精细化工过程开发试验及步骤

精细化工过程开发的一般步骤是从一个新的技术思想的提出，再通过实验室试验、中间试验到实现工业化生产取得经济实效并形成一整套技术资料这一个全过程；或者说是把“设想”变成“现实”的全过程。由于化工生产的多样性与复杂性，化工过程开发的目标和内容有所不同，如新产品开发、新技术开发、新设备开发、老技术及老设备的革新等。但开发的程序或步骤则大同小异。一般精细化工过程开发步骤示意如图1-3。综合起来看，一个新的精细化工过程开发可分为三大阶段，分述如下。

图1-3精细化工过程开发步骤示意图

1.实验室研究(小试)

实验室研究阶段包括根据物理和化学的基本理论、或从实验现象的启发与推演、信息资料的分析等出发，提出一个新的技术或工艺思路，然后在实验室进行实验探索，明确过程的可能性和合理性，测定基础数据，探索工艺条件等，具体事项说明如下。

(1)选择原料小试的原料通常用纯试剂(化学纯、分析纯级)。纯试剂杂质少、能本质地显露出反应条件和原料配比对产品收率的影响，减少研制新产品的阻力。在用纯试剂研制取得成功的基础上，逐一改用工业原料。有些工业原料含有的杂质对新产品质量等影响很小，则可直接采用。有些工业原料杂质较多，影响合成新产品的反应或质量，那就要经过提纯或别的方法处理后再用。

(2)确定催化体系催化剂可使反应速度大大加快，能使一些不宜用于工业生产的缓慢反应得到加速，建立新的产业。近年来关于制取医药、农药、食品和饲料添加剂等的催化剂专利增长很快。选择催化体系尽量要从省资源、省能源、少污染的角度考虑，尤其要注意采用生物酶作催化剂。

(3)提出和验证实施反应的方法、工艺条件范围、*优条件和指标包括进料配比和流速、反应温度、压力、接触时间、催化剂负荷、反应的转化率和选择性、催化剂的寿命或失活情况等，这些大部分可以通过安排单因素实验、多因素正交试验等来得出结论。

(4)收集或测定必要的理化数据和热力学数据包括密度、黏度、热导率、扩散系数、比热容、反应的热效应、化学平衡常数、压缩因子、蒸气压、露点、泡点、爆炸极限等。

(5)动力学研究对于化学反应体系应研究其主反应速度、重要的副反应速度，必要时测定失活速度、处理动力学方程式并得出反应的活化能。

(6)传递过程研究流体流动的压降、速度分布、混合与返混、停留时间分布、气含率、固含率、固体粒子的磨损、相间交换、传热系数、传质系数以及有内部构件时的影响等。

(7)材料抗腐蚀性能研究所用原料应考虑对生产设备的腐蚀等影响。

(8)毒性试验许多精细化工新产品都要做毒性试验。急性毒性用LD50来表示，又称半数致死量，指被试验的动物(大白鼠、小白鼠等)一次口服、注射或皮肤敷药剂后，有半数(50％)动物死亡所用的剂量。LD50的单位是所用药剂毫克数/千克体重。LD50数值越小，表示毒性越大。对于医药、农药、食品和饲料添加剂等精细化工产品，除了做急性毒性外，还要做亚急性和慢性毒性(包括致癌、致畸)等试验。在开发精细化工产品时，预先就要查阅毒性方面的资料，毒性较大的精细化工产品就不能用于与人类生存密切相关的领域，如食品周转箱、食品包装材料和日用精细化工产品等。

(9)质量分析小试产品的质量是否符合标准或要求，须用分析手段来鉴别。原材料的质量、工艺流程的中间控制、三废处理和利用等都要进行分析。从事精细化工产品生产和开发的企业，应根据分析任务、分析对象、操作方法及测定原理等，建立必要的分析机构和添置相应的分析仪器设备。

2.中试放大

从实验室研究到工业生产的开发过程，一般易于理解为量的扩大而忽视其质的方面。为使小试的成果应用于生产，一般都要进行中试放大试验，它是过渡到工业化生产的关键阶段。往往每一级的放大，都伴随有技术质量上的差别，小装置上的措施未必与大装置上的相同，甚至一些操作参数也可能要另做调整。在此阶段中，化学工程和反应工程的知识和手段是十分重要的。中试的时间对一个过程的开发周期往往具有决定性的影响。中试要求研究人员具有丰富的工程知识，掌握先进的测试手段，并能取得提供工业生产装置设计的工程数据，进行数据处理从而修正为放大设计所需的数学模型。此外，对于新过程的经济评价也是中试阶段的重要组成部分。

(1)预设计及评价结合已有的小试结果、资料或经验，较粗略地预计出全过程的流程和设备，估算出投资、成本和各项技术经济指标，然后加以评价或进行可行性研究。考察是否有工业化的价值？哪些方面还有待于改进？是要全流程的中间厂，还是只要局部中试就可以了？是否有可能利用现有的某些生产装置来进行中试？据此进行中间厂设计。

(2)中试的任务中试是过渡到工业化生产的关键阶段，它的建设和运转要力求经济和高效。中试的任务如下：①检验和确定系统的连续运转条件和可靠性；②全面提供工程设计数据，包括动力学的、传递过程的诸方面数据，以供数学模型或直接设计之需；③考察设备结构的材质和材料的性能；④考察杂质的影响；⑤提供部分产品或副产品的应用研究和市场开发之需；⑥研究解决“三废”的处理问题；⑦研究生产控制方法；⑧确定实际的经济消耗指标，⑨修正和检验数学模型。

(3)中试放大方法根据目前国内外研究进展情况，放大方法一般分为经验放大法、部分解析法和数学模型放大法等，分述如下。

①经验放大法这是依靠对类似装置或产品生产的操作经验而建立起来的以经验认识为主实行放大的方法。因此，为了不冒失败的危险，放大的比例常常是比较小的，甚至再有意加大一些安全系数。对难于进行的理论解析课题，往往依靠经验来解决。

②部分解析法这是一种半经验、半理论的方法，即根据化学反应工程的知识(动量传递、热量传递、质量传递和反应动力学模型)，对反应系统中的某些部分进行分析，确定各影响因素之间的主次关系，并以数学形式作出部分描述，然后在小装置中进行试验验证，探明这些关系式的偏离程度，找出修正因子，或者结合经验的判断，定出设计方法或所需结果来。

③数学模型放大法该法是针对一个实际放大过程用教学方程的形式加以描述，即用数学语言来表达过程中各种变量之间的关系，再运用计算机来进行研究、设计和放大。这种数学方程称之为数学模型，它通常是一组微分或代数方程式。数学模型的建立是整个放大过程的核心，也是*困难的部分。只要能够建立正确的模型，利用电子计算机之助，一般总可以算出结果来。要建立一个正确的数学模型，首先得对过程的实质有深刻的认识和确切的掌握，这就需要有从生产实践和科学研究两方面积累起来的、直接的和间接的知识，经过去伪存真、去芜存精的功夫，把它抽象成为概念、理论和方法，然后才能运用数学手段把有关因素之间的相互关系定量地表示出来。数学模型放大法成功的关键在于数学模型的可靠性，一般从初级模型到预测模型再到设计模型需经过小试、中试到工业试验的多次检验修正，才能达到真正完美的程度。

④相似模拟法通过无量纲数进行放大的相似模拟法被成功地应用于许多物理过程，但对化学反应过程，由于一般不能做到既物理相似又化学相似，故除特殊情况外，多不采用。

3.工业化生产试验

一般正式化工业生产厂的规模约为中间试验厂的10～50倍，当腐蚀情况及物性常数都明确时，规模可扩大到100～500倍。

组成一个过程的许多化工单元和设备，能够有把握放大的倍数并不一致。对于通用的流体输送机械，如泵及压缩机等，因是定型产品，不存在这个问题。对于一般的换热设备，只要物性数据准确，可以放大数百倍而误差不超过10％。对于蒸馏、吸收等塔设备，如有正确的平衡数据，也可放大100～200倍。对于精细化工生产的单元操作和设备，经过中试后，即可比较容易地进行工业设计并投入工业化生产试验。但对于化学反应装置，由于其中进行着多种物理与化学过程，而且相互影响，情况错综复杂，理论解析往往感到困难，甚至实验数据也不易归纳为有把握的规律性的形式，工业化生产的关键或难点即在此。

精细化工产品大致分为配方型产品和合成型产品。对于配方型产品，其反应装置内进行的只是一定工艺条件下的复配或只有简单的化学反应，这种产品在经过中试后，可直接进入工业化生产，一般不会存在技术问题。对于合成型产品，尤其是需经过多步合成反应的医药类产品，由于反应过程复杂，影响因素较多，在进行设计时需建立工业反应器的数学模型，然后再进行工业化生产试验。这方面的问题属于化学反应工程学的研究范畴，在此简述如下。

数学模型可以分为两大类，一类是从过程机理出发推导得到的，这一类模型叫做机理模型；另一类是由于对过程的实质了解得不甚确切，而是从实验数据归纳得到的模型，叫做经验模型。机理模型由于反映了过程的本质，可以外推使用，即可超出实验条件范围；而经验模型则不宜进行外推，或者不宜大幅度地进行外推。既然是经验性的东西，自然就有一定的局限性，超过了所归纳的实验数据范围，结论就不一定可靠。显而易见，能够建立机理模型当然**，但由于科技发展水平的限制，目前还有许多过程的实质尚不甚清楚，也只能建立经验模型。工业反应器中的过程都是十分复杂的，需要抓住主要矛盾，将复杂现象简化，构成一个清晰的物理图像。一般工业化学反应器数学模型的建立，首先要结合反应器的形式，充分运用各个有关学科的知识进行过程的动力学分析。图1-4为反应器模型建立程序，同时也示出了所涉及的学科及其相互关系。通过实验数据以及热力学和化学知识，首先获得微观反应速率方程，前已指出，要确定反应过程的温度条件，就牵涉到相间的传热、反应器与外界的换热；要确定反应器内物料的浓度分布情况，则与器内流体流动状况、混合情况、相间传质等有关。无论反应组分的浓度或温度，都是决定反应速率的重要因素。因此，微观反应速率方程是不可能描述工业反应器的全过程的。这就需要将微观反应速率方程与传递过程结合起来考虑，运用相应的数学方法，建立宏观反应速率方程。*后，还需从经济的角度进行分析，以获得*适宜的反应速率方程。

图1-4反应器模型的建立程序

数学模型的模型参数不宜过多，因为模型参数过多会掩盖模型和装置性能相拟合的真实程度。还应考虑到所得的模型方程计算机是否能运算，费时多少，特别是控制用的数学模型。另外，同一过程往往可以建立许多数学模型，这里就存在着一个模型识别的问题，即对可能的模型加以鉴别，找出*合适的模型来，模型确定下来之后，还需根据实验数据进行参数估值。

工业反应器的规模改变时，不仅产生量的变化，而且产生质的变化。这样一来根据实验室的数据和有关的学科知识建立起来的反应器模型，用于实际生产时需要做不同规模的反应器试验，反复将数学模型在实践中检验、修改、锤炼与提高，方可作为工业化生产设计时的依据。当然，目前还不能说所有化工过程都可以用数学模型来描述，也不是说每个化工过程的开发都必须建立数学模型，应视具体情况而定。

上述所讨论的几个放大阶段，仅仅是有关工艺过程方面，当然这是重要的一面。但是，作为一个新产品工厂或车间的设计与建设，这是不够的，还有许多方面的问题需要解决，诸如经济分析、机械设计、自动控制等，都需综合起来进行考虑。