1.3　反应器的放大

反应器中流体流动和混合的状态以及相间的传递过程会影响反应组分的浓度和温度分布，从而影响反应的速率、选择性和最终转化率。当反应规模变大时，本征反应特性不变，而传递特性有可能发生很大变化，其结果是大装置上的反应结果与实验室小试结果表现出很大差异，而且多数情况下使反应转化率和/或目标产物选择性降低，即出现所谓“放大效应”。所以，在对反应器进行设计和放大时，需要修正和优化工艺参数，优化反应器结构和操作条件，以消除或减轻“放大效应”对反应过程的不利影响。

在反应器放大过程中，所采用的方法一般有三种：①经验放大；②相似放大；③模型放大。

经验放大方法又称逐级放大方法，这也是工业实践中常用的反应器放大方法，通过逐步增大反应器的体积，试验验证和分析物理因素对化学反应的影响规律，直至达到工业生产所需的规模。这种试验探索式的放大方式也反映了反应器开发过程的经验性质。经验放大方法一般包括以下几个阶段，如图1-5所示。

图1-5　反应器的经验放大

经验放大即在实验室小试技术的基础上，通过中间试验（简称中试）考察流动、混合等物理因素对反应的影响，验证反应器的适应性并完成物料和能量衡算，为工业反应器的设计提供工艺包。对于放大倍数很大的过程，中间试验一般要进行多次才能确定最优的工业反应器参数。当涉及多相反应或者特殊流动体系时，有可能还需要做冷模试验，即在没有化学反应的条件下，利用水、空气、沙子等模拟研究反应体系的流场分布、流速分布、颗粒浓度分布和混合效果等。经验放大方法的优点是设计参数安全可靠，放大成功率高。其缺点是费时、耗资、耗材，会浪费大量资源且延迟技术的工业实现。

相似放大方法基于相似理论和量纲分析，是化学工程学科中处理物理过程的单元操作时常用的方法。它是基于某种相似状态（如几何特性、流动状态、传递特性等）进行放大的方法，这些状态常用特征数描述，因而又称为特征数放大。比如，基于雷诺数的流体设备放大就属于这一类。对于固定床催化反应器，当反应热效应较小且单程转化率不高时，可以根据空速（催化剂单位时间单位体积所处理的原料体积，即催化剂的处理能力）进行反应器的放大。但是，化学过程不同于物理过程，在化学反应中不仅有量的变化而且有质的变化。一个只有量变的物理过程，按比例放大是可行的。但是对于大多数化学反应来说，其反应的化学相似与反应器的几何相似及时间相似不可能同时满足，所以相似放大的方法在多数情况下并不适用。

模型放大方法以认识化学反应过程本质规律为基础，先建立物理模型（抽提出主要影响因素，忽略次要因素），然后建立数学模型（用方程式关联物理模型中的关键参数），最后以数学模型为基础进行反应器的设计计算和放大。理论上讲，这种放大方法可以实现无限级放大。比如，在丙烯二聚合成异戊二烯的反应系统开发过程中，采用数学模型方法放大，一次放大17000倍，其产品质量基本达到实验室开发水平，而且建立起来的数学模型在工业生产过程的闭环控制中也成功地得到应用。模型放大成败的关键在于所建立的物理模型和数学模型在多大程度上正确反应过程的规律和特点。反应器物理模型和数学模型的建立是化学反应工程的主要研究内容。

此外，在工业实践中有时采用半经验法，即将模型放大与经验放大相互结合的一种方法。通过尽可能充分的理论分析来建立具有一定理论依据的数学模型，同时利用现有生产操作或实验测试手段取得必要的数据，以确定所建数学模型中的有关参数，供设计计算时参考。半经验法是一种半理论、半经验的设计方法，在计算技术高度发展的今天已逐渐成为主流工业反应器的设计方法。