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浅谈碳化硅微通道反应器四种关于化工放大的方法

更新时间:2022-02-02 点击数:975

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,实验室1L反应器换热面积是0.03m3,工业生产规模1000L反应器换热面积是3m3,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,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,顺便总结了一种特殊类型反应器——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。这些相似条件为几何相似、运动相似、动力相似和传热相似。 

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一数学表达式,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学表达式称为经验模型。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。因此,模拟放大必须与试验结合起来,但这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,数学模拟是用数学模型一方程描述过程;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。

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.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。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,即增加微反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,由于不存在放大效应和使用灵活的独特优势,使得它发展前景很好。


参考文献:《化工放大技术方法的研究》任夫健,凌永社,王庆志转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系


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