3.1学习要求 了解小型实验研究工作的目的、任务和研究方法以及对化工工艺流程放大的影响：学会运 用化学反应工程的理论认识对象的特征，并利用对象的特征设计合理的研究方案：掌握通过生 产实践形成工程与工艺相结合的思维方法，通过在生产实践中遇到的工程问题的特殊性简化实 验
3.1 学习要求 了解小型实验研究工作的目的、任务和研究方法以及对化工工艺流程放大的影响；学会运 用化学反应工程的理论认识对象的特征，并利用对象的特征设计合理的研究方案；掌握通过生 产实践形成工程与工艺相结合的思维方法，通过在生产实践中遇到的工程问题的特殊性简化实 验
3.2内容简述 3.2.1预实验 预实验的主旨是通过实验认识研究对象的特征、探索形成某种结果的原因、研究对象工程 化时可资利用的特殊性的。据此，预实验又可分为认识实验、析因实验和鉴别实验，在预实验 阶段中，三者并非绝对分开，往往同时进行。 (1)认识实验 己如前述，小型工艺试验的起点或基础是应用研究成果或文献资料。要在这一基础上深入 研究并以工程化为目的时，研究者急需认识对象的特征，内容包括以下四个部分。反应类型。 是简单反应还是复杂反应：是并联副反应还是串联副反应：主副反应中何者对温度更敏感：何 者对浓度更敏感。b热力学。常见组分间反应的热力学性质都可直接查到或通过基团加和等方 法算得。有些反应的热力学性质则只能通过实验测试。研究者关心的是反应热的大小（吸热还 是放热，强还是弱)，化学反应平衡常数及平衡组成，如果系统伴随相转移时，其相平衡常数 及平衡组成等。℃动力学行为与过程。热量与质量传递控制是否已经消除，如果传质过程影响 反应速率，其相对速率如何，反应属于快反应还是慢反应，是绝热或是等温，是均相或是拟均 相。d工艺条件与指标。工艺条件温和还是苛刻：转化率与选择性的大小如何。以上系泛泛而 谈，事实上不同的开发体系，不可能同时存在且要通过实验才能认识上述全部特征。 (2)析因实验 析因实验是指为了寻找引起某些变化、结果（例如转化率、选择性、反应速率）的原因而组 织的实验。或者说，是从已知的结果、现象出发，通过实验，“由表及里”地探索因果关系。 具体内容包括如下方面：a直接原因。化学反应工程理论指出，影响反应结果的直接原因有催 化剂特性、温度、浓度（压力），当催化剂特性一定时，对特定反应而言，影响反应结果的因素 只有温度与浓度两种因素。b工程因素。上述温度与浓度是指进行化学反应（分子尺度）处的温 度与浓度。事实上，工艺条件、反应器型式及尺寸、操作方式三者总是结合与汇集在一个系统， 又会派生出若干工程因素，诸如流速、流速分布、返混、预混、进料浓度、滴际混合、加热、 冷却等等。这些工程因素又会造成若干浓度与温度分布，诸如床层的轴向、径向：滴内、颗内、 膜内、泡内的浓度与温度分布。℃非常规因素。一些非常规因素也会影响反应结果。诸如，催 化剂中毒、烧结、晶态变化：循环使用的液体因污染改性：参与反应的固体因表面包裹、粘结： 固相沉积、粘稠物沉积：容器材质参与反应：以及药品变质、仪表失灵等意外事故等。 (3)鉴别实验 鉴别实验又称判别实验，它是为鉴别理论思维成果、假说、概念的正确与否而进行的实验。 认识实验与析因实验都是按索性实验，较为费时费力：而鉴别实验则是验证性实验，有极强的 针对性.相对地说较为省时省力。 (4)系统试验 开发者们一方面以科学理论与方法论以及工程经验指导实验，认识开发对象的特征，另一 方面则着力于考虑反应器型式、工艺条件，以期掌握设计与放大规律。在预实验与掌握设计依 据之间还有两项工作要做，一个是放大决策，另一个是系统实验。前者属于理论思维的范畴， 也是系统实验内容的前提。系统实验从工作程式上讲，包含如下环节：a确定实验目标（模型检 验、参数估计或筛选判据)：b制定实验方案；c设计实验装置；d实验设计（设计实验点）：e操 作装置并测取数据：f数据处理，完成实验目标
3.2 内容简述 3.2.1 预实验 预实验的主旨是通过实验认识研究对象的特征、探索形成某种结果的原因、研究对象工程 化时可资利用的特殊性的。据此，预实验又可分为认识实验、析因实验和鉴别实验，在预实验 阶段中，三者并非绝对分开，往往同时进行。 （1）认识实验 已如前述，小型工艺试验的起点或基础是应用研究成果或文献资料。要在这一基础上深入 研究并以工程化为目的时，研究者急需认识对象的特征，内容包括以下四个部分。a 反应类型。 是简单反应还是复杂反应；是并联副反应还是串联副反应；主副反应中何者对温度更敏感；何 者对浓度更敏感。b 热力学。常见组分间反应的热力学性质都可直接查到或通过基团加和等方 法算得。有些反应的热力学性质则只能通过实验测试。研究者关心的是反应热的大小(吸热还 是放热，强还是弱)，化学反应平衡常数及平衡组成，如果系统伴随相转移时，其相平衡常数 及平衡组成等。c 动力学行为与过程。热量与质量传递控制是否已经消除，如果传质过程影响 反应速率，其相对速率如何，反应属于快反应还是慢反应，是绝热或是等温，是均相或是拟均 相。d 工艺条件与指标。工艺条件温和还是苛刻；转化率与选择性的大小如何。以上系泛泛而 谈，事实上不同的开发体系，不可能同时存在且要通过实验才能认识上述全部特征。 （2）析因实验 析因实验是指为了寻找引起某些变化、结果(例如转化率、选择性、反应速率)的原因而组 织的实验。或者说，是从已知的结果、现象出发，通过实验，“由表及里”地探索因果关系。 具体内容包括如下方面：a 直接原因。化学反应工程理论指出，影响反应结果的直接原因有催 化剂特性、温度、浓度(压力)，当催化剂特性一定时，对特定反应而言，影响反应结果的因素 只有温度与浓度两种因素。b 工程因素。上述温度与浓度是指进行化学反应(分子尺度)处的温 度与浓度。事实上，工艺条件、反应器型式及尺寸、操作方式三者总是结合与汇集在一个系统， 又会派生出若干工程因素，诸如流速、流速分布、返混、预混、进料浓度、滴际混合、加热、 冷却等等。这些工程因素又会造成若干浓度与温度分布，诸如床层的轴向、径向；滴内、颗内、 膜内、泡内的浓度与温度分布。c 非常规因素。一些非常规因素也会影响反应结果。诸如，催 化剂中毒、烧结、晶态变化；循环使用的液体因污染改性；参与反应的固体因表面包裹、粘结； 固相沉积、粘稠物沉积；容器材质参与反应；以及药品变质、仪表失灵等意外事故等。 （3）鉴别实验 鉴别实验又称判别实验，它是为鉴别理论思维成果、假说、概念的正确与否而进行的实验。 认识实验与析因实验都是按索性实验，较为费时费力；而鉴别实验则是验证性实验，有极强的 针对性．相对地说较为省时省力。 （4）系统试验 开发者们一方面以科学理论与方法论以及工程经验指导实验，认识开发对象的特征，另一 方面则着力于考虑反应器型式、工艺条件，以期掌握设计与放大规律。在预实验与掌握设计依 据之间还有两项工作要做，一个是放大决策，另一个是系统实验。前者属于理论思维的范畴， 也是系统实验内容的前提。系统实验从工作程式上讲，包含如下环节：a 确定实验目标(模型检 验、参数估计或筛选判据)；b 制定实验方案；c 设计实验装置；d 实验设计(设计实验点)；e 操 作装置并测取数据；f 数据处理，完成实验目标
3.2.2放大决策 在预实验的基础上，若完成了对研究对象的分解、简化，并形成了数学描述设想，则总是 采用数学模型法设计、放大：如无法简化、分解或虽经简化、分解，但还是难以数学描述：则 只能设法寻求放大判据。 (1)数学模型路线 化学反应工程学科迄今已有60年的历史，己经形成了比较完整的理论体系。在不太苛刻 的条件下，在常见的反应环境中，已经对牛顿流体流动、不太复杂的反应体系、均相或多相系 统、催化剂行为、热力学与系统工程等分支进行过多侧面的研究，得到许多理论和有益的经验 规律，从而构成了采用数学模型路线设计、放大的基础，虽不能说一定或一次成功，但已经出 现了有吸引力的态势。 (2)放大判据路线 在对象过于复杂，难以进行数学描述时，只能采用放大判据路线。人们所熟知的搅拌反应 器采用“等功率放大”、“等端点线速度放大”、“等雷诺数放大”属该种类型。 概括起来说，放大决策具体的问题要具体地解决。只要有可能，总是首先采用数学模型设 计、放大路线：反之，则采用判据放大路线，全凭主（认识深度）客（对象难易）观情况而定，没 有一成不变的界限和模式。 (3)模型检验 对同一个物理过程，由于分解、简化（含假设）的角度不同，会得到不同的数学模型：有时 因分解、简化失之偏颇，而不能对物理过程进行恰当的数学描述。总之，在参数估计的同时， 还要检验数学模型，以判别其是否适用。早期的动力学模型检验方法是将模型线性化，利用直 线性来检验模型的正确性，并以此求得模型参数
3.2.2 放大决策 在预实验的基础上，若完成了对研究对象的分解、简化，并形成了数学描述设想，则总是 采用数学模型法设计、放大；如无法简化、分解或虽经简化、分解，但还是难以数学描述；则 只能设法寻求放大判据。 （1）数学模型路线 化学反应工程学科迄今已有 60 年的历史，已经形成了比较完整的理论体系。在不太苛刻 的条件下，在常见的反应环境中，已经对牛顿流体流动、不太复杂的反应体系、均相或多相系 统、催化剂行为、热力学与系统工程等分支进行过多侧面的研究，得到许多理论和有益的经验 规律，从而构成了采用数学模型路线设计、放大的基础，虽不能说一定或一次成功，但已经出 现了有吸引力的态势。 （2）放大判据路线 在对象过于复杂，难以进行数学描述时，只能采用放大判据路线。人们所熟知的搅拌反应 器采用“等功率放大”、“等端点线速度放大”、“等雷诺数放大”属该种类型。 概括起来说，放大决策具体的问题要具体地解决。只要有可能，总是首先采用数学模型设 计、放大路线；反之，则采用判据放大路线，全凭主(认识深度)客(对象难易)观情况而定，没 有一成不变的界限和模式。 （3）模型检验 对同一个物理过程，由于分解、简化(含假设)的角度不同，会得到不同的数学模型；有时 因分解、简化失之偏颇，而不能对物理过程进行恰当的数学描述。总之，在参数估计的同时， 还要检验数学模型，以判别其是否适用。早期的动力学模型检验方法是将模型线性化，利用直 线性来检验模型的正确性，并以此求得模型参数
3.2.3实验结果的数据处理
3.2.3 实验结果的数据处理
3.2.4工艺条件与反应器的选择 前已述及，小型工艺试验的任务是：确定工艺条件框架（含最优工艺条件）、优选反应器型 式，确定设计、放大依据。上述三项任务的基础是开发对象的特征，即反应类型（简单反应， 复杂反应，串联副反应，并联副反应等)、热力学行为（可逆反应、不可逆反应、放热反应、吸 热反应、平衡常数与平衡组成等)、动力学行为（快反应、侵反应、与传递过程的相对关系、相 态等)以及工程环境（材质、杂质、寿命、加热、冷却、惰性组分、上下游工况变化范围等）。上 述三项任务的目标是：经济效益、社会效益、环境保护、安全等。鉴于化工过程的原料一般占 产品成本的70%一80%，所以衡量经济效益时往往以转化率、选择性为指标，而社会效益、 环境、安全则难以定量表达。 换言之，小型工艺试验这种科学、技术行为有其特定的前提和出发点，也有其特定的追求 目标，只能在给出的约束领域内工作。而三项任务虽全都立足于开发对象特征，但彼此并不独 立，而是相互交联与协同的，不过有程度强弱之分。 (1)工艺条件选择 工艺条件主要指温度、压力、浓度、进料组成、空速（流量）、循环（返回）比、放空（排放）量 与组成等，工艺学对特定过程的工艺条件选择均有详细的论述，本文仅从开发角度笼统地介绍 一般原则。 在上述工艺条件中，以温度、浓度最为重要。从微观看，是反应场所（反应发生处）的温 度、浓度：从较大尺度看是催化剂颗内、滴内、泡内、膜内、孔内、界面的温度与浓度分布： 从宏观的角度看，就是反应器内、塔内、炉内、床内的温度与浓度分布。①上述三级（反应场 所级，滴、粒、膜级，反应器级)温度分布与浓度分布，与反应特征有关，更主要的是与工程 因素（由反应器型式、尺寸、操作方式、工艺条件综合生成）有关。所以小试优选的工艺条件， 在不同级别的模试与工业反应器中，未必还是最优。原因很简单，上述三个级别的温度与浓度 分布变了。②就本征反应速率而论，其值仅与催化剂（或理解为反应自身特征一涉及频率因 子与活化能)、浓度、温度有关，而且一般情况下，它们是相互独立的。但如果因其中之一变 化引起反应机理变化（例如，催化剂的催化机理变化：由反应控制转化为扩散控制等）：温度变 化，除自身通过阿累尼斯关系影响反应速率外，还通过物性一传递一浓度分布，影响反应结果： 浓度变化，除自身通过反应级数影响反应速率外，还通过物性（热容）一传递一温度分布，影响 反应结果，则产生协同效应的。还应指出，在多数情况下，这种协同效应可以略而不计。 b以反应结果最优为目标，工艺条件、反应器型式、几何尺寸、操作方式应相互补充、彼 此匹配，以体现综合效果。通过反应器的加热、冷却，催化剂的粒度、原料固体的粒度尺寸、 液体原料的雾化与分布，填充床的结构与流体分布，塔式反应器结构，搅拌反应器的桨叶结构 等等，有可能营造出满意的第二、第三层次因素。因此，在选择工艺条件时，应充分考虑第一 层次因素之间既独立、又联合的效果。 C在选择工艺条件时，应进行热力学计算，以掌握反应进行的极限。如果某组工艺条件预 示的平衡状态与技术目标不符，则应设法改变工艺条件或反应器型式。有时候，希望反应在新 的工艺条件下达到或趋近平衡：也有时候，则希望新的工艺条件能通过反应动力学抑制平衡出 现。 选择工艺条件时还必须考虑材质等因素的约束。如果开发对象为吸热反应，提高温度对 热力学和动力学都是有利的。处于工艺上的要求、有的为了防止或减缓副反应：有的为了提高 设备生产强度，希望反应在高温下进行。此时，必须考虑材质承受能力，在材质的约束下选择 工艺条件。 在系统工程观点指导下选择工艺条件。选择工艺条件既要着眼于具体的化工过程，又要 立足于全系统最优，必要时要牺牲局部，保证全局。压力，特别是对大系统气体为原料过程而 言是全局性因素。系统压力不可能时高、时低，多次起伏。因此，在选择系统压力时，一定要 立足于系统，不仅要考虑一个反应过程，而是要考虑全部反应过程：还要考虑净化、分离过程， 在发生矛盾时，要以系统最优（投资、成本、单耗、效益）决定弃取
3.2.4 工艺条件与反应器的选择 前已述及，小型工艺试验的任务是：确定工艺条件框架(含最优工艺条件)、优选反应器型 式，确定设计、放大依据。上述三项任务的基础是开发对象的特征，即反应类型(简单反应， 复杂反应，串联副反应，并联副反应等)、热力学行为(可逆反应、不可逆反应、放热反应、吸 热反应、平衡常数与平衡组成等)、动力学行为(快反应、侵反应、与传递过程的相对关系、相 态等)以及工程环境(材质、杂质、寿命、加热、冷却、惰性组分、上下游工况变化范围等)。上 述三项任务的目标是：经济效益、社会效益、环境保护、安全等。鉴于化工过程的原料一般占 产品成本的 70％一 80％，所以衡量经济效益时往往以转化率、选择性为指标，而社会效益、 环境、安全则难以定量表达。 换言之，小型工艺试验这种科学、技术行为有其特定的前提和出发点，也有其特定的追求 目标，只能在给出的约束领域内工作。而三项任务虽全都立足于开发对象特征，但彼此并不独 立，而是相互交联与协同的，不过有程度强弱之分。 （1）工艺条件选择 工艺条件主要指温度、压力、浓度、进料组成、空速(流量)、循环(返回)比、放空(排放)量 与组成等，工艺学对特定过程的工艺条件选择均有详细的论述，本文仅从开发角度笼统地介绍 一般原则。 a 在上述工艺条件中，以温度、浓度最为重要。从微观看，是反应场所(反应发生处)的温 度、浓度；从较大尺度看是催化剂颗内、滴内、泡内、膜内、孔内、界面的温度与浓度分布； 从宏观的角度看，就是反应器内、塔内、炉内、床内的温度与浓度分布。① 上述三级(反应场 所级，滴、粒、膜级，反应器级)温度分布与浓度分布，与反应特征有关，更主要的是与工程 因素(由反应器型式、尺寸、操作方式、工艺条件综合生成)有关。所以小试优选的工艺条件， 在不同级别的模试与工业反应器中，未必还是最优。原因很简单，上述三个级别的温度与浓度 分布变了。② 就本征反应速率而论，其值仅与催化剂(或理解为反应自身特征——涉及频率因 子与活化能)、浓度、温度有关，而且一般情况下，它们是相互独立的。但如果因其中之一变 化引起反应机理变化(例如，催化剂的催化机理变化；由反应控制转化为扩散控制等)；温度变 化，除自身通过阿累尼斯关系影响反应速率外，还通过物性一传递一浓度分布，影响反应结果； 浓度变化，除自身通过反应级数影响反应速率外，还通过物性(热容)一传递一温度分布，影响 反应结果，则产生协同效应的。还应指出，在多数情况下，这种协同效应可以略而不计。 b 以反应结果最优为目标，工艺条件、反应器型式、几何尺寸、操作方式应相互补充、彼 此匹配，以体现综合效果。通过反应器的加热、冷却，催化剂的粒度、原料固体的粒度尺寸、 液体原料的雾化与分布，填充床的结构与流体分布，塔式反应器结构，搅拌反应器的桨叶结构 等等，有可能营造出满意的第二、第三层次因素。因此，在选择工艺条件时，应充分考虑第一 层次因素之间既独立、又联合的效果。 c 在选择工艺条件时，应进行热力学计算，以掌握反应进行的极限。如果某组工艺条件预 示的平衡状态与技术目标不符，则应设法改变工艺条件或反应器型式。有时候，希望反应在新 的工艺条件下达到或趋近平衡；也有时候，则希望新的工艺条件能通过反应动力学抑制平衡出 现。 d 选择工艺条件时还必须考虑材质等因素的约束。如果开发对象为吸热反应，提高温度对 热力学和动力学都是有利的。处于工艺上的要求、有的为了防止或减缓副反应；有的为了提高 设备生产强度，希望反应在高温下进行。此时，必须考虑材质承受能力，在材质的约束下选择 工艺条件。 e 在系统工程观点指导下选择工艺条件。选择工艺条件既要着眼于具体的化工过程，又要 立足于全系统最优，必要时要牺牲局部，保证全局。压力，特别是对大系统气体为原料过程而 言是全局性因素。系统压力不可能时高、时低，多次起伏。因此，在选择系统压力时，一定要 立足于系统，不仅要考虑一个反应过程，而是要考虑全部反应过程；还要考虑净化、分离过程， 在发生矛盾时，要以系统最优(投资、成本、单耗、效益)决定弃取