化学反应工程与中试放大

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1997年第4期化工设计5综述化学反应工程与中试放大评论魏同成辽阳石油化纤公司研究院辽阳111003摘要概述了化学反应工程与中试放大技术在研究与发展中的地位及其相关性。关键词化学反应工程技术开发放大技术60%～85%,所以开辟新的、更加便宜的原料1工艺发展工作的重要性路线有重要意义。现代科学技术发展的显著标志之一是工(4)大型化技术的发展工作为了更合艺方法和工业产品更新速度的不断加快,尤理地综合利用原料,降低生产成本,减少单位以石油—化学工业更为突出。为了开辟新的产品的一次投资,化工炼油部门的生产厂日原料来源,降低产品成本,提高产品质量,创趋大型化。据报导,炼油厂的一套常减压蒸馏造性能更为理想的新产品,各国都在大力改装置的设计处理量,如果由300吨ö年增加到革研究—发展的方法,缩短发展放大周期,提600吨ö年,则可以降低单位产量投资31%,高工业化过程的效率。为此在研究与开发体减少金属消耗47%,劳动生产率提高2.4制上也发生了相应的变化。国外大公司均相倍。继成立“发展部”,专门指导中间试验与工业一个新过程能否在工业规模上实现,它放大工作。还有一些独立的工程公司不以生的开发期限有多长以及所达到的水平如何?产固定产品为目的,而主要从事成套新技术这不仅是技术问题,还有许多经验问题,就技装备的研究和发展工作。其产品是成套技术,术方面的因素而言,其决定性在于:①是否有而不是化工商品,这就是所谓的工艺发展工足够有效的催化剂?②放大技术,特别是反应作(ProcessDevelopment),其中可包括如下过程的放大技术水平如何?③有无能够满足几种类型:特殊性能要求(如耐高温、高压、抗腐蚀等)的(1)制造新产品的新工艺过程发展工作材料?④能否设计和制造出相应的高精度或首先要进行大量的化学实验,从中研究出大容量的机器和设备?⑤计量和自控技术水新型的、性能令人满意的化学产品,并使其最平如何?快、最好地实现工业化生产。关键问题在于②项,主要是化学工程问(2)老产品的新工艺过程发展工作许题,它贯穿于从小试验直到完成工业生产的多化学产品,由于出现新的合成方法,使工艺整个过程之中,包括各级放大的方案和设备流程简化,产品成本下降,因而使老的工艺方设计、具体的试验、试验结果的处理及应用法被淘汰。等,这是一项复杂而又细致的任务。这一过程(3)新原料路线的研究与发展工作在所消耗的人力、物力与时间最多,故外国厂商现代化工厂中,生产成本中原料消耗费用占对此保密很严。 6化工设计1997年第4期但就反应工程而言是指以反应器为中心和基本工艺条件;②测定必要的物理数据、热及其直接有关的技术。这包括:①反应器的选力学和动力学数据;③研究传递过程的影响,型;②反应条件的确定和保证这些条件实施必要时通过大型冷模实验台架进行。根据实的技术措施;③反应器工艺尺寸及结构的确验室的结果,经过必要的经济评价,可以展望定;④反应装置的最佳化。今后工业化的前景。[2]2.2第二阶段:中间试验2研究发展工作的步骤中间试验阶段是建成大厂以前耗费最大“研究发展”就其涵义而言,是指从最初的阶段,也是过渡到工业化的关键阶段。其目的科学研究,直到工业化生产出来产品,并送的是验证工艺流程和工艺条件,并解决工业到用户使用的全过程。其中包括实验、设计、化中不能单纯通过计算解决的工程问题,本施工、生产、经济评价、产品应用或新用途的阶段的主要任务是:开拓、技术情报的收集使用等。(1)提供工业装置设计所必须的工艺数从实验室规模到工业生产的开发过程,据和必要的工程数据;一般易于理解为量的扩大,而忽略其质方面(2)研究使生产连续化、自动化的各种问的变化。然而要成功地完成量的扩大,就必须题:例如寻找连续化的工艺条件,考查新的控掌握其过程的实质,所以每一级放大都伴随制方法及仪表等;着技术质量上的差别,大装置上的措施未必(3)研究杂质的生成与积累的影响,以及与小装置上一样,甚至一些操作参数也可能“三废”的处理和环境保护问题;[1]有新的调整。因此放大技术是以深刻的科(4)考查设备的选型及材料的耐腐蚀性学理论和实践经验为基础,是质和量相结合能;的工程科学。(5)确定经济消耗指标;[1]2.1第一阶段:实验室研究(6)必要时提供足够数量的产品进行加这是一个新过程开发的起点,主要是从工和应用试验,有时还要提供足够数量的副物理、化学的角度探索新化学产品或工艺过产物,进行综合利用研究。程的可能性和合理性,直到在实验室规模做2.3第三阶段:半工业化试验出少量的实际产品为止。这一阶段的目的与中试阶段大致相同,在不连续的试验工作基础上,可以装备主要是中间试验的进一步扩大。不一定每种小型的流程试验台,从原料至中间产品乃至过程的工业化都要经过这一阶段,只有在进最终产品进行连贯的试验,这就是国内所指行大规模装置的工业设计尚没有把握,或者的“小型试验”。其目的在于:①测定基本工艺新产品的性能与用途尚需进一步考验和推广数据;②研究出必要的分析测试方法;③考验时,才进行这一步骤。新的工艺流程;④提供初步的物料消耗定额,2.4第四阶段:工业设计和施工以便进行经济评价,确定是否进一步进行中利用中间试验(及半工业生产)的数据、间试验。有关情报资料及化学工程学知识来进行工厂然而,对于化学反应工程而言的小型试设计,这是发展工作中的另一个飞跃,这一步验的基本任务在于:①验证选定的实验方法骤将决定最终工业生产的技术面貌及水平。 1997年第4期化工设计7值得关注的是在整个开发过程中,经济化学因素之间的变化规律之前,为了表达规评价占有重要地位,其间通常要进行2～4次模变化而造成的某些指标(如转化率、选择技术经济评价,通过评价可以避免人力与物性)不能重现的一种笼统的提法而已。力上的浪费。在发达的西方国家,通常1美元[4]4反应工程与技术开发的关系的研究投资,经过5～6年就可以回收22～23美元,年利高达400%～500%。反应工程与技术开发的关系如图1所示。[3]3研究与发展周期由于中间试验厂的建厂耗费人力、物力和时间,因此如何减少放大层次,增大放大倍数和缩短开发周期,乃是研究与开发者的共同目标。问题在于,要不要上中间试验厂?规模多大为宜?放大倍数能达到多少?这是与理论和经验两方面的水平紧密相关的。一般中间厂的规模为生产厂的1ö10～1ö50,而对于预计有放大效应的装置可选1ö20～1ö50;如为了建设半工业化性质的装置,当腐蚀情况及物性常数都明确时,中间厂的规模可小到1ö100～1ö200。图1反应工程与技术开发关系图一般而言,基础研究和小试探索时间需4.1化学热力学2～7年,中间试验2～4年,设计和施工1～2反应工程在这方面的主要内容是确定物年。全周期大约7～10年,从中间试验发展放系的各种物性常数(如热容、反应热、压缩因大到工业生产约4～5年。但是,在现代科技子等)和分析反应的可能性、反应条件和可能条件下,放大周期已大为缩短,最快的全周期达到的反应程度等。只需4～5年。4.2反应动力学对于过程开发而言,由于经验与基础研动力学是反应过程的内因,是阐明化学究水平不同,工业放大的可靠性也不同,对于反应速度(包括主反应及副反应)与各项物理一般的换热设备,只要物性数据明确,可以放因素(如:浓度、压力、温度及催化剂等)之间大到200～300倍,而误差不超过10%。对于的定量关系。也有在热力学认为可行的,由于蒸馏吸收等塔设备,如有正确的平衡数据,可动力学的原因,而实际上是不可行的。为实现较容易地放大100～200倍。只有化学反应装某一化学反应,需选择合适的工艺条件和反置,由于其中有许多物理与化学过程交错影应器的结构型式,确定反应器的工艺尺寸及响,其实验数据也不易归纳成有把握的规律其处理能力等,这些都依赖于反应的动力学性形式,常被所谓的“放大效应”所困扰。其实特性,因此,切实掌握反应动力学乃是化学反“放大效应”这个词,并不是最科学的概念,它应技术开发中的一大关键所在。只是人们在未能弄清放大过程中这些物理和4.3催化剂 8化工设计1997年第4期催化剂问题,一般属于化学或工艺的范性和最佳化设计问题。畴。但是,对于固体催化剂的制备本身也包含综上所述,可见反应动力学和传递过程着工程技术上的放大问题,就是对于已经制是反应工程的两大支柱。好的催化剂,也有反应工程问题,如:催化剂5放大技术微孔内的传热和扩散情况,都影响着催化剂[5、6]的实际效能(如选择性等)。5.1相似模拟放大4.4反应的流程、设备和条件通过因次分析或过程的微分方程描述,对于小装置,反应器直径很小,床层很归纳出一些无因次准数,作为大、小两个系统3低,一般常以气体通过床层的空间速度(米“相似”的条件。这些准数之间的关系可以通3气ö米催化剂·小时)作为反应条件的一种过实验来测定,并关联成半经验的准数方程标志。但是经过放大,床层高H与床径D之式,这在电子计算机尚未广泛使用的40～50比等于多少?即使HöD为常数,要保持相同年代,不失为解决化学工程问题的合理途径。的空间速度,线速度W0就往往不一样,而如果过程是一个涉及变量不多的物理过W0又影响到床层阻力($P)、流体的混合与程,应用相似模拟放大是实际可行的;如果是传热等情况,从而使反应的结果不再能与小涉及变量较多的复杂物理过程,应用相似模试相同。因而,从事反应技术开发的人往往都拟放大理论上是可行的,但实际上困难较多;有这样的经验:在放大之后的装置上,需要适如果过程中有化学反应存在,则在一般情况当地改变一部分条件,包括温度、压力、投料下完全应用相似模拟放大是不行的,因为无量(或平均停留时间)等,才能达到与小试相法同时满足几种相互矛盾的相似条件。同的某些主要指标(如:转化率和生产能力)。5.2强化化学工程学的基础研究因此与其说反应条件是由化学或工艺上的考为能直接利用小实验的结果来设计大型虑而确定的,还不如说是由化学和工艺方面装置,就必须有两个基本条件和一个前提。提出,经工程上的修定而确定的更为妥切。这两个基本条件是:一点更加显示了化学工程技术在工艺开发中(1)可靠的设计计算方法不仅要能估的重要性。计到各种参数的影响,而且应估计到规模尺对于工艺流程问题,这决定于原料及能寸加大的效应。源的消耗问题。(2)足够的基础数据包括基本的物性4.5传递工程数据、热力学数据、相平衡常数、化学反应动大装置内流体的流动及混合与小装置往力学数据、传递过程性质数据,特别是多组份往不同,这就使得各流体分子流经反应区的条件下的数据。浓度变化与小装置不同,而浓度与温度正是一个前提是:对各种化工装置的过程机直接影响化学反应的主要因素。“放大效应”理有一个深入的了解,也就是说,首先要有一的隐蔽所往往就在传递过程之中。个正确的“理论模型”,只有这样才能根据这4.6工程控制种思路寻求正确的设计计算方法,积累必要一套完整的反应技术应包括测量和控制的数据。为了减少放大效应,缩小大型设备与的方案在内,在此着重于反应系统的动态特小型实验之间的性能差别,需要进行大量的 1997年第4期化工设计9基础理论研究工作,如设备中的温度、速度及力量研究几个主要的影响因素。浓度分布侧型的测定;两相流动的流型研究;(3)合理安排试验经过筛选,往往主要停留时间的分布及返混理论研究;热力学基因素也有好几个,如按全因子排列来实验,其础数据的大量测定;主副反应动力学的深入实验工作量十分庞大,必须要用“实验设计”研究等。这些基础理论工作为使用电子计算方法来合理安排实验,以求在保证得到明确机进行高倍数的数学模拟放大奠定了基础。可靠结论的前提下,减少试验次数,达到快、例如精馏可以根据平衡数据直接放大设计,好、省的开发目的。但有些研究不透的领域,如多相反应器等直化工上应用的数理统计方法很多,常用接放大的把握性就较差些。的方法有:回归分析法、因子设计法、调优运[7]5.3概念设计方法算法等。最近国内推广的“均匀设计法”,适用国外在50年代后就开始在发展放大过于多因素与多水平的实验排布,是值得推广程中新增一个环节——概念设计(预先设的新方法。[10]计),以便在中间试验之前,充分利用现有资5.5中间试验工厂的小型化料数据为放大服务,减少或免去中间试验的为了加速开发,降低开发成本,近年来,负担。如果概念设计比较顺利,结合数学模拟中间试验技术趋于小型化。这种小型实验厂技术,可以一次放大,则可绕过中间试验步(Miniplant)又称为“微型中试”(micropilot)。骤。原则上将来大厂所需的主要单元过程及设备[8,9]5.4数理统计及运筹学方法的应用在小型厂中都应具备。它与小型实验不同之要进行一个新流程的放大,包括许多错处在于:装置虽小,但有较完整的流程,要求综复杂的环节:一个流程是由若干单元过程能够长时间连续控制运转,连续进料连续得及设备组合而成,有各种各样的组合形式,哪到产品。同时也要求设计尽量简单可靠。对种最好?每一单元过程设备又有许多影响因老产品新工艺开发,通常只重点研究其中某素,哪些是主要因素?每个条件因素试验时又一没有把握的部分,而不必做全流程研究;对有好多条件水平,哪个条件水平最好?⋯⋯这新产品的工艺开发,特别是想越过中间试验,一系列问题都是新过程放大时所必须回答直接放大时,就要求从头到尾进行全流程试的。这要通过实验来寻找,找出既是技术上可验。能,又是经济上合理的最佳方案,故问题比较小型厂具有规模小、成本低、精密化和自复杂。这需要用运筹学方法,以最少的代价,动化的特点,因此广为利用。[11]找到最理想的方案。为此人们广泛应用近代5.6电子计算机进行数学模拟放大数理统计方法来进行以下三方面的工作:数学模拟放大方法就是充分利用现有的(1)数据分析将试验误差所引起的数科技信息、数据、化学工程学知识,及在小型据波动和试验条件不同所引起的波动用统计实验结果(有时还需要中间试验结果)的基础学方法区分开来,以便抓住问题的实质。上整理出抽象的理论模型(往往是一组微分(2)影响因素的筛选一个过程的影响方程及代数方程),然后在电子计算机上进行因素很多,不可能逐个详加考查,所以要进行解算。将所获得的数值解与根据“概念设计”显著性检验,以区分主次影响因素,以便集中而相似缩小的小型厂实验结果进行对比,如 10化工设计1997年第4期果双方结果符合,则说明数学模型是符合实6结语[13]际的,可以直接用于放大设计;如果结果不符根据国内近年来反应工程的工业实践表合,则需要重新修正数学模型。明:反应工程的研究与开发,必须要有以概念如是大型化技术的发展或现有生产的局设计形式出现的工程研究相配合,这样目标部工艺改革,则不必一定采用小型厂实验结明确,效益显著。在条件允许的情况下,在开果来对比,而是利用化学工程分析及基础数发方法上以抓主要关键的半经验方法为宜,据建立模型后,再利用现有生产装置或类似但绝不可忽视反应工程学科的基础研究工生产装置的结果与电子计算机计算结果对作。另外更应重视工艺发展过程中的技术经比,修正模型后,再以此为根据进行新的设计济评价,特别是在小试结束后,要及时进行技计算。术经济评价,以决定下步工作如何进行。[12]5.7系统工程学方法及最佳化参考文献化学系统工程学是利用化学工程学和数1глущенкоим,пинекерАЕполянчиковом,идр.学的基本原理以及关联式来研究化工系统的ОсновыНаучныхисследований.Химическая各个装置的特性之间、乃至技术经济参数之Промышленность,Кцев《Вищашкола》,1983间的定量关系,从而为工艺系统的深入理解、2北京化工研究院情报组.国外石油化工中间试验模拟放大、设计及控制的最佳化奠定基础的简况.1973科学。其主要内容包括有:(1)装置特性和模3СоминскийВС.Ж.В.Х.О.,1967,12(2)拟方法;(2)系统的解析;(3)系统的组合特性4陈甘棠.化学反应工程.及设计最佳化;(4)系统的动态特性及控制最5沈自求.相似理论及其在化工上的应用.高等教佳化。育出版社,19596沈自求.相似理论及其在化工上应用的进展.科最佳化方法大致由三部分组成:(1)可靠学通报,1964,(11)的数学模型,即经过考验能正确反映系统的7魏同成.化学反应工程与工艺.1989,5(4)实际,而所建立的数学方程必须在整个限制8北京大学数学力学系.试验设计.数学的实践与条件内部能适用;(2)切实的经济模型:首先认识,1972,(6)要确定这个模型的目标函数5——技术经济9方开泰.均匀设计与均匀设计表.科学出版社,指标。这一目标函数在不同的场合下是不同1994的;(3)最佳化搜索方法:最佳化就是要找出10CinadrBF,CurleyJK,SchooleyAT.Mini2目标函数为最小(或最大)的条件,因为目标plantdisignanduse.Chem.Eng.Jap.,1971函数是通过复杂的数学模型与经济模型和设11FranksRGE.mathematicmodelinginchemi2计参数联系起来的,因此用经典方法来求目calEngineering.1966.俄译本“Химия.Изд”标函数的极值1971,往往是行不通的。目前已形成12кафоровВВ.控制论方法在化学和化工中的应一种独立的学科分支——“最佳化理论”,现用.北京:化学工业出版社,1983常用的有:切舍法、最大值原理、线性规划、动13施立才.化学反应工程与工艺,1993,9(3)态规划等。(修改回稿1997—03—25) 1997年第4期化工设计1ABSTRACTSKeyWordsfoodgradephosphoricacid,dearsenic,filtration,sulfurremovalChemicalReactionEngineeringandPolit-plantEnlargement$TSelectionofHeatTransferWeiTongchenginEvaporationCrystallization(ResearchInstituteofLiaoYangPetrofibreSunZhiqingCorp.,LiaoYang111003)(ChangshaChemicalDesignInstituteDescribesthepositionsandrelationsofofMinistryofChemicalIndustry,chemicalreactionengineeringandpilot-Changsha410007)plantenlargementinresearchanddevelop2Evaproationcrystallizationisacommonment.unitoperationinchemicalindustryproduc2KeyWordschemicalreactionengineer2tion.Duringheatingprocess,thehigherheating,technicaldevelopment,enlargementtransfer$Tisextremelyadvantageoustotechnologyenhancetheheattransferefficiencyandraisetheequipmentcapacity.However,tooAboutNewBurningTechnologyofhigheroftheheattransfer$TwillcauseCirculatedFluidBedunstableevaporationcrystallization,evenShiYuzucauseplantshutdown,andmakethingsre2(ChengdaChemicalEng.Corp.ofverse.Therefore,itisnecessarytoselectChina,Chengdu610041)theheattransfer$TreasonablytoensureIndroducesthegeneralconditionsandfea2thehigherefficiencyandstableoperation.turesofnewburningtechnology.AnalyzesKeyWordsevaporationcrystallization,theexistingtroublesoffluidbedboilerandheattransfer$T,heattransferefficiencytheircauses,andtellsusthereasonwhythistechnologyisnotrecommendedtotheCharacteristicsofWasteHeatBoilerchemicalindustrysystemforthetimebe2for230,000töaSulfuricAcidPlanting,unlessitisstringentlyapprovedbytheHeFangjierelateddepartment,andthecautionshould(DesignInstituteofNanjingChemicalbetakenintypeselection.IndustryGroupCorp.,Nanjing210048)KeyWordscirculatedfluidbed,burningIntroducesindetailsthetechnicalcharac2technology,boilerteristics,constructionfeatures,thermalsys2temandadvantagesofwasteheatboilerforDesignofPostTreatmentPlantofFood230,000töasulfuricacidplant,analyzestheGradePhosphoricAcidDearsenicexistingproblemsforreferenceindesignSunYipingwork.(ChemicalDesignInstituteofYunnanKeyWordswasteheatboiler,heatedProvinceKungming650041)surface,transversewashout,vibratingunitTake5000töafoodgradephosphoricacidproductionplantasanexample,analyzesDesignandPractiseofV-typethefeatureofmaterialafterdearsenicandFiltrationpoolthetechnicalpointsforsolid-liquidsepara2ZhangRuifengtion.Introducesindetailstheprocessflow,(DesignInstituteofJilingChemicalequipmentselectionforfiltrationandsulfurIndustryCorp.,Jiling132021)removalsections.V2typefiltrationpooldevelopedinFrance