每年报告给HSE的化学事故中，有20~30起放热反应失控，其中很多可能都是由于放大过程不当导致的。
放大反应失控，以及未采取合适的预防措施就会导致工艺失控，放热反应失控，有害物质生成或泄露，造成人员伤亡、财产损失、环境危害。
化学反应通常是从小规模的实验室反应做起，然后逐步地通过更大规模的研发，直至转移到商业化生产设备中。在大小不同的设备中放大，反应的结果会有变化。很明显，使用完全相同的原料和操作条件，在同一个反应釜中进行的反应将生产出差异极其微小的产品。
因此，化学反应放大的正确完成非常重要，关乎是否能实现安全地在大生产设备中满负荷生产。
不论在实验室1升的小反应器，还是工厂里几十吨、上百吨的反应器，实际的化学反应大致分为3步进行：
1）反应物加入反应器，在一定形式的混合下，各种反应物最终进行分子级别的接触，这实际是个物理过程，stepA
2）相互接触的分子进行化学反应，实质上就是电子转移，旧键的断裂和新键的生成，也同时伴随着热量的产生或吸收，这是个真正的化学过程，stepB
3）产物生成以后，要通过扩散和混合，分不到反应器的其他区域，这是一个纯粹的物理过程，stepC
我们平时看到的所谓“化学反应”的结果实质是上述3步过程相互交汇的一个总的结果。真正的化学过程（stepB），只和反应物的浓度（能够实际接触的几率）和体系的温度（体系的能量是否足够打破旧键，生成新键）有关，和反应器的大小无关。
化学反应放大的目的是把实验室里最佳的小试规模的化学工艺成功地在商业化大装置上实现。有类似的转化率，类似的选择性，安全、可靠。
工业放大的根本就是找到在反应装置的大小改变后，能达到和反应速率相匹配的传递过程的条件的科学。但往往书籍里的各种放大方法，没有一个能在所有的情况下适用。
影响化学反应的主要因素有反应动力学、反应热力学、物性的变化、系统的传热、相平衡、混合的影响、系统的传质。
从实验室小试到工业生产中，反应本身（包括反应动力学和热力学）不会改变，但是传递过程（传热、传质、动量传递，即混合）在反应器的体积变化后发生了显著的变化。这些传递过程都是物理过程，和化学过程无关，但是这些物理过程强烈地影响了化学过程。
如果工业装置里，传递过程和反应不匹配就会产生各种各样的问题，如：安全问题（传热效率改变）、操作问题（操作方式的改变）、质量问题、选择性问题（混合和传质影响反应）。
在实验室里，反应通常在玻璃仪器中进行。而在放大过程中，工艺可能在其他材质的系统中进行。对某些反应，这一变更很重要，可能会导致意想不到的反应或问题，包括催化或抑制效应。
如：放热的化学反应（常见的重氮化反应、铁粉还原反应、硝化反应、还原反应等），在小试时放出的热量可以由实验室的冷却系统（冰浴、冷水）及时的移走，对反应的进行几乎没有影响。但是稍一放大，这种热量的及时移走就变得不太容易，极易影响反应进行的方向。严重时甚至发生冲料和爆炸现象。在这种情况下，除了配备良好的冷却系统外，还需改变化学反应进行的速度等问题。
通过化学反应放大，在与大生产所使用的设备、原料和材料一致的情况下进行，这一步骤是必要的。
（1）在放大过程中所使用的设备、原料和材料应与大生产的一致。如：在试管和小烧瓶等反应仪器中进行的实验生产出了目标分子或产品，但不一定能体现出反应的负面信息，如：副产品、有毒或可燃气体等。反应释放的热量可能为仪器或周围环境所吸收而不被注意。原料可能是高纯度的化学品、而非可能含有杂质的工业原料。
（2）随着规模的增大，每一步反应所需的时间可能也会增加。要为此留出适当的余地。
（3）中试设备是为了帮助工艺设计放大，而不是用来帮助设计反应机理。它为设计的经济性、操作参数和安全因素提供信息。
（4）一种化学反应的速度在特定的温度条件下是固定的。但是，反应温度会受到质热传递的影响，后者又受到反应釜的设计和大小的影响。对这些因素进行定量的评估经常是不可能的，一般在目标设备中用水或惰性原料进行试验。
（1）半衰期法（half-life）：大部分的反应和传递过程都可以用一级反应来描述，这些过程相对的速率就决定了是否有放大效应和解决这些放大效应的方法，但是直接测量各个过程的速率很困难，而测量半衰期要容易的多。
（2）工艺化学家在实验室进行实验设计的时候就要充分考虑到传递对于反应的影响，尤其对于反应速度较快的反应（本征反应时间低于几分钟的），因为不论什么反应最终都是在分子层面进行的，而把反应物进行分子接触就需要传递过程。
（3）实验室化学家和工厂的工艺工程师一开始就要携手合作，在实验初期就要考虑工厂设备的特点和局限性，充分了解实验室设备的局限性，从而深刻了解传递对于反应的影响，以便及时判断和解决实验过程出现的各种“意外”。
（4）利用Damkoehler number来比较传递过程和反应过程的相对速度，对放大进行指导。
（5）利用有限的实验，建立合理的计算机模型，利用计算机模型来预测可能发生的放大效应，来指导放大。
（6）对于在现有设备上的放大，可以考虑进行“缩小”（scale-down）实验，把设备的限制条件放在实验室小实验装置进行实验。
化学反应的成功放大至关重要。没有成功的放大，再成功的实验室工艺都是苍白的。成功的放大工艺才能生产出高质量、低成本的产品，才不会将放大生产中的问题返回实验室调整，反反复复浪费大量时间，是可以为企业创造持续的利润，企业持续发展的基石。
参考文献：化学反应放大中的安全事项、如何进行化学反应的放大？张海峰
联系客服
