第6章 化工過(guò)程合成技術(shù)與優(yōu)化 2

1、化工系統(tǒng)分析與合成第1章 化工系統(tǒng)分析與合成導(dǎo)論第2章 化工過(guò)程系統(tǒng)模型化第3章 化工系統(tǒng)模擬方法及策略第4章 化工過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化基礎(chǔ)第5章 典型化工單元及過(guò)程模擬及優(yōu)化案例第第6 6章章 化工過(guò)程合成技術(shù)及優(yōu)化化工過(guò)程合成技術(shù)及優(yōu)化第7章 化工過(guò)程節(jié)能技術(shù)分析與評(píng)價(jià)制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)6章 化工過(guò)程合成技術(shù)及優(yōu)化6.1 6.1 本章導(dǎo)讀本章導(dǎo)讀6.2 6.2 合成策略合成策略6.3 6.3 反應(yīng)過(guò)程合成反應(yīng)過(guò)程合成6.4 6.4 分離序列合成分離序列合成6.5 6.5 換熱網(wǎng)絡(luò)合成換熱網(wǎng)絡(luò)合成6.6 6.6 本章小結(jié)本章小結(jié)制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà) 1

2、36222511286.1 6.1 本章導(dǎo)讀本章導(dǎo)讀 前面第5章所分析和研究的化工過(guò)程均是一個(gè)基本確定的系統(tǒng)，一般也只能調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)物料的變量，如濃度、溫度、壓力；或過(guò)程的操作參數(shù)，如精餾塔回流比，反應(yīng)器內(nèi)溫度、壓力等參數(shù)，而無(wú)法改變諸如換熱器面積、精餾塔塔板數(shù)、反應(yīng)器類(lèi)型等設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)或設(shè)備類(lèi)型。本章所研究的問(wèn)題則是可以改變以上所有的變量，因?yàn)槲覀兯芯康幕み^(guò)程系統(tǒng)此時(shí)尚未合成或真實(shí)存在，你還可以有多種選擇，合成理想的系統(tǒng)，來(lái)完成該系統(tǒng)指定的任務(wù)。 本章就是要研究如何合成一個(gè)確定的化工系統(tǒng)，在一定的約束本章就是要研究如何合成一個(gè)確定的化工系統(tǒng)，在一定的約束條件下，來(lái)完成指定的任務(wù)。條件下，

3、來(lái)完成指定的任務(wù)。這些指定的任務(wù)可能是某產(chǎn)品的年產(chǎn)量，也可以是一定的分離要求、規(guī)定的換熱任務(wù)。本章將主要對(duì)反應(yīng)過(guò)程合成、分離過(guò)程合成、換熱過(guò)程合成展開(kāi)討論。目錄目錄6.16.26.36.46.56.6制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà) 136222511286.2 6.2 合成策略合成策略 化工過(guò)程合成又稱(chēng)化工過(guò)程綜合，它是在一定的約束條件下，構(gòu)建一個(gè)化工過(guò)程，并要求該化工過(guò)程的總性能達(dá)到最佳。 化工過(guò)程合成涉及3個(gè)方面的要素或內(nèi)容：目錄目錄6.16.26.36.46.56.6化工過(guò)程合成涉及的三要素1）約束條件2）構(gòu)建一個(gè)化工過(guò)程3）要求總性能達(dá)到最佳1 1、化工過(guò)程合成定義、化工過(guò)程合成定義制

4、作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà) 136222511281 1）約束條件）約束條件 約束條件可以是對(duì)該化工過(guò)程基本要求，可以是資金的約束，也可以是技術(shù)上的約束條件。2 2）構(gòu)建一個(gè)化工過(guò)程）構(gòu)建一個(gè)化工過(guò)程 化工過(guò)程的構(gòu)建包括反應(yīng)過(guò)程構(gòu)建、分離過(guò)程構(gòu)建、換熱網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、公用工程構(gòu)建、后勤及現(xiàn)場(chǎng)安裝集成過(guò)程綜合。 構(gòu)建化工過(guò)程既可以從一個(gè)原始方案開(kāi)始，通過(guò)不斷優(yōu)化獲得最佳的方案，也可以不設(shè)定原始方案，直接進(jìn)行過(guò)程合成。 目錄目錄6.16.26.36.46.56.6制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)目錄目錄6.16.26.36.46.56.6 3 3）要求總性能達(dá)到最佳）要求總性能

5、達(dá)到最佳 總性能最佳可能是在資源有限的情況下產(chǎn)量最大、總利潤(rùn)最大，或幾個(gè)指標(biāo)的綜合。 目前對(duì)于整個(gè)化工過(guò)程優(yōu)化而言，一般采用年費(fèi)最小或總利潤(rùn)最大，而對(duì)于有些相對(duì)簡(jiǎn)單的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可考慮有效能利用率最大或熱經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。 總之，對(duì)已經(jīng)初步構(gòu)建的化工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，這是化工過(guò)程合成的核心，如果沒(méi)有優(yōu)化，也就是沒(méi)有對(duì)合成過(guò)程的總性能提出要求，只合成一個(gè)符合約束要求過(guò)程是沒(méi)有多大意義。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)目錄目錄6.16.26.36.46.56.6 目前常用的化工過(guò)程合成策略是利用在第1章中介紹的洋蔥模型，將相互作用的洋蔥模型由里向外層層遞推。如圖6-1。常規(guī)的合成過(guò)程

6、，從反應(yīng)器系統(tǒng)開(kāi)始，不斷調(diào)整優(yōu)化，最后得到一個(gè)相對(duì)較優(yōu)的過(guò)程。2 2、常規(guī)的過(guò)程合成方法：、常規(guī)的過(guò)程合成方法：制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)目錄目錄6.16.26.36.46.56.6反應(yīng)器系統(tǒng)分離與循環(huán)熱交換公用工程敲定后的質(zhì)量和能量平衡圖6-1 常規(guī)合成過(guò)程策略缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：各階段信息的不完整性無(wú)法保證最終得到最優(yōu)解。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)者能夠控制基本的設(shè)計(jì)決定，而且能夠隨設(shè)計(jì)進(jìn)展與設(shè)計(jì)本身進(jìn)行交流。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)常規(guī)的合成過(guò)程其實(shí)是一個(gè)相對(duì)固定的結(jié)構(gòu)，它是從一個(gè)不可簡(jiǎn)化的流程開(kāi)始。不可簡(jiǎn)化是由于我們?cè)诿恳徊胶铣蓵r(shí)已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)

7、化，淘汰了一些在當(dāng)前階段認(rèn)為并不優(yōu)化的單元或操作模式。但是這些被淘汰的單元或操作模式，如果放在更大范圍內(nèi)進(jìn)行考量，則可能是優(yōu)化的單元或操作模式。 基于這樣的思路，人們提出了另一種化工過(guò)程合成的策略，這種策略就是先建立一種可以簡(jiǎn)化的超結(jié)構(gòu)流程，將目前可以應(yīng)用的單元操作以并聯(lián)的形式出現(xiàn)在整個(gè)流程中，通過(guò)優(yōu)化技術(shù)，將多余的單元?jiǎng)h除，得到優(yōu)化后簡(jiǎn)化流程。目錄目錄6.16.26.36.46.56.63 3、超結(jié)構(gòu)的過(guò)程合成方法：、超結(jié)構(gòu)的過(guò)程合成方法：制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)如圖6-2是甲苯和氫制苯的超結(jié)構(gòu)流程，它是由甲苯與氫氣反應(yīng)生產(chǎn)苯的一種可能的加工過(guò)程。目錄目錄6.

8、16.26.36.46.56.6選擇1選擇2. . . .選擇N原料：氫氣+少量甲烷選擇1、用膜分離器精制原料氫氣后再進(jìn)料選擇2、原料氫氣直接進(jìn)料預(yù)處理選擇1、等溫反應(yīng)器選擇2、絕熱反應(yīng)器+甲苯預(yù)熱選擇1選擇2. . . .選擇N 超結(jié)構(gòu)包含一些多余的設(shè)備，是為了保證將那些可能會(huì)成為最優(yōu)設(shè)計(jì)一部分的設(shè)備都考慮在內(nèi)。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)目錄目錄6.16.26.36.46.56.6圖6-2甲苯加氫制苯的超結(jié)構(gòu)流程制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)對(duì)于圖6-2的超級(jí)結(jié)構(gòu)流程，可利用混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃的方法進(jìn)行優(yōu)化:目錄目錄6.16.26.36

9、.46.56.6 將圖6-2的流程進(jìn)行優(yōu)化后得到圖6-3的優(yōu)化流程。在該流程中，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化去掉了圖6-2中包括的用于精制原料氫氣的膜分離器，同樣還去掉了等溫反應(yīng)器和許多其他設(shè)備。并聯(lián)單元設(shè)置的邏輯數(shù)邏輯數(shù)為0，表明不設(shè)置這個(gè)單元邏輯數(shù)為1，表明設(shè)置這個(gè)單元制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)目錄目錄6.16.26.36.46.56.6圖6-2優(yōu)化后的甲苯加氫制苯流程制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)結(jié)構(gòu)合成的缺點(diǎn)超結(jié)構(gòu)合成的缺點(diǎn): :1）如果初始超結(jié)構(gòu)不包括最佳流程結(jié)構(gòu)，那么這種方法就不能找到最佳流程。初始超結(jié)構(gòu)包括的選擇越多，就越有可能含有最佳流程

10、。 2）如果準(zhǔn)確表示流程中所有獨(dú)立的單元操作，那么得到的需要進(jìn)行優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益隨各種變量變化的分布曲線(xiàn)既非常龐大又不規(guī)則。 經(jīng)濟(jì)效益分布曲線(xiàn)就像環(huán)抱著眾多山峰的群山。山中的每一個(gè)山峰對(duì)應(yīng)于經(jīng)濟(jì)效益分布曲線(xiàn)中的一個(gè)局部最優(yōu)值，而最高的山峰對(duì)應(yīng)于經(jīng)濟(jì)效益分布曲線(xiàn)中的最大經(jīng)濟(jì)效益值，它被稱(chēng)為全局最優(yōu)值。優(yōu)化過(guò)程相當(dāng)于在濃霧籠罩的群山中，在沒(méi)有地圖的幫助下，僅僅憑借指南針和高度儀辨明方向和高度而找到最高山峰的過(guò)程。目錄目錄6.16.26.36.46.56.6制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)達(dá)到任何一個(gè)山峰時(shí)，由于霧的存在根本無(wú)法確定是否它就是最高峰。為了找到最高峰，必須搜索完所

11、有的山峰。群山中還有一旦掉人就無(wú)法爬上來(lái)的峽谷，如圖6-4所示，有許多山峰和峽谷，但真正的最優(yōu)解在中間的這個(gè)山峰上。3）超結(jié)構(gòu)合成的最大缺點(diǎn)是在決策過(guò)程中排除了人的作用。因此，在化工流程的合成過(guò)程中許多捉摸不定的因素，如安全的因素、空間布局的因素等由于困難而無(wú)法在數(shù)學(xué)模型中考慮進(jìn)去。目錄目錄6.16.26.36.46.56.6制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6圖6-4 具有多峰的經(jīng)濟(jì)效益分布示意圖制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)結(jié)構(gòu)合成的優(yōu)點(diǎn)：超結(jié)構(gòu)合成的優(yōu)點(diǎn)： 超結(jié)構(gòu)合成能同時(shí)考慮許多不同的流程方案，同時(shí)

12、能夠?qū)⒘鞒痰膬?yōu)化過(guò)程編寫(xiě)成計(jì)算機(jī)程序，從而快速、高效地獲得優(yōu)化的流程。 目錄目錄6.16.26.36.46.56.6制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)荷蘭學(xué)者J.L.A.柯倫在其化工廠(chǎng)的簡(jiǎn)單和穩(wěn)健設(shè)計(jì)一書(shū)中提出了可并行考慮的層級(jí)結(jié)構(gòu)合成方法，見(jiàn)圖6-5。 目錄目錄6.16.26.36.46.56.64 4、層級(jí)結(jié)構(gòu)的過(guò)程合成方法：、層級(jí)結(jié)構(gòu)的過(guò)程合成方法：制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6反應(yīng)過(guò)程綜合反應(yīng)過(guò)程綜合1 1分離過(guò)程綜合分離過(guò)程綜合1 1過(guò)程集成綜合過(guò)程集成綜合1 1可控性可控性1 1靜態(tài)靜態(tài)生成點(diǎn)

13、子生成點(diǎn)子反應(yīng)過(guò)程綜合反應(yīng)過(guò)程綜合2 2分離過(guò)程綜合分離過(guò)程綜合2 2過(guò)程集成綜合過(guò)程集成綜合2可控性可控性2 2動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)流程優(yōu)化流程優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)集成現(xiàn)場(chǎng)集成詳細(xì)的質(zhì)量和能量平衡詳細(xì)的質(zhì)量和能量平衡施工設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)圖6-5 層級(jí)結(jié)構(gòu)的過(guò)程合成方法制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)與常規(guī)合成策略的區(qū)別： 引入了兩個(gè)總體開(kāi)發(fā)步驟，兩步驟之間是一個(gè)產(chǎn)生點(diǎn)子的步驟。兩個(gè)總體步驟中的不同層級(jí)都是漸次推進(jìn)的，同時(shí)不同合成層級(jí)之間有相互作用。相同步驟內(nèi)不同層級(jí)間的相互作用用虛線(xiàn)表示，而總體走向采用實(shí)線(xiàn)表示。產(chǎn)生點(diǎn)子在圖中位于兩個(gè)總體步驟之間，這是執(zhí)行該步驟的最恰當(dāng)時(shí)機(jī)。為加快概念設(shè)計(jì)，許多

14、合成工作是并行開(kāi)展的。 前面提到，除了生成點(diǎn)子和相互作用，優(yōu)化也是過(guò)程綜合的核心組成部分。在各層級(jí)和步驟上都要進(jìn)行優(yōu)化工作，而不同層級(jí)之間的相互作用體現(xiàn)在各個(gè)中間物流的經(jīng)濟(jì)價(jià)值當(dāng)中，這樣會(huì)影響到中間物流的組成。反應(yīng)、分離和集成間的相互作用應(yīng)收斂為一個(gè)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目錄目錄6.16.26.36.46.56.6制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà) 136222511286.3 6.3 反應(yīng)過(guò)程合成反應(yīng)過(guò)程合成 反應(yīng)過(guò)程合成時(shí)，一般情況下反應(yīng)后的產(chǎn)品是確定的，但對(duì)反應(yīng)的原料是沒(méi)有指定的，當(dāng)然也有指定反應(yīng)原料的情況。如果沒(méi)有指定具體的反應(yīng)原料，我們應(yīng)該從原料的經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性及易得性等諸多方面加以考

15、策以確定反應(yīng)所用的原料。 如合成氨生產(chǎn)過(guò)程合成中，我們的目的產(chǎn)物即產(chǎn)品是NH3，這是確定的，但具體的原料獲取過(guò)程沒(méi)有確定，我們可以通過(guò)空氣深冷獲取氮?dú)鈦?lái)作為合成氨反應(yīng)中氮?dú)獾膩?lái)源，也可以通過(guò)將空氣中的氧氣消耗完畢剩下的氮?dú)庾鳛楹铣砂狈磻?yīng)中氮?dú)獾膩?lái)源。至于氫氣的獲取其途徑更加廣泛，可以利用水煤氣制氫、天然氣制氫，也可以電解水制氫。當(dāng)從經(jīng)濟(jì)性來(lái)考量，電解水制氫用于合成氨生產(chǎn)中氫的來(lái)源顯然不合理顯然。利用天然制氫，目前常采用加壓蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝流程,其具體的流程圖見(jiàn)圖6-6。目錄目錄6.16.26.36.46.56.66.3.1 6.3.1 原料的選擇原料的選擇制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà) 136

16、22251128目錄目錄6.16.26.36.46.56.61-轉(zhuǎn)化爐管 2-對(duì)流段 3-脫硫器 4-汽包 5-廢熱鍋爐 6-變換7-鍋爐水預(yù)熱器 8-預(yù)熱器 9-冷卻器 10-分離器 11-變壓吸附器圖6-6 加壓蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝流程圖制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)其發(fā)生的主要反應(yīng)如下： CH4+H2O=CO+3H2-Q (6-1) CO+H2O=CO2+H2-Q (6-2) CnHn +2nH2O=nCO+(2n+1)H2-Q (6-3) 從上列轉(zhuǎn)化反應(yīng)式(6-1)-(6-3)可以看出，一個(gè)體積的甲烷可轉(zhuǎn)化成4個(gè)體積的CO+H2，組分中的CO還可以進(jìn)一步變換成一個(gè)

17、體積的H2，理想的狀態(tài)下，一個(gè)體積的甲烷最終可轉(zhuǎn)化成4個(gè)體積的H2，反應(yīng)結(jié)果為氫多碳少，因此用這種轉(zhuǎn)化方法制取氫是高效、經(jīng)濟(jì)和理想的。 目錄目錄6.16.26.36.46.56.6制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)當(dāng)原料和產(chǎn)品均無(wú)法選擇時(shí)，也就是原料和產(chǎn)品都已確定，但如果按照確定的原料直接通過(guò)一步反應(yīng)制取產(chǎn)品，此時(shí)的產(chǎn)物濃度接近零，可以認(rèn)為利用一步反應(yīng)無(wú)法制取產(chǎn)品。這是因?yàn)槿绻徊竭M(jìn)行反應(yīng)，此時(shí)反應(yīng)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變G042kJ/mol。 一般情況下，要求反應(yīng)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能G042kJ/mol，才可以考慮通過(guò)改變反應(yīng)條件使反應(yīng)的吉布斯自由能G0，從而使反應(yīng)進(jìn)

18、行能自動(dòng)進(jìn)行。至于為什么選取42kJ/kmol作為一個(gè)衡量指標(biāo)，因?yàn)榉磻?yīng)過(guò)程的平衡常數(shù)Ka 和反應(yīng)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化G0以及反應(yīng)過(guò)程自由能變化G，存在以下關(guān)系： G= G0 +RT ln Ka （6-4）任何反應(yīng)在反應(yīng)平衡時(shí)，均有G=0，將此結(jié)果代入（6-4）得： G0 =-RT ln Ka （6-5） 目錄目錄6.16.26.36.46.56.6制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)用（6-5），將具體數(shù)據(jù)代入得到在G0=42kJ/mol時(shí)的反應(yīng)平衡常數(shù)： 由式（6-6）的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)G0=42kJ/mol，在25C要發(fā)生反應(yīng)是相當(dāng)困難的，因?yàn)榇藭r(shí)的平衡常數(shù)比較小。這

19、里必須注意G和G0之間的差異，G用來(lái)判斷反應(yīng)的方向；G0則用來(lái)估算化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)，G0可以利用下式計(jì)算： 目錄目錄6.16.26.36.46.56.6042 1000 /88.3144 /(.) 298.153.394 10J molGJmol KKRTaKee00011()()nmiifjjfijGGG（6-6）（6-5）制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)式（6-7）中： 、 分別為生成物中i組分和反應(yīng)物中j組分的摩爾計(jì)量系數(shù)， 和 分別為i組分和j組分在溫度為T(mén)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能，可從文獻(xiàn)中查取。用原料A和B，反應(yīng)生成產(chǎn)品Z，如直接反應(yīng)制備，其反應(yīng)式如（6-8），

20、此反應(yīng)的 G0=GZ0-GA0-GB042kJ /mol，一般認(rèn)為反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行。但產(chǎn)品Z及原料A和B又沒(méi)有選擇，這時(shí)需要引入中間產(chǎn)物，將一步反應(yīng)分解成多步反應(yīng)，如將反應(yīng)(6-8)分解為（6-9）和（6-10），從而降低每一步反應(yīng)的Gi0，使每一步分反應(yīng)可以通過(guò)改變一定的實(shí)驗(yàn)的條件，如可以通過(guò)改變反應(yīng)溫度使反應(yīng)得以進(jìn)行。 目錄目錄6.16.26.36.46.56.6ij0()ifG0()jfG制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)A+B=Z G042kJ /mol （6-8） A+L=N G1042kJ /mol （6-9） N+B=Z+L G2042kJ /mol （6-10

21、） 當(dāng)然，將將一步反應(yīng)分解成多步反應(yīng)的方法有多種，如可以將式（6-11）分解成（6-12）（6-14）。 A+B=C+D （6-11） A+L=N+P （6-12） N+M=C+L （6-13） P+B=D+M （6-14） 目錄目錄6.16.26.36.46.56.6制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)著名的索爾維制堿法如果一步反應(yīng)的話(huà)，則如式（6-15），此時(shí)反應(yīng)無(wú)法發(fā)生，通過(guò)引入中間產(chǎn)物NH4Cl、H2O等，使式（6-15）的一步反應(yīng)分解成式（6-16）（6-21），反應(yīng)就變成可行。 （6-15） 1000C （6-16） 100C （6-17） 120C （6-18

22、) 60C （6-19) 目錄目錄6.16.26.36.46.56.632322NaCl CaCONa CO CaCl32CaCOCOCaO 22HO CaO Ca(OH) 24232Ca(OH) 2NHClCaCl2NH2HO 322432NH2HO 2CO2NHHCO制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)60 （6-20） 200C (6-21) 目錄目錄6.16.26.36.46.56.6323222NaHCONa COH OCO 43342NaCl 2NHHCO2NaHCO 2NH Cl 制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.3

23、6.46.56.66.3.2 6.3.2 反應(yīng)路徑的選擇反應(yīng)路徑的選擇 當(dāng)反應(yīng)有多條路徑時(shí)，可采用原子經(jīng)濟(jì)性作為初選依據(jù)。所謂原子經(jīng)濟(jì)性就是在不考慮生產(chǎn)過(guò)程費(fèi)用及設(shè)備折舊的前提下，只考慮原料和產(chǎn)物的目前市場(chǎng)價(jià)值，利用反應(yīng)方程式計(jì)算該反應(yīng)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性能。 下面以氯乙烯生產(chǎn)過(guò)程中的5條反應(yīng)路徑為例，來(lái)說(shuō)明如何利用原子經(jīng)濟(jì)性，來(lái)初步優(yōu)化反應(yīng)路徑。氯乙烯生產(chǎn)過(guò)程中的5條反應(yīng)路徑設(shè)計(jì)的原料及產(chǎn)品目前國(guó)內(nèi)大致的市場(chǎng)價(jià)格（數(shù)據(jù)由網(wǎng)上收集而得）如表6-1。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6化學(xué)品名稱(chēng)分子量?jī)r(jià)格（元/kg)價(jià)格（元/ kmol)乙烯

24、28.056.82191.30乙炔26.0417.82464.03氯70.914.12294.15氯化氫36.466.88250.84氯乙烯62.58.32520.0水氧 181600.0701.12表6-1 氯乙烯生產(chǎn)過(guò)程化學(xué)品采購(gòu)價(jià)格制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6氯乙烯生產(chǎn)過(guò)程中的5條反應(yīng)路經(jīng)：1 1） 乙烯直接氯化乙烯直接氯化 C C2 2H H4 4+Cl+Cl2 2CC2 2H H3 3Cl+HCl (6-22)Cl+HCl (6-22)按理想反應(yīng)，則每生產(chǎn)按理想反應(yīng)，則每生產(chǎn)1kmol1kmol氯乙烯氯乙烯C C2

25、 2H H3 3ClCl的原子經(jīng)濟(jì)效益的原子經(jīng)濟(jì)效益EAEA1 1為：為： EAEA1 1=520+250.84-191.30-294.15=285.39=520+250.84-191.30-294.15=285.39元元/ / kmolkmol (6-23) (6-23) 從原子經(jīng)濟(jì)性分析，路徑從原子經(jīng)濟(jì)性分析，路徑1 1是可行的，但市場(chǎng)上是可行的，但市場(chǎng)上HClHCl價(jià)格波動(dòng)，價(jià)格波動(dòng)，尤其是如果當(dāng)?shù)責(zé)o需尤其是如果當(dāng)?shù)責(zé)o需HClHCl，需要外運(yùn)銷(xiāo)售的話(huà)，需要外運(yùn)銷(xiāo)售的話(huà)，HClHCl的價(jià)格可能無(wú)法的價(jià)格可能無(wú)法達(dá)到表達(dá)到表6-16-1的水平，原子經(jīng)濟(jì)性可能下降。的水平，原子經(jīng)濟(jì)性可能下降。

26、 該反應(yīng)可能產(chǎn)生大量的二氯乙烯副產(chǎn)物，如果反應(yīng)條件控制在該反應(yīng)可能產(chǎn)生大量的二氯乙烯副產(chǎn)物，如果反應(yīng)條件控制在抑制二氯乙烯產(chǎn)生的條件下，此時(shí)的氯乙烯產(chǎn)率也不高。抑制二氯乙烯產(chǎn)生的條件下，此時(shí)的氯乙烯產(chǎn)率也不高。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.62 2）乙炔氫氯化）乙炔氫氯化 C2H2+HClC2H3Cl (6-24) 該反應(yīng)在150C、常壓、浸漬在活性炭的HgCl2作為催化劑的條件下，乙炔轉(zhuǎn)化成氯乙烯率高達(dá)98%，反應(yīng)條件相對(duì)溫和。按理想反應(yīng)，則每生產(chǎn)1kmol氯乙烯C2H3Cl的原子經(jīng)濟(jì)效益AF2為： EA2=520-250.8

27、4-464.03=-194.87元/ kmol (6-25) 從原子經(jīng)濟(jì)性分析，路徑2是不可行的，主要原因是乙炔的價(jià)格太貴，如果能獲得相對(duì)便宜的乙炔，而HCl又是其他工藝的副產(chǎn)物，附近市場(chǎng)無(wú)法消化HCl，該反應(yīng)途徑的原子經(jīng)濟(jì)性可能逆轉(zhuǎn)。因?yàn)镠Cl的價(jià)格可取為0，這時(shí)即使不降低乙炔的價(jià)格，EA2也為520-0-464.03=55.97元/ kmol。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.63 3）乙烯氯化生成二氯乙烷進(jìn)行熱裂解）乙烯氯化生成二氯乙烷進(jìn)行熱裂解 C2H4+Cl2C2H4Cl2 (6-26) C2H4Cl2 C2H3Cl+HC

28、l (6-27) C2H4+Cl2C2H3Cl+HCl（總反應(yīng)） (6-22) 該反應(yīng)途徑的總反應(yīng)和反應(yīng)途徑1是一樣的，如果計(jì)算原子經(jīng)濟(jì)性的話(huà)， EA3= EA2=285.39元/ kmol。反應(yīng)（6-26）和（6-27)的總和等于反應(yīng)（6-24）。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6上述兩步的反應(yīng)路線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)：上述兩步的反應(yīng)路線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)： 在90 、1大氣壓和三氯化鐵（FeC13）作為催化劑存在的條件下，放熱反應(yīng)（6-26）中的乙烯生成 1, 2 -二氯乙烷的轉(zhuǎn)化率約為 98。然后，二氯乙烷中間產(chǎn)物通過(guò)熱裂解吸熱反應(yīng)（6-27) 轉(zhuǎn)化

29、為氯乙烯，該反應(yīng)過(guò)程在500C 時(shí)能自發(fā)進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率高達(dá)65。假定未反應(yīng)的二氯乙烷從氯乙烯和氯化氫中被完全回收，循環(huán)利用。這個(gè)反應(yīng)路線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)大量地生成二氯乙烯。上述兩步的反應(yīng)路線(xiàn)的缺點(diǎn)：上述兩步的反應(yīng)路線(xiàn)的缺點(diǎn)： 會(huì)生成 HCI。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.64 4）乙烯氧氯化生成的二氯乙烷進(jìn)行熱裂解）乙烯氧氯化生成的二氯乙烷進(jìn)行熱裂解 C2H4+2HCl+0.5O2C2H4Cl2 +H2O (6-28) C2H4Cl2 C2H3Cl+HCl (6-29) C2H4+ HCl +0.5O2C2H3Cl+ H2O（總反應(yīng)）

30、 (6-30) 將乙烯氧氯化生成 l,2-二氯乙烷的反應(yīng)(6-28)中，氯的來(lái)源是HCl。這是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，在 250C 、氯化銅(CuC12)催化劑存在的條件下，轉(zhuǎn)化率達(dá)到95% ，如同反應(yīng)路徑3中，二氯乙烷在熱裂解步驟中裂解成氯乙烯，并有HCl生成。按理想反應(yīng)，反應(yīng)途徑4每生產(chǎn)1 kmol 氯乙烯C2H3Cl的原子經(jīng)濟(jì)效益EA4為： EA4=520-250.84-0.51.12=268.6元/ kmol (6-31)制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.65 5）乙烯氯化反應(yīng)）乙烯氯化反應(yīng) C2H4+Cl2C2H4Cl2 (6-2

31、6) C2H4+2HCl+0.5O2C2H4Cl2 +H2O (6-28) 2C2H4Cl2 2C2H3Cl+2HCl (6-29) 2C2H4+Cl2+0.5O22C2H3Cl+ H2O （總反應(yīng)） (6-32) 反應(yīng)路徑5結(jié)合了路徑3 和路徑4。它的優(yōu)點(diǎn)是將氯分子的兩個(gè)原子均轉(zhuǎn)化到氯乙烯分子上。在熱裂解反應(yīng)中產(chǎn)生的HCl全部被消耗在氧氯化反應(yīng)中。 制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 按理想反應(yīng)，反應(yīng)途徑5每生產(chǎn)1 kmol 氯乙烯C2H3Cl的原子經(jīng)濟(jì)效益EA5為： EA4=520-0.5294.15-0.251.12=372

32、.65元/ kmol (6-33) 綜上所述，在表6-1所示的化學(xué)品價(jià)格情況下，反應(yīng)路徑5的原子經(jīng)濟(jì)效益最佳，反應(yīng)路徑1的原子經(jīng)濟(jì)效益次之，而反應(yīng)路徑2的原子經(jīng)濟(jì)效益為負(fù)，一般可以不予考慮。在進(jìn)一步進(jìn)行反應(yīng)過(guò)程合成與優(yōu)化時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考察反應(yīng)途徑5，同時(shí)注意如果當(dāng)?shù)赜卸嘤嗟腍Cl或是生產(chǎn)過(guò)程的副產(chǎn)物,則反應(yīng)途徑4的原子經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)519.44元/ kmol （HCl的價(jià)格取為0）。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.66.3.3 6.3.3 反應(yīng)器類(lèi)型的選擇反應(yīng)器類(lèi)型的選擇 反應(yīng)器是反應(yīng)過(guò)程中最重要的部分，在這里形成產(chǎn)物并決定過(guò)程的選擇性

33、。 反應(yīng)器的分類(lèi)：反應(yīng)器的分類(lèi)：1）按照生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性，反應(yīng)器可分為連續(xù)反應(yīng)器和間歇反應(yīng)器。2）對(duì)于反應(yīng)器分類(lèi)，還有一種方法，就是固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器，該分類(lèi)方法主要針對(duì)氣固催化反應(yīng)。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.61）按照生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性分類(lèi)反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器間歇反應(yīng)器按照反應(yīng)物的相態(tài)分類(lèi)：按照反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)分類(lèi)：均相反應(yīng)器：非均相反應(yīng)器氣相均相反應(yīng)器：液相均相反應(yīng)器：液液氣固液固氣液氣液固理想連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR) 一般認(rèn)為體系達(dá)到穩(wěn)態(tài)，反應(yīng)器內(nèi)所有位置的溫度、濃度均一致，并且和反應(yīng)器出口時(shí)的溫度、濃度相等。理想

34、連續(xù)活塞流式反應(yīng)器（PFR） 可以看成是許多CSTR的串聯(lián)組合，例如：實(shí)際結(jié)構(gòu)中的管 反應(yīng)物流均勻流動(dòng)，在物流方向上無(wú)任何混合，它式反應(yīng)器制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.61 1）氣相中的反應(yīng)更適宜于轉(zhuǎn)換到在液相中進(jìn)行。）氣相中的反應(yīng)更適宜于轉(zhuǎn)換到在液相中進(jìn)行。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：更好地混合； 更高的濃度； 便于溫度調(diào)節(jié)；減小設(shè)備尺寸。一種例外情況是發(fā)生在催化劑顆粒內(nèi)部的反應(yīng)，并且擴(kuò)散傳質(zhì)作為控制步驟。這時(shí)，氣體的擴(kuò)散系數(shù)高，氣體反應(yīng)比液相反應(yīng)更具優(yōu)勢(shì)。 2 2）非均相反應(yīng)更適宜轉(zhuǎn)換為均相反應(yīng)，氣相或者液相均可。）非均相反應(yīng)更適宜轉(zhuǎn)換

35、為均相反應(yīng)，氣相或者液相均可。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：不存在相際的傳質(zhì)、傳熱限制； 更容易實(shí)現(xiàn)所需要的流動(dòng)狀況。反應(yīng)器的強(qiáng)化集中于非均相反應(yīng)器系統(tǒng)，其原因也在于此，通過(guò)強(qiáng)化盡可能減緩上述限制因素3 3）一個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)的多功能集成也可以作為一種選擇，特別是對(duì)）一個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)的多功能集成也可以作為一種選擇，特別是對(duì)于平衡反應(yīng)，改變平衡狀況可以提高轉(zhuǎn)化率和選擇性。于平衡反應(yīng)，改變平衡狀況可以提高轉(zhuǎn)化率和選擇性。對(duì)于反應(yīng)相態(tài)的選擇的三條總的原則：對(duì)于反應(yīng)相態(tài)的選擇的三條總的原則：制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.62）其他分類(lèi)方法固定床反應(yīng)器固定床

36、反應(yīng)器 圖6-7 四種固定床反應(yīng)器制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 圖6-7中的四種固定床反應(yīng)器屬于管式反應(yīng)器一類(lèi)，廣泛用于催化反應(yīng)系統(tǒng)。反應(yīng)器中裝滿(mǎn)催化劑顆粒，流體流動(dòng)近似于平推流（可近似為理想的PER)。圖6-7 （a）所示反應(yīng)器近似于管殼式換熱器，管中裝填催化劑；圖6-7 （b）所示反應(yīng)器為在高溫爐內(nèi)安裝催化劑管子；圖6-7 （c）為分段絕熱床反應(yīng)器，中間設(shè)冷卻段或加熱段以控制溫度，冷卻或加熱可通過(guò)內(nèi)部或外部換熱器實(shí)現(xiàn)；圖6-7 （d）所示的反應(yīng)器，在反應(yīng)器中分段注入一種流體以進(jìn)行熱交換，這種流體通常是新鮮冷進(jìn)料或冷卻后的

37、產(chǎn)品循環(huán)以控制放熱反應(yīng)的溫升，這種換熱形式稱(chēng)為冷激冷。 此外還有其他形式的固定床反應(yīng)器。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器：相對(duì)于固定床反應(yīng)器而言，圖6-8則是流化床反應(yīng)器，在流花床反應(yīng)器中，固體催化劑象流體一樣流動(dòng)，故取名為流化床反應(yīng)器。圖6-8流化床反應(yīng)器制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 流化床反應(yīng)器的行為既不接近CSTR理想模型也不接近PER理想模型，其固相趨于理想混合，而由氣泡引起的氣相行為比理想混合更差?？傮w上，流化床反應(yīng)器的行為介

38、于CSTR和PER模型之間。流化床反應(yīng)器的行為特點(diǎn)：流化床反應(yīng)器的行為特點(diǎn)：制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.61）在流化床反應(yīng)器中，催化劑通過(guò)反應(yīng)流體向上吹，使細(xì)顆粒固體處于懸浮流態(tài)化狀態(tài)。顆?？焖龠\(yùn)動(dòng)的效果是傳熱好、溫度均勻，并可避免固定床反應(yīng)器中出現(xiàn)的熱點(diǎn)。2）流化床反應(yīng)器除了有較高傳熱速率的優(yōu)點(diǎn)外，還可以用于催化劑顆粒需要頻繁再生的場(chǎng)合。在這種情況下，顆?？梢詮牧骰仓羞B續(xù)移出、再生，然后再循環(huán)回到流化床中。 對(duì)放熱反應(yīng)，催化劑循環(huán)可以從反應(yīng)器移走熱量；對(duì)吸熱反應(yīng)；它也可以補(bǔ)充熱量。流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：制

39、作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 催化劑的磨損，產(chǎn)生催化劑細(xì)粉后，從流化床中吹走而損失掉。由于催化劑細(xì)粉的存在會(huì)污染常規(guī)的換熱器，有時(shí)需要通過(guò)用一股冷流體在反應(yīng)器出口直接換熱來(lái)冷卻反應(yīng)器尾氣。流化床反應(yīng)器的主要缺點(diǎn)：流化床反應(yīng)器的主要缺點(diǎn)：制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 總之，反應(yīng)器的具體類(lèi)型選擇要結(jié)合具體的反應(yīng)過(guò)程特性，如是否需要催化劑，是否需要加熱或冷卻，具體的反應(yīng)設(shè)計(jì)方程如何，選擇不同的反應(yīng)器類(lèi)型。如需要保持較高反應(yīng)物的濃度，則一般選則PER反應(yīng)器，因?yàn)镃S

40、TR反應(yīng)器當(dāng)反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)器的瞬間，濃度已降至出口處的反應(yīng)物濃度。如有固體催化劑的反應(yīng)，則肯定選用固定床或流化床反應(yīng)器。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.66.3.4 6.3.4 反應(yīng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇反應(yīng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇 反應(yīng)過(guò)程合成中除了確定單個(gè)反應(yīng)器類(lèi)型外，有時(shí)還需要確定各個(gè)反應(yīng)器之間的關(guān)系，我們稱(chēng)之為反應(yīng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其含義和化工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，主要表達(dá)了每個(gè)反應(yīng)器之間的連接關(guān)系，而并不是具體反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1 1）串聯(lián)結(jié)構(gòu)）串聯(lián)結(jié)構(gòu) 在具體的工業(yè)反應(yīng)中，常常需要將多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)、并聯(lián)或循環(huán)連接起來(lái)，以達(dá)到特殊的目的。如可以將一

41、個(gè)大的CSTR反應(yīng)器分解成多個(gè)小的CSTR反應(yīng)器。如此分解的目的是為了加熱或冷卻物料，同時(shí)提高原料的濃度，獲得較高的產(chǎn)品收率，串聯(lián)反應(yīng)器見(jiàn)圖6-9。當(dāng)然，隨著技術(shù)的進(jìn)步，可以將三個(gè)串聯(lián)的CSTR反應(yīng)器簡(jiǎn)化為一個(gè)絕熱渦街混合反應(yīng)器，見(jiàn)圖6-10。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6圖6-9 三個(gè)等溫串聯(lián)的CSTR 圖圖6-10 6-10 絕熱渦街混合反應(yīng)器制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 有些工業(yè)反應(yīng)過(guò)程需要采用并聯(lián)操作以提高處理量，如圖6-11是三個(gè)相同的CSTR反應(yīng)

42、器并聯(lián)作業(yè)。其實(shí)圖6-7（a)的固定床反應(yīng)器，各根管子相當(dāng)于與一個(gè)小的反應(yīng)器，每根管子之間是并聯(lián)關(guān)系，許多個(gè)并聯(lián)的小的催化反應(yīng)器構(gòu)成了圖6-7（a)的催化固定床反應(yīng)器。有資料報(bào)道如果要使如圖6-7（a)反應(yīng)器性能達(dá)到最佳，每根并聯(lián)的小的催化反應(yīng)器性能應(yīng)達(dá)到一致（包括壓降、轉(zhuǎn)化率）。 2 2）并聯(lián)結(jié)構(gòu)）并聯(lián)結(jié)構(gòu)制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 出料出料進(jìn)料進(jìn)料圖6-11 三個(gè)并聯(lián)CSTR反應(yīng)器制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 如想達(dá)到和圖6-11三個(gè)并聯(lián)CSTR反應(yīng)

43、器同樣的性能，也可以考慮采用一種新型的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，如圖6-12。 該反應(yīng)器系統(tǒng)將反應(yīng)器和冷凝器構(gòu)成循環(huán)結(jié)構(gòu)連接，反應(yīng)后產(chǎn)生的氣相物質(zhì)進(jìn)入冷凝器冷凝成液體，冷凝后的液體有回流到反應(yīng)器起到攪拌與混合的作用，這種巧妙的結(jié)構(gòu)，省去了CSTR反應(yīng)器中的攪拌器。限制條件：1）液相進(jìn)料 2）反應(yīng)過(guò)程一般應(yīng)為放熱反應(yīng)，利用反應(yīng)熱將其中一些物料汽化，如果反應(yīng)體系中的物料均難以汽化，則圖6-12所示的系統(tǒng)無(wú)法使用。3 3）循環(huán)結(jié)構(gòu)）循環(huán)結(jié)構(gòu)制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6進(jìn)料進(jìn)料 出料出料圖6-12帶回流冷凝器的大型沸騰反應(yīng)器制作人：方利國(guó)，吳少如

44、聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 對(duì)于循環(huán)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器系統(tǒng)如圖6-13所示，該反應(yīng)系統(tǒng)中，進(jìn)料在六個(gè)管式反應(yīng)器中循環(huán)并發(fā)生反應(yīng)，在第3個(gè)反應(yīng)器出口處引出一部分作為產(chǎn)品，另一部分繼續(xù)循環(huán)反應(yīng)。對(duì)于圖6-13的循環(huán)反應(yīng)器，如果從簡(jiǎn)單和穩(wěn)健設(shè)計(jì)的理念出發(fā)，可以簡(jiǎn)化為圖6-14所示的沸騰反應(yīng)器，該沸騰反應(yīng)器具有和圖6-13所示基本一致的性能。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 圖6-13 循環(huán)管式反應(yīng)器 圖6-14 沸騰反應(yīng)器58制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.

45、16.26.36.46.56.6 有許多反應(yīng)過(guò)程是放熱反應(yīng)，但反應(yīng)物進(jìn)料是冷物料，需要加熱。一般的反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6-15所示，將反應(yīng)進(jìn)料和離開(kāi)反應(yīng)器的產(chǎn)品通過(guò)換熱器進(jìn)行換熱。換熱器換熱器進(jìn)料進(jìn)料產(chǎn)品產(chǎn)品圖6-15 利用反應(yīng)熱預(yù)熱進(jìn)料系統(tǒng) 制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 圖6-16是和圖6-15具有等價(jià)效能的流向變換反應(yīng)器，該反應(yīng)器開(kāi)車(chē)時(shí)，先將上段換熱器加熱到預(yù)定溫度（一般采用熱氮?dú)猓?，然后沿?shí)線(xiàn)進(jìn)料操作，從反應(yīng)器上端進(jìn)料，利用上段的填料換熱器預(yù)熱進(jìn)料，同時(shí)上段的填料溫度會(huì)逐漸下降；同時(shí)，從反應(yīng)段出來(lái)的熱的產(chǎn)品，進(jìn)入下段填料換

46、熱。下段填料換熱器原來(lái)是冷的，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，下段填料的溫度逐漸升高。反應(yīng)一定時(shí)間后，上段的填料溫度下降，下段的填料溫度上升，達(dá)到一定程度后，切換進(jìn)料方向。原料從下段進(jìn)料，從上段出料，如此循環(huán)往復(fù)，達(dá)到了回收反應(yīng)熱及加熱物料的目的。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6圖6-16 流向變換反應(yīng)器61制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.66.3.56.3.5反應(yīng)操作及化學(xué)組分分配試探規(guī)則反應(yīng)操作及化學(xué)組分分配試探規(guī)則對(duì)于反應(yīng)操作及化學(xué)組分分配，學(xué)者提出了如下八條試探規(guī)則：1）選

47、擇原料和化學(xué)反應(yīng)避免或減少危險(xiǎn)和有毒化學(xué)品的加工和貯存。2）在反應(yīng)操作中采用一種化學(xué)反應(yīng)物過(guò)量，以完全消耗貴重的、有毒的或危險(xiǎn)的化學(xué)反應(yīng)物，指出哪些化學(xué)品是有毒的和危險(xiǎn)的。3）當(dāng)需要幾乎純凈的產(chǎn)物時(shí)，當(dāng)容易完成分離時(shí)和當(dāng)惰性組分將對(duì)催化劑將產(chǎn)生不利影響時(shí)，在反應(yīng)操作前除去惰性組分，但當(dāng)必需除去大量反應(yīng)熱時(shí)，不要在反應(yīng)操作前除去惰性組分。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.64）引人排放物流為作為進(jìn)料雜質(zhì)進(jìn)人過(guò)程或在不可逆副反應(yīng)中生成的組分提供出口，當(dāng)這些組分微量存在和或難以與其他組分分離時(shí)。較輕的組分在氣相排放物流中排出，而較重的組分

48、在液相排放物流中排出。5）不要排放貴重的組分或有毒和危險(xiǎn)的組分，即使以低濃度。加入分離器回收貴重組分。如果可能，加入反應(yīng)器消除有毒和危險(xiǎn)的組分。6）可逆反應(yīng)產(chǎn)生的少量副產(chǎn)物通常不在分離器中回收或排放。反之，它們通常能循環(huán)到完全消失。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.67）對(duì)串聯(lián)和平行的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，調(diào)整溫度、壓力和催化劑以獲得需要產(chǎn)物的高收率。在化學(xué)組分的初始分配中，假定這些條件能被滿(mǎn)足。在開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)案例設(shè)計(jì)時(shí)，獲取動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)并校核上述假定。8）尤其對(duì)可逆反應(yīng)，考慮在能脫除產(chǎn)物的分離裝置中進(jìn)行反應(yīng)，并因此推動(dòng)反應(yīng)向右進(jìn)行。這類(lèi)反應(yīng)-分離操

49、作會(huì)導(dǎo)致完全不同的化學(xué)組分分配。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.66.3.6 6.3.6 獨(dú)立反應(yīng)數(shù)確定獨(dú)立反應(yīng)數(shù)確定 在反應(yīng)過(guò)程合成中，有時(shí)有多種反應(yīng)發(fā)生，但有些反應(yīng)之間存在內(nèi)在的聯(lián)系，這時(shí)你所寫(xiě)出的反應(yīng)方程式可能多于實(shí)際真正存在的反應(yīng)方程式，如果仍按你所寫(xiě)的反應(yīng)方程式進(jìn)行計(jì)算，可能會(huì)帶來(lái)意想不到的錯(cuò)誤，這時(shí)就必須進(jìn)行獨(dú)立反應(yīng)數(shù)的確定工作。獨(dú)立化學(xué)反應(yīng)數(shù)：指不能以線(xiàn)性組合其它反應(yīng)導(dǎo)出來(lái)的反應(yīng)個(gè)數(shù)。如： CO+0.5O2=CO2 (6-34) H2+0.5O2=H2O (6-35) CO+H2O=CO2+H2 (6-36) 共有3

50、個(gè)反應(yīng)，但只有兩個(gè)反應(yīng)是獨(dú)立的，因?yàn)?個(gè)反應(yīng)中的任何一個(gè)可以通過(guò)其它兩個(gè)的線(xiàn)性組合來(lái)產(chǎn)生。如反應(yīng)式(6-35)，可以通過(guò)式(6-34)和(6-36)加減得到。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6假設(shè)涉及反應(yīng)物質(zhì)數(shù)為m種，該m種物質(zhì)涉及n種元素或原子，則對(duì)任何一種原子（元素而）言，反應(yīng)前后原子的變化為零，有下式成立： (6-37)其中 表示第i種反應(yīng)物質(zhì)數(shù)中第j種原子的個(gè)數(shù)，如已前面反應(yīng)為例，可得氫原子的守恒方程為： (6-38) 在這個(gè)反應(yīng)體系中，共涉及5種物質(zhì)，但只有兩種和氫原子有關(guān)。將涉及反應(yīng)的m種物質(zhì)，n種原子的原子守恒方程全

51、部列出，選取方程左邊的系數(shù)矩陣便構(gòu)成了原子系數(shù)矩陣，該矩陣的行數(shù)為n行，列數(shù)為m列，以上的反應(yīng)為例，可先寫(xiě)出全部守恒方程如下： 10 1,2.mijiiamjnija222 H O2 H0 制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 222222COCO02 HO 2 H0 CO 2 COHO 2O0CHO 原 子 守 恒 ： 原 子 守 恒 ： 原 子 守 恒 ：根據(jù)上面的守恒方程，寫(xiě)出下面的原子系數(shù)矩陣：1 1 0 0 00 0 2 2 01 2 1 0 2A制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26

52、.36.46.56.6獨(dú)立反應(yīng)數(shù)f等于反應(yīng)涉及的物質(zhì)m數(shù)減去原子系數(shù)矩陣的秩r，即： f=m-rank(A) =m-r (6-41) 一般情況下，rank(A)=n,所以有： f=m-n 如上面例子中，m等于5，r=3,即f=5-3=2 ，有兩個(gè)獨(dú)立方程。 有時(shí)候，原子矩陣的秩和原子數(shù)不相等，如涉及NH3，HCl，NH4Cl的反應(yīng)體系，m=3，n=3，如果按一般情況計(jì)算，則f=0，但事實(shí)上有一個(gè)獨(dú)立反應(yīng)，原因是該反應(yīng)體系的原子矩陣的秩為2，和原子個(gè)數(shù)不相等，其守恒方程為： 制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.644NH3 HCl 0

53、3 NH3HCl 4 NH Cl 0 Cl HCl NH Cl 0NH 原子守恒：原子守恒：原子守恒：根據(jù)上面的守恒方程，寫(xiě)出下面的原子系數(shù)矩陣：根據(jù)上面的守恒方程，寫(xiě)出下面的原子系數(shù)矩陣：110314011A69制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6式(6-43)矩陣的秩為2。對(duì)于大型復(fù)雜系統(tǒng)，根據(jù)反應(yīng)體系涉及的物質(zhì)數(shù)和原子數(shù)，計(jì)算獨(dú)立反應(yīng)數(shù)，進(jìn)而確定具體的反應(yīng)方程式，仍是目前研究的內(nèi)容，利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算獨(dú)立化學(xué)反應(yīng)方程式，可作為目前的一個(gè)研究方向。制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà) 136222511286.4 6.4 分離序列合成

54、分離序列合成目錄目錄6.16.26.36.46.56.6 分離過(guò)程是化工合成的第二核心層內(nèi)容，它作為石油化工、有機(jī)化工、生物化工、精細(xì)化工、制藥等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最重要的單元操作之一，是工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品提純及節(jié)能減排的重要手段。分離過(guò)程作為化學(xué)工程學(xué)科的研究重點(diǎn)之一，精餾、萃取等傳統(tǒng)分離技術(shù)以及新型分離的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在全球范圍內(nèi)越來(lái)越受到重視。 通常分離裝置在化工廠(chǎng)基建投資中占5090%的比重，能耗占到整個(gè)流程的30%50%。71制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà) 136222511286.4.1 6.4.1 分離方法簡(jiǎn)介分離方法簡(jiǎn)介目錄目錄6.16.26.36.46.56.6 許多化學(xué)過(guò)程中的物料和產(chǎn)

55、品均是在氣相、液相或者固相中是以不同組分的混合物存在的。為了獲得純凈的原料和產(chǎn)品，必須從原混合物中分離或除去一種或者多種組分，從而獲得純凈的物質(zhì)。物質(zhì)分離提純的方法有許多種，蒸餾是最常見(jiàn)的分離方法，石油煉制過(guò)程就是利用該方法將將原油分離成汽油、柴油、重油等產(chǎn)品，而汽油、柴油其實(shí)還是混合物。化工分離過(guò)程多數(shù)情況下需要獲得單一物質(zhì)，如裂解氣分離，裂解氣是一個(gè)多組分混合物，含有多種低級(jí)烴類(lèi)，主要有甲烷、乙烷、丙烷，乙烯、丙烯和C4、C5的烯烴與烷烴，此外還有氫氣和少量炔烴、硫化物、CO、CO2、H2O和惰性氣體等雜質(zhì)，裂解氣分離的任務(wù)是要得到高純度、單一的烴，如重要的基本有機(jī)合成原料乙烯、丙烯等，以

56、便進(jìn)一步合成其他化工產(chǎn)品。 72制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 化工過(guò)程分離的方法有許多種，需要根據(jù)具體的情況選則不同的分離方法，一般可將分離方法分為兩大類(lèi)，見(jiàn)圖6-17，一類(lèi)是通過(guò)物理力的作用，也就是機(jī)械分離過(guò)程，如重力或離心沉降、過(guò)濾等；另一類(lèi)是基于物質(zhì)分子的物理-化學(xué)的性質(zhì)差異，和分子的質(zhì)量傳遞的差異。各個(gè)分子以這種方式依據(jù)它們的分子的差別分離成兩相。73制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 分 離 過(guò) 程機(jī)械分離過(guò)程傳質(zhì)分離過(guò)程傳質(zhì)分離過(guò)程精餾、蒸發(fā)、吸收、

57、萃取精餾、蒸發(fā)、吸收、萃取熱擴(kuò)散、電滲透、反滲透熱擴(kuò)散、電滲透、反滲透過(guò)濾、沉降、離心過(guò)濾、沉降、離心非均相分離過(guò)程非均相分離過(guò)程均相分離過(guò)程均相分離過(guò)程圖6-17 分離過(guò)程方法分類(lèi)74制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6l l） 過(guò)濾過(guò)濾 根據(jù)固體的種類(lèi)、固體與液體的比例、溶液的粘度和其他有關(guān)因素，從液體中分離固體顆粒的一種方法，見(jiàn)圖6-18是四種不同的過(guò)濾設(shè)備。在過(guò)濾過(guò)程中，由于壓力差的存在，使液體流過(guò)篩網(wǎng)或?yàn)V布的小孔，而固體顆粒在留在了篩網(wǎng)或?yàn)V布上，形成了多孔的濾餅。篩網(wǎng)和濾布有多種規(guī)格，需要根據(jù)過(guò)濾顆粒的大小合理選擇，如果篩

58、網(wǎng)或?yàn)V布的孔選擇過(guò)大，則有固體顆粒通過(guò)小孔進(jìn)入了濾液，影響分離效果；當(dāng)然如果篩網(wǎng)或?yàn)V布的孔選擇過(guò)小，則增加過(guò)濾阻力，有時(shí)甚至無(wú)法過(guò)濾。有時(shí)為了增加壓力差，可采用真空抽濾，這是實(shí)驗(yàn)室常用的分離方法。機(jī)械分離方法機(jī)械分離方法75制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6 圖6-18 四種不同的過(guò)濾設(shè)備76制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.62 2）沉降）沉降 分為自然沉降和離心沉降。在沉降中，顆粒借助作用于各種尺寸和各種密度的顆粒上的重力或離心力而從流體中分出。如圖6-19是三種重

59、力沉降設(shè)備。（a）液-液分散相的沉降器 （b）降塵室 （c）簡(jiǎn)單重力沉降分級(jí) 圖6-19 三種常見(jiàn)重力沉降設(shè)備77制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.63 3）離心分離）離心分離 離心分離就是利用離心力進(jìn)行分離的一種方法。當(dāng)一個(gè)物體繞著一個(gè)軸或圓心旋轉(zhuǎn)，并且從物體到圓心的徑向距離一定時(shí)，該物體受到一個(gè)向心力的作用，為了這個(gè)向心力。必須有一個(gè)大小相等方向相反的力，稱(chēng)為離心力。有將離心力代替重力的離心沉降，也有將離心力代替壓力差的離心過(guò)濾，它與普通的過(guò)濾完全類(lèi)似，固體顆粒在篩網(wǎng)上形成床層或餅層，只是用離心力代替壓力差造成流體流動(dòng)。離心分離

60、在化工廠(chǎng)中常見(jiàn)的是用于氣-固或氣-液分離的旋風(fēng)分離，見(jiàn)圖6-20（c)。78制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.6( a)( a)固固- -液混合物的分離液混合物的分離 ( b) ( b) 液液- -液混合物的分離液混合物的分離 (c) (c) 氣氣- -固旋風(fēng)分離固旋風(fēng)分離圖圖6-20 6-20 三種離心分離過(guò)程三種離心分離過(guò)程79制作人：方利國(guó)，吳少如聯(lián)系電話(huà)錄目錄6.16.26.36.46.56.64) 4) 浮選浮選 浮選是根據(jù)顆粒表面性質(zhì)的不同來(lái)進(jìn)行混合物分離的一種方法。通過(guò)液體中產(chǎn)生的氣泡與顆粒表