《化工設(shè)計(jì)概論》講座

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化工設(shè)計(jì)概論2010-03zhumingqiao@《化工設(shè)計(jì)概論》大綱第一講緒論（2學(xué)時(shí)）（周一，2月21日）（朱明喬，陳豐秋）第二講化工開發(fā)設(shè)計(jì)（一）（2學(xué)時(shí)）（周五，2月25日）（朱明喬）第三講化工開發(fā)設(shè)計(jì)（二）（2學(xué)時(shí)）（周一，2月28日）（朱明喬）第四講化工開發(fā)設(shè)計(jì)（三）（2學(xué)時(shí)）（周五，3月4日）（朱明喬）第五講化工開發(fā)設(shè)計(jì)（四）（2學(xué)時(shí)）（周一，3月7日）（朱明喬）第六講工藝流程案例分析（2學(xué)時(shí)）（周五，3月11日）（葉向群）第七講化工工程設(shè)計(jì)（一）（2學(xué)時(shí)）（周一，3月14日）華永康）第八講化工工程設(shè)計(jì)（二）（2學(xué)時(shí)）（周五）3月18日（華永康）第九講化工設(shè)備設(shè)計(jì)（一）（2學(xué)時(shí)）（周一，3月21日）（鄭傳祥）第十講化工設(shè)備設(shè)計(jì)（二）（2學(xué)時(shí)）（周五，3月25日）（鄭傳祥）2010-03zhumingqiao@《化工設(shè)計(jì)概論》大綱第十一講自動(dòng)控制及儀表設(shè)計(jì)（一）（2學(xué)時(shí)）（周一，3月28日）（麻紅昭）第十二講自動(dòng)控制及儀表設(shè)計(jì)（二）（2學(xué)時(shí)）（周五，4月1日）（麻紅昭）第十三講公用工程及其它設(shè)計(jì)（一）（2學(xué)時(shí)）（周六補(bǔ)周一，4月2日）（吳曉軍）第十四講公用工程及其它設(shè)計(jì)（二）（2學(xué)時(shí)）（周五，4月8日）（吳曉軍）第十五講化工設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理（2學(xué)時(shí)）（周一，4月1日）（王大春）第十六講化工設(shè)計(jì)練習(xí)布置（2學(xué)時(shí)）（周五，4月15日）（朱明喬、葉向群等）主講教師介紹：浙江大學(xué)：陳豐秋（教授、系副主任），朱明喬（副教授），鄭傳祥（教授），麻紅昭（副教授），葉向群（高工）浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司：華永康（教授級(jí)高工、總工），王大春（高工、副總經(jīng)理），吳曉軍（高工、副總經(jīng)理）2010-03zhumingqiao@1緒論朱明喬浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系ZhuMing-QiaoDepartmentofChemicalandBiologicalEngineeringZhejiangUniversity

2010-03zhumingqiao@1緒論1.1化工設(shè)計(jì)定義1.2化工設(shè)計(jì)的機(jī)遇1.3化工設(shè)計(jì)的步驟1.4化工設(shè)計(jì)中其它問題考慮1.5化工設(shè)計(jì)常用術(shù)語1.6課程成績考核1.7小結(jié)2010-03zhumingqiao@1.1化工設(shè)計(jì)定義化工設(shè)計(jì)是將一個(gè)系統(tǒng)（如一個(gè)工廠、一個(gè)車間或一套裝置等）的技術(shù)方案、工藝過程、生產(chǎn)裝備等轉(zhuǎn)化為工程語言的過程，是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，也是一門名副其實(shí)的交叉學(xué)科。2010-03zhumingqiao@1.2化工設(shè)計(jì)的機(jī)遇1.2.1化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)1.2.2化工設(shè)計(jì)的機(jī)遇1.2.3設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)2010-03zhumingqiao@1.2.1化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)2010-03zhumingqiao@1.2.2化工設(shè)計(jì)的機(jī)遇（1）許多化學(xué)品的生產(chǎn)量很小這些化學(xué)品具有特定性能，如強(qiáng)度、黏性、孔隙率、滲透性等，為此設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性在于要?jiǎng)?chuàng)造一種能獲得專利保護(hù)的產(chǎn)品，并且這類產(chǎn)品的市場(chǎng)需求能使其擁有極具吸引力的銷售價(jià)格，當(dāng)該化學(xué)品確認(rèn)后，通常需要設(shè)計(jì)一個(gè)生產(chǎn)過程。（2）大宗化學(xué)品的需求量大

如乙烯、苯、甲苯、汽油等，其生產(chǎn)通常只涉及那些確定的小分子，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是由各種不同原料生產(chǎn)這些化學(xué)品的過程。2010-03zhumingqiao@1.2.2化工設(shè)計(jì)的機(jī)遇（3）設(shè)計(jì)的機(jī)遇①實(shí)驗(yàn)室內(nèi)為滿足客戶需要搜尋有多種用途性質(zhì)的改進(jìn)化學(xué)品生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)；②可得到某種便宜的原料，這樣新的生產(chǎn)過程常需要新的反應(yīng)路線和分離方法；③新的市場(chǎng)，如塊狀經(jīng)濟(jì)、區(qū)域發(fā)展、發(fā)展中國家；④工程師強(qiáng)烈的感覺，認(rèn)為以某種新的化學(xué)品或新的工藝路線去生產(chǎn)某種現(xiàn)存的化學(xué)品可能效益會(huì)更好，或是某種新的化學(xué)品存在一定市場(chǎng)。（4）大宗化學(xué)品的生產(chǎn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目一般是不太全面的，其重點(diǎn)通常是生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)或是化學(xué)過程設(shè)計(jì)。2010-03zhumingqiao@1.2.3設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)（1）為了對(duì)某個(gè)課題作出陳述或要?jiǎng)?chuàng)立一個(gè)課題，可能要組建一個(gè)小的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，這個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將包括化學(xué)工程師、化學(xué)家，可能還有生物化學(xué)家，適當(dāng)?shù)那闆r下，還有市場(chǎng)開發(fā)者，特殊的領(lǐng)域還需要專家。（2）設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將遵循一系列公認(rèn)的化工設(shè)計(jì)（可延伸為產(chǎn)品和過程設(shè)計(jì)）步驟處理設(shè)計(jì)問題。2010-03zhumingqiao@1.3化工設(shè)計(jì)的步驟1.3.1化工設(shè)計(jì)步驟的比較1.3.2初始問題的創(chuàng)建和審查1.3.3發(fā)現(xiàn)具有所需性質(zhì)和性能的化學(xué)1.3.4過程創(chuàng)建1.3.5基本方案的開發(fā)1.3.6利用算法進(jìn)行詳細(xì)過程合成1.3.7全裝置范圍的可控性評(píng)價(jià)1.3.8詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)備尺寸確定和優(yōu)化1.3.9書面設(shè)計(jì)報(bào)告和口頭陳述1.3.10裝置設(shè)計(jì)、施工、開車和運(yùn)轉(zhuǎn)2010-03zhumingqiao@1.3.1化工設(shè)計(jì)步驟的比較

實(shí)驗(yàn)性研究可行性研究(1)過程研究模型試驗(yàn)小試中試工程設(shè)計(jì)施工概念設(shè)計(jì)可行性研究(2)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)研究可行性研究(3)信息研究圖1.2化學(xué)新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的基本步驟（1）化學(xué)新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的基本步驟2010-03zhumingqiao@（2）國際通用設(shè)計(jì)程序的階段劃分項(xiàng)目專利商工程公司階段名稱工藝包或基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)或分析和平面設(shè)計(jì)詳細(xì)工程設(shè)計(jì)或最終設(shè)計(jì)主導(dǎo)專業(yè)工藝工藝系統(tǒng)/管道系統(tǒng)/管道主要文件工藝流程圖（PFD）工藝控制圖（PCD）工藝說明書設(shè)備表工藝數(shù)據(jù)表概略布置圖工藝流程圖工藝控制圖工藝說明書物料平衡表設(shè)備表工藝數(shù)據(jù)表安全備忘錄概略布置圖主要專業(yè)設(shè)計(jì)條件管道儀表流程圖（PID）設(shè)備計(jì)算及分析草圖設(shè)備規(guī)格說明書材料選擇請(qǐng)購文件設(shè)備布置圖（分區(qū)）管道平面圖（分區(qū)）地下管網(wǎng)圖電氣單線圖各有關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)條件管道儀表流程圖設(shè)備安裝平剖面圖詳細(xì)配管圖管段圖（軸測(cè)圖）基礎(chǔ)圖結(jié)構(gòu)圖、建筑圖儀表設(shè)計(jì)圖電氣設(shè)計(jì)圖設(shè)備制造圖各專業(yè)施工圖及安裝說明用途供工程公司作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)把專利文件轉(zhuǎn)化為工程公司設(shè)計(jì)文件為詳細(xì)工程設(shè)計(jì)、設(shè)備材料采購提供全部資料提供施工圖紙和文件，作為施工、材料補(bǔ)充訂貨依據(jù)表1.1國際通用設(shè)計(jì)程序的階段劃分2010-03zhumingqiao@（3）化學(xué)產(chǎn)品和生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)的步驟第四篇裝置范圍的可控性評(píng)價(jià)開車評(píng)價(jià)可靠性和安全性分析過程和/或產(chǎn)品是否仍有希望？是潛在的機(jī)會(huì)第一篇?jiǎng)?chuàng)建和審查初始問題第一篇尋找具有所要求的性質(zhì)和功能的化學(xué)品和化學(xué)品混合物第一篇?jiǎng)?chuàng)建過程是否有令人滿意的毛利？是否需要生產(chǎn)化學(xué)品的過程？化學(xué)結(jié)構(gòu)是否已知？第一篇基本方案的開發(fā)第二篇詳細(xì)過程合成——計(jì)算方法第三篇詳細(xì)設(shè)計(jì)設(shè)備尺寸的確定和優(yōu)化過程是否仍有希望的？裝置設(shè)計(jì)、建設(shè)、開車和操作第五篇書面設(shè)計(jì)報(bào)告和口頭陳述過程和/或產(chǎn)品是否仍合理可行？是否否是否是放棄是否是否放棄圖1.3化學(xué)產(chǎn)品和生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)的步驟2010-03zhumingqiao@第一篇?jiǎng)?chuàng)建和審定初始問題確定要求、文獻(xiàn)調(diào)研、產(chǎn)生思路、市場(chǎng)和商業(yè)研究、與用戶面談化學(xué)結(jié)構(gòu)是否已知？否第一篇尋找具有所要求的性質(zhì)和功能的化學(xué)品和化學(xué)品混合物例子：環(huán)境友好的聚合物薄膜、制冷劑、清洗和萃取的溶劑、潤滑油、藥物高分子、熱手器溶質(zhì)和抗張力強(qiáng)度高的陶瓷材料是否需要生產(chǎn)化學(xué)品的過程？是第一篇?jiǎng)?chuàng)建過程實(shí)驗(yàn)初步過程合成反應(yīng)、分離、T-P變化操作、任務(wù)集成-設(shè)備選擇、間歇或連續(xù)？毛利是否令人滿意？否放棄是第一篇基本方案的開發(fā)第二篇詳細(xì)過程合成——計(jì)算方法過程是連續(xù)的或間歇的？連續(xù)化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的合成分離序列合成反應(yīng)-分離循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的合成第二定律分析熱交換器網(wǎng)的合成質(zhì)量交換器網(wǎng)的合成優(yōu)化過程步驟的順序安排第四篇裝置范圍的可控性評(píng)定控制結(jié)構(gòu)的定性分析流程的可控性分析否是第三篇詳細(xì)設(shè)計(jì)、確定設(shè)備尺寸、優(yōu)化最終產(chǎn)品是：大眾化學(xué)品、專用化學(xué)品定型消費(fèi)產(chǎn)品或工業(yè)產(chǎn)品(其使用化學(xué)品或化學(xué)品混合物？)產(chǎn)品設(shè)計(jì)投資費(fèi)用估算利潤率分析

優(yōu)化否過程和/或產(chǎn)品是否仍有希望？否放棄是開車評(píng)定附加設(shè)備動(dòng)態(tài)模擬可靠性和安全性分析實(shí)驗(yàn)室和中試試驗(yàn)危險(xiǎn)分析是第五篇書面設(shè)計(jì)報(bào)告和口頭陳述裝置設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)草圖、配管圖、儀表控制圖、設(shè)備布置、規(guī)模組建構(gòu)造、投標(biāo)建設(shè)開車操作潛在的機(jī)會(huì)確定設(shè)備尺寸換熱器設(shè)計(jì)、塔設(shè)計(jì)、泵和壓縮機(jī)設(shè)計(jì)創(chuàng)建過程流程過程集成創(chuàng)建詳細(xì)數(shù)據(jù)庫中試工廠實(shí)驗(yàn)改進(jìn)流程制作模擬流程過程是否仍有希望？初始數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建過程和/或產(chǎn)品是否合理可行？總圖2010-03zhumingqiao@例1.1氯乙烯的生產(chǎn)考慮生產(chǎn)氯乙烯的需要，這是生產(chǎn)聚氯乙烯（PVC）的單體，PVC是一種重要的聚合物，廣泛用于硬質(zhì)塑料管路、管件和類似的產(chǎn)品，為了滿足氯乙烯單體的新的需求，已經(jīng)出現(xiàn)一個(gè)機(jī)會(huì)，即每年36萬噸的訂單，在海灣的石化聯(lián)合企業(yè)，公司要求現(xiàn)有的工廠每年生產(chǎn)45萬噸這種大宗化學(xué)產(chǎn)品。因?yàn)槁纫蚁﹩误w是劇毒物質(zhì)，要求所有的新設(shè)備都必須謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)以滿足政府關(guān)于健康和安全的法規(guī)。例1.2透析裝置考慮設(shè)計(jì)一種廉價(jià)（比方說少于10美元）的、為暫時(shí)或永久性的腎功能衰竭（ESRD）病人一次性使用的裝置的可能性；這種裝置僅為腎功能衰竭（ESRD）病人提供一種處理，這些病人的腎臟已不具有正常的功能。這種治療每周需要三次，每次透析平均為3~4小時(shí)，這種裝置1996年在美國為20多萬病人所使用。1.3.2初始問題的創(chuàng)建和審查

（1）典型的初始問題和機(jī)遇顯然，潛在的機(jī)會(huì)和初始的問題常常產(chǎn)生于有超前意識(shí)的公司、政府和大學(xué)的研究環(huán)境。2010-03zhumingqiao@（2）選擇方案——審查初始問題思路常常產(chǎn)生于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。有時(shí)思路也可能來自潛在的客戶，這些客戶也許對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品或產(chǎn)品現(xiàn)狀不滿意。最好在寬松的氣氛中討論有獨(dú)創(chuàng)性的意見，從而產(chǎn)生思路。最好的思路可能是那些開始遭到最激烈批評(píng)的方案。所有思路都經(jīng)過收集、整理、討論和仔細(xì)地評(píng)審（基于技術(shù)和市場(chǎng)的考慮）?，F(xiàn)考慮下列可供選擇的設(shè)計(jì)方案，這是從上面兩個(gè)初始問題的各種思路中選擇的典型方案。注意，在開始時(shí)最好深入地考慮至少兩種方案，可能的情況下考慮三種方案。2010-03zhumingqiao@例1.3（例1.1的再次討論）

為滿足每年增加36萬噸氯乙烯的需要，選擇下面四個(gè)看似合理的方案作進(jìn)一步的研究。方案1：一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者的氯乙烯生產(chǎn)廠，它每年生產(chǎn)90萬噸氯乙烯，而該廠座落于150公里以外，它能擴(kuò)大生產(chǎn)以滿足所要求的增加量，而這些產(chǎn)品可用公路或鐵路的槽罐車運(yùn)輸。在這種情況下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出采購價(jià)格和設(shè)計(jì)貯存裝置。這可能是為擴(kuò)大當(dāng)?shù)氐腜VC工廠所需單體的最簡(jiǎn)單的方法。方案2：從附近電解NaCl溶液的工廠中購買氯并用管道輸送。然后用氯和公司內(nèi)部的乙烯反應(yīng)生產(chǎn)氯乙烯單體和HCl副產(chǎn)物。方案3：公司現(xiàn)有的石油化工聯(lián)合企業(yè)中，許多生產(chǎn)過程產(chǎn)生HCl副產(chǎn)物，因?yàn)檫@些HCl副產(chǎn)物產(chǎn)生的量大，所以通常可低價(jià)得到。HCl與乙炔或乙烯和氧反應(yīng)，可生成1,2-二氯乙烷，一種可裂解成氯乙烯的中間產(chǎn)物。方案4：設(shè)計(jì)一個(gè)電解裝置生產(chǎn)氯。一種可能性是由石油化工聯(lián)合企業(yè)中可得到的HCl，電解獲得H2和Cl2，按方案2，將氯進(jìn)行反應(yīng)。在該石油化工聯(lián)合企業(yè)的其他區(qū)域，將氫和氯反應(yīng)生成氨，或氫與CO反應(yīng)生成甲醇。2010-03zhumingqiao@例1.4（例1.2的再次討論）

為了滿足透析產(chǎn)品的需要，可能會(huì)產(chǎn)生下面兩種可供選擇的方案的初步設(shè)計(jì)。方案1：設(shè)計(jì)一臺(tái)血液透析裝置，能使尿素、尿酸、肌酸酐、磷酸鹽和其他低分子量的代謝物通過擴(kuò)散從血液中傳遞到透析液中。該裝置還應(yīng)當(dāng)讓葡萄糖和鹽類物質(zhì)通過擴(kuò)散反向傳遞。這種裝置應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)成一次性使用后就要報(bào)廢的，故其售價(jià)應(yīng)低于10美元，以使新產(chǎn)品的價(jià)格和/或性能可與其他公司的人工腎相競(jìng)爭(zhēng)，如C-DAK4000型人工腎1992年銷售了6000萬只，每只售價(jià)僅5-6美元。方案2：設(shè)計(jì)一個(gè)腹膜滲析裝置（該裝置使用血清膜，裝在哺乳動(dòng)物的腹腔），具有與血液透析裝置相似的性能。注意：隨著設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行，某些方案會(huì)被否定，又會(huì)產(chǎn)生一些新方案。2010-03zhumingqiao@（3）文獻(xiàn)調(diào)研

當(dāng)產(chǎn)生選擇方案的特殊問題時(shí)，工業(yè)界的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以利用公司雇員、公司文件和公開文獻(xiàn)。但是對(duì)于文獻(xiàn)進(jìn)行全面的查閱研究是很重要的。發(fā)現(xiàn)最新的數(shù)據(jù)、流程、設(shè)備和模型，它們可導(dǎo)致產(chǎn)品的改進(jìn)和更有效益的設(shè)計(jì)。2010-03zhumingqiao@（3）文獻(xiàn)調(diào)研廣泛采用的文獻(xiàn)來源有：SRI設(shè)計(jì)報(bào)告，即史坦福研究所設(shè)計(jì)報(bào)告。百科全書，Kirk-Othmer化學(xué)技術(shù)百科全書、化學(xué)品加工和設(shè)計(jì)百科全書、Ullmann工業(yè)化學(xué)百科全書。手冊(cè)和參考書，Perry化學(xué)工程師手冊(cè)、化學(xué)和物理手冊(cè)、化學(xué)工程手冊(cè)等。索引，應(yīng)用科學(xué)和技術(shù)索引、工程索引、化學(xué)文摘、科學(xué)引文索引等專利，這是重要的信息，要避免復(fù)制專利保護(hù)的設(shè)計(jì)。2010-03zhumingqiao@（4）補(bǔ)充研究

技術(shù)可行性市場(chǎng)商務(wù)其他2010-03zhumingqiao@（5）產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的激勵(lì)創(chuàng)新百分之十五規(guī)則：15%的時(shí)間用在自己選擇的項(xiàng)目的工作上。技術(shù)論壇：不同崗位的工作人員之間技術(shù)交流和各種思路的相互補(bǔ)充。延續(xù)目標(biāo)：30%的年銷售額必須來自最近四年引進(jìn)的產(chǎn)品規(guī)則。過程創(chuàng)新技術(shù)中心：一個(gè)中心為核心技術(shù)開發(fā)；一個(gè)中心為關(guān)鍵生產(chǎn)過程技術(shù)的開發(fā)和放大。六西格瑪（Sigma）：質(zhì)量控制，技術(shù)指標(biāo)的偏差降低到3.4次/100萬次。2010-03zhumingqiao@（6）設(shè)計(jì)中特殊考慮——藥物產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)預(yù)臨床開發(fā)臨床試驗(yàn)報(bào)批2010-03zhumingqiao@1.3.3發(fā)現(xiàn)具有所需性質(zhì)和性能的化學(xué)品對(duì)于那些已經(jīng)規(guī)定所需性質(zhì)和性能的初始問題，常常需要確定能滿足這些技術(shù)要求的化學(xué)品，類似于產(chǎn)品導(dǎo)向的設(shè)計(jì)。如在低壓和所需溫度下沸騰和冷凝的冷凍劑，而且該冷凍劑不與地球同溫層中的臭氧發(fā)生反應(yīng)；用于暖手器的溶質(zhì)，其在常溫下保持過飽和，當(dāng)激活后在低溫下固化。這些設(shè)計(jì)問題常常以分子結(jié)構(gòu)計(jì)算的方式表示，用優(yōu)化方法（如基團(tuán)貢獻(xiàn)法、分子模擬軟件即分子動(dòng)力學(xué)和Monte-Carlo方法）達(dá)到所需的性質(zhì)。

又如乳劑和膏體，它們都是膠體系統(tǒng)，這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵是達(dá)到所要求的產(chǎn)品性質(zhì)的技術(shù)指標(biāo)。其設(shè)計(jì)的步驟為：第一步涉及確定產(chǎn)品品質(zhì)因素，包括功能品質(zhì)因素、流變學(xué)品質(zhì)因素、物理品質(zhì)因素和感觀品質(zhì)因素；給定了這些技術(shù)指標(biāo)后，第二步涉及產(chǎn)品的配方；然后接著是過程的創(chuàng)建步驟和產(chǎn)品的評(píng)價(jià)步驟，當(dāng)然設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在此過程中必須真正了解環(huán)境、安全、法規(guī)等問題，下面加以討論。2010-03zhumingqiao@1.3.4過程創(chuàng)建第一步：初始數(shù)據(jù)庫的匯編，由熱物理性質(zhì)數(shù)據(jù)組成，包括氣-液平衡數(shù)據(jù)、可燃性數(shù)據(jù)、毒性數(shù)據(jù)、化學(xué)品價(jià)格和初步過程合成需要的相關(guān)信息。第二步：?jiǎn)?dòng)實(shí)驗(yàn)以獲取重要的缺失數(shù)據(jù)，如反應(yīng)、分離等數(shù)據(jù)。第三步：過程合成，包括設(shè)備的選擇。第四步：操作模式的選擇，即連續(xù)的、間歇的或半連續(xù)的。2010-03zhumingqiao@表1.2三種類型化學(xué)產(chǎn)品的操作過程操作過程產(chǎn)品類型1原料處理234轉(zhuǎn)化5質(zhì)量控制6包裝基本化學(xué)產(chǎn)品工業(yè)產(chǎn)品消費(fèi)產(chǎn)品加料泵送壓縮加料泵送紡絲處理干燥脫水紡絲/纖維處理皮帶傳送分散處理化學(xué)反應(yīng)提純分離擠壓成型初始成型二次成型混合拉絲密封、壓模復(fù)合模壓成型熱/光處理鑄模定向處理配件制作配件組合拋光包括沖切和集成成模特性：物理性質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)流變學(xué)性質(zhì)功能性質(zhì)：視覺性質(zhì)耐氣候性機(jī)械強(qiáng)度可印刷性功能性質(zhì)和使用性質(zhì)：耐用性、壽命、易于使用、效能運(yùn)輸槽車管道包裝桶、包、卷包裝分裝盛器、塑料包裹（小瓶裝，瓶，罐裝）2010-03zhumingqiao@1.3.5基本方案的開發(fā)創(chuàng)建詳細(xì)的工藝流程圖。物料衡算和能量衡算。主要設(shè)備清單。數(shù)據(jù)庫的改進(jìn)，增加如傳遞性質(zhì)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、試探規(guī)則參數(shù)、作為總生產(chǎn)能力函數(shù)的設(shè)備大小和費(fèi)用等（需要中試工廠嗎？）。過程模擬模型。當(dāng)基本方案設(shè)計(jì)開發(fā)沒有前途時(shí)，?；氐竭^程創(chuàng)建的某一步驟或重新進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的開發(fā)。2010-03zhumingqiao@1.3.6利用算法進(jìn)行詳細(xì)過程合成當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)基本方案的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，可能要利用算法進(jìn)行詳細(xì)的過程合成。對(duì)于連續(xù)的過程，這些計(jì)算方法能進(jìn)行下列工作：（1）創(chuàng)建和計(jì)算將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品化學(xué)品的化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，回收多組分混合物中組分的分離序列和反應(yīng)器-分離器-循環(huán)網(wǎng)絡(luò)；（2）確定和減少能量的用量，創(chuàng)建和計(jì)算高效熱交換器網(wǎng)絡(luò)，和減少廢物的質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)。2010-03zhumingqiao@1.3.6利用算法進(jìn)行詳細(xì)過程合成對(duì)于間歇的過程，這些方法創(chuàng)建和計(jì)算優(yōu)化序列和分批的操作的時(shí)間表。借助這些方法的結(jié)果，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可將基本方案與其他有前途的候選方案進(jìn)行比較，將確定值得進(jìn)行開發(fā)的流程圖。2010-03zhumingqiao@1.3.7全裝置范圍的可控性評(píng)價(jià)

在詳細(xì)的工藝流程圖完成后，對(duì)過程可控性的評(píng)價(jià)就啟動(dòng)了，開始進(jìn)行全流程圖的控制結(jié)構(gòu)的定性合成。 然后，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段確定設(shè)備尺寸之前，用各種指標(biāo)來評(píng)價(jià)過程控制的難易程度和受擾動(dòng)后內(nèi)在的回復(fù)能力。對(duì)于最有希望的過程，能確定最有希望的控制結(jié)構(gòu)。 最后，添加控制系統(tǒng)，并進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)模擬，以確認(rèn)前面討論的預(yù)測(cè)近似指標(biāo)。2010-03zhumingqiao@1.3.8詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)備尺寸確定和優(yōu)化1.3.9書面設(shè)計(jì)報(bào)告和口頭陳述1.3.10裝置設(shè)計(jì)、施工、開車和運(yùn)轉(zhuǎn)2010-03zhumingqiao@1.4化工設(shè)計(jì)中其它問題考慮1.4.1環(huán)境保護(hù)1.4.2安全考慮1.4.3工程倫理1.4.4計(jì)算機(jī)的作用2010-03zhumingqiao@1.4.1環(huán)境保護(hù)自從20世紀(jì)70年代后期以來，美國和發(fā)達(dá)國家所發(fā)生的最明顯的變化之一是環(huán)境保護(hù)問題從次要問題轉(zhuǎn)變?yōu)槭滓獑栴}。中國從20世紀(jì)80年代后期以來日益重視環(huán)境保護(hù)問題。重視的主要手段是環(huán)境法規(guī)通過立法實(shí)施。2010-03zhumingqiao@（1）典型環(huán)境問題用于發(fā)電和運(yùn)輸?shù)幕剂先紵篠O2、NOX、CO、CO2、粉塵、CXHY根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，凈化燃燒產(chǎn)物的費(fèi)用比從燃料中除去污染物的費(fèi)用大約低一個(gè)數(shù)量級(jí)——重要的試探規(guī)則之一。有毒廢物處理：1988年美國有害廢物產(chǎn)生量：廢水2.132億噸，占97%；固體廢物6.7百萬噸，占3%（填埋結(jié)果對(duì)水源造成普遍的威脅）。生物積累的化學(xué)品：殺蟲劑DDT，1972年被美國環(huán)保協(xié)會(huì)禁止使用，但在土壤和植物生命體中的生物積累作用會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。有害金屬和礦物：20世紀(jì)60年代后，發(fā)現(xiàn)Pb、Hg、Cr和石棉對(duì)動(dòng)物和人的毒性有作用。2010-03zhumingqiao@降低副產(chǎn)物毒性的反應(yīng)路線:設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)預(yù)期有大量有毒副產(chǎn)物產(chǎn)生時(shí)，就必須尋找其他的反應(yīng)路線；當(dāng)無法找到這種路線時(shí)，這一設(shè)計(jì)概念將被否定，除非是在特殊的情況下。減少廢物及廢物再利用:裝置也可看成一個(gè)工程廢料。避免非常規(guī)事件:降低那些會(huì)對(duì)環(huán)境造成有害影響的事故和泄漏發(fā)生。物料的特性鑒定:采用快速和有效的方法測(cè)定排放濃度，保證低于環(huán)境法規(guī)限制的濃度是很重要的。設(shè)計(jì)目標(biāo)、約束條件和過程優(yōu)化：計(jì)團(tuán)隊(duì)制定一個(gè)混合的目標(biāo)函數(shù)，試圖從經(jīng)濟(jì)術(shù)語表示環(huán)境的改善。（2）過程設(shè)計(jì)中的環(huán)境因素2010-03zhumingqiao@（2）過程設(shè)計(jì)中的環(huán)境因素法規(guī)：環(huán)境法規(guī)可處理為設(shè)計(jì)過程中在操作時(shí)應(yīng)當(dāng)滿足的約束條件。無形成本：訴訟、公關(guān)、環(huán)保團(tuán)體抗議等，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)考慮時(shí)應(yīng)避免。稀物流的性質(zhì)：大多數(shù)污染物都是以極低濃度存在于化工廠的排出物和排放物流中，搞清在環(huán)境中的動(dòng)力學(xué)影響很重要。電解質(zhì)的性質(zhì)：許多水溶液物流中含有低濃度的無機(jī)化合物，它們會(huì)離解為離子組分。因此，在進(jìn)行與電解質(zhì)有關(guān)的過程設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要將離子組分的性質(zhì)包括到其熱物理性質(zhì)數(shù)據(jù)庫中。2010-03zhumingqiao@（3）環(huán)境設(shè)計(jì)問題空氣質(zhì)量：R134a冷凍劑水處理：晶片制造排放物流處理土壤處理：鉛污染場(chǎng)所的植物治理其它：聯(lián)合循環(huán)發(fā)電相關(guān)參考書：①化學(xué)工程新領(lǐng)域②過程設(shè)計(jì)和模擬中環(huán)境問題的考慮③化工過程的污染預(yù)防④綠色工程：化工過程的環(huán)境意識(shí)設(shè)計(jì)2010-03zhumingqiao@1.4.2安全考慮

在化工過程的設(shè)計(jì)和操作中，一個(gè)主要的目標(biāo)是使操作人員和生活在工廠附近的居民保持在安全的環(huán)境中。 遺憾的是滿足這一目標(biāo)的重要性要經(jīng)過一次次事故才能被人們充分認(rèn)識(shí)，美國在1985年建立了美國化學(xué)工程師協(xié)會(huì)的化工裝置安全中心。2010-03zhumingqiao@（1）典型安全問題著火和爆炸：許多化學(xué)品在燃燒下限和燃燒上限這兩個(gè)極限值之內(nèi)，就可能發(fā)生燃燒和爆炸。另外，還有自燃溫度。毒物釋放和傳播模型：總是希望避免使用對(duì)人類、動(dòng)物和植物有毒的化學(xué)品，但毒性問題是難以避免的。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須考慮在事故期間毒物濃度釋放的可能狀況。2010-03zhumingqiao@（2）安全化工裝置的設(shè)計(jì)方法預(yù)防火災(zāi)和爆炸技術(shù)：①添加惰性氣體，避開爆炸范圍②避免靜電積累和它所釋放的火花③安裝防爆裝置和儀器④良好的通風(fēng)條件，露天化⑤安裝灑水滅火系統(tǒng)馳放裝置——如往大氣排放危害鑒定和危險(xiǎn)評(píng)估：識(shí)別所有事故和危險(xiǎn)來源，避免小的失誤造成災(zāi)難性事故。物料安全性數(shù)據(jù)表2010-03zhumingqiao@1.4.3工程倫理1977年，美國職業(yè)工程師學(xué)會(huì)（NSPE）工程和技術(shù)鑒定委員會(huì)批準(zhǔn)了以下一段話：

工程師通過以下行為維護(hù)和提升工程職業(yè)的誠實(shí)、榮譽(yù)和尊嚴(yán)：①用他們的知識(shí)和技能增進(jìn)人類的福利②具有誠實(shí)公正的品格，忠實(shí)地為公眾和他們的雇員服務(wù)③努力增強(qiáng)工程職業(yè)的能力和聲譽(yù)④支持本學(xué)科的專業(yè)和技術(shù)協(xié)會(huì)2010-03zhumingqiao@1.4.4計(jì)算機(jī)的作用①電子表格②數(shù)學(xué)軟件包和繪圖軟件③過程模擬軟件④計(jì)算指南2010-03zhumingqiao@1.5化工設(shè)計(jì)常用術(shù)語化工廠設(shè)計(jì)三種類型：新工廠設(shè)計(jì)原有工廠的改建擴(kuò)建設(shè)計(jì)廠房的局部修建設(shè)計(jì)新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)三種類型：工程設(shè)計(jì)復(fù)用設(shè)計(jì)因地制宜設(shè)計(jì)2010-03zhumingqiao@1.5化工設(shè)計(jì)常用術(shù)語

新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)三種類型工程設(shè)計(jì)：指沒有現(xiàn)成的裝置可以參照或僅根據(jù)中試或其他實(shí)驗(yàn)裝置來設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)裝置。復(fù)用設(shè)計(jì)：利用已有裝置的技術(shù)資料進(jìn)行新裝置的設(shè)計(jì)。因地制宜設(shè)計(jì)：在已有裝置技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)即將建設(shè)裝置的具體情況進(jìn)行改建或變更，以適應(yīng)新裝置的要求。2010-03zhumingqiao@1.5化工設(shè)計(jì)常用術(shù)語

化工廠設(shè)計(jì)兩種類型化工廠設(shè)計(jì)兩種類型：以工廠為單位的工廠化工設(shè)計(jì)以車間為單位的車間化工設(shè)計(jì)。工廠化工設(shè)計(jì)內(nèi)容：廠址選擇、總圖設(shè)計(jì)、化工工藝設(shè)計(jì)、非工藝設(shè)計(jì)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等。車間化工設(shè)計(jì)內(nèi)容：化工工藝設(shè)計(jì)如生產(chǎn)方法的選擇、生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)、工藝計(jì)算、設(shè)備選型、車間布置設(shè)計(jì)及管道布置設(shè)計(jì)等，及其它非工藝設(shè)計(jì)如機(jī)械工程、土建工程、給排水工程、供配電工程、供熱供氣工程、儀表及自動(dòng)控制工程、分析及衛(wèi)生工程等。2010-03zhumingqiao@1.5化工設(shè)計(jì)常用術(shù)語化工設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：政策性強(qiáng)、技術(shù)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)。化工設(shè)計(jì)的“五化”設(shè)計(jì)原則：工廠布置一體化、生產(chǎn)裝置露天化、建構(gòu)筑物輕型化、公用工程社會(huì)化、引進(jìn)技術(shù)國產(chǎn)化。國際通用設(shè)計(jì)程序的階段：基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)、詳細(xì)工程設(shè)計(jì)。國內(nèi)化工項(xiàng)目基本建設(shè)程序：可行性研究、化工設(shè)計(jì)（包括初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)）、施工、試車和考核。2010-03zhumingqiao@1.6課程成績考核課程成績由兩部分組成:平時(shí)上課及練習(xí)，占50%期末設(shè)計(jì)練習(xí)，占50%。2010-03zhumingqiao@1.7小結(jié)通過本講座，應(yīng)當(dāng)掌握以下知識(shí)：（1）了解對(duì)于產(chǎn)品和過程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)具有挑戰(zhàn)性的各種設(shè)計(jì)決策問題。（2）對(duì)產(chǎn)品和/或過程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟具有正確的評(píng)價(jià)能力。后續(xù)講座逐講展開。（3）了解在設(shè)計(jì)新化學(xué)產(chǎn)品和新化工過程時(shí)通常要考慮的各類環(huán)境和安全問題。（4）正確評(píng)價(jià)在產(chǎn)品和過程設(shè)計(jì)中保持高標(biāo)準(zhǔn)倫理原則的重要性。（5）懂得化學(xué)工程師是結(jié)合手工計(jì)算、電子表格、數(shù)學(xué)計(jì)算軟件包和工程模擬軟件等手段來進(jìn)行產(chǎn)品和過程設(shè)計(jì)的。本講座雖然沒有具體解決任何的設(shè)計(jì)問題，但在以后的設(shè)計(jì)詳細(xì)講述中會(huì)提及這些背景信息。2010-03zhumingqiao@謝謝??！2010-03zhumingqiao@第一篇?jiǎng)?chuàng)建和審定初始問題：

確定要求文獻(xiàn)調(diào)研產(chǎn)生思路市場(chǎng)和商業(yè)研究與用戶面談2010-03zhumingqiao@第一篇尋找具有所要求的性質(zhì)和功能的化學(xué)品和化學(xué)品混合物

混合物例子：環(huán)境友好的聚合物薄膜、制冷劑、清洗和萃取的溶劑、潤滑油、藥物高分子、熱手器溶質(zhì)和抗張力強(qiáng)度高的陶瓷材料2010-03zhumingqiao@第一篇?jiǎng)?chuàng)建過程初始數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)初步過程合成：反應(yīng)、分離、T-P變化操作、任務(wù)集成-設(shè)備選擇、間歇或連續(xù)？毛利是否令人滿意？否放棄是2010-03zhumingqiao@第一篇基本方案的開發(fā)創(chuàng)建過程流程過程集成創(chuàng)建詳細(xì)數(shù)據(jù)庫中試工廠實(shí)驗(yàn)改進(jìn)流程制作模擬流程2010-03zhumingqiao@第二篇詳細(xì)過程合成——計(jì)算方法過程是連續(xù)的或間歇的？化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的合成分離序列合成反應(yīng)-分離循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的合成第二定律分析熱交換器網(wǎng)的合成質(zhì)量交換器網(wǎng)的合成優(yōu)化過程步驟順序安排2010-03zhumingqiao@第三篇

詳細(xì)設(shè)計(jì)、確定設(shè)備尺寸、優(yōu)化最終產(chǎn)品是：大眾化學(xué)品、專用化學(xué)品定型消費(fèi)產(chǎn)品或工業(yè)產(chǎn)品(其使用化學(xué)品或化學(xué)品混合物？)確定設(shè)備尺寸換熱器設(shè)計(jì)、塔設(shè)計(jì)、泵和壓縮機(jī)設(shè)計(jì)投資費(fèi)用估算利潤率分析

優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)2010-03zhumingqiao@第四篇

裝置范圍的可控性評(píng)定控制結(jié)構(gòu)的定性分析流程可控性分析2010-03zhumingqiao@第五篇

書面設(shè)計(jì)報(bào)告和口頭陳述裝置設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)草圖、配管圖、儀表控制圖、設(shè)備布置、規(guī)模組建構(gòu)造、投標(biāo)建設(shè)開車操作2010-03zhumingqiao@化工設(shè)計(jì)概論朱明喬浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系ZhuMing-QiaoDepartmentofChemicalandBiologicalEngineeringZhejiangUniversity2010-03zhumingqiao@第二章化工開發(fā)設(shè)計(jì)2.1化工開發(fā)設(shè)計(jì)范圍2.2選題和立項(xiàng)2.3分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.4化工過程開發(fā)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理2.5化工過程放大2.6化工開發(fā)設(shè)計(jì)案例分析2.7小結(jié)2010-03zhumingqiao@2.1化工開發(fā)設(shè)計(jì)范圍化工開發(fā)設(shè)計(jì)范圍可定義為在化工技術(shù)開發(fā)范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)?；ぜ夹g(shù)開發(fā)一般按照以下程序：選題→小型試驗(yàn)(小試)→中型試驗(yàn)(中試)→生產(chǎn)性試驗(yàn)本課程化工技術(shù)開發(fā)的內(nèi)容主要指立項(xiàng)前的可行性研究，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的小試，放大的模型試驗(yàn)，以及對(duì)工藝技術(shù)方案進(jìn)行初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),得到工藝包。注：工藝包為工程公司進(jìn)行工程設(shè)計(jì)tigong依據(jù)，如講座一表1.1“國際通用設(shè)計(jì)程序的階段劃分”所示。2010-03zhumingqiao@2.2選題和立項(xiàng)2.2.1課題的性質(zhì)和來源2.2.2選題的基本原則2.2.3化工產(chǎn)品開發(fā)策略選題總是化工過程開發(fā)工作之前的重要工作，它關(guān)系到開發(fā)工作的成敗。在選題時(shí)，應(yīng)對(duì)立題項(xiàng)目進(jìn)行可行性研究，并從技術(shù)可靠性、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益等方面證明其為可行的立題報(bào)告。2010-03zhumingqiao@2.2.1課題的性質(zhì)和來源凡與化工新產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)改造以及新工藝和新技術(shù)的推廣應(yīng)用有關(guān)的研究成果，均屬于化工過程的開發(fā)課題。這類課題根據(jù)我國現(xiàn)行的科研體制，主要有以下三個(gè)來源：（1）計(jì)劃課題（2）企業(yè)委托課題（3）自選課題2010-03zhumingqiao@2.2.1課題的性質(zhì)和來源對(duì)于課題的性質(zhì)，人們習(xí)慣于把當(dāng)代科學(xué)研究活動(dòng)統(tǒng)稱為“研究與開發(fā)”，大體上劃分為以下三類：（1）基礎(chǔ)研究（2）應(yīng)用研究（3）技術(shù)開發(fā)基礎(chǔ)研究屬于科學(xué)發(fā)展的范疇，技術(shù)開發(fā)屬于技術(shù)發(fā)展的范疇，應(yīng)用研究則分跨科學(xué)發(fā)展和技術(shù)發(fā)展兩個(gè)范疇。2010-03zhumingqiao@2.2.2選題的基本原則凡根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和市場(chǎng)需要提出的化工新產(chǎn)品、新材料、新技術(shù)、新工藝，具有先進(jìn)性、合理性、現(xiàn)實(shí)性、可行性，可以獲得應(yīng)有的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的課題均可作為化工過程開發(fā)課題，但應(yīng)特別注意一下幾點(diǎn)：（1）創(chuàng)新性原則（2）需要性原則（3）科學(xué)性原則（4）可行性原則2010-03zhumingqiao@2.2.2選題的基本原則選題原則要靈活運(yùn)用，具體表現(xiàn)為：（1）基礎(chǔ)研究選題主要以科學(xué)發(fā)展為導(dǎo)向（2）應(yīng)用研究的選題以市場(chǎng)需要為導(dǎo)向（3）技術(shù)開發(fā)的選題以市場(chǎng)需要為導(dǎo)向2010-03zhumingqiao@2.2.3化工產(chǎn)品開發(fā)策略（1）前向一體化合作開發(fā)模式（2）后向一體化合作開發(fā)模式（3）橫向一體化合作開發(fā)模式（4）過程一體化開發(fā)模式（5）混合一體化合作開發(fā)模式（6）合作開發(fā)的形式2010-03zhumingqiao@（1）前向一體化合作開發(fā)模式前向一體化合作開發(fā)模式是指化工企業(yè)與下游用戶合作開發(fā)新產(chǎn)品的模式。改善下游產(chǎn)品質(zhì)量和性能（技術(shù)指標(biāo)）：原料直接影響產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，下游企業(yè)往往對(duì)原料提出要求以滿足其產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，模型見圖2.1。下游企業(yè)需要研究開發(fā)生產(chǎn)營銷信息與反饋本企業(yè)下游企業(yè)圖2.1前向一體化合作開發(fā)模式模型（1）2010-03zhumingqiao@（1）前向一體化合作開發(fā)模式降低下游產(chǎn)品成本:原料直接影響產(chǎn)品的成本，下游企業(yè)往往對(duì)原料提出要求以降低下游產(chǎn)品成本，模型同圖2.1。推廣本企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)下游新產(chǎn)品：化學(xué)工業(yè)能使用有限的原料創(chuàng)造出豐富多彩的產(chǎn)品。模型如圖2.2所示。研究開發(fā)生產(chǎn)營銷信息與反饋開發(fā)下游企業(yè)產(chǎn)品本企業(yè)下游企業(yè)圖2.2前向一體化合作開發(fā)模式模型（2）2010-03zhumingqiao@（2）后向一體化合作開發(fā)模式后向一體化合作開發(fā)模式是指化工企業(yè)與上游供應(yīng)商合作開發(fā)新產(chǎn)品的模式。模型見圖2.3。研究開發(fā)生產(chǎn)營銷信息與反饋上游供應(yīng)商上游企業(yè)本企業(yè)圖2.3后向一體化合作開發(fā)模式模型（1）2010-03zhumingqiao@（2）后向一體化合作開發(fā)模式改善原料質(zhì)量和性能（技術(shù)指標(biāo)）:原料直接影響產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，通過改變?cè)蟻砀淖兤髽I(yè)產(chǎn)品的性能。降低產(chǎn)品成本:原料直接影響產(chǎn)品的成本，化工企業(yè)往往對(duì)原料提出要求以降低自己產(chǎn)品成本。應(yīng)用供應(yīng)商新產(chǎn)品開發(fā)新產(chǎn)品:供應(yīng)商常常向化工企業(yè)推介新材料、新能源、新設(shè)備、新工藝等，幫助化工企業(yè)應(yīng)用并共同開發(fā)新產(chǎn)品，化工企業(yè)要緊緊抓住這些機(jī)會(huì)開發(fā)合適的產(chǎn)品。模型如圖2.4。研究開發(fā)生產(chǎn)營銷信息與反饋供應(yīng)商新產(chǎn)品上游企業(yè)本企業(yè)圖2.4后向一體化合作開發(fā)模式模型（2）2010-03zhumingqiao@(3)橫向一體化合作開發(fā)模式橫向一體化合作開發(fā)模式是指化工企業(yè)之間做開發(fā)新產(chǎn)品的模式。任何一個(gè)化工企業(yè)都不可能占有所有的優(yōu)勢(shì)，化工企業(yè)之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，合作開發(fā)新產(chǎn)品，共同占領(lǐng)市場(chǎng)。圖2.5表示了研究領(lǐng)域合作開發(fā)下游企業(yè)需要產(chǎn)品的模型。研究開發(fā)生產(chǎn)營銷信息與反饋開發(fā)下游企業(yè)產(chǎn)品本企業(yè)下游企業(yè)圖2.5橫向一體化合作開發(fā)模式模型2010-03zhumingqiao@(4)過程一體化開發(fā)模式過程一體化開發(fā)模式是指化工產(chǎn)品開發(fā)階段就采用研究、設(shè)計(jì)、制造、營銷、采購、財(cái)務(wù)、供應(yīng)商及用戶介入、參與的并行工作小組方式，對(duì)全過程一體化管理。模型見圖2.6。上游企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新構(gòu)思研究與開發(fā)設(shè)計(jì)制造市場(chǎng)銷售下游企業(yè)需要上游企業(yè)本企業(yè)下游企業(yè)圖2.6過程一體化開發(fā)模式模型2010-03zhumingqiao@(5)混合一體化合作開發(fā)模式混合一體化合作開發(fā)模式是指在化工產(chǎn)品開發(fā)過程中不局限于單獨(dú)采用上述任何一種形式，而根據(jù)需要采取兩種或兩種以上混合的模式。如圖2.7。

上游企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新構(gòu)思研究與開發(fā)設(shè)計(jì)制造市場(chǎng)銷售下游企業(yè)需要上游企業(yè)本企業(yè)下游企業(yè)橫向企業(yè)圖2.7混合一體化合作開發(fā)模式2010-03zhumingqiao@（6）合作開發(fā)的形式合作開發(fā)一般以戰(zhàn)略聯(lián)盟的形式進(jìn)行。聯(lián)盟的形式是多種多樣的，主要有合資、研究與開發(fā)協(xié)議、合作生產(chǎn)營銷、相互持股等，也有的是長期供應(yīng)協(xié)議。有些聯(lián)盟是明確的，有些則不明確，但事實(shí)均存在。聯(lián)盟有些比較緊密，有些比較松散，它與各方的投入及收益等有關(guān)。2010-03zhumingqiao@2.2.4技術(shù)經(jīng)濟(jì)資料進(jìn)行收集如講座一中所述，盡量利用這些資料進(jìn)行設(shè)計(jì)。2010-03zhumingqiao@2.3分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1引言2.3.2特性評(píng)估方法2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)2.3.4小結(jié)2010-03zhumingqiao@2.3分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選題和立項(xiàng)之后如果新產(chǎn)品分子結(jié)構(gòu)未確定，還需要進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如下例子：具有所要求性質(zhì)的高分子,如:密度、玻璃化轉(zhuǎn)化溫度、對(duì)水的吸收率；在低壓和規(guī)定的溫度下沸騰和冷凝的制冷劑，且他們不與臭氧發(fā)生反應(yīng)；能輸送像墨水顏料和涂料之類固體的溶劑，其揮發(fā)快，有事無毒和環(huán)境友好的；用于液-液萃取、萃取精餾或恒沸精餾的溶劑；作為藥物的大分子，如作為抗體的蛋白質(zhì)，它們是Y-型的多疇蛋白質(zhì)，其以極精確的選擇性與特定抗原或接受體結(jié)合；用于暖手器的溶質(zhì)，在低溫下仍保持過飽和，只有當(dāng)激活時(shí)才結(jié)晶放熱。2010-03zhumingqiao@2.3.1引言要對(duì)化學(xué)品和化學(xué)品混合物性質(zhì)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行更量化的確定。產(chǎn)品開發(fā)工作常常與研究和開發(fā)小組的發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)。當(dāng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，常?？梢缘玫狡涔浪惴椒?。然而，對(duì)于藥品、蛋白質(zhì)等性質(zhì)通常不使用估算的方法，由實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)來確定。2010-03zhumingqiao@2.3.2特性評(píng)估方法分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論方法要求精確估算物理性質(zhì)和傳遞性質(zhì)。這些一般是從熱力學(xué)和傳遞現(xiàn)象的基本原理出發(fā)，運(yùn)用分子模擬推導(dǎo)得到的。在近幾年中，物質(zhì)性質(zhì)的信息系統(tǒng)已能廣泛地從計(jì)算機(jī)軟件包中得到。對(duì)于那些數(shù)據(jù)庫中不存在的組分，用估算的方法或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的方法確定各組分的常數(shù)和參數(shù)。

2010-03zhumingqiao@2.3.2特性評(píng)估方法（1）計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫（2）性質(zhì)估算（3）聚合物性質(zhì)估算（4）微觀模擬2010-03zhumingqiao@（1）計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫純組分的數(shù)據(jù)庫可看作數(shù)據(jù)記錄收集，每一組都包含某純化學(xué)品的各種常數(shù)和參數(shù)（如，臨界性質(zhì)（Tc、Pc、Vc），常壓沸點(diǎn)（Tnbp）、蒸汽壓系數(shù)、熱量系數(shù)，偏心因子等等）。當(dāng)系統(tǒng)中沒有貯存某種化學(xué)組分的物性常數(shù)和參數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)，大多數(shù)物性信息系統(tǒng)都有回歸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的程序（例如蒸氣壓表、液體密度表和作為溫度函數(shù)的熱容）。當(dāng)只能獲得不充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，常常是利用有限數(shù)據(jù)（如常壓沸點(diǎn)），由程序提供基ben分子結(jié)構(gòu)，用基團(tuán)和鍵貢獻(xiàn)法進(jìn)行估算的物性。

這些方法在產(chǎn)品和過程設(shè)計(jì)的早期階段，在實(shí)驗(yàn)室或中試研究開始前是特別有用的。2010-03zhumingqiao@（2）性質(zhì)估算每一個(gè)物質(zhì)性質(zhì)的信息系統(tǒng)都有一組廣泛的子程序，通過回歸確定蒸汽壓方程（如擴(kuò)展的Antoine方程）、熱容方程等的參數(shù)和估算得到熱物理和傳遞性質(zhì)。在確定化學(xué)混合物的狀態(tài)（呈平衡的相）和它的性質(zhì)（密度、焓、熵等）時(shí)，調(diào)用后一類子程序。當(dāng)計(jì)算相平衡時(shí)，需要每一相中組分逸度。2010-03zhumingqiao@（2）性質(zhì)估算一般地，用鍵或基團(tuán)貢獻(xiàn)法來估算純組分的常數(shù)和參數(shù)時(shí)，要利用設(shè)計(jì)者提供的化學(xué)組分的分子結(jié)構(gòu)，例如，如下所示，三氟丙烯：這里，除氫以外的所有原子被編上號(hào)，與每一個(gè)碳原子和相鄰的編號(hào)原子結(jié)合的鍵可指定如下：2010-03zhumingqiao@原子1原子2鍵型編號(hào)類型編號(hào)類型1C2C雙鍵2C3C單鍵3C4C單鍵3C5F單鍵3C6F單鍵

可以估算三氟丙烯與其他化學(xué)組分形成的溶液中的活度系數(shù)，用于其相平衡的計(jì)算。

2010-03zhumingqiao@對(duì)于某個(gè)特定的性質(zhì)，可使用下面的一種進(jìn)行計(jì)算：和（3）聚合物性質(zhì)估算式中ni是聚合物“重復(fù)單元”中i基團(tuán)的數(shù)目，N是在“重復(fù)單元”中的基團(tuán)類型數(shù)，Ai是與基團(tuán)i有關(guān)的貢獻(xiàn)值，Bi是基團(tuán)i的分子質(zhì)量，d是每種被估算性質(zhì)的指數(shù)

2010-03zhumingqiao@（3）聚合物性質(zhì)估算例2.1用下面的基團(tuán)貢獻(xiàn)值(VanKrevelen，1990)估算“重復(fù)單元”為—(CH2-CHCl)—的聚氯乙烯的玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg?；鶊F(tuán)AiBi—CH2—270014—CHCl—2000048.5解：這與實(shí)驗(yàn)室值365K(VanKrevelen，1972，114頁)相比較，吻合得非常好。提醒：當(dāng)使用性質(zhì)估算法時(shí)，特別是基團(tuán)-和鍵-貢獻(xiàn)法時(shí)，必須注意避免和實(shí)驗(yàn)值有較大的偏差，特別是當(dāng)分子、溫度和壓力與所用估算方法的參數(shù)的條件有重大差異時(shí)。2010-03zhumingqiao@（4）微觀模擬兩種比基團(tuán)-鍵-貢獻(xiàn)法更基礎(chǔ)更本質(zhì)的方法被越來越多地用來改進(jìn)熱物理和傳遞性質(zhì)的估算。這涉及到相互作用分子的小聚集群（典型地100~1000）的分子動(dòng)力學(xué)和Monte-Carlo模擬，通常稱之為微觀模擬。Monte-Carlo模擬2010-03zhumingqiao@（4）微觀模擬在Monte-Carlo模擬中，通過按要求的概率分布隨機(jī)移動(dòng)分子，使分子系統(tǒng)的能量達(dá)到最小。在每一次移動(dòng)后，計(jì)算每一個(gè)分子的能量。當(dāng)總能量減少時(shí)，這次移動(dòng)被接受，分子重新分配。繼續(xù)移動(dòng)，直到達(dá)到平衡。至于分子動(dòng)力學(xué)模擬，則提供勢(shì)函數(shù)。在收斂后，通過取平均值計(jì)算平衡狀態(tài)下的熱物理性質(zhì)。Monte-Carlo法，對(duì)計(jì)算熱物理性質(zhì)，包括相平衡特別有效，Rowley（1994）對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建立在精確的性質(zhì)估算方法上的。當(dāng)估算方法足夠精確時(shí)，調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)中的原子和基團(tuán)，使性質(zhì)計(jì)算值與指定值之間的差值的平方和最?。哼@里是由設(shè)計(jì)者指定的一系列目標(biāo)性質(zhì)p中的j性質(zhì)。這一最小化過程通常在規(guī)定邊界的約束下完成；例如：和2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)這里ni是分子j中的i類基團(tuán)數(shù)，N是分子j中的分子基團(tuán)的類型數(shù)。還有一點(diǎn)是需要明確的，即當(dāng)一個(gè)新的分子基團(tuán)被添加到一個(gè)分子上時(shí)，該分子可得到的自由鍵的附加數(shù)為零，而當(dāng)將重復(fù)單元加到聚合物分子上時(shí)，自由附加數(shù)為2。

這可以通過計(jì)算自由附加數(shù)來檢驗(yàn)：這里vi個(gè)是與分子基團(tuán)I相關(guān)的化合價(jià)，或自由鍵數(shù)。

2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)-制冷劑設(shè)計(jì)（1）制冷劑設(shè)計(jì)令人滿意的致冷劑具有以下特點(diǎn)：1）蒸發(fā)潛熱很大，當(dāng)移除一定的熱負(fù)荷時(shí)可降低其流量；2）低粘度，減少循環(huán)動(dòng)力；3）低凝固點(diǎn)，降低凝固的可能性。他的工作導(dǎo)致了人們對(duì)許多含C、Cl、F原子被稱之為氟利昂的致冷劑的開發(fā)。下面考慮設(shè)計(jì)一種新的致冷劑產(chǎn)品的問題。指定一定的溫度，在這個(gè)溫度下用蒸發(fā)器吸收熱量并從致冷劑的冷凝器中放出熱量。從選擇k個(gè)基團(tuán)開始，每一個(gè)基團(tuán)可在候選的致冷劑中出現(xiàn)n次直到nmax次，各種不同分子設(shè)計(jì)的數(shù)目為：式中C｛k，n｝是被同時(shí)取了n次的k基團(tuán)的結(jié)合數(shù)（JobackandStephanopoulos，1989）。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)-制冷劑設(shè)計(jì)例2.2希望設(shè)計(jì)一種制冷劑，能在低至30oF(-1.1oC)的溫度下吸熱，并在高達(dá)110oF(43.3oC)的溫度下放熱。對(duì)于本設(shè)計(jì)，考慮13種分子基團(tuán)：CH3，CH2，CH，C，OH，O，NH2，NH，N，SH，S，F(xiàn)和Cl。當(dāng)這些基團(tuán)結(jié)合時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免往往會(huì)聚合的具有雙鍵和三鍵的化合物。含氟和鹵素的化合物也應(yīng)當(dāng)避免，因?yàn)樗鼈兺幸妆ㄐ?。要求的制冷劑?yīng)當(dāng)具有如下特性：（1）蒸汽壓ps{-1.11oC}>1.4bar，以保證若發(fā)生泄漏是從冷凍系統(tǒng)向外泄漏（而不是真空操作，空氣和水蒸氣能向系統(tǒng)內(nèi)滲透）；（2）ps{43.3oC}<14bar，以保持壓縮比不超過10；（3）蒸發(fā)焓△HV{-1.1oC}>18.4kJ/mol，以減少制冷劑的需要量（這里18.4kJ/mol是1987年禁用的氟利昂12的蒸發(fā)潛熱）；（4）液體熱容值，cpl{21.1oC}<32.2cal/(mol.k)，從而減少通過閥閃蒸的制冷劑的量（這里32.2cal/(mol.k)是氟利昂12液體的熱熔值）。注意21.1oC是極端溫度的平均值。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)-制冷劑設(shè)計(jì)解：采用Duvedi和Achenie（1996）的估算方法。（1）常壓沸點(diǎn)和臨界性質(zhì)（Joback和Reid，1987）。式中的溫度和壓力的單位是K和bar，nA是分子中的原子總數(shù)。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)-制冷劑設(shè)計(jì)（2）蒸汽壓—Riedded-Plank-Miller方法（Reid等，1977）。（3）液體熱容—Chueh和Swanson方法（Reid等，1987）。式中Tr和pr是對(duì)比溫度和對(duì)比壓力。這里cpl的單位是cal/(mol.k)2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)-制冷劑設(shè)計(jì)（4）汽化潛熱。在其他的溫度下（Reid等，1987）：式中蒸發(fā)潛熱的單位是kJ/mol，M是相對(duì)分子質(zhì)量。2010-03zhumingqiao@取自Joback和Reid,(1987),用于上述方程的基因貢獻(xiàn)值如下:基團(tuán)化合價(jià)TcpcVcTbnicplM—CH310.0141-0.00126523.58436.815.04—CH2—20.018905622.88330.414.03—CH=30.01640.0024121.7422113.02=C=40.00670.00432718.2517.3612.01—OH10.07410.01122892.88244.817.01—O—20.01680.00151822.4213516—NH210.02430.01093873.23358.616.03—NH—20.02950.00773550.17243.915.02—N=30.01690.0074911.7413114.01—SH20.01190.00495468.7813332.07—S—10.00310.00846363.56244.833.08—F10.0111-0.005727-0.0311719—Cl10.0105-0.00495838.1313635.452010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)-制冷劑設(shè)計(jì)利用各種目標(biāo)函數(shù)的混合-整數(shù)非線性規(guī)劃，Duvedi和Achenie（1996）發(fā)現(xiàn)三種滿足給定的限制條件的化合物，它們是：△HV，kJ/molcpl，cal/(mol.k)ps，barps，bar化合物-1.1oC21.1oC-1.1oC43.3oCCCl2F218.7627.12.9410.67CF3OH19.7722.62.6913.57CH3Cl20.3717.42.398.27報(bào)告的△HV為最低溫度下的值，即在制冷器內(nèi)發(fā)生蒸發(fā)的溫度，而報(bào)告的cpl是在平均溫度的值注意這些值與Duvedi和Achenie（1996）報(bào)告的值之間的差異是由于早期提出的估算Tb和SVb的方法的簡(jiǎn)化造成的。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)-制冷劑設(shè)計(jì)因?yàn)镃H3Cl含氟，它會(huì)消耗地球大氣中的臭氧，例題2.3用臭氧消耗勢(shì)的方法重復(fù)進(jìn)行這一探索。例2.3使用臭氧消耗耗勢(shì)（ODP）重新設(shè)計(jì)致冷劑分子，對(duì)一個(gè)碳原子的分子，ODP定義為：而對(duì)兩個(gè)碳原子的分子通過ODP的最小化重復(fù)例題2.3的搜索。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)-制冷劑設(shè)計(jì)解：利用具有各種目標(biāo)函數(shù)的混合-整數(shù)非線性規(guī)劃，DuvediandAchenie(1996)發(fā)現(xiàn)了兩種滿足給定限制條件的化合物。這些物質(zhì)是：化合物-1.121.1-1.143.3ODPSF218.316.03.974.800CH3CHF220.621.92.087.910注意，SF2的蒸發(fā)潛熱由給定近似估算方法計(jì)算的值,接近可接受的值18.4。還有，分子中不含氮，因此ODP值為零。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)-溶劑設(shè)計(jì)（2）溶劑設(shè)計(jì)有機(jī)溶劑在化學(xué)品加工過程中以及將化學(xué)品提供給消費(fèi)者的許多方面都起著關(guān)鍵的作用。在化學(xué)品加工過程中，溶劑常常被用來：1）使固體流動(dòng)，常常是溶解它們；2）清潔設(shè)備，如在去除油脂和塵垢的過程中；3）清潔衣物，如在干洗中?；瘜W(xué)品公司面臨的挑戰(zhàn)日益增大，人們要求減少這些作為溶劑的物質(zhì)的用量，目前，人們正在對(duì)大量的溶液進(jìn)行探索，包括轉(zhuǎn)向這樣幾個(gè)方面：1）如果可能，使用水溶液；2）使用更濃的涂料，使其含有較少的溶劑；3）熱-熔融，紫外線加工處理和水溶體粘接。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)溶劑設(shè)計(jì)對(duì)每一種新的專用溶劑的搜尋都可視為一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題。例如：（1）設(shè)計(jì)一種新的溶劑，作為1，1，1-三氯乙烷的替代品，在平板印刷工業(yè)中用于清潔表面，（Sinha等，1999）；（2）選擇一種溶劑，在液-液萃取過程中從混合物中移除溶質(zhì)（Pretel等，1994年；Grani等，1991年）。選定了對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的基本要求后，一批候選的分子基團(tuán)和目標(biāo)性質(zhì)的值也是一同選定。然后，用基團(tuán)貢獻(xiàn)法確定其性質(zhì)估計(jì)值最接近目標(biāo)性質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。性質(zhì)估算：對(duì)于溶劑設(shè)計(jì)，除了常壓沸點(diǎn)、液體密度、汽化潛熱、溶解度和相關(guān)性質(zhì)以外，健康和安全特性也必須進(jìn)行估算?；鶊F(tuán)貢獻(xiàn)值2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-性質(zhì)估算關(guān)于這些性質(zhì)的估算方法在下面闡述:溶解度和相關(guān)的量度 對(duì)于清潔表面、使用涂覆樹脂和溶脹處理高彈體這些應(yīng)用方面的溶劑設(shè)計(jì)，Hansen溶解度參數(shù)：為溶劑性能提供了有用的尺度。如方程（2.11）所定義的，這個(gè)參數(shù)由三個(gè)溶解度參數(shù)構(gòu)成：（1）δD，考慮非極性（色散）相互作用；（2）δP，考慮極性相互作用；（3）δH，考慮氫鍵相互作用。這三個(gè)參數(shù)的貢獻(xiàn)值可用基團(tuán)貢獻(xiàn)法估算：2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-性質(zhì)估算這里ni是在溶劑分子中i類基團(tuán)的個(gè)數(shù)，N是溶劑分子中的基團(tuán)的類型數(shù)，F(xiàn)Di、FPi、UHi和Vi是與基團(tuán)i相關(guān)的集團(tuán)貢獻(xiàn)值。

2010-03zhumingqiao@對(duì)于其他應(yīng)用，如為從混合物中提取溶質(zhì)的液-液萃取操作選擇溶劑時(shí)，根據(jù)溶質(zhì)-溶劑相對(duì)的液相活度系數(shù)確定溶解度和相關(guān)度量。通常的，為進(jìn)行篩選，用基團(tuán)貢獻(xiàn)法估算在無限稀釋條件下的液相活度系數(shù)就足夠了。、、是與溶質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。注意，不等式（2.15）的左邊是溶質(zhì)和溶劑分子量的距離，是溶質(zhì)-溶劑相互作用的度量。2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-性質(zhì)估算給定這三個(gè)溶解度參數(shù)的估算值后，當(dāng)一種溶劑滿足下式時(shí)，它能溶解某種溶質(zhì)：這里R*，表示相互作用半徑，如Hasen（1969）所定義的，2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-性質(zhì)估算當(dāng)考慮選擇從組分B中萃取溶質(zhì)A的溶劑S時(shí)，Pretel和他的合作者們（1994）用UNIFAC基團(tuán)貢獻(xiàn)法得到了溶劑的四個(gè)性質(zhì)參數(shù)的估計(jì)值：這里x是質(zhì)量分率。顯然，所需的溶劑應(yīng)該具有高的選擇性、大的溶解推動(dòng)力、高分配系數(shù)和低的溶劑損失。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-性質(zhì)估算健康和安全度量有幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)定義的性質(zhì)，對(duì)于將溶劑的選擇范圍限制在那些對(duì)健康的安全的影響都較低的溶劑方面是很有用的。下面給出這些性質(zhì)。生物濃度因子這一因子與溶劑的積累和損害生物細(xì)胞組織的可能性有關(guān)，Veith和Konasewish（1975）對(duì)其關(guān)聯(lián)如下：

這里Kow是辛醇一水分配系數(shù)，可表達(dá)為：

式中和分別為基團(tuán)i的片段和因子，如Hansch和Leo（1979）所列的表。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-性質(zhì)估算毒性量度一個(gè)非常有用的毒性量度，溶劑的致死濃度LC50，已由Konemann（1981）關(guān)聯(lián)如下：閃點(diǎn)閃電溫度是在空氣中蒸氣混合物爆炸可能性的度量。對(duì)于烷烴、芳烴和環(huán)烷烴，該值已關(guān)聯(lián)成常壓沸點(diǎn)的函數(shù)（Butler等，1956年；Lyman等，1981年）：這里的溫度為絕對(duì)溫度K。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-性質(zhì)估算例2.4

在平版印刷過程中，油墨通過一排稱之為“墊”的橡膠輸送到印刷板上。這些墊必須定期的清洗，因?yàn)樗鼈兊那鍧嵍葘?duì)于高質(zhì)量圖像的生產(chǎn)是至關(guān)重要的。希望能用一種環(huán)境友好的溶劑來替代現(xiàn)在使用的溶劑1，1，1-三氯乙烷，這種溶劑要具有能快速溶解干掉的油墨的能力同時(shí)又能短時(shí)間干燥；即，蒸發(fā)潛熱小，因而干燥時(shí)間短和蒸發(fā)消耗成本低。此外，溶劑引起墊的溶脹可忽視，并且該溶劑應(yīng)是不可燃燒的。這些是所希望的產(chǎn)品的質(zhì)量技術(shù)要求。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-性質(zhì)估算解：這個(gè)解是基于Sinha和其他合作者（1999）所提出的方案。選定了一組12個(gè)分子基團(tuán)，以此為基礎(chǔ)探索溶劑分子的結(jié)構(gòu)。 這些基團(tuán)是：CH3－，－CH2－，Ar－（C6H5－），Ar=（C6H4=），－OH，CH3CO－，－CH2CO－，－COOH，CH3COO－，－CH2COO－，－CH3O和－CH2O－。注意，為避免臭氧損耗問題，氯被排除在外。接著，提供了技術(shù)要求，以確定所要設(shè)計(jì)的溶劑分子的期望性質(zhì)。油墨殘留物假定有酚類樹脂，SuperBakacite1001組成，估算得到它的下列參數(shù)：2010-03zhumingqiao@對(duì)通常為異戊二烯橡膠的平板印刷墊，當(dāng)時(shí)，可避免溶脹。另外，當(dāng)時(shí)，生物濃度因子是足夠低的，而致死濃度是足夠高的。最后，為保證溶劑在環(huán)境壓力下是液體，要求：Tb>323K和Tm<223K，這里Tm是熔點(diǎn)溫度。注意，因?yàn)閷?duì)298K時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)潛熱△HV沒有設(shè)限，應(yīng)使其最小化，以縮短干燥時(shí)間和降低加熱公用工程的成本。

2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-性質(zhì)估算2010-03zhumingqiao@下面的集團(tuán)貢獻(xiàn)值從VanKrevelen和Hoftyzer（1976），Hasen和Beerbower（1971）以及Constantiou和Gani（1994）的文獻(xiàn)中取得。基團(tuán)化合價(jià)TbiTmiFDiFPiUmHViViCH3-10.88940.464420004.11626.140.891-CH2-20.92250.9246270004.6516.410.661Ar-(C6H5-)16.27377.54341430110033.04270.251.91Ar=(C6H4=)26.27377.54341430110033.04270.251.671-OH13.21523.5979210500-1950024.5295.51-1.641CH3CO-13.5664.8776210800-200018.9936.55-0.442-CH2CO-23.89675.6622560800-200020.4128.16-0.672-COOH15.833711.563409450-1150043.05622.32-1.111CH3COO-13.6364.0823806510-330022.70945-0.62-CH2COO-23.39533.5572609510-330017.75935.67-0.832-CH3O12.25362.9248520520-480010.91932.74-0.932-CH2O-21.62492.0695370370-48007.47823.11-1.1622.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-基團(tuán)貢獻(xiàn)值2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-基團(tuán)貢獻(xiàn)值為估算常壓沸點(diǎn)、熔點(diǎn)和298K時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)汽化潛熱，可利用下列各式：這里Tb0=204.2K，Tm0=102.4K，=6.829kJ/mol。2010-03zhumingqiao@2.3.3優(yōu)化確定分子結(jié)構(gòu)

溶劑設(shè)計(jì)-基團(tuán)貢獻(xiàn)值Sinha和合作者（1999）構(gòu)成了混合-整數(shù)非線性規(guī)劃，該程序通過最小化確定了三種滿足給定約束條件的化合物。它們是：化合物甲乙酮35.5354.9193.29.661.59二乙酮40.1385.7206.68.212.37乙烯醇單甲醚47.6387.4200.211.5-0.652010-03zhumingqiao@2.3.4小結(jié)本部分集中講述了搜尋某些分子的方法，這些分子要滿足設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為新化學(xué)產(chǎn)品提出的熱物理和傳遞性質(zhì)的技術(shù)要求。重點(diǎn)是用于物性估算的基團(tuán)貢獻(xiàn)法。關(guān)于分子模擬方法，該法正在獲得人們的青睞，這里僅作簡(jiǎn)單的介紹，但沒有應(yīng)用于所舉例的例題中。在聚合物重覆單元、致冷劑、去除印刷油墨的溶劑等這些設(shè)計(jì)例子中，都使用了優(yōu)化的方法來找出最佳的分子結(jié)構(gòu)。2010-03zhumingqiao@2.4化工過程開發(fā)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法為安排和組織實(shí)驗(yàn)的方法，有了正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，才能以較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，較短的時(shí)間，獲得較多和較精確的信息，多快好省地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)應(yīng)包括三個(gè)方面：實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)首先要明確實(shí)驗(yàn)的目的，確定要考察的因素以及它們的變動(dòng)范圍，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹贫ǔ龊侠淼膶?shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)的實(shí)施按照設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得必要的數(shù)據(jù)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定所考察的因素中哪些是主要的，從而確定出最好生產(chǎn)條件，即最優(yōu)方案。這一過程稱為實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化，簡(jiǎn)稱優(yōu)選法。2010-03zhumingqiao@常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有多種，從處理的因素角度出發(fā)，可將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為單因素實(shí)驗(yàn)法和多因素組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩類。單因素實(shí)驗(yàn)中，每次只變動(dòng)一個(gè)因素，而將其他因素暫時(shí)只固定在某一適當(dāng)水平上，待找到了第一個(gè)因素的最優(yōu)水平后，再依次考察其他因素。該方法的主要缺點(diǎn)是當(dāng)因素之間存在交互作用時(shí)，實(shí)驗(yàn)工作量大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性差；且第一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的選擇比較重要，選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致最優(yōu)條件得不到。多因素組合實(shí)驗(yàn)法，是將多個(gè)需要考察的因素，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法組合在一起同時(shí)實(shí)驗(yàn)，而不是一次只變動(dòng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，因而有利于揭示各因素間的交互作用，可以迅速找到最優(yōu)條件。2.4化工過程開發(fā)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理2010-03zhumingqiao@2.4化工過程開發(fā)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理2.4.1單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)選2.4.2多因素實(shí)驗(yàn)中的正交設(shè)計(jì)法

正交法

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的直觀分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析

用計(jì)算機(jī)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及統(tǒng)計(jì)分析2010-03zhumingqiao@2.4.1單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)選在單因素實(shí)驗(yàn)中，只考慮對(duì)指標(biāo)影響最大的因素，其余因素不變，具體步驟為：①確定評(píng)定結(jié)果好壞的方法和影響指標(biāo)的主要因素，用數(shù)學(xué)語言抽象地說，就是建立以x為影響因素的指標(biāo)函數(shù)F(x)；②估計(jì)包含最優(yōu)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)范圍，即x的取值范圍為a<x<b或a≤x≤b；③進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；④實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析；⑤進(jìn)行下一輪實(shí)驗(yàn)，再分析結(jié)果，如此循環(huán)，直至滿意；⑥如經(jīng)3~5次實(shí)驗(yàn)，指標(biāo)改變不大，則所選擇的為非主要因素,不必繼續(xù)對(duì)該因素進(jìn)行研究。2010-03zhumingqiao@2.4.1單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)選單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)選有多種方法，對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該使用哪一種方法與實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的函數(shù)形式、實(shí)驗(yàn)的成本費(fèi)用有關(guān).根據(jù)化工過程設(shè)計(jì)與開發(fā)的特點(diǎn)，本節(jié)著重介紹平分法、黃金分割法及分?jǐn)?shù)法。2010-03zhumingqiao@2.4.1單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)選-平分法（1）平分法平分法也稱對(duì)分法、等分法，是一種有廣泛應(yīng)用的方法。使用平分法的基本要求是在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)：①指標(biāo)函數(shù)F(x)是單調(diào)的；②每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可決定下一次的實(shí)驗(yàn)方向。假設(shè)實(shí)驗(yàn)區(qū)間為(a,b)，則第一次實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為(a+b)/2，根據(jù)這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)者判斷下一次實(shí)驗(yàn)區(qū)間，刪除整個(gè)