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1、2010- 化工设计概论化工设计概论2010-化工设计概论化工设计概论大纲大纲n第一讲 绪论（2学时）（周一，2月21日）（朱明乔，陈丰秋）n第二讲 化工开发设计（一）（2学时）（周五，2月25日）（朱明乔）n第三讲 化工开发设计（二）（2学时）（周一，2月28日）（朱明乔）n第四讲 化工开发设计（三）（2学时）（周五，3月4日）（朱明乔）n第五讲 化工开发设计（四）（2学时）（周一，3月7日）（朱明乔）n第六讲 工艺流程案例分析（2学时）（周五，3月11日）（叶向群）n第七讲 化工工程设计（一）（2学时）（周一，3月14日）华永康）n第八讲 化工工程设计（二）（2学时）（周五）3月18日（华
2、永康）n第九讲 化工设备设计（一）（2学时）（周一，3月21日）（郑传祥）n第十讲 化工设备设计（二）（2学时）（周五，3月25日）（郑传祥）2010-化工设计概论化工设计概论大纲大纲n第十一讲 自动控制及仪表设计（一）（2学时）（周一，3月28日）（麻红昭）n第十二讲 自动控制及仪表设计（二）（2学时）（周五，4月1日）（麻红昭）n第十三讲 公用工程及其它设计（一）（2学时）（周六补周一，4月2日）（吴晓军）n第十四讲 公用工程及其它设计（二）（2学时）（周五，4月8日）（吴晓军）n第十五讲 化工设计项目管理（2学时）（周一，4月1日）（王大春）n第十六讲 化工设计练习布置（2学时）（周五，
3、4月15日）（朱明乔、叶向群等）n主讲教师介绍：n浙江大学：陈丰秋（教授、系副主任），朱明乔（副教授），郑传祥（教授），麻红昭（副教授），叶向群（高工）n浙江省天正设计工程有限公司：华永康（教授级高工、总工），王大春（高工、副总经理），吴晓军（高工、副总经理） 2010-1 绪论绪论 朱明乔朱明乔浙江大学化学工程与生物工程学系浙江大学化学工程与生物工程学系Zhu Ming-QiaoDepartment of Chemical and Biological EngineeringZhejiang University 2010-1 绪论绪论n1.1化工设计定义化工设计定义n1.2化工设计的机遇化
4、工设计的机遇n1.3 化工设计的步骤化工设计的步骤n1.4 化工设计中其它问题考虑化工设计中其它问题考虑n1.5 化工设计常用术语化工设计常用术语n1.6 课程成绩考核课程成绩考核n1.7 小结小结2010-1.1化工设计定义化工设计定义n化工设计化工设计是将一个系统（如一个工厂、是将一个系统（如一个工厂、一个车间或一套装置等）的技术方案、一个车间或一套装置等）的技术方案、工艺过程、生产装备等转化为工程语言工艺过程、生产装备等转化为工程语言的过程，是一门综合性很强的学科，也的过程，是一门综合性很强的学科，也是一门名副其实的交叉学科。是一门名副其实的交叉学科。2010-1.2化工设计的机遇化工设
5、计的机遇n1.2.1化学产品的生产化学产品的生产n1.2.2化工设计的机遇化工设计的机遇n1.2.3设计团队设计团队2010-1.2.1化学产品的生产化学产品的生产2010-1.2.2化工设计的机遇化工设计的机遇（1）许多化学品的生产量很小）许多化学品的生产量很小 这些化学品具有特定性能，如强度、黏性、这些化学品具有特定性能，如强度、黏性、孔隙率、渗透性等，为此设计的挑战性在于要孔隙率、渗透性等，为此设计的挑战性在于要创造一种能获得专利保护的产品，并且这类产创造一种能获得专利保护的产品，并且这类产品的市场需求能使其拥有极具吸引力的销售价品的市场需求能使其拥有极具吸引力的销售价格，当该化学品确认
6、后，通常需要设计一个生格，当该化学品确认后，通常需要设计一个生产过程。产过程。（2）大宗化学品的需求量大）大宗化学品的需求量大 如乙烯、苯、甲苯、汽油等，其生产通常只如乙烯、苯、甲苯、汽油等，其生产通常只涉及那些确定的小分子，设计的重点是由各种涉及那些确定的小分子，设计的重点是由各种不同原料生产这些化学品的过程。不同原料生产这些化学品的过程。2010-1.2.2化工设计的机遇化工设计的机遇（3）设计的机遇）设计的机遇实验室内为满足客户需要搜寻有多种用途性质的改进实验室内为满足客户需要搜寻有多种用途性质的改进化学品生产过程设计；化学品生产过程设计；可得到某种便宜的原料，这样新的生产过程常需要新可
7、得到某种便宜的原料，这样新的生产过程常需要新的反应路线和分离方法；的反应路线和分离方法；新的市场，如块状经济、区域发展、发展中国家；新的市场，如块状经济、区域发展、发展中国家；工程师强烈的感觉，认为以某种新的化学品或新的工工程师强烈的感觉，认为以某种新的化学品或新的工艺路线去生产某种现存的化学品可能效益会更好，或艺路线去生产某种现存的化学品可能效益会更好，或是某种新的化学品存在一定市场。是某种新的化学品存在一定市场。（4）大宗化学品的生产）大宗化学品的生产 设计项目一般是不太全面的，其重点通常是生产设备设计项目一般是不太全面的，其重点通常是生产设备设计或是化学过程设计。设计或是化学过程设计。2
8、010-1.2.3设计团队设计团队n（1）为了对某个课题作出陈述或要创立一个）为了对某个课题作出陈述或要创立一个课题，可能要组建一个小的设计团队，这个设课题，可能要组建一个小的设计团队，这个设计团队将包括化学工程师、化学家，可能还有计团队将包括化学工程师、化学家，可能还有生物化学家，适当的情况下，还有市场开发者，生物化学家，适当的情况下，还有市场开发者，特殊的领域还需要专家。特殊的领域还需要专家。n（2）设计团队将遵循一系列公认的化工设计）设计团队将遵循一系列公认的化工设计（可延伸为产品和过程设计）步骤处理设计问（可延伸为产品和过程设计）步骤处理设计问题。题。2010-1.3 化工设计的步骤化
9、工设计的步骤n1.3.1 化工设计步骤的比较化工设计步骤的比较n1.3.2 初始问题的创建和审查初始问题的创建和审查n1.3.3 发现具有所需性质和性能的化学发现具有所需性质和性能的化学n1.3.4 过程创建过程创建n1.3.5 基本方案的开发基本方案的开发n1.3.6 利用算法进行详细过程合成利用算法进行详细过程合成n1.3.7 全装置范围的可控性评价全装置范围的可控性评价n1.3.8 详细设计、设备尺寸确定和优化详细设计、设备尺寸确定和优化 n1.3.9 书面设计报告和口头陈述书面设计报告和口头陈述n1.3.10 装置设计、施工、开车和运转装置设计、施工、开车和运转2010-1.3.1 化
10、工设计步骤的比较化工设计步骤的比较实验性研 究可行性研 究(1)过程研究模型试验小试中试工程设计施工概念设计可行性研究(2)基础设计工程设计研究可行性研 究(3)信息研究图图1.2 化学新产品开发设计的基本步骤化学新产品开发设计的基本步骤（1）化学新产品开发设计的基本步骤）化学新产品开发设计的基本步骤2010-（2）国际通用设计程序的阶段划分）国际通用设计程序的阶段划分项目目专利商利商工程公司工程公司阶段名称段名称工工艺包或基包或基础设计工工艺设计基基础工程工程设计或分析或分析和平面和平面设计详细工程工程设计或最或最终设计主主导专业工工艺工工艺系系统/管道管道系系统/管道管道主要文件主要文件工
11、工艺流程流程图（PFD）工工艺控制控制图（PCD）工工艺说明明书设备表表工工艺数据表数据表概略布置概略布置图工工艺流程流程图工工艺控制控制图工工艺说明明书物料平衡表物料平衡表设备表表工工艺数据表数据表安全安全备忘忘录概略布置概略布置图主要主要专业设计条件条件管道管道仪表流程表流程图（PID）设备计算及分析草算及分析草图设备规格格说明明书材料材料选择请购文件文件设备布置布置图（分区）（分区）管道平面管道平面图（分区）（分区）地下管网地下管网图电气气单线图各有关各有关专业设计条件条件管道管道仪表流程表流程图设备安装平剖面安装平剖面图详细配管配管图管段管段图（轴测图）基基础图结构构图、建筑、建筑图仪
12、表表设计图电气气设计图设备制造制造图各各专业施工施工图及安装及安装说明明用途用途供工程公司作供工程公司作为工程工程设计的依据的依据把把专利文件利文件转化化为工程公司工程公司设计文件文件为详细工程工程设计、设备材料采材料采购提供全部提供全部资料料提供施工提供施工图纸和文件，和文件，作作为施工、材料施工、材料补充充订货依据依据表表1.1 国际通用设计程序的阶段划分国际通用设计程序的阶段划分 2010-（3）化学产品和生产过程设计的步骤）化学产品和生产过程设计的步骤第四篇第四篇装置范围的可控性评价装置范围的可控性评价开车评价开车评价可靠性和安全性分析可靠性和安全性分析过程和过程和/或产品或产品是否仍
13、有希望？是否仍有希望？是是潜在的机会潜在的机会第一篇第一篇创建和审查初始问题创建和审查初始问题第第一一篇篇 寻寻找找具具有有所所要要求求的的性性质质和和功功能的化学品和化学品混合物能的化学品和化学品混合物第一篇第一篇 创建过程创建过程是否有令人满意的毛利？是否有令人满意的毛利？是否需要生产化学品的过程？是否需要生产化学品的过程？化学结构是否已知？化学结构是否已知？第一篇第一篇基本方案的开发基本方案的开发第二篇第二篇 详细过程合成详细过程合成计算方法计算方法第三篇详细设计第三篇详细设计设备尺寸的确定和优化设备尺寸的确定和优化过程是否仍有希望的？过程是否仍有希望的？装置设计、建设、开车和操作装置设
14、计、建设、开车和操作第五篇第五篇 书面设计报告和口头陈述书面设计报告和口头陈述过程和过程和/或产品是否仍合理可行？或产品是否仍合理可行？是是否否否否是是否否是是放弃放弃是是否否是是否否放弃放弃图图1.3 化学产品和生产过程设计的步骤化学产品和生产过程设计的步骤 2010-第一篇创建和审定初始问题第一篇创建和审定初始问题确定要求、文献调研、产生思路、市场和商业研究、与用户面谈化学结构是否已知？否第一篇第一篇 寻找具有所要求的性质和功能的化学品和化学品混合物寻找具有所要求的性质和功能的化学品和化学品混合物例子：环境友好的聚合物薄膜、制冷剂、清洗和萃取的溶剂、润滑油、药物高分子、热手器溶质和抗张力强
15、度高的陶瓷材料是否需要生产化学品的过程？是第一篇第一篇 创建过程创建过程实验初步过程合成反应、分离、T-P变化操作、任务集成-设备选择、间歇或连续？毛利是否令人满意？否放弃是第一篇第一篇 基本方案的开发基本方案的开发第二篇第二篇 详细过程合成详细过程合成计算方法计算方法过程是连续的或间歇的？连续化学反应网络的合成分离序列合成反应-分离循环网络的合成第二定律分析热交换器网的合成质量交换器网的合成优化过程步骤的顺序安排第四篇第四篇装置范围的可控性评定装置范围的可控性评定控制结构的定性分析流程的可控性分析否是第三篇第三篇 详细设计、确定设备尺寸、优化详细设计、确定设备尺寸、优化最终产品是：大众化学品
16、、专用化学品定型消费产品或工业产品(其使用化学品或化学品混合物？)产品设计投资费用估算利润率分析 优化否过程和/或产品是否仍有希望？否放弃是开车评定附加设备动态模拟可靠性和安全性分析实验室和中试试验危险分析是第五篇第五篇书面设计报告和口头陈述书面设计报告和口头陈述装置设计设计草图、配管图、仪表控制图、设备布置、规模组建构造、投标建设开车操作潜在的机会潜在的机会确定设备尺寸换热器设计、塔设计、泵和压缩机设计创建过程流程过程集成创建详细数据库中试工厂实验改进流程制作模拟流程过程是否仍有希望？初始数据库的创建过程和/或产品是否合理可行？总图总图2010-n例例1.1 氯乙烯的生产氯乙烯的生产 考虑生
17、产氯乙烯的需要，考虑生产氯乙烯的需要，这是生产聚氯乙烯（这是生产聚氯乙烯（PVC）的单体，）的单体，PVC是一是一种重要的聚合物，广泛用于硬质塑料管路、管种重要的聚合物，广泛用于硬质塑料管路、管件和类似的产品，为了满足氯乙烯单体的新的件和类似的产品，为了满足氯乙烯单体的新的需求，已经出现一个机会，即每年需求，已经出现一个机会，即每年36万吨的订万吨的订单，在海湾的石化联合企业，公司要求现有的单，在海湾的石化联合企业，公司要求现有的工厂每年生产工厂每年生产45万吨这种大宗化学产品。因为万吨这种大宗化学产品。因为氯乙烯单体是剧毒物质，要求所有的新设备都氯乙烯单体是剧毒物质，要求所有的新设备都必须谨
18、慎设计以满足政府关于健康和安全的法必须谨慎设计以满足政府关于健康和安全的法规。规。n例例1.2 透析装置透析装置 考虑设计一种廉价（比方说少于考虑设计一种廉价（比方说少于10美元）的、为暂时或永久性的肾功能衰竭美元）的、为暂时或永久性的肾功能衰竭（ESRD）病人一次性使用的装置的可能性；这种）病人一次性使用的装置的可能性；这种装置仅为肾功能衰竭（装置仅为肾功能衰竭（ESRD）病人提供一种处理，）病人提供一种处理，这些病人的肾脏已不具有正常的功能。这种治疗每这些病人的肾脏已不具有正常的功能。这种治疗每周需要三次，每次透析平均为周需要三次，每次透析平均为34小时，这种装置小时，这种装置1996年在
19、美国为年在美国为20多万病人所使用。多万病人所使用。1.3.2 初始问题的创建和审查初始问题的创建和审查（1）典型的初始问题和机遇）典型的初始问题和机遇显然，潜在的机会和初始的问题常常产生于有超显然，潜在的机会和初始的问题常常产生于有超前意识的公司、政府和大学的研究环境。前意识的公司、政府和大学的研究环境。2010-（2）选择方案）选择方案审查初始问题审查初始问题n思路常常产生于设计团队。思路常常产生于设计团队。n有时思路也可能来自潜在的客户，这些客户也许对现有时思路也可能来自潜在的客户，这些客户也许对现有的产品或产品现状不满意。有的产品或产品现状不满意。n最好在宽松的气氛中讨论有独创性的意见
20、，从而产生最好在宽松的气氛中讨论有独创性的意见，从而产生思路。最好的思路可能是那些开始遭到最激烈批评的思路。最好的思路可能是那些开始遭到最激烈批评的方案。所有思路都经过收集、整理、讨论和仔细地评方案。所有思路都经过收集、整理、讨论和仔细地评审（基于技术和市场的考虑）。审（基于技术和市场的考虑）。现考虑下列可供选择的设计方案，这是从上面两个现考虑下列可供选择的设计方案，这是从上面两个初始问题的各种思路中选择的典型方案。注意，在初始问题的各种思路中选择的典型方案。注意，在开始时最好深入地考虑至少开始时最好深入地考虑至少两种两种方案，可能的情况方案，可能的情况下考虑下考虑三种三种方案。方案。2010
21、-例例1.3 （例（例1.1的再次讨论）的再次讨论）为满足每年增加为满足每年增加36万吨氯乙烯的需要，选择下面万吨氯乙烯的需要，选择下面四个看似合理的方案作进一步的研究。四个看似合理的方案作进一步的研究。n方案方案1：一个竞争者的氯乙烯生产厂，它每年生产一个竞争者的氯乙烯生产厂，它每年生产9090万吨氯乙万吨氯乙烯，而该厂座落于烯，而该厂座落于150150公里以外，它能扩大生产以满足所要求的公里以外，它能扩大生产以满足所要求的增加量，而这些产品可用公路或铁路的槽罐车运输。在这种情增加量，而这些产品可用公路或铁路的槽罐车运输。在这种情况下，设计团队提出采购价格和设计贮存装置。这可能是为扩况下，设
22、计团队提出采购价格和设计贮存装置。这可能是为扩大当地的大当地的PVCPVC工厂所需单体的最简单的方法。工厂所需单体的最简单的方法。n方案方案2：从附近电解从附近电解NaClNaCl溶液的工厂中购买氯并用管道输送。溶液的工厂中购买氯并用管道输送。然后用氯和公司内部的乙烯反应生产氯乙烯单体和然后用氯和公司内部的乙烯反应生产氯乙烯单体和HClHCl副产物。副产物。n方案方案3：公司现有的石油化工联合企业中，许多生产过程产生公司现有的石油化工联合企业中，许多生产过程产生HClHCl副产物，因为这些副产物，因为这些HClHCl副产物产生的量大，所以通常可低价副产物产生的量大，所以通常可低价得到。得到。H
23、ClHCl与乙炔或乙烯和氧反应，可生成与乙炔或乙烯和氧反应，可生成1,2-1,2-二氯乙烷，一种二氯乙烷，一种可裂解成氯乙烯的中间产物。可裂解成氯乙烯的中间产物。n方案方案4：设计一个电解装置生产氯。一种可能性是由石油化工设计一个电解装置生产氯。一种可能性是由石油化工联合企业中可得到的联合企业中可得到的HClHCl，电解获得，电解获得H2H2和和Cl2Cl2，按方案，按方案2 2，将氯进，将氯进行反应。在该石油化工联合企业的其他区域，将氢和氯反应生行反应。在该石油化工联合企业的其他区域，将氢和氯反应生成氨，或氢与成氨，或氢与COCO反应生成甲醇。反应生成甲醇。 2010-例例1.4 （例（例1
24、.2的再次讨论）的再次讨论） 为了满足透析产品的需要，可能会产生下面两种为了满足透析产品的需要，可能会产生下面两种可供选择的方案的初步设计。可供选择的方案的初步设计。n方案方案1：设计一台血液透析装置，能使尿素、尿酸、肌设计一台血液透析装置，能使尿素、尿酸、肌酸酐、磷酸盐和其他低分子量的代谢物通过扩散从血液酸酐、磷酸盐和其他低分子量的代谢物通过扩散从血液中传递到透析液中。该装置还应当让葡萄糖和盐类物质中传递到透析液中。该装置还应当让葡萄糖和盐类物质通过扩散反向传递。这种装置应当被设计成一次性使用通过扩散反向传递。这种装置应当被设计成一次性使用后就要报废的，故其售价应低于后就要报废的，故其售价应
25、低于1010美元，以使新产品的美元，以使新产品的价格和价格和/ /或性能可与其他公司的人工肾相竞争，如或性能可与其他公司的人工肾相竞争，如C-C-DAK4000DAK4000型人工肾型人工肾19921992年销售了年销售了60006000万只，每只售价仅万只，每只售价仅5-65-6美元。美元。n方案方案2：设计一个腹膜渗析装置（该装置使用血清膜，设计一个腹膜渗析装置（该装置使用血清膜，装在哺乳动物的腹腔），具有与血液透析装置相似的性装在哺乳动物的腹腔），具有与血液透析装置相似的性能。能。注意：随着设计工作的进行，某些方案会被否定，又会产生注意：随着设计工作的进行，某些方案会被否定，又会产生一些
26、新方案。一些新方案。2010-（3）文献调研当产生选择方案的特殊问题时，工业界的设计团队可以利用公司雇员、公司文件和公开文献。但是对于文献进行全面的查阅研究是很重要的。发现最新的数据、流程、设备和模型，它们可导致产品的改进和更有效益的设计。2010-（3）文献调研广泛采用的文献来源有：广泛采用的文献来源有：nSRI设计报告设计报告，即史坦福研究所设计报告。，即史坦福研究所设计报告。n百科全书百科全书，Kirk-Othmer化学技术百科全书、化学化学技术百科全书、化学品加工和设计百科全书、品加工和设计百科全书、Ullmann工业化学百科全工业化学百科全书。书。n手册和参考书手册和参考书，Perr
27、y化学工程师手册、化学和物化学工程师手册、化学和物理手册、化学工程手册等。理手册、化学工程手册等。n索引索引，应用科学和技术索引、工程索引、化学文摘、，应用科学和技术索引、工程索引、化学文摘、科学引文索引等科学引文索引等n专利专利，这是重要的信息，要避免复制专利保护的设，这是重要的信息，要避免复制专利保护的设计。计。 2010-（4）补充研究）补充研究 n技术可行性n市场n商务n其他 2010-（5）产品设计中的激励创新）产品设计中的激励创新n百分之十五规则百分之十五规则：15%的时间用在自己选择的项目的的时间用在自己选择的项目的工作上。工作上。n技术论坛技术论坛：不同岗位的工作人员之间技术交
28、流和各种：不同岗位的工作人员之间技术交流和各种思路的相互补充。思路的相互补充。n延续目标延续目标：30%的年销售额必须来自最近四年引进的的年销售额必须来自最近四年引进的产品规则。产品规则。n过程创新技术中心过程创新技术中心：一个中心为核心技术开发；一个：一个中心为核心技术开发；一个中心为关键生产过程技术的开发和放大。中心为关键生产过程技术的开发和放大。n六西格玛（六西格玛（Sigma）：质量控制，技术指标的偏差降：质量控制，技术指标的偏差降低到低到3.4次次/100万次。万次。2010-（6）设计中特殊考虑）设计中特殊考虑药物产品药物产品n发现发现n预临床开发预临床开发n临床试验临床试验n报批
29、报批2010-1.3.3 发现具有所需性质和性能的化学品发现具有所需性质和性能的化学品n对于那些已经规定所需性质和性能的初始问题，对于那些已经规定所需性质和性能的初始问题，常常需要确定能满足这些技术要求的化学品，常常需要确定能满足这些技术要求的化学品，类似于产品导向的设计。类似于产品导向的设计。n如在低压和所需温度下沸腾和冷凝的冷冻剂，如在低压和所需温度下沸腾和冷凝的冷冻剂，而且该冷冻剂不与地球同温层中的臭氧发生而且该冷冻剂不与地球同温层中的臭氧发生反应；用于暖手器的溶质，其在常温下保持反应；用于暖手器的溶质，其在常温下保持过饱和，当激活后在低温下固化。这些设计过饱和，当激活后在低温下固化。这
30、些设计问题常常以分子结构计算的方式表示，用优问题常常以分子结构计算的方式表示，用优化方法（如基团贡献法、分子模拟软件即分化方法（如基团贡献法、分子模拟软件即分子动力学和子动力学和Monte-Carlo方法）达到所需的方法）达到所需的性质。性质。n 又如乳剂和膏体，它们都是胶体系统，这些产品又如乳剂和膏体，它们都是胶体系统，这些产品设计成功的关键是达到所要求的产品性质的技术指设计成功的关键是达到所要求的产品性质的技术指标。其设计的步骤为：第一步涉及确定产品品质因标。其设计的步骤为：第一步涉及确定产品品质因素，包括功能品质因素、流变学品质因素、物理品素，包括功能品质因素、流变学品质因素、物理品质因
31、素和感观品质因素；给定了这些技术指标后，质因素和感观品质因素；给定了这些技术指标后，第二步涉及产品的配方；然后接着是过程的创建步第二步涉及产品的配方；然后接着是过程的创建步骤和产品的评价步骤，当然设计团队在此过程中必骤和产品的评价步骤，当然设计团队在此过程中必须真正了解环境、安全、法规等问题，下面加以讨须真正了解环境、安全、法规等问题，下面加以讨论。论。2010-1.3.4 过程创建过程创建n第一步：第一步：初始数据库的汇编，由热物理性质数初始数据库的汇编，由热物理性质数据组成，包括气据组成，包括气-液平衡数据、可燃性数据、液平衡数据、可燃性数据、毒性数据、化学品价格和初步过程合成需要的毒性数
32、据、化学品价格和初步过程合成需要的相关信息。相关信息。n第二步：第二步：启动实验以获取重要的缺失数据，如启动实验以获取重要的缺失数据，如反应、分离等数据。反应、分离等数据。n第三步：第三步：过程合成，包括设备的选择。过程合成，包括设备的选择。n第四步：第四步：操作模式的选择，即连续的、间歇的操作模式的选择，即连续的、间歇的或半连续的。或半连续的。2010-表表1.2 三种类型化学产品的操作过程三种类型化学产品的操作过程 操作操作过程程产品品类型型 1原料原料处理理2 3 4转化化 5质量控制量控制 6包装包装基本化学基本化学产品品工工业产品品消消费产品品加料加料泵送送压缩加料加料泵送送纺丝处理
33、理干燥干燥脱水脱水纺丝/纤维处理理皮皮带传送送分散分散处理理化学反化学反应 提提纯 分离分离挤压成型成型 初始成型初始成型 二次成型二次成型混合混合 拉拉丝 密封、密封、压模模复合复合 模模压成型成型 热/光光处理理 铸模模 定向定向处理理配件制作配件制作 配件配件组合合 抛光抛光包括冲切包括冲切 和集成和集成成模成模特性：特性：物理性物理性质热力学性力学性质化学性化学性质流流变学性学性质功能性功能性质：视觉性性质耐气候性耐气候性机械机械强强度度可印刷性可印刷性功能性功能性质和使用性和使用性质：耐用性、寿命、耐用性、寿命、易于使用、效能易于使用、效能运运输槽槽车管道管道包装包装桶、包、卷桶、包
34、、卷包装包装分装盛器、分装盛器、塑料包裹塑料包裹（小瓶装，（小瓶装，瓶，罐装）瓶，罐装）2010-1.3.5 基本方案的开发基本方案的开发 n创建详细的工艺流程图。创建详细的工艺流程图。n物料衡算和能量衡算。物料衡算和能量衡算。n主要设备清单。主要设备清单。n数据库的改进，增加如传递性质和反应动力学、数据库的改进，增加如传递性质和反应动力学、试探规则参数、作为总生产能力函数的设备大试探规则参数、作为总生产能力函数的设备大小和费用等小和费用等（需要中试工厂吗？）（需要中试工厂吗？）。n过程模拟模型。过程模拟模型。n当基本方案设计开发没有前途时，常回到过程当基本方案设计开发没有前途时，常回到过程创
35、建的某一步骤或重新进行方案设计的开发。创建的某一步骤或重新进行方案设计的开发。2010-1.3.6 利用算法进行详细过程合成利用算法进行详细过程合成n当设计团队进行一个或多个基本方案的设计开发时，可能要利用算法进行详细的过程合成。n对于连续的过程，这些计算方法能进行下列工作：n（1）创建和计算将原料转化为产品化学品的化学反应器网络，回收多组分混合物中组分的分离序列和反应器-分离器-循环网络；n（2）确定和减少能量的用量，创建和计算高效热交换器网络，和减少废物的质量交换网络。2010-1.3.6 利用算法进行详细过程合成利用算法进行详细过程合成n对于间歇的过程，这些方法创建和计算优化序列和分批的
36、操作的时间表。n借助这些方法的结果，设计团队可将基本方案与其他有前途的候选方案进行比较，将确定值得进行开发的流程图。2010-1.3.7 全装置范围的可控性评价全装置范围的可控性评价 在详细的工艺流程图完成后，对在详细的工艺流程图完成后，对过程可控过程可控性的评价性的评价就启动了，开始进行全流程图的控制就启动了，开始进行全流程图的控制结构的定性合成。结构的定性合成。然后，在详细设计阶段确定设备尺寸之前，然后，在详细设计阶段确定设备尺寸之前，用各种指标来评价过程控制的用各种指标来评价过程控制的难易程度难易程度和受扰和受扰动后内在的动后内在的回复能力回复能力。对于。对于最有希望的过程最有希望的过程
37、，能确定最有希望的控制结构。能确定最有希望的控制结构。最后，添加最后，添加控制系统控制系统，并进行严格的，并进行严格的动态动态模拟模拟，以确认前面讨论的预测近似指标。，以确认前面讨论的预测近似指标。 2010-n1.3.8 详细设计、设备尺寸确定和优化详细设计、设备尺寸确定和优化 n1.3.9 书面设计报告和口头陈述书面设计报告和口头陈述n1.3.10 装置设计、施工、开车和运转装置设计、施工、开车和运转2010-1.4 化工设计中其它问题考虑化工设计中其它问题考虑n1.4.1 环境保护环境保护n1.4.2 安全考虑安全考虑n1.4.3 工程伦理工程伦理n1.4.4 计算机的作用计算机的作用2
38、010-1.4.1 环境保护n自从自从20世纪世纪70年代后期年代后期以来，美国和发达以来，美国和发达国家所发生的最明显的变化之一是环境保国家所发生的最明显的变化之一是环境保护问题从次要问题转变为首要问题。护问题从次要问题转变为首要问题。n中国从中国从20世纪世纪80年代后期以来日益重视环年代后期以来日益重视环境保护问题。境保护问题。n重视的主要手段是重视的主要手段是环境法规环境法规通过立法实施。通过立法实施。2010-（1）典型环境问题）典型环境问题n用于发电和运输的化石燃料燃烧：用于发电和运输的化石燃料燃烧：SO2、NOX、CO、CO2、粉尘、粉尘、CXHYn根据经验估计，净化燃烧产物的费
39、用比从燃料中除去污染根据经验估计，净化燃烧产物的费用比从燃料中除去污染物的费用大约低一个数量级物的费用大约低一个数量级重要的试探规则之一。重要的试探规则之一。n有毒废物处理：有毒废物处理：n1988年美国有害废物产生量：废水年美国有害废物产生量：废水2.132亿吨，占亿吨，占97%；固体废物；固体废物6.7百万吨，占百万吨，占3%（填埋结果对水源造成普遍（填埋结果对水源造成普遍的威胁）。的威胁）。n生物积累的化学品：生物积累的化学品：杀虫剂杀虫剂DDT，1972年被美国环年被美国环保协会禁止使用，但在土壤和植物生命体中的生物保协会禁止使用，但在土壤和植物生命体中的生物积累作用会持续一段时间。积
40、累作用会持续一段时间。n有害金属和矿物：有害金属和矿物：20世纪世纪60年代后，发现年代后，发现Pb、Hg、Cr和石棉对动物和人的毒性有作用。和石棉对动物和人的毒性有作用。2010-n降低副产物毒性的反应路线降低副产物毒性的反应路线:n设计团队预期有大量有毒副产物产生时，就必须设计团队预期有大量有毒副产物产生时，就必须寻找其他的反应路线；当无法找到这种路线时，寻找其他的反应路线；当无法找到这种路线时，这一设计概念将被否定，除非是在特殊的情况下。这一设计概念将被否定，除非是在特殊的情况下。n减少废物及废物再利用减少废物及废物再利用:装置也可看成一个工程废装置也可看成一个工程废料。料。n避免非常规
41、事件避免非常规事件:降低那些会对环境造成有害影响的降低那些会对环境造成有害影响的事故和泄漏发生。事故和泄漏发生。n物料的特性鉴定物料的特性鉴定:采用快速和有效的方法测定排放浓采用快速和有效的方法测定排放浓度，保证低于环境法规限制的浓度是很重要的。度，保证低于环境法规限制的浓度是很重要的。n设计目标、约束条件和过程优化：设计目标、约束条件和过程优化：计团队制定一个计团队制定一个混合的目标函数，试图从经济术语表示环境的改善。混合的目标函数，试图从经济术语表示环境的改善。（2）过程设计中的环境因素）过程设计中的环境因素2010-（2）过程设计中的环境因素）过程设计中的环境因素n法规：法规：环境法规可
42、处理为设计过程中在操作时应当满环境法规可处理为设计过程中在操作时应当满足的约束条件。足的约束条件。n无形成本：无形成本：诉讼、公关、环保团体抗议等，设计团队诉讼、公关、环保团体抗议等，设计团队在设计考虑时应避免。在设计考虑时应避免。n稀物流的性质：稀物流的性质：大多数污染物都是以极低浓度存在于大多数污染物都是以极低浓度存在于化工厂的排出物和排放物流中，搞清在环境中的动力化工厂的排出物和排放物流中，搞清在环境中的动力学影响很重要。学影响很重要。n电解质的性质：电解质的性质：许多水溶液物流中含有低浓度的无机许多水溶液物流中含有低浓度的无机化合物，它们会离解为离子组分。因此，在进行与电化合物，它们会
43、离解为离子组分。因此，在进行与电解质有关的过程设计时，设计团队需要将离子组分的解质有关的过程设计时，设计团队需要将离子组分的性质包括到其热物理性质数据库中。性质包括到其热物理性质数据库中。2010-（3）环境设计问题）环境设计问题n空气质量：空气质量：R134a冷冻剂冷冻剂n水处理：晶片制造排放物流处理水处理：晶片制造排放物流处理n土壤处理：铅污染场所的植物治理土壤处理：铅污染场所的植物治理n其它：联合循环发电其它：联合循环发电n相关参考书：相关参考书：n化学工程新领域化学工程新领域n过程设计和模拟中环境问题的考虑过程设计和模拟中环境问题的考虑n化工过程的污染预防化工过程的污染预防n绿色工程：
44、化工过程的环境意识设计绿色工程：化工过程的环境意识设计2010-1.4.2 安全考虑安全考虑在化工过程的设计和操作中，一个主在化工过程的设计和操作中，一个主要的要的目标目标是使操作人员和生活在工厂附是使操作人员和生活在工厂附近的居民保持在安全的环境中。近的居民保持在安全的环境中。遗憾的是满足这一目标的重要性要经遗憾的是满足这一目标的重要性要经过一次次事故才能被人们充分认识，美过一次次事故才能被人们充分认识，美国在国在1985年建立了美国化学工程师协会年建立了美国化学工程师协会的化工装置安全中心。的化工装置安全中心。 2010-（1）典型安全问题）典型安全问题n着火和爆炸：着火和爆炸：许多化学品
45、在燃烧下限和许多化学品在燃烧下限和燃烧上限这两个极限值之内，就可能发燃烧上限这两个极限值之内，就可能发生燃烧和爆炸。另外，还有自燃温度。生燃烧和爆炸。另外，还有自燃温度。n毒物释放和传播模型：毒物释放和传播模型：总是希望避免使总是希望避免使用对人类、动物和植物有毒的化学品，用对人类、动物和植物有毒的化学品，但毒性问题是难以避免的。设计团队必但毒性问题是难以避免的。设计团队必须考虑在事故期间毒物浓度释放的可能须考虑在事故期间毒物浓度释放的可能状况。状况。2010-（2）安全化工装置的设计方法）安全化工装置的设计方法n预防火灾和爆炸技术：预防火灾和爆炸技术：n添加惰性气体，避开爆炸范围添加惰性气体
46、，避开爆炸范围n避免静电积累和它所释放的火花避免静电积累和它所释放的火花n安装防爆装置和仪器安装防爆装置和仪器n良好的通风条件，露天化良好的通风条件，露天化n安装洒水灭火系统安装洒水灭火系统n驰放装置驰放装置如往大气排放如往大气排放n危害鉴定和危险评估危害鉴定和危险评估：识别所有事故和危险来：识别所有事故和危险来源，避免小的失误造成灾难性事故。源，避免小的失误造成灾难性事故。n物料安全性数据表物料安全性数据表2010-1.4.3 工程伦理工程伦理n1977年，美国职业工程师学会（年，美国职业工程师学会（NSPE）工程）工程和技术鉴定委员会批准了以下一段话：和技术鉴定委员会批准了以下一段话：工程
47、师通过以下行为维护和提升工程职业工程师通过以下行为维护和提升工程职业的诚实、荣誉和尊严：的诚实、荣誉和尊严：n用他们的知识和技能增进人类的福利用他们的知识和技能增进人类的福利n具有诚实公正的品格，忠实地为公众和他们的雇具有诚实公正的品格，忠实地为公众和他们的雇员服务员服务n努力增强工程职业的能力和声誉努力增强工程职业的能力和声誉n支持本学科的专业和技术协会支持本学科的专业和技术协会2010-1.4.4 计算机的作用计算机的作用n电子表格电子表格n数学软件包和绘图软件数学软件包和绘图软件n过程模拟软件过程模拟软件n计算指南计算指南2010-1.5 化工设计常用术语化工设计常用术语n化工厂设计三种
48、类型：化工厂设计三种类型：n新工厂设计新工厂设计n原有工厂的改建原有工厂的改建n扩建设计扩建设计n厂房的局部修建设计厂房的局部修建设计n新建项目设计三种类型：新建项目设计三种类型：n工程设计工程设计n复用设计复用设计n因地制宜设计因地制宜设计2010-1.5 化工设计常用术语化工设计常用术语新建项目设计三种类型新建项目设计三种类型n工程设计：工程设计：指没有现成的装置可以参照指没有现成的装置可以参照或仅根据中试或其他实验装置来设计工或仅根据中试或其他实验装置来设计工业生产装置。业生产装置。n复用设计：复用设计：利用已有装置的技术资料进利用已有装置的技术资料进行新装置的设计。行新装置的设计。n因
49、地制宜设计：因地制宜设计：在已有装置技术资料的在已有装置技术资料的基础上，根据即将建设装置的具体情况基础上，根据即将建设装置的具体情况进行改建或变更，以适应新装置的要求。进行改建或变更，以适应新装置的要求。 2010-1.5 化工设计常用术语化工设计常用术语化工厂设计两种类型化工厂设计两种类型n化工厂设计两种类型：化工厂设计两种类型：n以工厂为单位的工厂化工设计以工厂为单位的工厂化工设计n以车间为单位的车间化工设计。以车间为单位的车间化工设计。n工厂化工设计内容：工厂化工设计内容：n厂址选择、总图设计、化工工艺设计、非工艺设计、厂址选择、总图设计、化工工艺设计、非工艺设计、技术经济等。技术经济
50、等。n车间化工设计内容：车间化工设计内容：n化工工艺设计如生产方法的选择、生产工艺流程设化工工艺设计如生产方法的选择、生产工艺流程设计、工艺计算、设备选型、车间布置设计及管道布计、工艺计算、设备选型、车间布置设计及管道布置设计等，及其它非工艺设计如机械工程、土建工置设计等，及其它非工艺设计如机械工程、土建工程、给排水工程、供配电工程、供热供气工程、仪程、给排水工程、供配电工程、供热供气工程、仪表及自动控制工程、分析及卫生工程等。表及自动控制工程、分析及卫生工程等。2010-1.5 化工设计常用术语化工设计常用术语n化工设计的特点：化工设计的特点：政策性强、技术性强、经济政策性强、技术性强、经济
51、性强、综合性强。性强、综合性强。n化工设计的化工设计的“五化五化”设计原则：设计原则：工厂布置一体工厂布置一体化、生产装置露天化、建构筑物轻型化、公用化、生产装置露天化、建构筑物轻型化、公用工程社会化、引进技术国产化。工程社会化、引进技术国产化。n国际通用设计程序的阶段：国际通用设计程序的阶段：基础设计、工艺设基础设计、工艺设计、基础工程设计、详细工程设计。计、基础工程设计、详细工程设计。n国内化工项目基本建设程序：国内化工项目基本建设程序：可行性研究、化可行性研究、化工设计（包括初步设计和施工图设计）、施工、工设计（包括初步设计和施工图设计）、施工、试车和考核。试车和考核。2010-1.6
52、课程成绩考核课程成绩考核n课程成绩由两部分组成:n平时上课及练习，占50%n期末设计练习，占50%。2010-1.7 小结小结 n通过本讲座，应当掌握以下知识：通过本讲座，应当掌握以下知识：n（1）了解对于产品和过程设计团队具有挑战性的各种设计决）了解对于产品和过程设计团队具有挑战性的各种设计决策问题。策问题。n（2）对产品和）对产品和/或过程设计中的关键步骤具有正确的评价能或过程设计中的关键步骤具有正确的评价能力。后续讲座逐讲展开。力。后续讲座逐讲展开。n（3）了解在设计新化学产品和新化工过程时通常要考虑的各）了解在设计新化学产品和新化工过程时通常要考虑的各类环境和安全问题。类环境和安全问题
53、。n（4）正确评价在产品和过程设计中保持高标准伦理原则的重）正确评价在产品和过程设计中保持高标准伦理原则的重要性。要性。n（5）懂得化学工程师是结合手工计算、电子表格、数学计算）懂得化学工程师是结合手工计算、电子表格、数学计算软件包和工程模拟软件等手段来进行产品和过程设计的。软件包和工程模拟软件等手段来进行产品和过程设计的。n本讲座虽然没有具体解决任何的设计问题，但在以后本讲座虽然没有具体解决任何的设计问题，但在以后的设计详细讲述中会提及这些背景信息。的设计详细讲述中会提及这些背景信息。2010-谢谢谢谢 ！2010-第一篇第一篇 创建和审定初始问题：创建和审定初始问题：确确定定要要求求文文献
54、献调调研研产产生生思思路路市市场场和和商商业研究与用户面谈业研究与用户面谈2010-第一篇第一篇 寻找具有所要求的性质和寻找具有所要求的性质和功能的化学品和化学品混合物功能的化学品和化学品混合物 混混合合物物例例子子：环环境境友友好好的的聚聚合合物物薄薄膜膜、制制冷冷剂剂、清清洗洗和和萃萃取取的的溶溶剂剂、润润滑滑油油、药药物物高高分分子子、热热手手器器溶溶质质和和抗抗张张力力强强度度高的陶瓷材料高的陶瓷材料2010-第一篇第一篇 创建过程创建过程初始数据库的创建初始数据库的创建实验实验初步过程合成：初步过程合成： 反应、分离、反应、分离、T-PT-P变化操作、任务集成变化操作、任务集成- -
55、设备选择、间歇或连续？设备选择、间歇或连续？毛利是否令人满意？毛利是否令人满意？否否放放弃弃是是2010-第一篇第一篇 基本方案的开发基本方案的开发创建过程流程创建过程流程过程集成过程集成创建详细数据库创建详细数据库中中试试工工厂厂实实验改进流程验改进流程制作模拟流程制作模拟流程2010-第二篇第二篇 详细过程合成详细过程合成计算方法计算方法过程是连续的或间歇的？过程是连续的或间歇的？化学反应网络的合成化学反应网络的合成分离序列合成分离序列合成反应反应-分离循环网络的合成分离循环网络的合成第二定律分析第二定律分析热交换器网的合成热交换器网的合成质量交换器网的合成质量交换器网的合成优化过程步骤顺
56、优化过程步骤顺序安排序安排2010-第三篇第三篇 详细设计、确定设备尺寸、优化详细设计、确定设备尺寸、优化最最终终产产品品是是：大大众众化化学学品品、专专用用化化学学品品定定型型消消费费产产品品或或工工业业产产品品(其其使使用用化化学品或化学品混合物？学品或化学品混合物？)确确定定设设备备尺尺寸寸 换换热热器器设设计计、塔设计、泵和压缩机设计塔设计、泵和压缩机设计投资费用估算投资费用估算利润率分析利润率分析 优化优化产品设计产品设计2010-第四篇第四篇装置范围的可控性评定装置范围的可控性评定n控制结构的定性分析控制结构的定性分析n流程可控性分析流程可控性分析2010-第五篇第五篇 书面设计报
57、告和口头陈述书面设计报告和口头陈述装装置置设设计计：设设计计草草图图、配配管管图图、仪仪表表控制图、设备布置、控制图、设备布置、规模组建构造、投标规模组建构造、投标建设建设开车开车操作操作2010-化工设计概论化工设计概论朱明乔朱明乔浙江大学化学工程与生物工程学系浙江大学化学工程与生物工程学系Zhu Ming-QiaoDepartment of Chemical and Biological EngineeringZhejiang University2010-第二章第二章 化工开发设计化工开发设计n2.1 化工开发设计范围n2.2 选题和立项 n2.3 分子结构设计n2.4 化工过程开发实验
58、中的实验设计与数据处理n2.5 化工过程放大n2.6 化工开发设计案例分析n2.7 小结2010-2.1 化工开发设计范围化工开发设计范围n化工开发设计范围可定义为在化工技术开发范围内的设计。n化工技术开发一般按照以下程序：选题小型试验(小试)中型试验(中试)生产性试验n本课程化工技术开发的内容主要指立项前的可行性研究，在实验室条件下进行的小试，放大的模型试验，以及对工艺技术方案进行初步技术经济评价,得到工艺包。n注：工艺包为工程公司进行工程设计tigong依据，如讲座一表1.1 “国际通用设计程序的阶段划分”所示。 2010-2.2 选题和立项选题和立项 n2.2.1 课题的性质和来源 n2
59、.2.2 选题的基本原则n2.2.3 化工产品开发策略选题总是化工过程开发工作之前的重要工选题总是化工过程开发工作之前的重要工作，它关系到开发工作的成败。在选题时，作，它关系到开发工作的成败。在选题时，应对立题项目进行可行性研究，并从应对立题项目进行可行性研究，并从技术技术可靠性、社会效益、经济效益等方面可靠性、社会效益、经济效益等方面证明证明其为可行的立题报告。其为可行的立题报告。2010-2.2.1 课题的性质和来源课题的性质和来源n凡与化工新产品开发、生产技术改造以及新工艺和新技术的推广应用有关的研究成果，均属于化工过程的开发课题。这类课题根据我国现行的科研体制，主要有以下三个来源：n（
60、1）计划课题 n（2）企业委托课题 n（3）自选课题 2010-2.2.1 课题的性质和来源课题的性质和来源n对于课题的性质，人们习惯于把当代科学研究活动统称为“研究与开发”，大体上划分为以下三类：n（1）基础研究 n（2）应用研究 n（3）技术开发 基础研究属于科学发展的范畴，技术开发属于技术发展的范畴，应用研究则分跨科学发展和技术发展两个范畴。2010-2.2.2 选题的基本原则选题的基本原则n凡根据国民经济发展和市场需要提出的化工新产品、新材料、新技术、新工艺，具有先进性、合理性、现实性、可行性，可以获得应有的社会效益和经济效益的课题均可作为化工过程开发课题，但应特别注意一下几点：n（1
61、）创新性原则 n（2）需要性原则 n（3）科学性原则 n（4）可行性原则 2010-2.2.2 选题的基本原则选题的基本原则n选题原则要灵活运用，具体表现为：n（1）基础研究选题主要以科学发展为导向 n（2）应用研究的选题以市场需要为导向 n（3）技术开发的选题以市场需要为导向 2010-2.2.3 化工产品开发策略化工产品开发策略n（1）前向一体化合作开发模式 n（2）后向一体化合作开发模式n（3）横向一体化合作开发模式n（4） 过程一体化开发模式n（5）混合一体化合作开发模式n（6）合作开发的形式2010-（1）前向一体化合作开发模式）前向一体化合作开发模式n前向一体化合作开发模式是指化工
62、企业与下游用户合作开发新产品的模式。n 改善下游产品质量和性能（技术指标）：原料直接影响产品的性能和质量，下游企业往往对原料提出要求以满足其产品的技术指标，模型见图2.1。 下游企业需要下游企业需要研究开发研究开发 生产生产 营销信息与反馈营销信息与反馈本企业本企业 下游企业下游企业图2.1 前向一体化合作开发模式模型（1）2010-（1）前向一体化合作开发模式）前向一体化合作开发模式n降低下游产品成本:原料直接影响产品的成本，下游企业往往对原料提出要求以降低下游产品成本，模型同图2.1。n推广本企业新产品开发下游新产品：化学工业能使用有限的原料创造出丰富多彩的产品。模型如图2.2所示。 研究
63、开发研究开发 生产生产 营销信息与反馈营销信息与反馈开发下游企业产品开发下游企业产品本企业本企业 下游企业下游企业图2.2 前向一体化合作开发模式模型（2）2010-（2）后向一体化合作开发模式）后向一体化合作开发模式n后向一体化合作开发模式是指化工企业与上游供应商合作开发新产品的模式。模型见图2.3。研究开发研究开发 生产生产 营销信息与反馈营销信息与反馈上游供应商上游供应商上游企业上游企业 本企业本企业 图2.3 后向一体化合作开发模式模型（1）2010-（2）后向一体化合作开发模式）后向一体化合作开发模式n改善原料质量和性能（技术指标）:原料直接影响产品的性能和质量，通过改变原料来改变企
64、业产品的性能。 n降低产品成本:原料直接影响产品的成本，化工企业往往对原料提出要求以降低自己产品成本。 n应用供应商新产品开发新产品:供应商常常向化工企业推介新材料、新能源、新设备、新工艺等，帮助化工企业应用并共同开发新产品，化工企业要紧紧抓住这些机会开发合适的产品。模型如图2.4。 研究开发研究开发 生产生产 营销信息与反馈营销信息与反馈供应商新产品供应商新产品上游企业上游企业 本企业本企业 图2.4后向一体化合作开发模式模型（2）2010-(3) 横向一体化合作开发模式横向一体化合作开发模式n横向一体化合作开发模式是指化工企业之间做开发新产品的模式。任何一个化工企业都不可能占有所有的优势，
65、化工企业之间优势互补，合作开发新产品，共同占领市场。图2.5表示了研究领域合作开发下游企业需要产品的模型。 研究开发研究开发 生产生产 营销信息与反馈营销信息与反馈开发下游企业产品开发下游企业产品本企业本企业 下游企业下游企业图2.5 横向一体化合作开发模式模型2010-(4) 过程一体化开发模式过程一体化开发模式n过程一体化开发模式是指化工产品开发阶段就采用研究、设计、制造、营销、采购、财务、供应商及用户介入、参与的并行工作小组方式，对全过程一体化管理。模型见图2.6。 上上游游企企业产品业产品创新构思创新构思研究与开发研究与开发设计设计制造制造市场销售市场销售下游企业需要下游企业需要上游企
66、业上游企业 本企业本企业 下游企业下游企业图2.6 过程一体化开发模式模型2010-(5) 混合一体化合作开发模式混合一体化合作开发模式n混合一体化合作开发模式是指在化工产品开发过程中不局限于单独采用上述任何一种形式，而根据需要采取两种或两种以上混合的模式。如图2.7。 上上游游企企业产品业产品创新构思创新构思研究与开发研究与开发设计设计制造制造市场销售市场销售下游企业需要下游企业需要上游企业上游企业 本企业本企业 下游企业下游企业 横向企业横向企业 图2.7混合一体化合作开发模式2010-（6）合作开发的形式）合作开发的形式n合作开发一般以战略联盟的形式进行。联盟的形式是多种多样的，主要有合
67、资、研究与开发协议、合作生产营销、相互持股等，也有的是长期供应协议。有些联盟是明确的，有些则不明确，但事实均存在。联盟有些比较紧密，有些比较松散，它与各方的投入及收益等有关。2010-2.2.4 技术经济资料进行收集技术经济资料进行收集n如讲座一中所述，尽量利用这些资料进行设计。2010-2.3 分子结构设计分子结构设计n2.3.1 引言n2.3.2 特性评估方法n2.3.3 优化确定分子结构n2.3.4 小结2010-2.3 分子结构设计分子结构设计 选题和立项之后如果新产品分子结构未确定，还需要进行分子结构设计。如下例子：n具有所要求性质的高分子,如:密度、玻璃化转化温度、对水的吸收率；n
68、在低压和规定的温度下沸腾和冷凝的制冷剂，且他们不与臭氧发生反应；n能输送像墨水颜料和涂料之类固体的溶剂，其挥发快，有事无毒和环境友好的；n用于液-液萃取、萃取精馏或恒沸精馏的溶剂；n作为药物的大分子，如作为抗体的蛋白质，它们是Y-型的多畴蛋白质，其以极精确的选择性与特定抗原或接受体结合；n用于暖手器的溶质，在低温下仍保持过饱和，只有当激活时才结晶放热。2010-2.3.1 引言引言n要对化学品和化学品混合物性质的技术指标进行更量化的确定。 n产品开发工作常常与研究和开发小组的发现密切相关。 n当设计产品时，常常可以得到其估算方法。n然而，对于药品、蛋白质等性质通常不使用估算的方法，由实验室中的
69、实验来确定。2010-2.3.2 特性评估方法特性评估方法n分子结构设计的理论方法要求精确估算物理性质和传递性质。这些一般是从热力学和传递现象的基本原理出发，运用分子模拟推导得到的。 n在近几年中，物质性质的信息系统已能广泛地从计算机软件包中得到。对于那些数据库中不存在的组分，用估算的方法或者实验数据回归的方法确定各组分的常数和参数。 2010-2.3.2 特性评估方法特性评估方法n（1） 计算机数据库 n（2） 性质估算n（3） 聚合物性质估算 n（4） 微观模拟2010-（1） 计算机数据库计算机数据库 n纯组分的数据库可看作数据记录收集，每一组都包含某纯化学品的各种常数和参数（如，临界性
70、质（Tc、Pc、Vc），常压沸点（Tnbp）、蒸汽压系数、热量系数，偏心因子等等）。 n当系统中没有贮存某种化学组分的物性常数和参数数据时，大多数物性信息系统都有回归实验数据的程序（例如蒸气压表、液体密度表和作为温度函数的热容）。n当只能获得不充分的实验数据时，常常是利用有限数据（如常压沸点），由程序提供基ben分子结构，用基团和键贡献法进行估算的物性。 这些方法在产品和过程设计的早期阶段，在实验室这些方法在产品和过程设计的早期阶段，在实验室或中试研究开始前是特别有用的。或中试研究开始前是特别有用的。2010-（2） 性质估算性质估算n每一个物质性质的信息系统都有一组广泛的子程序，通过回归确定
71、蒸汽压方程（如扩展的Antoine方程）、热容方程等的参数和估算得到热物理和传递性质。n在确定化学混合物的状态（呈平衡的相）和它的性质（密度、焓、熵等）时，调用后一类子程序。当计算相平衡时，需要每一相中组分逸度。 2010-（2） 性质估算性质估算n一般地，用键或基团贡献法来估算纯组分的常数和参数时，要利用设计者提供的化学组分的分子结构，例如，如下所示，三氟丙烯：n这里，除氢以外的所有原子被编上号，与每一个碳原子和相邻的编号原子结合的键可指定如下：2010-原子1原子2键型编号类型编号类型1C2C双键2C3C单键3C4C单键3C5F单键3C6F单键 可以估算三氟丙烯与其他化学组分形成的溶液中的
72、活度系数，用于其相平衡的计算。 2010-n对于某个特定的性质，可使用下面的一种进行计算：和（3） 聚合物性质估算聚合物性质估算式中ni是聚合物“重复单元”中i基团的数目，N是在“重复单元”中的基团类型数，Ai是与基团i有关的贡献值，Bi是基团i的分子质量，d是每种被估算性质的指数 2010-（3） 聚合物性质估算聚合物性质估算n例2.1 用下面的基团贡献值(Van Krevelen，1990)估算“重复单元”为(CH2-CHCl)的聚氯乙烯的玻璃转化温度Tg。基团A iB iCH2270014CHCl2000048.5解：解：这与实验室值这与实验室值365K(Van Krevelen，197
73、2，114页页)相比较，吻合得非常好。相比较，吻合得非常好。提醒：当使用性质估算法时，特别是基团提醒：当使用性质估算法时，特别是基团-和键和键-贡献法时，必须注贡献法时，必须注意避免和实验值有较大的偏差，特别是当分子、温度和压力与所用意避免和实验值有较大的偏差，特别是当分子、温度和压力与所用估算方法的参数的条件有重大差异时。估算方法的参数的条件有重大差异时。2010-（4） 微观模拟微观模拟n两种比基团-键-贡献法更基础更本质的方法被越来越多地用来改进热物理和传递性质的估算。n这涉及到相互作用分子的小聚集群（典型地1001000）的分子动力学和Monte-Carlo模拟，通常称之为微观模拟。n
74、Monte-Carlo模拟 2010-（4） 微观模拟微观模拟n在Monte-Carlo模拟中，通过按要求的概率分布随机移动分子，使分子系统的能量达到最小。在每一次移动后，计算每一个分子的能量。当总能量减少时，这次移动被接受，分子重新分配。继续移动，直到达到平衡。至于分子动力学模拟，则提供势函数。在收敛后，通过取平均值计算平衡状态下的热物理性质。Monte-Carlo法，对计算热物理性质，包括相平衡特别有效，Rowley（1994）对此进行了详细的阐述。2010-2.3.3 优化确定分子结构优化确定分子结构n分子结构设计是建立在精确的性质估算方法上的。n当估算方法足够精确时，调节分子结构中的原
75、子和基团，使性质计算值与指定值之间的差值的平方和最小：这里里是由是由设计者指定的一系列目者指定的一系列目标性性质p中的中的j性性质。这一最小化一最小化过程通常在程通常在规定定边界的界的约束下完成；例如：束下完成；例如：和和2010-2.3.3 优化确定分子结构优化确定分子结构n这里ni是分子j中的i类基团数，N是分子j中的分子基团的类型数。还有一点是需要明确的，即当一个新的分子基团被添加到一个分子上时，该分子可得到的自由键的附加数为零，而当将重复单元加到聚合物分子上时，自由附加数为2。 n这可以通过计算自由附加数来检验：n这里vi个是与分子基团I相关的化合价，或自由键数。 2010-2.3.3
76、 优化确定分子结构优化确定分子结构-制冷剂设计制冷剂设计n（1）制冷剂设计n令人满意的致冷剂具有以下特点： n1）蒸发潜热很大，当移除一定的热负荷时可降低其流量；n2）低粘度，减少循环动力；n3）低凝固点，降低凝固的可能性。他的工作导致了人们对许多含C、Cl、F原子被称之为氟利昂的致冷剂的开发。 n下面考虑设计一种新的致冷剂产品的问题。指定一定的温度，在这个温度下用蒸发器吸收热量并从致冷剂的冷凝器中放出热量。从选择k个基团开始，每一个基团可在候选的致冷剂中出现n次直到nmax次，各种不同分子设计的数目为：n式中Ck，n是被同时取了n次的k基团的结合数（Joback and Stephanopo
77、ulos，1989）。2010-2.3.3 优化确定分子结构优化确定分子结构-制冷剂设计制冷剂设计n例2.2 希望设计一种制冷剂，能在低至30oF(-1.1 oC)的温度下吸热，并在高达110 oF(43.3oC)的温度下放热。对于本设计，考虑13种分子基团：CH3，CH2，CH，C，OH，O，NH2，NH，N，SH，S，F和Cl。当这些基团结合时，应当避免往往会聚合的具有双键和三键的化合物。含氟和卤素的化合物也应当避免，因为它们往往有易爆炸性。要求的制冷剂应当具有如下特性：n（1）蒸汽压ps-1.11 oC 1.4bar，以保证若发生泄漏是从冷冻系统向外泄漏（而不是真空操作，空气和水蒸气能向
78、系统内渗透）；n（2）ps43.3oC 18.4kJ/mol，以减少制冷剂的需要量（这里18.4kJ/mol是1987年禁用的氟利昂12的蒸发潜热）；n（4）液体热容值，cpl21.1oC 323K和Tm223K，这里Tm是熔点温度。注意，因为对298K时的标准蒸发潜热HV没有设限，应使其最小化，以缩短干燥时间和降低加热公用工程的成本。 2.3.3 优化确定分子结构优化确定分子结构溶剂设计溶剂设计-性质估算性质估算2010-n下面的集团贡献值从Van Krevelen和Hoftyzer（1976），Hasen和Beerbower（1971）以及Constantiou和Gani（1994）的文献
79、中取得。基团化合价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-23.89675.6
80、622560800-200020.4128.16-0.672-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 优化确定分子结构优化确定分子结构溶剂设计溶剂设计-基团贡献值基团贡
81、献值2010-2.3.3 优化确定分子结构优化确定分子结构溶剂设计溶剂设计-基团贡献值基团贡献值n为估算常压沸点、熔点和298K时的标准汽化潜热，可利用下列各式：这里Tb0=204.2K，Tm0=102.4K，=6.829kJ/mol。2010-2.3.3 优化确定分子结构优化确定分子结构溶剂设计溶剂设计-基团贡献值基团贡献值nSinha和合作者（1999）构成了混合-整数非线性规划，该程序通过最小化确定了三种满足给定约束条件的化合物。它们是：化合物甲乙酮35.5354.9193.29.661.59二乙酮40.1385.7206.68.212.37乙烯醇单甲醚47.6387.4200.211.
82、5-0.652010-2.3.4 小结小结n本部分集中讲述了搜寻某些分子的方法，这些分子要满足设计团队为新化学产品提出的热物理和传递性质的技术要求。重点是用于物性估算的基团贡献法。n关于分子模拟方法，该法正在获得人们的青睐，这里仅作简单的介绍，但没有应用于所举例的例题中。在聚合物重覆单元、致冷剂、去除印刷油墨的溶剂等这些设计例子中，都使用了优化的方法来找出最佳的分子结构。2010-2.4 化工过程开发实验的实验设计与数据处化工过程开发实验的实验设计与数据处理理n实验设计方法为安排和组织实验的方法，有了正确的实验设计，才能以较少的实验次数，较短的时间，获得较多和较精确的信息，多快好省地完成实验任
83、务。一个好的实验应包括三个方面：n实验的设计 首先要明确实验的目的，确定要考察的因素以及它们的变动范围，然后根据实验目的制定出合理的实验方案。n实验的实施 按照设计出的实验方案，实地进行实验，取得必要的数据结果。n实验结果的分析 对实验所得的数据进行分析，判定所考察的因素中哪些是主要的，从而确定出最好生产条件，即最优方案。这一过程称为实验的优化，简称优选法。2010-n常用的实验设计方法有多种，从处理的因素角度出发，可将实验设计分为单因素实验法和多因素组合实验设计两类。n单因素实验中，每次只变动一个因素，而将其他因素暂时只固定在某一适当水平上，待找到了第一个因素的最优水平后，再依次考察其他因素
84、。该方法的主要缺点是当因素之间存在交互作用时，实验工作量大，实验结果可靠性差；且第一个实验点的选择比较重要，选择不当会导致最优条件得不到。n多因素组合实验法，是将多个需要考察的因素，通过数理统计的方法组合在一起同时实验，而不是一次只变动一个实验条件，因而有利于揭示各因素间的交互作用，可以迅速找到最优条件。2.4 化工过程开发实验的实验设计与数据处化工过程开发实验的实验设计与数据处理理2010-2.4 化工过程开发实验的实验设计与数据处理化工过程开发实验的实验设计与数据处理n2.4.1 单因素实验优选n2.4.2 多因素实验中的正交设计法n2.4.2.1 正交法n2.4.2.2 正交实验设计结果
85、的直观分析n2.4.2.3 正交实验结果的方差分析n2.4.2.4 用计算机进行正交实验设计及统计分析2010-2.4.1 单因素实验优选单因素实验优选n在单因素实验中，只考虑对指标影响最大的因素，其余因素不变，具体步骤为：n确定评定结果好坏的方法和影响指标的主要因素，用数学语言抽象地说，就是建立以x为影响因素的指标函数F(x)；n估计包含最优点的实验范围，即x的取值范围为axRBRERCRD，所以各因素从主到次的顺序为：A（反应温度）、B（反应时间）、E（加碱量）、C（压力）、D（催化剂）。 有时空白列的极差比其他所有因素的极差还要大，说明因素之间可能存在不可忽略的交互作用，或者漏掉了对实验
86、结果有重要影响的其他因素。所以，在进行结果分析时，最好将空白列的极差一并计算出来，以便从中分析问题。2010-(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析单指标正交实验设计及结果的直观分析 优方案是指在所做的实验范围内，各因素较优的水平组合。各因素扰水平的确定与实验指标有关，若指标越大越好，则应选取使指标大的水平，即各列中Ki（ki）中最大的那个值对应的水平；反之，若指标越小越好，则应选取使指标小的那个水平。 在本实验中，实验指标是苯酚的收率，指标越大越好，故各因素的水平做如下选择。 反应温度：选A2，320。 反应时间：选B2，30min。 加碱量：选E1，80L。 压力：选C1，200atm。
87、 由于两种催化剂无差别，可根据经济、方便的原则进行选择，若选由于两种催化剂无差别，可根据经济、方便的原则进行选择，若选D1，则最优设计为则最优设计为A2B2C1D1E1。 在实际确定优方案时，还应区分因素的主次，对于主要因素，一定要在实际确定优方案时，还应区分因素的主次，对于主要因素，一定要按有利于指标的要求选取最优的水平，而对于不重要的因素，由于其水平按有利于指标的要求选取最优的水平，而对于不重要的因素，由于其水平的改变对实验的结果影响较小，则可以根据有利于降低消耗、提高效率等的改变对实验的结果影响较小，则可以根据有利于降低消耗、提高效率等目的来考虑别的水平。目的来考虑别的水平。n（6）优方
88、案的确定）优方案的确定 2010-(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析单指标正交实验设计及结果的直观分析n（7）进行验证实验，作进一步的分析 上述优方案是通过理论分析得到的，还应进一步进行实验验证。首先，将优方案A2B2C1D1E1与 正 交 表 中 最 好 的 第 7号 实 验A2B2C1D2E2作对比实验，若方案A2B2C1D1E1比第7号实验结果更好，通常就认为A2B2C1D1E1是真正的优方案，否则第7号实验A2B2C1D2E2就是所需的优方案。若出现后一种情况，一般来说可能是没有考虑交互作用或者实验误差较大所引起的，需要作进一步研究，可能还有提高实验指标的潜力。2010-(1)单
89、指标正交实验设计及结果的直观分析单指标正交实验设计及结果的直观分析n上述优方案是在给定的因素和水平的条件下得到的，若不限定给定的水平，有可能得到更好的实验方案，所以当所选的因素和水平不恰当时，该优方案也有可能达不到实验目的，不是真正意义上的优方案，这时就应该对所选的因素和水平进行适当的调整，以找到新的更优方案。可将因素水平作为横坐标，以它的实验指标的平均值ki为纵坐标，画出因素与指标的关系图趋势图。通过趋势图可以对一些重要因素的水平作适当的调整，选取更优的水平，再安排一批新的实验。2010-(2) 多指标正交实验设计及其结果的直观分多指标正交实验设计及其结果的直观分析析n在前的问题中，实验指标
90、只有一个，考虑起来比较方便，但在实际问题中，需要考虑的指标常常有多个，称为多指标实验。n由于指标多，指标间往往相互矛盾，需要考虑各项指标兼顾的最优或较优的因素水平组合。n多指标实验的数据处理方法有多种，分别为综合平衡法和综合评分法。2010-nA综合平衡法 综合平衡法是先对每个指标分别进行单指标的直观分析，得到每个指标的影响因素主要顺序和最佳水平组合，然后根据理论知识和实验经验，对各指标的分析结果进行综合比较与分析，得出较优方案。 对多指标的问题，要做到真正好的综合平衡，有时是很困难的。这是综合平衡法的缺点。下面要介绍的综合评分法，在一定意义上来讲，可以克服综合平衡法的这个缺点。nB综合评分法
91、 综合评分法就是给指标打分求和，从而转化为一个指标（总分），用单一指标代表实验结果。这个方法的关键在于评分的方法，应尽可能合理。通常采用“加权平均法”，即根据各个指标的重要性来确定相应指标的“权”，然后计算出每个实验结果的总分。如式（2.34）所示。(2) 多指标正交实验设计及其结果的直观分析多指标正交实验设计及其结果的直观分析得分得分第第1个指标值个指标值第第1个指标的个指标的“权权”+第第2个指标值个指标值第第2个指标的个指标的“权权”+ （2.34）2010-(3)水平数目不等的正交实验设计水平数目不等的正交实验设计n在实际问题中，由于具体情况不同，有时实验中所考察的因素水平数不能完全相
92、等，这就是混合水平的多因素实验问题。n解决水平数目不等的正交实验设计方法主要有两种：n第一种为利用规格化的混合水平正交表安排实验；n第二种是采用拟水平法，即把水平不等的问题化成水平数相同的问题来处理。2010-(3)水平数目不等的正交实验设计水平数目不等的正交实验设计nA.用混合水平正交表安排实验 n混合水平正交表就是各因素的水平数不完全相等的正交表，这种正交表有好多种，比如L8（4124）就是一个混合水平的正交表，见表4-10。nL8（4124）表有8行，5列，表示用这张表要做8次实验，最多可安排5个因素，其中一个是4水平的（第1例），四个是2水平的（第2列至第5列）。2010-(3)水平数
93、目不等的正交实验设计水平数目不等的正交实验设计nL8（4124）表（表4-10）有两个重要特点。n第1列中各数字出现的次数是相同的。如第1列中4个数字，1、2、3、4，它们各出现两次；第2-5列，都只有两个数字，它们各出现4次。n每两列各种不同水平搭配出现的次数是相同的。但要注意一点：每两列不同水平的搭配的个数是不完全相同的。比如，第1列是4水平的列，它和其他任何一个2水平的列放在一起，由行组成的不同数对一共有8个：（1,1），（1,2）（2,1），（2,2），（3,1），（3,2），（4,1），（4,2），它们各出现一次第2列到第5列都是2水平列，它们之间的任何两列的不同水平的搭配共有4个：
94、（1,1），（1,2），（2,1），（2,2），它们各出现两次。2010-(3)水平数目不等的正交实验设计水平数目不等的正交实验设计表2.6 正交表L8（4124） 列号实验号12345列号实验号12345111111531212212222632121321122741221422211842112 由上述两点可以看出，用这张表安排混合水平的实验时，由上述两点可以看出，用这张表安排混合水平的实验时，每个因素的各水平之间的搭配也是均衡的。可以从关书籍中查每个因素的各水平之间的搭配也是均衡的。可以从关书籍中查取符合使用要求的混合水平正交表。取符合使用要求的混合水平正交表。2010-(3)水平数目
95、不等的正交实验设计水平数目不等的正交实验设计nB拟水平法 拟水平法是对水平数较少的因素虚拟一个或几个水平，使它与其他因素的水平数相等。 例如，一个实验中有3个因素，A因素有2个水平，B，C因素都是3水平的因素。如果直接使用混合水平正交表就要用L18（2137）混合表，需要做18次实验，实际上是全面实验。为了减少实验次数，可以用L9（34）安排实验。在A因素的两个水平A1、A2中选择一个水平，例如选择A1水平，然后虚拟一个A3水平，A3水平与A1水平实际上是同一个水平，这样A因素形式上就有3个水平，可用L9（34）安排实验了。 拟水平法不能保证整个正交表均衡搭配，只具有部分均衡搭配的性质。这种方
96、法不仅可以对一个因素虚拟水平，也可以对多个因素虚拟水平，使正交表的选用更方便、灵活。2010-(4) 有交互作用的正交实验设计及其直观分有交互作用的正交实验设计及其直观分析析n在多因素实验中，各因素不仅各自独立地起作用，而且各因素还经常联合起来起作用，亦即不仅各个因素的水平改变时对实验指标有影响，而且各因素间的交互作用对实验也有影响。需要注意交互作用的判别、自由度确定和正交表的选用。2010-2.4.2.3 正交实验结果的方差分析正交实验结果的方差分析n用比较极差的大小的方法来分析各因素的影响，是一种定性的方法。直观分析法具有简便、计算工作量小的优点，但它无法判断因素的影响是否显著，不能给出实
97、验误差大小的估计，在实验误差较大时，往往可能造成误判。而要做定量的显著性检验，就要借助于方差分析。n方差分析的基础是总变差平方和可以分解为各因素效应变差和与误差效应的平方和。正交将变差平方和分解，并固定到正交表的每一列上。安排因素的列，其变差平方和代表了因素效应的大小；空列的变差平方和可以用来估计实验误差。因此，正交实验数据的方差分析计算较简便，比直观分析法估计实验误差、判断因素效应的精确度高。2010-2.4.2.3 正交实验结果的方差分析正交实验结果的方差分析n(1)总变差的分解n(2) 分析方法n(3) 适应范围2010-(1)总变差的分解总变差的分解以方差分析中的总偏差的平方和分解公式
98、为参照，正交表各列的偏差平方和及总偏差平方和分别为:式中，式中，T为数据总和；为数据总和；n为实验总个数；为实验总个数；q为水平重复数。如为水平重复数。如L9（34），），n9，q3，则，则 （2.37） （2.38）即即（2.39）2010-(2) 分析方法分析方法n1）随机误差 若表中有空列，则其偏差平方和为随机误差平方和，即:n2）自由度 各列自由度为该列水平重复数减1，而总自由度为各列自由度之和，即:式中，rj为第j列水平数。式（2.43）表示自由度是实验总次数减1。n3）方差 方差的计算方法可参考有关书籍。（2.40） （2.41） （2.42） （2.43） 2010-(2) 分析
99、方法分析方法n4）F-检验 方差分析方法仍然是F-检验，方法是将随机误差方差作分母，因素的方差为分子，进行单边检验。F的计算式为n然后将所得的值与临界值比较判断，即n式中，F为统计量；因、f因为某因素的偏差平方和与自由度；e、fe为随机误差与随机误差自由度；a为临界值。 （2.44） （2.45） 2010-(2) 分析方法分析方法n若Fj1,说明该因素对结果没有影响，此时应将两偏差平方和及自由度分别合并得到新的偏差平方和及自由度 、 ，即（2.46） （2.47） 2010-(3) 适应范围适应范围n若无空列，则无误差列，不能进行方差分析。此时可进行重复实验，但一般宁愿改用更大的正交表。20
100、10-2.4.2.4 用计算机进行正交实验设计及统计分析用计算机进行正交实验设计及统计分析n随着计算机技术的发展，已有一些计算机软件能用于实验设计和实验数据处理，应用比较广泛的有SPSS和STAT ISTICA。SPSS（Statistical Package for the Social Science，社会科学统计软件包）是世界著名的统计软件之一，目前SPSS公司已将它的英文名称更改为Statistical Product and Service Solution。SPSS软件不仅具有包括数据管理、统计分析、图表分析、输出管理等在内的基本统计功能，而且用它处理正交试验设计中的数据程序简单，
101、分析结果明了。该软件由多个模块组成，其中联合分析模块（SPSS Conjoint）具有正交设计功能。2010-2.5 化工过程放大化工过程放大n2.5.1 反应过程放大的基本方法n2.5.2 冷模实验n2.5.3 中 试2010-2.5.1反应过程放大的基本方法反应过程放大的基本方法n对于化学工业过程来说，将实验室研究成果转化为生产规模的技术活动，称为化工过程放大。化工过程有两种类型，一是传递过程，包括传动、传热和传质过程，属于没有物质组成变化的物理过程；二是化学反应过程，属于有组分变化的化学过程。这些过程是在设备中实现的，所以过程放大就是设备能力的放大。过程放大一般经历下列阶段：2010-2
102、.5.1反应过程放大的基本方法反应过程放大的基本方法实验室研究阶段；小量试制阶段；按预定工艺规模进行概念设计；中试，着重解决概念设计中遇到的问题；编制工艺软件包；按要求的规模进行工程设计；工业装置的建设和投产。2010-2.5.1反应过程放大的基本方法反应过程放大的基本方法n化工过程采用的模拟放大方法有：经验放大法、数学模型法、部分解析法和相似放大法。无论哪一种方法在应用时都比较复杂，而且各有其适应的对象和条件，并不是任一过程都可以取四种方法之一，就可以获得简捷而有效的放大。有时为了取得良好的开发效果，对于一些较复杂的过程往往还需考虑用几种方法中和，因此，在化工过程开发中如何选择合适的开发放大
103、方法，就成为优化开发过程的一项重要工作。n在化工过程开发中，反应过程的放大是关键，因此，重点以化学反应过程的放大加以说明。2010-2.5.1反应过程放大的基本方法反应过程放大的基本方法n2.5.1.1 逐级经验放大n2.5.1.1.1 研究方法n2.5.1.1.2 基本特征n2.5.1.2 数学模型法n2.5.1.2.1 研究方法n2.5.1.2.2 基本特征2010-2.5.1.1 逐级经验放大逐级经验放大n逐级经验放大是一种经典的放大方法，曾被长期广泛的采用，至今仍有较大的应用范围。n所谓逐级经验放大，就是通过过小型反应器进行工艺试验，优选出操作条件和反应器形式，确定所能达到的技术经济指
104、标。据此再设计和制造规模稍大一些的装置，进行所谓模型试验。根据模型试验的结果，再将规模增大，进行中间工厂试验（中试），有中间试验的结果，放大到工业规模的生产装置。 2010-2.5.1.1.1 研究方法研究方法n化学反应过程的开发主要解决如何合理选择反应器的形式，确定最佳工艺条件和反应器的放大。逐级经验放大是通过模型试验取得设备选型、条件优化和设备放大的信息结论。一方面反映了设备由小型经中型再到大型的逐级放大的过程。另一方面也表明了开发过程的经验性质，即开发时依靠经验探索逐步来实现的。具体过程一般按下述几个步骤进行。2010-2.5.1.1.1 研究方法研究方法n(1) 反应器的选型 反应器的
105、选型通常都在小试中进行。采用不同形式和结构的反应器，在实验室对所开发的反应过程进行研究。从实验结果的优劣来确定反应器形式。试验时主要是考察设备的结构和形式对反应的转化率和选择性的影响。因此又称为“结构变量试验”。n(2) 优化工艺条件 在设备选型试验后就会选定的小型试验设备中进行优化工艺条件试验。试验时主要是考察各种工艺条件对反应的转化率和选择性的影响。并从中筛选出最佳工艺条件。以改变工艺操作条件，观察指标的变化，故又称为“操作变量试验”。2010-2.5.1.1.1 研究方法研究方法n（3） 反应器放大 逐级经验放大法的反应器放大研究是采用规模装置的方式进行逐级放大的，每放大一级都必须重复前
106、一级试验确定的条件，考察放大效应，并取得设备放大的有关数据和判断。原则上由实验室小试规模放大到生产规模应经过若干级，用调整工艺条件或改变设备结构等措施来抑制放大效应。由于是重点考察反应器的几何尺寸改变后，对反应的转化率和选择性的影响。故又称为“几何变量试验”。 通过上述三种独立的变量试验，基本上可以取得化工过程通过上述三种独立的变量试验，基本上可以取得化工过程开发所需要的设备形式、最优工艺条件，以及放大的判据和开发所需要的设备形式、最优工艺条件，以及放大的判据和数据，为建立生产装置提供可靠的数据。数据，为建立生产装置提供可靠的数据。2010-2.5.1.1.2 基本特征基本特征n（1）只综合考
107、察输入变量和输出结果的关系，未能深入研究过程的内在规律 。n（2）试验次序人为规定，并非科学合理的研究程序 。n（3）放大过程是外推的，并不一定完全可靠 。 以上特征是从研究方法本身的利与弊来讨论逐级经验放以上特征是从研究方法本身的利与弊来讨论逐级经验放大法的。如果考虑化工过程开发已积累的实践经验以及化大法的。如果考虑化工过程开发已积累的实践经验以及化学工程学科的发展和日趋成熟，从事研究和开发的工作人学工程学科的发展和日趋成熟，从事研究和开发的工作人员已可运用理论分析和经验判断解决化工过程开发的许多员已可运用理论分析和经验判断解决化工过程开发的许多问题，从开发程序上可以弥补经验放大法的缺陷，故
108、经验问题，从开发程序上可以弥补经验放大法的缺陷，故经验放大法至今仍然被广泛使用。放大法至今仍然被广泛使用。2010-2.5.1.2 数学模型法数学模型法n数学模型法是随着化学反应工程学和计算机科学技术的进步，在20世纪60年代发展起来的一种比较理想的反应器放大方法。n从放大原理看来，它并不需要通过试验去取得反应器放大的判据或数据，而是在充分认识过程的基础上，运用理论分析，找到描述过程运行规律的数据模型与实际过程等效，既可用于反应器的放大计算。n数学模型方法所建立的数学模型是否使用取决于对反应过程实质的认识，而认识又来源于实践，因此，试验仍然是数学模型法的主要依据。但是，这与逐级经验放大无论是方
109、法或是目的都截然不同。2010-2.5.1.2.1 研究方法研究方法n逐级经验放大方法从方法论的角度来看，还有一个较严重的缺陷。工业反应器中所发生的过程有化学反应过程和传递过程两类。在设备自小型而被放大的过程中，化学反应的规律并没有发生变化，设备尺寸主要影响到流动、传热、传质等过程的规律。逐级经验放大法不将化工过程分解为几个子过程分别加以研究，并在最后予以综合。n数学模型的方法首先将工业反应器内分解为化学反应过程和传递过程，然后分别地研究化学反应规律和传递过程规律。如果经过合理的简化，这些子过程都能用方程表述，那么工业过程的性质、行为和结果就可以通过方程的联立求解获得。 2010-2.5.1.
110、2.1 研究方法研究方法n这一步骤可称作过程的综合，以表示它是分解的逆过程。数学模拟法一般包括下列步骤：n1）实验室研究化学反应规律 n2）大型冷漠试验研究传递过程规律 n3）建立数学模型 n4）通过中试检验数学模型的等效性 检验数学模型的方法通常是建立中试装置来进行中试，检验数学模型的方法通常是建立中试装置来进行中试，将中试结果与数学模型在相同条件下的计算结果对照，如果将中试结果与数学模型在相同条件下的计算结果对照，如果两者相同或十分接近，则证明该数学模型与实际过程等效，两者相同或十分接近，则证明该数学模型与实际过程等效，即可直接得出工业反应器的各种性能的结论，进行工业反应即可直接得出工业反
111、应器的各种性能的结论，进行工业反应器的设计。否则，应修正数学模型后再进行检验。器的设计。否则，应修正数学模型后再进行检验。 2010-2.5.1.2.2 基本特征基本特征n1）过程分解 n数学模型法最明显的特征是分解过程，即将化学与物理交织在一起的复杂反应过程分解为相互独立或联系较少的两个子过程：化学过程（实验室研究）与物理过程（大型冷模实验），分别研究各子过程本身特有的规律，再将各子过程联系起来（小型试验、建立数学模型、中间试验），以探索各子过程之间的互相影响和总体效应。这样做的优点是由简到繁，先考察局部，后研究整体。2010-2.5.1.2.2 基本特征基本特征n2）简化过程运行规律，建立
112、等效模型 n由于化工过程的复杂性，不简化过程规律，则不易建立实用的数学模型。故数学模型法研究的侧重点，还在于找到简化过程的合理途径。 n经过简化后建立起来的数学模型，并不要求理论规律上的完全模拟，只要求解结果与实际过程运行结果的偏差在允许的范围之内即可，即应建立等效模型。 2010-2.5.1.2.2 基本特征基本特征n3）建立和检验数学模型 n实验研究是数学模型法中不可缺少的重要环节。其目的不是一般的考察因素，而是建立数学模型和检验数学模型。数学模型法中的实验研究对实验装置、实验操作以及测量精度有较高的要求。n从方法论的角度来看，数学模型法与经验放大法是完全不同的两种开发放大方法。前者是从了
113、解过程的运行规律着手，建立数学模型作为放大依据；后者则把过程当成“黑箱”看待，靠综合考察获得的试验结果作为放大的依据。n数学模型法具有经验放大法不可替代的优点，他可以实现高倍数放大，缩短开发周期，减少人力和物力的消耗，但建立正确的数学模型难度较大。虽然当前完全运用数学模型法来开发放大的化工生产过程的实例还不多见，但该方法将是化工过程技术开发的主导方向。 2010-2.5.2 冷模实验冷模实验n利用空气、水和沙子等惰性物料代替化学物料在实验装置或工业装置上进行的实验为冷模实验。n冷模实验是以模型与原型相似为基础，运用相似原理来考察生产设备内物料的流动与混合，以及传热和传质等物理过程，寻找产生放大
114、效应的原理和克制方法，为过程的放大或建立数学模型提供依据。n例如利用空气和水并加入示踪剂可进行气液传质的实验研究，为气液传质设备的设计和改造提供参数；n利用空气和沙进行流态化的实验研究，为流化床反应器设计提供依据。 2010-2.5.2 冷模实验冷模实验n冷模实验法的优点如下。n冷模实验结果可推广应用于其他实际流体，将小尺寸实验设备的实验结果推广应用于大型工业装置，能够在物料种类上“由此及彼”在设备尺寸上“由小见大”。n直观、经济、用少量实验，结合数学模型法或量纲分析法，可求得各物理量之间的关系，使实验工作量大为减少。n可进行在真实条件下不便或不可能进行的类比实验，减少实验的危险性。 值得指出
115、的是，冷模实验结果必须结合化学反应的特点和热效应行为等，进行校正后才可用于工业过程的设计和开发。2010-2.5.2 冷模实验冷模实验n2.5.2.1 相似现象n2.5.2.2 相似理论 n2.5.2.3 相似特征数2010-2.5.2.1 相似现象相似现象n冷模实验是以相似理论为基础的，在化工过程中存在多种相似现象，这些现象有以下几种。n（1）几何相似 两个大小不同的体系，其对应尺寸具有相同的比例，一个体系中存在的每一个点，另一个体系中都有其对应点，使几何尺寸不同的两个体系形状相同。n（2）时间相似 在两个几何相似的体系中，任意两对应点间对应的时间间隔成比例，且比例常数与对应距离的比例常数相
116、等。n（3）运动相似 在几何相似的两个体系中，各对应点和对应时刻的速度方向相同、大小成比例。n（4）运动相似 在几何相似的两个体系中，各对应点承受的作用力方向相同、大小成比例。n（5）热相似 在两个几何相似的体系中，任意两对应点的温度相等。n（6）化学相似 在两个几何相似的体系中，任意两对应点的各种化学物质的浓度相等。2010-2.5.2.2 相似理论相似理论n（1）相似第一定律 彼此相似的现象一定具有数值相同的相似特征数。这是相似现象所具有的重要性质。由此定律出发，可引出相似现象的相似性质。n由于相似现象属于同一类现象，因此，可用相同的数学物理方程及单值条件来描述。n用来表述某种现象的一切量
117、，在相似空间中对应的各点、在时间上对应的各瞬间，各自互成一定的比例关系，即各相同量间有一定的相似倍数。n因受数理方程和性质的约束，相似倍数不是任意的，它们彼此之间相互约束。n对于彼此相似的现象，存在着相同数值的综合量，即相似特征数。 相似第一定律说明了进行实验时应测试哪些参数，即各相似特征数中包含的所有量。2010-2.5.2.2 相似理论相似理论n（2）相似第二定律 对同一类现象当单值条件相似时，并且由单值条件的物理量所组成的相似特征数（定性特征数）在数值上相等时，现象一定相似。相似第二定律叙述了相似现象应满足的条件，进行冷模试验时应遵循这些条件，即：n相似现象可以用同一个数理方程来描述；如
118、表2.7 名称符号定义意义应用阿基米德数Argl(-0)/2重力/摩擦力不同密度流体的流动阿累尼斯数E/(RT)活化能/热能反应速率恩斯坦数BOul/D0宏观运动的物质/返混的物质流动介质中的混合过程达姆克勒数IDIl/(ur)反应掉的物质/加入的物质达姆克勒数IIDII反应掉的物质/扩散的物质达姆克勒数IIIDIIIRmQl/(CpuT)反应热/对流传热量化学反应表表2.7 常用的无量纲特征数常用的无量纲特征数2010-达姆克勒数IVDIV反应热/传导的热量得拉格数CD(-0)/(u2)重力/动能多相流动欧拉数EuP/(u2)压力降/惯性力流体在重力场中的流动弗劳德数Fru2/gl惯性力/重
119、力搅拌、气体输送等伽利略数Gal3g2/u2重力/摩擦力流体在重力场中的流动格拉晓夫数Grl3g2T/u2密度差引起的浮力/摩擦力自然对流路易斯数LeSc/Pr热传导/扩散热质同时传递的过程努塞尔数Nul/热对流/热传导传热过程贝克莱数Pelupc/传热过程普朗特数PrCp/分子动量传递/热量传递传热过程雷诺数Relu/惯性力/粘性力流体流动施密特数Scl(D)分子动量传递/物质传递传质过程舍伍德数Shkl/D总传质/扩散传质过程韦伯数Weu2l/惯性力/表面张力气泡、雾化流体混合特征数H1u12/(2u22)两股流体动量比射流混合西勒数Q0.5l/(T)0.5D0.5IV催化剂中反应2010
120、-2.5.2.2 相似理论相似理论n单值条件一定相似，例如，几何条件相似、物理条件相似、边界条件相似；n相似特征数一定相等。n（3）相似第三定律 描述相似现象各种量之间的关系，通常可采用相似特征数（ ）之间的函数关系。即n定性相似特征数的个数等于物理方程中的变量数减去基本量纲数。n相似第三定律指明了如何整理实验结果，即可将实验结果整理成特征数关系式。2010-2.5.3 中中 试试n中试是中间工厂试验的简称，为介于小型工艺试验与工业装置之间的研究型试验，是实验室研究以及小试成果放大为工业生产规模之前的一种系统试验。一个新化工生产过程能否在工业规模上实现，它的开发期限有多长以及多达到的水平如何？
121、技术方面的关键问题之一即是放大问题，它贯穿于从小试验知道完成工业生产的整个过程之中，包括各级放大的方案和设备设计、具体的试验、实验结果的处理机应用等。完成中试后，化工过程还要取一个相对较大的安全系数才能放大到工业装置上。即使对过程传递机理及反应动力学研究得较为透彻的一些过程，用计算机进行数学模拟放大是有成效的，但是一个完善的数学模型也要经过多次实验验证后，才能用于工程设计。2010-2.5.3 中中 试试n2.5.3.1 中试的任务n2.5.3.2 中试和实验室研究及工厂生产的差异n2.5.3.3 中试的分类n2.5.3.4 中试应注意的几个问题n2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控制20
122、10-2.5.3.1 中试的任务中试的任务n中试对于过程的模拟比较接近实际生产情况，因此能反映出小试中许多观察不到的现象，有利于考察工程因素对于过程的影响。n中试的内容和任务随着研究对象和采用的开发放大方法以及对于试验的要求不同而有差别，主要有以下几项：n检验小试确定的工艺方法和工艺条件，以及工艺系统连续运转的可靠性、安全性；n考察过程放大中的问题，特别是反应过程中的“放大效应”问题；n验证模型与实际过程的等效性；n验证原料预处理方案，考核杂质的积累对过程的影响；n验证反应产物的后处理方案的可行性、分离技术和设备形式的适用性；n考察环境污染和安全卫生状况，研究防治措施；n考察物料对于设备材质的
123、腐蚀作用；n确定实际的消耗定额和技术经济指标；n提供一定量的产品供进一步加工应用考察；n发现工程问题，为工业设备的设计提供可靠的技术资料和技术数据。2010-2.5.3.2 中试和实验室研究及工厂生产的差异中试和实验室研究及工厂生产的差异n实验室研究与工厂生产之间存在巨大差异:n（1）原料纯度不同 n（2）对收率要求不同 n（3）设备不同 实验室中的化学反应一般在玻璃三口瓶中进行。而工业生产中，化学反应是在工业规模的设备中完成的。工业规模与实验室规模设备的主要差异有:n工业反应器一般耐高温、耐高压；n为保证压力，搅拌轴与反应器接口处要密封或润滑；n液体加料一般不用漏斗而用计量泵；n固体加料时多
124、用加料器；n测温时一般不用温度计多用热电偶；n过滤多用压滤机或真空抽滤机；2010-2.5.3.2 中试和实验室研究及工厂生产的差异中试和实验室研究及工厂生产的差异n萃取多用搅拌混合器或沉降分离器或逆流萃取设备；n精馏的塔型多用板式塔、塔釜多为管壳式蒸发器；n试验室玻璃设备大小往往可以随意、不十分严格；而工厂设备则需要与生产能力相平衡、与市场需要相适应，工厂设备要仔细计算、认真选择。n（4）工艺操作不同n反应时间 试验室研究对反应并不十分追求，而工业生产则要争分夺秒，以提高设备的利用率，节省能源。n加热方法 工厂常采用蒸汽加热，实验室常用电加热或明火加热。n反应热的转移 这在实验室不是什么问题
125、，通常反应器周围的空气就可以使系统的反应热自然冷却，必要时，冰浴、液氮冷却等方法都非常有效。但工业规模反应器的比表面积小，传热能力差，因此必须准确计算反应热，设计适当的冷却装置。如吸热反应则应提供恰当的加热措施。2010-2.5.3.2 中试和实验室研究及工厂生产的差异中试和实验室研究及工厂生产的差异n真空环境 实验室较为容易提供真空环境，简单的抽气泵、循环水泵、机械式真空泵可供选择。而工业规模生产不易提供足够的真空环境。n压力环境 实验室中，由于玻璃器皿不耐高温，常采用常压操作。即使需要高压环境，其高压气体进料可直接取自高压气瓶。而工业规模生产时却必须另行压缩处理。n气相反应的控制 实验室进
126、行气相反应时，流量和温度的控制较为困难，而工业上就很容易解决。n连续操作 实验室中不易进行，而工业上容易做到。n（5）废弃物的处理 实验室中，除少数剧毒物质以外，一般的废水可以直接排入下水道、废渣排入废料箱。而工厂中所有的排放物都必须符合环境保护的相关标准，必要时还需作特殊处理。2010-2.5.3.3 中试的分类中试的分类n由于中试费用相当大，所以确定合适的中试类型和规模非常重要。n（1）微型中试 微型中试是近几年发展起来的一种中试方法，伴随着放大理论的发展，若干研究相当透彻的过程，其放大系数已有把握达到103104。因此，出现了微型中试，微型中试的反应器体积为505000mL，物料处理量降
127、至405000mL/h，但是其规模足以维持连续操作，它可取得工业化设计所需数据，也可以直接根据实验分析结果拟合出比较可靠的数学模型以预测生产装置的性能与优化操作条件。微型装置投资少，操作灵活性大，也易于根据需要进行不同的组合改变流程，是一个发展方向。n（2）部分流程中试 化工流程一般包括原料处理、化学反应、产品处理、物料回收循环四大部分。一项新产品或新工艺的开发放大工作，并非上述所有过程都是生疏的。例如，对某些工艺流程，仅仅要求对某一关键步骤作详细研究，以便求取较为精确的工艺和工程设计数据，而对其他步骤已经掌握其规律，并不需要做试验。若试验装置只限于研究反应过程，就成为模型反应器中试。部分流程
128、中试强调：只对那些缺乏认识的反应器、涉及多相操作（如结晶、萃取等）的关键设备和过程进行中试放大研究，测取必要的数据，而对已经有把握的单元操作（如换热、精馏等）按理论或经验直接放大。2010-2.5.3.3 中试的分类中试的分类n（3）全流程中试 全流程中试包括上面提到的四大部分。在全流程试验时，因反应结果和前后加工是紧密相连的，要求装置的所有部分都能正常运转，这样才能保证提供完整的实验结果。正因为如此，在全流程的中试装置中，其操作条件只能在一个较窄的范围内变化。进行全流程中试的优点是，可暴露试剂将面临的各种潜在隐患和一切难以预料的问题，包括原料的处理、物料回收循环使用、杂质累积的影响、辅助设施
129、和操作控制中存在的问题等，确保全流程畅通。n（4）全规模中试 全规模中试是直接在工业装置上进行的试验，也成为工业性试验。全规模试验多见于有关催化剂的更新换代试验。试验在其他条件改动不大的情况下进行，目标明确，结论可靠。2010-2.5.3.4 中试应注意的几个问中试应注意的几个问题题n（1）中试装置的规模由于产品工业化的规模不同，中试装置规模的大小可以有很大差异。n中试环节可能是逐步渐进的过程，一步一步放大到生产规模。n决定中试装置的规模可参考一下基本原则。n气固相催化反应器的催化剂颗粒尺寸,中试应与工业装置相同。只有催化剂颗粒内部及催化剂床层的传递过程才能与工业过程基本相同。n中试对象是有气
130、泡、液滴、颗粒参加的反应过程，中试装置的尺寸应保证上述三者大小与工业装置基本相同。例如分布孔、筛孔、喷射孔不能按比例缩小，以保证泡内、滴内、颗粒内的传递过程与工业条件大体相同。中试装置尺寸还应当满足泡外、滴外、颗粒外的传递过程与工业装置基本相当。2010-2.5.3.4 中试应注意的几个问中试应注意的几个问题题n工业反应装置为列管式时，中试装置可采用相同尺寸的单管。n中试的搅拌反应釜的搅拌形式与尺寸、反应壳体和进出口位置应与工业装置严格相似，单位体积的搅拌功率应相当。n中试装置规模应适应产品应用试验、仪器、仪表的安装和调节控制、取样及安全生产、环境保护评价等方面的要求。n中试装置的设备尺寸应能
131、满足内部零部件（例如搅拌器、换热装置、喷淋及鼓泡装置、大型内衬等）的加工安装要求。n中试装置应是批量生产装置，其规模应由试产期间的市场需要量而定。n如果反应过程中有固相或高黏度物生成（例如结晶、析炭、粘稠物），中试装置尺寸应特别注意孔隙率、壁效应、界面接触效应与工业装置基本相同。2010-2.5.3.4 中试应注意的几个问中试应注意的几个问题题n（2）中试装置的完整性 一个完整的化工流程包括原料预处理、化学反应过程、产物分离提纯及后处理、物料回收及循环等四大部分。2010-2.5.3.4 中试应注意的几个问中试应注意的几个问题题n进行何种形式的中试，一般根据下列原则确定。 n下列情况必须进行全
132、流程中试下列情况必须进行全流程中试a.需要在小试的基础上对整个工艺过程进行综合研究；需要在小试的基础上对整个工艺过程进行综合研究；b.需要提供一定批量的样品进行应用试验；需要提供一定批量的样品进行应用试验；c.物料循环对生产的影响不可预测，而且对生产的影响大。物料循环对生产的影响不可预测，而且对生产的影响大。 n化学反应过程要进行中试化学反应过程要进行中试n凡新物系分离、新分离方法和设备使用等要进行中试。凡新物系分离、新分离方法和设备使用等要进行中试。 n考察再循环过程对生产影响时要进行中试。考察再循环过程对生产影响时要进行中试。 n为节约中试经费并减轻工作难度，中试一般可采用逐步增加为节约中
133、试经费并减轻工作难度，中试一般可采用逐步增加的措施来进行。的措施来进行。 2010-2.5.3.4 中试应注意的几个问中试应注意的几个问题题n（3）中试装置的运行周期和检测控制 n中试装置的运行周期中试装置的运行周期 取决于所开发的化工过程特点，通过运取决于所开发的化工过程特点，通过运行取得可靠的放大设计数据。下面举例供参考。行取得可靠的放大设计数据。下面举例供参考。a.对新型催化剂的开发研究，中试运行时间不能少于对新型催化剂的开发研究，中试运行时间不能少于1000h,最好运行最好运行2000h以上。以上。b.中试装置要对整个工艺过程的整体功能进行考核时，对连续化工过程至少要中试装置要对整个工
134、艺过程的整体功能进行考核时，对连续化工过程至少要连续稳定操作连续稳定操作72h以上，一般应连续稳定操作以上，一般应连续稳定操作720h以上。对间歇化工过程应以上。对间歇化工过程应重复操作多次。重复操作多次。c.中试要对设备、材质、仪表及阀门等进行考核时，其运行时间应在半年以上。中试要对设备、材质、仪表及阀门等进行考核时，其运行时间应在半年以上。n中试装置的检测控制中试装置的检测控制 为了便于对过程进行详细研究，中试装为了便于对过程进行详细研究，中试装置的检测控制点的数目、检测精度及检测控制范围均应超过工置的检测控制点的数目、检测精度及检测控制范围均应超过工业装置。业装置。 2010-2.5.3
135、.4 中试应注意的几个问中试应注意的几个问题题n（4）测试深度 是指中试期间测试数据的范围，测试项目（内容）的多少，并非从微观结构研究问题。 工业装置的测试内容是有限的，除了提供控制所必须的数据，显示产量与消耗的数据外，其他测试内容很少，并且这些数据一般只有相对的概念，准确性较差。因此要想通过工业数据研究分析问题，往往是行不通的。 2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制n在化工中试设计时，必须预测分析工艺过程中的潜在危险因素，通过安全设计把这些危险消除或控制在一定的容许范围之内。n可以从下面几方面考虑中试设计中的危险识可以从下面几方面考虑中试设计中的危险
136、识别与控制问题。别与控制问题。n（1）工艺物料）工艺物料 生产中的原料、材料、半成生产中的原料、材料、半成品、中间产品、副产品以及贮运中的物质在品、中间产品、副产品以及贮运中的物质在不同状态下分别具有相对应的物理、化学性不同状态下分别具有相对应的物理、化学性质及危险、危害特性。质及危险、危害特性。 n（2）工艺路线）工艺路线 在反应工艺路线的选择上应在反应工艺路线的选择上应优先考虑能消除或减少危险物质量的路线。优先考虑能消除或减少危险物质量的路线。 2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制n（3）化学反应装置）化学反应装置 反应器的选型反应器的选型 反应条
137、件反应条件 n（4）安全防护装置）安全防护装置 n（5）电气）电气 电气设计中，应结合工艺的要求，按电气设计中，应结合工艺的要求，按照工作环境采取相应的措施。照工作环境采取相应的措施。n（6）仪表及自控）仪表及自控 设计中应检查是否有足够的仪表设计中应检查是否有足够的仪表来指示生产工况和报警，在装置的整个设计过程中来指示生产工况和报警，在装置的整个设计过程中是否考虑了仪表的安全功能和控制功能的统一。是否考虑了仪表的安全功能和控制功能的统一。 2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制例例2.9 合成异丙苯中试研究及工业放大实验。合成异丙苯中试研究及工业放大实
138、验。 本例是在经小试评价筛选、研制出以本例是在经小试评价筛选、研制出以沸石为沸石为基质的分子筛催化剂，以及小试工艺条件的基础上，基质的分子筛催化剂，以及小试工艺条件的基础上，在在500t/a中试装置进行液相法合成异丙苯实验，以中试装置进行液相法合成异丙苯实验，以进一步考察液相工艺的可行性，确定适宜的工艺流进一步考察液相工艺的可行性，确定适宜的工艺流程，考察温度、苯烯比、空速及循环比及丙烷等因程，考察温度、苯烯比、空速及循环比及丙烷等因素对反应的影响，优化工艺条件，为工业放大提供素对反应的影响，优化工艺条件，为工业放大提供依据。依据。2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的
139、危险识别与控制制2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 （1）中中试试流流程程 液液相相中中试试采采用用FX-01催催化化剂剂，反反应应器器内内催催化化剂剂粉粉四四段段装装填填。中中试试流流程程示示意意图图见见图图2.14反反应应原原料料苯苯、丙丙烷烷、丙丙烯烯分分别别按按给给定定的的流流量量通通入入混混合合罐罐001-CD混混合合，再再经经泵泵001-P进进入入预预热热器器001-C，预预热热至至给给定定温温度度后后从从反反应应器器底底部部进进入入烃烃化化反反应应器器001-D，反反应应压压力力由由调调节节阀阀控控制制。反反应应生生成成的的烃烃化化液液
140、经经过过滤滤器器002-L过过滤滤后后，一一部部分分经经冷冷却却器器冷冷却却后后由由外外循循环环泵泵送送回回反反应应器器作作为为循循环环液液，一一部部分分作作为为产产品品返返回回工工业业装装置置。试验用原材料见表试验用原材料见表2.8，分析仪器见表，分析仪器见表2.9。 （2）工工艺艺流流程程选选择择 原原引引进进装装置置采采用用固固体体磷磷酸酸催催化化剂剂生生成成异异丙丙苯苯时时，考考虑虑在在磷磷酸酸强强酸酸性性下下丙丙烷烷的的存存在在可可减减少少丙丙烯烯齐齐聚聚，需需要要加加入入部部分分丙丙烷烷；采采用用沸沸石石分分子子筛筛催催化化剂剂后后是是否否保保留留丙丙烷烷的的引引加加，关关系系到到
141、工工艺艺流流程程测测方方案案确确定定，所所以以首首先先通通过过实实验验来来考考察察丙丙烷烷的的影影响响，见见表表2.10。试试验验条条件件：反反应应器器出出口口压压力力3.0MPa、反反应应器器入入口口温温度度170、液液相相质质量量空空速速3h-1，循环比循环比1。 2010-表表2.8 原材料及规格原材料及规格原料及规格来源原料及规格来源n(苯):n(丙烷):n(丙烯)=8:2:1来自生产车间丙烷来自生产车间苯含量70%80%来自生产车间FX-01球形催化剂东大化工试验厂丙烯含量（聚合级）来自生产车间 表表2.9 分析仪器及规格分析仪器及规格样品分析仪器色谱柱检测器气体HP-6890Al2
142、O3 25m0.5mFID液体HP-6890HP-1 25m0.2mm0.33mFID水卡尔费休水分仪表表2.10 丙烯的影响丙烯的影响n(苯):n(丙烷):n(丙烯)正丙苯含量/%HB含量/%丙烯转化率/%异丙苯选择性/%8:2:100.137810094.388:0:10.00620.326210091.592010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 （3）催催化化剂剂稳稳定定性性试试验验 采采用用液液相相法法合合成成异异丙丙苯苯，对对工工艺艺的的可可行行性性和和操操作作的的稳稳定定性性进进行行考考察察。试试验验条条件件：反反应应器器出出口口压压力力3.
143、0MPa、反反应应器器入入口口温温度度150、液液相相质质量量空空速速2h-1， n（苯苯）：n（丙丙烷烷）：n（丙丙烯烯）=8：2：1，循循环环比比1。由由图图2.15可可以以看看出出，中中试试装装置置经经1000h连连续续运运转转，操操作作较较为为平平稳稳。虽虽然然在在开开车车初初期期及及装装置置运运转转过过程程中中出出现现过过波波动动，但但总总体体操操作作稳稳定定。丙丙烯烯全全部部反反应应，异异丙丙苯苯选选择择性性保保持持在在94%96%。催催化化剂剂床床层层温温升升也也较较为为稳稳定定，最最大大15。烷烷基基化化反反应应主主要要产产物物是是异异丙丙苯苯和和副副产产物物二二异异丙丙苯苯，
144、正正丙丙苯苯未未检检出出，三三异异丙丙苯苯以以上上的的重重组组分分很很少少，其其它它杂杂质质的的生生成成量量也也都都非非常常小小。这这表表明明在在沸沸石石催催化化剂剂FX-01上上采采用用液液相相法法合合成成异丙苯工艺可行，操作较为稳定。异丙苯工艺可行，操作较为稳定。 2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 图 2.15 操作稳定性曲线2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制（4）工艺条件试验）工艺条件试验 温度的影响温度的影响 根据小试结果，在苯烯物质的量比根据小试结果，在苯烯物质的量比4：1，压力，压力3.0MP
145、a、苯质量空速、苯质量空速4h-1的条件下，液相法合成异的条件下，液相法合成异丙苯适宜的反应温度为丙苯适宜的反应温度为160175。 中试通过改变反应器入口温度、考察温度对烷基化反中试通过改变反应器入口温度、考察温度对烷基化反应的影响。其它试验条件为：反应器出口压力应的影响。其它试验条件为：反应器出口压力3.0MPa、液、液相质量空速相质量空速2h-1，n（苯）：（苯）：n（丙烷）：（丙烷）：n（丙烯）（丙烯）=8：2：1。试验表明，反应器入口温度提高时，整个床层的温度。试验表明，反应器入口温度提高时，整个床层的温度也随之提高，但床层温升基本不变，最大温升约也随之提高，但床层温升基本不变，最大
146、温升约15。试。试验结果见图验结果见图2.16、图、图2.17。2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 图2.16 入口温度对杂质含量的影响 2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 图图2.17 入口温度对选择性的影响入口温度对选择性的影响 2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 苯烯比的影响苯烯比的影响 根据小试，在苯质量空速根据小试，在苯质量空速4h-1、温度、温度160、压力、压力3.0MPa下，适宜的苯烯比为下，适宜的苯烯比为46。中试在反。中试在反应器出口压力应器出
147、口压力3.0MPa、反应器入口温度、反应器入口温度170、液相质量、液相质量空速空速4h-1、循环比、循环比6的情况下，考察了苯烯比对烷基化反应的情况下，考察了苯烯比对烷基化反应的影响，见表的影响，见表2.11。 表表2.11 苯烯比的影响苯烯比的影响苯烯比HB含量/%丙烯转化率/%异丙苯选择性/%60.216410092.1440.304510088.7442010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 空速的影响空速的影响 根据小试，在苯烯物质的量比根据小试，在苯烯物质的量比4：1、温、温度度160、压力、压力3.0MPa、无外循环条件下，适宜的苯质量、无外
148、循环条件下，适宜的苯质量空速为空速为34h-1。在反应器出口压力为。在反应器出口压力为3.0 MPa、反应器入、反应器入口温度口温度150、进料、进料n(苯苯):n(丙烷丙烷):n(丙烯丙烯)=8:2:1、循环比为、循环比为1的条件下，中试考察了液相质量空速对烷基化反应的影响，的条件下，中试考察了液相质量空速对烷基化反应的影响，见表见表2.12。 表表2.12 空速的影响空速的影响 空速/ h-1HB含量/%丙烯转化率/%异丙苯选择性/%20.042710094.2340.030610095.332010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 外循环的影响外循环
149、的影响 苯和丙烯的烷基化过程是放热反应，苯和丙烯的烷基化过程是放热反应，反应热为反应热为110.46KJ/mol。本中试采用外循环工艺撤出反。本中试采用外循环工艺撤出反应热，即将一定量的反应液经外部冷却器冷却到一定温应热，即将一定量的反应液经外部冷却器冷却到一定温度后，再泵送回反应器入口。度后，再泵送回反应器入口。 综合撤出反应热和提高苯烯比，考察了循环比对烷综合撤出反应热和提高苯烯比，考察了循环比对烷基化反应的影响，见图基化反应的影响，见图2.18、图、图2.19。反应条件：反应器。反应条件：反应器出口压力为出口压力为3.0 MPa、反应器入口温度、反应器入口温度170、液相质量、液相质量空
150、速空速4 h-1、进料苯和丙烯物质的量比、进料苯和丙烯物质的量比6。2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 图2.18 循环比对选择性的影响 2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 图图2.19 循环比对选择性的影响循环比对选择性的影响 2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 以工业装置苯进料量以工业装置苯进料量40t/h计，各循环比下的循环量见计，各循环比下的循环量见表表2.13.循环比为循环比为4时，循环量时，循环量160t/h，55Kw循环泵电机还能循环泵电机还能用，循
151、环比大于用，循环比大于4后，循环电机要选择后，循环电机要选择110kW，能耗大。因，能耗大。因此从节能角度考虑，循环比不宜过大，应在此从节能角度考虑，循环比不宜过大，应在4以下。适应的以下。适应的循环比为循环比为24。最佳值要在工业装置上进一步确定，以产。最佳值要在工业装置上进一步确定，以产品质量、装置能耗、投资及操作费用的综合指标作为评价品质量、装置能耗、投资及操作费用的综合指标作为评价标准。标准。 表表2.13 不同循环比对应的循环量不同循环比对应的循环量 循环比23456循环量/th-180120160200240注：苯进料量40t/h。 2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与
152、控中试设计中的危险识别与控制制n中试结果表明，新工艺比传统工艺有显著的优点。中试结果表明，新工艺比传统工艺有显著的优点。na. 液相法合成异丙烯中试流程设计合理，操作正常，运转稳定，达液相法合成异丙烯中试流程设计合理，操作正常，运转稳定，达到了预期的效果，表明采用分子筛催化剂的液相合成异丙苯工艺是到了预期的效果，表明采用分子筛催化剂的液相合成异丙苯工艺是可行的。可行的。nb. 采用液相法合成异丙苯，丙烷的加入有利于液相烷基化反应进采用液相法合成异丙苯，丙烷的加入有利于液相烷基化反应进行。但综合评价，无丙烷存在时异丙苯精制采用的三塔流程更为简行。但综合评价，无丙烷存在时异丙苯精制采用的三塔流程更
153、为简单，投资和操作费用更低。单，投资和操作费用更低。nc. 液相法合成异丙苯适宜的工艺条件：反应温度液相法合成异丙苯适宜的工艺条件：反应温度160175、压、压力力3.0 MPa、液相质量空速、液相质量空速24 h-1、进料苯烯物质的量比、进料苯烯物质的量比6，循环，循环比比24。考虑装置处理能力、操作费用、产品质量综合因素，各条。考虑装置处理能力、操作费用、产品质量综合因素，各条件可进一步优化。件可进一步优化。2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制 （5）工业放大）工业放大 在小试、中试试验基础上在小试、中试试验基础上1998年、年、2001年分别将年
154、分别将FX-01和和YSBH-1两代催化剂应用于两套苯酚丙酮工业装置的两代催化剂应用于两套苯酚丙酮工业装置的扩产改造，使异丙苯生产能力扩大，装置运行平稳，标扩产改造，使异丙苯生产能力扩大，装置运行平稳，标定成功。标定结果表明，异丙苯单元的实际生产能力满定成功。标定结果表明，异丙苯单元的实际生产能力满足了苯酚丙酮装置扩大产量的需要。苯耗足了苯酚丙酮装置扩大产量的需要。苯耗656.1Kg/t，丙，丙烯耗烯耗358.6 Kg/t，异丙苯的纯度，异丙苯的纯度99.9%以上，异丙苯溴值以上，异丙苯溴值10，异丙苯选择性达到，异丙苯选择性达到95%以上，异丙苯收率达到以上，异丙苯收率达到98.7%。综合评
155、比，液相法异丙苯工艺水平大幅度提高，。综合评比，液相法异丙苯工艺水平大幅度提高，居国内领先水平，装置改造取得成功，见表居国内领先水平，装置改造取得成功，见表2.14。 2010-2.5.3.5 中试设计中的危险识别与控中试设计中的危险识别与控制制表表2.14 中试与工业装置对比中试与工业装置对比原料苯、丙烯、丙烷苯、丙烯异丙苯溴值10异丙苯异丙苯产量量500t/a67Kt/a异丙苯异丙苯选择性性/%98.3695温度温度/160175159167异丙苯收率异丙苯收率/%98.7压力力/MPa3.02.893.07正丙苯正丙苯质量分数量分数/%00.0176苯苯烯比比666.6重重组分分质量分数
156、量分数/%0.280液相液相质量空速量空速/h-1242.4每吨异丙苯消耗苯每吨异丙苯消耗苯/Kg656.1循循环比比243.53.9每吨异丙苯消耗丙每吨异丙苯消耗丙烯/Kg358.6丙丙烯转化率化率/%100100异丙苯异丙苯纯度度/%99.9注：中试装置空速为液相质量空速，其他装置空速为苯质量空速。 2010-2.6 化工开发设计案例分析化工开发设计案例分析n2.6.1 氯乙烯生产工艺流程的确定n2.6.2 脉冲萃取塔的开发设计n2.6.3 发泡釜的开发设计2010-2.6.1 氯乙烯生产工艺流程的确定氯乙烯生产工艺流程的确定n设计团队通过对在审查初始设计问题时所提出的每一种设计方案寻求解
157、决方法来实现这个创建过程。首先收集数据，为此要描述初始数据库的组成并推荐几种数据来源，包括进行实验室实验的可能性。然后利用这一数据库，说明如何创建包含多个供设计团队研究的有希望的流程的合成树，对于合成树中每一个最有希望的方案，都要创建一个基础方案设计，最后确定优选的工艺流程。n以下对流程合成设计过程步骤进行阐述，并对于生产大宗化学品氯乙烯的连续过程，作为例子进行介绍。2010-2.6.1 氯乙烯生产工艺流程的确定氯乙烯生产工艺流程的确定n2.6.1.1 化学状态n2.6.1.2 过程操作单元n2.6.1.3合成步骤n2.6.1.4 连续或间歇加工 n2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生产n
158、2.6.1.6 合成 n2.6.1.7 试探研究2010-2.6.1.1 化学状态化学状态n作为合成的第一步，设计团队必须决定原料和产品的技术指标。这些称之为状态。注意，随着流程的不断修改，在后面可以对这些状态的选择进行修改。为了规定状态，需要下述条件的数值：n（1）质量（流率）；n（2）组成（特定分子形式的每一个化学组分的摩尔或质量分率）；n（3）相（固体、液体或气体）；n（4）如为固相，其形态（例如，粒子的大小分布和粒子形状）；n（5）温度；n（6）压力。2010-2.6.1.1 化学状态化学状态原料原料(可可能能是是C2H4Cl2)过程流程？过程流程？C2H3Cl要求的产品要求的产品图图
159、2.19 过程合成问题过程合成问题 对于大宗化学品，上述各种条件中，过程的规模（即生产量或流量）对于大宗化学品，上述各种条件中，过程的规模（即生产量或流量）是设计过程早期要考虑的主要问题。通过与市场开发人员共同工作，设计是设计过程早期要考虑的主要问题。通过与市场开发人员共同工作，设计团队可根据对产品的计划要求决定过程的规模。通常，对最可能的客户的团队可根据对产品的计划要求决定过程的规模。通常，对最可能的客户的调查统计结果对于工厂的选址和其原料的选择有着重要的影响。当规模和调查统计结果对于工厂的选址和其原料的选择有着重要的影响。当规模和地点确定之后，就应当考虑每一种产品和原料物流的组成、相态、形
160、态、地点确定之后，就应当考虑每一种产品和原料物流的组成、相态、形态、温度和压力这些问题了。当这些物流所需的状态确定后，过程合成的问题温度和压力这些问题了。当这些物流所需的状态确定后，过程合成的问题就变得较易确定了。如图就变得较易确定了。如图2.192.19所示，对于氯乙烯的生产，要做的仅是将过所示，对于氯乙烯的生产，要做的仅是将过程的操作单元加到流程中去。程的操作单元加到流程中去。 值得注意的是，一旦物质的状态由条件（值得注意的是，一旦物质的状态由条件（1）（）（6）确定，所有的物理性）确定，所有的物理性质（除了固体的形态外），包括黏度、热传导系数、颜色、折光指数和密度质（除了固体的形态外），
161、包括黏度、热传导系数、颜色、折光指数和密度都有了确定的数值。而且，物质的状态与它在重力场中的位置以及它的速度都有了确定的数值。而且，物质的状态与它在重力场中的位置以及它的速度无关。虽然在某些情况中，还需要其他条件（如磁场强度、表面积），但上无关。虽然在某些情况中，还需要其他条件（如磁场强度、表面积），但上述六个条件通常对于确定物质的状态已足够了。述六个条件通常对于确定物质的状态已足够了。2010-2.6.1.2 过程操作单元过程操作单元n整个化学过程的文献中描述了称为单元操作的许多类型的设备，包括精馏塔、吸收装置、汽提塔、蒸发器、沉降器、热交换器、过滤器和离心机，这里仅列举了少数几种。所有单元
162、操作都涉及到一个或多个下列基本操作：n（1）化学反应；n（2）化学混合物的分离；n（3）相分离；n（4）温度变化；n（5）压力变化；n（6）相态变化；n（7）混合或分割物流或批料；n（8）固体的操作，如粉碎和造粒。 因为这些单元操作是构成所有化工过程的因为这些单元操作是构成所有化工过程的“砖瓦砖瓦”，所以通，所以通常以创建涉及这些单元操作的流程作为过程合成的第一步。然后，常以创建涉及这些单元操作的流程作为过程合成的第一步。然后，在任务集成步骤中，在适当可行的地方将某些单元操作合并起来。在任务集成步骤中，在适当可行的地方将某些单元操作合并起来。在考虑过程合成步骤之前，在本节的其余部分将详细的对每
163、一个在考虑过程合成步骤之前，在本节的其余部分将详细的对每一个基本的单元操作进行讨论。基本的单元操作进行讨论。2010-2.6.1.3合成步骤合成步骤n给定原料和产品的物流状态后，过程合成涉及选择适当的过程操作将原料转化为产品。换言之，每一个操作都可看作具有消除原料与期望产物间的一个或多个性质差异的作用。随着每一个操作加入到流程中，从新操作中流出的物流都更接近要求的产品。 2010-2.6.1.3合成步骤合成步骤n例如，当加入反应操作，则离开反应操作的物流常具有期望的分子类型，但不具有所要求的组成、温度、压力和相态。为了消除剩下的差异，需要添加操作。当加入分离操作后，接着是改变温度、压力和相态的
164、操作，余下的差异就更少了。有一种说法，以减少差异为目标加入操作，直到离开最后一个操作的物流与要求的产品状态一致。“所有的差异均已被消除”这样的命题的证明的正式的逻辑基础策略，被称为装置目标分析（means-end analysis）。在过程合成中，这些正式策略的发展尚未超越简单过程的合成。然而，Rudd，Powers和Siirda（1973）在一本名为过程合成（Process Synthesis）的书中提出一种非正式的方法，已被广泛地采纳。该方法提出按下面的步骤来设置过程操作，消除差异：2010-2.6.1.3合成步骤合成步骤 合成步骤 过程操作1. 消除分子类型上的差异 化学反应2. 通过匹
165、配源和汇分配化学品 混合3. 消除组成差异 分离4. 消除温度、压力和相态差异 温度、压力及相态变化5. 集成目标：即将各操作结合 成单元过程，并在连续和间歇 过程间做出决定 随着将这些应用于创建氯乙烯的生产过程，这些方案就被随着将这些应用于创建氯乙烯的生产过程，这些方案就被组合到合成树上。组合到合成树上。2010-2.6.1.4 连续或间歇加工连续或间歇加工n在任务集成步骤中选择过程设备时，生产的规模极大地影响着操作的模式。对于大宗化学品的生产，选用大规模的连续加工装置，而对于许多专用化学品及工业和客户化学品，更愿采用小规模的间歇过程。对连续操作或间歇操作，或可能为半连续操作之间的选择，是一
166、个关键的决策。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生产过程合成案例：氯乙烯的生产n如绪论在典型的初始设计问题的描述中所介绍，氯乙烯（氯化乙烯）是聚氯乙烯生产的中间单体，聚氯乙烯是一种重要的塑料，广泛用于硬塑料管、管件和类似的产品。多年来，建立了多个大型装置，有的生产量超过45万吨/年。因此，聚氯乙烯和衍生出的该产品的单体通常归类于大宗化学品，实际上在各地都是连续生产而不是间歇过程。历史地看，1835年在法国化学家Regnault的实验室中发现了氯乙烯，1917年德国化学家Klatte and Rollent （Leonard，1971）开发出第一个实用的进行氯乙烯聚合的方法。氯乙烯
167、单体是一种极具毒性的物质，因此，对于生产和加工该物质的工业装置都必须仔细地进行设计，以满足政府的健康和安全规定。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生产过程合成案例：氯乙烯的生产n在本案例中，仅考虑单体的生产，重点是设计团队确定的特殊问题，如绪论中的方案2和方案3。目标是创建几个可能的流程图，作为解决这些特殊问题的候选方案，在后面将它们加入到图2.15中去。除了来自化学实验室的数据，两个专利（Benedict，1960s；B. F. Goodrich Co.,1963年）在过程合成中起了关键的作用。设计团队在他们进行文献检索和建立初始基础数据库的工作中找到了这些文献。在适当的时候，
168、将与下面的合成步骤相结合，查阅这些文献。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异n步骤1. 消除分子类型的差异n对于氯乙烯的生产，化学实验室的数据集中在几个有希望的化学反应上，所涉及的化学物质列于表2.15。注意，因为氯乙烯作为大宗化学品已经多年，所以这些化学品和与这些化学品相关的化学反应都是人们熟知的。对于新出现的物质，设计团队常常是随着其数据在实验室出现，开始对其进行过程合成。在这些情况下，具有挑战性的问题就是要引导化学家离开那些使过程建设和操作成本高昂的反应路线，尽快地达到产品设计的目标，以便及时地
169、、在其他公司的有竞争力的过程或化学品开发成功之前，占领产品的市场。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异表2.15 参加生产氯乙烯反应的化学物质化学品相对分子质量化学分子式化学结构式乙炔26.04C2H2氯70.91Cl21,2-二氯乙烷98.86C2H4Cl2乙烯28.05C2H4氯化氢36.46HCl氯乙烯62.50C2H3Cl2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异n现在回到氯乙烯的生产上，主要反应路径如下。
170、n1）乙烯直接氯化C2H4 + Cl2 C2H3Cl + HCl （2.48） 这个反应显然是绪论中对于设计方案2的一个有吸引力的解决方案。这一反应在摄氏几百度下能自然发生，但是，遗憾的是在不会同时产生大量副产物如二氯乙烯的反应条件下，也不能获得高产率的氯乙烯。另一个缺点是昂贵的氯气的两个氯原子有一个消耗于产生副产物氯化氢，而这种副产物可能不易销售。 2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异n2）乙炔氢氯化C2H2+HClC2H3Cl （2.49） 这一放热反应是标记为方案3的特定问题的一个可能的解决方案
171、。在150oC、常压、浸渍在活性炭上的氯化汞（HgCl2）催化剂存在的条件下，乙炔转换为氯乙烯反应的转化率很高（98%）。这一反应的条件相当温和，因此值得进一步的研究。2010- C2H4+Cl2C2H3Cl+HCl（总反应）（总反应） （2.48） 3）由乙烯氯化生成的二氯乙烷进行热裂解）由乙烯氯化生成的二氯乙烷进行热裂解 C2H4+Cl2C2H4Cl2 （2.50）2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异 C2H4Cl2C2H3Cl+HCl （2.51） 反应（反应（2.50）和（）和（2.51）得总和等于反应
172、（）得总和等于反应（2.48）。这两步的反应路线的）。这两步的反应路线的优点是，在优点是，在90、1大气压和大气压和Friedel-Crafts催化剂，如三氯化铁（催化剂，如三氯化铁（FeCl3）存在的条件下，放热反应（存在的条件下，放热反应（2.50）中的乙烯生成）中的乙烯生成1，2-二氯乙烷的转化率约二氯乙烷的转化率约为为98%。然后，二氯乙烷中间产物通过裂解吸热反应（。然后，二氯乙烷中间产物通过裂解吸热反应（2.51）转化为二氯乙）转化为二氯乙烯，该反应过程在烯，该反应过程在500 时能自发进行，转化率高达时能自发进行，转化率高达65%。该总反应假定未。该总反应假定未反应的二氯乙烷从氯乙
173、烯和氯化氢中被完全回收，循环利用。这个反应路反应的二氯乙烷从氯乙烯和氯化氢中被完全回收，循环利用。这个反应路线的优点是不会大量地生成二氯乙烯，但它与反应路径线的优点是不会大量地生成二氯乙烯，但它与反应路径1有同样的缺点，会有同样的缺点，会生成生成HCl。作为设计一种解决方案，值得进一步考察。作为设计一种解决方案，值得进一步考察。2010-4）由乙烯氧氯化生成的二氯乙烷进行热裂解）由乙烯氧氯化生成的二氯乙烷进行热裂解C2H4+2HCl+1/2O2C2H4Cl2 +H2O （2.52）C2H4Cl2C2H3Cl+HCl （2.51）C2H4+HCl+1/2O2C2H3Cl +H2O（总反应）（总反
174、应） （2.53）2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异 在将乙烯氧化生成在将乙烯氧化生成1，2-二氯乙烷的反应（二氯乙烷的反应（2.52）中，氯的来）中，氯的来源是源是HCl。这是一个强放热反应，在。这是一个强放热反应，在250、氯化铜（、氯化铜（CuCl2）催化剂存在的条件下，转化率达到催化剂存在的条件下，转化率达到95%，当，当HCl的成本较低时，的成本较低时，是一个极好的候选方案。如同反应路径是一个极好的候选方案。如同反应路径3中，二氯乙烷在热裂解中，二氯乙烷在热裂解步骤中裂解成氯乙烯，这一反应路径也可视
175、为设计方案步骤中裂解成氯乙烯，这一反应路径也可视为设计方案3中的一中的一种解决方案。种解决方案。2010-5）乙烯氯化反应的平衡过程C2H4+Cl2C2H4Cl2 （2.50）C2H4+2HCl+1/2O2C2H4Cl2+H2O （2.52） C2H4Cl2+HCl2C2H3Cl+2HCl （2.51） 2C2H4+Cl2+1/2O22C2H3Cl +H2O（总反应） （2.54）2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异 这一反应路径结合了路径这一反应路径结合了路径3和路径和路径4。它的优点是将氯分。它的优点是将氯
176、分子的两个原子均转化到氯乙烯分子上。在热裂解反应中产生子的两个原子均转化到氯乙烯分子上。在热裂解反应中产生的全部的全部HCl被消耗在氧氯化反应中。确实，这是解决设计方被消耗在氧氯化反应中。确实，这是解决设计方案案2的一个很好的候选方案。的一个很好的候选方案。 2010-表2.16 假设的化学品采购或批量销售的价格2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异化学品价格（美分/磅）乙烯18乙炔50氯11氯乙烯22氯化氢18水0氧02010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1.
177、消除分子类型的差异消除分子类型的差异n为了说明氯乙烯生产的这一过程，表2.16提供了主要化学品的一组代表性的价格，如前面讨论得那样，这些价格是从化学品市场报告那样的信息源得到的。毛利是由产品和副产品销售收入减去原料费用计算得到的。首先要将这些值转化为一种质量基准，再进行计算，如对反应路线3说明如下：C2H4 + Cl2 = C2H3Cl + HCl磅摩尔1111相对分子质量28.0570.9162.5036.46磅28.0570.9162.5036.46磅/磅氯乙烯0.4491.13410.583美分/磅18112218于是，毛利为于是，毛利为:22(1)+18(0.583)-18(0.449
178、)-11(1.134)=11.94美分美分/磅氯乙烯。磅氯乙烯。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异n对于上面的每一条反应路线的总反应进行类似的估算，假设反应可达到完全的转化，没有任何副反应（没有列出），结果见表2.17。表表2.17 2.17 氯乙烯生产的毛利（基于表氯乙烯生产的毛利（基于表2.162.16中的化学品价格）中的化学品价格）反应路线总反应毛利（美分/磅氯乙烯）2C2H2+HClC2H3Cl-9.333C2H4+ Cl2C2H3Cl+HCl11.944C2H4+HCl+1/2O2C2H3
179、Cl +H2O3.4252C2H4+Cl2+1/2O22C2H3Cl +H2O7.682010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异n即使没有投资费用（建设装置，购买土地等）和操作费用（劳动力、蒸汽、电等）反应路径2的毛利也是负值，而其他反应路径的毛利为正值。这主要是因为相对于乙烯来说乙炔的价格（资源丰富且自己利用的地区另当别论）是非常昂贵的。HCl可能以极低的价格为作为副产品从别的生产过程中大量得到。在其低得多的价格下，反应路线2的毛利为正值，但当与三条涉及乙烯的反应路线比较时，就不值得作进一步的考虑。注意，
180、HCl的价格对反应路线3和4的毛利有极大地影响，对反应路线5的毛利影响介于它们两者之间。在进行合成之前，建议设计团队考察毛利是如何随HCl的价格变化的。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异n图2.20显示了对反应路线3创建过程流程的第一步。每一个反应操作设置了箭头表示它的原料和产品化学物质。没有表示源和汇，因为它们取决于过程合成的下一步，化学品的分布。假设乙烯和氯的源完全转化到氯乙烯和氯化氢得汇，对外部源和汇的流率进行计算，这里，关键的决策是要确定生产过程的规模，即按设备能力确定的产量。n在本案例中，
181、在1.2节的基本问题叙述中已规定生产能力为100 000磅/小时（约8亿磅/年，即36万吨/年，假设年操作330天，开工率0.904）。给定了产品流率（主要的过程汇）后，假设原料按总反应式转化为产品，HCl的流率和原料源的流率就能计算了，所有未反应的原料都从反应物中分离并循环利用。通过物料衡算，得到图2.16的结果，这里每股流率为1600磅摩尔/小时。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异HCl58300磅磅/小时小时直接氯化直接氯化热裂解热裂解C2H4ClHClC2H3ClC2H4Cl2C2H4+Cl
182、2C2H4Cl2C2H4Cl2C2H3Cl+HClCl2113400磅磅/小时小时C2H444900磅磅/小时小时C2H3Cl100000磅磅/小时小时图图2.20 2.20 由乙烯氯化生成的二氯乙烷进行热裂解的反应操作（反应路线由乙烯氯化生成的二氯乙烷进行热裂解的反应操作（反应路线3 3） 2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤1. 消除分子类型的差异消除分子类型的差异n对于反应路线4和5，要完成过程合成的第一步，也要准备包含反应操作的类似的流程。这些表示在图2.21的合成树中，并在所有的合成步骤完成以后在进行讨论。在对反应路线3完成合成的下
183、面几个步骤时，要记住对于其他的反应路线也要进行这些步骤。还要注意，仅仅对最有希望的流程才进行详细的开发，通常由扩大的设计团队，某些情况下由一个竞争的设计团队来进行这项工作。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤2. 化学物质的分布化学物质的分布n步骤2. 化学物质的分布n在步骤2中，在可能条件下，对图2.20中每一个化学组分的源和汇进行匹配，使得进反应器的总质量流率等于出反应器的总质量流率。当一个汇由两个或更多的源供给时，这常要求引入混合操作来消除流量的差异。在另一些情况下，单个的源被分到几个汇中，为了达到图2.21中化学物质的分配，乙烯和氯源
184、与它们的汇匹配成为氯化反应器。 n假设乙烯和氯以反应（2.50）中的化学计量比1:1进入反应器。由于原料是以这样的比例进入体系，源和汇的流量不存在差异，因此不需要混合气。流率为113 400磅/小时的氯和流率为44 900磅/小时的乙烯生成流率为158 300磅/小时的二氯乙烷。当要求某种化学物质相对于另一种化学物质过量而使得后者能完全消耗时，这后一种物质可能是有毒的或是非常昂贵的（如Cl2），另一种原料（如C2H2）与循环物料混合后过量进入反应器。 2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤2. 化学物质的分布化学物质的分布 图2.21的化学物质
185、的分布，注意，实验数据表明：在反应器条件为90，1.5atm时，98%的乙烯转化为二氯乙烷，其余的转化为不希望的副产物如三氯乙烷。主要产物收率的损失和生成的少量副产物在过程合成这一阶段可以忽略。接着，来自氯化反应操作的二氯乙烷源被送入热裂解操作的汇中，热裂解在接着，来自氯化反应操作的二氯乙烷源被送入热裂解操作的汇中，热裂解在500下进行。这里仅下进行。这里仅60%的二氯乙烷按反应（的二氯乙烷按反应（2.51）转化为氯乙烯和副产）转化为氯乙烯和副产物物HCl。这个转化率在专利宣称的转化率。这个转化率在专利宣称的转化率65%之内。为了满足总的物料平衡，之内。为了满足总的物料平衡，158300磅磅/
186、小时的二氯乙烷必须生产小时的二氯乙烷必须生产100000磅磅/小时的氯乙烯和小时的氯乙烯和58300磅磅/小时小时的的HCl。但是。但是60%的转化率只能生产的转化率只能生产60000磅磅/小时的氯乙烯。需要添加二氯小时的氯乙烯。需要添加二氯乙烷有物料平衡算计算等于乙烷有物料平衡算计算等于(10.6)/0.6158300即即105500磅磅/小时。它的源小时。它的源是来自将氯乙烯和未反应的二氯乙烷分离后的循化物流，来自为结合两股源是来自将氯乙烯和未反应的二氯乙烷分离后的循化物流，来自为结合两股源而加入的混合操作，总量为而加入的混合操作，总量为263800磅磅/小时。热裂解操作的出口物流是氯乙小
187、时。热裂解操作的出口物流是氯乙烯产品、烯产品、HCl副产物和二氯乙烷循环物流的源。为了能将这些化学物质提供副产物和二氯乙烷循环物流的源。为了能将这些化学物质提供给它们的的汇，需要一个或多个分离操作，这将在下一步合成步骤中处理。给它们的的汇，需要一个或多个分离操作，这将在下一步合成步骤中处理。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤2. 化学物质的分布化学物质的分布热裂解反应热裂解反应500，26大气压大气压HClC2H3ClC2H4Cl2C2H4Cl2C2H3Cl+HClC2H4+Cl2C2H4Cl2反应放出的热量反应放出的热量150106Btu
188、/h反应吸收的热量反应吸收的热量52106Btu/hCl2113400磅磅/小时小时C2H444900磅磅/小时小时HCl58300磅磅/小时小时C2H3Cl100000磅磅/小时小时C2H4Cl2 158300磅磅/小时小时105500磅磅/小时小时直接氯化反应直接氯化反应90，1.5大气压大气压图图2.21 2.21 表示乙烯氯化表示乙烯氯化( (反应路线反应路线3)3)生成的二氯乙烷热裂解的化学物质分布的流程生成的二氯乙烷热裂解的化学物质分布的流程2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤2. 化学物质的分布化学物质的分布n图2.17还表示两
189、个反应步骤的反应热。这些值是由作为温度函数的物质的生成热和热容在反应操作的温度和压力下计算得到的。这些数据有许多的来源，特别是过程模拟软件。n当使用一种模拟软件，如ASPEN PLUS时，规定每一个反应操作和进行反应器条件下的能量衡算是很方便的。模拟软件会报告在给定进口条件下要达到出口条件所需传入或传出反应器的热量的速率；或在绝热操作时将报告无传热时出口的状况；如在随书所附的多媒体中讨论的那样（ASPENChemical Reactors and HYSYSChemical Reactor）。n在反应路线3中，氯化反应操作提供了很大的能源，1.5亿英热单位/小时（1英热单位=0.252千卡），
190、但是在90的低温条件下；然而热烈接操作需要的能量少得多，为5200万英热单位/小时，却是在500的高温下。因为不能用氯化的热源为热裂解提供能量，因此在过程合成的过程中应当为这部分能量寻求其他的利用。n在步骤5中，将对上述和其他能量的源和汇加以考虑。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤2. 化学物质的分布化学物质的分布n关于反应操作的压力水平，选择1.5atm是为了防止氯化反应中空气泄漏进入在任务集成步骤中所设置的反应器。在常压下，空气就可能会泄漏进入反应器，达到足够高的浓度而超过可燃极限。关于热裂解操作的压力，采用26atm是B.F Good
191、rich专利（1963）推荐的，未作任何论证，因为反应是不可逆的，压力的提高对转化率没有不利的影响。专利推荐这一压力很可能是为了提高反应速率以减小热裂解炉的尺寸，尽管在高压下操作下管壁必须加厚而且考虑许多在高压下操作必须注意的问题。正如下一个合成步骤中将讨论的那样，压力水平也是选择分离操作时要考虑的一个重要因素。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤2. 化学物质的分布化学物质的分布n参照图2.25，在化学物质分布的层面上，有两个分支被加到合成树上，它们表示与反应路线3有关的两种分布。其中每一个分支表示一个不同的且已部分完成了的流程，即图2.2
192、1，其他分布的发生与反应路线4和5的有关。这些在合成树中用虚线表示。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤3. 消除组成差别消除组成差别n步骤3. 消除组成差别n如前面提到的，对化学物质的每一种分布，对分离的要求变得明显。例如图2.21中，显然，氯化反应操作的出口纯物流不需要分离，但是热裂解操作的出口物流是混合物，需要将其分离成接近纯的组分。这里，氯乙烯产品、副产品HCl和循环的二氯乙烷三个组分出口物流源中的组成与3个汇中的组成大不相同。为了消除这些组成的差异，需要一个或多个分离操作。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案
193、例：氯乙烯的生产产-步骤步骤3. 消除组成差别消除组成差别图图2.22 2.22 包含分离操作的氯乙烯过程流程包含分离操作的氯乙烯过程流程2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤3. 消除组成差别消除组成差别n图2.22表示了一种可能的方案，在该方案的流程中加入了两个串联的精馏塔。因为三个组分间的挥发度差异较大，采用精馏操作是可能的。通过查看表2.18中的沸点数据就会明白这一点，这些数据可以由基础数据库中的蒸气压数据获得，也可由过程模拟软件得到。n第一个塔将HCl与两种有机化合物分离，第二个塔将氯乙烯与二氯乙烷分离。在一个大气压下，HCl的沸点非
194、常低，为-84.8，因此，如果在1个大气压下，HCl作为第一个塔的馏出物加以回收，就需要用很昂贵的冷冻过程来冷凝回流物流。在26大气压下（热裂解反应的压力）HCl在0沸腾，可以采用不太昂贵的冷冻源。nB.F Goodrich的专利推荐在12大气压下操作，未作任何的讨论。在这一压力下，HCl在-26.2沸腾，塔底产物由氯乙烯和二氯乙烷组成，含有微量的HCl，泡点为93，这可用过程模拟软件计算得到。降低了温度和压力后的塔底产物远离塔底氯乙烯-二氯乙烷混合物的临界点。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤3. 消除组成差别消除组成差别n因此，很可能B
195、.F Goodrich选择了这一低压是为了避免在临界范围内操作，在临界区汽相和液相相互趋近，很难相互分离（即具有很小的液泛速度，需要非常大的塔径和板间距），而且低压蒸汽可用于此再沸腾。当这一精馏塔被添加到流程图中时，需要确定它的原料物流或汇的状态。如果加料是饱和液体，在12大气压下温度为6，要求用中级的冷却剂冷却。n最希望的加料温度将是35或更高，这可用冷却水使裂解反应器出料完全冷却和部分冷凝。但是，蒸汽进料将增加冷凝器在-6.2的冷冻负荷。n按照这样的技术规定，关键的差异（温度、压力、相态）出现在裂解操作的出料和精馏塔的进料之间。这些差异要通过在下一步合成步骤中添加温度和压力变化操作加以消除
196、，对于每一种温度的技术规定都导致一种略有不同的流程。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤3. 消除组成差别消除组成差别表表2.18 2.18 沸点和临界常数沸点和临界常数化学物质常压沸点(oC) （1大气压下）沸点（oC）临界常数4.8atm12atm26atmTc()Pc(atm)HCl-84.8-51.7-26.2051.482.1C2H3Cl-13.833.170.511015956C2H4Cl283.714619324225050 在第一个精馏操作加入流程后，第二个自然紧随其后。在第一个精馏操作加入流程后，第二个自然紧随其后。HClH
197、Cl脱出塔的的塔脱出塔的的塔底产物在第二个塔中被分离成接近纯的组分，第二个塔如底产物在第二个塔中被分离成接近纯的组分，第二个塔如B.F GoodrichB.F Goodrich专利专利推荐的选定在推荐的选定在4.84.8大气压下操作。在这些条件下，馏出物（接近纯的氯乙烯）大气压下操作。在这些条件下，馏出物（接近纯的氯乙烯）在在3333下沸腾，并可用廉价的冷却水冷凝，可获得的冷却水温为下沸腾，并可用廉价的冷却水冷凝，可获得的冷却水温为2525。塔底。塔底产物在产物在146146沸腾，因此，沸腾蒸汽可通过中压水蒸气加热产生，中压水蒸沸腾，因此，沸腾蒸汽可通过中压水蒸气加热产生，中压水蒸气在石化综合
198、企业是非常容易获得的。气在石化综合企业是非常容易获得的。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤3. 消除组成差别消除组成差别n各种候选的分离操作可以添加到图2.21中，当使用径流操作时，也可从第一个塔回收最难挥发的组分二氯乙烷，而将HCl与氯乙烷在第二个塔中进行分离。也有另一种可能，就是仅用一个有侧线出料的塔，侧线出料中浓缩了氯乙烯产品。常压下用水吸收也可除去HCl。得到的含氯乙烯和二氯乙烷的蒸汽，可用吸附干燥并用精馏进行分离。有如此多的可供选择的方案，过程设计人员需要时间或别人的帮助来选择最具希望的分离操作。n此外，如前面一样，图2.25中的
199、合成树增大了。在本案例中，新的分支表示各种可供选择的分离操作的流程。显然，随着每一合成步骤的完成，这棵合成树代表了多种更加可能的流程。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤4. 消除温度、压力和相态的差消除温度、压力和相态的差异异n步骤4. 消除温度、压力和相态的差异n当反应和分离操作确定后，它们的原料和产品流的状态就选定了。这通常通过调节温度和压力水平来实现，以达到要求的反应转化率和分离因子。继而，在创建流程后，通常将这些状态向经济优化的方向进行调节，常常使用过程模拟软件中的优化单元来实现调优。但是在本合成步骤中，假设状态时固定的，只添加操作
200、来消除进料源，产品汇与反应和分离操作间的温度、压力和相态差异。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤4. 消除温度、压力和相态的差消除温度、压力和相态的差异异n图2.23表示一种可能的流程图。可以看到，来自循环混合器的112和1.5大气压下的液态二氯乙烷经历了下面这些操作；n（1）将其压力增加到26大气压；n（2）将其温度升高到沸点，26大气压下沸点是242；n（3）二氯乙烷液体在242汽化；n（4）将其温度升高到热裂解的温度500。n注意，可以选择把操作（1）和（2）放到（3）后面的流程。然而，这是非常不经济的，因为对蒸气进行压缩的成本远大于
201、泵压液体的成本，因为蒸气的摩尔体积比液态体积大得多（通常大100倍）。关于这一问题的更完整的讨论见5.7节，这只是许多设计探索规则或纯经验规则之一。2010-图图2.23 包含温度、压力和相态变化操作的氯乙烯过程流程图包含温度、压力和相态变化操作的氯乙烯过程流程图2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤4. 消除温度、压力和相态的差消除温度、压力和相态的差异异n此外，来自热裂解操作（500和26大气压）的高温蒸气出口物流按如下过程操作：n（1）将其温度降低到它的露点，26大气压下为170；n（2）通过降低压力、冷却和一处冷凝潜热使蒸汽混合物在其泡
202、点温度下冷凝，12大气压下位6。n最后，二氯乙烷循环物流被冷却到90，以避免它与反应器流出物在1.5大气压下混合时发生气化。n在这一合成步骤完成以后，表示两个新流程的分支被加到图2.25的合成树上。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤5. 任务集成任务集成 n步骤5. 任务集成 n在完成第4步时，每一个候选流程图都有一组完整的操作，以消除原料和产品间的差异。除了精馏操作以外，尚未对特定的设备进行说明。加工单元常称之为单元操作，在这些单元操作中科进行一个或多个基本操作，这些过程单元的选择成为至任务集成。为了给这种选择提供帮助，读者可参考化工过程
203、设备.(Chemical Process Equipment，Walas，1988)。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤5. 任务集成任务集成 n图2.24表示对氯乙烯过程进行目标合成的一个例子。在过程合成的这个阶段，通常只进行最明显的操作结合，而将许多可能的方案留待该流程图充分可行而要准备进行基础设计时再去考虑。在借助下文对过程单元的描述考察该流程时，注意你能否提出改进的建议。在下面的全部章节中，将针对这一过程和制备许多别的化学品的其他过程，介绍如何获得较好的过程集成的各种技巧。2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案
204、例：氯乙烯的生产产-步骤步骤5. 任务集成任务集成 n（1）氯化反应器和冷凝器。 图2.23中的直接氯化反应操作被一个圆筒反应容器所替代，其中包括一个净化段和一个冷凝器。n（2）泵。因为压力变化操作涉及的是液体，通过泵来实现，假设效率80%，仅需要66制动马力。泵中的焓变是很小的，温度的变化也不超过1。n（3）蒸发器。这一单元设备，形式为有管束穿过底部的大釜，进行温度和相态变化操作。当二氯乙烷液体被加热到沸点并汽化时，通过管束的饱和蒸汽被冷凝。较大的气相空间使得蒸汽夹带的液滴聚并，回落到液体槽中，即使得液滴与将进入热裂解炉的蒸汽分离。n（4）热裂解炉。这一单元设备也执行着两个操作；它将蒸汽预热
205、到反应温度500，并完成热裂解反应。管束进入炉内最冷的部分，即顶部被称之为节热器的部位，在这里进行预热。n（5）喷射急冷罐和冷却器。急冷罐被设计成使热裂解反应的产物急骤冷却，防止碳沉积在换热器上。 2010-2.6.1.5 过程合成案例：氯乙烯的生过程合成案例：氯乙烯的生产产-步骤步骤5. 任务集成任务集成 n（6）冷却器。为了生产6的饱和液体，相态变化操作由将热量传给中级冷却剂的冷凝器完成。然后通过阀门，将压力将到12大气压。n（7）循环冷却器。为了防止蒸汽进入泵，当循环物流与来自二氯化反应器的物流混合时，用冷却水将循环流冷却到90（低于二氯乙烷在1.5大气压下的沸点）。这完成了图2.24中
206、的任务集成。 2010-图图2.24 2.24 说明乙烯过程任务集成的流程说明乙烯过程任务集成的流程2010-2.6.1.6 合成树合成树n整个氯乙烯过程的合成，各分支都已添加到图2.25中的合成树上，表示将予考虑的可供选择的流程方案。粗的分支跟踪的仅仅是在图3.3到图3.8中演变的一个流程的发展过程。显然，有许多可供选择的流程，过程合成中具有挑战性的问题是，要找到不做许多分析工作就能抛弃合成树的整个枝节的方法。通过抛弃反应路线1和2，多达40%的合成树在第一个合成步骤中被删除。设计团队在每一步骤中都应用类似的筛选技巧，如在全书中讨论的那样。n为了达到产生最有发展前途的流程的目的，必须仔细地再
207、每一个合成步骤中保证进行充分的分析，防止某一步会导致下一较差的流程，或不要过早地排除最具效益的流程。因为这一原因，在工业上通常的实践过程是，将这些合成步骤与用模拟软件进行的分析相结合。2010-2.6.1.6 合成树合成树图图2.25 2.25 倒置的氯乙烯生产的合成树倒置的氯乙烯生产的合成树2010-2.6.1.7 试探研究试探研究n在进行初步过程合成的这些工作步骤中，重要的是要记住，得到的合成树是与设计团队所用的试探规则即经验规则密切相关的。在氯乙烯的例子中，重点是合成步骤，而不是设计团队所使用的试探规则。只有一个例外的地方，那就是关于泵送液体比压缩气体要便宜的试探规则。关于试探规则，可参看化学过程的概念设计（Conceptual Design of Chemical Process， Douglas，1998）一书和Walas（1988）的专著，这两本著作提出了许多试探规则。
