化工过程开发与设计第8章化工过程放大

化工过程开发与设计第8章化工过程放大化工过程开发与设计化工过程开发与设计冷模试验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8.4化工过程开发与设计8.1反应过程放大的基本方法12逐级经验放大数学模型方法化工过程开发与设计8.1.1逐级经验放大1．研究方法（1）反应器的选型（2）优化工艺条件（3）反应器放大化工过程开发与设计8.1.1逐级经验放大2．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，并不一定完全可靠化工过程开发与设计8.1.1逐级经验放大例[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8.1磷钨杂多酸催化剂的制备工艺化工过程开发与设计8.1.1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）性能分析化工过程开发与设计8.1.1逐级经验放大表8-1正交实验方案和结果序号Na2HPO4A/gHClB/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R2.93.22.95.6化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法1．研究方法（1）实验室研究化学反应规律（2）大型冷模试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化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法2．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化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法1.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8-2不同循环比条件下的全混流反应器级数实验号磷酸流量/m3·h-1氨流量/kg·h-1料浆中和度/R磷铵料浆循环比β级数mw(P2O5有效)/%w(P2O5水溶)/%13.0219.21.1618.9416.429.92.122.3189.11.1922.7921.0112.31.6532.0177.01.1822.3720.5515.91.4641.65132.41.1520.7819.0117.51.2351.30113.11.1722.8921.0722.11.10化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法2．宏观动力学模型（1）模型的选择与简化（1）（2）（3）（4）3214bbbbgllgWLfAGr125Re(1)nnShbScf6ReShbScf321466,,bbbbglsgsglgWLkbufbuAGr化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法（5）（6）(1)(1)(1)(1)kkkkaaaakkaaQQWGQQKKRR1,0ebxtGgrSkaAuRS化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法（2）实验及模型的参数估值图8.2外环流氨化反应器流程图化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法图8.3作图法求反应段高度Hr化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法（7）（8）（9）（10）（11）（12）aGrmGkaVc11221122()()()ln()mccccccccc1212lnmccccc1122aGQcQc11221122ln()GrQcQcckaVccc1.222.4031.56,01.6410tGgSkauRSr化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法表8-3模试实验数据试验号ug,0/m·s-1St×102/SrβRHr/mG1/kg·h-1G2×102/kg·h-1kGa/s-1kGa*/s-1相对偏差/%1178.31.2013.71.021.7412.4920.75413.0412.47-4.52261.10.47116.571.071.3122,2500,29816,2717,63+8.43265.20.47116.71.141.4022.2891.18115.1115.62+3.44173.41.3110.80.932.4942.6450.3129.299.38+1.05178.11.3111.51.052.2762.4171.1699.148.34-8.86241.40.94014.71.191.6952.5860.50712.4311.70-5.97241.70.94015.11.091.5022.6461.65415.7515.43-2.08239.60.94015.01.081.5732.6231.18014.9715.67+4.79287.30.47118.31.000.9111.5760.17616.1116.92+5.010283.10.47119.01.100.9361.5530.68815.0914.39-8.911280.20.47119.61.150.8651.5371.29214.9613.72-8.312158.02.4813.701.141.9884.3632.00418.3318.67+1.9化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法3．中试对模型的修正（1）液相流动模型的修正图8.4外环流氨化反应器流程简图1.反应管；2.循环管；3.蒸发室；4.液下泵；5.酸贮槽；6.料浆贮槽化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法表8-4放大模型实验结果试验号St×102/SrG1/kg·h-1G2×102/kg·h-1pHβWa/kg·m-2·s-1qa/kg·m-2·s-1Hr/mkGa/s-1kGa*/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+1.54126.93.845.05228.82.861.9712.2410.99-10.250.641117.12.265.3116.6414.42.651.9811.8011.99+1.66111.014.505.1718.6392.32.511.5311.5211.064.07115.65.965.3316.7409.02.621.7911.5011.76+2.381.38168.011.555.2210.8274.53.791.7616.6116.26-2.19149.09.075.2712.2243.53.361.8813.5813.64+0.410135.57.625.08221.53.061.8512.9711.78-9.211171.98.895.2611.0280.23.871.8316.8216.76-0.4120.922131.72.935.3514.7323.72.971.8212.4512.75+2.4化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法续上表试验号St×102/SrG1/kg·h-1G2×102/kg·h-1pHβWa/kg·m-2·s-1qa/kg·m-2·s-1Hr/mkGa/s-1kGa*/s-1相对偏差/%13119.22.335.07293.12.701.9712.2311.05-9.614131.88.245.4215.2324.22.991.9112.1012.85+6.215130.76.065.3015.0321.32.961.8912.5412.69+1.2160.461100.11.954.3118.3323.72.981.4112.8312.22-4.81791.31.645.16447.42.061.959.499.07-4.41899.34.545.5319.0486.52.241.949.2910.29+10.81998.98.145.1619.6484.52.231.759.4710.23+8.0202.45229.516.205.379.1211.85.181.5121.0921.89+3.821177,418,905,37163.74.032.0114.3314.98+4.5221.38219.26.175.279.9358.24.941.5624.2324.18-0.223181.22.285.27296.14.091.9218.1918.21+0.1化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法（2）传质模型的修正（13）（14）（15）（16）23171pHtGaSkabWSr1.22.11.520pHtGaSkaWSr1.21.50.61tGaSkaWSr0.31.20.61GaakaWq化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法4．模型放大与验证（1）工业装置设计1）反应管放大设计（17）/0.785raaDGq化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法2）分离器的放大设计（18）（19）/0.785rsfsDGu2/0.785fsfsHGDV表8-5年产6万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0.2971.780.25142.51.2044.10～4.92修正值0.3002.000.250421.204.50化工过程开发与设计8.1.2数学模型方法（2）模型的验证表8-6年产6万吨磷酸一铵的外环流氨化反应器kGa值与部分运行数据编号反应段的进氨量G1/kg·h-1进反应器磷酸体积流量Qk/m3·h-1R(NH3/H3PO4)c2/g·m-3以MAP计的反应器生产能力GMAP/t·h-1kGa/s[Eq.(18)]kGa/s相对偏差/%1800.019.01.140.2969.5111.5911.22+3.32760.018.01.150.4109.0010.7410.99-233773.017.51.160.5019.1911.0110.68+3.14736.016.71.130.2488.7510.2310.60-3.7化工过程开发与设计8.2冷模试验1．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）化学相似化工过程开发与设计8.2冷模试验2．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（π1、π2、…、πn）=0（8-1）化工过程开发与设计8.2冷模试验3．相似特征数表8-7常用的无量纲数群名称符号数群意义应用阿基米德数Argl3ρ(ρ-ρ0)/μ2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Boul/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ⅠDⅠl/uτr反应掉的物质/加入的物质化学反应达姆克勒数ⅡDⅡ反应掉的物质/扩散的物质达姆克勒数ⅢDⅢRmQl/ρcpuT反应热/对流传热量达姆克勒数ⅣDⅣ反应热/传导的热量得拉格数CD(ρ-ρ0)l/ρu2重力/动能多相流动欧拉数EuΔp/ρu2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