1.3　反應器的放大

反應器中流體流動和混合的狀態以及相間的傳遞過程會影響反應組分的濃度和溫度分布，從而影響反應的速率、選擇性和最終轉化率。當反應規模變大時，本征反應特性不變，而傳遞特性有可能發生很大變化，其結果是大裝置上的反應結果與實驗室小試結果表現出很大差異，而且多數情況下使反應轉化率和/或目標產物選擇性降低，即出現所謂“放大效應”。所以，在對反應器進行設計和放大時，需要修正和優化工藝參數，優化反應器結構和操作條件，以消除或減輕“放大效應”對反應過程的不利影響。

在反應器放大過程中，所采用的方法一般有三種：①經驗放大；②相似放大；③模型放大。

經驗放大方法又稱逐級放大方法，這也是工業實踐中常用的反應器放大方法，通過逐步增大反應器的體積，試驗驗證和分析物理因素對化學反應的影響規律，直至達到工業生產所需的規模。這種試驗探索式的放大方式也反映了反應器開發過程的經驗性質。經驗放大方法一般包括以下幾個階段，如圖1-5所示。

圖1-5　反應器的經驗放大

經驗放大即在實驗室小試技術的基礎上，通過中間試驗（簡稱中試）考察流動、混合等物理因素對反應的影響，驗證反應器的適應性并完成物料和能量衡算，為工業反應器的設計提供工藝包。對于放大倍數很大的過程，中間試驗一般要進行多次才能確定最優的工業反應器參數。當涉及多相反應或者特殊流動體系時，有可能還需要做冷模試驗，即在沒有化學反應的條件下，利用水、空氣、沙子等模擬研究反應體系的流場分布、流速分布、顆粒濃度分布和混合效果等。經驗放大方法的優點是設計參數安全可靠，放大成功率高。其缺點是費時、耗資、耗材，會浪費大量資源且延遲技術的工業實現。

相似放大方法基于相似理論和量綱分析，是化學工程學科中處理物理過程的單元操作時常用的方法。它是基于某種相似狀態（如幾何特性、流動狀態、傳遞特性等）進行放大的方法，這些狀態常用特征數描述，因而又稱為特征數放大。比如，基于雷諾數的流體設備放大就屬于這一類。對于固定床催化反應器，當反應熱效應較小且單程轉化率不高時，可以根據空速（催化劑單位時間單位體積所處理的原料體積，即催化劑的處理能力）進行反應器的放大。但是，化學過程不同于物理過程，在化學反應中不僅有量的變化而且有質的變化。一個只有量變的物理過程，按比例放大是可行的。但是對于大多數化學反應來說，其反應的化學相似與反應器的幾何相似及時間相似不可能同時滿足，所以相似放大的方法在多數情況下并不適用。

模型放大方法以認識化學反應過程本質規律為基礎，先建立物理模型（抽提出主要影響因素，忽略次要因素），然后建立數學模型（用方程式關聯物理模型中的關鍵參數），最后以數學模型為基礎進行反應器的設計計算和放大。理論上講，這種放大方法可以實現無限級放大。比如，在丙烯二聚合成異戊二烯的反應系統開發過程中，采用數學模型方法放大，一次放大17000倍，其產品質量基本達到實驗室開發水平，而且建立起來的數學模型在工業生產過程的閉環控制中也成功地得到應用。模型放大成敗的關鍵在于所建立的物理模型和數學模型在多大程度上正確反應過程的規律和特點。反應器物理模型和數學模型的建立是化學反應工程的主要研究內容。

此外，在工業實踐中有時采用半經驗法，即將模型放大與經驗放大相互結合的一種方法。通過盡可能充分的理論分析來建立具有一定理論依據的數學模型，同時利用現有生產操作或實驗測試手段取得必要的數據，以確定所建數學模型中的有關參數，供設計計算時參考。半經驗法是一種半理論、半經驗的設計方法，在計算技術高度發展的今天已逐漸成為主流工業反應器的設計方法。