化工過程開發(fā)第六章工藝流程合成與優(yōu)化課件

1、第六章 工藝流程的合成與優(yōu)化 工藝流程的合成與優(yōu)化是化工過程開發(fā)的重要內(nèi)容，在化工過程開發(fā)中以各種形式收集的技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，最后都要在流程的合成與優(yōu)化中反映出來。工藝流程的合成，是隨著開發(fā)研究工作的不斷深入而逐步完善。在不同的開發(fā)階段，都會(huì)涉及流程的合成和優(yōu)化。但是愈到開發(fā)工作后期，工藝流程的設(shè)計(jì)就會(huì)愈加細(xì)密、全面和完整。流程也是化工工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。無論概念設(shè)計(jì)還是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，通常都是先確定流程，然后才依流程再進(jìn)行各種詳細(xì)地工藝計(jì)算。第一節(jié) 流程的內(nèi)容和設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題一、工藝流程的內(nèi)容 以化學(xué)反應(yīng)為工藝核心，并連接反應(yīng)前、后物料進(jìn)行處理的工藝步驟，形成一個(gè)由原料到產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝程序，稱之為“工藝

2、流程”預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)分離與提純循環(huán)原料產(chǎn)品廢料化工生產(chǎn)工藝模式任何化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)，都會(huì)有化學(xué)反應(yīng)過程，以及反應(yīng)過程之前的物料預(yù)處理和反應(yīng)過程之后對(duì)物料的分離與提純。對(duì)于不同產(chǎn)品，由于化學(xué)反應(yīng)和物料在反應(yīng)前、后的處理方法和要求不同，而會(huì)有不同的工藝流程。即使生產(chǎn)同一種產(chǎn)品，因生產(chǎn)原料和生產(chǎn)廠家環(huán)境條件的差異，也會(huì)有不同的工藝流程。盡管各種產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝流程的繁簡程度和組合方式各不相同，但以化學(xué)反應(yīng)為核心，配合反應(yīng)前、后對(duì)物料進(jìn)行處理這一結(jié)果順序是不變的。預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)分離與提純循環(huán)原料產(chǎn)品廢料化工生產(chǎn)工藝模式詳細(xì)的工藝方案流程圖，還要求注明生產(chǎn)過程的測量與控制點(diǎn)的位置，設(shè)備連接部位和連接的方法以

3、及設(shè)備的詳細(xì)型號(hào)規(guī)格的圖形，稱之為“帶控制點(diǎn)的流程圖”。這種流程圖一般是在化工過程開發(fā)后期，進(jìn)入到建立生產(chǎn)裝置時(shí)繪制的，用以指導(dǎo)裝置的安裝和設(shè)備的連接。如P155圖6-4.圖中詳細(xì)標(biāo)明了各種物料的流向，設(shè)備連接順序和連接部位，連接管線和閥件的規(guī)格，以及圖例、符號(hào)的說明等等。需要注意的是：1. 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖的內(nèi)容雖然較為詳細(xì)，但仍然是一種示意性質(zhì)的展開圖，與實(shí)際生產(chǎn)裝置仍有較大差距。2. 從工藝技術(shù)方案的完整性考慮，單純的流程圖還不是一份完整的工藝技術(shù)方案，在流程圖之外，還必須配合流程說明書。流程說明書的內(nèi)容一般包括工藝原理和工藝步驟的說明，生產(chǎn)物料的規(guī)格和要求，工藝條件和控制的技術(shù)要求

4、，以及生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品規(guī)格和生產(chǎn)指標(biāo)等等。二、設(shè)計(jì)流程應(yīng)考慮的問題設(shè)計(jì)工藝流程是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)工作，需要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、安全和環(huán)保等許多方面綜合考慮。其中應(yīng)當(dāng)特別注意一下問題：1. 技術(shù)的成熟程度。（是流程設(shè)計(jì)首先應(yīng)考慮的問題）2. 技術(shù)的先進(jìn)性和可靠性的關(guān)系。（一般較多考慮技術(shù)的先進(jìn)性） 如果先進(jìn)性和可靠性二者不可兼得，則寧可選擇可靠性大而先進(jìn)性稍次些的工藝技術(shù)作為流程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，這樣可以保證投資的安全可靠。3.流程的可操作性。 是指流程中各種設(shè)備的配合是否合理，物料的運(yùn)行是否暢通無阻，各種工藝條件是否容易控制和實(shí)現(xiàn)等等。是設(shè)計(jì)流程時(shí)必須著重考慮的技術(shù)問題。涉及到設(shè)備的可操作性： A. 首

5、先應(yīng)對(duì)流程中每一臺(tái)設(shè)備保證不易發(fā)生機(jī)械故障、傳熱故障或其他故障而影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 B. 每一臺(tái)設(shè)備的工藝條件都容易達(dá)到和容易控制而且性能穩(wěn)定，即使在外界偶然因素的干擾下，也能自動(dòng)回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。 C. 在此基礎(chǔ)上，再考慮各設(shè)備間的合理配置和配合。 D. 在考慮物料回收和熱能的綜合利用方面，應(yīng)注意流程的可操作性，不能因?yàn)椴捎梦锪虾蜔崮艿幕厥绽么胧┒绊懙搅鞒痰目刹僮餍浴?E. 還應(yīng)考慮設(shè)備便于更換的備用設(shè)備，以便設(shè)備在操作中損壞時(shí)，能及時(shí)進(jìn)行切換而保證流程暢通。 例如： 單純的氣體或液體物料，較易保證流程的可操作性；固體物料或氣、固相和液、固相混合物料，則易于在運(yùn)行中沉積和堵塞管道，要保證物料運(yùn)

6、行通暢，都要采取一些較為復(fù)雜的措施；高速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，易受腐蝕設(shè)備、易結(jié)垢和被堵塞的設(shè)備，都會(huì)因容易損壞而降低流程的可操作性。4. 投資和操作費(fèi)用 A. 在流程設(shè)計(jì)中考慮節(jié)省建設(shè)投資。主要表現(xiàn)在： 首先，在設(shè)備的選型上，應(yīng)盡可能選用批量生產(chǎn)的定型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，以及結(jié)構(gòu)簡單和造價(jià)低廉的設(shè)備。 其次，在工藝技術(shù)路線方面，應(yīng)盡可能選用條件溫和的工藝技術(shù)路線，避免對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和材料提出過于苛刻的要求，同時(shí)也應(yīng)避免對(duì)于廠房建筑提出特殊要求。 B. 從操作費(fèi)用上，應(yīng)選擇價(jià)廉易得的原料路線和低能耗的技術(shù)路線，而且希望操作條件溫和、生產(chǎn)物料無毒、無腐蝕性和無爆炸性危險(xiǎn)等，以降低原料消耗費(fèi)用和能量消耗的費(fèi)用。5. 安全

7、 應(yīng)重視破壞性風(fēng)險(xiǎn)分析。 這種分析通常是通過事故模擬實(shí)驗(yàn)的考察來進(jìn)行的。從中可以了解到事故發(fā)生的原因，產(chǎn)生的條件和后果，以及引發(fā)事故的各種因素間的一些內(nèi)在關(guān)系等，進(jìn)而可以確定所設(shè)計(jì)的流程需要承擔(dān)的安全風(fēng)險(xiǎn)。6、環(huán)境和生態(tài) 主要考慮生產(chǎn)中“三廢”排放對(duì)環(huán)境造成的污染和危害，應(yīng)從流程設(shè)計(jì)中提出治理“三廢”的措施，在建立生產(chǎn)裝置時(shí)一并實(shí)施解決。 對(duì)于工業(yè)實(shí)施項(xiàng)目，不允許實(shí)施后對(duì)人類生產(chǎn)及生活活動(dòng)以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和生態(tài)平衡等方面帶來不利影響。第二節(jié) 合成路線、操作方式及其他一、選擇合成路線 由原料合成化工產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)途徑即為化學(xué)合成路線。任何一個(gè)化工產(chǎn)品的合成，都可以找到若干不同的合成路線。如何選

8、擇合適的合成路線是流程設(shè)計(jì)中應(yīng)首先考慮的問題。主要可從以下幾個(gè)方面來考慮：1.從生產(chǎn)成本考慮：生產(chǎn)成本是選擇合成路線的主要原則之一，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合可供選擇的各條合成路線的技術(shù)先進(jìn)性、適用性和可靠性等方面做綜合評(píng)比，然后才能確定下來。如：丙烯腈的合成C2H2 + HCN CH2=CHCN (1)2CH2=CHCH3 + 2NH3 + 3O2 2CH2=CHCN + 6H2O (2)比較以上兩條合成路線，首先：在生產(chǎn)成本上，（2）占優(yōu)勢，原因是丙烯的價(jià)格比乙炔低很多，且氨的價(jià)格也比氰化氫低很多；其次：（2）不用劇毒的氰化氫。2、從產(chǎn)品和副產(chǎn)品的分配考慮不僅要考慮產(chǎn)品和副產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還要考慮由這些

9、產(chǎn)品和副產(chǎn)品生產(chǎn)出下游產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。如：CH2=CH2 +Cl2 ClCH2CH2Cl CH2=CH2Cl + HCl （1）分析：此路線有一半的原料氯氣轉(zhuǎn)變成了難以應(yīng)用的HCl，而且對(duì)設(shè)備有很強(qiáng)的腐蝕性。CH2=CH2 +Cl2 CH2=CHCl + HCl C2H2 + HCl CH2=CHClCH2=CH2 + C2H2 + Cl2 2CH2=CHCl (2)分析：此路線消除了副產(chǎn)物氯化氫，但是采用了昂貴的乙炔，提高了成本。CH2=CH2 +Cl2 ClCH2CH2Cl2ClCH2=CH2Cl 2CH2=CHCl + HClCH2=CH2 + 2 HCl + O2 ClCH2CH2Cl

10、 +H2O2C2H4 + Cl2 + O2 2CH2=CHCl + H2O (3)分析：此路線從產(chǎn)品、副產(chǎn)物的分配和生產(chǎn)成本考慮，是一條較好的合成路線，但是氯氣和氧氣混合后，設(shè)計(jì)乙烯氯化和乙烯氧化兩個(gè)反應(yīng)的平衡，使反應(yīng)過程復(fù)雜化，增加了工藝處理上的難度。3.從反應(yīng)的自由能（G）凡自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，都伴隨著自由能的下降，從化學(xué)反應(yīng)自由能的大小，可以了解反應(yīng)進(jìn)行的可能性。因此，可以提出一個(gè)評(píng)選合成路線的自由能準(zhǔn)則：A. 當(dāng)反應(yīng)自由能G 0時(shí)， G值為負(fù)值，反應(yīng)較易進(jìn)行，這樣的反應(yīng)路線可以考慮選擇。B. 當(dāng)反應(yīng)自由能G 40kJ/mol時(shí)，即G 值處于較大正值，反應(yīng)較難進(jìn)行，這樣的反應(yīng)路線，只有在特殊

11、條件下才能考慮。如： CH3CH2OH + NH3 CH3CH2NH2 + H2O G=-7.0kJ/mol 可取 CH3CH3 + H2 + N2 CH3CH2NH2 G=70.1kJ/mol 不可取二、選擇操作方式操作方式通常是指連續(xù)操作或間歇操作。當(dāng)前，穩(wěn)定的連續(xù)操作已在化工生產(chǎn)中占到了主導(dǎo)地位，但有幾種情況仍宜采用間歇操作。1. 生產(chǎn)規(guī)模：一般生產(chǎn)能力大于4500t/a的生產(chǎn)裝置，宜采用連續(xù)操作；而生產(chǎn)能力小于4500t/a的裝置，則采用間歇操作的情況居多。2.市場需求：采用間歇操作的靈活性大，便于設(shè)計(jì)成通用型的生產(chǎn)裝置。3. 受特殊條件的限制. 對(duì)于以下幾種情況，宜采用間歇操作：A.

12、 反應(yīng)速度極慢的反應(yīng)過程，間歇操作是唯一可選擇的方案。B. 反應(yīng)物料中有泥漿狀物質(zhì)時(shí)，用間歇操作可避免連續(xù)輸送管路的堵塞。C. 在生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生結(jié)垢或結(jié)塊而需要頻繁清掃時(shí)，用間歇操作比較方便。三、關(guān)于原料預(yù)處理的判斷原料的處理可根據(jù)以下原則作初步判斷：1. 原料中含有使催化劑中毒的雜質(zhì)，必須先除去；2. 原料中含有的雜質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)，為了避免原料消耗和不污染產(chǎn)品，也為了減輕后處理分離的負(fù)擔(dān)，一般都先除去；3. 原料中的雜質(zhì)若不參與化學(xué)反應(yīng)，則應(yīng)根據(jù)這些雜質(zhì)與原料或產(chǎn)品分離的難易程度來決定是否需要在預(yù)處理中先除去；4. 原料中雜質(zhì)含量較大時(shí)，即使這些雜質(zhì)與產(chǎn)品的分離要比它們與原料的分離容易，有

13、時(shí)也需要進(jìn)行預(yù)處理。因?yàn)榇罅侩s質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)后，會(huì)影響系統(tǒng)的生產(chǎn)能力和熱平衡，也增加系統(tǒng)內(nèi)物料流動(dòng)的阻力。四、如何確定產(chǎn)物的流股數(shù)確定產(chǎn)物的流股數(shù)是將化學(xué)反應(yīng)器出口的物料中的組分進(jìn)行定位。通常有6種去向，稱之為“流股”：1. 主產(chǎn)品（目的產(chǎn)物）；2. 有價(jià)值的聯(lián)產(chǎn)品或副產(chǎn)品；3. 價(jià)值較低的燃料；4. 循環(huán)物料的返回；5. 排空；6. 有害物質(zhì)送“三廢” 治理。在考慮物料組分的去向時(shí)，對(duì)于同一去向的不同組分，應(yīng)首先研究有無必要把它們分離，以免造成先分離后合并的不合理現(xiàn)象。例： P160-161第三節(jié) 反應(yīng)器的選型當(dāng)化學(xué)合成路線確定之后，根據(jù)反應(yīng)過程特征和操作條件選擇反應(yīng)器型式，這是流程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)

14、容之一。工業(yè)反應(yīng)器的型式有多種，它們具有不同的流體流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)特性，分別適用于不同的反應(yīng)過程。一、反應(yīng)器的選型方法可采用“形態(tài)分析法”，即首先提出所有可能作為選擇的方案，然后從分析評(píng)比中篩選出最佳方案的方法。P162 圖6-5其操作可分為兩步： 1.找出所有可供選擇的方案，稱之為“分支”； 2.根據(jù)若干判據(jù)對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)選淘汰，稱之為“收斂”。這種分析方法，采用了邏輯分析方式，而不是隨機(jī)取舍，比較科學(xué)合理。但是，反應(yīng)器選型設(shè)計(jì)的影響因素較多，往往較難兼顧，在選擇時(shí)應(yīng)分清主次和重點(diǎn)，以滿足主要工藝要求為原則。二、反應(yīng)器的選型原則1.從物料的相態(tài)選擇反應(yīng)器對(duì)于均相反應(yīng)器可在間歇操作攪拌釜、連

15、續(xù)操作攪拌釜和管式反應(yīng)器等三種型式的反應(yīng)器中選擇。對(duì)于均氣相反應(yīng)或反應(yīng)速率較快的均液相反應(yīng)，多選用管式反應(yīng)器。大多數(shù)反應(yīng)速率較緩慢的均液相反應(yīng)，則多用釜式反應(yīng)器，其中生產(chǎn)規(guī)模較小或只需要批量生產(chǎn)時(shí)，則用間歇式操作釜，否則可用連續(xù)式操作釜。對(duì)于氣、液相反應(yīng)，如果要求氣相中某一組分A必須充分轉(zhuǎn)化，而對(duì)氣相中另一組分B的損失可以不計(jì)，為了避免發(fā)生副反應(yīng)而要求組分B的濃度較低時(shí)，可采用半連續(xù)式鼓泡反應(yīng)器。如果不能忽略組分B的損失，又要求加壓等特殊反應(yīng)條件時(shí)，為了保證較高的總反應(yīng)速率，則宜選用連續(xù)式反應(yīng)器或者逆流接觸的塔式反應(yīng)器。對(duì)于氣、固相反應(yīng)，一般采用固定床反應(yīng)器或流化床反應(yīng)器。前者多用于反應(yīng)速率高

16、、需要嚴(yán)格控制副反應(yīng)或需要分段控制溫度的反應(yīng)系統(tǒng)；后者則適用于需要強(qiáng)化熱、質(zhì)傳遞的反應(yīng)系統(tǒng)。對(duì)于氣、液、固三相漿態(tài)反應(yīng)，通常都要求攪拌使固體細(xì)粒均勻分散于液相中而成淤漿狀，氣體則以鼓泡形式通過淤漿層，故多采用半連續(xù)式鼓泡反應(yīng)器或帶機(jī)械攪拌的鼓泡式反應(yīng)器。2.從傳熱的要求選擇反應(yīng)器P164圖6-7無論熱量的移出或供給，在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中，都應(yīng)設(shè)置熱交換構(gòu)件。當(dāng)反應(yīng)熱效率較小時(shí)，可以考慮絕熱操作。絕熱操作有時(shí)也適用于具有較大熱效應(yīng)的均相反應(yīng)過程。對(duì)于非絕熱操作，則應(yīng)考慮熱量的供給和轉(zhuǎn)移。3.從相際間的傳質(zhì)選擇反應(yīng)器所有費(fèi)均相反應(yīng)都是通過相界面的傳質(zhì)進(jìn)行的。反應(yīng)條件和反應(yīng)過程的控制都不可避免地與相際間

17、的接觸方式、相界面積的大小以及傳質(zhì)速率等因素有關(guān)。故反應(yīng)器的構(gòu)型應(yīng)充分考慮良好的相際間的傳質(zhì)。類型釜式塔式管式外形比例高徑比13高徑比830長徑比30操作方式間歇釜連續(xù)釜（連續(xù)）連續(xù)流動(dòng)狀況無返混返混返混無返混（實(shí)際反應(yīng)器仍存在返混）時(shí)間描述 反應(yīng)時(shí)間 停留時(shí)間分布空間時(shí)間 停留時(shí)間分布空間時(shí)間 停留時(shí)間空間時(shí)間 按外形特征和操作方法分類的反應(yīng)器 工業(yè)反應(yīng)器的基本類型類型釜式塔式管式化學(xué)特征 釜內(nèi)各點(diǎn)濃度相同，濃度和反應(yīng)速率隨時(shí)間變化釜內(nèi)各點(diǎn)濃度相同，濃度速率不隨時(shí)間變化 塔內(nèi)各點(diǎn)濃度不相同，隨反應(yīng)器軸向變化，不隨時(shí)間變化。 管內(nèi)各點(diǎn)濃度不相同，濃度隨速率軸向變化各點(diǎn)濃度和反應(yīng)速率不隨時(shí)間變化

18、。 應(yīng)用范圍 適于反應(yīng)時(shí)間長的慢速反應(yīng)，適于易結(jié)晶等需要頻繁清理的反應(yīng)和過程 適于宜在低濃度下進(jìn)行的反應(yīng)（避免串聯(lián)副反應(yīng)），不適于慢速反應(yīng)。 適于多相反應(yīng)適于熱效應(yīng)大的或需嚴(yán)格控制時(shí)間的反應(yīng)，不適于慢速反應(yīng)，不適于粘度大或易結(jié)晶物料及多相反應(yīng)。 實(shí)例 發(fā)酵 自催化反應(yīng) 氣固催化反應(yīng) 石腦油裂解 按外形特征和操作方法分類的反應(yīng)器 （續(xù)）工業(yè)反應(yīng)器的基本類型3、按物料相態(tài)分類 分類 常見形式 特點(diǎn) 缺點(diǎn) 應(yīng)用實(shí)例 氣相反應(yīng)器 管式 返混小，生產(chǎn)能力強(qiáng)，傳熱面大，易控溫，易實(shí)現(xiàn)密封。 系統(tǒng)壓降大 石油裂解 液相反應(yīng)器 管式 返混小，生產(chǎn)能力強(qiáng)，傳熱面大，易控溫，易實(shí)現(xiàn)密封。 系統(tǒng)壓降大 高壓聚乙烯

19、塔式 結(jié)構(gòu)簡單。 返混，物料軸向濃度差大 苯乙烯聚合 釜式 易實(shí)現(xiàn)攪拌，濃度均勻，操作易控。 生產(chǎn)能力低 氯乙烯聚合 均相反應(yīng)器的特征 按物料相態(tài)，反應(yīng)器可分為均相反應(yīng)器和非均相反應(yīng)器兩大類 工業(yè)反應(yīng)器的基本類型分類 常見形式 特點(diǎn) 缺點(diǎn) 應(yīng)用實(shí)例 氣相 噴射反應(yīng)器 直接進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱 缺乏調(diào)節(jié)，條件要求嚴(yán)格 氯化氫合成 氣液 鼓泡塔結(jié)構(gòu)簡單，氣相返混小，溫度易控 氣體壓降大，液相返混大 烯烴氯醇化 板式塔物料接觸好，返混小 液相流速受限制 異丙苯氧化 濕壁塔 結(jié)構(gòu)簡單，溫度易控，液相返混小 生產(chǎn)能力小 苯的氯化 填料塔 結(jié)構(gòu)簡單，返混小，壓降小 有溫差，不易控制 合成氣脫CO2 噴霧塔（氣液

20、比大） 結(jié)構(gòu)簡單，液相表面積大 氣體流速受限制 氯乙醇 液液 攪拌釜 參見前表參見前表苯的硝化、氯化 螺桿反應(yīng)器 返混小，停留時(shí)間相同，適于高粘體系 傳熱較困難 聚乙烯醇醇解 多相反應(yīng)器的特征工業(yè)反應(yīng)器的基本類型分類 常見形式 特點(diǎn) 缺點(diǎn) 應(yīng)用實(shí)例 氣固 固定床反應(yīng)器 返混小，催化劑磨損小，副產(chǎn)物少壓降大，傳熱不易控制，催化劑裝卸不便環(huán)氧乙烷流化床反應(yīng)器 傳熱好，溫度易控，適于強(qiáng)放熱反應(yīng) 返混大，轉(zhuǎn)化率低，催化劑磨損大，帶出嚴(yán)重 丙烯氨氧化 移動(dòng)床反應(yīng)器 固相物料或催化劑移動(dòng)，返混小 溫差大，難控制 石灰石煅燒 液固 滾筒反應(yīng)器 返混小 相接觸面小，傳熱、傳質(zhì)效率低 低壓聚乙烯 固固 滾筒反應(yīng)

21、器 返混小 相接觸面小，傳熱、傳質(zhì)效率低 蒽醌 螺桿反應(yīng)器 返混小 相接觸面小，傳熱、傳質(zhì)效率低 氟硅酸鈉 氣液固 漿態(tài)反應(yīng)器 溫度易控 返混大 生化反應(yīng)器 三相反應(yīng)器 研究中 多相反應(yīng)器的特征（續(xù)）工業(yè)反應(yīng)器的基本類型4. 按傳熱方式分類反應(yīng)器分成絕熱式和傳熱式反應(yīng)器，后者常稱為等溫反應(yīng)器分類 特點(diǎn) 缺點(diǎn) 應(yīng)用實(shí)例 絕熱式反應(yīng)器 除環(huán)境自然冷卻外，沒有專門的加熱和冷卻設(shè)施，結(jié)構(gòu)簡單，可借助物料顯熱調(diào)節(jié)。 反應(yīng)溫度不穩(wěn)定，僅適用于熱效應(yīng)不大、對(duì)溫度不敏感的反應(yīng)。 乙烯水合 間接傳熱反應(yīng)器 外夾套反應(yīng)器 結(jié)構(gòu)簡單，不占內(nèi)部空間。 傳熱面小，傳熱效果差，不適于熱效應(yīng)大的反應(yīng)。 搪玻璃攪拌釜 內(nèi)蛇管

22、反應(yīng)器 傳熱效果好 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 硝化 列管式反應(yīng)器 傳熱效果好 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 環(huán)氯乙烷 外循環(huán)反應(yīng)器 強(qiáng)化換熱，效果好 設(shè)備費(fèi)用高。 放熱水解 反應(yīng)器傳熱方式特征 工業(yè)反應(yīng)器的基本類型分 類 特點(diǎn) 缺點(diǎn) 應(yīng)用實(shí)例 直接傳熱反應(yīng)器 冷激式 反應(yīng)器 使用惰性載熱介質(zhì)（水或蒸汽）與物料直接接觸實(shí)現(xiàn)快速換熱 反應(yīng)溫度不穩(wěn)定，適于對(duì)溫度不敏感的反應(yīng)。 乙苯脫氫 蓄熱式 反應(yīng)器 按循環(huán)間隔的“預(yù)熱裝置進(jìn)料預(yù)熱”方式操作，靠蓄熱提供能量。 反應(yīng)溫度不穩(wěn)定，適于對(duì)溫度不敏感的反應(yīng)。 高溫裂解 蒸發(fā)式 反應(yīng)器 利用物料蒸發(fā)逸出、冷凝、再回流，以相變熱形式將反應(yīng)熱帶出體系，溫度恒穩(wěn)、易控。 要求物料或溶劑沸點(diǎn)適合

23、一般使用溶劑的反應(yīng) 反應(yīng)器傳熱方式特征（ 續(xù)）工業(yè)反應(yīng)器的基本類型4.從反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性來考慮反應(yīng)器對(duì)于可逆放熱反應(yīng)，為了使反應(yīng)過程保持一個(gè)隨著轉(zhuǎn)化率的提高而造成反應(yīng)溫度由高至低的溫度序列，一般多采用中間冷卻式的多段管式反應(yīng)器。對(duì)于平行反應(yīng)，為了抑制副反應(yīng)，提高反應(yīng)的選擇性，可依據(jù)主反應(yīng)和副反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)的高低來選擇反應(yīng)器。如主反應(yīng)級(jí)數(shù)大于副反應(yīng)級(jí)數(shù)，提高反應(yīng)物的濃度對(duì)反應(yīng)的選擇性有利，則采用活塞流反應(yīng)器或半連續(xù)操作的攪拌釜，若主反應(yīng)級(jí)數(shù)小于副反應(yīng)技術(shù)，反應(yīng)物的濃度高會(huì)促使副反應(yīng)加速，會(huì)降低反應(yīng)的選擇性，這種情況就應(yīng)采用返混程度大的反應(yīng)器，如連續(xù)操作的攪拌釜或回路式反應(yīng)器。對(duì)于串連反應(yīng)，為

24、了抑制副反應(yīng)，提高反應(yīng)的選擇性，應(yīng)降低反應(yīng)系統(tǒng)中目的產(chǎn)物的濃度。可采用具有活塞流特征的反應(yīng)器或者間歇操作攪拌釜等能控制物料停留時(shí)間的反應(yīng)器。在選擇反應(yīng)器時(shí)，有事單一型式的反應(yīng)器不能滿足所有工藝要求，可以考慮用幾種不同型式的反應(yīng)器串連使用。實(shí)際中反應(yīng)器的選型是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，除了考慮以上一些原則外，對(duì)于設(shè)備投資、操作的方便，控制精度，產(chǎn)物分離以及物料的投入和排出等都不能忽略。第四節(jié) 熱交換網(wǎng)絡(luò)的合成在流程設(shè)計(jì)中，運(yùn)用熱交換網(wǎng)絡(luò)合成技術(shù)，是合理利用能源，降低生產(chǎn)成本的有效措施。所謂熱交換網(wǎng)絡(luò)合成就是對(duì)化工生產(chǎn)中的物料流股作詳細(xì)的分析，使生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)需加熱和需冷卻的物料流股相互進(jìn)行熱交換，盡量避

25、免使用外熱源，充分利用系統(tǒng)內(nèi)的熱量，以降低生產(chǎn)建設(shè)中所需的公用工程費(fèi)用。第五節(jié) 分離過程的組合分離方法的選擇通常都是根據(jù)被分離物料中各種組分的物理和化學(xué)性質(zhì)的差異來確定的，主要有：沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、揮發(fā)度、溶解度、吸附性、吸收性、密度、顆粒粗細(xì)、相態(tài)、電磁性能和化學(xué)反應(yīng)性能等等。在選擇分離方法時(shí)，除了考慮該方法是否符合分離要求外，還應(yīng)考慮該方法的成熟程度和適用范圍。一、分離方法常見的分離方法主要有：1.氣固相混合物的分離一般是對(duì)氣體進(jìn)行除塵凈制，有干法和濕法。干法包括重力沉降、離心沉降、靜電沉降等。濕法包括噴淋洗滌（噴淋塔、噴射式洗滌器等）2.固體混合物的分離多見于選礦和礦物分級(jí)，主要有篩分、浮選和

26、振動(dòng)水力搖床分級(jí)等。3.液固相混合物的分離分離方法有：沉降、過濾、干燥、蒸發(fā)、浸取和結(jié)晶等。沉降分離有：重力沉降和離心沉降等；過濾有：加壓過濾、真空過濾和離心過濾等；干燥有：箱式干燥、滾筒干燥和噴霧干燥、氣流干燥和流態(tài)化干燥等；蒸發(fā)有：長管蒸發(fā)、薄膜蒸發(fā)、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)等；浸取主要采用釜式浸取器；結(jié)晶則有一步結(jié)晶和分步結(jié)晶。4.液體混合物的分離分離方法有：蒸餾、萃取、離子交換、膜分離、電滲析、色層析等。5.氣體混合物的分離分離方法有：吸收、吸附、擴(kuò)散、冷凍、氣體滲透、液氮洗滌和色譜法等。二、選用分離方法的原則應(yīng)考慮生產(chǎn)產(chǎn)品的產(chǎn)值和產(chǎn)品的 精細(xì)化程度：對(duì)于高產(chǎn)值和精細(xì)化程度高的產(chǎn)品，分離成本不是主

27、要問題，可以選用一些高效分離方法；對(duì)于那些產(chǎn)量很大產(chǎn)值相對(duì)較低的產(chǎn)品，則應(yīng)考慮分離的成本，可選用那些較為便宜或分離步驟少的常規(guī)分離方法。在選擇分離方法時(shí)，應(yīng)盡可能先把物流中的固體除盡，避免在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)含有固體的物流，因?yàn)樗鼈冊谳斔椭斜群瑲怏w或液體的物流容易堵塞管道，而且消耗的能量也較大；應(yīng)盡可能避免在分離過程中加入除了被分離物料以外的其他物質(zhì)，因?yàn)橐院蟮墓に嚥襟E中要增加分離這些物質(zhì)的分離步驟；對(duì)多種物質(zhì)混合的物料進(jìn)行分離時(shí)，考慮分離順序的原則是：盡可能先分離容易導(dǎo)致副反應(yīng)和特別有害的物質(zhì)，以免對(duì)后來的工藝過程帶來干擾；對(duì)于需要高壓才能分離的物質(zhì)，應(yīng)先進(jìn)行分離。最容易分離的組分總是首先被分離

28、出來 ，把最難分離的組分留到最后分離。技術(shù)上的可靠性和經(jīng)濟(jì)上的合理性是選擇分離方法的主要原因。選擇分離方法是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，必須有針對(duì)性，只有對(duì)被分離物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，含量和分離要求都了解清楚之后，才能進(jìn)行選擇。三、多組分混合物分離順序的確定選擇分離方法至今沒有嚴(yán)格的規(guī)則可遵循，通常都是采用試探規(guī)則。1.試探法試探法是根據(jù)試探規(guī)則來合成分離序列的方法。A、選擇分離方法的試探規(guī)則：a、選擇具有大分離因子的分離方法。 所謂“分離因子”是指被分離兩個(gè)組分分配系數(shù)的比例。需要注意的是：物質(zhì)的分子性質(zhì)對(duì)一些分離過程的分離因子有影響，因此，可以根據(jù)混合物中各種組分分子性質(zhì)的差異來選擇可能產(chǎn)生較大分

29、離因子的分離方法。表6-8 影響分離因子的分子的性質(zhì)分子的性質(zhì)受影響的分離過程分子的性質(zhì)受影響的分離過程相對(duì)分子質(zhì)量精餾、蒸發(fā)、氣相擴(kuò)散偶極距、極性萃取、吸附分子的形狀吸附、結(jié)晶分子的電負(fù)荷電除塵、電除霧分子的體積吸附化學(xué)活性化學(xué)吸收、反應(yīng)精制b、盡量避免苛刻的分離要求；c、當(dāng)分離過程需要作多級(jí)分離時(shí)，應(yīng)先選擇如精餾、吸收、萃取等平衡分離過程，而不選擇如電滲析、氣體擴(kuò)散等由速率控制的分離過程。因?yàn)橛伤俾士刂七^程的每一級(jí)都需要加入能量，而平衡過程只需一次加入能量。d、當(dāng)不同分離方法的分離因子相同時(shí)，可選擇加熱氣化等輸入能量的方式使物質(zhì)分離，而不采用加入萃取劑或溶劑的方法。因?yàn)樵诨旌衔锪现屑尤肓硗?/p>

30、的組分后，又面臨著與該組分的分離而增加了分離過程的費(fèi)用。e、在選擇分離方案時(shí)，首先應(yīng)考慮精餾，只有精餾方案被否認(rèn)之后，才考慮其他的分離方法，因?yàn)榫s具有以下有點(diǎn)：（1）精餾是平衡分離過程，無其他分離劑加入；（2）系統(tǒng)內(nèi)不含固體物料，操作方便；（3）技術(shù)成熟；（4）無處理物料量的限制，小規(guī)模和大規(guī)模均可；（5）對(duì)輸入的能量要求不高，能量的利用也較好。如果分離因子小于1.05時(shí)，采用精餾分離分離需要很多平衡分離級(jí)數(shù)，過程進(jìn)行較為困難，此時(shí)可以考慮采用別的分離方法代替。B.確定分離順序順序的試探規(guī)則對(duì)于一個(gè)多組分混合溶液體系的分離，其分離順序可按以下規(guī)則考慮：a、把分離因子接近于1的難分離組分放在最

31、后進(jìn)行；b、根據(jù)組分間氣液相平衡常數(shù)的大小排列，應(yīng)把輕組分按分離因子的大小排序，逐個(gè)依次分離；c、應(yīng)首先把混合物組分分成摩爾流量相接近的輕、重兩股物流，目的在于平衡精餾塔的上升蒸汽和回流液量，以免降低熱力學(xué)效率；d、對(duì)于回收率要求高的組分放在后面分離；e、當(dāng)有的組分需要在冷凍條件下進(jìn)行分離時(shí)，應(yīng)盡可能減少進(jìn)入冷凍系統(tǒng)的組分?jǐn)?shù)。2.調(diào)優(yōu)合成法調(diào)優(yōu)合成法是以一個(gè)由試探法確定的初始流程為基礎(chǔ)，對(duì)分離方案進(jìn)行修正，使之接近于最優(yōu)流程的方法。A、調(diào)優(yōu)合成的步驟：a、確定一個(gè)初始流程：可取由試探法確定的流程；b、根據(jù)調(diào)優(yōu)規(guī)則來考慮初始流程可以允許的結(jié)構(gòu)變化；c、對(duì)各種可能改變的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定改進(jìn)方案；

32、d、以改進(jìn)方案為基礎(chǔ)，再進(jìn)行分析，作進(jìn)一步的改進(jìn)。B、改變流程結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的特性a、有效性：根據(jù)調(diào)優(yōu)規(guī)則擬定的分離順序應(yīng)當(dāng)是可行的。b、完整性：從任意初始流程開始，運(yùn)用調(diào)優(yōu)規(guī)則進(jìn)行反復(fù)調(diào)優(yōu)，能產(chǎn)生所有可能組合的分離流程；c、直觀合理性：根據(jù)調(diào)優(yōu)規(guī)則產(chǎn)生的新流程應(yīng)與原調(diào)優(yōu)流程沒有顯著差別；C、調(diào)優(yōu)規(guī)則規(guī)則一、在調(diào)優(yōu)時(shí)，可將一個(gè)分離任務(wù)移至所在分離序列的前一個(gè)位置。規(guī)則二、在調(diào)優(yōu)時(shí)，允許改變一個(gè)分離任務(wù)的分離方法。第六節(jié) 物料搭配和最佳操作時(shí)間的配合一、物料搭配 在化工生產(chǎn)中，物料的選擇，產(chǎn)品和副產(chǎn)品的回收與搭配，都會(huì)有多種方案，究竟如何組織，這就是工藝流程中生產(chǎn)物料的搭配問題，在流程設(shè)計(jì)中是必須考

33、慮的。例：燃燒硫磺生成二氧化硫，是一個(gè)強(qiáng)放熱過程。通常采用的方法是用噴嘴將空氣（或氧）與吸入的硫磺粉一道送入燃燒爐內(nèi)燃燒，爐內(nèi)既要保持燃燒溫度，又不能讓溫度過高燒壞噴嘴，因此在原料氣中配入不參與反應(yīng)的氣體以減緩燃燒速度。究竟如何選擇不參與反應(yīng)的氣體和如何進(jìn)行物料搭配，有兩種方案可供選擇。方案一：用氮為不參與反應(yīng)的氣體來稀釋氧氣，即采用空氣為原料，其流程為：空氣O2N2S + O2 SO2燃燒爐N2為不參與反應(yīng)的氣體S分離N2（夾帶少量SO2）SO2圖6-24 硫磺燃燒流程的方案一該方案直接采用空氣為原料，工藝簡單，成本較低。但反應(yīng)后分離的N2中夾帶SO2造成SO2損失。方案二：用SO2為不參與

34、反應(yīng)的氣體來稀釋氧氣，但從空氣制氧，須先深冷分離N2。N2可作為另一種產(chǎn)品，其流程為：空氣S + O2 SO2燃燒爐SO2為不參與反應(yīng)的氣體O2分離N2(產(chǎn)品)SO2(產(chǎn)品)圖6-25 硫磺燃燒流程的方案二該流程方案獲得的SO2較純，不需要分離不參與反應(yīng)的氣體，但原料氧需從空分中獲得，由空分獲得的N2是有用的產(chǎn)品。兩個(gè)方案的比較在技術(shù)上都較成熟，都有完整的設(shè)計(jì)資料和定型設(shè)備。由于方案二采用了空分工藝，技術(shù)難度要高于方案一。在投資費(fèi)用上，方案二的投資也大于方案一，但方案二可獲得SO2和N2兩個(gè)產(chǎn)品，而其SO2的質(zhì)量也高于方案一所生成的SO2，其經(jīng)濟(jì)效益顯然要高于方案一。如果實(shí)施該項(xiàng)目的地區(qū)技術(shù)力

35、量較強(qiáng)，可取方案二；若技術(shù)力量不足，而資金也比較缺乏時(shí)，為了盡快投產(chǎn)和盡早受益，則宜采用方案一。二、最佳操作時(shí)間的配合 化工工藝流程都是由若干工藝步驟合成的，而每個(gè)步驟都有其最佳的操作時(shí)間。這些單個(gè)步驟的最佳操作時(shí)間在整個(gè)工藝流程的操作周期中并不一定彼此協(xié)調(diào)，因此在各個(gè)工藝步驟之間應(yīng)有一個(gè)最佳的時(shí)間分配，也就是對(duì)流程中各個(gè)工藝步驟制定一個(gè)合理的操作時(shí)間分配表。這種操作時(shí)間分配表對(duì)于間歇操作尤為重要。 設(shè)計(jì)工藝流程時(shí)，根據(jù)各個(gè)工藝步驟所需操作時(shí)間，可以考慮設(shè)備并聯(lián)或串連，是否需要備用設(shè)備或者輪換操作，以及考慮增設(shè)貯槽和貯氣柜的措施等等。 最佳操作時(shí)間的合理分配是保證流程暢通的重要條件。但是按最佳

36、操作時(shí)間來設(shè)計(jì)工藝流程，有可能改變原來已確定的工藝操作，也會(huì)對(duì)生產(chǎn)裝置的投資和操作費(fèi)用帶來一定程度的影響。如果各個(gè)操作工序間的最佳操作時(shí)間相差較小，則可取大多數(shù)工序最佳操作時(shí)間相近的時(shí)間來確定整個(gè)工藝的操作時(shí)間。對(duì)于那些操作時(shí)間有一定差距的工序和設(shè)備，則可在設(shè)備尺寸的設(shè)計(jì)上予以調(diào)整配合。如果各工序之間的最佳操作時(shí)間相差較大，則應(yīng)按以下方法進(jìn)行配置，使之達(dá)到全流程設(shè)備配置最佳化、操作時(shí)間最佳化和設(shè)備尺寸的最佳化。1.將某些操作任務(wù)合并；2.在流程中設(shè)置平行的相同設(shè)備； 以上兩種配置方法都維持了流程運(yùn)行的整體性，即從原料到產(chǎn)品各工序之間的密切配合與銜接。3.中斷工序銜接鏈進(jìn)行配合；4.破壞工序銜接

37、進(jìn)行配合。 針對(duì)具體的生產(chǎn)任務(wù)和已確定的工藝路線，究竟以哪一種配置方法來設(shè)計(jì)流程和確定設(shè)備尺寸，則需要從設(shè)備投資、操作費(fèi)用和能量消耗等方面綜合考慮。第七節(jié) 工藝流程優(yōu)化是研究在一定條件下，如何用最合適的技術(shù)路線和生產(chǎn)設(shè)備，以及最節(jié)省的投資和操作費(fèi)用，合成最佳的工藝流程。先對(duì)每個(gè)單一的化工過程尋優(yōu)，則可運(yùn)用有關(guān)的化學(xué)工程理論進(jìn)行優(yōu)化分析，再進(jìn)行綜合，則可尋找到優(yōu)化的工藝流程。流程優(yōu)化的若干基本概念1.優(yōu)化的數(shù)學(xué)表達(dá)術(shù)語 是用對(duì)一個(gè)目標(biāo)函數(shù)（解析式）以決策變量為自變量求導(dǎo)數(shù)，并令導(dǎo)數(shù)等于零的計(jì)算值來表示該決策變量的優(yōu)化值。2.目標(biāo)函數(shù) 是指優(yōu)化對(duì)象的優(yōu)化目標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)工藝流程的優(yōu)化是以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)。 3.決策變量和狀態(tài)變量 描述一個(gè)化工過程優(yōu)化目標(biāo)的方程式數(shù)目一般很多，方程式中的變量數(shù)往往超過方程式數(shù)，兩者之差等于自由度。即： D= M N D:自由度 M