化学工艺学第六章有机合成反应的工业化放大.pdfVIP

第六章有机合成反应的工业化放大 有机合成反应多是在釜式反应器中进行的，反应器的放 大方法有：几何放大法、形状模拟法、逐级放大法、数学模 拟法等。 几何放大法和形状模拟法没有理论上的依据，逐级放大 法是逐步探索经验的过程，数学模拟法理论上最为科学、最 理论化，但却很难做到。 第一节 釜氏反应器的放大效应 放大的根本目的是在工业化装置上实现小试研究的收 率和质量，但实际中常常达不到理想的程度。 “放大效应” 实验室装置与工业化设备的区别。 一、温度梯度、浓度梯度不同 反应过程中的温度效应与浓度效应影响反应的选 择性。 宏观状态上小试研究与工业化没有区别，温度控 制和加料方式相同。 微观状态上，在局部、在温度、浓度上的差异有 时很大，这种差异就是放大效应。这种差异是出现在 局部的、关键点上的。 工业化放大，就是关注并解决关键点上的工业化 与小试研究的差异。 关键点的选择主要是温度梯度与浓度梯度。 小试与工业化装置反应过程的差异 两者在B与B’点上无明显差异，温度均为T ，不存在放 0 大效应。 在A与A’点上的差异就大了，(T - T ) ＞＞ （T - A’ 0 A T0 ）。 这就是相当于两者在不同的温度下进行反应，反应结 果当然不同。 二、换热比表面积与反应周期不同 工业化的反应过程中的反应周期一般长于小试，主要原 因是传热面积不足（因为容积越大，单位容积的表面积越 小，而传热速度与换热表面积成正比）。 工业化的反应过程中考虑到反应前后的预热、冷却、反 应时间等因素，反应周期将几倍甚至十几倍地高于小试。 对于平行副反应，反应周期的加长对选择性的影响不明 显，但对于连串副反应，反应周期的加长对选择性的影响则 是显著的。 三、死区与设备清洗不同 1、死区 死区指的是不流动的区域和积存物料的区域。死区的 存在有弊无利，或影响反应、或造成不希望的返混、或造 成相互污染。 在工业化设计中应避免死区，工业化放大过程中应注 意死区的影响。 常见的死区 2 、死区的影响 （1）死区的物料可能影响反应的选择性。 （2 ）死区在转产或换料时可能造成污染，所以在清洗 过程中要注意反应设备的死区。 四、温度指示的偏差不同 小试过程中温度计显示灵敏且接近反应液真实的瞬 时温度。 工业化过程中反应釜中的反应液一般需要经过温度 计套管再经导热油，最后才加热温度计，这样的传导过 程导致温度计所示温度比实际温度滞后且升降幅度减 小。 反应釜内的实际温度与指示温度 第二节反应过程的影响因素 一、混合状态的影响 1、简单反应与复杂反应 简单反应不存在副反应，也就不不存在温度效应和浓度 效应，因而不存在放大效应的影响。加料方式、温度高低、 混合方式和状态都没有影响。 对于平衡移动的热力学控制的化学反应，可视为简单反 应。 2 、非均相反应和均相反应 非均相反应过程中反应往往发生在相界面上，扩散是反 应的控制步骤，剧烈搅拌可加速反应。 工业化过程中的搅拌器一般是推进式、涡轮式或布式搅 拌，同时反应釜内加装挡板以增加混合效果。 均相反应中各因素的影响区别较大。 3、吸热反应和放热反应 吸热反应不会因混合不好造成局部温度过高，温度梯 度容易控制，同时此时浓度效应也不显著，可较慢的搅 拌。 放热反应则较复杂。 4 、扩散控制与动力学控制 复杂、均相、放热反应的扩散控制过程，要求搅拌越 剧烈越好。 动力学控制过程，反应速度较慢，温度梯度、浓度梯 度对选择性的影响不大，对搅拌速度的要求不高。 搅拌速度的选择： S：剧烈搅拌 W ：慢速搅拌 非均相反应和强放热反应对搅拌速度的要