中試放大反應中的時空間效應
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中試放大反應中的時空間效應
----雪中殘雁
時空間效應是指我們在中試放大過程中，由於反應時空間的不同，導致我們在中試放大中的反應速率和化學實驗室小試時候反應速率不同而引起各種變化的現象
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在中試放大過程中，由於中試放大過程中反應容器大小和實驗室反應時候容器大小的不同，也就是反應空間的不同，導致了我們的化學反應在實驗室反應過程和中試生產反應過程中在微觀環境方面略微有些不同，包括物質的傳遞，熱量的傳遞和化學反應速率的變化以及積累都會有些細微的差別，而這個差別積累起來就是我們生產中常說的放大效應。同時間，由於空間的變化，導致了傳遞速率的變化也不一樣，反應時間也不一樣；由於時間和空間的雙重作用，導致了我們放大過程中出現了種種問題，這種現象我們稱之為時空間效應。
可以這麼假設，我們假設同等濃度的體系中，粒子相撞的總機會是等同的，但是如果我們的空間足夠小，只有兩個粒子，他們相撞的機會如何？如果我們的空間足夠大，而粒子漸漸的多了起來，它們的碰撞幾率是否還是一樣？假設是一樣的，但是我們的反應幾率依然下降了，這是為什麼？因為在無窮小的時候，只有兩個粒子的時候，只有兩個粒子相撞的機會，這個是百分之百的幾率，也是百分之百的反應幾率。但是當粒子逐漸增多後，就有了相同粒子相撞的機會，多了無效碰撞的幾率，有效碰撞的幾率就變小了，也就是說實際上的反應幾率已經變小了。因此在空間變化增大的時候，即使我們的濃度仍然保持不變，相同空間內的粒子數目還是一致，但實際上它們相互間碰撞的有效幾率已經變小了，我們實際的反應速率也就已經下降了，這就是放大的時空間效應。
時空間效應存在於我們所有的反應中，這是構成放大效應的主體組成部分
由於時空間效應的存在，使得我們在中試放大和生產過程中必然要設置新的反應時間和新的工藝參數，這是中試放大和生產過程中最常見的問題
我們中試和生產要設置新的反應參數，但是新的反應參數並不只是我們中試科研人員研究的目標，我們的目標更多的應該放在兩者之間的區別和聯繫上，這樣有利於我們更快更好的去設置新的工藝參數和反應參數。
我們常說中試生產和實驗室有所不同，是的，從表面上卻是有所不同，參數會有所變化，而且達到目的的手段也會有所不同，這是實驗室和中試生產表面上的區別。但兩者的本質還是一樣，都是同一個基本反應，但是是不同的反應量在不同的反應空間內進行的同一個化學反應。
實驗室反應和中試生產反應兩者均屬同一個反應，但是由於時空間效應的存在，以及三傳的不同，兩者在相同的起始反應參數下，實際反應過程里的微觀環境還是略微有些不同，這是個細微的差別，但是這個微觀差別經過時間空間積累起來，就會變成一個很大的差異，導致了我們相同的工藝參數在實驗室和中試生產兩方面往往得到不同的結果，或者甚至截然不同的結果。
因此我們中試科研人員最應該思考的是我們已經研發好的工藝中，在實驗室的條件下，在那個微觀環境里究竟能夠達到什麼樣的平衡，而將這個平衡放到生產過程中，放大到百倍千倍的反應器中，我們究竟用什麼樣的手段和過程才能達到這個平衡，這才是我們最需要研究的東西，而不是為了產品的收率和質量盲目的研究新的參數，當然這並不是說研究新的參數是不對的，而是說我們要明白為什麼來研究新的參數，以及研究這個新的參數所要達到的結果，這樣我們的選擇和研究會更加的有目的性，更加的快捷。
所以說實驗室工藝和生產工藝兩者是相通的，用數學的語言，也可以這麼說，兩者是同一個積分元在不同積分區間得到的不同結果
為了更清晰的研究反應過程中出現的問題，我們可以將微積分的概念引入到現代化工反應中，對整個化學反應過程進行分析和模擬，進而得到工藝中那些有些地方有紕漏，那些地方可以做的更好，這就是微積分過程模擬和分析的作用
下面我來解釋一下微積分過程模擬和分析的基本工作原理
微積分過程模擬和分析主要是將每一個操作都分解成一個個細微的過程，將其分解成一個個分子之間的反應，而傳熱，傳遞也被量化到分子之間的過程，當我們將其都量化到分子之間的反應的時候，實驗室的反應，和中試生產中的反應其實是完全一模一樣的，兩者的不同就是在於空間效應的存在，使得兩者之間的反應速率變化和積累速度都有些差別，當然物質的傳遞速度也是有些細微的差別，而當這個差別積累到一定的程度之後，就會使得我們的反應物，產物或者整個反應體系產生這樣那樣的影響。
這就是放大效應（時空間效應），放大效應是時時刻刻存在著的，不過是有時候顯現在我們的可測數據中，有時候存在於我們未曾測過的數據當中。
而使用微積分過程模擬和分析可以讓我們更好更快的找到這個細微的差別，以及這個差別積累的區間，因為一般來說只有在特定的區間內，放大效應才會表現的特別明顯，因為在這個區間，正好是某個反應物質或者產物，或者是體系中的某種物質敏感的區域，於是特殊的區間，引發了特別的反應和變化，我們的放大效應就會表現的如此明顯。
而需要覺察到這個細微的差別，這就需要我們具備出色的洞察力，對反應特性，產物特性，整個反應體系都要特別的熟悉，我們需要熟知在這個體系下，有什麼改變是允許的，有什麼改變是不允許的，那麼在這種狀況下，我們就可以利用微積分對我們的工藝進行模擬和分析，我們可以假設有幾種不同的反應過程，然後我們將這幾個過程進行分解，分解成一個個細微的過程，看在這些細微的過程中，哪一個過程更為合理，合理的原因是什麼，進而我們可以得到我們優化工藝的方向
我們以簡單常見的例子來說明一下時空間效應，也就是放大效應。
酸鹼中和是化學反應中最簡單的反應，我們就用這個來說明一下。
在化學反應中，用酸來中和反應中的鹼性物質，並用酸析的方式來獲得產物十分的常見，但是常見的反應過程也是有著這樣那樣的放大效應的。
首先不可避免的就是熱效應，也就是放熱問題。在實驗室反應裡邊，我們很少會考慮到酸鹼放熱的問題。但是在大生產過程中，我們必須要考慮到放熱問題的。因為的一般的有機化合物很多不是對熱敏感，就是對酸鹼敏感。
在實驗室過程中，一般由於中和或者滴酸滴鹼過程時間比較短，很少有必要去考慮這個過程對反應產物會造成什麼樣的影響；但是在生產過程中，由於酸鹼中和放熱是比較厲害的，反應產生的熱量，對於熱敏物質會造成很大的影響，使得我們不得不去控制我們的滴加速度。這就是實驗室工藝和大生產工藝方面一個很明顯的不同。
實驗室工藝裡面，我們中和或者滴酸滴鹼的時候，很少考慮到速率問題，因為時間太短，沒有考慮的必要，同時也由於實驗室反應的量比較少，也不會考慮別的問題。我們以一個滴酸過程為例來說明。
在生產中，碰到這麼一步反應，需要滴酸來中和反應物，同時也需要滴酸來析出反應的產物。我們在生產過程中，總是碰到有的料好甩，好分離，殘留低，有的料就是難甩，難分離，殘留高。這裡面就涉及到一個滴酸速度的問題。這是一個非常簡單的放大效應的例子。我們在實驗室中和的過程中是不需要考慮到滴加速度的，但是生產過程中為什麼必須要考慮呢？因為這步反應產物涉及到一個殘留的問題。我們都知道，中和必然產生鹽分，析出就有可能造成包裹殘留；而殘留的鹽分高低則會對下一步反應就會產生影響。為什麼同樣的，我們也要問，為什麼實驗室的殘留能達標，生產上就不一定達標呢？一般來說，實驗室的攪拌速率相對比較高，實驗室通過酸鹼析出的產品顆粒都比較小，包裹也就小，洗滌就會更方便，而生產中，攪拌速率相對來說要低一些，析出的時間相對較長，析出的產品顆粒都比較大，包裹也相對要厲害一些。這就是一個單純的析出過程的放大，它也是有放大效應的。如何控制我們產品的鹽分殘留呢？這就需要我們控制產品在析出過程中的滴加速度，這個滴加速度不宜過快，過快，則產生的產品顆粒比較大，包裹殘留就比較厲害（當然，這只是假設我們的產品對酸鹼的敏感度較小的情況下的一種設定。如果對酸鹼敏感的話，我們的工藝操作相對就要變得更為複雜和精確了）；所以，單純的操作過程也可以對我們工藝的最後結果產生影響的；一個簡單的滴酸過程也是有著放大效應的。
所以，這就要求我們科研技術人員對工藝要有著更深一步的認識，工藝不是簡單的幾個參數就能夠得到最後合格的產品的，每一步反應，每一個過程，每一個操作，都要仔細分析和研究，才能夠做出更完美的工藝來。
文章摘自：小木蟲
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