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精細(xì)化工過程開發(fā)試驗及步驟
精細(xì)化工過程開發(fā)的一般步驟是從一個新的技術(shù)思想的提出,，再通過實驗室試驗,、中間試驗到實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)取得經(jīng)濟(jì)實效并形成一整套技術(shù)資料這一個全過程；或者說是把“設(shè)想"變成“現(xiàn)實"的全過程。由于化工生產(chǎn)的多樣性與復(fù)雜性,，化工過程開發(fā)的目標(biāo)和內(nèi)容有所不同,，如新產(chǎn)品開發(fā),、新技術(shù)開發(fā),、新設(shè)備開發(fā)、老技術(shù)及老設(shè)備的革新等,。但開發(fā)的程序或步驟則大同小異,。一般精細(xì)化工過程開發(fā)步驟示意如圖1-3。綜合起來看,，一個新的精細(xì)化工過程開發(fā)可分為三大階段,，分述如下。
圖1-3精細(xì)化工過程開發(fā)步驟示意圖
1.實驗室研究(小試)
實驗室研究階段包括根據(jù)物理和化學(xué)的基本理論,、或從實驗現(xiàn)象的啟發(fā)與推演,、信息資料的分析等出發(fā)，提出一個新的技術(shù)或工藝思路,，然后在實驗室進(jìn)行實驗探索,，明確過程的可能性和合理性，測定基礎(chǔ)數(shù)據(jù),，探索工藝條件等,，具體事項說明如下。
(1)選擇原料小試的原料通常用純試劑(化學(xué)純,、分析純級),。純試劑雜質(zhì)少、能本質(zhì)地顯露出反應(yīng)條件和原料配比對產(chǎn)品收率的影響,，減少研制新產(chǎn)品的阻力,。在用純試劑研制取得成功的基礎(chǔ)上，逐一改用工業(yè)原料,。有些工業(yè)原料含有的雜質(zhì)對新產(chǎn)品質(zhì)量等影響很小,，則可直接采用。有些工業(yè)原料雜質(zhì)較多,，影響合成新產(chǎn)品的反應(yīng)或質(zhì)量,，那就要經(jīng)過提純或別的方法處理后再用。
(2)確定催化體系催化劑可使反應(yīng)速度大大加快,，能使一些不宜用于工業(yè)生產(chǎn)的緩慢反應(yīng)得到加速,，建立新的產(chǎn)業(yè),。近年來關(guān)于制取醫(yī)藥,、農(nóng)藥、食品和飼料添加劑等的催化劑增長很快。選擇催化體系盡量要從省資源,、省能源,、少污染的角度考慮，尤其要注意采用生物酶作催化劑,。
(3)提出和驗證實施反應(yīng)的方法,、工藝條件范圍、條件和指標(biāo)包括進(jìn)料配比和流速,、反應(yīng)溫度,、壓力、接觸時間,、催化劑負(fù)荷,、反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性、催化劑的壽命或失活情況等,，這些大部分可以通過安排單因素實驗,、多因素正交試驗等來得出結(jié)論。
(4)收集或測定必要的理化數(shù)據(jù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)包括密度,、黏度,、熱導(dǎo)率、擴(kuò)散系數(shù),、比熱容,、反應(yīng)的熱效應(yīng)、化學(xué)平衡常數(shù),、壓縮因子,、蒸氣壓、露點,、泡點,、爆炸極限等。
(5)動力學(xué)研究對于化學(xué)反應(yīng)體系應(yīng)研究其主反應(yīng)速度,、重要的副反應(yīng)速度,，必要時測定失活速度、處理動力學(xué)方程式并得出反應(yīng)的活化能,。
(6)傳遞過程研究流體流動的壓降,、速度分布、混合與返混,、停留時間分布,、氣含率、固含率,、固體粒子的磨損,、相間交換,、傳熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)以及有內(nèi)部構(gòu)件時的影響等,。
(7)材料抗腐蝕性能研究所用原料應(yīng)考慮對生產(chǎn)設(shè)備的腐蝕等影響,。
(8)毒性試驗許多精細(xì)化工新產(chǎn)品都要做毒性試驗。急性毒性用LD50來表示,，又稱半數(shù)致死量,，指被試驗的動物(大白鼠、小白鼠等)一次口服,、注射或皮膚敷藥劑后,，有半數(shù)(50％)動物死亡所用的劑量。LD50的單位是所用藥劑毫克數(shù)/千克體重,。LD50數(shù)值越小,，表示毒性越大。對于醫(yī)藥,、農(nóng)藥,、食品和飼料添加劑等精細(xì)化工產(chǎn)品，除了做急性毒性外,，還要做亞急性和慢性毒性(包括致癌,、致畸)等試驗。在開發(fā)精細(xì)化工產(chǎn)品時,，預(yù)先就要查閱毒性方面的資料,，毒性較大的精細(xì)化工產(chǎn)品就不能用于與人類生存密切相關(guān)的領(lǐng)域，如食品周轉(zhuǎn)箱,、食品包裝材料和日用精細(xì)化工產(chǎn)品等,。
(9)質(zhì)量分析小試產(chǎn)品的質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)或要求，須用分析手段來鑒別,。原材料的質(zhì)量,、工藝流程的中間控制、三廢處理和利用等都要進(jìn)行分析,。從事精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)和開發(fā)的企業(yè),，應(yīng)根據(jù)分析任務(wù)、分析對象,、操作方法及測定原理等,，建立必要的分析機(jī)構(gòu)和添置相應(yīng)的分析儀器設(shè)備。
2.中試放大
從實驗室研究到工業(yè)生產(chǎn)的開發(fā)過程,，一般易于理解為量的擴(kuò)大而忽視其質(zhì)的方面,。為使小試的成果應(yīng)用于生產(chǎn)，一般都要進(jìn)行中試放大試驗,，它是過渡到工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵階段,。往往每一級的放大,，都伴隨有技術(shù)質(zhì)量上的差別，小裝置上的措施未必與大裝置上的相同,，甚至一些操作參數(shù)也可能要另做調(diào)整。在此階段中,，化學(xué)工程和反應(yīng)工程的知識和手段是十分重要的,。中試的時間對一個過程的開發(fā)周期往往具有決定性的影響。中試要求研究人員具有豐富的工程知識,，掌握*的測試手段,，并能取得提供工業(yè)生產(chǎn)裝置設(shè)計的工程數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理從而修正為放大設(shè)計所需的數(shù)學(xué)模型,。此外,，對于新過程的經(jīng)濟(jì)評價也是中試階段的重要組成部分。
(1)預(yù)設(shè)計及評價結(jié)合已有的小試結(jié)果,、資料或經(jīng)驗,，較粗略地預(yù)計出全過程的流程和設(shè)備，估算出投資,、成本和各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),，然后加以評價或進(jìn)行可行性研究?？疾焓欠裼泄I(yè)化的價值,？哪些方面還有待于改進(jìn)？是要全流程的中間廠,，還是只要局部中試就可以了,？是否有可能利用現(xiàn)有的某些生產(chǎn)裝置來進(jìn)行中試？據(jù)此進(jìn)行中間廠設(shè)計,。
(2)中試的任務(wù)中試是過渡到工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵階段,，它的建設(shè)和運轉(zhuǎn)要力求經(jīng)濟(jì)和高效。中試的任務(wù)如下：①檢驗和確定系統(tǒng)的連續(xù)運轉(zhuǎn)條件和可靠性,；②全面提供工程設(shè)計數(shù)據(jù),，包括動力學(xué)的、傳遞過程的諸方面數(shù)據(jù),，以供數(shù)學(xué)模型或直接設(shè)計之需,；③考察設(shè)備結(jié)構(gòu)的材質(zhì)和材料的性能；④考察雜質(zhì)的影響,；⑤提供部分產(chǎn)品或副產(chǎn)品的應(yīng)用研究和市場開發(fā)之需,；⑥研究解決“三廢"的處理問題；⑦研究生產(chǎn)控制方法,；⑧確定實際的經(jīng)濟(jì)消耗指標(biāo),，⑨修正和檢驗數(shù)學(xué)模型,。
(3)中試放大方法根據(jù)目前國內(nèi)外研究進(jìn)展情況，放大方法一般分為經(jīng)驗放大法,、部分解析法和數(shù)學(xué)模型放大法等,，分述如下。
①經(jīng)驗放大法這是依靠對類似裝置或產(chǎn)品生產(chǎn)的操作經(jīng)驗而建立起來的以經(jīng)驗認(rèn)識為主實行放大的方法,。因此,，為了不冒失敗的危險，放大的比例常常是比較小的,，甚至再有意加大一些安全系數(shù),。對難于進(jìn)行的理論解析課題，往往依靠經(jīng)驗來解決,。
②部分解析法這是一種半經(jīng)驗,、半理論的方法，即根據(jù)化學(xué)反應(yīng)工程的知識(動量傳遞,、熱量傳遞,、質(zhì)量傳遞和反應(yīng)動力學(xué)模型)，對反應(yīng)系統(tǒng)中的某些部分進(jìn)行分析,，確定各影響因素之間的主次關(guān)系,，并以數(shù)學(xué)形式作出部分描述，然后在小裝置中進(jìn)行試驗驗證,，探明這些關(guān)系式的偏離程度,，找出修正因子，或者結(jié)合經(jīng)驗的判斷,，定出設(shè)計方法或所需結(jié)果來,。
③數(shù)學(xué)模型放大法該法是針對一個實際放大過程用教學(xué)方程的形式加以描述，即用數(shù)學(xué)語言來表達(dá)過程中各種變量之間的關(guān)系,，再運用計算機(jī)來進(jìn)行研究,、設(shè)計和放大。這種數(shù)學(xué)方程稱之為數(shù)學(xué)模型,，它通常是一組微分或代數(shù)方程式,。數(shù)學(xué)模型的建立是整個放大過程的核心，也是最困難的部分,。只要能夠建立正確的模型,，利用電子計算機(jī)之助，一般總可以算出結(jié)果來,。要建立一個正確的數(shù)學(xué)模型,，首先得對過程的實質(zhì)有深刻的認(rèn)識和確切的掌握，這就需要有從生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究兩方面積累起來的、直接的和間接的知識,，經(jīng)過去偽存真,、去蕪存精的功夫，把它抽象成為概念,、理論和方法,，然后才能運用數(shù)學(xué)手段把有關(guān)因素之間的相互關(guān)系定量地表示出來。數(shù)學(xué)模型放大法成功的關(guān)鍵在于數(shù)學(xué)模型的可靠性,，一般從初級模型到預(yù)測模型再到設(shè)計模型需經(jīng)過小試,、中試到工業(yè)試驗的多次檢驗修正，才能達(dá)到真正的程度,。
④相似模擬法通過無量綱數(shù)進(jìn)行放大的相似模擬法被成功地應(yīng)用于許多物理過程,，但對化學(xué)反應(yīng)過程,，由于一般不能做到既物理相似又化學(xué)相似,，故除特殊情況外，多不采用,。
3.工業(yè)化生產(chǎn)試驗
一般正式化工業(yè)生產(chǎn)廠的規(guī)模約為中間試驗廠的10～50倍,，當(dāng)腐蝕情況及物性常數(shù)都明確時，規(guī)?？蓴U(kuò)大到100～500倍,。
組成一個過程的許多化工單元和設(shè)備，能夠有把握放大的倍數(shù)并不一致,。對于通用的流體輸送機(jī)械,，如泵及壓縮機(jī)等，因是定型產(chǎn)品,，不存在這個問題,。對于一般的換熱設(shè)備，只要物性數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,，可以放大數(shù)百倍而誤差不超過10％,。對于蒸餾、吸收等塔設(shè)備,，如有正確的平衡數(shù)據(jù),，也可放大100～200倍?？傊?，對于精細(xì)化工生產(chǎn)的單元操作和設(shè)備，經(jīng)過中試后,，即可比較容易地進(jìn)行工業(yè)設(shè)計并投入工業(yè)化生產(chǎn)試驗,。但對于化學(xué)反應(yīng)裝置，由于其中進(jìn)行著多種物理與化學(xué)過程,，而且相互影響,，情況錯綜復(fù)雜,，理論解析往往感到困難，甚至實驗數(shù)據(jù)也不易歸納為有把握的規(guī)律性的形式,，工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵或難點即在此,。
精細(xì)化工產(chǎn)品大致分為配方型產(chǎn)品和合成型產(chǎn)品。對于配方型產(chǎn)品,，其反應(yīng)裝置內(nèi)進(jìn)行的只是一定工藝條件下的復(fù)配或只有簡單的化學(xué)反應(yīng),，這種產(chǎn)品在經(jīng)過中試后，可直接進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn),，一般不會存在技術(shù)問題,。對于合成型產(chǎn)品，尤其是需經(jīng)過多步合成反應(yīng)的醫(yī)藥類產(chǎn)品,，由于反應(yīng)過程復(fù)雜,，影響因素較多，在進(jìn)行設(shè)計時需建立工業(yè)反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,，然后再進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)試驗,。這方面的問題屬于化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究范疇，在此簡述如下,。
數(shù)學(xué)模型可以分為兩大類,，一類是從過程機(jī)理出發(fā)推導(dǎo)得到的，這一類模型叫做機(jī)理模型,；另一類是由于對過程的實質(zhì)了解得不甚確切,，而是從實驗數(shù)據(jù)歸納得到的模型，叫做經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。機(jī)理模型由于反映了過程的本質(zhì),，可以外推使用，即可超出實驗條件范圍,；而經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛣t不宜進(jìn)行外推,，或者不宜大幅度地進(jìn)行外推。既然是經(jīng)驗性的東西,，自然就有一定的局限性,，超過了所歸納的實驗數(shù)據(jù)范圍，結(jié)論就不一定可靠,。顯而易見,，能夠建立機(jī)理模型當(dāng)然，但由于科技發(fā)展水平的限制,，目前還有許多過程的實質(zhì)尚不甚清楚,，也只能建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀９I(yè)反應(yīng)器中的過程都是十分復(fù)雜的，需要抓住主要矛盾,，將復(fù)雜現(xiàn)象簡化,，構(gòu)成一個清晰的物理圖像。一般工業(yè)化學(xué)反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的建立,，首先要結(jié)合反應(yīng)器的形式,，充分運用各個有關(guān)學(xué)科的知識進(jìn)行過程的動力學(xué)分析。圖1-4為反應(yīng)器模型建立程序,，同時也示出了所涉及的學(xué)科及其相互關(guān)系,。通過實驗數(shù)據(jù)以及熱力學(xué)和化學(xué)知識，首先獲得微觀反應(yīng)速率方程,，前已指出,，要確定反應(yīng)過程的溫度條件，就牽涉到相間的傳熱,、反應(yīng)器與外界的換熱,；要確定反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度分布情況，則與器內(nèi)流體流動狀況,、混合情況,、相間傳質(zhì)等有關(guān),。無論反應(yīng)組分的濃度或溫度,，都是決定反應(yīng)速率的重要因素。因此,，微觀反應(yīng)速率方程是不可能描述工業(yè)反應(yīng)器的全過程的,。這就需要將微觀反應(yīng)速率方程與傳遞過程結(jié)合起來考慮，運用相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法,，建立宏觀反應(yīng)速率方程,。最后，還需從經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行分析,，以獲得宜的反應(yīng)速率方程,。
圖1-4反應(yīng)器模型的建立程序
數(shù)學(xué)模型的模型參數(shù)不宜過多，因為模型參數(shù)過多會掩蓋模型和裝置性能相擬合的真實程度,。還應(yīng)考慮到所得的模型方程計算機(jī)是否能運算,，費時多少，特別是控制用的數(shù)學(xué)模型,。另外,，同一過程往往可以建立許多數(shù)學(xué)模型，這里就存在著一個模型識別的問題,，即對可能的模型加以鑒別,，找出最合適的模型來，模型確定下來之后，還需根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估值,。
工業(yè)反應(yīng)器的規(guī)模改變時,，不僅產(chǎn)生量的變化，而且產(chǎn)生質(zhì)的變化,。這樣一來根據(jù)實驗室的數(shù)據(jù)和有關(guān)的學(xué)科知識建立起來的反應(yīng)器模型,，用于實際生產(chǎn)時需要做不同規(guī)模的反應(yīng)器試驗，反復(fù)將數(shù)學(xué)模型在實踐中檢驗,、修改,、錘煉與提高，方可作為工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)計時的依據(jù),。當(dāng)然,，目前還不能說所有化工過程都可以用數(shù)學(xué)模型來描述，也不是說每個化工過程的開發(fā)都必須建立數(shù)學(xué)模型,，應(yīng)視具體情況而定,。
上述所討論的幾個放大階段，僅僅是有關(guān)工藝過程方面,，當(dāng)然這是重要的一面,。但是，作為一個新產(chǎn)品工廠或車間的設(shè)計與建設(shè),，這是不夠的,，還有許多方面的問題需要解決，諸如經(jīng)濟(jì)分析,、機(jī)械設(shè)計,、自動控制等，都需綜合起來進(jìn)行考慮,。
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