反应进行的情况下，用冷模试验专门考察反应器内物料的流动与混合、传热与传质等物理过程的运行规律。目的在于了解反应器的构型特征，研究反应器构型对反应过程的影响。冷模试验应有一定的规模，而且应模拟生产反应器，否则考察的规律没有意义。3、综合两过程规律，建立数学模型以上两步研究是将大型反应器内进行的反应过程分解为化学过程和物理过程分别进行研究的，这种分解有利于揭示过程运行的内在规律。因此，建立数学模型必须综合两种规律，找到它们的结合点。,化学反应规律和物理过程规律的结合点主要体现在物理过程规律对反应温度和反应物浓度的影响，即所谓的“温度效应”和“浓度效应”。通常是把化反应动力学方程和反应器的物料衡算式及热量衡算式联立，即可达到建立数学模型的目的。如果在反应器内物料运行的压强发生变化，则在数学模型中还应加入动量衡算式。4、检验数学模型 建立的数学模型一般要经过若干简化，简化后的数学模型是否与实际过程等效，则必须经过检验方能确认。,检验数学模型的方法通常是建立中试装置来进行中试，将中试结果与数学模型的计算结果对照，如果两者相同或接近，则证明该数学模型与实际过程等效；否则应修正数学模型后再进行检验。当数学模型经过检验确定后，即可在计算机上进行各种条件试验，预测反应器的性能，为设计工业装置提供所需的有关技术经济信息。反应器的数学模型是描述某一型式反应器内进行化学反应的动态规律，只要在相同构型的反应器内进行相同的化学反应，都可用相同的数学模型描述，不受反应器几何尺寸大小的限制。因此，用数学模型进行放大，应不存在放大效应的问题。,三、特征1、着眼于过程的内部规律，对过程进行分解与综合 数学模型法最明显的特征是分解过程，按化学过程和物理过程分别研究其本身特有的规律，再将各过程联系起来，以探索过程之间的互相影响和总体效应。这样做的优点是由简到繁，先考察局部，后研究整体，有利于建立数学模型。2、抓住主要矛盾，忽略次要因素，合理简化过程运行规律 由于化工过程的复杂性，不简化过程规律，则不易建立实用的数学模型，因此，数学模型法研究的侧重点还在于找到简化过程规律的合理途径。只要简化后的数学模型的求解结果与实际过程运行结果的偏差在允许范围之内即可。,3、科学试验是为了建立和检验数学模型 建立和检验数学模型都必须通过科学试验，因此，科学试验仍然是数学模型法不可缺少的研究手段，不过实验的目的与经验放大法不同。从方法论的角度看，数学模型法与经验放大法是完全不同的两种开发放大方法。前者是从了解过程运行的规律入手，建立数学模型作为放大依据；后者则把过程放大当成“黑箱”看待，靠综合考察获得的试验结果作为放大依据。数学模型法具有经验放大法不可替代的优点，它可以实现高倍数放大，缩短开发周期，减少人力和物力的消耗，但建立正确的数学模型难度较大。,第三节 部分解析法,部分解析法是介于经验放大法和数学模型法之间的一种开发放大方法，即用理论分析和实验探索相结合来进行化工过程的开发放大。对于一些较为复杂的化工过程，建立数学模型比较困难，而经验放大又耗资巨大且开发周期较长，采用部分解析法则可收到较好效果。一、研究方法 就化学反应的放大而言，反应器计算的重要依据是化学反应速率，而化学反应速率则是温度和反应物料浓度的函数。从影响反应速率的浓度和温度变量进行考察，即从所谓“浓度效应”和“温度效应”来考察。,1、浓度效应 如果影响物料浓度的工程因素所造成的反应系统内物料浓度和浓度分布相同，对化学反应过程的影响也会相同，这就是工程因素的等效性。如能运用等效性来分析化工过程，就不必过多考虑工程因素之间的差别，从而可以找到研究过程的简化途径。2、温度效应 从化学反应过程的条件优化看，对于一个反应过程除了须维持一个最佳温度外，有时还需要维持一个最佳的渐变温度序列。同时，还须注意温度分布。反应器内的温度不均匀分布，往往是传热不良所引起的。,二、研究步骤1、了解过程特征 在化工过程开发初期，用简单试验来了解一些过程的特征，以便取得对过程的初步认识，如判别反应速率的快慢，了解副反应的强弱以及了解反应过程对温度和浓度的敏感程度等，这是部分解析法采用的研究方法。2、设想技术方案 在了解过程特征的基础上，结合化学工程理论对过程进行分析，设想初步的技术方案。如选用的设备型式，大致的操作条件，简单的工艺流程，预测反应结果和估计放大效应的强弱等。,3、验证设想，改进技术方案 这一步是部分解析法的重要步骤，不仅要做许多验证工作，而且从验证试验中还会发现许多问题，需要通过试验来进一步解决。只有通过反复质疑和反复研究论证后，才能使得技术方案逐渐完善。4、确定放大设计方法 经过以上步骤研究之后，所拟定的技术方案已经比较完整，但缺乏定量的设计依据。如果过程规律已掌握，可以建立数学模型，此时应按数学模型的要求，定量测取有关模型参数。如果不能建立数学模型，则可按经验放大法的要求进行系统试验，测取有关设计数据。,三、特征部分解析法兼有数学模型法和经验放大法的一些特征，具体内容如下：1、分解研究与综合分析相结合 部分解析法的研究方法也是把化学过程和传递过程分解后分别进行研究，然后结合工程理论进行分析，将化学反应规律与传递过程规律进行综合。这种研究方法与数学模型法的研究方法基本一致，所不同的是部分解析法在大多数情况下只能获得定性的技术方案，而不能确切地建立数学模型。,2、确定的技术信息主要来源于试验 部分解析法对试验的依赖程度，并不压于经验放大法。如了解过程特征，验证技术设想，确定设计依据都必须通过试验取得。但与经验放大法试验的不同之处是部分解析法的试验是在理论分析指导下进行的，而不是把试验对象当作“黑箱”来看待。部分解析法可以采用简化试验，不一定作完全真实的模拟，因此，提高了试验效率，既节省人力物力消耗，又缩短了开发周期。,3、技术方案的形成都通过了反复论证 部分解析法的技术方案是在不断试验和不断进行理论分析的反复论证中形成的，较全面地考虑了各种影响因素，每一项技术措施的形成都有较充分的科学依据，各种设计数据也都经过了理论分析和实验的验证，而且在研究过程中对于放大效应作了预测，因此，提高了技术方案的可靠性和准确性。,第四节 相似放大法,相似放大法多用于化工单元操作的开发放大。从方法论的角度看，它仍然是一种依赖于试验结果的经验方法方法。与经验放大法的不同之处是运用了相似特征数的概念，对试验的变量作了归纳和简化。这种方法对于单一物理过程放大是有效的，但对于复杂的化学反应过程，通常在满足了物理过程相似的同时，很难再满足化学过程的相似。故在化学反应器的放大中，也只是对反应器内进行的物理过程进行模拟（冷模试验）时才用到。,一、特征1、试验研究属于综合考察，放大依据来源于试验 这种试验依然没有将过程分解后再进行考察，还是把过程当作“黑箱”来看待，只考察了输入条件和输出结果的关系。从试验的性质看，与经验放大法的试验相似。2、简化了试验，提高了试验效率 用特征数代替单值物理量作为试验变量后，不仅使试验考察的变量大为减少，而且特征数也体现了由若干个单值物理量组合的一些内在关系。对于多因素影响的过程，显然比单值物理量试验更能反映过程的实际情况。,3、运用相似特征数相等为放大提供了简单可靠的依据 按照特征数方程计算放大，已经不是简单的依据试验结果外推，而是提供了一种简单而较可靠的计算方法。二、数量放大法和比例放大法 在化工过程开发中也经常用数量放大法而后比例放大法对生产设备进行放大。这两种放大方法虽与上述相似特征数的放大方法不同，但从放大方法的性质看，仍然属于相似放大范畴。,1、数量放大法 数量放大法是采用设备单元数增加的一种放大方法，在固定床催化反应器的放大时常见。例如，试验反应器用单管，放大成工业规模时改为列管式反应器，只要放大后列管式反应器中每一根反应管的工况与单管试验时的工况相同，放大的准确性一般都较为可靠。2、比例放大法 比例放大法是以一个或数个能表达过程主要特征的参数为依据，按比例对该过程进行放大的方法。比例放大法常用于一些简单的化工过程放大。,复习题1、经验放大法和数学模型法有何差别？它们各自的特征是什么？2、部分解析法有何特征？在什么条件下用部分解析法放大化工过程比较合适？,