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精細化工過程開發(fā)
精細化工過程開發(fā)的一般步驟是從一個新的技術思想的提出,，再通過實驗室試驗,、中間試驗到實現(xiàn)工業(yè)化生產取得經濟實效并形成一整套技術資料這一個全過程,；或者說是把“設想"變成“現(xiàn)實"的全過程,。由于化工生產的多樣性與復雜性，化工過程開發(fā)的目標和內容有所不同,，如新產品開發(fā),、新技術開發(fā)、新設備開發(fā),、老技術及老設備的革新等,。但開發(fā)的程序或步驟則大同小異。一般精細化工過程開發(fā)步驟示意如圖1-3,。綜合起來看,，一個新的精細化工過程開發(fā)可分為三大階段，分述如下,。
圖1-3精細化工過程開發(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物理和化學的基本理論,、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)，提出一個新的技術或工藝思路,，然后在實驗室進行實驗探索,，明確過程的可能性和合理性,，測定基礎數(shù)據,，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(化學純,、分析純級)。純試劑雜質少,、能本質地顯露出反應條件和原料配比對產品收率的影響,，減少研制新產品的阻力。在用純試劑研制取得成功的基礎上,，逐一改用工業(yè)原料,。有些工業(yè)原料含有的雜質對新產品質量等影響很小，則可直接采用,。有些工業(yè)原料雜質較多,，影響合成新產品的反應或質量，那就要經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速度大大加快,，能使一些不宜用于工業(yè)生產的緩慢反應得到加速，建立新的產業(yè),。近年來關于制取醫(yī)藥,、農藥、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的方法、工藝條件范圍,、條件和指標包括進料配比和流速,、反應溫度、壓力,、接觸時間,、催化劑負荷、反應的轉化率和選擇性,、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論。
(4)收集或測定必要的理化數(shù)據和熱力學數(shù)據包括密度,、黏度,、熱導率、擴散系數(shù),、比熱容,、反應的熱效應、化學平衡常數(shù),、壓縮因子,、蒸氣壓、露點,、泡點,、爆炸極限等。
(5)動力學研究對于化學反應體系應研究其主反應速度,、重要的副反應速度,，必要時測定失活速度、處理動力學方程式并得出反應的活化能,。
(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),、傳質系數(shù)以及有內部構件時的影響等,。
(7)材料抗腐蝕性能研究所用原料應考慮對生產設備的腐蝕等影響。
(8)毒性試驗許多精細化工新產品都要做毒性試驗,。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,、農藥,、食品和飼料添加劑等精細化工產品，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)精細化工產品時,，預先就要查閱毒性方面的資料,，毒性較大的精細化工產品就不能用于與人類生存密切相關的領域，如食品周轉箱,、食品包裝材料和日用精細化工產品等,。
(9)質量分析小試產品的質量是否符合標準或要求,，須用分析手段來鑒別,。原材料的質量、工藝流程的中間控制,、三廢處理和利用等都要進行分析,。從事精細化工產品生產和開發(fā)的企業(yè)，應根據分析任務,、分析對象,、操作方法及測定原理等，建立必要的分析機構和添置相應的分析儀器設備,。
2.中試放大
從實驗室研究到工業(yè)生產的開發(fā)過程,，一般易于理解為量的擴大而忽視其質的方面。為使小試的成果應用于生產,，一般都要進行中試放大試驗,，它是過渡到工業(yè)化生產的關鍵階段。往往每一級的放大,，都伴隨有技術質量上的差別,，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)也可能要另做調整,。在此階段中,，化學工程和反應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)生產裝置設計的工程數(shù)據,，進行數(shù)據處理從而修正為放大設計所需的數(shù)學模型,。此外，對于新過程的經濟評價也是中試階段的重要組成部分。
(1)預設計及評價結合已有的小試結果,、資料或經驗,，較粗略地預計出全過程的流程和設備，估算出投資,、成本和各項技術經濟指標,，然后加以評價或進行可行性研究?？疾焓欠裼泄I(yè)化的價值,？哪些方面還有待于改進？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)有的某些生產裝置來進行中試？據此進行中間廠設計,。
(2)中試的任務中試是過渡到工業(yè)化生產的關鍵階段,，它的建設和運轉要力求經濟和高效。中試的任務如下：①檢驗和確定系統(tǒng)的連續(xù)運轉條件和可靠性,；②全面提供工程設計數(shù)據,，包括動力學的、傳遞過程的諸方面數(shù)據,，以供數(shù)學模型或直接設計之需,；③考察設備結構的材質和材料的性能；④考察雜質的影響,；⑤提供部分產品或副產品的應用研究和市場開發(fā)之需,；⑥研究解決“三廢"的處理問題；⑦研究生產控制方法,；⑧確定實際的經濟消耗指標,，⑨修正和檢驗數(shù)學模型。
(3)中試放大方法根據目前國內外研究進展情況,，放大方法一般分為經驗放大法,、部分解析法和數(shù)學模型放大法等，分述如下,。
①經驗放大法這是依靠對類似裝置或產品生產的操作經驗而建立起來的以經驗認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)。對難于進行的理論解析課題,，往往依靠經驗來解決,。
②部分解析法這是一種半經驗,、半理論的方法，即根據化學反應工程的知識(動量傳遞,、熱量傳遞,、質量傳遞和反應動力學模型)，對反應系統(tǒng)中的某些部分進行分析,，確定各影響因素之間的主次關系,，并以數(shù)學形式作出部分描述，然后在小裝置中進行試驗驗證,，探明這些關系式的偏離程度,，找出修正因子，或者結合經驗的判斷,，定出設計方法或所需結果來,。
③數(shù)學模型放大法該法是針對一個實際放大過程用教學方程的形式加以描述，即用數(shù)學語言來表達過程中各種變量之間的關系,，再運用計算機來進行研究,、設計和放大。這種數(shù)學方程稱之為數(shù)學模型,，它通常是一組微分或代數(shù)方程式,。數(shù)學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，利用電子計算機之助,，一般總可以算出結果來,。要建立一個正確的數(shù)學模型，首先得對過程的實質有深刻的認識和確切的掌握,，這就需要有從生產實踐和科學研究兩方面積累起來的,、直接的和間接的知識，經過去偽存真,、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)學手段把有關因素之間的相互關系定量地表示出來,。數(shù)學模型放大法成功的關鍵在于數(shù)學模型的可靠性，一般從初級模型到預測模型再到設計模型需經過小試,、中試到工業(yè)試驗的多次檢驗修正,，才能達到真正的程度。
④相似模擬法通過無量綱數(shù)進行放大的相似模擬法被成功地應用于許多物理過程,，但對化學反應過程,，由于一般不能做到既物理相似又化學相似，故除特殊情況外，多不采用,。
3.工業(yè)化生產試驗
一般正式化工業(yè)生產廠的規(guī)模約為中間試驗廠的10～50倍,，當腐蝕情況及物性常數(shù)都明確時，規(guī)?？蓴U大到100～500倍,。
組成一個過程的許多化工單元和設備，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械,，如泵及壓縮機等，因是定型產品,，不存在這個問題,。對于一般的換熱設備，只要物性數(shù)據準確,，可以放大數(shù)百倍而誤差不超過10％,。對于蒸餾、吸收等塔設備,，如有正確的平衡數(shù)據,，也可放大100～200倍?？傊?，對于精細化工生產的單元操作和設備，經過中試后,，即可比較容易地進行工業(yè)設計并投入工業(yè)化生產試驗,。但對于化學反應裝置，由于其中進行著多種物理與化學過程,，而且相互影響,，情況錯綜復雜，理論解析往往感到困難,，甚至實驗數(shù)據也不易歸納為有把握的規(guī)律性的形式,，工業(yè)化生產的關鍵或難點即在此。
精細化工產品大致分為配方型產品和合成型產品,。對于配方型產品,，其反應裝置內進行的只是一定工藝條件下的復配或只有簡單的化學反應，這種產品在經過中試后,，可直接進入工業(yè)化生產,，一般不會存在技術問題。對于合成型產品,，尤其是需經過多步合成反應的醫(yī)藥類產品,，由于反應過程復雜,，影響因素較多，在進行設計時需建立工業(yè)反應器的數(shù)學模型,，然后再進行工業(yè)化生產試驗,。這方面的問題屬于化學反應工程學的研究范疇，在此簡述如下,。
數(shù)學模型可以分為兩大類,，一類是從過程機理出發(fā)推導得到的，這一類模型叫做機理模型,；另一類是由于對過程的實質了解得不甚確切,，而是從實驗數(shù)據歸納得到的模型，叫做經驗模型,。機理模型由于反映了過程的本質,，可以外推使用，即可超出實驗條件范圍,；而經驗模型則不宜進行外推,，或者不宜大幅度地進行外推。既然是經驗性的東西,，自然就有一定的局限性,，超過了所歸納的實驗數(shù)據范圍，結論就不一定可靠,。顯而易見,，能夠建立機理模型當然，但由于科技發(fā)展水平的限制,，目前還有許多過程的實質尚不甚清楚,，也只能建立經驗模型。工業(yè)反應器中的過程都是十分復雜的,，需要抓住主要矛盾，將復雜現(xiàn)象簡化,，構成一個清晰的物理圖像,。一般工業(yè)化學反應器數(shù)學模型的建立，首先要結合反應器的形式,，充分運用各個有關學科的知識進行過程的動力學分析,。圖1-4為反應器模型建立程序，同時也示出了所涉及的學科及其相互關系,。通過實驗數(shù)據以及熱力學和化學知識,，首先獲得微觀反應速率方程，前已指出,，要確定反應過程的溫度條件,，就牽涉到相間的傳熱,、反應器與外界的換熱；要確定反應器內物料的濃度分布情況,，則與器內流體流動狀況,、混合情況、相間傳質等有關,。無論反應組分的濃度或溫度,，都是決定反應速率的重要因素。因此,，微觀反應速率方程是不可能描述工業(yè)反應器的全過程的,。這就需要將微觀反應速率方程與傳遞過程結合起來考慮，運用相應的數(shù)學方法,，建立宏觀反應速率方程,。最后，還需從經濟的角度進行分析,，以獲得宜的反應速率方程,。
圖1-4反應器模型的建立程序
數(shù)學模型的模型參數(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,。還應考慮到所得的模型方程計算機是否能運算,，費時多少，特別是控制用的數(shù)學模型,。另外,，同一過程往往可以建立許多數(shù)學模型，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,，還需根據實驗數(shù)據進行參數(shù)估值,。
工業(yè)反應器的規(guī)模改變時，不僅產生量的變化,，而且產生質的變化,。這樣一來根據實驗室的數(shù)據和有關的學科知識建立起來的反應器模型，用于實際生產時需要做不同規(guī)模的反應器試驗,，反復將數(shù)學模型在實踐中檢驗,、修改、錘煉與提高,，方可作為工業(yè)化生產設計時的依據,。當然，目前還不能說所有化工過程都可以用數(shù)學模型來描述,，也不是說每個化工過程的開發(fā)都必須建立數(shù)學模型,，應視具體情況而定,。
上述所討論的幾個放大階段，僅僅是有關工藝過程方面,，當然這是重要的一面,。但是，作為一個新產品工廠或車間的設計與建設,，這是不夠的,，還有許多方面的問題需要解決，諸如經濟分析,、機械設計,、自動控制等，都需綜合起來進行考慮,。
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