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中试放大反应中的时空间效应

作者:   上传日期:2018-02-11  阅读次数:

时空间效应是指我们在中试放大过程中,由于反应时空间的不同,导致我们在中试放大中的反应速率和化学实验室小试时候反应速率不同而引起各种变化的现象 。

在中试放大过程中,由于中试放大过程中反应容器大小和实验室反应时候容器大小的不同,也就是反应空间的不同,导致了我们的化学反应在实验室反应过程和中试生产反应过程中在微观环境方面略微有些不同,包括物质的传递,热量的传递和化学反应速率的变化以及积累都会有些细微的差别,而这个差别积累起来就是我们生产中常说的放大效应。同时间,由于空间的变化,导致了传递速率的变化也不一样,反应时间也不一样;由于时间和空间的双重作用,导致了我们放大过程中出现了种种问题,这种现象我们称之为时空间效应。

可以这么假设,我们假设同等浓度的体系中,粒子相撞的总机会是等同的,但是如果我们的空间足够小,只有两个粒子,他们相撞的机会如何?如果我们的空间足够大,而粒子渐渐的多了起来,它们的碰撞几率是否还是一样?假设是一样的,但是我们的反应几率依然下降了,这是为什么?因为在无穷小的时候,只有两个粒子的时候,只有两个粒子相撞的机会,这个是百分之百的几率,也是百分之百的反应几率。但是当粒子逐渐增多后,就有了相同粒子相撞的机会,多了无效碰撞的几率,有效碰撞的几率就变小了,也就是说实际上的反应几率已经变小了。因此在空间变化增大的时候,即使我们的浓度仍然保持不变,相同空间内的粒子数目还是一致,但实际上它们相互间碰撞的有效几率已经变小了,我们实际的反应速率也就已经下降了,这就是放大的时空间效应。

时空间效应存在于我们所有的反应中,这是构成放大效应的主体组成部分

由于时空间效应的存在,使得我们在中试放大和生产过程中必然要设置新的反应时间和新的工艺参数,这是中试放大和生产过程中最常见的问题

我们中试和生产要设置新的反应参数,但是新的反应参数并不只是我们中试科研人员研究的目标,我们的目标更多的应该放在两者之间的区别和联系上,这样有利于我们更快更好的去设置新的工艺参数和反应参数。

我们常说中试生产和实验室有所不同,是的,从表面上却是有所不同,参数会有所变化,而且达到目的的手段也会有所不同,这是实验室和中试生产表面上的区别。但两者的本质还是一样,都是同一个基本反应,但是是不同的反应量在不同的反应空间内进行的同一个化学反应。

实验室反应和中试生产反应两者均属同一个反应,但是由于时空间效应的存在,以及三传的不同,两者在相同的起始反应参数下,实际反应过程里的微观环境还是略微有些不同,这是个细微的差别,但是这个微观差别经过时间空间积累起来,就会变成一个很大的差异,导致了我们相同的工艺参数在实验室和中试生产两方面往往得到不同的结果,或者甚至截然不同的结果。 

因此我们中试科研人员最应该思考的是我们已经研发好的工艺中,在实验室的条件下,在那个微观环境里究竟能够达到什么样的平衡,而将这个平衡放到生产过程中,放大到百倍千倍的反应器中,我们究竟用什么样的手段和过程才能达到这个平衡,这才是我们最需要研究的东西,而不是为了产品的收率和质量盲目的研究新的参数,当然这并不是说研究新的参数是不对的,而是说我们要明白为什么来研究新的参数,以及研究这个新的参数所要达到的结果,这样我们的选择和研究会更加的有目的性,更加的快捷。

所以说实验室工艺和生产工艺两者是相通的,用数学的语言,也可以这么说,两者是同一个积分元在不同积分区间得到的不同结果

为了更清晰的研究反应过程中出现的问题,我们可以将微积分的概念引入到现代化工反应中,对整个化学反应过程进行分析和模拟,进而得到工艺中那些有些地方有纰漏,那些地方可以做的更好,这就是微积分过程模拟和分析的作用

下面我来解释一下微积分过程模拟和分析的基本工作原理

微积分过程模拟和分析主要是将每一个操作都分解成一个个细微的过程,将其分解成一个个分子之间的反应,而传热,传递也被量化到分子之间的过程,当我们将其都量化到分子之间的反应的时候,实验室的反应,和中试生产中的反应其实是完全一模一样的,两者的不同就是在于空间效应的存在,使得两者之间的反应速率变化和积累速度都有些差别,当然物质的传递速度也是有些细微的差别,而当这个差别积累到一定的程度之后,就会使得我们的反应物,产物或者整个反应体系产生这样那样的影响。

这就是放大效应(时空间效应),放大效应是时时刻刻存在着的,不过是有时候显现在我们的可测数据中,有时候存在于我们未曾测过的数据当中。

而使用微积分过程模拟和分析可以让我们更好更快的找到这个细微的差别,以及这个差别积累的区间,因为一般来说只有在特定的区间内,放大效应才会表现的特别明显,因为在这个区间,正好是某个反应物质或者产物,或者是体系中的某种物质敏感的区域,于是特殊的区间,引发了特别的反应和变化,我们的放大效应就会表现的如此明显。

而需要觉察到这个细微的差别,这就需要我们具备出色的洞察力,对反应特性,产物特性,整个反应体系都要特别的熟悉,我们需要熟知在这个体系下,有什么改变是允许的,有什么改变是不允许的,那么在这种状况下,我们就可以利用微积分对我们的工艺进行模拟和分析,我们可以假设有几种不同的反应过程,然后我们将这几个过程进行分解,分解成一个个细微的过程,看在这些细微的过程中,哪一个过程更为合理,合理的原因是什么,进而我们可以得到我们优化工艺的方向

我们以简单常见的例子来说明一下时空间效应,也就是放大效应。

酸碱中和是化学反应中最简单的反应,我们就用这个来说明一下。

在化学反应中,用酸来中和反应中的碱性物质,并用酸析的方式来获得产物十分的常见,但是常见的反应过程也是有着这样那样的放大效应的。

首先不可避免的就是热效应,也就是放热问题。在实验室反应里边,我们很少会考虑到酸碱放热的问题。但是在大生产过程中,我们必须要考虑到放热问题的。因为的一般的有机化合物很多不是对热敏感,就是对酸碱敏感。

在实验室过程中,一般由于中和或者滴酸滴碱过程时间比较短,很少有必要去考虑这个过程对反应产物会造成什么样的影响;但是在生产过程中,由于酸碱中和放热是比较厉害的,反应产生的热量,对于热敏物质会造成很大的影响,使得我们不得不去控制我们的滴加速度。这就是实验室工艺和大生产工艺方面一个很明显的不同。

实验室工艺里面,我们中和或者滴酸滴碱的时候,很少考虑到速率问题,因为时间太短,没有考虑的必要,同时也由于实验室反应的量比较少,也不会考虑别的问题。我们以一个滴酸过程为例来说明。

在生产中,碰到这么一步反应,需要滴酸来中和反应物,同时也需要滴酸来析出反应的产物。我们在生产过程中,总是碰到有的料好甩,好分离,残留低,有的料就是难甩,难分离,残留高。这里面就涉及到一个滴酸速度的问题。这是一个非常简单的放大效应的例子。我们在实验室中和的过程中是不需要考虑到滴加速度的,但是生产过程中为什么必须要考虑呢?因为这步反应产物涉及到一个残留的问题。我们都知道,中和必然产生盐分,析出就有可能造成包裹残留;而残留的盐分高低则会对下一步反应就会产生影响。为什么同样的,我们也要问,为什么实验室的残留能达标,生产上就不一定达标呢?一般来说,实验室的搅拌速率相对比较高,实验室通过酸碱析出的产品颗粒都比较小,包裹也就小,洗涤就会更方便,而生产中,搅拌速率相对来说要低一些,析出的时间相对较长,析出的产品颗粒都比较大,包裹也相对要厉害一些。这就是一个单纯的析出过程的放大,它也是有放大效应的。如何控制我们产品的盐分残留呢?这就需要我们控制产品在析出过程中的滴加速度,这个滴加速度不宜过快,过快,则产生的产品颗粒比较大,包裹残留就比较厉害(当然,这只是假设我们的产品对酸碱的敏感度较小的情况下的一种设定。如果对酸碱敏感的话,我们的工艺操作相对就要变得更为复杂和精确了);所以,单纯的操作过程也可以对我们工艺的最后结果产生影响的;一个简单的滴酸过程也是有着放大效应的。

所以,这就要求我们科研技术人员对工艺要有着更深一步的认识,工艺不是简单的几个参数就能够得到最后合格的产品的,每一步反应,每一个过程,每一个操作,都要仔细分析和研究,才能够做出更完美的工艺来。

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