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化工过程开发概论2

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化工过程开发概论2

化工过程开发概论2

化工过程开发概论2引言化工过程开发是化学工程领域的核心内容之一，也是一门学科研究的基础。

本文将继续介绍化工过程开发的概论内容，包括化工过程的设计原则、实验方法以及在实际应用中的重要性。

化工过程的设计原则化工过程的设计是指根据给定的反应方程、反应条件以及原料和产品的物理化学性质，确定合适的反应装置、操作条件、流程和工艺参数等。

化工过程的设计原则是确保实现预期的反应结果，提高生产效率和产品质量。

原料选择在化工过程的设计中，选择适当的原料是非常重要的一步。

原料选择应考虑到原料的纯度、可获得性、物理化学性质以及对环境的影响等因素。

选择合适的原料可以提高反应的转化率和选择性，减少副反应和废物生成。

反应装置设计反应装置是化工过程中的重要组成部分，其设计与反应条件以及反应速率密切相关。

常见的反应装置包括批式反应器、连续流动反应器等。

反应装置的设计应考虑到物料的混合、传热和传质等因素，以提高反应的效率和产率。

操作条件控制操作条件是化工过程中的重要参数，包括温度、压力、反应物投料速率等。

操作条件的合理选择可以实现较高的反应速率和转化率，减少不必要的副反应和能源消耗。

流程与工艺参数化工过程的流程设计是确保反应过程顺利进行的关键。

流程设计应考虑到原料的处理、反应物料的稳定性、产物的分离和纯化等因素。

工艺参数的选择则与流程设计密切相关，包括流量、浓度、温度等参数的控制。

化工过程开发的实验方法化工过程开发往往需要经过大量的实验验证和数据分析。

下面介绍几种常见的实验方法。

反应速率与转化率实验反应速率是衡量化工过程效果的重要指标之一。

通过在实验室中控制不同的操作条件，如温度、压力、反应物浓度等，测定反应速率与转化率的关系，可以评估反应的动力学特性，为工业化生产提供参考。

物料性质实验化工过程中的物料性质对于反应效果和工艺选择都起着重要的影响。

通过实验测定物料的密度、粘度、熔点、沸点等性质，可以为工艺设计和设备选择提供依据。

产物分离与纯化实验在化工过程中，通常需要对产物进行分离和纯化，以获得所需的纯度和产品质量。

化工设计概论 (2)

化工设计概论 (2)

9. 项目实施规划设想；
10. 投资估算和资金筹措设想； 11. 经济效益和社会效益的初步估算。
（二） 可行性研究（Feasibility Study）
可行性研究是对拟建项目进行全面分析及多方面比较，对其是 否应该建设及如何建设作出论证和评价，为企业和上级机关投资决 策和编制、审批设计任务书提供可靠的依据。内容如下： 1. 总论。 包括项目名称、进行可行性研究的单位、技术负责人、可行性研
测、控制等。
4. 工艺设备设计
设备的设计与选择是指通过工艺计算确定设备技术指标。 工艺设备设计的最终结果是“设备一览表”和“非标设备条件图”。
5. 设备平(立)面布置总图
设备布置的任务是在节约用地、安全和便于生产操作的前提下，确 定生产过程中使用的各种机器、设备的平面和空间位置，以满足安装、
生产、维修的需要和物料与人员的流动路线。
三段设计 （1）初步设计(Preliminary Design) 根据设计任务书，对设计对象进行全面的研究，寻求在技术上可 能、经济上合理的最符合要求的设计方案。其内容和深度能使对方了解 设计方案、投资和基本出处为准。 （2）扩大初步设计 根据已批准的初步设计，解决初步设计中的主要技术问题，使之 明确、细化。编制准确度能满足控制投资或报价使用的工程概算。 （3）施工图设计(Detailed Design) 根据已批准的扩大初步设计，结合建厂地区条件，在满足安全、
化工设计是由各个专业许多设计人员共同创造的集体成果，它需
要设计人员在外部约束条件的制约下，以化工工艺专业为龙头，其他 专业设计人员紧密配合，精心设计、构思各种可能的方案，经过反复
比较，选择其中优化的方案。
化工设计的主体是化工工艺人员。 化工设计是科学与艺术相结合的一项工程，是将实验室的研究成果 转化为工业生产的一项具有创造性的劳动。 所谓科学即设计人员运用化学工程与工艺的基础知识，解决工程 中的有关问题。 所谓艺术，是指当遇到化学工程与工艺的基础知识不能解决问题 时，需要通过试验或凭借经验来正确决策，利用所获得的资料及数据

化工设计概论第二版课后答案李国庭

化工设计概论第二版课后答案李国庭

化工设计概论第二版课后答案李国庭综合产品评估法反映了副产品的经济性和重要性。

[判断题] *对(正确答案)错能量就是能量，没有高低、优劣之分。

[判断题] *对错(正确答案)工厂布置图包括厂区布置图和设备布置图（车间布置图）。

[判断题] *对(正确答案)错塔的设计时一定要设计人孔或手孔。

[判断题] *对(正确答案)错非金属管材用于腐蚀性介质，温度和压力较高的场合。

[判断题] *对错(正确答案)化工过程整合与优化的目的是使工艺更加完整。

[判断题] *错(正确答案)工艺过程费用估算的目的是确定投资额度。

[判断题] *对错(正确答案)分离因子表征混合物在分离过程中可得到的分离程度的一种量度。

[判断题] *对(正确答案)错对于小直径、高度大的塔应采用单排布置。

[判断题] *对错(正确答案)封闭体系是指与环境没有物质和能量交换的体系。

[判断题] *对错(正确答案)仪表的控制符号有图形符号、字母代号和仪表位号。

[判断题] *对(正确答案)错管道的设计要考虑热膨胀和热补偿所带来的影响。

[判断题] *对(正确答案)夹点处内部换热最大，经济效益最大。

[判断题] *对错(正确答案)自由度分析就是要确定过程或单元的未知量个数。

[判断题] *对(正确答案)错化工设计是针对化工过程某个单元操作的设计。

[判断题] *对错(正确答案)在容器的设计时，一定要设计上放空、溢流和排放设施。

[判断题] *对(正确答案)错夹点之下不应设置任何公用工程加热器。

[判断题] *对(正确答案)错一个化工产品只有一种反应路线来生产。

[判断题] *对错(正确答案)化工过程就是化学反应的过程。

[判断题] *对错(正确答案)按照管道仪表流程图（PID）的设计程序，管道仪表流程图有6个以上版本。

[判断题] *对(正确答案)错化学平衡常数可用来评估反应热效应的大小。

[判断题] *对错(正确答案)化工过程都是稳态过程。

化工设计概论第二章

化工设计概论第二章

第二节 工艺流程的设计
工艺流程设计是工艺设计的核心，它 通过工艺流程图的形式，形象地反映化 工生产由原料输入到产品输出的过程， 其中包括物料和能量发生的变化，物料 的流向以及生产中所经历的工艺过程和 使用的设备仪表等。
第二节 工艺流程的设计
工艺流程设计的主要任务
（ 1）确定生产流程中各个过程的具体内容， 顺序和组织方式，操作条件，控制方案，确定 “三废”治理方案，确定安全生产措施，达到 加工原料以制得所需产品的目的。 （2）在工艺流程设计的不同阶段，绘制不 同的工艺流程图。
wt% kgmol/h mol%
1 2 合 计 1 温 度
2
3 4
压 力
密 度 黏 度
二、工艺物料流程图的绘制
（5）物流变化和物流表 对于物料发生变化的设备，要从物 料管线上画一个引出线，并于引出线端用 列表的形式表示物料的组成、名称、质量 流量(kg／h)、质量百分数、摩尔流量 (kmol／h)。 物料的某些工艺参数，例如物料温 度、压力等可在流程线旁注明。
一、方框流程图(Block Flowsheet)
绘制要求：矩形框用细实线，用粗实线加箭头表示出主要物 流方向，并加上必要的文字注释。
硫酸 氧化铜 滤液
反应
过滤
母液
结晶
离心
产品
生产硫酸铜的方框流程图
生产聚甲醛的方框流程图
一、方框流程图和工艺流程草图
2、工艺流程草图
在方框图流程图的基础上，将各个工序过 程换成设备示意图，进一步修改、完善可得到 工艺流程草图。
三、管道及仪表流程图
(PID)
piping and instrument diagram
作用：为设备布置、管道布置设计提供依 据；为设备布置、管道布置及仪表控制等 施工安装提供依据；它是施工安装的指导 性文件。 要求：表示出全部工艺设备、物料管路、 阀件、设备的辅助管路以及工艺和自控仪 表的图例、符号等。

化工过程系统工程概论

化工过程系统工程概论
包括: 过程系统模拟与分析、过程系统综合、过程系统控制与操作、 过程系统的设计与优化和人工智能技术在化工过程中的应用等。
化工过程系统工程的产生和发展
廿世纪60年代是化工过程系统工程产生和发展的理论准备时期，代表性的研 究者有美国的Rudd和Watson（1968），Himmelblau和Bischoff（1968），日 本的矢木荣和西村肇（1969），苏联的Кафаров（1971）等，他们的论著阐 述了化工过程系统工程的研究方法和内容。 廿世纪70年代是化工过程系统工程走上实用的时期。随着计算机应用的普及， 采用化工过程系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系 统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。 廿世纪80年代是化工过程系统工程普及推广的时代，不仅在化工、石油、石 油化工、核工业和能源工业中获得广泛应用，而且向冶金、轻工、食品等连 续加工过程工业部门推广，有力地促进了这些部门生产技术的飞速发展，相 应地，化工过程系统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断完善和发展， 自1982年起每隔三年一届的国际化工过程系统工程会议就是这一进步的标志 之一。 我国从廿世纪70年代开始介绍这门新学科。廿世纪80年代开始这一学科发展 很快。
国内模拟软件：青岛化工学院的ECSS（重点是分离过程）；兰州石化研究院、大连理 工大学、华东理工大学联合研制的合成氨流程专用模拟系统：Micro SAPROSS
（2）动态过程系统模拟
比稳态过程系统模拟晚10年左右。
① 了解装置经受动态负荷变化的能力及可操作性； ② 分析开、停车及外部干扰作用下的动态性能，为装置及其控制系统的
设计提供依据； ③ 通过仿真计算，在多种控制方案中进行优选； ④ 用动态模型代替实际装置对操作作出动态响应，开发达到训练目的的

中国石油大学(北京)2022年化工设计概论第二阶段在线作业

中国石油大学(北京)2022年化工设计概论第二阶段在线作业

中国石油大学（北京）2022年化工设计概论第二阶段在线作业单选题(共8道题)1.（2.5分）哪个不是机械分离设备A、百页板分离器B、气体扩散器C、喷射洗涤器D、离心分离器E、振动筛答案：B2.（2.5分）哪一个不是分离过程的要素A、分离装置B、分离剂C、一股多组分进料物流D、一股单组分进料物流E、多股不同组成的出口物流答案：D3.（2.5分）哪个分离过程不是速率控制分离过程A、膜分离过程B、反渗透分离过程C、电渗析分离过程D、超滤分离过程E、冷冻干燥分离过程答案：E4.（2.5分）哪个不是组分分离过程的特点A、需外界提供能量B、△G增加的过程C、△G减小的过程D、△S减少的过程E、非自发过程答案：C5.（2.5分）哪种作功方式是机械功A、电功B、化学功C、膨胀功D、表面功E、磁功答案：C6.（2.5分）温-焓图中物流线在横座标上的投影表示什么A、温度差B、热交换量C、质量D、流率E、动能答案：B7.（2.5分）夹点之上区域不可设置A、热阱B、保温器C、热源D、物流混合器E、物流分流器答案：A8.（2.5分）工艺过程阶段中不包括哪个过程A、反应过程B、分离过程C、产物回收过程D、能量过程E、预处理过程答案：C多选题(共16道题)9.（2.5分）对能量过程的分析方法有A、能量衡算法B、热流分析法C、熵分析法D、功衡算法E、燔分析法答案：ACE10.（2.5分）减少流动过程中功损耗的措施有A、降低流体流速B、减少管道弯头C、减少管道的扩缩变化D、减少管道的节流点E、选用光洁度高的管道答案：BCDE11.（2.5分）降低精馏过程能耗的措施有A、预热进料B、减少塔板数C、减小回流比D、增设中间再沸器E、增设中间冷凝器答案：ACDE12.（2.5分）温-焓图中物流线左右平移时，不影响物流的哪些性质A、流率B、温度差C、质量D、热交换量E、势能答案：BD13.（2.5分）在温-焓图中得到热复合曲线的步骤有以下几步A、划分温区B、各热流温度按高到低顺序排列C、求每个温区的总热交换量D、画出每个温区的总物流线E、平移，获得整个温区的物流线答案：ABCDE14.（2.5分）夹点有以下特性A、物流汇合为总物流B、传热温差为零C、传热面积为无限大D、混合效果最大E、内部换热达到最大答案：BCE15.（2.5分）采用表格法计算夹点温度和最小公用工程量的步骤有A、计算每个温区内的热量值B、确定夹点温差C、划分温区D、计算热级联E、确定夹点答案：ABCDE16.（2.5分）按流态分类，流化床反应器可分为A、气—液—固三相流化床B、散式流化床反应器C、鼓泡流化床反应器D、快速循环流化床反应器E、湍流流化床反应器答案：BCDE17.（2.5分）常见气—液反应器有A、板式反应器B、降膜反应器C、填料反应器D、淤浆反应器E、鼓泡反应器答案：ABCE18.（2.5分）哪些是传质分离设备A、填料塔B、超滤器C、挡板收集器D、膜式分离器E、静电分离器答案：ABD19.（2.5分）下面哪些分离过程是平衡分离过程A、渗析分离过程B、结晶分离过程C、超滤分离过程D、精馏分离过程E、萃取分离过程答案：ABCD20.（2.5分）分离过程的选择应分析分离过程的哪些方面A、可行性B、经济性C、可靠性D、生产规模E、稳定性答案：ABCDE21.（2.5分）组分混合有哪些特点A、自发过程B、△G减小的过程C、△G增加的过程D、△S减少的过程E、△S增加的过程答案：ABE22.（2.5分）能量过程的特点体现在以下几个方面A、能量的形式B、能量转换C、能量流率D、能量传递的设施E、能量传递的方式答案：ADE23.（2.5分）体系和环境之间传递的能量是A、光能B、电能C、热能D、化学能E、功答案：CE24.（2.5分）基准态的条件是A、与环境达到力的平衡B、与环境达到热平衡C、与环境达到能量平衡D、与环境达到化学平衡E、与环境达到运动平衡答案：ABD判断题(共16道题)25.（2.5分）稳定流动体系是指与环境之间存在物质和能量交换的体系正确错误答案：正确26.（2.5分）传递相同热量时减少功损耗的措施是应尽可能实现高温传热正确错误答案：正确27.（2.5分）温-焓图是以温度T为纵轴，以热焓H为横轴的曲线图正确错误答案：正确28.（2.5分）夹点处内部换热最大，经济效益最大正确错误答案：错误29.（2.5分）夹点作用是将整个换热网络划分为两个部分正确错误答案：正确30.（2.5分）夹点之下不应设置任何公用工程加热器正确错误答案：正确31.（2.5分）化工过程整合与优化的目的是使工艺更加完整正确错误答案：错误32.（2.5分）气—液—固三相反应器中气体分子的扩散路径大于液相分子的扩散路径正确错误答案：正确33.（2.5分）分离过程是自发的过程正确错误答案：错误34.（2.5分）速率控制分离过程是指物质在不互溶两相中趋于平衡的分离过程正确错误答案：错误35.（2.5分）分离因子表征混合物在分离过程中可得到的分离程度的一种量度正确错误答案：正确36.（2.5分）能量是可以相互转化的正确错误答案：错误37.（2.5分）热是一种能量，是储存在体系内的能量正确错误答案：错误38.（2.5分）能量就是能量，没有高低、优劣之分正确错误答案：错误39.（2.5分）描述能量“质”属性的定律是热力学第二定律正确错误答案：正确40.（2.5分）封闭体系是指与环境没有物质和能量交换的体系正确错误答案：错误。

化工过程开发导论及内容

25
第二章 化工过程开发程序和内容
26
2.1 基本概念
科学与技术
科学是人对客观世界的认识，是反映客观世界和规律的知识 和知识体系，是一项与上述内容相关活动的事业。发现规律 ，形成理论。 技术的基本内容也是一种知识体系，包含硬件（如设备）和 软件（如工艺、方法）两方面，并通过社会协作完成既定的 目标。
技术可行性
社会需求
经济可行性 工艺条件优化 设备性能要求 系统集成与优化设计 过程放大研究
39
四、概念设计
工艺技术路线和工艺方法的说明
工艺流程简图
简单的物料/能量衡算
概
初步确定原材料和能耗指标
念
设
主要设备型式
计
预计“三废”排放量及毒害程度
估算投资和生产成本
小试存在的问题
对模型试验或中试提出的建议或设计
2
教学目的和要求
在实验室开发研究阶段就应实行工艺研究与工程研究的早期结 合，联系生产实际，提高分析问题解决问题的能力和效率。 一种新产品、新工艺或新技术能否开发成功，除纯技术问题之 外，还涉及市场、经济、资源、环保、能源、投资条件等多侧 面的社会经济问题。尤其是国民经济可持续发展已成为世界经 济发展的主流，清洁生产，绿色能源、生态工业、循环经济等 绿色GDP已成为国家经济发展水平的最重要指标。
17
第二节 化工发展简史
化工是化学工艺、化学工业与化学工程的简称。是一门研究物质和 能量的传递和转化的技术科学。 •A 化学工艺：化学工艺是以化学反应为手段，以创造新产品为目的的生产技术和过
程，研究重点是原料路线，催化技术、反应路线，工艺路线，针对的是个性问题；
•B 化学工业：是运用化学工艺生产化学品的工厂企业形成的产业部 类。

化工过程开发概论2


16
第三章 开发放大方法
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 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
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 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。
14
第三章 开发放大方法
数学模拟放大法
2、研究方法
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。
1）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
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
究内容和研究手段都与逐级经验放大法的实验室研究
3
第三章 开发放大方法
逐级经验放大法
2）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 行，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。 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 变工艺操作条件，故为操作变量试验。 3）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 进行逐级放大，每放大一级都必须重复前一级试验确定 的条件，考察放大效应，并取得设备放大的有关判据或 数据。这种试验所考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，故为几何变量试验。
考虑到苯酚和丙酮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。
7
第三章 开发放大方法

化工过程开发概要第二版教学设计

化工过程开发概要第二版教学设计前言化工过程开发是化学工业的核心。

一个新产品到达市场之前所经过的开发过程和工艺开发，涉及到诸多化工工艺，机械、电气、仪表等方面。

因此，化工过程开发是从生产发展和人员培训的角度来看，都非常重要的一个环节。

化工过程开发的课程，使化学学科不再仅仅是纸上谈兵，而变得更加具体、实际且直接地有助于学生未来的职业发展。

本次教学设计将以第二版化工过程开发概要课程为基础，介绍一组实用的学习资源、课程大纲以及教学方法。

学习资源化工过程开发涉及到的知识面实在太广泛了，学院和大学通常会为学生提供广泛的学习资源，以便于学生更好地学习相关知识。

以下是常用的学习资源：教材教材通常是本课程的核心资源，我们会用基本的教材作为我们的课程材料。

•《化学工业工程原理》：作者Geoffrey Lewis, John Ramage•《化学工业过程控制》：作者William L. Luyben•《化学反应工程》：作者Levenspiel这些教材都包含了众多的图表和实例，对于化工过程开发的基本理念和技术都有详细的介绍。

学生可以结合课堂讲解和实践操作一起学习。

实验室化工过程开发课程是一个非常实用的学科。

在化学工议教程中，学生将有机会去实验室进行实践操作。

实验室让学生能够亲身体验所有化学知识的应用，同时也有助于学习生产标准和生产流程。

网络资源化工过程开发课程可以从网络上获取许多资料和学习资源。

以下是常用的网络资源：•Coursera –这个是免费的在线资源，提供了大量的化工过程开发学习资源。

•MIT – MIT的开放式课程库提供了全球公认的信誉，包括了几门非常有用的化工课程。

•edX – edX提供了大量的化工学习资源，可以帮助学生为专业的化工过程开发课程做好准备。

这些学习资源已经充分地证明了自己的价值，被大量的学生和化工专业人员选用。

课程大纲课程概述本节主要介绍化工过程开发的基本定义、商业战略和标准化。

帮助学生对课程的整体架构和其重要性有基本的认识。

化工过程安全理论及应用第二版教学设计

化工过程安全理论及应用第二版教学设计引言化工行业是一个高度危险的行业，在生产过程中容易发生火灾、爆炸等各种事故。

因此，在工业化程度越来越高的今天，化工安全成为了工厂和企业的头等大事。

为此，化工过程安全理论及应用第二版的教学就显得非常重要了。

本文将介绍化工过程安全理论及应用第二版教学的设计，主要包括教学目标、教学内容、教学方法和教学评估等相关内容。

教学目标本教学课程的目标是使学生：1.掌握化工过程安全理论知识以及其与产业实践的联系2.理解化学过程安全的基本概念，包括安全生产、危险源、事故防范、应急响应等3.了解化工安全的法律法规、标准和规范要求4.能够娴熟运用化工安全管理技术，提高化工过程安全水平教学内容第一章：化工安全概论本章主要介绍了化工安全概念、化工危险源、化工领域的法律法规标准、化工事故等基本概念。

帮助学生了解化工安全的基本概念和法律法规，并明确安全事故的潜在风险，掌握化工过程安全的实质和研究内容。

第二章：化学品与安全本章主要介绍化学品的基本概念、危险性、存放、使用和处置等。

帮助学生了解化学品的种类、结构与性质的关系，掌握正确的化学品管理方法，提高化学品的使用安全性。

第三章：生产安全工程本章主要介绍生产安全的各种措施，如安全宣传教育、基本安全规则、安全技术措施、安全管理系统的建立与实施、应急预案和安全评估等。

帮助学生掌握化工生产安全工作的基本知识和技能，学习化工生产安全技术的应用方法，提高化工安全生产的水平。

第四章：安全检查与事故处理本章主要介绍化工安全检查的基本流程和方法、安全评估和化工事故的处理方法。

帮助学生学会运用现代科学技术和方法、检查化工生产状况，发现存在的化学品安全隐患和危险源，了解安全防范措施的实施情况，及时发现和处理化工生产事故，掌握事故初期的处理方法。

教学方法在化工过程安全理论及应用第二版的教学方法上，我们主要采用以下教学方法：1.案例分析通过案例教学的方式，帮助学生掌握运用化工过程安全理论知识的应用，拓宽他们应用技能的范围。

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第三章 开发放大方法
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 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 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 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， 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。 ★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 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 方法仍然是广数学模拟放大法
3）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 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 态。 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 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 系还是非均相体系；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 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 利于提高数学模型的可靠性。
第三章 开发放大方法
数学模拟放大法
1） 建立数学模型的思想方法 建立数学模型首先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 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 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 程组表示的数学模型。该模型反映了反应器内物料进行 化学反应的动态规律。求解联立方程组，可以设计任何、 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。
第三章 开发放大方法
数学模拟放大法
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 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， 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。
1. 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， 用以描述过程的动态规律。由于化工过程一般都比较复 杂，要找到真实描述过程动态规律的数学模型往往十分 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 过程，又要简单而便于应用。
第三章 开发放大方法 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 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 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 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。 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 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。 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 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 反应器的性能。
第三章 开发放大方法
逐级经验放大法
(1)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 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98.8 %，而采用连续操作搅拌釜的转化率只能达到97.8%左 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 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 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。 考虑到苯酚和丙酮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。
第三章 开发放大方法
逐级经验放大法
1、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 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 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。 1）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 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 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 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，故为结构变量试验。
第三章 开发放大方法
逐级经验放大法
例1. 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。 异丙苯生成苯酚和丙酮的反应分两步进行： （1）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 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 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 开发放大方法
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
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。这种放 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 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 的放大。
第三章 开发放大方法
逐级经验放大法
2）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 行，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。 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 变工艺操作条件，故为操作变量试验。 3）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 进行逐级放大，每放大一级都必须重复前一级试验确定 的条件，考察放大效应，并取得设备放大的有关判据或 数据。这种试验所考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，故为几何变量试验。
第三章 开发放大方法
逐级经验放大法
(2)工艺条件优化 在实验室选用一根直径为40 mm，长1202mm的反 应管(1.51 L)进行试验，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 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 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 的流量则不宜过大，因为流量过大，反应物科在反应器 内的停留时间较短, 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： 反应物料浓度：3.2kmol.m-3 反应温度：359K 硫酸浓度（催化剂）：6N 反应物料流量：0.1m3.h-1 此时过氧化氢异丙苯的转化率为98.8％。
第三章 开发放大方法
逐级经验放大法
(4)反应器设计 生产要求每小时处理过氧化氢异丙苯浓度为3.2 kmol.m-3的反应物料3m3，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 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 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 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98.8%，用反应管体积 为1.51L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0.0453m3(45.3L)。如果要求反应 转化率达到99.8%，则用反应管体积为2.15L的模型反应 器作几何相似放大，由外推法算出的生产用反应器的体 积为0.0645m3(64.5L)。
第三章 开发放大方法 4）中试检验数学模型的等效性
数学模拟放大法
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 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 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 和进行反应器设计。
第三章 开发放大方法
数学模拟放大法
2、研究方法
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。 1）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 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 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 是希望从过程内在规律上去揭示过程运行的实质。 因 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 测定的精度要求较高。
第三章 开发放大方法
逐级经验放大法
(3)反应器放大 放大试验分两级进行，首先取一根直径为40 mm， 长1719mm的反应管(2.15L)按上述工艺条件进行试验， 反应转化率提高至99.8%。然后按2.15L反应管的尺寸比 例将反应管体积放大至10L，并将反应物料流量相应增 大至0.464m3.h-1, 进行试验,反应转化率仍可达到99.8%， 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 积由1.51L增大至2.15L，反应转化率仅增加1%，而反 应器体积则要增大30%，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 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98.8％的 要求计算。