第八章一、中試的目的及時機二、中試裝置尺度三、中試裝置的完整性四、運行周期與深度測試五、中試的危險識別與控制中間試驗2023/2/7中試放大的主要目的：（1）驗證，復審和完善實驗室工藝所研究確定的合成工藝路線，是否成熟、合理，主要經濟技術指標是否接近生產要求；（2）研究選定的工業化生產設備結構，材質，安裝和車間布置等，為正式生產提供數據和最佳物料量和物料消耗。對于接觸腐蝕性物料的設備材質的選擇問題尤應注意。(3)考察工業因素。例如雜質積累對過程的影響。一、中試的目的及時機2023/2/7附帶或次要的目的：2023/2/7總之，中試放大要證明各個化學單元反應的工藝條件和操作過程，在使用規定的原材料的情況下，在模型設備上能生產出預定質量指標的產品，且具有良好的重現性和可靠性。

2023/2/7中試放大的方法主要有：逐級經驗放大法與數學模型放大法。2023/2/7實驗進行到什么階段才進行中試呢？至少要具備下列的條件：1.小試收率穩定，產品質量可靠。2.造作條件已經確定，產品，中間體和原理的分析檢驗方法已確定。3.某些設備，管道材質的耐腐蝕實驗已經進行，并有所需的一般設備。4.進行了物料衡算。三廢問題已有初步的處理方法。三廢的處理方案和措施的制訂能為環保部門所接受。2023/2/75.已提出原材料的規格和單耗數量。產品的原材料單耗等經濟技術指標能為市場接受。6.已提出安全生產的要求。安全，防火，防爆等措施能為消防，公安部門所接受；提供的勞動安全防護措施能為衛生職業病防治部門所接受。2023/2/7二、中試裝置尺度（規模）2023/2/72023/2/72023/2/7三、中試裝置的完整性2023/2/72023/2/72023/2/72023/2/72023/2/72023/2/72023/2/72023/2/72023/2/7四、運行周期與深度測試2023/2/72023/2/72023/2/72023/2/7五.中試中測定與放大有關工程數據的方法在進行反應器放大時，多數情況下仍采用逐級經驗放大法，放大設計數據大多來源于中試。因此，為了反應器的工程放大，需要在中試中取得哪些數據，如何取得這些數據？下面舉一個比較簡單的釜式反應器為例加以說明。2023/2/7例：在開發某氧化反應過程時，用100L帶攪拌的搪瓷反應釜作為反應器，測定與放大有關的工程數據。小試中發現，反應放熱量大，且對溫度敏感，當反應溫度低于60℃時反應速率緩慢；當反應溫度超過65℃時，反應劇烈，溫升很快，以致無法控制。因此，反應溫度必須控制在60～65℃的溫度范圍內。2023/2/71.中試裝置見圖1，反應釜的夾套中通入冷卻水及時移走反應熱，其進出口溫度及流量分別為t1,t2和W；釜內采用2支熱電阻溫度計分別測量液相溫度（T）和氣相溫度（T’）；在反應釜兩側相對距釜壁500mm處放置溫度計測量環境溫度τ1、τ2。圖1反應釜中試裝置2023/2/72.反應器工程數據的測算根據氧化反應過程的特點，在對氧化反應進行工程放大時，及時移走反應熱，將反應溫度嚴格控制在60～65℃范圍內是關鍵。中試時，重點是測定反應過程的熱量平衡，混合物系的熱力學性質，以及反應釜的傳熱系數等。2023/2/7（1）反應釜的熱量平衡假設反應釜處于全混狀態，其內的物料濃度和溫度分布均勻，且攪拌器攪拌物料時產生的熱量忽略不計。其熱量平衡方程為：QR+Q1+Q2+Q3=Q4+Q5

(1)①QR-化學反應放出的熱量②Q1-釜內物料升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量2023/2/7Q1＝mpCp(T0-Tθ)(2)

式中：mp-釜內物料量，Kg;Cp-物料的比熱容，Kj/(Kg·℃)T0.Tθ-物料起始和終了溫度，℃。2023/2/7③Q2－夾套內水移走（或供給）的熱量Q2=WCpW(t1-t2)△θ

(3)式中：W－冷卻水流量，Kg/h;Cpw-水的比熱容，Kj/(Kg·℃)t1、t2-冷卻水的進出口溫度，℃△θ－測定的時間間隔，h2023/2/7④Q3－反應釜體升溫（或降溫）吸收（或放出）熱量Q3＝mRCpR(TR0-TRθ)(4)式中：mR-釜體的質量，KgCpR-釜體的比熱容，Kj/(Kg·℃)TR0、TRθ－釜體開始和終了溫度，℃2023/2/7⑤Q4－釜上封頭對環境傳熱量Q4＝KRAT(T’-τ)Δθ

(5)式中：KR-封頭散熱的傳熱系數，Kj/(m2·h·℃)AT-封頭的散熱面積，m2T’、τ－封頭的開始和終了溫度，℃

Δθ－測定的時間間隔，h2023/2/7⑥Q5－釜夾套側對環境的傳熱量Q5＝KRAj(t-τ)Δθ

(6)式中：KR-釜夾套側散熱的傳熱系數，Kj/(m3·h·℃)Aj-釜夾套側的散熱面積，m2t、τ－釜夾套側的開始和終了溫度，℃

Δθ－測定的時間間隔，h2023/2/7則式1可寫成QR+mpCp(t0-tθ)+WCpw(t1-t2)Δθ+mRCPR(TR0-tRθ)＝KRAT(T’-τ)Δθ+KRAj(t-τ)Δθ

(7)2023/2/7(2)測定釜對環境的給熱系數測定時以水作為物料，夾套層內以60℃左右的熱水供熱。以加熱釜內的水，然后在夾套中通入冷水降溫，測定釜體散熱的傳熱系數。當以水代替物料進行熱量平衡時，無反應熱，且物料為水。故：QR=0,CP=4.184,CPW=4.184則（5－7）變成4.184mP(t0-tθ)+4.184(t1-t2)WΔθ+mRCPR(TR0-tRθ)＝KRAT(T’-τ)Δθ+KRAj(t-τ)Δθ

(8)2023/2/7通過測定，可獲得T0、Tθ、t1、t2、TR0、TRθ、T’及τ、Δθ等數據，則KR可求得。測試結果見表5－3對8：25～8：55時間段進行熱量平衡：已知：CPR=0.477Kj/(Kg·℃);mR=342Kg,Aj=0.77m2,AT=0.5m2,mP=102.8Kg①釜內液相物料加權平均溫度=53.36℃2023/2/7表3反應釜傳熱系數測定2023/2/7②夾套內水的加權平均溫度同樣對夾套進水（t1）出水（t2）溫度求加權平均值，得出：t1=63.48℃，t2=62.72℃則夾套內水的平均溫度為：t=(t1+t2)/2=63.10℃③環境加權平均溫度用相同的方法求出環境的平均溫度τ＝31.30℃④釜內汽相加權平均溫度T’＝46.50℃2023/2/7⑤釜體溫度用下式近似估計釜體的平均溫度則釜體開始時平均溫度為：℃釜體終了時的平均溫度為：℃2023/2/7⑥8：25～8：55時間段內冷卻水量W·Δθ=163.71-161.23=2.48Kg將上述數據代入式（5－8），得到反應釜吸熱時的傳熱系數：KR=-51.83Kj/(m2·h·℃)對9：15～10：15時間段進行熱量平衡，采用上述方法求得反應釜放熱時的傳熱系數KR’=534.68Kj/(m2·h·℃)2023/2/73.測定物料的熱化學性質將159Kg物料投入搪瓷反應釜中，開始在夾套內通入熱水加熱升溫（14：00～14:45）。然后在夾套內通入冷水控制釜內溫度在60～65℃范圍內反應（14：50～20：50），每小時取樣分析主反應物的量（mol）。最后在夾套內通入冷水將釜內物料降溫后（20：50～21：30）出料。整個反應過程的情況見表5－4。2023/2/7表4測定物料的熱化學性質2023/2/7表4測定物料的熱化學性質2023/2/7①物料的比熱容在反應結束后，可將降溫階段看作物料的降溫過程，已不存在反應熱的放出，即QR＝0。此時熱量衡算式為：mpCp(t0-tθ)+4.184W(t1-t2)Δθ+mRCPR(TR0-tRθ)＝KRAT(T’-τ)Δθ+KRAj(t-τ)Δθ

(9)采用類似上面的方法對21：00～21：30的時間段進行熱量衡算，得到物料的比熱容：CP=3.96Kj/(Kg·℃)2023/2/7②反應熱采用熱量衡算式（5－7）對15：50～16:50時間段進行熱量衡算，依次求得：T0=58.47℃,Tθ=59.13℃,TR0=42.72℃,TRθ=46.96℃t2=39.43℃,t1=25.90℃,t=32.67℃,τ=36.5℃T’=50.8℃,WΔθ=340Kg,經計算得到反應熱為：QR＝18315.5Kj在此時間段反應掉的主反應物的量為：23.66－18.22＝5.44mol,則摩爾反應熱為：2023/2/74.測定反應釜筒體的總傳熱系數在間歇反應過程中，反應放熱量是不均勻的，在進行反應釜設計時，應以最大熱負荷來計算傳熱面積。因此，測定也應在反應熱放熱量大的階段進行。本例以15：50～16:50時段反應掉的主反應物量較多，故應以該時段為基準進行計算。①冷卻水帶走的熱量15：50～16：20冷卻水帶走的熱量℃℃Q1=(150.39-150.14)×1000×4.184×(40.95-26.35)=15376.2KJ2023/2/74.測定反應釜筒體的總傳熱系數16:20～16：50冷卻水帶走的熱量℃℃Q2=(150.48-150.39)×1000×4.184×(37.9-25.55)=4650.5KJ2023/2/7②環境吸收的熱量℃℃℃℃Q3＝KRAj(t-τ)=-51.83×0.77×(36.425-32.66)=-150.3KJ2023/2/7③反應釜筒體總傳熱系數q=KAjΔtm℃℃Kj/(m2·h·℃)2023/2/7注：當反應物系為部分互溶或非均相物系時，攪拌分散效果顯得非常重要，此時除了上述參數外，還應對攪拌器形式、攪拌速率進行測定，并尋求放大判據。2023/2/7六、中試的危險識別與控制1.化工中試設計的特點一般來說，化工中試裝置具有新技術含量高、工藝流程獨特等特征，所以其設計也具有一些不同于其他化工設計的特點。（1）設計基礎資料不完整。中試設計基礎資料一般由科研單位根據已有試驗數據及有關資料編制而成。由于沒有經過工業化生產的檢驗和完善，其數據的可靠性和完整性都不如常規裝置。2023/2/7（2）由于化工中試裝置工藝流程一般都較獨特，包括的設備種類繁多，規格特殊，設備的小型化無論是對非標設備的設計，還是對定型設備的選用都提出了特殊要求。（3）相對工作量大。雖然總投資不大，但設備多、管道多，且處理的物料都較特殊，其管道設計也要作特殊考慮。2023/2/72.危險識別與控制化工中試設計的特點，造成潛在事故隱患有增大的趨勢。因此，化工中試放大前的危險識別和控制就顯得尤為重要，并越來越為人們所重視。危險因素，通俗地講就是生產中的事故隱患，具體地講就是生產中存在的可能導致事故和損失的不安全條件。危險識別與控制，是對項目生產工藝的全過程、配套公共設施的生產過程、使用和產出的物質、主要設備和操作條件進行解剖和分析，摸清危險因素和有害因素產生的方式、種類、位置及其產生的原因，提出合理可行的消除、預防或降低裝置危險性，提高裝置安全運行的對策、措施及建議。2023/2/7盡量防止采取安全的技術路線，避免使用危險物質、工藝和設備。如果必須使用，也可以從設計和工藝上考慮采取安全防護措施，從而使這些危險因素不至發展成事故。由于中試裝置工藝的獨特性，其存在的危險因素也各有不同，應保證裝置設計安全，并采取相應的控制方法。2023/2/7生產中的原料、材料、半成品、中間產品、副產品以及貯運中的物質分別以氣、液、固態存在，它們在不同的狀態下分別具有相對應的物理、化學性質及危險危害特性。因此，了解并掌握這些危險特性是進行危險辯識、分析、評價的基礎。物質危險的辯識應從其理化性質、穩定性、化學反應活性、燃燒及爆炸特性、毒性及健康危害等方面進行分析和辯識。（1）工藝物料2023/2/7得到產品往往有好幾條工藝路線，需要考慮的是采用哪條路線更能消除或減少危險物質的量。盡量使用無害的、低危險性物料取代有害的、高危險性物料；盡量緩和過程條件苛刻度，如采用催化劑或更好的催化劑，稀釋危險性物料以緩解反應的劇烈程度；盡量采用新設備、新技術，取消或縮小中間貯罐，以減少危險介質貯藏量；盡量減少生產廢料，過程用原料、助劑等是否可回收循環使用或綜合利用，做到物盡其用，減少對環境的污染。（2）工藝路線2023/2/7化學反應是整個中試的核心，一般通過反應才能得到所需的產物，同時反應也帶來了許多危險性因素。在反應器的設計和選型前，往往要考慮可能會發生怎樣的事故，反應器中導致反應失控的因素及攪拌器的影響等。（3）化學反應裝置2023/2/7反應器的種類很多，按照反應器進出物料的狀況，可以分為間歇式與連續式2類。按照物料的流程，則可分為單程與循環2大類。從反應器的結構形式來分，可以分成釜式、管式、塔式、固定床、流化床等多種反應器形式，它們適用于不同的化學反應，應根據物系反應機理來選擇。反應裝置的特性是由構成裝置的設備特性和組成裝置的工藝流程所決定的。工藝特性和工藝設備特性之間有著密切的關系，在設備選型時，要認真地研究工藝的適應性、安全性問題，應根據工藝總的操作范圍和操作特性之間的關系，通過對各設備的分析來確定設備的型式。反應器的選型2023/2/7設備使用的材料應考慮工藝流體、流速、溫度、壓力以及流體反應特性和腐蝕特性等各種因素，選擇滿足耐腐蝕性、滿足強度要求以及可加工性（特別是可焊性、機械加工性）的材料。同時需要注意的是，雜質也可能影響化學反應的溫度，從而引發異常的反應速度，致使反應不穩定并產生危險。有些污染甚至會起到同催化劑一樣的作用，引起不需要的反應，因此一些測溫測壓、同樣會接觸物料的管件材質也應慎重選用。設備材質2023/2/7化學反應的種類繁多，因此在控制上的難易程度相差很大。一些容易控制的反應器，控制方案十分簡單。但是，當反應速度快、放熱量大，或由于設計上的原因使反應器的穩定操作區域很小時，反應器控制方案的設計成為一個非常復雜的問題。由于缺少物質的反應或分解速度及熱效應數據，如何避免失控反應，一旦失控反應發生如何降低反應速度、將反應停止、或者放空，必要時如何迅速終止反應或進行處理等，都是需要考慮的。有些化學反應在一定的條件下是很穩定的，但如果出現冷卻效果變差或過量加熱，攪拌能力失效，反應物的過量加入，反應物加入順序不當，反應器外部火災，傳熱介質漏入容器等情況，就可能發生失控現象。設計時應確保溫度等控制在預定的范圍內，以免反應失控。反應條件的控制2023/2/7在工藝設計中采用減少進料量、控制某種物料的加熱速度，加大冷卻能力如外循環冷卻器的方法，或采用多段反應等措施來控制反應。如還不能避免，則應考慮其他的保護措施，如給反應器通入低溫介質，使反應器降溫；向反應器內輸入易揮發的液體，通過其揮發來吸收熱量；往反應器內加入阻聚劑來抑制反應速度。當設備內部充滿易燃物質時，要采用正壓操作，以阻止外部空氣滲入設備內等。2023/2/7設備從安全角度講，特別是高壓容器，不但要求有足夠的結構強度，防止爆裂，而且要求密封必須良好，一定要有足夠的嚴密性，防止泄漏。因為大量介質的泄漏會引起火災或中毒，釀成巨禍。對高壓密封結構的要求，首先是安全可靠。運行過程中，溫度和壓力有波動仍要始終保持嚴密不漏。如果由于某種原因容器產生了超壓，那么容器就有可能因過度的塑性變形而遭到破壞，造成惡性事故。為了防止這種異常情況發生，一般在容器上應裝有安全壓力釋放裝置。其他設備在選型和設計中也可按以上方法考慮。設備結構2023/2/7各種有毒有害介質的跑、冒、滴、漏，不僅污染環境，而且是安全生產的隱患。管道設計，應對任何可能發生的泄漏進行研究，從材料選擇、管道布置、振動和應力分析等多方面避免泄漏的發生。了解整個工程的工藝流程，明確管道系統在工藝流程中的作用，以及操作條件、介質物化特性、腐蝕情況及工藝方面的特殊要求等，結合實際的使用經驗選擇管道、閥門和其他管件的材質、結構和密封面型式，合理布置管道，防止管道振動。如選擇合理的管徑、等級和材質，盡量減少連接處的泄漏，易燃介質管道應盡量減少拐彎，拐彎時宜采用彎曲半徑較大、內壁光滑的彎頭。管道在室內外架空或埋地敷設時，都必須可靠接地。（4）管道2023/2/7中試設計時，為了節省投資和方便切換，常會采用一些軟管連接，其實這也會造成危險。當管內物料有毒性或易燃易爆時，一旦噴濺出來會造成事故，當管內有壓力時，管道的斷開會造成未固定的端部擺動，打到臉上或身體其他細嫩部位也將造成傷害。因此，如果不是絕對必要就不用軟管。2023/2/7裝置在進行反應等化學工程上的操作時，有時會偏離正常的運轉狀態而超溫、超壓。因此，在安全上需設置壓力控制裝置，如安全閥、放泄閥、排泄管、防爆板、通風管；穩定裝置，如反應控制劑注入裝置、冷卻裝置；緊急控制裝置，如報警裝置和與此聯鎖，并用自動或手動進行動作的控制裝置。裝置中除了產品之外，還會有很多廢物或泄漏物。這些廢物或泄漏物都具有一定的危險性，也必須進行安全處理，常需設置排放設備、排水器、防空管以及廢氣、廢液處理設備。對于一些特別危險或重要的操作，應采用全自動控制系統或程序控制裝置，聯鎖機構或聯動機構等。（5）安全防護裝置2023/2/7在一旦發生火災、爆炸的情況下，能起到阻止事態擴大，減小事故損失作用的設施有防火門、防火墻、防爆墻以及水封、阻火器、單向閥等阻燃阻爆設備、消防滅火系統等。同時須考慮維修安全性，如是否所有的管道都有閥門使之與被檢修部分斷開；人身安全性，如防燙設施、除塵、通風及各種消聲防噪等措施；還應考慮設置救護設施，如裝置內是否需要設置洗眼區和安全淋浴。這些安全防護裝置并不是每個項目都是必須的，應視需要選用。2023/2/7包括設備、建構筑物和通道布置，要考慮所處位置能讓危險物料的輸送量最少、距離最短，設備的間距是否能將爆炸或火災的破壞程度降到最低，是否有足夠的消防設施、滅火作業空間及安全通道。裝置布置應確保過程順利實施，安全間距符合規范，方便操作維修和消防作業，有利人員疏散。同時合理布置各設備，減少配管、閥門的尺寸及數量。如果裝置內存在放熱、有毒氣體等設備，應考慮設備占地內的通風情況、防護墻等。（6）裝置布置2023/2/7電氣設計中，應結合工藝的要求，按照工作環境是否屬于爆炸和火災危險環境、危險程度和危險物質狀態的不同，采取相應的措施，防止由于電氣設備、電氣線路設計不當引起爆炸事故。在選用電氣設備時，應根據爆炸危險場所的類別和等級，爆炸混合物的分級、分組情況，選擇適用的電氣設備。考慮把電氣設備和線路，特別是正常運行時會產生火花的電氣設備，布置在爆炸危險場所的外面。當必須安裝在危險場所時，應布置在危險性較小的地點。而且在爆炸危險場所內應盡量少采用攜帶式電氣設備。（7）電氣2023/2/7電氣配管配線時，應將開關、電纜集管設置在沒有危險的地方，平面布置時也應考慮到不使動力線的保護層受腐蝕性介質的侵害。建筑和設備，應有可靠的防雷接地措施；可能產生靜電的設備、管道應有防止靜電積聚的措施。2023/2/7設計中應檢查是否有足夠的儀表來指示生產工況和報警，在裝置的整個設計過程中是否考慮了儀表的安全功能和控制功能的統一。爆炸危險區內的儀表、分析儀表、控制器均選擇相應防爆結構或正壓通風結構。散發有害氣體或蒸汽的場合，應設置監測報警設施，火災爆炸危險區內儀表線纜應采用非燃材料型或阻燃型。儀表配管、配線應將儀表設置在儀表室內集中管理，儀表配管