化工工藝流程設(shè)計課件

化工工藝流程設(shè)計化工工藝流程設(shè)計工藝流程設(shè)計的原則和任務(wù)化工過程合成方法反應(yīng)過程的設(shè)計分離過程的設(shè)計換熱過程的設(shè)計工藝流程設(shè)計的原則化工工藝技術(shù)路線：原料加工成為產(chǎn)品的方法，包括生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)方法、工藝設(shè)備和技術(shù)方案。選擇的原則可靠性流程是否通暢、生產(chǎn)是否安全、工藝是否穩(wěn)定、消耗定額、生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量和三廢排放是否達(dá)到預(yù)定指標(biāo)適用性：和具體環(huán)境、資源和技術(shù)的接收能力相適應(yīng)技術(shù)的合理性技術(shù)的生命周期：投入期、成長期、成熟期和衰退期所選技術(shù)應(yīng)處于成長期經(jīng)濟性工藝流程設(shè)計的任務(wù)確定整個流程的組成確定各個生產(chǎn)過程或工序的具體任務(wù)確定每個生產(chǎn)過程選用的設(shè)備及設(shè)備操作條件確定控制方案及選用適合的控制儀表確定三廢治理和綜合利用的方案確定安全生產(chǎn)措施化工過程合成方法化工企業(yè)三個子系統(tǒng)化學(xué)裝置(ChemicalPlant)換熱器網(wǎng)絡(luò)(HeatExchangerNetwork)公用工程(UtilitySystem)

節(jié)能的關(guān)鍵在于提高各個子系統(tǒng)用能的合理性和各子系統(tǒng)間能量匹配的合理性。

化學(xué)

裝置換熱

網(wǎng)絡(luò)公用

工程過程開發(fā)的三個層次過程合成（ProcessSynthesis）

過程集成（ProcessIntegration）

全局過程集成（TotalSiteIntegration）

過程集成全局過程集成化學(xué)

裝置換熱

網(wǎng)絡(luò)公用

工程過程合成化工過程合成方法反應(yīng)過程的設(shè)計分離過程的設(shè)計換熱過程的設(shè)計反應(yīng)過程的設(shè)計反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計是以正確認(rèn)識所研究的特定反應(yīng)體系的主要特征為基礎(chǔ)的化學(xué)計量學(xué)—研究反應(yīng)過程中存在哪些反應(yīng)以及各組分反應(yīng)量之間的關(guān)系；化學(xué)熱力學(xué)—研究反應(yīng)過程中的能量轉(zhuǎn)化和反應(yīng)體系的平衡性質(zhì)；化學(xué)動力學(xué)—研究反應(yīng)物系的組成、溫度等因素對反應(yīng)速率的影響。對于催化反應(yīng)過程尚需了解催化劑的物理和化學(xué)性能；為了系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化，尚需了解各個單元過程設(shè)計都需要的共性數(shù)據(jù)。反應(yīng)過程的設(shè)計首先確定過程性質(zhì)和輸入輸出條件過程性質(zhì)是指過程為連續(xù)或間歇輸入輸出條件：輸入條件指裝置進(jìn)口的原料是否需經(jīng)過預(yù)處理，輸出條件是指確定目的產(chǎn)品和流股數(shù)，由此確定反應(yīng)器進(jìn)口有無循環(huán)物料。反應(yīng)過程的設(shè)計－過程性質(zhì)過程性質(zhì)：連續(xù)或間歇產(chǎn)量大于4500噸/年的生產(chǎn)裝置常采用連續(xù)過程小于4500噸/年的生產(chǎn)裝置則采用間歇過程間歇過程簡單和操作彈性大，設(shè)計時可以采用較不詳細(xì)或精確度較低的數(shù)據(jù)，所需開發(fā)和設(shè)計周期較短。市場需求有些產(chǎn)品的需求有很強的季節(jié)性有些產(chǎn)品的生命周期很短應(yīng)設(shè)計成通用性較強的間歇操作裝置，用同一套裝置生產(chǎn)多種產(chǎn)品。操作上的特殊問題反應(yīng)速度極慢，以致間歇操作成為唯一可能的方案；當(dāng)過程中有少量泥漿狀物料時，若處理成連續(xù)過程，會由于流速過低固體析出而堵塞管道或設(shè)備；某些反應(yīng)過程非常容易結(jié)垢或結(jié)塊，需要頻繁地清理，這種情況宜采用間歇式反應(yīng)器。反應(yīng)過程的設(shè)計－輸入條件當(dāng)原料中含有必須處理的雜質(zhì)時，就要面臨這樣的選擇：把原料直接送入系統(tǒng)還是先進(jìn)行原料的預(yù)處理如果進(jìn)料雜質(zhì)對催化劑是一種毒物，應(yīng)先除去。如果雜質(zhì)是參與反應(yīng)的物質(zhì)，在一般情況下應(yīng)先除去，否則不僅消耗原材料，而且使產(chǎn)品組分?jǐn)?shù)增多，分離過程更為復(fù)雜。如果雜質(zhì)是不參與反應(yīng)的惰性物質(zhì)，則應(yīng)根據(jù)它與產(chǎn)品和原料分離的難易程度決定原料是否預(yù)先處理。如果雜質(zhì)大量存在，即使與產(chǎn)品的分離較與原料的分離容易，但由于影響反應(yīng)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、熱平衡和增加系統(tǒng)阻力等問題，還應(yīng)對各種影響作出粗略的估計后再作出決定。反應(yīng)過程的設(shè)計－輸出條件

出口物料包括所有反應(yīng)的每一個產(chǎn)物、未轉(zhuǎn)化的原料以及隨原料進(jìn)入系統(tǒng)的雜質(zhì)，反應(yīng)器出口組分可能有六個去向：主產(chǎn)品有價值的聯(lián)產(chǎn)品或副產(chǎn)品價值較低的燃料循環(huán)排空有害物質(zhì)去三廢處理對于同一個去向的不同組分，應(yīng)研究有無必要把它們分離，要堅決避免把各個組分先分離再合并的做法。例題：乙烯和苯生成乙基苯已知原料乙烯的組成為乙烯99.9％，乙烷0.1％；原料苯的組成為苯99.9％，甲苯0.1％。為了降低催化劑的失活速率和抑制副反應(yīng)，采用苯過量的方法。乙烯的轉(zhuǎn)化率為99％～100％。在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生下列反應(yīng)：乙烯＋苯 乙基苯乙基苯＋乙烯 二乙基苯二乙基苯＋苯 乙基苯二乙基苯＋乙烯 三乙基苯三乙基苯＋苯 乙基苯、二乙基苯。乙苯、二乙苯 甲苯、二甲苯、正丙苯、異丙苯、雜環(huán)化合物在各種副產(chǎn)物中，除雜環(huán)化合物在高溫下易聚合，其它副產(chǎn)物的生成反應(yīng)都為可逆反應(yīng)。例題：乙烯和苯生成乙基苯乙烯：數(shù)量很少，而且乙烯沸點很低，回收成本較大，因此作放空或排至燃料氣管網(wǎng)處理；乙烷：為由原料乙烯夾帶至系統(tǒng)的惰性氣，與乙烯情況相同，放空或排至燃料氣管網(wǎng)；乙基苯：主產(chǎn)品；二乙基苯：數(shù)量不少，又是一個有用的產(chǎn)品，可以將其作為副產(chǎn)品，但需和低于其沸點的丙苯和高于其沸點的丁苯、三乙苯，雜環(huán)化合物等組分分離，將增加較多投資和操作費用。因此除非市場有迫切需求，－般將其返回反應(yīng)器；苯、甲苯、丁苯、異丙苯、正丙苯：全部循環(huán)回反應(yīng)器，由于乙基苯的沸點介于這些副產(chǎn)品之間，因此這些回收的原科和副產(chǎn)品要分離成高于和低于乙基苯沸點的兩個循環(huán)物料流；三乙苯部分循環(huán)，部分隨雜環(huán)化合物排出作為低值產(chǎn)副品。雜環(huán)化合物：低值副產(chǎn)品。組分沸點K含量質(zhì)量％乙烯乙烷苯甲苯乙基苯二乙苯正丙苯異丙苯二乙基苯丁苯三乙基苯雜環(huán)化合物169.45184.55353.15383.75409.35412.25432.35425.55454.25456.45491.15537.150.030.0377.780.1617.240.030.520.282.990.380.100.05例題：乙烯和苯生成乙基苯組分沸點K含量質(zhì)量％乙烯乙烷苯甲苯乙基苯二乙苯正丙苯異丙苯二乙基苯丁苯三乙基苯雜環(huán)化合物169.45184.55353.15383.75409.35412.25432.35425.55454.25456.45491.15537.150.030.0377.780.1617.240.030.520.282.990.380.100.05放空或排至燃料氣管網(wǎng)循環(huán)主產(chǎn)品循環(huán)低值副產(chǎn)品反應(yīng)過程的設(shè)計－反應(yīng)器選型反應(yīng)器類型形狀：管式、釜式、塔式換熱方式：等溫、絕熱、非等溫非絕熱反應(yīng)物系的相態(tài)：均相、非均相（氣固、氣液、氣液固）不同型式的反應(yīng)器具有不同的傳遞過程特征，即不同的流體返混程度和傳熱傳質(zhì)特性。根據(jù)反應(yīng)過程需要怎樣的傳遞特征進(jìn)行反應(yīng)器的選型。反應(yīng)過程的設(shè)計－反應(yīng)器選型反應(yīng)器選型的方法形態(tài)分析法：對一個問題的各個部分的所有可能方案進(jìn)行分析和評價，用邏輯結(jié)構(gòu)代替隨機的想法，從而篩選出最佳方案。過程分為二步分支：找出所有可供選擇的方案。收斂：根據(jù)若干判據(jù)對各個供選擇的方案進(jìn)行淘汰。反應(yīng)過程的設(shè)計－反應(yīng)器選型解決某個問題有8個可能的方案和三個判據(jù)：A、B和C。當(dāng)用A作為判據(jù)時，淘汰了方案2、5和7；再用判據(jù)B，淘汰了方案1和8，此時尚剩下方案3、4、6個，最后用判據(jù)C，淘汰了方案3和6，剩下方案4是唯一保留的方案。反應(yīng)過程的設(shè)計－反應(yīng)器選型反應(yīng)器選型判據(jù)：反應(yīng)類型（即反應(yīng)介質(zhì)的相態(tài)，此為最簡單、首先使用的判據(jù)）催化劑失活速度由反應(yīng)的濃度效應(yīng)決定的混合要求由反應(yīng)的熱負(fù)荷和溫度效應(yīng)決定熱量傳遞和溫度控制要求相際傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的相對速度分離過程的設(shè)計物質(zhì)的混合是一個不可逆過程，能夠自發(fā)地完成；其逆過程分離必然要消耗一定的能量才能進(jìn)行。分離過程設(shè)計的目標(biāo)是在滿足產(chǎn)品質(zhì)量和回收率的前提下減少能量的消耗。分離過程的類型第一類是以能量為分離劑，例如精餾、蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥、閃蒸等。第二類是以物質(zhì)為分離劑，例如解吸、吸收、萃取、吸附，浸取，離子交換等。第三類是利用物質(zhì)的密度、粒度、表面等性質(zhì)不同而進(jìn)行的機械分離過程，例如沉降，離心分離，旋風(fēng)分離，過濾，浮選等過程。分離過程的設(shè)計－分離方法的選擇探試規(guī)則：根據(jù)過去的經(jīng)驗和研究對象的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行半定量分析所得的結(jié)論。根據(jù)探試規(guī)則得出的結(jié)論不一定是最佳方案，但是它能大幅度減少可能的方案數(shù)，從而提高設(shè)計速度。分離過程的設(shè)計－分離方法的選擇幾個名詞定義：分配系數(shù)：在平衡狀態(tài)下某組分在輕相與重相中分子分?jǐn)?shù)的比例。對于精餾，即為該組分的汽液平衡常數(shù)K。分離因子：兩個組分分配系數(shù)的比例，對于精餾，即為該兩個組分的相對揮發(fā)度α。質(zhì)量分離劑和能量分離劑加到分離單元，對分離作出貢獻(xiàn)的組分，例如萃取或萃取精餾過程的溶劑，吸收過程的吸收劑。為提供分離單元所需要的氣液相流率而加入的能量，如精餾塔的再沸器和冷凝器使用的熱劑和冷劑次序表：進(jìn)料各組分按照分配系數(shù)遞減的次序的排列表關(guān)鍵組分：決定分離要求的兩個組分，其中分配系數(shù)大者稱為輕關(guān)鍵組分，小者稱為重關(guān)鍵組分。分離過程的設(shè)計－分離方法的選擇選擇分離方法的探試規(guī)則選擇具有大的分離因子的分離過程具有較大分離因子的過程需要比較少的平衡級和分離劑，因而分離費用較少分子性質(zhì)受影響的分離過程舉例分子量精餾、蒸發(fā)、氣相擴散分子形狀吸附、結(jié)晶分子體積吸附偶極距、極性萃取、吸附分子電負(fù)荷電除塵、電除霧化學(xué)活性化學(xué)吸收、反應(yīng)精制可以根據(jù)混合物各組分分子性質(zhì)的差異程度來選擇可能有較大的分離因子的分離過程。例如，若各組分的偶極矩或極性存在顯著差異，采用以極性溶液為溶劑的萃取精餾可能是合適的。分離過程的設(shè)計－分離方法的選擇盡量避免極端的過程條件如果一個分離過程需要極端的溫度或壓力，耐腐蝕的設(shè)備材料，或者高電場等條件，則可能使分離過程的費用高昂。當(dāng)分離過程需要多個分離級時，應(yīng)優(yōu)先選擇平衡分離過程而不選擇速度控制過程。速度控制過程例如電滲析、氣體擴散過程，需要在每個分離級加入能量；而精餾、吸收、蘋取等為平衡分離過程，分離劑在每一級重復(fù)使用，只需一次加入能量。分離因子相同時，選擇能量分離劑而不選擇質(zhì)量分離劑。當(dāng)用質(zhì)量分離劑時，它必須和產(chǎn)品再分離，因而需要增加另一個相繼的分離器，這樣便增加了分離過程的費用。分離過程的設(shè)計－分離方法的選擇應(yīng)首先考慮采用精餾，只有在精餾方案被否定后才考慮其他分離方案，因為精餾具有下列幾個優(yōu)點：精餾是一個使用能量分離劑的平衡分離過程；系統(tǒng)內(nèi)不含有固體物料，操作方便；有成熟的理論和實踐；沒有產(chǎn)品數(shù)量的限制，從很小到很大的規(guī)模都能采用；常常只需要能位等級很低的分離劑。排除精餾方案的充分理由是分離因子小1.05分離過程的設(shè)計－分離方法的選擇例：有鄰、間、對二甲苯混合物欲分離成純物質(zhì)，試根據(jù)其分子性質(zhì)選擇分離方法。解：各種分子性質(zhì)除了分子形狀外，鄰、間、對二甲苯的其他各種性質(zhì)都差別不大，因此可以預(yù)計精餾、萃取，吸收等過程都不能有效地將該混合物分離成純化合物。各異構(gòu)體分子形狀之間的差別隨著溫度降低成為固體后更為顯著，故建議采用冷凍結(jié)晶分離。

另：各異構(gòu)體的分子體積，偶極矩和極性也有細(xì)小的差別，如果有適當(dāng)?shù)耐獠课镔|(zhì)能使這些異構(gòu)體的反應(yīng)活性有顯著差別，或者有對異構(gòu)體有較高吸附選擇性的吸附劑，則也可以考慮采取化學(xué)反應(yīng)分離或者吸附分離。分離過程的設(shè)計－分離序列的確定探試合成法探試規(guī)則是根據(jù)多年積累的經(jīng)驗和對過程的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行半定量分析所得的結(jié)論，利用探試法能迅速得出一個或少數(shù)幾個較優(yōu)方案。但由于探試法是基于分離過程的共性規(guī)律，難免失誤。調(diào)優(yōu)合成法以某個初始的流程為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行一系列修正而合成接近最優(yōu)系統(tǒng)的方法。最優(yōu)化算法合成法合成分離序列的問題可以定義為：對一已知進(jìn)料，用某種方法合成一個分離序列，使該分離序列能以最小的費用將進(jìn)料分離成指定規(guī)格要求的產(chǎn)品該問題是個非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題，可用動態(tài)規(guī)劃法，分枝界限法等求解。分離過程的設(shè)計－分離序列的確定分離序列合成的探試規(guī)則應(yīng)把關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度最接近于1的最困難分離放在最后，即在所有其他組分都除去后再進(jìn)行分離。根據(jù)汽液平衡常數(shù)的大小進(jìn)行排列，把輕組分逐個脫除，即采取順序流程。應(yīng)首先把混合物分成分子數(shù)接近的兩股流。對于回收率要求高的分離應(yīng)放在最后。對于容易造成系統(tǒng)腐蝕或聚合結(jié)焦的組分應(yīng)首先除去，以降低后續(xù)設(shè)備的材質(zhì)要求或穩(wěn)定操作。對于各組分沸點相差很遠(yuǎn)的混合物，如果有的組分需在冷凍的條件下進(jìn)行分離，應(yīng)使進(jìn)入冷凍系統(tǒng)或冷凍等級更高的系統(tǒng)的組分?jǐn)?shù)盡量減少。換熱過程的設(shè)計問題的提出一個化工系統(tǒng)，具有NH股物流需要冷卻（這些物流稱為熱流），NC股物流需要加熱（這些物流稱為冷流）?，F(xiàn)需合成一個由熱交換器、輔助加熱器和輔助冷卻器構(gòu)成的換熱器網(wǎng)絡(luò)，使各股物流達(dá)到規(guī)定的溫度，而總費用最小。熱力學(xué)方法 夾點分析PDM (PinchDesignMethod)數(shù)學(xué)規(guī)劃法人工智能專家系統(tǒng)窄點挾點換熱過程的設(shè)計夾點分析PDM最小傳熱溫差

夾點技術(shù)的核心是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合優(yōu)化計算，充分利用換熱網(wǎng)絡(luò)和公用工程之間的聯(lián)系，引入夾點允許最小傳熱溫差這一重要的決策變量。根據(jù)能量目標(biāo)構(gòu)造一個具有最大能量回收特性的換熱初始網(wǎng)絡(luò)，其基本點是找出夾點位置，禁止通過夾點傳遞熱量再以設(shè)備投資費用和操作費用最小為目標(biāo)，對初始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，從而獲得一個最優(yōu)或接近最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)。夾點的出現(xiàn)限制了冷熱物流間的進(jìn)一步熱量交換，同時，夾點也將換熱網(wǎng)絡(luò)分成兩部分，夾點之上和夾點之下。夾點之上只能引入熱公用工程夾點之下只能引入冷公用工程最優(yōu)溫度差在設(shè)計過程中，我們常常規(guī)定一個最小溫度差ΔTmin，來決定兩個物流是否能進(jìn)行換熱。ΔTmin

→∞換熱面積趨于零，公用工程最大ΔTmin

→0換熱面積最大，公用工程需求最小，當(dāng)溫差下降一定溫度時，冷熱物流完全換熱，需要公用工程提供換熱的冷量或熱量，此溫度稱為閾值溫度。ΔTmin取值是針對投資和公用工程統(tǒng)一優(yōu)化的結(jié)果。工藝物流的熱集成－換熱網(wǎng)絡(luò)合成優(yōu)化推薦的換熱溫差(KingC.J.,SeparationProcesses.2nded.)介質(zhì)類別終端溫差℃冷劑：-101℃2.5～3-70℃～-75℃3～4-55℃～-62℃3～5-40℃～-41℃4～5-23℃～-24℃5～60℃～20℃5～10冷卻水5～20鍋爐水20～40空氣20～50能源與設(shè)備投資的比價在實際開發(fā)過程中，各種方案最直接體現(xiàn)的是能源利用量和設(shè)備投資的不同。在不同時代，能源與設(shè)備投資的比價等技術(shù)經(jīng)濟條件也發(fā)生了重大變化。能源與設(shè)備的比價上升了21倍之多能源價格驟升，能量消耗在經(jīng)濟性指標(biāo)中的比重越來越大，促使人們將更多的目光投向了節(jié)省能量的過程開發(fā)方法上。時間原油鋼材20世紀(jì)70年代3美元（6人民幣）/桶3000元/噸如今100美元（650人民幣）/桶1