工业反应过程的开发方法（陈敏恒 等编着）

了「 油 化 」 年第 卷 工业反应过程的开发 开发的方法论问 陈敏 巨 袁渭康 华东 理 工大 学 , 上 海 摘要 工业反应过程的开发方法是一组 叙述利用 反应 过程开 发方法来解决实际问题的若干实例的 系列 。 本文是这组文章的首篇 。 仁要阐明工业反应过 程开发 方法的重要性 、 主要内容和基本 原则 , 以及如何从实际出发 , 有效地应 用工业反应过程开发的方法 。 关健词 工 业反应过程 开 发 方法 论 引言 年 , 我们 曾写了 “ 」刊卫反应过程的开 发方法 ” 一书 〔” , 专门论述工业反应 器开发工 作中的一些方法问题 。 将工业反应器开发的方 法作比较系统的讨论 , 是出于以下原因 工业 反应过程的复杂性常使 传统的方法归于无效 , 这是研究方法的必要性 对反应理论的掌 握提供了讨论开发方法的基础 , 这是解决问题 的可能性 。 我们 曾多次 向工业界人士讲解 工业反应过 程的开发方法 , 并辅以多个实例 , 试图使我国 的反应器开发工作水平提高一步 。 但据反映 , 在解决实际问题时仍困难垂重 , 不 知在实际问 题前应该如何起步 。 然而我们在工作中部深受 开发方法之益 , 恳 切希望能与国内同 行共 华。 这就是 “ 工业反应过程的开发方法 ” 一 拍出版 以后旧事重提的原因 。 要重视反应过程的开发方法 在有些场合 , 方法的问题比较明确 。 或者 说 , 有一些现成的方法可以被沿用 。 因而人们 也就在不知不觉中应 用 了前 人 提供 的成熟方 法 , 似乎也就不存在专门的方法论问题 。 但对 于开发一个工业反应器 , 就缺乏这种现成的 、 成熟的方法 。 缺乏现成的方法 , 并不意味着对反应工程 的研究尚不充分 , 或是理论尚不成熟 。 事实上 , 反应工程已发展了比较完整的理论体系 , 也已 有大量的专著和文献 , 详尽地叙述了各种重要 原理 。 但是这些原理和理论在用于实际过程开 发时 , 却显得缺乏活力 。 这绝不是影射反应工 程的理论体系不够完整 。 我们认为 , 其中一个 重要原因是实际问题过于复杂 。 一个工业反应过程体现 了传热 、 传质和反 应的结合 , 远较只进行传热过程的换热设备和 进行传热 、 传质过程的分离设备为复杂 , 更何 况三者不是简单的加和 , 而是融合 。 反应速率 与温度的 关系 , 用学术语言来 说 , 反映了过程的强非线性性质 , 使反应器表现出 一些 卜寻常的、 难以捉摸的行为 。 由于绝大多 数反应过程都不仅产生单一的 目的产物 , 而 同 本 稿 二 一 一 收 到 。 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line 第 期 陈敏恒等 工业反应过程的开发方法 工 开发的方法论问题 时产生一些副产品 。 在开发分离设备时 , 人们 可以假设较大的 “ 安全系数 ” , 增大设备体积 , 充其量多用些材料 , 多些能耗 , 似乎总可达到 目的 。 但在开发反应器时 , 这样做不一定有效 , 有时可能适得其反 。 开发的含义比放大远为广泛 。 开发包括吏〔 应器型式的确定 、 操作条件的确定 , 也包括瓜 大 。 通过一个或几个中试层次 , 进行逐级放大 , 这在今天已被认为是一种无可奈何的方法 , 因 为它耗资费时 , 而且结果不可靠 。 于是 , 有人 求助于文献所载的数学模型方法 。 但是实际上 , 单纯用数学模型方法能奏效的 , 即使在工 业发 达国家也为数极少 。 其原因大致如下 。 模型研究是以单因素为些础的 , 也 即在研究物理 因素 如扩散和传热 时 , 常假 定十分简单的化学反应 , 如 叶 这样的单组 份不可逆反应 。 实际的反应远较复杂 , 模型描 述极为困难 。 在建立模型时 , 必须对过程作简化 。 由于实际过程过于复杂 , 所作的简化假定 可能 存在相当程度与实际过程的偏离 , 从而造成模 型不足以确切反映实际 。 即便模型 可靠 , 但模型涉及到的参 变量难以准确实验测定 。 以 固体催化 作用下 的气相催化反应为例 , 如用微分 反应器或循环 式反应器进行测定 , 催化剂的代表性 亦有问题 。 所测得的动力学关系在放大时可能 针致较大误 差 。 我们并非认为上述两种放大方法是不 足取 的 。 我们只是试图说明 , 任何方法的应用都应 该在方法论的指导下视过程的特殊性 , 定 , 而 不能不加选择地沿用现成的方法 汇确的 呀发 方法 , 首先应揭示过程的特殊性 , 井利用这种 特殊性 。 在这个墓础上进行反应器选型和确定 优选的操作条件 。 然后根据选定的反 应器型式 进行放大 。 本文所说的方法 , 其核心就是利用 过程的特殊性 , 而不是泛泛地沿用现成方法 。 为了利用 , 必须先弄清究竟有哪些特殊性 。 工业反应过程开发的主要原则 工业反应器的开发与反应工程的基础研究 有一个基本的不同点 。 后者作为学科内容 , 总 是从一个具体 问题开始认识 , 逐步推广到一般 , 希望得到有普遍意义的规律 , 是一个从特殊到 一般的过程 。 前者则完全不同 。 在开发一个工 业反应过程时 , 我们应该从所掌握的反应工程 的一般原理中 , 针对本问题进行分析判别 , 找 出其特殊性 , 是一个从一般到特殊的过程 。 这 个过程 , 犹如医生根据他的医学知识和病人的 症状 , 并结合必要的检验手段 , 以诊断病情 , 对 症下药 。 开发工作者首先要明确的一个思想 , 即在做开发 , 不是在做研究 。 工业反 应过程 开发应 在反应工程 理 论的 指导下 , 在正确的试验方法论指导下进行 组织简单的预试验以充分揭示不反 应过程的特殊性 。 副产物是通过平行反应或串 联反应生成 , 可以通过改变某一种反应物进人 反应器的浓度的简单试验来弄清 。 该试验虽不 能定量得到动力学模型 , 但对反 应器选型却是 十分有用 的 。 改变温度 , 观察活化能的相对大 小 , 有助于选择操作条件 。 充分利用过程的特殊性以大幅度地 简化试验 。 过程的特殊性 可来 自反 应和过程 白 身 , 也 可来 自进行反应器开发的工程 目的 。 例 如 , 二程 卜对某 一过程已有 了一些约束 , 如进 料配比 、操作温度等 。 测定动力学当然就不必在 全程范围内进 行 , 而 只需有针对性地测定所需 范围的动力学 。 同样 , 莫型建立和优化也只需 在有限的范围内迸行 。 正因为范围有限 , 近似 的线性 化就有 可能 , 从而使问题大为简化 , 可 党性大为提高 。 分析特殊问题的各类参变量的敏感 性 。 反应 认程门题 的特点之一就是影响因素众 多 。 如要全部考虑 , 则既不可能又不必要 。 敏 感性分析的手段 多样 , 但其实质不外是分清主 次 , 个别对待 。 对不重要的 , 或是在一定范围 内可退居次要地位的可不予考虑 。 另一种处理 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 年第 卷 方法是 , 设计操作点应在参数的不敏感区 , 从 而可以容许一定范围内的设计偏差 。 开发方法的手段多样 , 灵活多变 , 可能也 因为如此 , 使人们觉得不易掌握 。 但归结起来 , 方法论的核心就是以反应工程理论为基础 , 来 判别什么时候做什么或怎样做 , 及不该做什么 。 这里所谓该做什么 , 是指为了满足开发所需的 最低限度的工作 。 怎样做是指最省钱 、 最省时 间的做法 。 不该做什么是指可做可不做 的一律 不做 。 紧紧抓住过程的特殊性 。 没有充分利用 过程特殊性的开发工作必然不是好的开发 。 从实际出发 , 主动运用工业反 应 过 程开发方法 实际问题千变万化 , 扑朔迷离 。 要面对这 些问题 , 获得一个普遍适用的工作方法 , 实际 上是不可能的 。 我们庆幸反应工程的理论已去 我们运用方法论提供了一个坚头的基础 。 不少 开发工作者正在下意识地 运 用方 法 论解决问 题 。 如能在解决问题的过程中主动注意方法论 的运用 , 势必有事半功倍之效 。 在 “ 工业反应过 程的 开发 方 法 ” 问世以 来 , 我们多次鼓励华东理工大学联合化学反应 工程研究所和技术化学物理研究所的研究人员 自觉地在解决实际问题过程中运用这些方法 , 效果十分明显 。 本系列文章莞集了他们运用该 方法解决问题的一些实例 , 相信读者能从中得 到一些启发 。 不同作者的文体风格各异 , 我们 没有强求一律 , 还请读者见谅 。 参 考 文 献 陈敏 巨 , 袁渭康 工业反应过程的开发方法 北京 化学 工 业出版社 , 平 , , · , · , , © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 年 化 学 工 程 第 期 一 一一 一 , 一 , , , 、二 , , 气 , 洲 一 , , , 一份 二丫 , , , , 份二一 产 , , , 弋尸 , , , 二 , , 叶思 ”一 , 一一州 了 一一二 ‘ , 一 , 一 , , , , , , , 呼 , , 叶 尸尸一 , , 一工业反应过程的开发方法 一 陈 敏 恒 袁 渭 康 联合化学反应工程研究所 华东化工学院 编者按 。 如何正确有效地进行工业反应过程过程的开发 , 是化工界所 十分关心的问题 。 近年来国内通过不断的实践 , · 逐渐形成了一套能较好地 反映客观规律的体系和方法 参阅《 化工技术开发讲座 》, 昊金城等编 , 中国化工学会教育委员会 年版 。 在实 际开发工作中 , 如何用理论 指导实践 , 辩证地而不是形而上学地来分析过程中的现象与本质 , 对这些 重要向题却往往存在不同的看法 。 本文结合实践中的体会 , 对此作了十分 有益的论述 , 拟以成书 , 现特先将主要内容在本刊分期连载 , 以供读者在 工作中作为参考 。 月 右 琳 掌握工业反应过程的开发技术 , 是独立 自主地建设我国的化学工业所必不可少的 。 建国以来 , 工业界在这方面进行了大量的实 践 , 积累了丰富的经验 , 与教训 , 这方面值得 进行系统的 。 在多年的实践中 , 我们深深体会到 , 有 效地进行工业反应过程开发工作的关键 一 是反应工程理论的指导 二是正确的方法论 的指导 。 本文将讨论这两条基本原则 , 并结合已 实践的开发工作 , 进行了实例分析 , 以阐述 这些原则的应用 。 得了某种新的产品 , 或是利用了某种新的催 化剂 , 或甚至是实现了某一新的化学反应 , 并对这种新的发现作了有利的技术经济评价 后 , 开发工作就进入到以建厂为 目的的工程 阶段 。 两种开发方法 第一章 过程开发方法简论 在化工领域中 , 过程开发工作总是从化 学实验室开始的 。 当在化学实验室里有 了新 的发现 包括采用了某种新的原料 , 或是获 通常有两种过程开发方法 。 在过程开发阶段中 , 通常首先进行小型 的工艺试验 , 以选择反应器的型式 , 决定优 选的工艺条件并确定可望达到的各项技术经 济指标 。 继小试之后 , 再进行规模稍大些的 模型试验 模试 和规模再大一些的中间工 厂试验 中试 , 然后才能放大到工业规模 的大型生产装置 。 在没有把握的时候 , 还需 要经过多级的中间试验 , 每级只放大很低的 倍数 。 这就是所谓的逐级经验放大 。 这一名词 一方面反映了设备 由小型经中型再到大型的 逐级放大的过程 , 另一方面亦奉明了开攀试 火 一 一 Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line 戒 粗的经验性质 , 因为开发是依靠实验探索逐 步来实现的 。 这种逐级经验放大方法是相当费时费钱 的 一 。 在每一级试验中 , 虽然我们要着重考察 的只是反应过程 , 但是却必须建立整套的原 料预处理和产品后处理装置 。 这种逐级经验 放大方法不仅开发周期很长和耗 资甚巨补而 且还不十分可靠 。 在逐级放大时 , 经常发现 某些技术经济 指标下 降了 , 达不到 小试水 平 。 即通常所谓 “放大效应 ”。 这种 “ 放 大效 应 ”并不是某种含义明确的物理或化学现象 。 它只是表达了放大过程中反应结果与小试指 标之间会出现某种未曾预期到的差异 , 或虽 可预期 , 但却无从控制的差异 。 尽管逐级放大如此费时耗资而且并不可 靠 , 但是长期以来人们 都是 这样 进行 工作 的 。 在这一领域工作时间较长的人们都已习 以为常 , 视作理所当然了 可是 , 有人却不 禁要问 为什么对实验 、 对经验的依赖竟然到 了如此地步 为什么不能建立设计计算方法 以便直接进行大厂的设计 其实 , 掌握对象的规律 , 对之作出数学 描述 , 建立方程 , 然后通过方程的求解或数 值计算进行大厂的设计计算 , 这木是人们的 普遍期望 。 问题是 , 这种以数学解析为基础 的方法至今未获成效 。 这首先是因为反应器内进行的过程是比 较复杂的 既有化学反应过程 , 又有流动 、 传热和传质等传递过程 , 也就是说 , 既有化 学的又有物理的过程 。 但是 , 真正妨碍数学 解析方法成功的原因主要还不在于过程本身 的复杂性 , 而在于过程所处的几何边界的复 杂性 。 任何微分方程都必须有确定的边界条 件才能求解 。 而反应器所构成的几何形状往 往难以用数学手段作出描述 。 例如 , 固定床 气固催化反应器在反应工程中是最为常用的 反应器 。 流体在其中的流动通道是由乱堆的 不规则形状催化剂颗粒组成的具有网状结构 “ 陈攀恒 、 袁渭康 , 化学工程 , 〔‘〕 , 的复杂通道 , 因此其流动边界难以用方程描 、 述 。 妨碍数学解析描述的另一个障碍是物系 的性质 。 如果说航海中涉及到的只是水 , 航 空中涉及到的只是空气 , 那么在化工中涉及 到的是千变万化的物系 , 各有其物性 。 尤其 是 , 在化学反应过程中物性还会发生变化 。 没有可靠的物性数据 , 即使有了方程也无能 为力 。 这就是为什么反应器的设计未能采用数 学解析方法进行 , 而只 能依 赖于实 验的原 因 。 即使在实验研究方面 , 反应器的放大也 和航空和航海等领域不同 。 飞机和船舶都可 以根据相似方法的原则 , 按相似条件进行模 型试验 。 然而 , 对于反应器来说连这样的模 型试验也是行不通的 。 因为反应器内发生的 过程既有化学的又有物理的 。 已经证明 , 不 同尺寸装置之间不可能既满足物理相似又满 足化学相似条件气 因此按相 似原理 进行模 型试验同样也是不能成功的 。 因此反应器的放大长期以来只能小心谨 慎地 , 一步一步地进行逐级经验放大 。 但是人们毕竞不甘心于纯经验的方法 。 因此 , 随着反应工程理论研究的进展 , 随着 人们对反应器内发生过程的理解逐步深化 , 许多开发工作者都在探索新的开发方法 。 近 二十年来逐步形成的数学模型方法就是这种 探索的成果 。 众所周知 , 真正的和根本的解决问题还 是要掌握对象的规律 , 并建立方程描述这种 规律 。 既然如实地描述对象已属不可能 , 那 么是否可以将复杂的对象作出某些简化使之 易于进行数学描述 这是数学模型方法的出 发点 。 如何在作出简化的同时又保持其有效 性 这是数学模型方法要解决的问题 。 、 以流体通过乱堆的催化剂颗粒层为例 。 流体在绕过各催化剂颗粒时不断地发生分流 和汇合 。 这种分流和汇合是随机的 , 其结果 了砚戈 味 一加一 Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line 、下了 是造成一定程度的轴向混合 或称返牙昆 》, 它将影响反应结果 。 因此 , 在建立反应器设 计计算方法时首先必须对这一轴 向混和现象 作出恰当的数学描述 。 对这种在复杂的几何 边界中进行的随机过程作出如实的描绘是极 为困难的 。 研究数学模型方法就是考虑设法 将这一复杂过程简化 。 可以设想 , 既然其后 果是造成一定的轴向混和 , 是否可以借用扩 散定律 费克定律 来描述这一现象 把实 际上是分流和汇合所造成的轴向混和看作是 某种当量的轴向扩散过程来替代 。 如果实验 证明两者是等效的 , 那么数学描述就可大为 简化 。 流体通过乱堆的催化剂颗粒层的流动 过程就可以被看成是在流体的平移运动之上 再叠加上一个轴向扩散 。 这样 , 问题 就“ 简 化 ”了 。 对这个等效的轴向扩 散过程 用费克 定律描述时出现了一个系数 , 即有效扩散系 数 。 它不像分子扩散系数那样明确地 、 单一 地反映了流体分子的一种特性 它综合地反 映了乱堆颗粒层的特性 、 流动特性和流体物 系 , 故称为“ 有效扩散系数 ” 。 这一简化了的 模型称作扩散模型 有效扩散系数是该模型 的一个参数 。 由上可见 , 数学模型方法的实质是将复 杂的实际过程按等效性的原则作出合理的简 化 , 使之易于数学描述 。 ‘ 这种简化的来源在 子对过程有深刻的理解 , ‘ 其合理性需要实验 的检验 。 其中引入的参数 如这里的有效扩 散系数 需由实验测定 。 ’ 然而也应该注意到 , 扩散模型对颗粒层 内流动所作的简 化只 是针对 一定的 研究 目 的 , 在一定的范围内才是有效的 。 如果说 , 扩散模型对描述轴向混和 , 这样 的 一种 简 化是等效的 , 那么对于描述同 一 系 统 的 另 一种现象 , 如流体 流动阻力 , 这样 的简化 就完 全无效 。 同样的颗 粒层 , 在描述其阻 力特征时通常采用毛细管模型 , 即把流体流 动的通道看成是 由若干个平行的 , ‘ 但又互不 ‘ , , , , 交叉的 , 并具有一定当量直径和当量长度的 圆型细管组成 。 由此 可知 , 模型并 不是原 型 , 它从过程的某一个侧面与原型等效 , 在 另一个侧面则可以完全不等效 。 正因为只要 在某一个侧面与原型保持等效性 , 才有可能 作出大幅度的简化 。 如果对大型反应器内发生的各种过程 , 包括反应的 、 流动的 、 传热的和传 质的过 程 , 都能作出简化模型 并对 之作 出数 学描 述 , 且由实验测得其参数值 , 那么 , 大型反 应器的设计和大型反应器性能的预测就可以 由上述各方程的联立求解获得 。 现代化的电 子计算机已足以进行所需的数值计算 。 数学模型方法的建立和发展是近二十年 的事 。 在文献中也有用这种方法成功地应用 于过程开发的报导 。 典型的例子是丙烯的二 聚生成异戊二烯的管式反应 器 , 未经中试 , 直接由小试结果设计大厂 , 实现了 倍 的放大气 数学模型方法在开发工作者中引起 了不 同的反响 深知工业反应过程复杂性的人们 怀疑对如此复杂的过程是 否确能作出可靠的 数学模型 , 痛感 中试麻烦的人们又从中看到 了希望 , 积极宣传 , 跃跃欲试 。 国内在一个 时期 。 曾大力宣传过数学模型方法 , 以为依靠 这种方法可以一劳永逸地摆脱中试 。 此时持 怀疑态度的人多半冷眼旁观 。 经一段时期的 实践表明 , 就 目前情况而言 , 真正能用数学 模型方法开发的过程确是廖廖无几 。 国外的 情况也相差不多 。 于是 , 有人认为数学模型 方法是“ 数学游戏 ” , 似乎唯一可靠的方法还 只 能是逐级经验方法 。 对于这 些分 歧的 认 识 , 需要对两种方法的实质和基本特征作进 一步的剖析 。 戈少 刊 二 、 逐级经验放大方法的基本特征 工业反应过程的开发中需要解决的不外 是下列三方面的 问题 一 ①反应 器的 合理选 母 , 一 一 Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line 垫 ⑧皮应器操作的优选条件 , ⑤反应器的 工程放大 。 逐级经验放大方法解决上述三个问题的 基本步骤是 ①通过小试验确定反应器型式 结构变量 ②通过小试验确定优选工艺 条件 操作变量 ③通过逐级中试考察几 何尺寸的影响 几何变量 。 分析上述三个步骤 , 不难看出逐级放大 方法具有以下几个基本特征 。 着眼于外部联系 , 不研究内部规律 逐级经验放大方法首先根据对各种小型 反应器试验的反应结果的优劣来评选反应器 型式 。 在选定型式的反应器中 , 对 各种工艺 条件 —温度 、 浓度 、 压力 、 空速等进行试 验 , 从反应结 果的优 劣评选 适宜的 工艺条 件 。 在这一基础上进行几种不同规模的反应 器试验 , 观察反应结果的变化 , 推测放大后 的反应结果 。 这就是上述三个步骤中共同采 用的研究方法 , 即考察变量与结果的关系 , 也就是输入与输出的关系 , 或称外部联系 。 这种工作方法系把反应器视作为一个“ 黑箱 ” 处理 。 它既不需要事先知道反应器内进行的 实际过程 , 在研究考察之后也并不了解过程 的内部规律 。 如果在逐级放大过程中发现反应结果有 一定的恶化 , 人们就会说 , 这一过程有放大 效应 。 至于怎么会有放大效应 , 是什么因素 造成这种放大效应 , 应该采取何种措施才能 减轻或消除这种放大效应 , 逐级经验放大方 法并不能提供确切的答案 。 化工中所谓的放 大效应 , 实际 上只是 一种或 一群现 象的表 达 , 并不是一种原理 , 它并没有给改进措施 指明任何方向 。 着眼于综合研究 , 不试图 进行 过程 分析 反应器内进行的是多种过程 , 即既有化 学的又有物理的 , 既有流动的又有传热和传 质的 。 各个过程又有各自的规律 , 对反应结 呆有不同程度的影响 。 逐级经验放大方法不 时上迷各种过程作分 的研究与考察 。 在上 面所述的三个基本步骤中 , 各个不同的化学 和物理的过程 都被同 时综合 在一起 进行考 察 , 其结果必然是不能逐个分清各个因素对 反应结果产生怎样的效应 。 。 人为地规定决策序列 事实上 , 一般而言 , 反应结果应当是结 构变量 、 操作变量和几何变量的函数 。 但是 这三类变量之间可以存在着交互的影响 , 即 这三类变量可以是交联的 。 但是逐级经验放 大方法却把这三类变量看成是相互独立的 , 可以逐个依次确定的 。 例如 , 第一步是在小 试的评比中确定反应器的优选型式 。 这意味 着在小试中谁优 , 则大型化时仍然必定是谁 优 。 换言之 , 它否认了几何尺寸对反应器选 型的影响 , 也就是说 , 它认定几何尺寸的影 响和结构型式的影响是相互独立的 。 实际上 也确有这种情况 , 但也有相反的情况 。 以流 化床和 固定床催化反应器为例 、 通常小型流 化床有 良好的性能 , 但放大后性能会显著恶 化 。 这样 , 即使在小试中流化床获得优胜 , 但大型装置则未必较固定床为优 。 这是大家 都已熟悉的事实 。 从这个反例中也可以体会 到小试确定的 反应器 选型未 必一定 是正确 的 。 又如 , 第二步在小试中确定优选的工艺 条件 , 同样意味着几何尺寸不致明显改变优 化的工艺条件 。 如果认为几何尺寸改变后优 选的工艺条件也将有相应的变化 , 那 么 , 小 试中寻找优选的工艺条件也就失去了意义 。 事实是 , ’ 有些情况下几何尺寸会对工艺条件 有较大的影响 , 这也是众所周知的 。 从以上论述可以看出 , 逐级经验放大方 法所遵循的决策序列是人为的 , 并不是科学 论证的结果 。 既然是人为的 , 那么为什么恰恰是这样 的决策序列而不是其他的序列呢 其实 , 稍 加分析就可以体会到我们没有其他的选择 。 我们不可能在大型装置中对反应器型式进行 评比选优 , 也不可能在大型装置的试验中进 , Administrator Line Administrator Line Administrator Line 飞了 丫从了 行工艺条件试验, 国为这无疑是先建厂而后 进行试验 。 可见 , 逐级经验放大方法采用这 样的决策序列纯 属 出于 无奈 , 别无 他择而 已 。 从方法论的角度看 , 这就暴露 · 了逐级经 验放大方法的不科学性 。 放大过程是外手睡的 逐级放大方法中进行几种不同尺寸反应 器的试验 , 从中考察几何尺寸的影响 , 然后 进行放大设计 。 不难 看出 , 这是 在进 行外 推 。 大家都熟知 , 外推是很不可靠的 。 某种 因素也许在一定的尺度范围内是渐变的 , 或 呈线性的变化关系 越 出这一范围后也许会 有剧变甚至突变 。 因此 , 将在小尺寸范围内 进行的考察 结果外 推到大 尺寸时 就冒着风 险 。 也正因为如此 , 逐级放大过程中有时需 要经历好几个中间试验的层次 , 造成开发工 作旷 日持久的后果 。 , “ 这里应当顺便说 明一下 , 以上的分析仅 仅是针对方法的 本身 , 而没 有包括 人的因 素 , 即研究者的因素在内 。 如果研究者有充 分的理论知识和丰富的实际经验 , 当然也可 用 自己正确的分析和判断部分地弥补方法本 身的一些缺陷。 三 、 数学模型方法的基本特征 几从乡 逐级经验放大方法从方法论的角度看 , 有另一个严重的缺陷 。 工业反应器中发生的 过程有化学反应过程和传递过程两类 。 在设 备 自小型而被放大的过程中 , 化学反应的规 律并没有发生变化 。 设备尺寸主要影响到流 动 、 传热和传质等过程 。 真正随设备尺寸而 变的不是化学反应的规律而是传递过程的规 律 。 因此 , ‘ 需要跟踪考察的实际上也只是传 递过程的规律 。 然而 , 各级中试之所以耗 资 巨大 , 却是由于化学反应 , 因为要进行化学 反应 , 就必须全流程运转以提供原料以及处 理产物 。 这里存在着一个明显的矛盾 —目的和手段之问的矛盾。 这一矛盾的根源在于 逐级经验放大方法总是综合地进行的 , 而不 是分解成为几个子过程分别加以研究 , 并在 最后予以综合的 。 针对上述矛盾 , 数学模型方法首先将土 业反应器内进行的过程分解为化学反应过程 和传递过程 , 然后分别地研究化学反应规律 和传递过程规律 。如果经过合理的简化 , 这些 子过程都能用方程表述 , 那么工业反应过程 的性质 、 行为和 结果就可以通过方程的联立 求解获得 。这一步骤可称作为过程的综合 , 以 表示它是分解的逆过程 。 由于化学反应规律不因设备尺寸而异 , 所以化学反应规律完全可以在小型装置中测 取 。 传递规律受设备尺寸的影响较大 , 则必 须在大型装置中进行 。 但是由于需要考察的 只是传递过程 , 无需实现化学反应 , 所以完 全可以利用空气 、 水和砂子等廉价的模拟物 料进行试验 , 以探 明传递过程的规律 。 这种 试验通常称为冷模试验 。 显然 , 冷模试验即 使以很大的规模进行也不致耗费过多 。 这样 , 按数学模型方法进行的工业反应 过程开发工作可以分为以下四个基本步骤 · ①小试验研究化学反应规律 ②大型冷模试验研究传递过程的规律 ③计算机上的综合 , 预测大型反应器的 性能 , 寻找优选的条件 , ④中间试验检验数学模型的等效性 。 这里尚需一提的是 , 冷模试验研究的是 大型反应器中的传递规律 。 它是反应器的属 性 , 基本上不 因在其 中进行 的化学 反应而 异 。 例如 , 固定床反应器内的流动 、 传热和 传质规律与所进行的化学反应的类别并无直 接关系 。 特定的工业反应过程只是特定的化 学反应的规律和这些传递规律的结合 。 换言 之 , 对于一个特定的工业反应过程 , 化学反 应规律是其个性 , 而反应器中的传递规律则 是其共性 。 一旦对某一类反应器的传递规律 有了透彻的了解 , 那么 , 采用这一类反应器 的工业反应过程的开发实验就只限于小试脸 二 “ Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line 城 ①过程分解 , ②过程简化 ‘ 这两个基本特征是密切关联 , 互为基础 , 发 为前提的 。 过程分解给简化创造了有利的条 件 。 反之 , 没有简化 , 也得不到数学模型 , 也就不能综合 , 自然 也就失 去了分 解的意 义 。 四 、 两种开发方法的对比 该 测定发应规律和中试的检验 , 羌需再进行大 型冷模试验了 。 具备 了传递过程规律和小试测定的反应 过程规律 , 就可直接设计工业反应器 , 这样 就不存在设备的放大问题 。 “ 放大 ”一词的内 涵为从一个小型反应器出发经过中间试验 , 放大到工业规模的反应器 。 数学模型方法本 身并不意味着必须要有这么一个小型反应器 和中间规模的反应器以供放大之用 , 而是可 以通过计算直 接获得 一个大 型反应 器的设 计 。 因此 , 有人认为 “放大 ” 一词的含义对 数学模型方法就不再十分确切 , 似应代之以 “ 开发 ”更为贴切 。 当然 , 由于 习惯的原因 , 继续沿用数学模型方法“放大 ”这一词汇 , 作 为广义的理解也还是可以的 。 尽管要在计算机土进行综合 , 尽管各个 子过程必须要用方程进行描述 , 尽管对各个 子过程进行分别研究的最终结果是描述该过 程的数学模型 , 但是 , 实验在数学模型方法 中仍 占有主导地位 。 实验工作的步骤大体如 下 ①通过预 实验认 识过程 , 设想 简化模 型 ②通过实验检验简化模型的等效性 , ③ 通过实验确定模型参数 。 诚然 , 其中最关键的一步是认识过程 , , 以便设想简化模型 。 只有充分认识了对象 , 才能高度概括 , 才能作出大幅度的简化 。 另外 , 关于中试 , 仍是数学模型方法的 一个重要环节 。 与经验方法不同仅仅是中试 的 目的不再是实验搜索放大的规律 , 因此 , 中 试不再是放大的起点 。对于数学模型方法 , 中 试是为了对模型化的结果作出检验 。 因为是 检验手段 , 所以需要事先进行设计 , 以便在 最有利于模型检验的条件下进行实验 。 从这 个意义上 , 中试也意味着一个开发阶段的结 ‘ 束 。女口果模型计算与中试结果有分歧 , 则必须 检查是中试的原因 , 还是模 · 型所反映的规律 与实际不符 。 如属后者 , 则应修正模型 。 综上所述 , 可以看出数学模型方法的基 本特征是。 分析 了两种开发方法的基本特征以后 , 就不难着出 , 这两种方法呈现鲜明的对照 。 这两种方法无论是出发点还是工作方法都是 全然不同的 。 逐级经验放大立足于经验 , 并不需要理 解过程的本质 、 机理或内在规律 , 而是一切 凭借实验结果行事 。 这是它的主要出发点 。 其功过成败全系于这一出发点 。 正因为它不 要求对过程本质的认识 , 因此 , 即使过程异 常复杂 , 这一方法仍可被沿用 。 即使研究者 缺乏必要的理论知识 , 该方法也同样可被沿 用 。 也就是说 , 这种方法对对象的复杂性没 有限制 , 对研究者的理论素养并不奇求 。 反之 , 数学模型方法立足于对于对象的 深刻的理解 。 只有有了对过程有深刻的定性 的理解 , 而且要求做到准确的定量的理解以 便能将这种理解表诸于方程 。 显然 , 这个要 求是相当苛刻的 。 也正因为如此 , 尽管数学 模型方法在逻辑上是非常合理的 , 从方法论 上说也是很科学的 , 但其实际应用直到 目前 为止仍然是有限的。 它一方面要求有可靠的 反应动力学方程 , 另一方面 , 又要求有大型 装置中的传递方程 。 对于复杂的反应系统 , 例如聚合反应等 , 就很难得出准确可靠的反 应动力学方程 。 与反应动力学相比较 , 更缺 乏的和更困难的是大型装置中的传递规律 。 有些复杂的反应器 , 如流化床反应器 、 鼓泡 反应器等 , 其中的传递规律至今尚未能定量 越作出描述 , 马一 Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line 入卜万 在工作方法上两者也是大相径庭的。 以 小试验为例 , 逐级经验放大方法的小型试验 目的是为了寻优 , 即寻找优选的工艺条件 。 因而实验装置在形状和结构上应当尽量模拟 工业反应装置 。 实验点的安排通常采用网格 法 、 优选法或正交设计法等 。 而数学模型方 法的小型试验 目的是建立反应动力学模型 。 因而其实验装置不在于是否与工业反应装置 相仿 , 而在于尽可能排除传递过程的影响 , 从而获得未被伪装起来的真正反 应 动 力 学 规律 。 而实验的计划首先应充分揭露反应的 特征 不是寻优 以便设想简化的动力学模 型 , 然后布点进行模型的检验和模型参数的 估值 。 中间试验则显示了更多的不同 , 逐级 经验放大方法利用逐级的中试探求设备几何 尺寸造成的效应 , 数学模型方法则设计中试 以检验模型化的结果 。 不同的出发点有不同的工作方法 , 这是 很自然的 。 这样 , 我们已经看到 , 两种开发方法实 际上是两个极端 一个不要求对过程有任何 认识和理解 , 另一个则不仅要求对过程有深 刻的定性的理解 , 而且要求有足够的定量的 理解 。 很 自然 , 如果我们所处理的问题在过程 上是简单的 , 在设备上同样是简单的 , 或者通 过分解和简化 , 可以使之足够简单的 。 我们 就完全可以 既有定 性又有 定量的 理解 , 那 么 , 没有任何理由不采用较为科学的数学模 型方法 。 反之 , 如果过程和设备两者之中有 一个极为复杂 , 我们仍理解得极少 , 那么 , 即使在 年代也只能采用逐 级经验放大方 法而无需自惭 。 然而 , 大多数实际 问题却并不是如此极 端的 , 实际问题的复杂性往往是介于两者之 间的中间情形 。 现在经常遇到的情况是 , 对 过程有所理解 , 但又未能达到足够准确的定 量的理解 , 采用数学模型方法并不现实 。 但 是 , 对过程还是有相当的理解 , 退回到纯经 验的遂级经验放大方法义不甘心 。 很明显 , 这里已不是争论两种方法孰优孰劣的问题 , 也不能采取非此即彼的简单处理 , 而应当探 讨在这种中间情况下如何正确地进行开发工 作 。 这也是本文所要探讨的伺题 。 第二章 开发方法的 基本原则 当我们所遇到的是介于两个极端之间的 中间情况时 , 应当如何进行开发工作 , 这是 一个既有广度又有深度的 问题 。 我们没有能 力对此作出系统的回答 。 但是 , 这恰恰又是 开发工作中实际上经常遇到的问题 , 因此也 不应避而不谈 。 在本文中我们打算先作一些 原则性的讨论 , 然后结合我们自己实际经历 过的开发实例边叙边议 , 看看这些原则在实 际中的应用 。 ”本章着重讨论开发工作应遵循 的两条基本原则 。 我们所要处理的问题是工业反应过程 , 我们所应凭借的手段主要是实验 。 当然 , 逐 级经验放大完全依靠实验 。 即使是数学模型 方法 , 正如上述 , 也在很大程度上依赖于实 验 。 · 对于对象的深入认识依赖于实验 模型 的检验和参数的估值也依赖于实验 综合的 结果也需要中试的验证 。 但是 , 实验同样需 要理论指导 , 否则就将成为盲 目的实验 。 因 此 , 开发实验 必须有 理论的 指导 。 我们认 为 , 应当有两个方面的理论指导 ①反应工程 理论的指导 ‘ ②正确的实验方法论的指导 。 只有将开发工作置于这两方面的理论知 识的指导下 , 开发工作才能大大简化 , 开发 工作的质量才能大大提高 , 开发的周期才能 大大缩短 。 又 一 、 反应工程理论的指导 将开发工作置于反应工程理论的指导下 就从根本上摆脱了逐级经验放大方法的纯经 荃 一 一 Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line 可 城 验性质 , 与逐级经验放大方法从指导思想上 进行了大量的单因素研究 分道扬镰了 。 化学反应成千上万 , 多种多样 , 反应工 实际上 , 逐级经验放大方法盛行用于反 程学不可能逐一地加以研究 , 因此将反应大 应器的开发放 大远在 反应工 程学科 建立之 致分为以下三类 前 , 即 年代以前 。 在那时 , 采用这 一方 ①简单反应 法是无可非议的 。 而现在已处 年 代 , 反 ②伴有平行副反应的复杂反应 应工程学科经过二 、 三十年的发展已基本形 ③伴有串联副反应的复杂反应 。 成 , 对大多数反应过程和反应器已提供了相 然后 , 结合每一类反应 , 对上述各工程 当多的规律性知识 。 在这种情况下 , 将反应 因素进行大量的单因素研究 。 工程学研究的成果置之不顾 , 还是一成不变 这些理论工 作多半 通过复 杂的数 学演 地沿用逐级经验放大方法就于理不通 。 实际 绎 , 对各个单因素的影响进行了深入的有时 上 , 近年来 , 很多研究者不满于逐级经验放 甚至是细致入微的和定量的研究 , 然而在大 大方法 , 主要还不是因为它使开发周期长和 前提上却作了大量的简化 。 例如 , 排除了一 耗 资大 这一点早已为人熟知了 , 而是因 切其他因素的影响 , 对反应动力学作了重大 为他们对反应工程的理论掌握得多了 , 就更 的简化 。 因此 , 许多人怀疑这些研究工作的 多地感到逐级经验放大方法不合理处 。 理论 实用价值 。 但是对于理论工作者来说 , 作出 知识愈丰富 , 想摆脱纯经验的开发方法的内 各种简化 , 割裂其他因素 , 以便集中研究某 力就愈大 , 这是很 自然的 。 现在的问题是如 一或某几个因素的效应 , 是很有必要的 。 何灵活地应用反应工程的理论来指导开发工 的确 , 由于作了那 么多的简化 , 显然与 作 。 实际情况有很大的偏离 。 将这些研究结果直 在本文中 , 我们不可能再介绍反应工程 接应用于反应器的设计计算是不可能的 。 但 的基本理论 。 我们假设读者 已具备了必要的 是我们在实际工作中深深体会到这些理论研 基础知识气 这里我们只想探讨 一下 , 反应 究结果的重要指导作用 , 它们对于帮助我们 工程理论能给开发工作提供哪些指导 , 提供 分析过程的实质 , 作出正 确的判 断极 有帮 哪些有利于思考问题的根据 。 助 。 概括起来 , “ 反应工程 ”为与开发工作有 举例来说 , 这些理论研究的结果告诉我 关的方面做了以下有益的工作 们 概括了若千种影响反 应结果 的工程 在低转化率 时返混的影响可 因素 或称宏观动力学因素 。 一 以不予考虑 , 高转化率 时 , 其影 反应工程学考察了各类反应器中进行的 响很大 。 各类反应 , 概括 出一些重要的工程因素 , 例 对于气相慢反应 , 预 混和问题可以不予 如 考虑 对于快反应 , 预混和可能严重影响反 预混和 微观混和 应的选择性 。 而反应快慢的分界是秒级 , 即 返混 宏观混和 反应所需要时间为几秒的属慢反应 , 反应时 传热和传质 , 间为分秒级的属快反应 。 多态现象和热稳定性 , 进行气一固强放热催化反 应时 , 催化剂 参数灵敏度 。 颗粒温度与气体温度可以有显著的差别 。 而 带 关于反应工程一些最基本的知识和最必要的观点已另有专著 , 可参阅陈敏恒 、 翁元垣 , 化学反应工程基本原理 》 , 化 学工业出版社 , 。 憾 一 一 Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line Administrator Line 发应热强弱的标志不是克分子反应热 , 而是 反应物系的绝热温升 。 理论研究的这些主要结论能帮助我们判 别 , 对于我们所处理的问题 , 哪些工程因素 应在小试中予以密切注意 , 周密测定 , 并在 放大过程中着重考察 哪些因素可以不加考 虑 , 从而简化了实验工作 。 显然 , 这些对于我们理解过程的关键所 在 , 进行过程的分解和简化 , 安排实验计划 都有重要意义 。 对于实际开发工作者来说 , 是否掌握理 论推导和数学运算的能力并不十分重要 , 重 要的是要了解其最后的结论 。 实际工作者应 当尽可能通晓理论工作者所提供的结论 。 尽 管他们是以定量的形式提供的 , 实际工作者 只作定性的应用 , 这样就 已经考虑到理论研 究中所引入的那些简化假定 了 。 提供了若千重要类型 反应器 中的传 递特征 “反应工程 ”对一些重要类型的反应器 , 如搅拌釜 、 列管式固定床反应器 、 绝热式固 定床反应器 、滴流床反应器 、 流化床反应器 、 鼓泡床反应器等都分别进行了实验研究 。 尽 管由于问题的复杂性 , 并还没有都达到准确 的定量阶段 。 但是 , 这些反应器的基本传递 特征还是能够掌握的 。 掌握这些知识会使我们知道在哪一类反 应器内哪一类工程因素会有其重要性 , 哪一 类工程因素会在放大时有重大变化 。 这就提 醒我们在小试中对哪个因素应详细地宽范围 地考察 。 反应工程理论对开发工作的指导 , 犹如 一 医学对医生诊治疾病的指导一样 。 良医诊断 疾病与庸医的主要区别是 , 他能对疑难疾病 作出正确的判断 , 从大量可能的疾病 中作出 正确的筛选 , 排除似是而非的疾病 , 以便对 剩下的不多的几种可能的疾病集中注意再作 检查 。 而一个庸医所能做的也许只是列举所 有可能的疾病而毫无判断 。 这种差别实际上 魄阴镇易” 反映了两者在理论知 识方 面功 力深度的差 异 。 二 、 正确的实验方法论的指导 采用实验探求客观事物的规律同样需要 有实验方法论的指导以期用最少的实验获得 最 明确可靠的结论 。 以寻优为例 , 最原始的方法是网格法 , 即依次固定其他变量 , 改变某一个变量 , 测 定 目标值 , 从 目 ‘ 标的最优值求得变量的最优 值 。 按这样的方法 , 所需的实验数将是很大 的 。 如果变量数为