1、2023年7月25日星期二化工过程开发与设计第化工过程开发与设计第8章化工过程放大章化工过程放大冷模试验8.2中 试8.3反应过程放大的基本方法8.1第8章 化工过程放大反应器的设计8.48.1 反应过程放大的基本方法12逐级经验放大逐级经验放大数学模型方法数学模型方法8.1.1 8.1.1 逐级经验放大逐级经验放大1 1研究方法研究方法（1）反应器的选型（2）优化工艺条件（3）反应器放大8.1.1 8.1.1 逐级经验放大逐级经验放大2 2基本特征基本特征（1）只综合考察输入变量和输出结果的关系，未能深入研究过程的内在规律（2）试验次序人为规定，并非科学合理的研究程序（3）放大过程是外推的，
2、并不一定完全可靠8.1.1 8.1.1 逐级经验放大逐级经验放大例例8.1 8.1 磷钨杂多酸催化剂（HPW）制备工艺的放大研究。杂多酸是酸强度较为均一的纯质子酸，其酸性不但强于硅酸铝和各种分子筛等固体酸，也强于氢氟酸、硫酸等液体酸。本例采用经典酸化乙醚萃取法间歇制备12-磷钨杂多酸。图图8.1 8.1 磷钨杂多酸催化剂的制备工艺磷钨杂多酸催化剂的制备工艺8.1.1 8.1.1 逐级经验放大逐级经验放大（1）反应器选型（2）条件优化（3）反应器的放大（4）放大效应分析1）结构分析2）性能分析8.1.1 8.1.1 逐级经验放大逐级经验放大表表8-18-1正交实验方案和结果正交实验方案和结果序号
3、Na2HPO4A/gHCl B/mL时间C/h温度D/收率%1401552.58084.712401603.08589.433401653.59084.454501553.09084.435501603.58080.116501652.58585.387601553.58585.588601602.59088.769601653.08078.79k186.284.986.381.2k283.386.184.286.8k384.482.983.485.9极差R2.93.22.95.68.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法1 1研究方法研究方法（1）实验室研究化学反应规律（2）大型冷模试
4、验研究传递过程规律（3）综合上述两过程特征，建立数学模型（4）通过中试检验数学模型的等效性8.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法2 2基本特征基本特征（1）过程分解（2）简化过程运行规律，建立等效模型（3）建立和检验数学模型8.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法1.1.流动模型流动模型本系统的流动模型涉及气相与液相（料浆）。气相因不参与循环，可近似按平推流处理。表表8-28-2不同循环比条件下的全混流反应器级数不同循环比条件下的全混流反应器级数实验号磷酸流量/m3h-1氨流量/kgh-1料浆中和度/R磷铵料浆循环比级数mw(P2O5有效)/%w(P2O5水溶)/%13.02
5、19.21.1618.9416.429.92.122.3189.11.1922.7921.0112.31.6532.0177.01.1822.3720.5515.91.4641.65132.41.1520.7819.0117.51.2351.30113.11.1722.8921.0722.11.108.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法2 2宏观动力学模型宏观动力学模型（1）模型的选择与简化 （1）（2）（3）（4）3214bbbbgllgWLfAGr125Re(1)nnShbScf6ReShbScf321466,bbbbgls gs glgWLkb ufb uAGr8.1.2 8.
6、1.2 数学模型方法数学模型方法（5）（6）(1)(1)(1)(1)kkkkaaaakkaaQQWGQQKKRR 1,0ebxtGgrSk aA uRS8.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法（2）实验及模型的参数估值图图8.28.2外环流氨化反应器流程图外环流氨化反应器流程图8.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法图图8.3 8.3 作图法求反应段高度作图法求反应段高度HrHr8.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法（7）（8）（9）（10）（11）（12）aGrmGk aVc11221122()()()ln()mccccccccc1212lnmccccc1 122a
7、GQcQ c1 1221122ln()GrQcQ cck aV ccc1.222.4031.56,01.64 10tGgSk auRSr8.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法表表8-38-3模试实验数据模试实验数据试验号ug,0/ms-1S t102/S rRHr/mG1/kgh-1G2102/kgh-1kG a/s-1kG a*/s-1相对偏差/%1178.31.2013.71.021.7412.4920.75413.0412.47-4.52261.1 0.471 16.571.071.3122,2500,29816,2717,63+8.43265.2 0.47116.71.141
8、.4022.2891.18115.1115.62+3.44173.41.3110.80.932.4942.6450.3129.299.38+1.05178.11.3111.51.052.2762.4171.1699.148.34-8.86241.4 0.94014.71.191.6952.5860.50712.4311.70-5.97241.7 0.94015.11.091.5022.6461.65415.7515.43-2.08239.6 0.94015.01.081.5732.6231.18014.9715.67+4.79287.3 0.47118.31.000.9111.5760.176
9、16.1116.92+5.010283.1 0.47119.01.100.9361.5530.68815.0914.39-8.911280.2 0.47119.61.150.8651.5371.29214.9613.72-8.312158.02.4813.701.141.9884.3632.00418.3318.67+1.98.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法3 3中试对模型的修正中试对模型的修正（1）液相流动模型的修正图图8.4 8.4 外环流氨化反应器流程简图外环流氨化反应器流程简图1.1.反应管；反应管；2.2.循环管；循环管；3.3.蒸发室；蒸发室；4.4.液下泵；液下泵；
10、5.5.酸贮槽；酸贮槽；6.6.料浆贮槽料浆贮槽8.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法表表8-4 8-4 放大模型实验结果放大模型实验结果试验号S t102/S rG1/kgh-1G2102/kgh-1pHWa/kgm-2s-1qa/kgm-2s-1Hr/mkG a/s-1kG a*/s-1相对偏差/%11.25178.612.815.3312.8322.24.031.7217.9418.36+2.32149.215.805.3914.6269.13.361.8113.3614.01+4.93138.94.355.2713.7250.53.131.8712.5912.78+1.541
11、26.93.845.05228.82.86 1.9712.2410.99-10.250.641117.12.265.3116.6414.42.651.9811.8011.99+1.66111.014.505.1718.6392.32.51 1.5311.5211.064.07115.65.965.3316.7409.02.621.7911.5011.76+2.381.38168.011.555.2210.8274.53.79 1.7616.6116.26-2.19149.09.075.2712.2243.53.361.8813.5813.64+0.410135.57.625.08221.53.
12、06 1.8512.9711.78-9.211171.98.895.2611.0280.23.87 1.8316.8216.76-0.4120.922131.72.935.3514.7323.72.971.8212.4512.75+2.48.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法续上表续上表试验号S t102/S rG1/kgh-1G2102/kgh-1pHWa/kgm-2s-1qa/kgm-2s-1Hr/mkG a/s-1kG a*/s-1相对偏差/%13119.22.335.07293.12.70 1.9712.2311.05-9.614131.88.245.4215.2324.22
13、.991.9112.1012.85+6.215130.76.065.3015.0321.32.961.8912.5412.69+1.2160.461100.11.954.3118.3323.72.98 1.4112.8312.22-4.81791.31.645.16447.42.06 1.959.499.07-4.41899.34.545.5319.0486.52.241.949.2910.29+10.81998.98.145.1619.6484.52.231.759.4710.23+8.0202.45229.516.205.379.1211.85.181.5121.0921.89+3.821
14、177,418,905,37163.74.032.0114.3314.98+4.5221.38219.26.175.279.9358.24.94 1.5624.2324.18-0.223181.22.285.27296.14.091.9218.1918.21+0.18.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法（2）传质模型的修正 （13）（14）（15）（16）23171pHtGaSk abWSr1.22.11.520pHtGaSk aWSr1.21.50.61tGaSk aWSr0.31.20.61Gaak aWq8.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法4 4模型放大与验证模型放
15、大与验证（1 1）工业装置设计）工业装置设计1）反应管放大设计 （17）/0.785raaDGq8.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法2）分离器的放大设计 （18）（19）/0.785rsfsDGu2/0.785fsfsHGD V表表8-5 8-5 年产年产6 6 万吨磷酸一铵的外环流氨化反应器结构参数万吨磷酸一铵的外环流氨化反应器结构参数项 目Dr/mHr/mDr/mnDf/mHf/m计算值0.2971.780.25142.51.2044.104.92修正值0.3002.000.250421.204.508.1.2 8.1.2 数学模型方法数学模型方法（2 2）模型的验证）模型的验
16、证表表8-6 8-6 年产年产6 6万吨磷酸一铵的外环流氨化反应器万吨磷酸一铵的外环流氨化反应器k G ak G a值与部分运行数据值与部分运行数据编 号反应段的进氨量G1/kgh-1进反应器磷酸体积流量Qk/m3h-1R(NH3/H3PO4)c2/gm-3以MAP 计的反应器生产能力GMAP/th-1k Ga/s Eq.(18)kGa/s相对偏差/%1800.019.01.140.2969.5111.5911.22+3.32760.0 18.01.150.4109.0010.7410.99-233773.017.51.160.5019.1911.0110.68+3.14736.0 16.71
17、.130.2488.7510.2310.60-3.78.2 8.2 冷模试验冷模试验1 1相似现象相似现象（1）几何相似（2）时间相似（3）运动相似（4）动力相似（5）热相似（6）化学相似8.2 8.2 冷模试验冷模试验2 2相似理论相似理论（1）相似第一定律（2）相似第二定律（3）相似第三定律f f（11、22、nn）=0 =0 （8-1）8.2 8.2 冷模试验冷模试验3 3相似特征数相似特征数表表8-7 8-7 常用的无量纲数群常用的无量纲数群名 称符 号数 群意 义应 用阿基米德数Argl3(-0)/2重力/摩擦力不同密度流体的流动阿累尼斯数E/RT活化能/热能反应速率 拜恩斯坦数Bo
18、ul/D0宏观运动的物质/返混物质流动介质中的混合过程达姆克勒数Dl/ur反应掉的物质/加入的物质化学反应达姆克勒数D反应掉的物质/扩散的物质达姆克勒数DRmQl/cpuT反应热/对流传热量达姆克勒数D反应热/传导的热量得拉格数CD(-0)l/u2重力/动能多相流动欧拉数Eup/u2压力降/惯性力流体在管道中的摩擦弗劳德数Fru2/gl惯性力/重力搅拌、气力输送等8.2 8.2 冷模试验冷模试验续上表续上表名 称符 号数 群意 义应 用伽立略数Gal2/2重力/摩擦力流体在重力场中的流动格拉晓夫数Grl2T/2密度差引起的浮力/摩擦力自然对流路易斯数LeSc/Pr热传导/扩散热质同时传递的过程
19、努塞尔数Nul/热对流/热传导传热过程贝克来数Pelucp/Pe=RePr传热过程普朗特数Prcp/分子动量传递/热量传递传热过程雷诺数Relu/惯性力/黏性力流体流动施密特数Sc/D分子动量传递/物质传递传质过程舍伍德数Shkl/D总传质/扩散传质过程韦伯数Weu2l/惯性力/表面张力气泡、雾化流体混合特征数H1u12/2u22两股流体动量比射流混合西勒数Q/(T)0.5D0.5催化剂中反应8.2 8.2 冷模试验冷模试验例例8.3 8.3 固体颗粒在气流中运动规律的测定。相似特征数和特征数方程的导出 （1）（2）(,Re,Pr,)0ssssggggguu t uf St Frulgt(,R
20、e,)0ggf StFr8.2 8.2 冷模试验冷模试验2 2冷模试验冷模试验（1）考察Frg数的影响 （3）（4）0.4250.0930.375max1.1()()()gggssggguu dddllgl0.720.0850.352max3.72()()()gggssggguu dddllgl8.2 8.2 冷模试验冷模试验例例8.4 8.4 双级料腿循环流化床中颗粒停留时间分布。1 1实验装置的建立实验装置的建立 图图8.5 8.5 双级料腿循环流化床实验装置示意图双级料腿循环流化床实验装置示意图8.2 8.2 冷模试验冷模试验表表8-8 8-8 实验物料的物性参数实验物料的物性参数参 数
21、dp/mmp/(kgm-3)Umf/(ms-1)类 型沙0.2926000.06B红豆6.013181.37D绿豆3.613600.82D塑料珠6.08501.06D玻璃珠2.026500.78D8.2 8.2 冷模试验冷模试验2 2实验实验图图8.8 8.8 第一级料腿流化风速对第一级料腿流化风速对RTDRTD的影响的影响 图图8.9 8.9 不同进样量对不同进样量对RTDRTD的影响的影响图图8.6 8.6 不同主床流化风速对不同主床流化风速对RTDRTD的影响的影响 图图8.7 8.7 第二级循环料腿第二级循环料腿流化风速对流化风速对RTDRTD的影响的影响8.2 8.2 冷模试验冷模试
22、验图图8.10 8.10 脱氯床高度脱氯床高度H H对对RTDRTD的影响的影响 图图8.11 8.11 颗粒尺寸、密度对颗粒尺寸、密度对RTDRTD的影响的影响8.2 8.2 冷模试验冷模试验3 3停留时间分布模型停留时间分布模型 （1）（2）图图8.12 8.12 停留时间分布模型示意图停留时间分布模型示意图0dCtCCdt()()1 exp()tF tC tt 8.2 8.2 冷模试验冷模试验 E(t)=0 t99.9异丙苯溴值95异丙苯收率/%98.7正丙苯质量分数/%00.0176重组分质量分数/%0.280每吨异丙苯消耗苯/kg656.1丙烯/kg358.68.4 反应器的设计12
23、铸造车间的平、剖面图铸造车间的平、剖面图几种工业常用反应器的设计几种工业常用反应器的设计8.4.1 8.4.1 工业反应器的类型和选择原工业反应器的类型和选择原则则1 1化学反应器的分类化学反应器的分类表表817 817 反应器的分类反应器的分类相 态流 型操作方法形 状传 热均 相非均相平推流全混流非理想流间歇式半连续式连续式管式塔式釜式绝热换热等温气相液相气液相气固相气液固相液液相液固相8.4.1 8.4.1 工业反应器的类型和选择原工业反应器的类型和选择原则则表表818 818 反应器的形式与特性反应器的形式与特性形式适用的反应类型混和特性温度控制性能其他特性应用举例管式气相，液相，气液
24、相返混很小比传热面大，易控制温度管内可加构件,如静态混和器烃热裂解制乙烯，石油树脂，高压裂乙烯空塔或搅拌塔液相、液液相返混程度与高径比有关轴向温差较大结构简单尿素合成，苯乙烯本体聚合搅拌釜液相，液液相，液固相物料混和均匀温度均匀，容易控制可间歇操作或连续操作苯硝化，丙烯聚合，氯乙烯聚合通气搅拌釜气液相返混大温度均匀，容易控制气液界面和持液量均较大搅拌器密封结构复杂微生物发酵绝热固定床气固相，液固体返混小床层内不能控制温度结构简单，投资和操作费用低苯烃化制乙苯,丁烯氧化脱氢列管式固定床气固相，液固相返混小传热面大，易控制温度投资和操作费用介于绝热固定床和流化床之间乙苯脱氢，乙烯制醋酸乙烯流化床气
25、固相，液固相返混较大，不适于高转化率或有串联副反应的系统传热好，温度容易控制颗粒输送方便,但能耗大，适用于催化剂失活快的反应，操作费用大丙烯氨氧化制丙烯腈，催化裂化8.4.1 8.4.1 工业反应器的类型和选择原工业反应器的类型和选择原则则续上表续上表形式适用的反应类型混和特性温度控制性能其他特性应用举例移动床气固相，液固相固体返混小床内温差大，温度调节困难颗粒输送方便,但能耗大，适用于催化剂失活快的反应，操作费用大，允许的气（液）固比范围大石脑油连续重整，煤气化板式塔气液相返混小如需传热，可在板间加换热管气液界面大，持液量较大异丙苯氧化填料塔气液相返混小床层内不能控制温度气液界面大，持液量较
26、大CO2脱除，合成气CO脱除鼓泡塔气液相，气液固相气液返混小，液相返混大如需传热,可设置换热管，温度容易控制气相压降较大,气液界面小，持液量大乙醛氧化制醋酸，丙烯氯醇化喷射反应器气相，液相返混较大流体混和好，直接传热速度快操作条件限制严格，缺乏调节手段氯化氢合成，丁二烯氯化喷雾塔气液相气相返混小无传热面，床层内不能控制温度结构简单，气液界面大，持液量小高级醇连续磺化涓流床 气液固相返混较小不能用传热方法调节温度气液均布要求高碳三炔烃加氢,丁炔二醇加氢浆态反应器气液固相返混大如需传热，可设置换热管，温度容易控制催化剂细粉回收分离困难乙烯溶剂聚合8.4.1 8.4.1 工业反应器的类型和选择原工业
27、反应器的类型和选择原则则2 2化学反应器的工艺特点化学反应器的工艺特点（1）固定床反应器（2）流化床反应器（3）搅拌釜式反应器（4）气液相反应8.4.1 8.4.1 工业反应器的类型和选择原工业反应器的类型和选择原则则3 3反应器的选型原则反应器的选型原则（1）气固相反应器（2）气液相反应器表表819 819 反应相态和反应器形式反应相态和反应器形式气相液相气固催化气固气液气液固液液液固固固固定床移动床流化床搅拌釜鼓泡塔管式加热炉气液两相流火焰反应器板式塔转窑8.4.2 8.4.2 几种工业常用反应器的设计几种工业常用反应器的设计1 1搅拌釜反应器搅拌釜反应器（1）搅拌釜反应器的设计内容（2）
28、搅拌釜反应器体积的计算 （82）（83）（84）AA1 dnrV dt 0AAAdxnrVdtAfA0A0AA1xxtndxVr8.4.2 8.4.2 几种工业常用反应器的设计几种工业常用反应器的设计（85）（86）（87）（88）（89）AfA0AA1cctdcr)(00ttvVrArAArVFF00A0ArAFFVrAAA0A0Ar0Ac xccVvrr8.4.2 8.4.2 几种工业常用反应器的设计几种工业常用反应器的设计例例8.6 8.6 以少量硫酸为催化剂，在不同的反应釜中进行乙酸和丁醇反应生产乙酸丁酯CH3COOH+C4H9OH CH3COOC4H9+H2O反应在100等温进行，反
29、应动力学方程 k=17.4L/（kmolmin）下标A代表乙酸，其初始浓度cA0=0.00175kmol/L，每天生产乙酸丁酯2400kg，若乙酸转化率50%，求下列两种情况下反应釜的体积。kAA2rkc8.4.2 8.4.2 几种工业常用反应器的设几种工业常用反应器的设计计（1）间歇釜，设每批操作的辅助时间为0.5h；（2）连续釜。解：（1）间歇釜体积 h L (L)m3 AfAfA0A0AA2AAfA0111()ccccdcdctrkck cc 32.8min0.5471031)5.0547.0(985)(00ttvVr137475.01031374.18.4.2 8.4.2 几种工业常用
30、反应器的设几种工业常用反应器的设计计（2）计算连续反应釜体积 L m3 L m30A0AfAA0AfA/()/rVvccrc xr220 A0AfA0Af/(1)rVv c xkcx1078)5.01(00175.04.175.0)60/985(2143775.01078437.18.4.2 8.4.2 几种工业常用反应器的设几种工业常用反应器的设计计2 2固定床气固相催化反应器的设计固定床气固相催化反应器的设计（1 1）固定床气固相催化反应器的类型）固定床气固相催化反应器的类型表表820 820 固定床气固相催化反应器的类型固定床气固相催化反应器的类型固定床气固相催化反应器绝 热 式单段绝热
31、式多段绝热式中间间接换热式原料气冷激式非原料气冷激式换 热 式自热式外热式8.4.2 8.4.2 几种工业常用反应器的设几种工业常用反应器的设计计图图8.20 8.20 多段绝热式固定床反应器多段绝热式固定床反应器（a a）间接换热式；（）间接换热式；（b b）原料气冷激式）原料气冷激式；（；（c c）非原料气冷激式）非原料气冷激式图图8.21 8.21 外热式固定床催化反外热式固定床催化反应器示意图应器示意图8.4.2 8.4.2 几种工业常用反应器的设几种工业常用反应器的设计计（2 2）固定床催化反应器催化剂用量的确定）固定床催化反应器催化剂用量的确定1）已知空速和原料气流量 空速空速=（
32、8-10）催化剂床层体积原料气体的体积流量8.4.2 8.4.2 几种工业常用反应器的设几种工业常用反应器的设计计例例8.7 8.7 乙烯直接氧化制环氧乙烷所用的反应器是外部换热式固定床催化反应器，从工业装置测得其空速为5000m3（STP）（m3cath），设计一个上述类型的反应器，要求所设计的反应器进口气体流量为8900m3（STP）/h，求反应器的催化剂堆体积（用空速法）。解：催化剂堆体积=m378.150008900空速原料气的体积流量8.4.2 8.4.2 几种工业常用反应器的设几种工业常用反应器的设计计2）已知空速和单位时间产量3）已知单位时间产量W及反应器生产强度St催化剂床层体积催化剂床层体积 （8-11）4）模型法 （812）（813）（814）tSWAfA0rA0AA1xxVFdxrAA(,)rf xT0AA0()TTxx8.4.2 8.4.2 几种工业常用反应器的设几种工业常用反应器的设计计图图8.22 8.22 乙苯脱氢反应器的轴向温度及转化率分布乙苯脱氢反应器的轴向温度及转化率分布
