化工工艺开发放大的方法

堵祖荫

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

化工过程技术开发和化工工艺流程设计系列讲座（三）

化工工艺开发放大的方法

堵祖荫

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

编者按作者长期从事石油化工的规划、设计和技术开发实践，对乙烯工艺、化工热力学、化工流程模拟、化工装置能耗计算等有较深的造诣，是乙烯、轻烃生产领域设计和技术开发的资深专家。系列讲座叙述了化工过程技术开发的基本程序：机会研究、小试、概念设计、模型试验、中间试验、工艺设计包各阶段的目的、任务和内容，化工工艺开发放大和化工工艺流程设计。文章强调各开发程序的评估工作是保证化工技术开发过程沿着正确、健康方向以完成工业化进程的重要环节，特别是概念设计，是从工程设计的视角对小试进行评估，是指导中试设计的重要文件，也是工程公司和研究单位重要的合作和沟通平台。该文具有广泛的可读性，也请各位同行讨论并提出意见和建议。讲座共有四篇，本刊已刊登第一、二讲，本篇为第三讲。

叙述了化工工艺开发放大的方法：逐级经验放大法、数学模拟法、部分解析法、相似放大法，这些方法各有其适应的对象和条件，采用何种放大方法，应以对过程解析的深入程度来确定，对于一些复杂的过程还需要考虑几种方法的综合使用。

化工过程技术开发；化工工艺技术开发放大；逐级经验放大法；数学模拟法；部分解析法；相似放大法

从实验室研究成果到建立工业装置的过程是靠放大来实现的。选择适当的放大方法，对考察装置的适用性，确定放大过程需要的时间、经费投入等都是重要的。化工过程开发放大主要采用模拟研究法。用模型来研究化工过程中的各种现象和规律，从中取得开发放大的依据。

化工过程采用的模拟放大方法有：经验放大法、数学模拟法、部分解析法、相似放大法。

无论哪一种方法在应用时都比较复杂，而且各有其适应的对象和条件，并不是任一过程都可取四种方法之一，就可以获得简捷有效地放大，有时为了获得良好的效果，对于一些复杂的过程还需要考虑用几种方法综合。因此在化工过程技术开发中如何选择合适的开发放大方法，就成为开发过程中的一项重要工作。

对某一特定的化工过程放大，采用何种放大方法，应以对过程解析的深入程度来确定。一般来讲，分离过程理论比较成熟，在取得可靠的相平衡数据后，就可以用现有的数学模型直接放大到工业装置。而反应过程比较复杂，除化学反应的规律外，同时还受到传递过程因素的影响，故只有少数简单的化工过程可用数学模型法外，现在大多还采用经验放大法和部分解析法。相似放大法主要应用在单元操作设备的放大中。

在化工过程技术开发中，反应过程的放大是关键，因此，本节重点讲述反应过程的开发放大。

1 逐级经验放大法

过去，在缺乏化工过程理论指导的情况下，对反应装置和传递过程常采用逐级经验放大法。

逐级经验放大法是从实验室规模的小试开始，经逐级放大到一定规模试验的研究，最后将模型研究结果放大到生产装置的规模。这种放大方法，每放大一级都必须建立相应的模型装置，详细观察记录模型试验中发生的各种现象及数据，通过技术分析得出放大结果。而每一级放大设计的依据主要是前一级试验所取得的研究结果和数据。逐级经验放大法是经验性质的放大。因此，放大的倍数一般在五十倍以内，而且每一级放大后还必须对前一级的参数进行必要的修正。因此，经验放大的开发周期长，人力、物力消耗较大，现在一般不采用这种方法，除非在对于这个过程缺乏了解的情况下，出于无奈，仍采用逐级放大法。

2 数学模拟法

数学模拟法是以建立数学模型为目的的研究方法。数学模型是为了某种目的，用字母、数值及其数学符号建立起来的等式（或不等式），以及用图表、图像、框图、数理逻辑等描述客观事物特征及其内在联系的数学结构表达形式。数学模型是在认识过程特征的基础上，运用理论分析并对过程进行合理简化以找到描述过程规律的数学模型，再经试验验证该模型与实际过程等效，则这个数学模型就可以用于实际应用和工业放大设计。数学模拟法是化工设计放大中常用的方法。

2.1 数学模型

模型通常是指描述一个系统的各种参数及变量之间的数学关系。化工过程的数学模型一般是一组微分方程或是一种代数方程，它是描述过程动态规律的，它可分为二类：

（1）经验模型

化工过程的数学模型可以将实验装置、中试装置，甚至大型生产装置的测试数据，通过数学回归，获得纯经验的数学关系，这就是经验模型。

（2）机理模型

化工过程的数学模型也可以从化工过程的机理出发推导，并经试验验证的过程数学模型，即机理模型。

经验模型只在实验范围内有效，不能用于外推，因此受到限制。机理模型允许外推，化工过程开发中机理模型是理想的放大方法。但是，由于化工过程，特别是反应过程的复杂性，很难建立一个纯机理模型。工业设计放大时，既要求能够描述过程特征，又要求简单以便于应用，因此，如何对过程进行合理简化，是建立数学模型的关键问题。

通常，数学模型的建立是按以下步骤进行：模型准备、模型假设、模型构成、模型求解、模型分析。

2.2 数学模拟法的应用

（1）分离过程

分离过程理论比较成熟，在取得可靠的相平衡数据后，就可以用现有的数字模型直接放大到工业装置。

（2）反应过程

由于反应过程比较复杂，除化学反应的规律外，同时还受到传递过程因素的支配，故除少数较简单过程放大可用数学模型外，现在大多数仍采用部分解析法和经验放大法。

3 部分解析法

前面已介绍过两种化工过程放大的方法，即逐级经验放大法和数学模型法。逐级经验放大法立足于经验，不需要对过程的本质、机理或内在规律有深刻的理解，放大原则凭借试验结果和经验，数学模型法则要对化工过程有深刻理解，并在此基础上将过程进行简化，在对过程定量理解后综合出数学模型，再将试验验证后的数学模型直接进行工程放大。显然，这两种开发放大方法实际上是两种极端。然而，大多数复杂的化工过程开发，常常是对过程有所理解，但还达不到深刻和定量的程度，因此，无法用数学模型法进行放大。如果完全采用纯经验法放大，耗时费力，而且放大效果不理想。

反应过程的开发应当在化学反应工程理论和正确的试验方法指导下进行。正确的方法应当是首先揭示过程的特殊性，根据特殊性对过程进行合理简化，利用对象的特殊性进行放大，这样，可以突出主要矛盾，达到事半功倍的效果，部分解析法正是遵循这一原则进行反应器放大。

部分解析法是介于逐级经验法与数学模型法之间的一种放大方法，它是将理论分析和试验探索相结合的开发放大方法。它以化学工程和有关工艺技术学科的理论为指导进行试验研究，没有把化工过程完全按“黑箱”对待，减少试验的盲目性，并使试验工作合理简化，提高了试验的效果，是反应过程放大最常用的方法。

4 相似放大法

4.1 相似放大法是冷模试验的理论基础

利用空气、水和砂等惰性物料替代化学物料在实验装置或工业装置上进行的实验称为冷模试验。冷模试验是以模型与原型相似为基础，运用相似原理来考察单元设备内物料的流动与混合，以及传热和传质等物理过程，寻找产生放大效应的原因和克制的方法，为过程的放大或建立数学模型提供依据。例如利用空气和水并加入示踪剂可进行气液传质的实验研究，为气液传质设备的设计和改造提供参数，利用空气和砂进行流态化的实验研究，为流态化反应器设计提供依据，冷模试验法的优点如下：

（1）冷模试验结果可推广应用于其他实际流体，将小尺寸实验设备的实验结果推广应用于大型工业装置，使得实验能够在物料种类上“由此及彼”、在设备尺寸上“由小见大”。

（2）直观、经济，用少量实验，结合数学模型法或量纲分析法，可求得各物理量之间的关系，使实验工作量大为减少。

（3）可进行在真实条件下不便或不可能进行的类比实验，减少实验的难度和危险性。

值得指出的是，冷模试验结果必须结合化学反应的特点和热效应等行为，进行校正后才可用于工业过程的设计和开发。

4.2 相似现象

冷模试验是以相似理论为基础的，在化工过程中存在多种相似现象，这些现象有以下几种：

（1）几何相似 在两个大小不同的体系中，其对应尺寸具有相同的比例，一个体系中存在的每一个点，另一个体系中都有其对应点，使几何尺寸不同的两个体系形状相同。

（2）时间相似 在两个几何相似的体系中，任意两对应点间对应的时间间隔成比例，且比例常数与对应距离的比例常数相等。

（3）运动相似 在几何相似的两个体系中，各对应点和对应时刻的速度方向相同、大小成比例。

（4）动力相似 在几何相似的两个体系中，各对应点的作用力方向相同、大小成比例。

（5）热相似 在两个几何相似的体系中，任意两对应点的温度相等。

（6）化学相似 在两个几何相似的体系中，任意两对应点的各种化学物质的浓度相同。

4.3 相似理论

（1）相似第一定律（相似定律） 彼此相似的现象一定具有数值相同的相似特征数，这是相似现象所具有的重要性质。由此定律出发，可引出相似现象的相似性质。

（2）相似第二定律（π定律） 对同一类现象当单值条件相同时，现象一定相似。相似第二定律叙述了相似现象应满足的条件，进行冷模试验时应遵循这些条件，即：

① 相似现象可以用同一数理议程来描述。

② 单值条件一定相似，例如几何条件相似、物理条件相似、边界条件相似。

③ 相似特征数一定相等。

（3）相似第三定律（相似逆定律） 描述相似现象各种量之间关系，通常可采用相似特征数（π1，π2……πn）之间函数关系，即

相似第三定律指明了如何整理实验结果，即可将实验结果整理成特征关系式。

更为详尽的探讨可查阅相关文献[1]-[3]。

[1]黄英，王艳丽. 化工过程开发与设计[M]. 北京：化学工业出版社，2008.

[2]陈声宗，等. 化工过程开发与设计[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

[3]韩东冰，王文华，赵旗. 化工开发与工程设计概论[M]. 北京：中国石化出版社，2010.

Scale-up Method Used in Chemical Process Development

Du Zuyin
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

The scale-up methods used in chemical process, including gradual empirical method, mathematical simulation, partial analysis and similarity scale-up, were described in this article. In these methods there are different applicable parties and conditions respectively. To use what method should be determined on the basis of how deep in understanding of the process. For some complex processes use of several methods integrated may be suitable.

development of chemical process technology; scale-up of chemical process technology; gradual empirical scale-up;mathematical simulation; partial analysis; similarity scale-up

TQ 021

A

2095-817X（2017）03-0001-003

2016-02-14

堵祖荫（1937—），男，教授级高级工程师，长期从事石油化工规划、设计和技术开发工作。