化工設(shè)計化工過程分析

化工設(shè)計化工過程分析第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析第一節(jié)化工過程工業(yè)原材料經(jīng)系列化學(xué)和物理變化與處理，形成目的產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程?；み^程：化學(xué)反應(yīng)過程和單元操作過程連續(xù)、間歇；簡單、復(fù)雜。原材料的純度、副反應(yīng)、轉(zhuǎn)化率等會不同程度地產(chǎn)生廢物，并對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析1.

化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)的類型：鹵化、磺化、硝化、氧化、氫化、還原、水解、烷基化、胺化和聚合等。

第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析2、單元操作過程（1）流體流動過程

以動量傳遞為主要理論基礎(chǔ)的單元操作，如流體輸送、沉降、過濾、混合等。（2）傳熱過程

以改變物質(zhì)熱物理狀態(tài)為主要理論基礎(chǔ)的單元操作，如冷卻、加熱、蒸發(fā)等。（3）傳質(zhì)分離過程

以質(zhì)量傳遞為主要理論基礎(chǔ)的單元操作，如蒸餾、吸收、萃取、干燥等。第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析第二節(jié)化工過程結(jié)構(gòu)分析1、化工過程的結(jié)構(gòu)2、化工過程的分層次設(shè)計

1）以乙醇生產(chǎn)乙酸2）合成氨第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五1）以乙醇為原料生產(chǎn)乙酸反應(yīng)分兩步進(jìn)行：第一步反應(yīng):C2H5OH+O2→CH3CHO+H2O+173.1kJ/mol……①反應(yīng)條件：氣固相放熱反應(yīng)；反應(yīng)溫度：560～580℃；催化劑為銀，網(wǎng)狀或不規(guī)則狀；原料中雜質(zhì)對催化劑的影響；反應(yīng)平衡在反應(yīng)溫度區(qū)間為93%；反應(yīng)過程中有副反應(yīng)發(fā)生。第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析根據(jù)以上數(shù)據(jù),我們要考慮:（1）原料乙醇需要從常溫加熱到反應(yīng)所需的溫度;（2）如何解決氧氣的供應(yīng)與配比問題；（3）如何控制副反應(yīng)的發(fā)生；（4）反應(yīng)后產(chǎn)物：乙醇、乙醛、水、副產(chǎn)物等如何分離？第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析形成第一步反應(yīng)的工藝過程酒精配料汽化氧化反應(yīng)冷卻吸收濃縮乙醛+水+酒精酒精+水+空氣乙醛+水+酒精+催化劑濃乙醛酒精+水水分離酒精水第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析第二步反應(yīng):CH3CHO+O2→CH3COOH……②反應(yīng)條件：放熱反應(yīng)；催化劑為醋酸錳；反應(yīng)溫度：60～80℃；反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與氧氣的供應(yīng)有關(guān)；原料中雜質(zhì)會生產(chǎn)副產(chǎn)物。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，我們要考慮：（1）反應(yīng)體系：氣相\液相？（2）反應(yīng)壓力？（3）反應(yīng)物濃度配比？醛/氧配比；（4）反應(yīng)溫度的控制？反應(yīng)熱的移出？（5）副反應(yīng)產(chǎn)物的處理？醋酸錳第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析醋酸氧化反應(yīng)分離蒸發(fā)濃乙醛醋酸+副產(chǎn)物+催化劑催化劑醋酸+催化劑催化劑低沸副產(chǎn)物形成第二步反應(yīng)的工藝過程第十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析.2）以煤或重油為原料生產(chǎn)合成氨

CmHn+mH2O→mCO+（1/2+m）H2 ……①C+H2O→CO+H2 ……②CO+H2O→H2+CO2 ……③3H2+N2→2NH3 ……④

第①,②步為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度:450～700℃。第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析根據(jù)以上反應(yīng)條件,考慮:（1）熱源從何處來？

2C+O2→2CO+熱量

C+O2→CO2+熱量

2CO+O2→2CO2+熱量

CO2+C→2CO-熱量

C+2H2O→CO2+2H2-熱量

C+H2O→CO+H2-熱量（2）采用什么型式的反應(yīng)器?（3）放熱反應(yīng)與吸熱反應(yīng)如何交替進(jìn)行？（4）如何控制反應(yīng)物的配比?第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析煤或重質(zhì)油氣化CO+H2+硫化物+灰塵除塵脫硫CO+H2形成第一步工藝流程第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析第④步反應(yīng)才是最終反應(yīng)，合成原料是氫氣和氮氣。必須將第①，②步生成的CO轉(zhuǎn)化為有用的H2，這樣就有了第③步反應(yīng)。CO+H2O→H2+CO2+熱量…………③反應(yīng)條件：可逆反應(yīng)，低溫有利于正向反應(yīng)，但低溫的反應(yīng)速率較低。加入催化劑，提高反應(yīng)速率。等分子反應(yīng)，故反應(yīng)系統(tǒng)采用常壓。反應(yīng)溫度與變換率、催化劑性質(zhì)有關(guān)，取450～550℃←第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析變換根據(jù)這些條件，形成第三步的工藝流程CO+H2水蒸氣預(yù)熱CO2+H2+CO+雜質(zhì)水洗（清除CO2）銅洗+堿洗（清除CO、雜質(zhì)）N2+H2第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析最后一步反應(yīng)：3H2+N2→2NH3+熱量…………④反應(yīng)條件：可逆反應(yīng)，放熱反應(yīng)，體積縮小的反應(yīng)。根據(jù)反應(yīng)條件，應(yīng)在低溫下進(jìn)行。但低溫下氨的合成反應(yīng)極慢，必須提高反應(yīng)溫度，同時增加催化劑。一般反應(yīng)溫度控制在450～550℃之間。體積縮小的反應(yīng)，需要加壓可以使反應(yīng)向右方進(jìn)行。選擇10～15Mpa。即使在如此苛刻的反應(yīng)條件，合成轉(zhuǎn)化率僅為25～

27%。反應(yīng)產(chǎn)物：H2、N2、NH3。要對產(chǎn)物氨進(jìn)行分離，氫氮氣循環(huán)回合成系統(tǒng)?！谑摚踩?，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析新鮮N2+H2壓縮預(yù)熱合成氨冷氨分合成氨成品循環(huán)N2+H2形成第四步的工藝流程第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析在化工生產(chǎn)過程中，原料一般都不能一步全部轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，需通過一系列獨立的操作步驟：反應(yīng)、分離、混合、加熱、冷卻、加壓、減壓等，并通過操作步驟的組合和優(yōu)化，提高原材的利用率，獲得更多的產(chǎn)品。表示這些操作步驟的圖形就稱為加工流程圖?；瘜W(xué)反應(yīng)混合分離原料產(chǎn)品未反應(yīng)原料循環(huán)預(yù)處理副產(chǎn)品或雜質(zhì)能量的輸入/輸出第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析化工工藝流程的模型第一步反應(yīng)分離原料中間半成品預(yù)處理中間緩沖罐中間緩沖罐第一工藝過程……第n步反應(yīng)分離成品預(yù)處理第n工藝過程第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析2、化工過程的分層次設(shè)計化工過程的組織和設(shè)計采用分層次設(shè)計方法。（1）核心層：化學(xué)反應(yīng)過程。化學(xué)反應(yīng)是物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的唯一途徑，也是組織工藝過程的基本出發(fā)點，是化工過程的核心。（2）第二層：分離操作系統(tǒng)。原料需要通過分離單元操作使之純化后進(jìn)行反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的混合物也需要依據(jù)組分之間的物性差別進(jìn)行分離。第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析（3）第三層：能量的輸入/輸出。反應(yīng)系統(tǒng)和分離系統(tǒng)的物質(zhì)流動引起了系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)質(zhì)量的變化，同時也伴隨有系統(tǒng)能量的變化，化學(xué)反應(yīng)熱的輸入和輸出、分離過程的能量輸入和輸出則需要在第三個層次的設(shè)計中獲得解決。（4）第四層：過程的信息處理?，F(xiàn)代化工生產(chǎn)中都離不開對相關(guān)物流和設(shè)備的各種信息的測量、記錄、顯示和控制，各個單元設(shè)備的物位（液位、溫度、壓力等）和流率的測量、記錄、顯示，并根據(jù)工藝要求對上述工藝參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析化工過程設(shè)計步驟1.核心層，從反應(yīng)器設(shè)計開始反應(yīng)器進(jìn)料蒸汽冷卻水進(jìn)料+產(chǎn)品+副產(chǎn)品反應(yīng)器將原料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品和副產(chǎn)品第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析第二層用分離系統(tǒng)來分離產(chǎn)品和循環(huán)利用未反應(yīng)的原料反應(yīng)器進(jìn)料蒸汽冷卻水進(jìn)料+產(chǎn)品+副產(chǎn)品冷卻水冷卻水蒸汽蒸汽循環(huán)進(jìn)料產(chǎn)品+副產(chǎn)品產(chǎn)品副產(chǎn)品第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析采用不同的分離順序會改變工藝過程反應(yīng)器進(jìn)料蒸汽冷卻水進(jìn)料+產(chǎn)品+副產(chǎn)品冷卻水冷卻水蒸汽蒸汽循環(huán)進(jìn)料副產(chǎn)品產(chǎn)品第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析第三層次增加了熱集成的工藝過程（1）反應(yīng)器進(jìn)料蒸汽冷卻水冷卻水冷卻水蒸汽蒸汽循環(huán)進(jìn)料副產(chǎn)品產(chǎn)品第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析增加了熱集成的工藝過程（2）反應(yīng)器進(jìn)料蒸汽冷卻水冷卻水冷卻水蒸汽蒸汽循環(huán)進(jìn)料副產(chǎn)品產(chǎn)品第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析第三節(jié)間歇/半連續(xù)過程間歇過程/半連續(xù)過程是化學(xué)過程中一個重要的部分，在輕工食品、生物醫(yī)藥、精細(xì)化學(xué)品等領(lǐng)域占據(jù)50-80%份額。間歇過程又稱分批過程，指多個操作步驟在同一個位置（或稱同一設(shè)備）而在不同的時點進(jìn)行，原料按規(guī)定的加工順序和操作條件在一個設(shè)備中進(jìn)行加工，達(dá)到操作終點排放出成品，完成一個操作循環(huán)。間歇過程可以有并聯(lián)操作，也可以有串聯(lián)操作。進(jìn)料催化劑加熱產(chǎn)物1產(chǎn)物2進(jìn)料反應(yīng)器分離器第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析1.間歇/半連續(xù)過程的特征(1)非穩(wěn)定性間歇過程具有明顯的非線性特征，操作參數(shù)隨時間不斷變化。(2)周期性間歇設(shè)備的基本操作過程包括進(jìn)料、加工、等待、排放、清洗，等待下一批進(jìn)料，構(gòu)成了一個操作循環(huán)。生產(chǎn)按照一定周期反復(fù)進(jìn)行。(3)多樣性間歇過程的一套生產(chǎn)設(shè)備可以生產(chǎn)多種產(chǎn)品，或產(chǎn)品的批量可以少到數(shù)千克，也可大到數(shù)噸。其操作的控制范圍很大，要求具有較大的操作彈性。第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析2.間歇過程與連續(xù)過程的區(qū)別(1)間歇過程與連續(xù)過程的時空轉(zhuǎn)換連續(xù)過程在同一時間將一系列工藝操作放在不同的設(shè)備中進(jìn)行，每一個設(shè)備（空間）僅完成其中的一個操作，將所有的操作連接起來形成完整的生產(chǎn)過程。所以連續(xù)過程是同一時段里空間的累積。

進(jìn)料加熱反應(yīng)分離產(chǎn)物加熱t(yī)v反應(yīng)分離連續(xù)過程甘特表第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析間歇過程則是在一個設(shè)備（空間）中順序地完成一系列工藝操作，從時間上考察是一個連續(xù)過程。所以間歇過程是在一個空間中時間的累積。

加熱反應(yīng)分離進(jìn)料

產(chǎn)物tv加熱反應(yīng)分離間歇過程甘特表第三十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析(2)連續(xù)過程的操作處于穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)態(tài)附近狀態(tài)，可以保持操作處于最優(yōu)狀態(tài)，能夠獲得最大的生產(chǎn)效率。間歇過程操作始終處于不斷變化的動態(tài)過程，為應(yīng)對多產(chǎn)品目標(biāo)，間歇設(shè)備大都采用彈性設(shè)計，兼容性大，但不能保證每種產(chǎn)品的生產(chǎn)操作都處于最優(yōu)狀態(tài)。(3)間歇過程具有周期性。生產(chǎn)按照一定的順序反復(fù)進(jìn)行，形成一個循環(huán)。

第三十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第二章化工過程分析3.間歇/半連續(xù)過程的設(shè)