每年報(bào)告給HSE的化學(xué)事故中，有20~30起放熱反應(yīng)失控，其中很多可能都是由于放大過(guò)程不當(dāng)導(dǎo)致的。

放大反應(yīng)失控，以及未采取合適的預(yù)防措施就會(huì)導(dǎo)致工藝失控，放熱反應(yīng)失控，有害物質(zhì)生成或泄露，造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境危害。

化學(xué)反應(yīng)通常是從小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)做起，然后逐步地通過(guò)更大規(guī)模的研發(fā)，直至轉(zhuǎn)移到商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備中。在大小不同的設(shè)備中放大，反應(yīng)的結(jié)果會(huì)有變化。很明顯，使用完全相同的原料和操作條件，在同一個(gè)反應(yīng)釜中進(jìn)行的反應(yīng)將生產(chǎn)出差異極其微小的產(chǎn)品。

因此，化學(xué)反應(yīng)放大的正確完成非常重要，關(guān)乎是否能實(shí)現(xiàn)安全地在大生產(chǎn)設(shè)備中滿負(fù)荷生產(chǎn)。

不論在實(shí)驗(yàn)室1升的小反應(yīng)器，還是工廠里幾十噸、上百噸的反應(yīng)器，實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)大致分為3步進(jìn)行：

我們平時(shí)看到的所謂“化學(xué)反應(yīng)”的結(jié)果實(shí)質(zhì)是上述3步過(guò)程相互交匯的一個(gè)總的結(jié)果。真正的化學(xué)過(guò)程（stepB），只和反應(yīng)物的濃度（能夠?qū)嶋H接觸的幾率）和體系的溫度（體系的能量是否足夠打破舊鍵，生成新鍵）有關(guān)，和反應(yīng)器的大小無(wú)關(guān)。

化學(xué)反應(yīng)放大的目的是把實(shí)驗(yàn)室里最佳的小試規(guī)模的化學(xué)工藝成功地在商業(yè)化大裝置上實(shí)現(xiàn)。有類似的轉(zhuǎn)化率，類似的選擇性，安全、可靠。

工業(yè)放大的根本就是找到在反應(yīng)裝置的大小改變后，能達(dá)到和反應(yīng)速率相匹配的傳遞過(guò)程的條件的科學(xué)。但往往書籍里的各種放大方法，沒(méi)有一個(gè)能在所有的情況下適用。

影響化學(xué)反應(yīng)的主要因素有反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)熱力學(xué)、物性的變化、系統(tǒng)的傳熱、相平衡、混合的影響、系統(tǒng)的傳質(zhì)。

從實(shí)驗(yàn)室小試到工業(yè)生產(chǎn)中，反應(yīng)本身（包括反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)）不會(huì)改變，但是傳遞過(guò)程（傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞，即混合）在反應(yīng)器的體積變化后發(fā)生了顯著的變化。這些傳遞過(guò)程都是物理過(guò)程，和化學(xué)過(guò)程無(wú)關(guān)，但是這些物理過(guò)程強(qiáng)烈地影響了化學(xué)過(guò)程。

如果工業(yè)裝置里，傳遞過(guò)程和反應(yīng)不匹配就會(huì)產(chǎn)生各種各樣的問(wèn)題，如：安全問(wèn)題（傳熱效率改變）、操作問(wèn)題（操作方式的改變）、質(zhì)量問(wèn)題、選擇性問(wèn)題（混合和傳質(zhì)影響反應(yīng)）。

在實(shí)驗(yàn)室里，反應(yīng)通常在玻璃儀器中進(jìn)行。而在放大過(guò)程中，工藝可能在其他材質(zhì)的系統(tǒng)中進(jìn)行。對(duì)某些反應(yīng)，這一變更很重要，可能會(huì)導(dǎo)致意想不到的反應(yīng)或問(wèn)題，包括催化或抑制效應(yīng)。

如：放熱的化學(xué)反應(yīng)（常見(jiàn)的重氮化反應(yīng)、鐵粉還原反應(yīng)、硝化反應(yīng)、還原反應(yīng)等），在小試時(shí)放出的熱量可以由實(shí)驗(yàn)室的冷卻系統(tǒng)（冰浴、冷水）及時(shí)的移走，對(duì)反應(yīng)的進(jìn)行幾乎沒(méi)有影響。但是稍一放大，這種熱量的及時(shí)移走就變得不太容易，極易影響反應(yīng)進(jìn)行的方向。嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生沖料和爆炸現(xiàn)象。在這種情況下，除了配備良好的冷卻系統(tǒng)外，還需改變化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的速度等問(wèn)題。

通過(guò)化學(xué)反應(yīng)放大，在與大生產(chǎn)所使用的設(shè)備、原料和材料一致的情況下進(jìn)行，這一步驟是必要的。

（1）在放大過(guò)程中所使用的設(shè)備、原料和材料應(yīng)與大生產(chǎn)的一致。如：在試管和小燒瓶等反應(yīng)儀器中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)出了目標(biāo)分子或產(chǎn)品，但不一定能體現(xiàn)出反應(yīng)的負(fù)面信息，如：副產(chǎn)品、有毒或可燃?xì)怏w等。反應(yīng)釋放的熱量可能為儀器或周圍環(huán)境所吸收而不被注意。原料可能是高純度的化學(xué)品、而非可能含有雜質(zhì)的工業(yè)原料。

（2）隨著規(guī)模的增大，每一步反應(yīng)所需的時(shí)間可能也會(huì)增加。要為此留出適當(dāng)?shù)挠嗟亍?/span>

（3）中試設(shè)備是為了幫助工藝設(shè)計(jì)放大，而不是用來(lái)幫助設(shè)計(jì)反應(yīng)機(jī)理。它為設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、操作參數(shù)和安全因素提供信息。

（4）一種化學(xué)反應(yīng)的速度在特定的溫度條件下是固定的。但是，反應(yīng)溫度會(huì)受到質(zhì)熱傳遞的影響，后者又受到反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)和大小的影響。對(duì)這些因素進(jìn)行定量的評(píng)估經(jīng)常是不可能的，一般在目標(biāo)設(shè)備中用水或惰性原料進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）半衰期法（half-life）：大部分的反應(yīng)和傳遞過(guò)程都可以用一級(jí)反應(yīng)來(lái)描述，這些過(guò)程相對(duì)的速率就決定了是否有放大效應(yīng)和解決這些放大效應(yīng)的方法，但是直接測(cè)量各個(gè)過(guò)程的速率很困難，而測(cè)量半衰期要容易的多。

（2）工藝化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的時(shí)候就要充分考慮到傳遞對(duì)于反應(yīng)的影響，尤其對(duì)于反應(yīng)速度較快的反應(yīng)（本征反應(yīng)時(shí)間低于幾分鐘的），因?yàn)椴徽撌裁捶磻?yīng)最終都是在分子層面進(jìn)行的，而把反應(yīng)物進(jìn)行分子接觸就需要傳遞過(guò)程。

（3）實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家和工廠的工藝工程師一開(kāi)始就要攜手合作，在實(shí)驗(yàn)初期就要考慮工廠設(shè)備的特點(diǎn)和局限性，充分了解實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的局限性，從而深刻了解傳遞對(duì)于反應(yīng)的影響，以便及時(shí)判斷和解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)的各種“意外”。

（4）利用Damkoehler number來(lái)比較傳遞過(guò)程和反應(yīng)過(guò)程的相對(duì)速度，對(duì)放大進(jìn)行指導(dǎo)。

（5）利用有限的實(shí)驗(yàn)，建立合理的計(jì)算機(jī)模型，利用計(jì)算機(jī)模型來(lái)預(yù)測(cè)可能發(fā)生的放大效應(yīng)，來(lái)指導(dǎo)放大。

（6）對(duì)于在現(xiàn)有設(shè)備上的放大，可以考慮進(jìn)行“縮小”（scale-down）實(shí)驗(yàn)，把設(shè)備的限制條件放在實(shí)驗(yàn)室小實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

化學(xué)反應(yīng)的成功放大至關(guān)重要。沒(méi)有成功的放大，再成功的實(shí)驗(yàn)室工藝都是蒼白的。成功的放大工藝才能生產(chǎn)出高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品，才不會(huì)將放大生產(chǎn)中的問(wèn)題返回實(shí)驗(yàn)室調(diào)整，反反復(fù)復(fù)浪費(fèi)大量時(shí)間，是可以為企業(yè)創(chuàng)造持續(xù)的利潤(rùn)，企業(yè)持續(xù)發(fā)展的基石。

參考文獻(xiàn)：化學(xué)反應(yīng)放大中的安全事項(xiàng)、如何進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的放大？張海峰