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第五章 一、概述 二、大型冷模试验研究 的基本内容 三、大型冷模试验的理 论基础 一、概述 一般来说, 化工过程开发包括三个环节: 小 型热模工艺实验研究化学反应规律; 大型冷模试验研究传递规律; 将小型热模实验与大型冷模试验所得结果相结合, 建立工业装置的数学模型,形成过程开发成果, 即通常所说的工艺软件包。同时, 为了验证工艺软件包的可靠性, 必须进行相应规模的中间试验, 以该试验所得数据对数学模型的各种参数进行修正, 并为进一步真正建立工业生产装置提供基础设计数据。 放大问题的主要原因是(传递规律的重要性)： 首先：停留时间的不同，导致温度、浓度分布的不均。 其次：产生放大效应（并非所有的条件均同等放大） 第三：工业反应器中的反应条件难以保持十分稳定。（如放热反应热量的移除） 反应器的开发与放大 : 冷模试验：冷态模型试验的简称,在没有化学反应的条件下,利用水、空气、砂子、瓷环等廉价的模拟物料进行试验，以探明反应器传递过程的规律。应用数学模型方法进行反应过程的开发时，其出发点是将反应器内进行的过程分解为化学反应和传递过程，并且认为在反应器放大过程中,化学反应的规律不会因设备尺寸而变化,设备尺寸主要影响流体流动、传热和传质等传递过程的规律。因此，用小型装置测得化学反应规律后，在大型装置中只需考察传递过程的规律，而不需进行化学反应。这样可使试验大为简化，试验时间和费用大大节省。 自模性：在一定条件下自行相似的现象。 粘性流体在受迫流动过程中，当雷诺数Re大于某一值时，流动从层流状态进入湍流，这一Re值称为第一临界雷诺值，Re小于第一临界雷诺值的流动处于第一自模化区，此时处在层流状态。Re大于第一临界雷诺值之后，随着Re值增大流体紊乱程度变化较大，但其值增大到一定程度这种影响几乎不存在，该Re值称第二临界雷诺值。Re大于第二临界雷诺值称流动处于第二自模化区。 试验方式： 采用物理性质与生产物料相近的惰性物料，如水、空气、砂等代替生产实际物料在模型装置上进行的试验。 适用场合： 不便或不必要采用生产物料进行试验的情况，尤其 在需要将过程分解，分别考查一些工程因素时。 规模： 一般都比小试要大得多，以便表现各种工程因素的运动规律，所测定参数的可变范围也相对较宽。 注意： 由于试验条件与实际生产过程有差别，在应用冷模试验结果时，应根据实际条件予以转换和修正。 二、大型冷模试验研究的基本内容 固定床反应器优点 ① 固定床中催化剂不易磨损； ② 床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。 ③ 由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。 固定床反应器缺点 ① 固定床中的传热较差； ② 催化剂的更换必须停产进行。 典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。反应需供热140kJ／mol，是靠加入高温(710℃)水蒸汽来供应的(乙苯:水蒸汽=1: 2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到565℃。 在此，水蒸汽的作用是： ① 可以带入大量的显热； ② 起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率； ③ 使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。 除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近代的大型合成氨反应器采用的是中间冷激的多段绝热床。总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力(少加换热空间)，而绝热床正好能符合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比较大的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，因此如何取舍，要综合分析并根据实际情况来决定。此外还应注意到绝热床的高／径比不宜过大，床层填充务必均匀，并注意气流的预分布，以保证气流在床层内的均匀分布。 ① 管径：一般为25～50mm的管子，但不小于25mm。 ② 催化剂粒径：应小于管径的8倍，通常固定床用的粒径约为2～6mm，不小于1.5mm。 ③ 传热所用的热载体： 沸水可以用于100℃～300℃的温度范围。 联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能用于200～350℃的范围。 无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物)可用于300～400℃的情况。 对于600～700℃左右的高温反应，只能用烟道气作为热载体。 列管式反应器优点：