化工放大技术方法的研究.pdf

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1、第 31 卷增刊( 1) 现代化工June 2011 2011 年 6 月 Modern Chemical Industry 专论与评述 化工放大技术方法的研究 任夫健， 凌永社， 王庆志 ( 防化研究院， 北京 102205) 摘要: 化学品的生产需从实验室规模放大到工业规模。介绍了 3 种常用的放大方法 逐级经验放大、 数学模拟放大和 “量纲分析” 放大， 以及 2 种特殊类型反应器 环流反应器和微型反应器的放大， 总结了它们各自的特点、 应用方法、 优劣势 及适用范围。 关键词: 化工放大; 逐级经验; 数学模拟; 量纲分析; 环流反应器; 微型反应器 中图分类号: TQ018文献标识码

2、: A 文章编号: 0253 4320( 2011) S1 0001 03 Research on Chemical amplification technology REN Fu- jian，LING Yong- she，WANG Qing- zhi ( Research Institute of Chemical Defense，Beijing 102205，China) Abstract:It is necessary for chemicals production that chemical process is amplified from laboratory synthesis

3、 to industrialization production Three methods were introduced， even as filtering experience amplification， mathematics analog amplifier and dimensional analysis amplification And then two special reactors were introduced，namely circulation flow reactor and micro- reactor However， their characterist

4、ic， applied method， advantage/disadvantage and proper application range were summed up Key words:Chemical amplification;filtering experience;mathematics analog;dimensional analysis;circulation flow reactor;micro- reactor 收稿日期: 2011 03 21 作者简介: 任夫健( 1965 ) ， 男， 博士， 高级工程师， 从事化学工程与工艺开发研究工作， ren_fj yaho

5、o com cn。 化工放大， 即化学品的生产从实验室规模放大 到工业规模， 是化学品采取规模化生产、 实现产业化 不可或缺的开发过程。随着经济全球化， 国际竞争 加剧， 许多化学品必须实现规模化生产才有利润空 间， 因而化工放大显得尤为重要。 化学转化伴随着质量、 热量和动量传递发生， 随 着规模的改变， 生产设备材质、 原料规格、 生产工艺 条件、 生产方式、 产品收率等都将发生改变， 尤其是 工艺条件与产品收率和实验室合成结果差别较大， 这归因于 “放大效应” 。 放大效应存在的根本原因， 除了设备和原料引 入的杂质可能导致副反应或副催化作用外， 主要在 于设备尺寸变化引起的介质的流动规

6、律、 机械效率 和传热速率发生变化， 而且这些变化并不协调相似。 以传热速率为例 1 ， 实验室 1 L 反应器换热面积是 0. 03 m2， 工业生产规模 1 000 L 反应器换热面积是 3 m2， 单位体积换热比表面积工业规模是实验室的 1/10， 在工业生产中势必由于传热不畅引起温度升 高或降低， 造成反应不能在最佳温度条件下进行， 产 率降低。 反应过程涉及决定放大效应的各种因素 几 何、 运动、 动力和传热， 是放大效应存在的关键过程， 同时反应过程决定配套的单元操作过程( 物理过 程) 。在化工过程的开发中， 只要反应过程的放大 问题解决了， 其他单元操作过程即可迎刃而解。因 此

7、， 化工放大重点研究反应过程( 反应器) 的放大 规律。 随着制造技术、 计算技术和测量技术的发展， 国 际上开发了多种化工放大的方法， 有的已实现成功 的应用， 有的处于研发阶段。笔者根据化工过程开 发实践经验并结合文献报道， 总结了 3 种常用的放 大方法 逐级经验放大、 数学模拟放大和“量纲 分析” 放大， 顺便总结了两种特殊类型反应器 环流反应器和微型反应器的放大方法。 1逐级经验放大 经验放大即从实验室到工业规模， 必须进行中 间试验， 根据试验发现的问题与解决的经验进行放 大， 如果最终生产规模很大， 有必要进行多级的中间 试验， 逐渐增大中间试验规模， 即逐级经验放大， 以 确保

8、生产技术的可靠性。 在长期的工程实践中， 人们总结得到依据相似 理论进行放大， 即要使试验数据能适用于实际操作 过程， 就应使大小两个系统具有相似的条件。这些 1 现代化工第 31 卷增刊( 1) 相似条件为几何相似、 运动相似、 动力相似和传热 相似 2 。 根据试验结果， 研究在相似条件中起主导决定 作用的条件， 设法在下一级中间试验中进行解决， 并 通过试验进行检验和修正。例如， 对于热效应明显 的反应过程， 根据反应热和放大倍数计算得到所需 的传热面积， 如传热面积不能满足反应器热平衡的 需要， 对于较大规模的试验装置反应器设计应考虑 强化传热， 或内置盘管增大传热面积， 或改变传热介

9、 质增大传热推动力， 或在传热面上设置折流板增大 传热系数。 经验逐级放大法是传统的化工技术放大方法， 迄今仍广为使用。它的优点是适用范围广， 几乎适 用于所有化工过程的开发， 特别适用于复杂的反应 过程; 缺点是实验工作量大， 缺少科学性， 耗资多， 开 发周期长， 一次放大倍数不能太大。 2数学模拟放大 对化工过程建立数学模型 数学表达式， 通 常是基于物料平衡或能量平衡建立的方程， 通过方 程的求解或数值计算， 以预测过程的结果， 这是除经 验放大法之外另一种有代表性的化工过程开发方 法。根据过程的机理( 反应、 传递) 建立的模型称为 机理模型， 根据过程各有关参数和变量归纳得到的 数

10、学表达式称为经验模型3 。不管哪一种模型单 独应用效果都有限， 因为反应过程是很难用数学表 达式来表达的， 诸如反应器的几何形状、 不断变化着 的物性性质、 多变的物理和化学的过程等都难以用 数学手段描述。 具有实际应用价值的做法是， 利用实验室里获 得的结果及前人积累的对过程物理化学规律的了 解， 建立一个描述过程的初级模型， 然后通过与各种 实验核对， 不断修改数学模型， 尽可能把对这一过程 的正确认识都反映到数学模型中去， 这样得到的数 学模型就成为工程放大设计的基础。如果数学模型 建立得好， 就可以大大减少实验工作量， 提高放大倍 数 4 。因此， 模拟放大必须与试验结合起来， 但这

11、种试验不同于经验放大法完整意义上的中试， 因试 验只是为了检验数学模型， 试验规模不必太大， 而且 只建立部分试验装置即可。 模拟放大法在石油化工领域应用较多， 因为该 领域所涉及的物质的理化性质数据较为完整， 国外 已有多家科研机构开发出流程模拟软件， 可以对包 含反应过程和各种单元操作过程在内的全流程进行 模拟研究。国内青岛科技大学也开发了类似的模拟 软件。这些模拟软件几乎都是针对连续生产过程开 发的， 不适用于间歇操作过程， 因为间歇操作过程系 统各点工艺参数均随时间而变， 过程更为复杂， 更难 以用数学表达式描述。 数学模拟放大法适合于人们对过程的认识相当 透彻、 参数的测定相当可靠的

12、场合。优点是对过程 规律了解透彻， 一次放大倍数可以很大， 而且放大结 果较为可靠， 一般用于大规模工业生产的石化等产 品的开发; 缺点是对物质的理化性质要求完整， 模拟 结果依赖于对过程建立的数学模型的准确性， 不适 用于间歇操作、 小批量、 多品种的精细化工等中小规 模生产的化学品的开发。 3“量纲分析” 放大 结合逐级经验放大法和数学模拟放大法， 充分 利用量纲分析理论， 并根据科学的方法论组织实验， 据此进行放大。该法是以“实验方法论” 为基础的 放大， 因为是用 “量纲分析” 理论解决化工放大的技 术问题， 故称为 “量纲分析” 放大法。 量纲分析不同于数学模拟， 数学模拟是用数学

13、模型 方程描述过程; 量纲分析是用一组无因次 准数( Re、 Nu、 Sc、 Arr 数等) 描述过程， 并勾画出该过 程在模型和其原型之间行为“相似” 的条件， 它是放 大方法的基础。量纲分析的基本原理是描述某种物 理或者化学现象的各变量之间的数学表达式必须是 量纲一致的， 即该数学表达式中的各项必定有相同 的量纲 5 。 量纲分析所需参数数量较少， 过程物理量之间 的物理关系可减少到少数几个互相独立的准数， 使 实验研究工作量减少。根据模型理论， 如果两者几 何相似且描述过程的所有无因次准数相同， 则两个 过程可认为是相似的， 故量纲分析法放大结果是可 靠的。 量纲分析非常适合于描述问题的

14、所有物理参数 均已知的过程。模型设备中的结果要能放大到工程 设备中去， 就要求这两个过程在几何、 物性和工艺操 作上完全相似， 在大多数情况下， 几何相似和工艺操 作相似一般是能达到的， 而物性相似一般不容易达 到， 因为化工过程涉及化学反应， 而反应的程度受多 种因素制约， 难免影响物性的相似性。 虽然将相似性理论应用于化学过程， 并且或多 或少地按几何、 流体力学、 热力学和化学动力学相似 性的方式放大这些过程基本上是可行的， 但由于 2 2011 年 6 月任夫健等: 化工放大技术方法的研究 这些方法在简化处理时存在缺陷， 对于设备体积增 大 2 3 倍是相当有用的， 很难放大到更大的程

15、度。 事实上， 对于石油化工等大规模生产工艺的开发， 以 及它们转变成工业规模的过程中， 量纲分析及基于 它的放大方法只起次要的作用， 因为经常需要在模 型装置上进行试验， 试验通常是按照量纲分析进行 评价。 量纲分析法科学、 可靠， 但一般适用于物理过 程 没有化学变化的 “三传” 过程， 对于兼有化学 过程和物理过程的组合过程， 例如反应精馏， 可以 将组合过程进行分解， 将量纲分析法用于其中的物 理过程。对于可靠地放大生产装置所必须的试验进 行评价， 量纲分析法的应用不可缺少。 4环流反应器放大 环流反应器由反应釜、 循环泵、 换热器、 喷射器 等组成， 后 3 者组成外循环回路。一般将

16、反应物料 由反应釜底部引出， 经过循环泵、 换热器和喷射器， 由反应釜顶部返回反应器; 有时喷射器位于反应釜 底部， 物料由中部引出， 在底部经喷射器返回反应釜。 环流反应器实际上是一套反应装置， 该装置将 化学反应中所存在的几种过程特征和现象从传统反 应器单元设备中单独分解出来， 逐个加以优化处理。 例如， 物料的混合及反应由喷射器来完成， 物料贮存 由反应釜完成， 功率的输入和动量传递由循环泵完 成， 反应热的移去由换热器完成6 。 环流反应器的功能分解使得各个部分功能充分 发挥的同时， 大大降低了相互之间的条件限制， 使得 其工程放大变得更为简便。其放大规则为 7 : 循 环液体单位体积

17、( m3) 输入功率保持不变; 循环液 体循环时间( 或 1 h 之内循环次数) 保持不变; 其 他按反应液体积进行几何放大 ( 反应釜及换热 器等) 。 在工程放大时， 依据单位体积输入功率不变， 按 反应液体积可计算选择合适功率的循环泵; 依据循 环次数不变， 按反应体积和循环时间可计算管道规 格与喷射器的喷嘴尺寸; 依据几何放大规则， 按反应 液体积可计算出反应釜体积和换热器面积。 环流反应器集中了喷射、 鼓泡和循环流动等特 点， 利用喷射流动来传递流体间的能量及质量。在 喷嘴区域能量集中， 因剪切作用对吸收的气泡或液 滴进行有效分散及喷射产生的剧烈湍动作用， 强化 了传质， 使得环流反

18、应器的宏观化学反应速率优于 搅拌釜反应器。 环流反应器特别适用于快速、 高反应热的气 液反应或液液反应， 比较适用于低反应热、 高压的 快速反应， 操作方式可以连续， 也可以间歇。环流反 应器在中小规模的化工与生物化工领域都有应用。 环流反应器不适用于低压的慢速反应， 也不适用于 有较大固体颗粒存在的反应。 5微型反应器放大 微反应器一般是指通过微加工和精密加工技术 制造的小型反应系统， 微反应器内流体的微通道尺 寸在亚微米到亚毫米级8 。微反应器的单元由元 件、 流体管线及支撑体等共同组成。 理论和实验表明， 在微尺度条件下， 可以保证流 体流动的均匀性和理想性， 反应的转化率、 选择性均

19、有明显提高， 传热和传质性能与传统设备相比也得 到很大强化， 而且操作条件易于控制， 安全。 微反应器生产规模的扩大是通过“数目放大” 的方法， 即增加微发应器单元的数目来达到， 而传统 的反应器则需要通过逐级放大反应器来实现。微反 应器功能结构单元可以简单地并列组合， 故数目放 大是简单低成本的复制， 不存在所谓“放大效应” 问 题， 而传统逐级放大， 装置复杂和费用增加， 即便同 时配合采用数学模拟或量纲分析放大， 也或多或少 地存在放大效应， 一次放大倍数注定不能太大。 微反应器的数目放大特性决定了其在应用中的 潜在优势为: 研究成果可快速转化为生产力; 可降低 成本， 实现产业化和规模

20、化; 生产能力放大容易; 过 程开发耗费低; 对市场的应变能力强， 可以灵活地改 变操作条件和控制生产能力; 适合建立迷你工厂进 行密闭生产， 可以实现生产过程的几乎零排放。 微反应器流体通道孔径微细， 一般适用于反应 体系中无固体物料存在的液液、 气气、 气液等多 相体系的反应， 以连续操作方式为主。连续式微型 反应器取代广为使用的搅拌式间歇反应过程， 可大 幅度提高单位时间和单位体积反应器的生产能力。 微反应器是现代化学工程发展的重要方向之 一， 虽然目前由于其生产成本较高， 尚未获得广泛应 用， 但是由于不存在放大效应和使用灵活的独特优 势， 使得它发展前景看好。 参考文献 1弗郎西斯

21、施特塞尔 陈网桦， 彭金华， 陈利平， 译 化工工艺的热 安全: 风险评估与工艺设计 M 北京: 科学出版社， 2009: 38 ( 下转第 5 页) 3 2011 年 6 月翁艺斌等: 炼化企业用水资源概念的拓展研究 废水一般都作为用水资源进行处理， 但是在环保法 规要求日益严格、 水资源利用日趋科学、 污水回用不 断发展的今天， 只是回用清净废水已不能满足要求， 开发、 拓展新的用水资源是大势所趋。 ( 2) 炼化企业用水 炼化企业用水系统主要包括循环冷却系统补充 水、 软化水和除盐水、 工艺用水、 生活用水、 基建和消 防等其他用水 5 。其大体的分布比例为循环冷却 系统补充水大约为 3

22、5%， 软化水和除盐水大约为 50%， 工艺用水大约占 10%， 生活及其他用水大约 为 5%6 。 炼厂各工艺单元用水对供水水质的要求不同， 且各工艺单元的排出水水质也各不相同， 当某 1 个 工艺单元的排出水的水质符合另外 1 个工艺单元的 供水水质时， 即可以串级使用。即工艺用水必须打 破所有的用水都必须用新鲜水的传统观念， 将某 1 工序的排水水质和另外 1 工序的供水水质要求结合 起来， 经过比较和选择， 使用经过简单处理或者不加 处理就可以提供给另外 1 工序的水， 以此建立循环 回用水的系统， 并且适当逐步扩大采用中水代替新 鲜水作为工艺用水的规模7 。例如加氢脱硫净化 水回用于

23、加氢精制， 作为反应器后空冷器前的注水。 由此， 可以把所有工艺单元的给水及排出水均可以 看作是用水资源， 包括给水处理站和污水处理站的 排出水。 1. 2用水资源分析 我国炼化企业用水资源的管理在实践需求和可 持续发展理论的指导下， 得以不断深入和丰富。从 我国用水资源管理的发展历程来看， 前期的用水资 源管理以新鲜水为中心， 后期的用水资源管理则以 水资源的最大化利用和废水的最小化为目标， 即将 用水资源管理转为用水资源、 生态、 环境、 社会和经 济等多属性功能的多目标管理问题。 纵观以前炼化企业水系统， 配置用水资源基本 上都是可控的新鲜水， 不包括半可控的装置排出水。 配置用水资源不

24、全面， 无法实现用水紧张情况下高 效用水目标; 配置对象只包括工业和人工用水， 不包 括生态环境用水， 配置对象不全面， 无法保证生态环 境的用水资源需求; 在用水资源涵义的理解上， 割裂 了用水资源配置和水循环相互之间的效应， 不能反 映出用水资源配置过程中过程流股、 水循环和用水 连续性过程。由于炼化企业传统用水资源合理配置 存在一系列缺陷， 使其在理念和方法上无法解决企 业的水资源高效利用问题， 如分析企业节水潜力需 要充分考虑企业用水和排出水的水循环转化过程、 用水资源的开发利用对区域水资源和水循环以及生 态环境的影响等 8 。这些问题的解决需要面向炼 化企业用水资源概念的理解， 进行

25、炼化企业用水资 源概念的拓展， 促进用水资源利用效率和效益的最 大化， 维持经济生态环境的可持续发展， 在有限用水 资源的条件下， 达到经济效益和社会效益的双赢。 1. 3用水资源概念拓展 这里把炼化企业用水资源的概念拓展为传统意 义上的用水资源与企业所有工艺单元的出水的总 和。它是从资源角度分析可能被消耗、 利用的水资 源， 包括所有工艺单元的给水及排出水， 同时也包括 给水处理站和污水处理站的排出水。 由炼化企业用水资源的概念可以看出， 炼厂用 水资源包括以下几个特性: ( 1) 资源特性。炼化企业用水资源是一种自然 资源， 它在各工艺单元之间相互转化， 供水既能转化 为排水， 排水也能转

26、化为供水。因此， 在炼化企业用 水资源的利用及水源配置上， 在水量和水质、 供水和 排水相互关系上是 1 个不可分割的整体， 应进行统 一的规划和管理。 ( 2) 单元特性。炼厂用水资源通常以工艺单元 为单元， 因为每 1 个工艺单元都是由供水、 用水过程 及排水形成的 1 个整体， 在水回用过程中， 每 1 个工 艺单元都涉及上下游工艺单元的用水效用， 只有按 照工艺单元进行统一规划和管理， 櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆 才能使整个炼厂 ( 上接第 3 页) 2中国石化集团上海工程有限公司 化工工艺设计手册( 上册) M 4

27、版 北京: 化学工业出版社， 2009: 429 3比索 A， 卡贝尔 R L 邓彤， 毛卓雄， 方兆珩， 等， 译 化工过程放 大: 从实验室试验到成功的工业规模设计M 北京: 化学工业 出版社， 1992: 25 35 4高中文， 闫庆贺， 庄芹仙， 等 计算机辅助工业放大试验系统 J 计算机与应用化学， 2009， 26( 9) : 1137 1140 5马克 兹洛卡尼克 王涛， 朴香兰， 赵毅红， 译 化学工程放大技术 M2 版 北京: 化学工业出版社， 2007: 3 6张卫民 环路反应器工程研究J 日用化学工业， 1999， ( 6) : 5 8 7Van Dierendonck， Leuterittz Scale- up of G- L- Reactions Made Sim- ple with Loop ReactionsC 6thEuropean Conference on Mixing Pavia Italy， 1988: 24 26 8埃尔费尔德 W， 黑塞尔 V， 勒韦 H 骆广生， 王玉军， 吕阳成， 译 微反应器: 现代化学中的新技术M 北京: 化学工业出版社， 2004: 1 5