5.1学习要求 基本要求：了解大型冷模试验的内容及其在化工过程开发中的作用，通过案例分析掌握常 用反应器型式大型冷模试验的方法，让成人教育的学生掌握大型反应器的流场特征
5.1 学习要求 基本要求：了解大型冷模试验的内容及其在化工过程开发中的作用，通过案例分析掌握常 用反应器型式大型冷模试验的方法，让成人教育的学生掌握大型反应器的流场特征
5.2内容简述 一般来说，化工过程开发包括三个环节：小型热模工艺实验研究化学反应规律：大型冷模 试验研究传递规律：将小型热模实验与大型冷模试验所得结果相结合，建立工业装置的数学模 型，形成过程开发成果，即通常所说的工艺软件包。同时为了验证工艺软件包的可靠性，必须 进行相应规模的中间试验，以该试验所得数据对数学模型的各种参数进行修正，并为进一步真 正建立工业生产装置提供基础设计数据。如果开发的化工工艺流程是规模较大的生产装置（年 产10万吨以上)，在中间试验完成后，还必须建立万吨级工业示范装置，进一步考察各种工艺 参数的可行性。因此，大型冷模试验是化工过程开发过程中必不可少的环节
5.2 内容简述 一般来说，化工过程开发包括三个环节：小型热模工艺实验研究化学反应规律；大型冷模 试验研究传递规律；将小型热模实验与大型冷模试验所得结果相结合，建立工业装置的数学模 型，形成过程开发成果，即通常所说的工艺软件包。同时为了验证工艺软件包的可靠性，必须 进行相应规模的中间试验，以该试验所得数据对数学模型的各种参数进行修正，并为进一步真 正建立工业生产装置提供基础设计数据。如果开发的化工工艺流程是规模较大的生产装置(年 产 10 万吨以上)，在中间试验完成后，还必须建立万吨级工业示范装置，进一步考察各种工艺 参数的可行性。因此，大型冷模试验是化工过程开发过程中必不可少的环节
5.2.1大型冷模试验研究的必要性 由于在化学反应器内进行的过程是非常复杂的，既有化学反应过程，又有物理量的传递过 程。这些物理量的传递过程与具体的反应条件交织在一起，无法得到普遍适用的经验公式。同 时，不能对该化学反应器建立简单而有效数学模型的原因主要还不在过程本身的复杂性，而在 于过程所处的几何边界的复杂性。任何描述化学反应器的数学模型方程都必须有确定的边界条 件才能求解，而具体化学反应器的几何形状往往难以用数学方法准确描述。例如，流体通过固 定床乱堆、且形状不规整的催化剂层，通道如网状结构，时缩时扩，对它们进行准确的数学描 述几乎是不可能的。如果再计入千变万化的物性，难度就更大了四。 用单纯的数学模型方法描述简单的固定床反应器已如此困难，还有一系列的具体工程问题， 数学方法根本无法解决。 ()苛刻的流体流动、传质、宏观混合、微观混合、传热、动量传递，这类过程常见于高 温反应工程、燃烧装置。 (2)大型罐、槽的流动、混合、传热，常见于石油化工、无机化工大宗产品工业化装置。 (3)流体均布。例如千万根并联管式反应器，管内进行的是复杂反应，而化学反应的选择 性对温度、空速又极为敏感：大型流化床的气体均布、轴向与径向分隔：大型填料塔、板式塔 的流体均布：径向反应器中流体在上万个小孔中的均布问题等。 (4)物性难以确定的系统，例如高分子聚合物、水煤浆、含固悬浮体等。 总之，由于固定床、流化床、气流床、填料塔、板式塔、流体均布、苛刻条件下的传递过 程无法采用准确而统一的数学方法进行描述，因此化学工艺过程中的传递规律是化工过程开发 必不可少、无法回避的技术内容，只有准确得到该工艺的传递规律，才能与化学反应规律组合 形成过程研究的技术成果，才能为工程研究提供基础设计数据。这也是必须进行大型冷模试验 的客观依据
5.2.1 大型冷模试验研究的必要性 由于在化学反应器内进行的过程是非常复杂的，既有化学反应过程，又有物理量的传递过 程。这些物理量的传递过程与具体的反应条件交织在一起，无法得到普遍适用的经验公式。同 时，不能对该化学反应器建立简单而有效数学模型的原因主要还不在过程本身的复杂性，而在 于过程所处的几何边界的复杂性。任何描述化学反应器的数学模型方程都必须有确定的边界条 件才能求解，而具体化学反应器的几何形状往往难以用数学方法准确描述。例如，流体通过固 定床乱堆、且形状不规整的催化剂层，通道如网状结构，时缩时扩，对它们进行准确的数学描 述几乎是不可能的。如果再计入千变万化的物性，难度就更大了[1]。 用单纯的数学模型方法描述简单的固定床反应器已如此困难，还有一系列的具体工程问题， 数学方法根本无法解决。 (1) 苛刻的流体流动、传质、宏观混合、微观混合、传热、动量传递，这类过程常见于高 温反应工程、燃烧装置。 (2) 大型罐、槽的流动、混合、传热，常见于石油化工、无机化工大宗产品工业化装置。 (3) 流体均布。例如千万根并联管式反应器，管内进行的是复杂反应，而化学反应的选择 性对温度、空速又极为敏感；大型流化床的气体均布、轴向与径向分隔；大型填料塔、板式塔 的流体均布；径向反应器中流体在上万个小孔中的均布问题等。 (4) 物性难以确定的系统，例如高分子聚合物、水煤浆、含固悬浮体等。 总之，由于固定床、流化床、气流床、填料塔、板式塔、流体均布、苛刻条件下的传递过 程无法采用准确而统一的数学方法进行描述，因此化学工艺过程中的传递规律是化工过程开发 必不可少、无法回避的技术内容，只有准确得到该工艺的传递规律，才能与化学反应规律组合 形成过程研究的技术成果，才能为工程研究提供基础设计数据。这也是必须进行大型冷模试验 的客观依据
5.2.2大型冷模试验研究的理论基础 大型冷模试验的研究目的是用“模型”试验获得的传递规律和现象去认识、推测“原型” 的行为。这是一种间接认识，遵循的是相似理论。 (1)相似理论与模型试验 相似理论是说明自然界和工程科学中各种相似现象的学说。其理论基础是关于相似的三个 定律，即相似第一定律（相似正定律）、相似第二定律（Π定理）与相似第三定律（相似逆定理）。所 谓相似就是一种可以将个别现象的研究结果，推广到所有相似的现象上去的科学方法。因此， 相似方法同时也是现象模拟方法的基础。现在，相似方法已为人们所广泛接受，并被公认是当 今科技界的五大研究方法之一。它与其余四种研究方法（即经验法、半经验法、理论解析法、 数学仿真法)相比，其显著特点是照顾到了理论和实际的两个方面，使之相辅相成) 模拟，在多数情况下是指同类事物的模拟，而同类事物的模拟是指在实验室条件下，用模 型来进行现象的研究。这样就引出了“模型试验”的概念。模拟试验是构成相似方法的重要环 节，在近代科学研究和设计工作中，起着十分重要的作用。按照相似理论，模型是与物理系统 密切有关的装置，通过对模型的观察或试验，可以在需要的方面精确地预测系统的性能，这个 被预测的物理系统，通常就叫做“原型”。根据这个定义，为了利用一个模型，当然有必要在 模型和原型间满足某种关系。这种关系通常称之为模型设计条件，或系统的相似性要求。 由此可见，相似理论与模型试验的关系十分密切，是整个问题的两个组成部分。在人类长 期、广泛的实践活动中，二者常常是相辅相成、相得益彰。 而模型试验的意义，可以从以下方面来说明：模型试验作为一种研究手段，可以严格控 制试验对象的主要参量而不受外界条件或自然条件的限制，做到结果准确：b模型试验有利于 在复杂的试验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象的本质特征和内在联系：c由于模型 与原型相比，尺寸一般都是按比例缩小的，或者尺寸虽然相同，但选用易于制造的、能观察内 部流动情况的透明有机玻璃等廉价材质，故制造容易、装卸方便、试验人员少，与采用原型相 比，能节省大量的资金、人力、时间和空间。 (2)现象相似与物理量相似的关系 物理量蕴于现象之中。现象的相似无疑是通过各种物理量的相似来表现的。由于用来表示 现象特征的各种物理量，一般说来不是孤立的、互不关联的，而是处在自然规律所决定的一定 关系之中，所以各种相似常数的大小，是不能随意选择的。在许多情况下，这种关系表现为数 学方程的形式，并且当现象相似时，这些方程又具有同一的形式，因而决定了在各形式常数间 必定存在着某种数学上的约束关系，或称数学关系。 显然，这种数学联系也必定存在于方程尚未发现，但各种相似常数必定存在着相互间约束 关系的一切物理现象之中。 例如，热力设备中的各种现象，如流体的运动、热量的交换等，都伴随有许多物理量（如 温度、压力、速度、密度、粘度、时间等)的变化。对于这种伴随有许多物理量变化的现象， 相似是指表述此种现象的所有物理量在空间相对应的各点及时间上相对应的各瞬间各自互成一 定的比例关系，并且被约束在一定的数学关系之中。 (3)相似准则的导出方法 目前相似准则的导出方法主要有三，即定律分析法、方程分析法和量纲分析法。从理论上 说，三种方法可以得出同样的结果，只是用不同的方法来对物理现象（或过程）作数学上的描述。 但在实际运用上，却有各自不同的特点、限制和要求。 定律分析法这种方法要求人们对所研究的现象必须充分运用己经掌握的全部物理定律， 并能辨别其主次。一旦这个要求得到满足，问题的解决并不困难。这种方法的缺点是：①易 于就事论事，看不出现象的变化过程和内在联系，故作为一种方法，缺乏典型意义：②由于 必须找出全部物理定律，所以对于未能全部掌握其机理的，较为复杂的物理现象，运用这种方 法是不可能的，甚至于无法找到它的近似解：③常常会有一些物理定律，对于所讨论的问题 表面看上去关系并不密切，但又不宜妄加别除，需要通过实验去找出各个定律间的制约关系
5.2.2 大型冷模试验研究的理论基础 大型冷模试验的研究目的是用“模型”试验获得的传递规律和现象去认识、推测“原型” 的行为。这是一种间接认识，遵循的是相似理论。 （1） 相似理论与模型试验 相似理论是说明自然界和工程科学中各种相似现象的学说。其理论基础是关于相似的三个 定律，即相似第一定律(相似正定律)、相似第二定律(П定理)与相似第三定律(相似逆定理)。所 谓相似就是一种可以将个别现象的研究结果，推广到所有相似的现象上去的科学方法。因此， 相似方法同时也是现象模拟方法的基础。现在，相似方法已为人们所广泛接受，并被公认是当 今科技界的五大研究方法之一。它与其余四种研究方法(即经验法、半经验法、理论解析法、 数学仿真法)相比，其显著特点是照顾到了理论和实际的两个方面，使之相辅相成[2]。 模拟，在多数情况下是指同类事物的模拟，而同类事物的模拟是指在实验室条件下，用模 型来进行现象的研究。这样就引出了“模型试验”的概念。模拟试验是构成相似方法的重要环 节，在近代科学研究和设计工作中，起着十分重要的作用。按照相似理论，模型是与物理系统 密切有关的装置，通过对模型的观察或试验，可以在需要的方面精确地预测系统的性能，这个 被预测的物理系统，通常就叫做“原型”。根据这个定义，为了利用一个模型，当然有必要在 模型和原型间满足某种关系。这种关系通常称之为模型设计条件，或系统的相似性要求。 由此可见，相似理论与模型试验的关系十分密切，是整个问题的两个组成部分。在人类长 期、广泛的实践活动中，二者常常是相辅相成、相得益彰。 而模型试验的意义，可以从以下方面来说明：a 模型试验作为一种研究手段，可以严格控 制试验对象的主要参量而不受外界条件或自然条件的限制，做到结果准确；b 模型试验有利于 在复杂的试验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象的本质特征和内在联系；c 由于模型 与原型相比，尺寸一般都是按比例缩小的，或者尺寸虽然相同，但选用易于制造的、能观察内 部流动情况的透明有机玻璃等廉价材质，故制造容易、装卸方便、试验人员少，与采用原型相 比，能节省大量的资金、人力、时间和空间。 （2） 现象相似与物理量相似的关系 物理量蕴于现象之中。现象的相似无疑是通过各种物理量的相似来表现的。由于用来表示 现象特征的各种物理量，一般说来不是孤立的、互不关联的，而是处在自然规律所决定的一定 关系之中，所以各种相似常数的大小，是不能随意选择的。在许多情况下，这种关系表现为数 学方程的形式，并且当现象相似时，这些方程又具有同一的形式，因而决定了在各形式常数间 必定存在着某种数学上的约束关系，或称数学关系。 显然，这种数学联系也必定存在于方程尚未发现，但各种相似常数必定存在着相互间约束 关系的一切物理现象之中。 例如，热力设备中的各种现象，如流体的运动、热量的交换等，都伴随有许多物理量(如 温度、压力、速度、密度、粘度、时间等)的变化。对于这种伴随有许多物理量变化的现象， 相似是指表述此种现象的所有物理量在空间相对应的各点及时间上相对应的各瞬间各自互成一 定的比例关系，并且被约束在一定的数学关系之中。 （3） 相似准则的导出方法 目前相似准则的导出方法主要有三，即定律分析法、方程分析法和量纲分析法。从理论上 说，三种方法可以得出同样的结果，只是用不同的方法来对物理现象(或过程)作数学上的描述。 但在实际运用上，却有各自不同的特点、限制和要求。 定律分析法 这种方法要求人们对所研究的现象必须充分运用已经掌握的全部物理定律， 并能辨别其主次。一旦这个要求得到满足，问题的解决并不困难。这种方法的缺点是：① 易 于就事论事，看不出现象的变化过程和内在联系，故作为一种方法，缺乏典型意义；② 由于 必须找出全部物理定律，所以对于未能全部掌握其机理的，较为复杂的物理现象，运用这种方 法是不可能的，甚至于无法找到它的近似解；③ 常常会有一些物理定律，对于所讨论的问题 表面看上去关系并不密切，但又不宜妄加剔除，需要通过实验去找出各个定律间的制约关系
和决定哪个定律对问题说来是重要的，因此就在实际上为问题的解决带来不便。 方程分析法这里所说的方程，主要指微分方程，此外也有积分方程、积分一微分方程方 程，它们统称为数理方程。这种方法的优点是：①结构严密，能反映现象最为本质的物理定 律，故在解决问题时结论可靠：②分析过程程序明确，分析步骤易于检查：③各种影响因素 的地位一览无遗，便于推断、比较和检验。但是，也要看到：①在方程尚处于建立阶段时， 需要人们对现象的机理有深入的了解：②即使建立了数理方程，由于运算上的困难，也并非 任何时候都能找到方程的完整解析解，或者只能在一定假设条件下找出它的解析解，从而在某 种程度上失去了它描述现象规律的意义。 量纲分析法本法是在研究现象相似的过程中，对各种物理量的量纲进行考察时产生的。 它的理论基础，是关于量纲齐次的方程的数学理论。根据这一理论，一个能完善、正确地反映 物理过程的数学方程，必定是量纲齐次的。当然，量纲分析法也有着它自身的不足和限制，使 用中要加以注意
和决定哪个定律对问题说来是重要的，因此就在实际上为问题的解决带来不便。 方程分析法 这里所说的方程，主要指微分方程，此外也有积分方程、积分－微分方程方 程，它们统称为数理方程。这种方法的优点是：① 结构严密，能反映现象最为本质的物理定 律，故在解决问题时结论可靠；② 分析过程程序明确，分析步骤易于检查；③ 各种影响因素 的地位一览无遗，便于推断、比较和检验。但是，也要看到：① 在方程尚处于建立阶段时， 需要人们对现象的机理有深入的了解；② 即使建立了数理方程，由于运算上的困难，也并非 任何时候都能找到方程的完整解析解，或者只能在一定假设条件下找出它的解析解，从而在某 种程度上失去了它描述现象规律的意义。 量纲分析法 本法是在研究现象相似的过程中，对各种物理量的量纲进行考察时产生的。 它的理论基础，是关于量纲齐次的方程的数学理论。根据这一理论，一个能完善、正确地反映 物理过程的数学方程，必定是量纲齐次的。当然，量纲分析法也有着它自身的不足和限制，使 用中要加以注意