【正文】 量衡算 穩(wěn)定條件下： 輸入能量 =輸出能量 當反應體系內有熱效應時： 輸入能量 +反應放出能量 =輸出能量 +系統(tǒng)中累積能量 化工系統(tǒng)的能量衡算主要有 機械能衡算 和 熱量衡算 。 三者關系： Y= XAФ 產率： γ=反應得到某產物的量 /按理論計算全部反應完全得某產物的量 第五章 技術經濟資料 專門資料 4. 化學反應速率： rA ,是反應器放大的重要依據之一。 收率 : Y=(a/p)(nP/nA0) 表明反應物中關鍵組分 A轉化為目的產物 P的相 對生成量。 第五章 技術經濟資料 專門資料 2. 化學平衡數據： Kc 、 Kp ，是研究化學反應過程，確定 工藝方法和進行技術評價的重要數據。 一、專門資料 ： 粘度、擴散系數、導熱系數、蒸汽壓、汽 化潛熱、沸點、凝固點，以及氣、液平衡 數據等等。 第五章 技術經濟資料 專門資料 第五章 技術經濟資料 以建立化工生產裝置為目標所需的技術經濟資料可分成： 專門資料：與設計和建立生產裝置直接有關的資料，如 設計所需的數據和判據。 ★ 各因素水平對號入座：按照先前排好的因素水平中所確定的關系 ， 將其對號列入表內 。 正交表是已經規(guī)格化了的表 格 ， 它是正交設計的基本工具 。 因為它是根據試驗目的和數 、 據來選擇試驗點 ， 能使所選擇的點在試驗范圍內分布均勻 ， 具有典型性和代表性 。 顯然 ， 這樣的各種量 是無法接受的 。 這種設計對因素與水平之間的關系剖析得比較清楚 ， 但試驗次數多 。 例如：某化工產品生產轉化率受反應溫度 (A)， 反應 時間 (B)和物料配比 (C)三個因素的影響 ， 而規(guī)定各因素的 試驗范圍為： A:353~363K, B:90~150min, C:5%~7% 試驗的目的是為了解 A、 B、 C三個因素對轉化率的 影響 ， 并確定最適宜的生產條件 。 黃金分割法是一種 消去法 ， 每找到一個新的對稱點 ， 試驗范圍即縮小 %。 式中 λ為比例系數 ， 即整 個線段與分割后長的一段的長度之比 ， 等于長的一段與短 的一段的長度之比 。 設有一線段為 L， 將它分割為兩部分 ， 長的一段為 x， 短的一段為 Lx。 顯然，應用此法時必須先有一個標準或具體指標，且能從一個試驗的結果直接分析出該因素的值是取大了還是取小了，從而決定下次試驗的方向。 在使用此法 進行因素水平變動的定量試驗時要注意三個問題： ● 試驗范圍 ● 試驗間距 ● 試驗順序 第四章 試驗 試驗方案設計 ▲ 平分法 總是在試驗范圍的中點安排試驗 。 將試驗結果以因素為橫坐標 ， 指標為縱坐 標 ， 制成圖 （ 或表格 ） ， 從變化趨勢確定因素的最優(yōu)水平 。 如溫度水平： 55℃ 、 75 ℃ 、 95 ℃ 判據 （ 指標 ） ：是一種表征試驗研究對象的指標 ， 它表 示該試驗研究對象整體技術水平的高低 。 設計時 ， 應力求用少數試驗取得具有代表性的試驗結果 。 但對于過程的 模擬則比較接近實際生產情況 ， 故能反映出小試中許多不易觀察到 的現象 ， 有利于考察工程因素對于過程的影響 。 目前 ， 即使采用數學模擬法進行開發(fā)放大 ， 也仍然要用中試來驗證 數學模型 ， 所以 ， 中試是化工過程開發(fā)步驟中不可缺少的環(huán)節(jié) 。 即數學模型與實際過程的變化規(guī)律等效 ， 或達到數學形式的相似 。 ● 物理模型試驗：以模型和原型之間物理量相似為基礎建立模型實體所進行的試驗 。 模型試驗所采用的模型有 “ 物理模型 ’ 和 “ 數學模型 ” 兩種形式 。 由模型試驗取得的試驗數據 ， 通過一定的轉換 方法 ， 即可轉變?yōu)榉从逞芯繉ο竽承┍举|特征的數據 。 前者是圍繞建立數學模型而進行系統(tǒng)地定量 測試 ， 包括：動力學試驗 、 傳遞過程試驗 、 中試驗證試 驗；后者則是為放大設計提供定量的技術參數 ， 包括：尋 找克服放大效應的條件 、 測定反應熱 、 優(yōu)化工藝條件和防 腐試驗 。 在化工過程開發(fā)中 ， 預試驗為概念設計服務 ， 而系統(tǒng) 試驗則為基礎設計服務 。 這些結論一般是對技術方案提出的某些設想 ， 如果設想一旦經試驗驗證 ， 即可形成技術決策 。 在設計這種試驗時 ， ① 應充分注意許多工程因素的 等效性 ， 并不一定要對各種因素逐個進行試驗； ② 應分 清可調因素和不可調因素 ， 對于不可調因素不必作專門 考察； ③ 應分清敏感因素和非敏感因素 ， 對于非敏感因 素不必著重考察 。 第四章 試驗 預試驗和系統(tǒng)試驗 2） 析因試驗 它是一種分析過程結果產生原因的試驗 。 最常采用的方法是對比方法 ， 如不同路線和方法 的對比 、 或不同條件的對比 。 試驗內容一般是根據前面試驗取 得的結果或發(fā)現的問題提出的 。 1. 預試驗 其任務是定性地或半定量地認識開發(fā)對象 ， 以便 在開發(fā)初期 ， 對研究方案或技術開發(fā)方案提出一些初步 設想 。 列舉試驗研究所依據的有關文獻和調查 收集的有關資料 。 包括在試驗數據處理的基礎 上 ， 分析試驗結果精度及誤差范圍 ， 提出考察結論 ， 討 論結論適用的范圍和存在的問題 ， 提出發(fā)展建議 。 即按合理的處理方法將測定的試驗 數據整理成具有一定規(guī)律的簡明圖表 、 坐標曲線或者數 學模型 。 包括試驗內容 、 試驗方法 、 試驗條件 、 試驗裝置和測試數據等的說明 。 3） 試驗準備 第四章 試驗 試驗工作程序 2. 進行試驗 在試驗準備工作一切就緒后 ， 就可開展試 驗考察 。 雖 然在一定條件下由化工過程開發(fā)試驗所取得的數據和資 料也會成為人們認識自然的寶貴信息 ， 但兩者的目的要 求不同 。 嚴格地說化工過程開發(fā) 的試驗研究與通?；瘜W實驗室所進行的科學實驗是有差 別的 。 若過分追求高轉化率指標 ， 從經濟效益方面考慮 ， 并不一定恰當 。 從兩種開發(fā)方法都看到 ， 分解轉化率只降低 1%， 而所需反應器體積卻減少 30%。 第三章 開發(fā)放大方法 數學模擬放大法 (3)數學模型 按活塞流反應器特征 ， 對于不可逆一級反應 ， 表示反應器有效容積與物料流量和反應轉化率關系的數學模型為： 式中 ， VR為反應器的有效容積 m3 ； Fo為反應物料流量 ，； k為化學反應速率常數 s1； xA為化學反應轉化率 ，%。 由于物料的粘度較小 ， 通過反應器的物料流量較大 ()， 反應器內流動物料應基本上處于活塞流狀態(tài) ， 所產生的阻力損失與總壓強相比 ， 也可以忽略不計 ， 而且由于反應器等溫 ， 器內應無溫度梯度 ， 故在反應過程中基本上不存在物料的流動與混合 ， 以及傳熱和傳質等傳遞過程對于化學反應結果的影響 。 當硫酸濃度為6N， 在 359K等溫條件下每小時分解濃度為 的過氧化氫異丙苯溶液 3m3， 要求轉化率達到 %，計算所需的反應器體積 。 當數學模型經中試證明與實際過程等效后 ， 就能用于預測工業(yè)反應器性能和進行反應器設計 。這是數學模擬法的一個不可缺少的環(huán)節(jié) 。 第三章 開發(fā)放大方法 數學模擬放大法 4） 中試檢驗數學模型的等效性 按上述步驟取得的數學模型是否能夠模擬實際生產過程 ， 還有待于通過實踐檢驗 。 數學模型求解一般采用電子計算機 。 由于數學模型所描述的對象是某種型式反應器內進行某一化學反應的動態(tài)規(guī)律 ， 只要反應器的型式結構和化學反應相同 ， 由數學模型表示的過程動態(tài)規(guī)律應不受設備幾何尺寸的限制 。 第三章 開發(fā)放大方法 數學模擬放大法 3） 綜合兩種特征 ， 建立數學模型 ， 預測工業(yè)反應器性能 當化學反應特征和傳遞過程特征以及描述兩種特征規(guī)律的函數關系式確定之后 ， 即可用數學方法將兩種規(guī)律予以綜合 ， 形成數學模型 。因此 ， 傳遞過程的規(guī)律對于化學反應過程的影響具有共性 。 這種試驗應有一定規(guī)模 ， 而且試驗裝置也應與生產裝置相似 。 因 此應盡可能排除外界因素對于過程內在規(guī)律的干擾 ， 試驗裝置并不一定要求與生產裝置相似 ， 但對于試驗 測定的精度要求較高 。 由于研究目的是掌握過程運行的內在規(guī)律 ， 其研 究內容和研究手段都與逐級經驗放大法的實驗室研究 有很大差別 。 第三章 開發(fā)放大方法 數學模擬放大法 研究方法 根據建立數學模型的思想方法 ， 以化學反應過程開發(fā)為例 ， 數學模擬法可以按以下研究步驟進行 。 例如 ， 反應器的熱交換措施 ， 限制了模型的溫度范 圍；物料預混合狀態(tài)的好壞 ， 決定了模擬對象是均相體 系還是非均相體系；物料的循環(huán)和分離決定了流動模型 的型式和限制了模型的濃度范圍等等 。 例如 ， 管式反應器內物料的返混可以用擴散模型描述 ， 但擴散 模型絕不能描述物料通過反應管的滯流或者湍流流動狀 態(tài) 。 因此 ， 作為工程放大設計的數學模型 ， 并不一定要 求真實地反映過程運行的機理；只要能夠達到與實際過 程等效 。 第三章 開發(fā)放大方法 數學模擬放大法 2） 數學摸型的簡化 如果化工過程運行的動態(tài)規(guī)律十分復雜 ， 則必須 尋求描述這種規(guī)律的簡化方法 ， 以使建立的數學模型容 易運算求解 。 該模型反映了反應器內物料進行 化學反應的動態(tài)規(guī)律 。 第三章 開發(fā)放大方法 數學模擬放大法 1） 建立數學模型的思想方法 建立數學模型首先應掌握化工過程運行的動態(tài)規(guī)律 ， 然后才能找到描述這種動態(tài)規(guī)律的數學方法 。 由于化工 過程一般都比較復 雜 ， 要找到真實描述過程動態(tài)規(guī)律的數學模型往往十分 困難 ， 即使是能夠找到 ， 也常因模型過于復雜 ， 而無法 實際應用 。 第三章 開發(fā)放大方法