工业反应过程的开发方法.pdf

了油化年第卷工业反应过程的开发方法开发的方法论问题陈敏 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论文。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工程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:/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:/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:/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 的总结。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、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反应器的合理选母,一一垫皮应器操作的优选条件,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通过小试验确定反应器型式结构变量通过小试验确定优选工 艺条件操作变量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,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小试验研究化学反应规律大型冷模试验研究传递过程的规律计算机上的综合,预测大型反应器的性能,寻找优选的条件,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“城过程分解,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通过预 实验认识过程,设想简化模型通过实验检验简化模型的等效性,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反应工程理论的指导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,采用这一方简单反应法是无可非议的。而现在已处年代,反伴有平行 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,每一变量改变的水平数为,则按网格法计划实验,所需实验数将为。由于变量数出现在 幂上,不 难看出,对象愈复杂,涉及的变量数愈多,所需的实验数将会剧增。采用正交设计法代替网格法,将使所需实验数成倍地减少。但是如果原来所需的实验数很大,成倍减少后的实验数仍将很大。采用因次分析法,对变量在实验前进行无 因次化,将可使变量数减少到若干个。但是如果原来变量数很大,减少后的变量数仍会较大,使所需的实验数仍相当大。因此,面对复杂的工程问题,将所需的实验数减少到可以接受的程度,必须寻找其他的简化实验的方法。普遍适用的简化实验方法分析一下以上所提及的那些指导实验的方法网格法、正交 设计法和 因次 分析法等,不难发现,这些实验方法都是普遍适用于各类研究对象,与对象特性无关的方法。虽然这些方法的发现和建立是很有贡献的,因为它们可以广泛适用于各类过程。但是就某项具体工作来说,应用这些方法所得到的实验简化却是有限的,如同广谱的药物一般不会是特效的药物一样,这也是可以理解的。因此,真正要获得实验的大幅度的简务义诱化,就必须充分认识并利用对象的特殊性。这是正确的实验方法论的一条重要原则。请特别注意理解“充分认识并利用对象特殊性”一语的含义。这一思想方法的含义及其应用将在本文中频频 出现,并将成为本文论述的重点。充分认识并利用对 象的特殊性特殊性来自两个方面过程的特殊性工程伺题 的特殊性。过程的特殊性是显而易见的,因为反应有不同的类型,有其个性。反应设备也有各种型式。在不 同反应设备中进 行的不同的反应,竟然要用同一种方法去研究,去安排实验,其不合理处是显而易见的。逐级经验放大方法的一