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1、第一章第一章 化工过程设计化工过程设计一、化学工业的发展历史、化学工业覆盖的范围及其在现代经济体系中的地位一、化学工业的发展历史、化学工业覆盖的范围及其在现代经济体系中的地位1、化学工业的发展历史、化学工业的发展历史化学工业历经了古代、近代、现代三个主要发展阶段。化学工业发展阶段、古代化学工业：从数千年前人类阳光晒盐、地下卤水煮盐开始，萌发了古老的化学工业。、近代化学工业：从18世纪中叶，欧洲造纸、玻璃、肥皂的大规模生产开始，表明近代化学工业的形成。、现代化学工业：上世纪40年代开始，随着合成橡胶、石油炼制、合成纤维工业的迅速发展，随着化工单元操作理论的日益成熟，在科学技术和生产规模二个层面上
2、，揭示现代化学工业开始形成。2、化学工业属于过程工业型制造业（流程型制造业）、化学工业属于过程工业型制造业（流程型制造业）现代制造业离散型制造业 （例如汽车工业等）过程工业型制造业（又称“流程型制造业”） （例如化学工业、冶金行业等） 流程型制造业一般是能耗大户，也是排放的大户。其节能、降耗、减排的任务十分艰巨。 例如：一个年产值不过仅例如：一个年产值不过仅10亿元人民币的合成原料药制造企亿元人民币的合成原料药制造企业，它每天的耗水量可高达业，它每天的耗水量可高达5000立方米。立方米。3、现代化学工业覆盖的范围、现代化学工业覆盖的范围 我国化学工业的分类与美国、欧盟关于化学工业的范畴有一些区
3、别，但逐步在接轨，按美国、欧盟的化学工业年鉴，现代化学工业覆盖以下范围：现代化学工业石油化工（包括其衍生的有机化工）煤化工（包括其衍生的有机化工）无机化工精细化工及中间体化肥工业农药工业医药工业轻工（造纸、玻璃、塑料、合成橡胶等）染料、油墨、化妆品、清洁剂生物化工4、化学工业在现代经济体系中的地位、化学工业在现代经济体系中的地位 化学工业是所有高新技术产业的支撑工业，如能源、电子、信息、生物、化学工业是所有高新技术产业的支撑工业，如能源、电子、信息、生物、材料等领域，都离不开化学工业提供的物质支撑。材料等领域，都离不开化学工业提供的物质支撑。 化学工业绝不是所谓的“夕阳工业”、“夕阳产业”，它
4、现在仍然正在平稳高速的发展，将来必将持续快速发展。 1990年1999年，美国、欧盟化学工业的发展速度是其全部工业平均增长速度的2.69倍。 美国化学工业的规模一直雄居世界化学工业总量的30左右，是美国为数不多在国际贸易体系内具有贸易顺差的制造业之一。 在世界500强企业中，以化工为主或涉足化工领域的企业为数不少。二、化工过程设计的基本内容二、化工过程设计的基本内容1、化工设计、化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计四个名词之间、化工设计、化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计四个名词之间的联系与区别的联系与区别 化工设计是泛称，在不同场合可分别指称化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计，其内
5、涵最广，但意义不明确。Chemical Design英文中没有如此名词！化工厂设计化工过程设计（核心）化工厂房建筑、结构设计总图设计，.等非工艺部分设计化工工艺设计（核心）公用工程设计、外管设计，等化工过程设计是针对化工工艺设计的深入、配套与完善。化工过程设计是针对化工工艺设计的深入、配套与完善。2、化工过程设计的目标及内容、化工过程设计的目标及内容 美国国家顾问团在其“化学工程的新领域”著作中，简明阐述了化工过程设计的主要目标主要目标： 确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优投入产出比。在定量计算确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优投入产出比。在定量计算的基础上，结合专家的经验，考虑安全、健康
6、、环保的因素，确定出一的基础上，结合专家的经验，考虑安全、健康、环保的因素，确定出一个综合的设计方案。个综合的设计方案。化工过程设计的内容内容： 其基本核心内容是化工工艺设计，其附带内容是针对化工工艺设计，其基本核心内容是化工工艺设计，其附带内容是针对化工工艺设计，对它的配套部分如公用工程、外管设计等进行深入设计和完善。对它的配套部分如公用工程、外管设计等进行深入设计和完善。3、化工过程设计的深化改革、化工过程设计的深化改革化工过程设计发展方向化工过程设计发展方向复杂大型化工厂的设计柔性化工厂的设计自主创新设计与国际工程设计的接轨我国化工设计院，原来的专业部门进行了相应的改革调整。原来的工艺专
7、业部工艺专业部工艺专业部（大部分为化学工程与工艺专业人员）工艺系统专业部工艺系统专业部（少量化学工程与工艺专业人员，大量其它辅助专业）工艺专业部：侧重化工工艺设计工艺系统专业部：侧重化工过程设计中除了化工工艺设计以外与工艺有关的内容工艺专业部工艺专业部：侧重出PID图、PFD图工艺系统专业部工艺系统专业部：侧重出UID图、UFD图PID （Process Instrument Diagram） 带控制点的工艺仪表管道流程图PFD （Process Flowsheet Diagram） 过程物料流程图UID （Utility Instrument Diagram） 公用工程仪表管道流程图UFD
8、（Utility Flowsheet Diagram） 公用工程物料流程图其中，各种图纸随设计的深入，分成多个版本。其中，各种图纸随设计的深入，分成多个版本。 工艺专业部与工艺系统专业部之间，在设计工作过程中有许多需要交流的条件、工艺专业部与工艺系统专业部之间，在设计工作过程中有许多需要交流的条件、文件（文件（“条件表条件表”），有发出条件的），有发出条件的主导专业主导专业，有接收，有接收“条件表条件表”的的接收专业接收专业。我国化工设计院的专业种类化学工程与工艺化工机械自动化及仪表总图概预算（工程经济）建筑、结构、暖通、给排水、强弱电热工、环境工程（环保）、工业炉三、计算机辅助化工过程设计三
9、、计算机辅助化工过程设计 在20世纪20年代以前，化工过程设计几乎没有理论作指导，几乎是完全凭经验。 在20世纪20年代60年代，化工过程设计已经开始有化工单元操作理论作指导，可以定量计算设计，但几乎完全凭手工计算与绘图完成设计工作。 在20世纪60年代以后，计算机辅助化工过程设计得到了发展。 为什么直到20世纪60年代后，在化工设计领域开开始出现计算机辅助化工过程设计呢？计算机软、硬件技术的发展化工单元操作等理论的不断成熟数学计算技术的发展计算辅助化工过程设计软件系统的发展情况：计算辅助化工过程设计软件系统的发展情况：第一代商品化软件系统20世纪60年代，以美国各高校联合开发的CHESS软件
10、系统为代表。Chem. Eng. Simulation System 20世纪70年代初，以美国Monsanto公司牵头开发的FLOWTRAN软件系统代表。第二代商品化软件系统Flowsheet Translator第三代商品化软件系统 20世纪80年代，以 ASPEN 和 PROCESS II 两大软件系统代表。Advanced System for Process Eng. 我国最早由寰球、化工部八院等单位于上世纪90年代率先引进ASPEN软件系统。现在，国内各设计院基本都已经使用ASPEN或Process II软件系统进行计算机辅助化工过程设计。 天津大学拥有正版的ASPEN和Proce
11、ss II 软件系统（教学版）。计算机辅助化工过程设计软件系统的发展方向（趋势）：计算机辅助化工过程设计软件系统的发展方向（趋势）：（1）、单元操作模块的种类数；（2）、物性数据库的大小及数据的估算方法；（3）、能处理的流股数量和组份数量；（4）、计算技术方法（求解方法）；（5）、能处理的流股相态； （气、液、固、胶体、电解质等）（6）、软件系统的人性化界面及开放程度；（7）、流程图形输入及识别技术。等等计算机辅助化工过程设计的优势（优点）：优势（优点）：、设计工作效率高、规范性好、设计水平高（可进行优化设计）四、现代化学工业的发展方向、化学工程伦理学及责任关怀制度四、现代化学工业的发展方向、
12、化学工程伦理学及责任关怀制度1、现代化学工业的发展方向人类发展化学工业的目的：人类发展化学工业的目的： 满足人类对化学物质（分子式、数量、质量、多尺度形态）的不断需求。这个目标由化学家和化学工程师，在技术层面上共同完成。现代化学工业发展方向新物质经济合理的大批量高质量柔性化绿色化多尺度其中： 化学工业绿色化的含义：化学工业绿色化的含义：以“减量化、再利用、资源化减量化、再利用、资源化”为基本原则，也就是所谓的“3R”原则。 （Reduce、Recycle、Resource）具体体现在：（1）、减少化工过程的能耗、物耗；（2）、减少有害物质的使用或生成；（3）、减少废弃物，并使废弃物在系统类在利
13、用；（4）、尽量将排放的废弃物转化为可用的再生资源；（5）、尽量延长产品的生命周期。ReduceRecycleResource2、化学工程伦理学及责任关怀制度 在化学工程领域实施注册工程师制度，在化学工程师心目中树立伦理学观念，建立责任关怀制度。开始逐步成为国际化学工程领域的一个发展大趋势。伦理学理念体现在：伦理学理念体现在：（1）、自觉维护化工过程的安全；（2）、自觉保护环境的意识；（3）、自觉节约资源的意识；（4）、对业主、化工厂操作人员、同事负责的精神。责任关怀制度的含义：责任关怀制度的含义：（1）、提高对安全、健康、环保、资源的认知和行动；（2）、充分报道成绩、行动计划，但不回避缺陷；
14、（3）、与公众沟通，并倾听意见的日常化。等等。第二章第二章 化工厂设计概述化工厂设计概述2.1 我国化工厂基建的一般程序我国化工厂基建的一般程序基建基建：基本建设的简称，一个项目从设想到建成投产的过程。我国化工厂基建的程序如下：前期资料（信息）收集整理工作前期资料（信息）收集整理工作项目建议书项目建议书初步或详细可行性研究初步或详细可行性研究初步决策、工程评估、最终决策初步决策、工程评估、最终决策计划任务书计划任务书投资决策期（阶段）投资决策期（阶段）初步设计初步设计扩初设计扩初设计施工图设计施工图设计 施工施工设计及施工期（阶段）设计及施工期（阶段） 试生产试生产正式投产运行正式投产运行试生
15、产期（阶段）试生产期（阶段）化工厂基建分成三个阶段，其它行业工厂的建立程序也大抵如此。化工厂基建分成三个阶段，其它行业工厂的建立程序也大抵如此。2.1.1 项目建议书项目建议书定义：定义： 将收集到的有关项目的资料（信息）整理成文，由某地区、部门、企业向其上级主管部门提出的申请项目投资立项的文件。项目建议书应该包括的主要内容（章节）：项目建议书应该包括的主要内容（章节）：（1）、项目的背景、意义；（2）、产品价格和市场需求预测分析；（3）、产品方案和建设规模；（4）、工艺技术路线和技术来源；（5）、原料、燃料、动力、水的供应、运输，产品运输等；（6）、厂址选择和厂址条件；（7）、环保方案；（8
16、）、消防及安全措施；（9）、工厂定员及人力资源来源；（10）、投资估算、资金筹措方案；（11）、基建及投资规划；（12）、经济效益初步分析与评价；（13）、结论及建议项目建议书的实质：项目建议书的实质： 想投资该项目的主体，将它前期收集的所有资料（信息），经过加工（初步定量计算、并结合专家经验）处理，按以上主要章节整理成一本文件。其目的就是要打动上级决策者，让决策人下决心上该项目。项目建议书被批准后，才能往下接着进行项目的可行性研究。2.1.2 项目的可行性研究（简称项目的可行性研究（简称“可研可研”）可行性研究的定义：可行性研究的定义： 根据国家、地区、行业、部门的经济整体规划或布局，对拟建
17、项目的技术、经济和工程、安全、环保等问题进行详细的研究与分析。就该项目是否该建、是否缓建、如何建提出建议，为投资决策提供更可靠的依据。 可行性研究报告可行性研究报告（按内容深度分）初步可行性研究详细可行性研究 可行性研究报告可行性研究报告（根据资金来源、投资额、重要性）业主自行委托上级主管部门指定可行性研究报告，必须由有相应设计资质或咨询资质设计资质或咨询资质的单位来完成。可行性研究报告的实质：可行性研究报告的实质： 主要内容就是项目的技术经济分析报告，要求针对业主自己做出的项目建议书的内容逐一地进行论证研究与分析。相对于项目建议书，可行性研究报告在以下方面需要加强：（1）、重新收集信息资料，
18、尤其是要求重新做市场预测分析；（2）、做初步的工艺计算，对项目的投资、产品成本、经济效益尽可能详细估算；（3）、加强不确定性、风险性分析；（4）、得出明确的结论与建议项目的可行性研究十分重要，是基建程序中替国家、业主把关的关键步骤项目的可行性研究十分重要，是基建程序中替国家、业主把关的关键步骤2.1.3 计划任务书（设计计划任务书）计划任务书（设计计划任务书）来源：来源： 项目可行性报告经过论证会（评审会）通过后，上级主管部门将下达“关于关于项目可行性研究报告的批复项目可行性研究报告的批复”和“关于关于项目项目的设计计划任务书的设计计划任务书”。定义：定义： 由上级主管部门对拟建项目的地点、规
19、模、投资、建设期、劳动定员等问题，下达的“规定性”文件。它和可行性研究报告一起，共同作为项目的设计依据。关注我国投资体制的改革问题：关注我国投资体制的改革问题：（1）、财政资金和限制目录；）、财政资金和限制目录；（2）、谁投资、谁决策、谁收益、谁承担风险的原则；）、谁投资、谁决策、谁收益、谁承担风险的原则；（3）、国家宏观调控下，市场配置资源的原则。）、国家宏观调控下，市场配置资源的原则。2.1.4 化工项目基建的设计阶段化工项目基建的设计阶段 化工项目设计化工项目设计（按设计深度）初步设计（基础设计）扩初设计（扩大的初步设计）施工图设计（施工设计）一、初步设计一、初步设计 是设计深度最浅的设
20、计阶段，一般只要求：1、PID图；2、物料及热量核算计算；3、对土建、公用工程提出要求；4、对工厂布置（总图）和车间布置提出要求、建议；5、工程概算；6、初步设计说明书。这就是所谓的“三段设计三段设计（设计的三个阶段）”二、扩初设计二、扩初设计 在初步设计的基础上，针对工程的关键技术（主要指关键设备、关键工艺）工段，补充以下文件：1、关键设备设计图纸；2、关键设备的布置图；3、关键工艺工段操作说明；4、扩初设计说明书。注意：注意： 对于有设备创新、工艺技术创新的化工工程，扩初设计阶段是十分必对于有设备创新、工艺技术创新的化工工程，扩初设计阶段是十分必要的。要的。 但总体而言，扩初设计只是从初步
21、设计到施工图设计的一个过渡阶段，它还不能指导施工建设。三、施工图设计三、施工图设计 这是最详细、最深入的工程设计阶段。只有它的设计文件，才能交给施工队进行施工建设。是针对初步设计或扩初设计的完全具体化。对化工工艺部分的设计，施工图设计要出的主要文件：1、PID最终版；2、UID图；3、所有设备的施工图；4、平立面布置图；5、配管图（配管设计图）；6、施工材料明细表；7、工程预算书；8、施工图设计说明书。等等。注意：注意： 按项目工程的大小及复杂程度、上级主管部门的要求、设计能力等情况，设计阶段分成三种情况：简单工程： 一步直接做施工图设计中等复杂工程： 初步设计 施工图设计复杂、创新工程： 初
22、步设计 扩初设计 施工图设计最后的落脚点都是施工图设计每步设计对要进行严格的审查问题：为什么要将设计进行分段？2.1.5 化工项目（工程）的试生产化工项目（工程）的试生产化工项目（工程）试生产的顺序（步骤）：化工项目（工程）试生产的顺序（步骤）：1、清理现场2、清洗设备及管道（水洗、气冲，并注意清洗顺序）3、设备的单体试车（以水代料）4、整个工程以水代料联动试车5、投入物料进行试试车注意：期间穿插人员的安全、健康、工艺操作培训。此外，试生产一般处于非正常工况。此外，试生产一般处于非正常工况。2.2 工艺包设计工艺包设计1、工艺包的定义、工艺包的定义 工艺包是一个专用的技术名词，特指某个化工产品
23、生产技术方面的全部技术文件的总和。工艺包是一个化工厂工艺的核心技术文件。工艺包的来源国内高等院校、研究院所国外专利商2、工艺包（工艺包设计）的主要内容、工艺包（工艺包设计）的主要内容（1）、工艺包的范围；（2）、工艺的详细说明（原料、公用工程、产品规格，操作条件及流程说明，控制方案，物料性质等。）；（3）、物料及能量核算；（4）、PID图；（5）、设备一览表（设备规格、材质、数量等）；（6）、布置建议；（7）、化验、检修要领等。 从工艺包的内容来看，它基本达到了工艺初步设计的深度。我国设计院从工艺包的内容来看，它基本达到了工艺初步设计的深度。我国设计院基本都是从接手工艺包开始，直接做项目过程的
24、扩初设计和施工图设计。基本都是从接手工艺包开始，直接做项目过程的扩初设计和施工图设计。2.3 化工工艺设计的内容与步骤化工工艺设计的内容与步骤 化工厂设计除了化工工艺设计外，还包括工厂总图设计、厂房土建设计、公用工程设计、外管设计等等。 但化工工艺设计是整个化工厂设计的核心。但化工工艺设计是整个化工厂设计的核心。化工工艺设计贯穿初步设计、扩初设计、施工图设计每个阶段。化工工艺设计贯穿初步设计、扩初设计、施工图设计每个阶段。 一个化工流程的特性（特点、特征、性能）决定于它内部的一些特性一个化工流程的特性（特点、特征、性能）决定于它内部的一些特性参数：参数：化工流程的特性参数流程的单元结构参数单元
25、的种类、数量单元之间位置关系流股走向关键单元设备的特性参数关键工艺工段的操作参数化工工艺设计的内容与步骤化工工艺设计的内容与步骤第一步：流程组织（过程合成）第二步：物料衡算及热量衡算第三步：设备设计及选型第四步：PFD图及PID图的设计与绘制第五步：车间流程的平立面布置设计第六步：主要材料表及概（预）算（工艺部分）第七步：对流程的技术经济分析第八步：编写工艺设计说明书内内循循环环优优化化外外循循环环优优化化工艺设计不是一蹴而就的，要做许多回合的优化调整。工艺设计不是一蹴而就的，要做许多回合的优化调整。内循环优化：内循环优化： 在流程结构不变的前提下，通过修改、调整流程内部的部分设备参数和操作参
26、数，来对流程进行优化设计。外循环优化：外循环优化： 在内循环优化不能满足优化目标的情况下，重新做流程组织，对流程结构进行改头换面的大变动，而达到对流程进行优化设计的目的。内循环优化经常用于老流程的改造，并对实验室研究开发有指导意义。内循环优化经常用于老流程的改造，并对实验室研究开发有指导意义。外循环优化经常用于新厂设计时，对多个流程方案进行分析比较。外循环优化经常用于新厂设计时，对多个流程方案进行分析比较。 二层循环优化设计，工作量巨大，手工设计很难完成，只有靠计算二层循环优化设计，工作量巨大，手工设计很难完成，只有靠计算机辅助设计。机辅助设计。 从化工工艺设计的内容与步骤可以看出，设计、技术
27、经济分析、计算机辅设计、技术经济分析、计算机辅助化工设计三者之间的关系：助化工设计三者之间的关系： （1）、设计出一个或几个较优的流程是设计的最终目的； （2）、技术经济分析是判断流程优劣的依据（标准）； （3）、计算机辅助化工设计是设计的有力手段。注意：注意： （1）、在）、在PID图中，关于管路的信息、控制回路的信息十分丰富。图中，关于管路的信息、控制回路的信息十分丰富。 （2）、根据设计的不同阶段，化工工艺设计的深度也相应变化。）、根据设计的不同阶段，化工工艺设计的深度也相应变化。 PID图样本图样本2.4 化工厂设计中的一些全局性问题化工厂设计中的一些全局性问题2.4.1 化工厂厂址的
28、选择化工厂厂址的选择 厂址选择是在基建的投资决策阶段必须解决的重要问题，由工艺系统专业部的总图专业牵头完成。 是项目建议书、可行性研究报告中必不可少的内容。 化工厂厂址选择的结果，直接影响到设计、投资、运营成本、生产情况。一、化工厂厂址选择的工作程序一、化工厂厂址选择的工作程序厂址选择准备阶段现场考察工作多方案比较完成厂址选择报告从全厂工艺及发展的眼光出发，确定用地大小，初选几处，收集当地水文、地质、天气、人文、历史、用地政策、投资政策等信息。 在项目建议书阶段不强求有选址报告，但选址报告一定要同步于可行性研究报告（或先于“可研”）完成。可以作为可行性研究报告的独立章节。二、化工厂厂址选址的几
29、个基本原则二、化工厂厂址选址的几个基本原则1、应符合国家、地区、行业、部门发展大局的需要；2、应选在原料、燃料、动力充足，运输方便，产品销售便利的地区。并在公用工程、生活设施有良好基础的地区；3、化工厂厂址附件应该有良好、充足的水源； （化工类企业对水有强烈的需求依赖）4、应该注意节约用地及占地种类，并考虑工厂发展的需要；5、应考虑附近居民的安全与健康，厂址的气候及防灾害能力。6、避免建在国家或地区的水利、历史、自然、文化等各类保护区。 此外，厂址地方的投资及税收政策、人力资源及成本、管理是否方便、协作关系等社会因素也应综合考虑。2.4.2 化工厂总图布置化工厂总图布置总图布置（工厂布置、总图
30、运输），由总图专业牵头完成。化工厂广义的化工厂广义的“车间车间”包括以下部分：包括以下部分：化工厂主要生产车间辅助生产车间（机修、电仪修、中央化验室、仓库等）服务型车间（厂区办公楼、职工宿舍、医药、食堂等）公用工程车间（水、电、汽、气、冷冻）主要生产车间的含义：主要生产车间的含义： 车间输入物流输出物流特点： 输入物流和输出物流，其物质在分子层面、形态、纯度等性质发生了变化。一、总图布置的定义一、总图布置的定义 在全面掌握工厂工艺概况的前提下，结合厂区的各种内、外部条件，对化工厂的所有车间在厂址范围内进行合理的布局，以期获得安全、经济的人流及物流流动路线。总图布置样图总图布置样图二、化工厂总图
31、布置的几条基本原则二、化工厂总图布置的几条基本原则1、应尽量考虑生产工艺流程的要求，避免物流交叉，缩短物流路线。并尽量减少人流和物流的交叉。 1 2 3 1 2 32、对公用工程有大需求的车间，应考虑其与外界的联系，并尽量靠近其供应源。同时遵守“负荷集中负荷集中”原则。3、厂区内与外界有大运输量的车间应尽量布置在厂区外缘。4、厂区内同类型或相似类型的车间应尽量集中布置。（“同类集中同类集中”原则） （如制药厂内同类药品种、剂型集中，放射、有毒、易燃易爆类分别集中）5、厂区布置应考虑防火、防爆及卫生健康的要求。 （易燃易爆车间不要布置在厂区中央，并考虑相邻车间的安全。有粉尘、气味的车间尽量布置在
32、下风口）6、工厂布置应考虑工厂、车间发展的需要。2.4.3 化工厂的车间布置化工厂的车间布置一、化工厂车间的构成一、化工厂车间的构成生产部分原料工段生产工段成品工段回收工段控制室辅助部分变配电室通风空调室车间化验室机电仪修室各类中转室生活部分车间办公室工人休息室浴室及更衣间卫生间化工厂的一个车间车间布置的任务：车间布置的任务： 在化工厂总图布置的框架下，按车间生产流程的工艺要求，同时考虑安全、操作方便、设备维修、经济合理等因素，将车间内生产部分、辅助部分、生活部分的所有硬件（主要是生产流程中的所有设备），在车间厂房的三维空间内进行合理的布局。 车间布置车间布置（车间平立面布置）（车间平立面布置
33、）车间各层平面布置图车间的立面布置图（各种剖面）车间平立面布置需要的主要资料：车间平立面布置需要的主要资料：1、化工厂总图布置图，厂房土建结构图；2、PID图；3、物料衡算及能量衡算结果、物性数据；4、设备一览表（尺寸、重量、安装及保温情况）；5、车间公用工程用量及车间外管情况；6、车间定员（人数、男女比例、倒班情况）。车间平立面布置样图车间平立面布置样图配管设计样图配管设计样图化工厂总图布置与车间布置的关系：化工厂总图布置与车间布置的关系：1、总图布置是大局，车间布置是局部。车间布置服从于总图布置；2、总图布置先完成，再进行车间布置。少数情况下，二者可能同步进行。2.5 化工厂设计的部分参考
34、资料化工厂设计的部分参考资料 在工艺包设计和化工工艺专业设计的过程中，设计人员需要查阅许多参考资料，才能正确完成设计任务。例如，项目产品牵涉到的化工基础数据及其估算方法、产品生产流程信息、产品生产流程中相关主要单元操作技术要点、产品设计需要遵守的各类设计规范、行业各类标准设备图集、一些化工厂设备或仪表或管件的产品样本以及一些与设计有关的工艺技术评价和工艺经济评价方面的参考资料等等。化工设计的参考资料主要来源于以下四个方面；1、各类化工方面的中外文杂志、期刊、专利、文摘等；2、各类中外文化工百科全书（这类百科全书一般包括许多文献资料，而且一般间隔一段时间会再版更新）；3、各类化工设计规范、手册（
35、一般以国内出版的规范及手册为主）；4、世界著名研究机构编写的一些以产品目录为索引的化工技术及经济方面的报告。例如，美国斯坦福研究所（SRI International）编写的以活页形式装订的化工技术经济报告。这类报告在化工产品范围内覆盖面较广，而且经常更新，尤其在初步设计时，极具参考价值。目前我国部分化工设计研究单位、化工信息中心（如大庆石化院等）等少数单位有此出版物。第三章第三章 物料衡算与热量衡算物料衡算与热量衡算3.1 物料衡算与热量衡算概述物料衡算与热量衡算概述物料衡算（Material Balance），简称“MB”热量衡算（Heat Balance），简称“HB”能量衡算（Ener
36、gy Balance），简称“EB”物料衡算与能量衡算的联立计算（Combined Balance），简称“CB”MB与与HB计算是化工工艺设计中最基本，也是最主要的计算内容。计算是化工工艺设计中最基本，也是最主要的计算内容。一、化工流程（过程）中一、化工流程（过程）中MB、HB、EB三者之间的关系三者之间的关系1、MB与与HB之间的关系之间的关系MB有可能能单独（不依赖HB而独立）求解；HB一般不能单独求解； （间壁式换热器除外）当MB不能独立求解时，它就必须与HB联合起来，求解CB。2、EB与与HB之间的关系之间的关系 流程压力水平不高，而且压力变化也不大，系统能量只考虑其热焓，而忽略其动
37、能、势能等机械能，在这种情况下： EBHB3、在、在HB计算中，压力对焓值的影响计算中，压力对焓值的影响热焓是状态函数，严格而言，它同时与温度和压力有关。 但温度对焓值的影响更加显著。在压力水平不高且压力变化不大的化工流程中，一般认为焓值只是温度的函数，以简化计算。二、化工工艺计算中的衡算计算的范围二、化工工艺计算中的衡算计算的范围 要进行衡算计算，就要确定衡算的范围。化工流程设计衡算的范围可能有如下几种情况：1、流程中某一个单元设备；2、流程中某几个单元设备组合的子流程；3、整个流程。衡算计算范围示意图：衡算计算范围示意图：边界线（Boundary Line）围起来的区域构成衡算范围。三、三
38、、MB、HB的定义与任务的定义与任务1、MB、HB的定义与任务的定义与任务 从化工流程内的MB方程、HB方程出发，结合其它有关方程，求解确定流程中所有流股的状态，以及有关设备的单元变量。流股状态可用一组流股变量来描述：F，T，P，x1， x2 ，xn1设备的单元变量：dQ/dt （Q）、dW/dt （W）、ri （i1，2，,m）其它方程包括：设计约束方程（最常见）；相平衡方程，等等。MB、HB衡算计算的任务：衡算计算的任务： 就是解就是解MB、HB、其它方程组成的方程（组），求解出衡算范围内未、其它方程组成的方程（组），求解出衡算范围内未知的流股变量和设备单元变量。知的流股变量和设备单元变量
39、。2、化工流程的操作状态及其对应的衡算计算基准、化工流程的操作状态及其对应的衡算计算基准（1）、连续生产流程（稳态流程）连续生产流程（稳态流程）特点：参数是位置的函数，而不随时间而变。适用情况：产量大，物系稳定性较好。衡算计算基准：时间基准（ /s, /h, /d）（2）、间歇生产流程（动态流程、批处理过程）间歇生产流程（动态流程、批处理过程）特点：参数不仅是位置的函数，也是时间的函数。适用情况：产量小，物系稳定性较差，需要切开批次的过程。衡算计算基准： /批（ /Batch）（3）、半间歇半连续生产流程半间歇半连续生产流程特点：间歇操作和连续操作同时出现在一个流程内。适用情况： 物料流在流程
40、内流量变化大；流程内有些物质稳定性好，有些物质稳定性较差。连续部分间歇部分储罐半间歇半连续流程框架示意图：半间歇半连续流程框架示意图：注意：在二种操作模式的交界处，必须设置储罐。衡算计算基准： 以二者之间的储罐为分界点，按间歇、连续分段计算。以二者之间的储罐为分界点，按间歇、连续分段计算。本章讲解顺序：本章讲解顺序：1、化工流程的自由度分析；2、单独的MB计算3、MB、HB的联立计算；4、计算机辅助MB、HB计算。不带反应带反应3.2 化工流程的自由度分析化工流程的自由度分析一、化工流程自由度的定义一、化工流程自由度的定义 1、数学方程组自由度问题、数学方程组自由度问题方程组自由度变量数方程数
41、方程组自由度0无解方程组自由度0多解（超定解、不定解）方程组自由度0有唯一确定解问题：化工流程中为什么也会出现自由度的概念？问题：化工流程中为什么也会出现自由度的概念？2、化工流程自由度定义、化工流程自由度定义化工流程的自由度流程变量总数衡算方程数已知变量数 已知其它关系式数其中： 流程变量总数流股变量数单元变量数衡算方程数MB方程数HB方程数其它关系式设计约束方程相平衡关系式，等等注意：变量、方程全部必须相互独立。注意：变量、方程全部必须相互独立。二、化工流程自由度分析应注意的几个问题二、化工流程自由度分析应注意的几个问题1、流股变量、流股变量对一个含n种组份的单相流股，其流股变量描述为：F
42、，T，P，x1， x2 ，x n1若压力P对热焓影响较小，则流股变量忽略P，变为：F，T，x1， x2 ，x n1进一步，若仅做仅做MB计算，则流股变量忽略温度T，变为：F，x1， x2 ，x n1 （共n个）注意：对多相流股，其流股变量的描述比较特别。注意：对多相流股，其流股变量的描述比较特别。2、设备单元变量、设备单元变量在忽略流程做功（dW/dt或W）的情况下，设备单元变量分为两种：设备单元变量ri （i1,2,m；某单元内含m个独立反应） （描述反应程度）dQ/dt （Q）（描述某设备单元的传热） 3、分流器的自由度分析有特殊性、分流器的自由度分析有特殊性 对一个化工单元设备，一般而言
43、，它涉及到几种组份就相应可以列出几个独立的MB方程。 但唯独分流器（分配器，splitter）具有特殊性。那么，什么是分流器呢？那么，什么是分流器呢？ 它有什么作用和特点？它有什么作用和特点？分流器示意图：分流器示意图：分流器分流器的特点：分流器的特点：、其所有流股的组成相同；、无反应，各流股只是流量不相同。分流器的作用：分流器的作用： 将一个流股拆分为几个组成相同、流量不同的分流股，分拆开的流股，一部分回流（recycle），一部分防空（purge）。分流器单元的分流器单元的MB方程数的特殊性：方程数的特殊性： 无论分流器牵涉到多少种组份，其独立无论分流器牵涉到多少种组份，其独立MB方程只有
44、方程只有1个。个。例题：有如下一个分流器：分流器12341000 Kg/hNaCl 0.20Na2SO4 0.40H2O 0.40要求：F22F3，F30.25F4， 试做其自由度分析并求解其MB。（组成为质量百分比浓度）解：1、该分流器的自由度分析表如下：方法一方法二（直观）独立流股变量数独立MB方程数已知流股变量数已知其它关系式数自由度2、具体MB计算（略）121（而不是3）9206（42）1（而不是3）3（12）20在开始下一节讲授之前，大家先考虑一个精馏塔的在开始下一节讲授之前，大家先考虑一个精馏塔的MB问题。问题。例题：有人提出了一个无反应的单精馏塔流程的方案，试做其MB计算:精馏塔
45、123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.30C3 i-C4 0.40i-C5i-C4 0.20i-C5C5设计要求：1、进料中85的i-C5 从塔顶馏出；2、组成均为摩尔分率；解：该精馏塔系统的自由度分析如下：流股变量数MB方程数已知流股变量数已知其它关系式数自由度1046115000MB计算时的自由度分析对设计条件正确与否起校验作用。计算时的自由度分析对设计条件正确与否起校验作用。 3.3 化工流程的物料衡算（不带反应）化工流程的物料衡算（不带反应） 本节主要目的：1、化工流程的自由度分析；2、利用自由度分析结果判断物料衡算计算顺序；流流 程程
46、示示 意意 图图例题例题：有如图所示的一个连续流程，用于稀醋酸的浓缩处理，图中E代表某种溶剂组分。过程无任何化学反应。已知： 1. 产品精馏塔进料中的HAc有67.5%从产品流中产出。 2. F1=2.3F11 3. 图中所有组成均为质量百分数。 要求： 1. 试作此过程的自由度分析， 列出自由度分析表 2. 指出完整的物料衡算（MB）计算顺序 3. 求解出2号流股的组成及F2/F9废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O
47、69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔123111085467912基准后基准后解： 这是一个只做物料衡算的情况，从流程特点可以看出，整个流程系统是： 因为流程中没有化学反应，而所有输入的流股中只含有4种组份，因而可以判定流程中所有流股所含有的组份应该4种。 1、7号流股输入 流程系统 （无化学反应）9、12号流股输出整体整体第一步、根据流程的特点，确定流程中所有流股含有的组份数。第一步、根据流程的特点，确定流程中所有流股含有的组份数。求解步骤：求解步骤：流股号组份数123456789101112 3 2
48、2 3 3 4 2 2 2 4 2 2各流股组份数一览表各流股组份数一览表废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔123111085467912第二步、做流程的自由度分析第二步、做流程的自由度分析 流程自由度分析表流程自由度分析表混合器1萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔混合器2溶剂提留塔过程OB（整体）变
49、量总数MB衡算方程数 已知变量数附加关系式数自由度（1）混合器）混合器1及萃取塔的自由度分析及萃取塔的自由度分析混合器1萃取塔变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度83212124206废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4
50、（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（2）溶剂提馏塔及整体的自由度分析）溶剂提馏塔及整体的自由度分析溶剂提馏塔整体（OB）变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度104303114502废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）
51、4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（3）溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析）溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析溶剂回收塔产品精馏塔变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度73301 62211废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2
52、）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（4）混合器）混合器2及过程的自由度分析及过程的自由度分析混合器2自由度附加关系式数10已知变量数MB衡算方程数31变量总数过程82303废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6
53、（2）7（2）9（4）12（2）（5）整体与过程自由度分析之间的区别）整体与过程自由度分析之间的区别 整体整体：又称“总体”，意指只考虑进出系统的流股，不考虑流程内部的中间流股。“Overall Balance”，简称“OB”。 过程过程：与整体的区别在于，过程不仅包括进出系统的流股，还要包括流程的所有中间流股。 流程自由度分析结果一览表混合器1萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔混合器2溶剂提留塔过程OB（整体）变量总数MB衡算方程数 已知变量数附加关系式数原自由度8321+212420+67330+16221+18230+310430+33118 102+111450+2 一个正确（设计条件给得恰好
54、）的化工流程，其一个正确（设计条件给得恰好）的化工流程，其“过程过程”一栏中的自由度必一栏中的自由度必须是须是0，而且其它单元（包括虚拟的，而且其它单元（包括虚拟的OB）的自由度必须都）的自由度必须都0。 而且整体只是一个虚拟的单元，看一个化工流程设计条件给得正确与否，而且整体只是一个虚拟的单元，看一个化工流程设计条件给得正确与否，不能只看整体的自由度分析结果，而应该看过程的自由度分析结果。不能只看整体的自由度分析结果，而应该看过程的自由度分析结果。要特别注意过程自由度分析时，MB方程的加和性方程的加和性、附加关系式的加和性附加关系式的加和性。去流程图 本例题的过程自由度为1，那么肯定不能通过
55、MB计算确定流程中所有流股变量的唯一解。问题：这个例题是不是出错了？ 全部流程设计条件中，已知的流股变量中，只有组成变量，而没有一个流量变量已知。也就是说，该流程所有设计已知数据只有“强度”性质的数据，而没有一个“容量”性质的数据已知。在这种情况下，该流程设计条件很有可能是所谓的“弹性设计”。回流程图针对弹性设计流程的自由度分析时应该注意：针对弹性设计流程的自由度分析时应该注意：1、流程是否是弹性设计？、流程是否是弹性设计？一个流程是弹性设计，必需同时满足以下二个条件：（1）、流程过程自由度必需是1；（2）、流程的已知流股变量全部是强度性质（没有一个流量变量已知）。2、针对弹性设计，做衡算计算
56、时，就要假设一个流股的流量已知，将某一个流、针对弹性设计，做衡算计算时，就要假设一个流股的流量已知，将某一个流股的流量赋一个值，这个流股的假设流量就称为弹性设计流程的股的流量赋一个值，这个流股的假设流量就称为弹性设计流程的计算基准计算基准。3、计算基础的挑选原则：计算基础的挑选原则： （1）、放在自由度最小的单元上； （2）、附带再考虑计算基准对相邻单元的影响。针对本例题，计算基准选谁（假设哪个流股的流量值）？去自由度表 流程自由度分析表（假流程自由度分析表（假设F10已知）已知）+2+1+3+3+1+1+6+1自由度计算基准20330061新自由度02001001附加关系式数51033232
57、2已知变量数418 422343MB衡算方程数113110867128变量总数OB过程溶剂提留塔混合器2产品精馏塔溶剂回收塔萃取塔混合器1本例题最优选择本例题最优选择F10已知，将已知，将F10作为计算基准。作为计算基准。111这样，该设计变成了有唯一确定解的正确设计了。问题：基准大小对问题：基准大小对MB 结果的影响？结果的影响？针对以上分析结果，手工计算应该从哪里入手？针对以上分析结果，手工计算应该从哪里入手？ 手工计算肯定先从自由度最小的单元开始，尤其是从自由度为0的单元开始。本例题肯定首先解溶剂回收塔和产品精馏塔的MB。而且它们都是完全求解。问题：解完溶剂回收塔和产品精馏塔后，紧接着应
58、该解谁？问题：解完溶剂回收塔和产品精馏塔后，紧接着应该解谁？确定下一步求解单元的原则：确定下一步求解单元的原则： 从流程图上看上一步求解结果对相邻单元（包括从流程图上看上一步求解结果对相邻单元（包括OB）自由度）自由度的影响程度而定。的影响程度而定。 求解完溶剂回收塔和求解完溶剂回收塔和产品精馏塔后。产品精馏塔后。 01438混合器1萃取塔2自由度0附加关系式数4已知变量数2MB衡算方程数8 变量总数混合器2OB 更新自由度分析表（updating analysis table of freedom degree）460112401144废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%
59、循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2） 将对将对OB、萃取塔、萃取塔、混合器混合器1和混合器和混合器2的自的自由度产生影响。由度产生影响。更新自由度分析结果：接着解混合器更新自由度分析结果：接着解混合器1，而且是完全求解。，而且是完全求解。 求解完混合
60、器求解完混合器1后。后。整体（OB）萃取塔变量总数 MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度更新自由度分析表470012401171废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2） 将对将对OB、萃取塔、
61、萃取塔产生影响。产生影响。更新自由度分析的结果：接着解整体，而且是完全求解。更新自由度分析的结果：接着解整体，而且是完全求解。 求解完整体（OB）后，将对混合器2、溶剂提馏塔的物料衡算产生影响。混合器2溶剂提馏塔变量总数 MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度更新自由度分析表25011040 860废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2
62、O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2） 但只有溶剂提馏塔的自由度将变成零。所以，这时应该求解溶剂提馏塔，而且是完全求解。 求解完溶剂提馏塔后，求解完溶剂提馏塔后，将对混合器将对混合器2、萃取塔的物、萃取塔的物料衡算产生影响。料衡算产生影响。混合器2萃取塔变量总数 MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度更新自由度分析表2600 8废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%
63、E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）124100220结论：解混合器2或或萃取塔，必然是完全求解。从以上分析可以在具体计算之前得出物料衡算的计算顺序物料衡算的计算顺序：精馏塔MB回收塔MB混合器1MB整体OB MB溶剂提馏塔MB混合器2MB萃取塔MB 这是一个每步计算都能完全求解的计算顺序。最后一步不必要同时进行混合器2和萃取塔的MB，二者解其一即可
64、。注意：流程中有几个单元设备，就只需要求解几步， 整体（OB）也相当于一个虚拟单元。4、按判断的衡算计算顺序进行具体求解、按判断的衡算计算顺序进行具体求解 、精馏塔物料衡算（MB）： 按自由度分析的结果出发，可以设F12100Kg/h为计算基准 解得： F10244.44（Kg/h），F11144.44（kg/h） x11,HAC0.33，x11,H2O0.67 总流量衡算方程： F10F11100 HAc组份衡算方程： 0.6F10F11x11,HAC99 设计要求（附加关系式）方程： 990.6750.6F10、混合器1物料衡算（MB）： 设计要求（附加关系式）方程： F12.3F1133
65、2.212 总流量衡算方程： F2F1F11476.652（Kg/h） HAc组份衡算方程： F2x2,HAC0.3332.2120.33144.44 H2O组份衡算方程： F2x2,H2O0.698332.2120.67144.44解得：F1332.212 （Kg/h）， F2476.652（Kg/h） x2,H2SO40.0014 x2,HAC0.3091 x2,H2O0.6895、整体（OB）的物料衡算（ MB）：该例题的最终求解结果：该例题的最终求解结果： 2号流股组成为：（号流股组成为：（HAc，H2O，H2SO4）（）（30.91，68.95，0.14） F2/F9476.652/
66、232.4522.0505溶剂组份E的衡算方程： 0.99F70.001F9总流量衡算方程： 332.212F7F9100H2SO4组份衡算方程： 0.002F1F9x9,H2SO4HAc组份衡算方程： 0.3F10.99F12F9x9,HAc 解得： F70.2348（Kg/h），F9232.452（Kg/h） 本题小结小结1、认识到自由度分析是物料衡算计算的有力工具，掌握物料衡算的求解步骤；2、在自由度分析之前，必须会根据流程特点判断流程中各流股所含的组份数；3、会判断流程设计是否是弹性设计，会挑选合适的计算基准；4、会根据自由度分析结果判断衡算计算顺序，尤其是应该注意更新自由度分析；5、
67、不能忽视具体的求解计算过程。例题：例题： 一个由四个精馏塔和一个分流器组成的化工流程示意图如下所示，流程中无化学反应，所有组成均为摩尔分率。设计要求从塔2塔底出来的流股流量有50%回流到塔1，试计算确定流程中所有未知的流股流量和组成。 411109876532塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001一个不带化学反应的精馏塔群流程示意图一个不带化学反应的精馏塔群流程
68、示意图说明：3号流股只含C2、C3、C4去变置下一节解： 该过程的流程中一些流股的部分或全部流股变量已经由设计条件给出，但仍然有一些流股变量未知仍然有一些流股变量未知。由于该例题要求确定流程中所有未知的流股变量，所以，其物料衡算范围应该是全部流程过程。 该流程虽然只牵涉到4种组份，但由于牵涉到5个单元设备、11个流股。所以其物料衡算计算相对一个单元操作的物料衡算要复杂一些，为了确定物料衡算计算的顺序，先进行该流程的物料衡算自由度分析，这样还可以对设计条件（数据）充分与否进行校验。 在作该流程的自由度分析之前，应该根据流程的特点和流股与单元设备的联系确定流程中所有流程可能含有的组份种类。在本例题
69、中，1、4、5、6、7、9、10、11号流股的组份种类已经十分明显了，但但2、3、8号流股的组份种类就需号流股的组份种类就需要根据流程的特点和流股与单元设备的联系来进行分析判断要根据流程的特点和流股与单元设备的联系来进行分析判断。本例题中，由于塔2的输出流股中含有三种组份，所以2号流股就必然含有三种组份（C1、C2、C3），同理可以判断出3号流股和8号流股含有三种组份（C2、C3、C4）。还应该注意，本例题中5、6、7三个流股是直接与分流器相连接的流股，它们的流股组成应该完全相同。12自由度00已知附加方程数47已知流股变量数34MB方程数813总流股变量数塔2塔14111098(3)7653
70、(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.00113自由度00已知附加方程数22已知流股变量数23MB方程数58总流股变量数塔4塔34111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10
71、C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.00121自由度01已知附加方程数92已知流股变量数41MB方程数155总流股变量数整体分流器 注意：整体只管进出系统的流注意：整体只管进出系统的流股，而与中间流股无关，该整体股，而与中间流股无关，该整体相当于一个虚拟的单个精馏塔。相当于一个虚拟的单个精馏塔。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C
72、4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001自由度已知附加方程数11已知流股变量数MB方程数25总流股变量数过程注意：过程与整体不同，它要包注意：过程与整体不同，它要包含流程系统内所有流股。含流程系统内所有流股。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.0012011312自由度0110000已知附加方程数91122
73、247已知流股变量数41312334MB方程数1525558813总流股变量数整体过程分流器塔4塔3塔2塔1流程的自由度分析表（结果）流程的自由度分析表（结果）从流程的过程自由度分析结果可以看出：该流程设计条件给得正确。从流程的过程自由度分析结果可以看出：该流程设计条件给得正确。从自由度分析结果还可以看出：所有单元的自由度都没有为零的。问题：从哪个单元开始进行计算？问题：从哪个单元开始进行计算？ 即使所有单元自由度中，没有一个为零，仍然从自由度最小的单元开始计算，只不过分步骤的计算结果中带有未知变量（部分求解）分步骤的计算结果中带有未知变量（部分求解）。例如：本例题MB手工计算从塔2开始，塔2
74、的MB方程：F2F4F50.03F20.10F5塔2的MB求解结果（带有一个未知变量（带有一个未知变量F2）： F50.3F2 F40.7F2求解塔求解塔2后，应该求解那个单元？后，应该求解那个单元？ 还是看对相邻单元自由度的影还是看对相邻单元自由度的影响，做相邻单元的更新自由度分析响，做相邻单元的更新自由度分析211自由度001已知附加式92已知变量数441MB方程数15135变量数OB塔1分流器78结论：求解塔结论：求解塔2后，应该解分流器或塔后，应该解分流器或塔1。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.4
75、0C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001?（21）求解分流器MB：F5F6F7F60.5F5解得： 结果中仍然带一个未知变量仍然带一个未知变量F2 3个流股组成全部已知 F60.15F2 F70.15F2求解分流器后，应该求解那个单元？求解分流器后，应该求解那个单元？ 还是看对相邻单元自由度的影还是看对相邻单元自由度的影响，做相邻单元的更新自由度分析响，做相邻单元的更新自由度分析01自由度00已知附加式数已知变量数44MB方程数1315流股变量
76、数塔1OB97109结论：从塔结论：从塔2解到分流器，再解到塔解到分流器，再解到塔1时，变成完全求解。时，变成完全求解。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001？（2-1）？（3-1）截止到以上，我们已经能够判断出三步计算顺序： 塔2MB（带一个未知变量的部分求解） 分流器MB（带一个未知变量的部分求解） 塔1MB （完全
77、求解） 为什么从塔为什么从塔2、解到分流器还只能部分求解，再解到塔、解到分流器还只能部分求解，再解到塔1后，其后，其MB就能就能完全求解呢？完全求解呢？我们再回头看一看原来的流程图和设计条件。01自由度11已知附加式数84已知变量数84MB方程数1710流股变量数塔2和分流器和塔1子流程过程过程塔2和分流器子流程过程过程大家考察一下：大家考察一下： 塔塔2和分流器组成的子流程的过和分流器组成的子流程的过程自由度？程自由度？ 塔塔2和分流器和塔和分流器和塔1组成的子流程组成的子流程的过程自由度？的过程自由度？ 这就是从塔2解到分流器还是部分求解，还带一个未知变量的原因所在。 有经验的设计工程师会
78、将原流程分成二个子流程系统，再求解其MB。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001 三步求解，解到塔三步求解，解到塔1后应该后应该接着解那个单元？接着解那个单元？很明显，只能接着解塔很明显，只能接着解塔3。 但塔3能不能完全求解，还是要看前面解的结果对它的自由度的影响。 塔3更新自由度分析表分析结果：解完塔分析结果：解完塔
79、1后，应解塔后，应解塔3，而且是完全求解。，而且是完全求解。0自由度0已知附加式数5已知变量数3MB方程数8流股变量数塔34111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001 解到塔解到塔3后应该后应该接着解那个单元？接着解那个单元？很明显，应该解塔4或OB。塔4和OB的更新自由度分析表塔4OB流股变量数515MB方程数2已知变量数已
80、知附加式数00自由度30132 02 4分析结果：解完塔3后，可以解塔4或或OB。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001至此，手工MB的计算顺序可以确定如下： 塔2MB（部分）分流器MB （部分） 塔1MB（全部） 塔3MB（全部） 塔4MB（全部） OB MB（全部）是一个先部分求解，再完全求解的计算顺序。 实际设计中
81、，部分求解和完全求解经常在流程实际设计中，部分求解和完全求解经常在流程MB计算过程中交叉出现。计算过程中交叉出现。但只要流程设计条件给得正确，解到最后一个单元，必然是完全求解。但只要流程设计条件给得正确，解到最后一个单元，必然是完全求解。由于流程原设计条件中，只有一个流股的流量已知只有一个流股的流量已知，流程过程自由度为0。提示：提示： 可不可以，将原流程设计先变成弹性设计，再通过弹性设计计算基准可不可以，将原流程设计先变成弹性设计，再通过弹性设计计算基准的选择，从而达到简化的选择，从而达到简化MB计算的目的呢？计算的目的呢？ 如果一个流程中只有一个流股的流量已知，而且流程过程自由度为如果一个
82、流程中只有一个流股的流量已知，而且流程过程自由度为0，那么，可以将这个唯一已知的流股流量先假设为未知，使整个设计条件变成那么，可以将这个唯一已知的流股流量先假设为未知，使整个设计条件变成弹性设计，再通过选择弹性设计弹性设计，再通过选择弹性设计MB的计算基准，假设另外一个流股的流量的计算基准，假设另外一个流股的流量已知，而达到简化已知，而达到简化MB计算的目的。计算的目的。流程图“变量置换变量置换”的概念：的概念： 在本例题中，将F11000 mol/h拿掉，假设它未知。那么，这个流程自由度分析表会发生变化，变成如下：问题：该例题有没有可简化计算的方法？问题：该例题有没有可简化计算的方法？201
83、1312自由度0110000已知附加方程数91122247已知流股变量数41312334MB方程数1525558813总流股变量数整体过程分流器塔4塔3塔2塔1变量置换后流程的自由度分析表（结果）变量置换后流程的自由度分析表（结果）从变量置换后自由度分析结果可以看出：该流程设计是弹性设计了。从变量置换后自由度分析结果可以看出：该流程设计是弹性设计了。6383101 根据弹性设计计算基准的选择原则，最好选F5100 mol/h为计算基准。那么很明显，MB计算时，先求解塔2和分流器，而且二者都能完全求解。将F11000mol/h假设为未知后 完全求解塔完全求解塔2和分流器后，应和分流器后，应该求解
84、那个单元？该求解那个单元？更新自由度分析表10自由度00已知附加式109已知变量数44MB方程数1513变量数OB塔1结论：应该接着求解塔结论：应该接着求解塔1，而且是完全求解。，而且是完全求解。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔4C1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001 变量置换后，MB计算变成了一个每步都能完全求解每步都能完全求解顺序序列，大大简化了计算。这也是变量置换的目
85、的。注意：注意：1、变量置换前后，计算结果对流股变量中的组成不会产生影响；、变量置换前后，计算结果对流股变量中的组成不会产生影响；2、变量置换前后，计算结果对流股变量中的流量会产生影响，但可以从变、变量置换前后，计算结果对流股变量中的流量会产生影响，但可以从变量置换后的流量变回变量置换前原设计要求的流量值。量置换后的流量变回变量置换前原设计要求的流量值。变量置换前后，本例题变量置换前后，本例题MB计算结果（物料衡算一览表）计算结果（物料衡算一览表）142.36685.96200.57756.45286.531000变量置换前总流率（mol/h）xC4（摩尔分率）xC3（摩尔分率）xC2（摩尔分
86、率）xC1（摩尔分率）C4分流率（mol/h）C3分流率（mol/h）C2分流率（mol/h）C1分流率（mol/h）165.62100233.33880.00333.331163.33变量置换后总流率（mol/h）1154321流 股 号流率及组成本例题小结。本例题小结。流程图 3.4 化工流程的物料衡算（带反应）化工流程的物料衡算（带反应） 本节主要目的：1、带反应化工流程的自由度分析时，描述反应程度的单元变量是如何引入的。2、带反应流程MB的具体计算问题。 对有化学反应存在的化工流程进行物料衡算时，与不带化学反应的化工流程物料衡算相比，其最大区别在于： 带化学反应流程的物料衡算，必须在衡
87、算计算过程中引入描述化学反带化学反应流程的物料衡算，必须在衡算计算过程中引入描述化学反应程度的变量（如反应速度、反应转化率、反应选择性等）作为反应器的应程度的变量（如反应速度、反应转化率、反应选择性等）作为反应器的单元变量。单元变量。 一个反应器带有几个独立的化学反应，就应该相应引入几个反应单一个反应器带有几个独立的化学反应，就应该相应引入几个反应单元变量。元变量。例题： 有如下一个水煤气转换流程。设计要求及已知条件为：、反应器1的水蒸汽摩尔流量是另外两股干气进料摩尔流量之和的二倍；、CO在反应器1中的转化率为80；、反应器2出口气流中H2和N2分摩尔流量比等于3； 所有组成均为摩尔分率，已知
88、反应器1和反应器2中分别只有一个化学反应：COH2O CO2H2，流程中部分流股的流量及组成标注在以下流程示意图中。试作该流程的物料衡算计算。5423反应器1反应器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.01解：首先要根据流程特点，判断首先要根据流程特点，判断4、5号流股含有的组份数。号流股含有的组份数。4、5号流股显然都含有5种组份：N2、H2、H2O、CO、N25423反应器1反应器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO
89、 0.01（5）（5）接着，我们来看看流程的自由度分析情况：该流程整体（OB）的特点：一个只有一种反应的虚拟反应器一个只有一种反应的虚拟反应器5423反应器1反应器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.01（5）（5）自由度分析表0041自由度2211已知其它关系式数0101已知单元变量数5514已知流股变量数51055衡算（MB）方程数1211单元变量数11161011流股变量数整体（OB）过程反应器2反应器1此处的“1”和两个反应器中的“1”有什么区别？关于反应单元变量引入时应该注意的问题：关于反应单
90、元变量引入时应该注意的问题：1、各单元的反应变量描述的是各单元中对应的几个几个独立反应程度，而且是单程单程的概念；2、整体（OB）中的反应变量描述的是流程中有几种几种独立反应的全程全程反应程度；3、反应单元变量在过程自由度分析时，具有加和性加和性（不加整体的反应变量）。反应器1： ABC CDE反应器2： ABC CFG自由度分析表各单元、过程、整体 引入反应单元变量的情况反应器1反应器2过程整体（OB）单元变量数2243例如：反应器1反应器2 从自由度分析结果，可明显看出，先进行从自由度分析结果，可明显看出，先进行整体（整体（OB）的的MB计算，而且是计算，而且是完全求解。完全求解。 技技巧
91、巧： 对有惰性组份进出的化工流程，整体衡算往往可以优先考虑。5423反应器1反应器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.01（5）（5）解完整体后，接着应该求解哪个单元？更新自由度分析表反应器1反应器2流变数和单变数MB方程数已知流变数和单变数已知附加式数自由度11156111001015501所以，可以确定MB计算顺序为：整体（OB）MB（完全求解）反应器2 MB（完全求解）请同学们，动手具体求解：请同学们，动手具体求解： （提示：选择关键组份的全程反应速率或全程转化率为整体（提示：选择关键组份的全程反
92、应速率或全程转化率为整体MB计计算时的单元变量）算时的单元变量）具体求解时，设：CO的全程反应速度为：r mol/hF 5，N20.7810078 mol/hF 5，H20.5F2rF 5，H23F 5，N2378234mol/hF5,CO1000.20.5F2rF 5，CO21000.02rF 5，H2OF3rF32（F1F2）F5,CO/（F5,COF5,CO2F5,H2F5,H2OF5,N2）0.01具体求解：略具体求解：略例题：有如下一个（炼铁）流程系统：分流器分流器反应器反应器1反应器反应器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O
93、4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品产品还原气流还原气流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110设计已知（要求）：设计已知（要求）：1、控制反应器、控制反应器2温度，使温度，使Fe3O4不参加反应；不参加反应；2、离开反应器、离开反应器1的气流股有的气流股有10通过分流器排空（通过分流器排空（Purge）；）；3、在反应器、在反应器2中，每中，每10mol还还原气流能生产原气流能生产1mol产品；产品；4、所有组成均为摩尔分率。、所有组成均为摩尔分率。此外，整个流程系统内有二个反应此
94、外，整个流程系统内有二个反应：Fe3O4H2 3FeOH2O FeO H2 Fe H2O试做该流程的自由度分析，并支出试做该流程的自由度分析，并支出MB计算的顺序。计算的顺序。解：解： 首先，给各流股编号，并根据流程特点判断各流股的组份数；分流器分流器反应器反应器1反应器反应器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品产品还原气流还原气流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3)
95、反应器1中，2个反应个反应同时存在同时存在，而在反应器2中只有FeO进一步还原1个反应存在个反应存在。流程整体（OB）的特点：含有含有2种独立反应的虚拟反应器。种独立反应的虚拟反应器。去自由度表分流器分流器反应器反应器1反应器反应器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品产品还原气流还原气流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3)反应器1和反应器2 自由度分析表10已知附加式数
96、00已知单元变量14自由度52已知流股变量66MB方程数12单元变量1210流股变量反应器2反应器1分流器分流器反应器反应器1反应器反应器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品产品还原气流还原气流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3) 分流器和冷凝器 自由度分析表33自由度01已知附加式数00已知单元变量10已知流股变量31MB方程数00单元变量75流股变量冷凝器分流器63
97、自由度00已知附加式数00已知单元变量13已知流股变量63MB方程数20单元变量119流股变量OB混合器分流器分流器反应器反应器1反应器反应器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品产品还原气流还原气流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3) 混合器和整体（OB） 自由度分析表整个流程自由度分析表6023304自由度（基准后）111计算基准6133314自由度0200110已知
98、附加式数0000000已知单元变量1631052已知流股变量61933166衡算（MB）方程数2300012单元变量数11259751210流股变量数OB过程混合器冷凝器分流器反应器2反应器1去流程图完全符合完全符合“弹性设计弹性设计”。选择计算基准后，显然，应该首先解反应器选择计算基准后，显然，应该首先解反应器2的的MB，而且是完全求解，而且是完全求解最好挑选最好挑选F111000 mol/h为计算基准。为计算基准。 求解完反应器求解完反应器2后，应该后，应该求解哪个单元？求解哪个单元？分流器分流器反应器反应器1反应器反应器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.0
99、2FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品产品还原气流还原气流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3)更新自由度分析表04自由度00已知附加式数00已知单元变量63已知流股变量66衡算MB方程数22单元变量1011流股变量反应器1OB 解完反应器解完反应器2后，接着解反应器后，接着解反应器1的的MB，而且是完全求解。而且是完全求解。解完反应器1后，紧接着对OB和分流器产生影响。 但显然应该求解分流器的但显然应该求解分流器的MB，也是完，也是完全求
100、解。全求解。分流器：分流器：51310 求解完分流器后，应该求解完分流器后，应该求解哪个单元？求解哪个单元？分流器分流器反应器反应器1反应器反应器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品产品还原气流还原气流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3)更新自由度分析表00自由度00已知附加式数00已知单元变量47已知流股变量36衡算MB方程数02单元变量711流股变量冷凝器OB 解完
101、分流器后，接着解冷凝器的解完分流器后，接着解冷凝器的MB或或OB的的MB，而且都是完全求解。，而且都是完全求解。所以，整个MB计算顺序为：反应器2 MB反应器1 MB分流器 MB冷凝器 MB混合器 MBOB MB冷凝器 MB混合器 MB而且是一个每步都能完全求解的计算顺序。而且是一个每步都能完全求解的计算顺序。具体详细计算过程与结果：略。3.5 化工流程化工流程MB和和HB的联立计算（的联立计算（CB）CB计算与仅做（单独做）计算与仅做（单独做）MB计算时，有下面几点区别：计算时，有下面几点区别：1、流程中所有流股的流股变量加上、流程中所有流股的流股变量加上温度（温度（T）；2、流程中所有单元
102、的单元变量加上描述、流程中所有单元的单元变量加上描述传热的单元变量（传热的单元变量（dQ/dt或或Q）；3、流程中一个单元牵涉、流程中一个单元牵涉N种组份，就可以列出种组份，就可以列出N个个独立的独立的MB方程（分流器方程（分流器除外），但一个单元无论其牵涉到多少种组份，都只能列出除外），但一个单元无论其牵涉到多少种组份，都只能列出一个一个HB方程。方程。4、因为流股的焓值与流股的相态有关，做、因为流股的焓值与流股的相态有关，做CB时还要注意流股的时还要注意流股的相态相态；5、一个流股焓值的计算，大多数情况下可以考虑各组份的、一个流股焓值的计算，大多数情况下可以考虑各组份的分摩尔焓分摩尔焓按其
103、在按其在流股中的摩尔分率进行加和计算（即按理想状态，各分组份焓简单加和），流股中的摩尔分率进行加和计算（即按理想状态，各分组份焓简单加和），少数情况下，要考虑采用少数情况下，要考虑采用偏摩尔焓偏摩尔焓加和；加和；6、dQ/dt或或Q，有两种表示方式：，有两种表示方式： 、 dQ/dt或或Q焓（进）焓（进）焓（出）焓（出） dQ/dt或或Q0，则意味系统（或单元）向外散热，反之逆然。，则意味系统（或单元）向外散热，反之逆然。 、 dQ/dt或或Q焓（出）焓（出）焓（进）焓（进） dQ/dt或或Q0，则意味系统（或单元）需要向外界获取热量，反，则意味系统（或单元）需要向外界获取热量，反之逆然。之逆
104、然。dQ/dt或或Q0，表明系统（或单元）绝热。，表明系统（或单元）绝热。7、焓是状态函数，流股焓的计算必须有基准态（参考态）：、焓是状态函数，流股焓的计算必须有基准态（参考态）：焓值计算时参考态标准态（25）任意温度流程中某个流股的温度注意：在一个计算过程中，参考态一经选定，就不能再变更。注意：在一个计算过程中，参考态一经选定，就不能再变更。优点：数据来源方便可能简化计算8、MB和和HB联立计算后，计算复杂程度加大，主要是因为焓值与温度的非线联立计算后，计算复杂程度加大，主要是因为焓值与温度的非线性关系，导致性关系，导致HB方程通常是非线性方程。方程通常是非线性方程。9、在考虑、在考虑CB问
105、题时（不是仅做问题时（不是仅做MB计算时），看一个流程设计条件是否给得计算时），看一个流程设计条件是否给得正确，正确，不能只看其过程的不能只看其过程的MB计算自由度，而必须看其过程的计算自由度，而必须看其过程的CB自由度。自由度。例题：例题： 有一个常压绝热猝冷常压绝热猝冷过程（过程中无化学反应），所有组份含量均为摩尔分率，其流程示意图如下所示：3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.20（All in gas）12T120C6H6 （L） 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 （All in gas） 绝热猝冷过
106、程示意图绝热猝冷过程示意图试作该流程的自由度分析，完成其物料衡算和热量衡算计算。3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.2012T120C6H6 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 解：解：流程自由度分析表流程自由度分析表1004409MB猝冷器猝冷器CB0自由度0已知其它关系式数1已知单元变量数7(4+3)已知流股变量数5(4+1)衡算方程数1单元变量数12(9+3)流股变量数流股变量加流股变量加T多了描述传热的多了描述传热的单元变量单元变量dQ/dt多了一个多了一个HB方程方程dQ/dt=0猝冷器猝冷器MBC
107、B流股变量数912(9+3)单元变量数01衡算方程数45(4+1)已知流股变量数47(4+3)已知单元变量数01已知其它关系式数00自由度10流程自由度分析表流程自由度分析表 这个流程仅仅看这个流程仅仅看MB计算自由度分析，不能就说它的设计条件给得不正确，计算自由度分析，不能就说它的设计条件给得不正确，而应该看器而应该看器CB计算的自由度分析结果。计算的自由度分析结果。 这种情况说明，该流程的MB不能单独求解，而必须与其HB方程联立起来，进行CB计算。具体计算：具体计算：F31000F1X3,C6H5CH3 F3300X3,CH4 F3100X3,H2 F32004个MB方程其中：其中：5个未
108、知变量，只有个未知变量，只有4个方程。个方程。在列其HB方程之前，先考虑其参考态选什么温度？如果热容数据好查！最简化计算的参考态温度应该选为3号流股的温度。3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.2012T120C6H6 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 因为其未知的流量组成变量最多流程（单元）的HB方程（选200为参考态温度）：F2H2（400）H2（200）F1H1（200）H1（20）3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.2012T120C6H
109、6 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 列出详细HB方程如下：苯在1atm，80.11沸点时的摩尔汽化热注意注意Cp的量纲问题，及其适用温度范围。的量纲问题，及其适用温度范围。例题例题：一个合成氨生产工艺流程图如下所示：已知 . 反应器1中N2的转化率为10； 图中组成均为摩尔分率； 5号流股为液相外，其余均为气相流股； . 除分离器外，其它单元均为绝热操作； . 两反应器中均只有一个反应： N2 3H2 2NH3要求： . 做过程的自由度分析； . 指出衡算计算的计算顺序。NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离
110、器 283 74256N2 0.25H2 0.75504dQ/dt5535解： 首先，根据流程特点，判断首先，根据流程特点，判断各流股的组份数。各流股的组份数。NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 74256N2 0.25H2 0.75504dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2) 流程整体（OB）的特点：一个带一种反应的非绝热的虚一个带一种反应的非绝热的虚拟反应器。拟反应器。反应器1反应器2MBCBMBCB流股变量单元变量MB方程数HB方程已知流股变量数已知单元变量数已知附加式数自由度反应器1和
111、反应器2自由度分析表 5 1 3 1 1 0152 2 3 111 2 01 6 1 3 0 0 0 4 8 2 3 0 1 2 1 3N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)混合器和换热器自由度分析表444自由度000已知附加式数110已知单元变量数431已知流股变量数11HB方程33MB方程数110单元变量54118流股变量CBCBMB换热器混合器+2254自由度0000已知附加式数0000已知单元变量数3131
112、已知流股变量数11HB方程3333MB方程数2110单元变量75118流股变量CBMBCBMB整体OB分离器分离器和整体（OB）自由度分析表自由度表N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)流程自由度分析结果一览表000000000000已知附加式数005001101021已知单元变量数+2+21+5+4+4+4+4+3+4+1+1自由度318314412021已知流股变量数1511111HB方程数3312333333
113、33MB方程数217101102121单元变量数752411891188675流股变量数CBMBCBCBMBCBCBMBCBMBCBMB整体OB过程分离器换热器混合器反应器2反应器1回流程图显然是一个弹性设计，必须挑选一个流股的流量作为计算基准。最好选最好选F71000mol/h为计算基准。为计算基准。计算基准111-1-1-1自由度003+3+40 从自由度分析结果看，应该先解反应器从自由度分析结果看，应该先解反应器1的的MB，再解其，再解其CB（HB），而且完全求解。），而且完全求解。N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2
114、反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)混合器换热器MBCBCB流股变量8119单元变量011MB方程数33HB方程11已知流股变量数已知单元变量数011已知附加式数000自由度 解完反应器1后，应该接着解哪个单元？ 完全求解反应器1的MB和HB意味着什么？混合器和换热器的更新自由度分析表4+1705+3 分析结果：接着解混合器的分析结果：接着解混合器的CB，完，完全求解。全求解。反应器2整体OBMBCBMBCB流股变量6857单元变量1212MB方程数3333HB方程11已知流股变量数已知单元变量数0100已知附加式数
115、0000自由度N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2) 解完混合器后，应该接着解哪个单元？反应器2和整体OB的更新自由度分析表3+15024+1+1 分析结果：接着解反应器分析结果：接着解反应器2的的CB，完全求解。完全求解。换热器CB流股变量9单元变量1MB方程数HB方程1已知流股变量数已知单元变量数1已知附加式数0自由度N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.
116、75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2) 解完反应器2后，应该接着解哪个单元？换热器的更新自由度分析表80 分析结果：接着解换热器的分析结果：接着解换热器的CB（即（即HB），完全求解。），完全求解。分离器MBCB流股变量811单元变量01MB方程数33HB方程1已知流股变量数已知单元变量数00已知附加式数00自由度N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)
117、(3)(2)(2)(2) 解完换热器后，应该接着解哪个单元？分离器的更新自由度分析表50 分析结果：接着解分离器的分析结果：接着解分离器的MB，最后解其，最后解其HB，完全求解。，完全求解。 只剩分离器和整体OB，二者解其一即可。80综上分析结果，得到一个完全求解的衡算序列：综上分析结果，得到一个完全求解的衡算序列：反应器1MBN2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)反应器1HB混合器CB反应器2CB换热器HB分离器
118、MB分离器HB具体求解：略具体求解：略例题例题：一个甲烷生产流程初步设计的流程草图如下，试作流程的自由度分析，并指出物料及热量衡算计算顺序。 设计已知及要求为： 1、除了换热器1和分离器外，其它单元均为绝热操作； 2、8号流股为纯水液相流股，其余流股均为气相流股； 3、整个流程处于100psia压力状态，压力对焓计算的影响可忽略； 4、产品流中甲烷的分摩尔流量为1000kmol/h, 图中组成均为摩尔分率； 5、反应器中只有：CO + 3H2 CH4 + H2O； 6、1号流股中只含3个组份，且CO和H2的摩尔比为1：2.9。注：注：psia（英制压力单位）（英制压力单位） 混合器 反应器 换
119、热器1 换热器2分离器分配器dQ1/dt dQ2/dt12进料200COH2H2O 3 10004 500 5 2006CO 0.12H2CH4 0.50H2O200 7200H2O 1008H2O 0.01100910(1)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(3)解：解： 混合器 反应器 换热器1 换热器2分离器分配器dQ1/dt dQ2/dt12进料200COH2H2O 3 10004 500 5 2006CO 0.12H2CH4 0.50H2O200 7200H2O 1008H2O 0.01100910(1)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(3)（一）混合器
120、和反应器的自由度分析（一）混合器和反应器的自由度分析+3+3+6+5自由度0011已知附加式数1010已知单元变量数3221已知流股变量数11HB方程4444MB方程数2110单元变量数1081411流股变量数CBMBCBMB反应器混合器 混合器 反应器 换热器1 换热器2分离器分配器dQ1/dt dQ2/dt12进料200COH2H2O 3 10004 500 5 2006CO 0.12H2CH4 0.50H2O200 7200H2O 1008H2O 0.01100910(1)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(3)（二）换热器（二）换热器1和换热器和换热器2的自由度分析的自由
121、度分析+2004116CB换热器1+5自由度0已知附加式数1已知单元变量数6已知流股变量数1HB方程MB方程数1单元变量数12流股变量数CB换热器2 混合器 反应器 换热器1 换热器2分离器分配器dQ1/dt dQ2/dt12进料200COH2H2O 3 10004 500 5 2006CO 0.12H2CH4 0.50H2O200 7200H2O 1008H2O 0.01100910(1)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(3)（三）分流器和分离器的自由度分析（三）分流器和分离器的自由度分析+2+2+1+2自由度0000已知附加式数001已知单元变量数6363已知流股变量数11
122、HB方程4411MB方程数101单元变量数12996流股变量数CBMBCBMB分离器分流器回自由度总表 混合器 反应器 换热器1 换热器2分离器分配器dQ1/dt dQ2/dt12进料200COH2H2O 3 10004 500 5 2006CO 0.12H2CH4 0.50H2O200 7200H2O 1008H2O 0.01100910(1)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(3)（四）过程和整体（四）过程和整体（OB）的自由度分析）的自由度分析+1+1自由度11已知附加式数00已知单元变量数634+8已知流股变量数1HB方程44MB方程数21单元变量数11818+10流股变
123、量数CBMBCB整体OB过程+1+1-1+2+2+1+2+5+2+3+3+6+5自由度自由度1110000000011已知附加式数已知附加式数0040010101010已知单元变量数已知单元变量数63126363643221已知流股变量数已知流股变量数16111111HB方程方程441344114444MB方程数方程数2171010112110单元变量数单元变量数11828129961261081411流股变量数流股变量数CBMBCBCBMBCBMBCBCBCBMBCBMB整体整体OB过程过程分离器分离器分流器分流器换换2换换1反应器反应器混合器混合器流程自由度分析结果一览表流程自由度分析结果
124、一览表设计不对？问题在哪？回自由度（三） 0 +2 0 5问题：这个流程的衡算计算采用“变量置换法”有简化 计算的效果吗？本章总结本章总结化工流程衡算计算的大致步骤及每步相应的注意事项化工流程衡算计算的大致步骤及每步相应的注意事项：第一步第一步：根据流程特点和已知设计条件确定流程中各流股含有的组份种类数。（如果是CB计算，还要注意各流股的相态。）第二步第二步：给流程中所有流股编号。（注意将分流器的有关流股编号相连。）第三步第三步：确定是否仅仅做MB计算（流股变量不考虑温度，单元变量不考虑dQ/dt或Q）；做CB计算（流股变量考虑温度，单元变量考虑dQ/dt或Q）。注意多相流股的流股变量问题。第
125、四步第四步：确定流程中所有反应器各自的独立反应个数反应器各自的独立反应个数。第五步第五步：如果做CB计算，应确认各单元的dQ/dt(或Q)是否已知。（绝热还是非绝热操作。）第六步第六步：根据流程特点判断整体（OB）的特征。注意： （1）、只要流程中有反应器（无论多少个反应器存在），则流程整体相当于一个大的虚拟反应器。进一步结合各反应器分别存在的反应个数，来判断OB的独立反应种类数的独立反应种类数。 （2）、只要流程中有单元不绝热，则OB是一个虚拟的非绝热单元。所有单元都绝热，所有单元都绝热，OB才绝热才绝热。第七步第七步：做全流程的自由度分析。注意 （1）、间壁式换热器只有CB问题（其单独MB
126、无意义）。 （2）、分流器的自由度分析有特殊性（MB方程只有1个，还要注意其MB方程和HB方程的独立性）。 （3）、注意过程一栏中MB方程各单元（不包括不包括OB）加和时的独立性。 （4）、注意过程一栏中已知附加式各单元（包括包括OB）加和时的独立性。第八步第八步：从全流程自由度分析结果及流程特点出发，判断是否是弹性设计，是否可用变量置换法简化衡算计算。（注意弹性设计时计算基准的挑选；注意变量置换后，将衡算计算结果换回原设计条件的流量要求。）第九步第九步：从全流程最后的自由度分析结果出发，逐步利用更新自由度分析表，判断衡算计算的步骤，确定衡算计算步骤。（各步骤单元部分求解序列居多；部分求解和完
127、全求解混杂。）第十步第十步：具体求解，并给出衡算结果一览表。（计算时注意数据的量纲。） 以上以上18步，即使是用计算机辅助衡算计算软件，也必须人工处理，而且步，即使是用计算机辅助衡算计算软件，也必须人工处理，而且还大有必要。计算机辅助衡算计算软件主要是帮助处理还大有必要。计算机辅助衡算计算软件主要是帮助处理910步。步。3.6 计算机辅助物料衡算与热量衡算计算机辅助物料衡算与热量衡算例题：例题： 有一个常压绝热猝冷常压绝热猝冷过程（过程中无化学反应），所有组份含量均为摩尔分率，其流程示意图如下所示：3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2
128、0.2012T120C6H6 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 我们来用PROCESS II 6.2版计算机辅助化工设计软件系统进行衡算计算。第一步第一步建立流程图建立流程图 首先在PROCESS II软件空白流程界面中建立过程的流程示意图，输入所有单元设备及所有的流股，确定各流股的走向，并给所有流股编号。第二步第二步定义组份定义组份 给流程中的每个流股分别说明其组份种类。给流程中的每个流股分别说明其组份种类。同时，同时，为了利用PROCESS II软件带有的物性数据库。第二步必须将流程中牵涉的所有组份种类输入PROCESS II软件。第三步第三步定义一个热力学方法定义
129、一个热力学方法 根据过程的压力、温度等情况在众多的热力学方程（如Pen-Robinson cubic equation of state、Ideal、NRTL、UNIQUAC等等）中，挑选一个适宜的热力学方法，软件本身能自行进行组份的物性数据计算。第四步第四步指定工艺装置和物流的已知数据指定工艺装置和物流的已知数据 因为PROCESS II软件本身只能进行正向模拟计算正向模拟计算，必须先将输入流股的已知数据输入软件中（这些已知输入流股输入流股参数在软件计算过程中始终保持不变），输入流股的一些未知参数也必须输入初值（最好尽量合理一些最好尽量合理一些，该初值可以由软件计算改变），输入各单元装置已知
130、的设备参数。 在输入过程中可以改变参数的计量单位。第五步第五步输入设计约束条件输入设计约束条件 将输出流股输出流股的已知参数、其它设计约束条件以模拟计算控制模块（全部以已知全部以已知方程方式方程方式）形式输入PROCESS II软件中。并设定模拟计算收敛精度和最大迭代计算次数。第六步第六步模拟计算模拟计算 启动PROCESS II软件开始模拟计算，如果输入的数据满足了软件模拟计算的自由度要求，软件将开始模拟计算。随着PROCESS II软件模拟计算的进行，流程中各变量将不断变化，直到达到收敛精度或迭代次数，PROCESS II软件将给出计算结果。第七步第七步确定计算结果的输出格式确定计算结果的
131、输出格式 软件本身有默认的计算结果输出格式，但可以按设计者爱好或设计计算要求，挑选确定计算结果的输出格式，确定数据的有效数据位数。 用PROCESS II软件计算以上绝热猝冷过程,用一台奔腾4 2.6（内存1M）的台式计算机，瞬间（CPU用时不到1秒）即可完成计算，计算的结果见下表。 流股项目123计量单位Pressureatm1.0001.0001.000Temperature20.000400.000199.998Total Molar RateKg-mol/h0.2601.0001.260Molar Comp. RateH2Kg-mol/h0.00000.20000.2000Methan
132、eKg-mol/h0.00000.10000.1000BenzeneKg-mol/h0.26000.40000.6600TolueneKg-mol/h0.00000.30000.3000Molar Comp. PercentsH20.000020.000015.8729Methane0.000010.00007.9364Benzene100.000040.000052.3813Toluene0.000030.000023.8093精馏塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.30C3 i-C4 0.40i-C5i-C4 i-C5C5设计要求：1、进
133、料中85的i-C5 从塔顶馏出；2、组成均为摩尔分率；有如下一个无反应的单精馏塔流程的设计方案:按设计投产运行后，“查定”的该精馏塔实际运行结果：精馏塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.3062.0087 kmol/hC3 0.3133i-C4 0.40i-C5 0.2742 37.9913 kmol/hi-C4 0.1368i-C5 0.0789C5 0.7693关于物料衡算不能平衡的几个情况关于物料衡算不能平衡的几个情况精馏塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.3062.0087 kmol
134、/hC3 0.3133i-C4 0.40i-C5 0.2742 37.9913 kmol/hi-C4 0.1368i-C5 0.0789C5 0.7693针对查定的实际运行结果，进行物料衡算：C3的衡算： 2019.4273，误差为2.86C5的衡算： 3029.2267，误差为2.58问题：为什么衡算不起来，衡算误差这么大？精馏塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.30C3 i-C4 0.40i-C5i-C4 i-C5C5设计要求：1、进料中85的i-C5 从塔顶馏出；2、组成均为摩尔分率；其自由度其自由度104510其物料衡算计算的所有方程
135、：原设计的物料衡算情况：原设计的物料衡算情况：理论衡算结果如下：精馏塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.3061.6667 kmol/hC3 0.3243i-C4 0.40i-C5 0.2757 38.3333 kmol/hi-C4 0.1391 i-C5 0.0783C5 0.7826精馏塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.3062.0087 kmol/hC3 0.3133i-C4 0.40i-C5 0.2742 37.9913 kmol/hi-C4 0.1368i-C5 0.0789C5
136、 0.7693实际投产运行查定结果如下：1、理论衡算结果和实际运行查定结果之间有差别；2、实际运行查定结果衡算不起来。原因何在？精馏塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.30C3 i-C4 0.40i-C5C5 0.0125C3 0.015i-C4 i-C5C5设计要求：1、进料中85的i-C5 从塔顶馏出；2、组成均为摩尔分率；其自由度其自由度12（102）47（52）10其物料衡算计算的所有方程：实际运行过程的物料衡算情况：实际运行过程的物料衡算情况：精馏塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0
137、.3062.0087 kmol/hC3 0.3133i-C4 0.40i-C5 0.2742 C5 0.012537.9913 kmol/hC3 0.015i-C4 0.1368i-C5 0.0789C5 0.7693严格的物料衡算计算结果如下：原因之一：原因之一： 忽略某个或某些流股中含量较少的组份，导致衡算不起来或衡算误差。忽略某个或某些流股中含量较少的组份，导致衡算不起来或衡算误差。但通过严格流股组份分析（包括含量极少的组份），衡算计算就没有问题了，但通过严格流股组份分析（包括含量极少的组份），衡算计算就没有问题了，而且更接近实际工程情况。而且更接近实际工程情况。原因之二：因为化工过程的
138、复杂性，某些流股无法实现全组份分析，导致衡算计算的误差大。原因之三：由于对化工过程研究不透彻，例如有意或无意忽略一些付反应过程，导致流股组份分析不全，也会导致衡算计算的误差大。尤其是制药工艺，有些反应合成途径十分复杂，有时根本不知道付反应的反应式。这也是FDA监管一些药物时，要监管到药物的生产过程的原因。第四章第四章 流程组织（过程合成）流程组织（过程合成）4.1 流程组织概述流程组织概述一、化工过程的典型流程框图原料预处理阶段反应合成阶段产物分离阶段例如：硫氰酸红霉素例如：硫氰酸红霉素 红霉素产品生产过程的流程草图如下：红霉素产品生产过程的流程草图如下： 溶解脱色罐溶解脱色罐过滤器过滤器过滤
139、器过滤器过滤器过滤器反应器反应器结晶器结晶器洗涤转晶罐洗涤转晶罐原料预处理阶段：原料预处理阶段： 以物理方法为主，但不排除化学方法。 可能要用到一些分离的单元操作。 可能牵涉到“三废”处理。 可能有副产品产出。反应合成阶段：反应合成阶段： 可能是多步反应组成的反应网络（多个反应器）。 多个反应器之间可能穿插着分离单元操作。 产物分离阶段：产物分离阶段： 可能要用到多种单元操作。 重视“三废”处理技术问题。 重视回收。问题：问题： 在两个反应器之间为什么可能要用到分离操作？经济效益的重要来源之一。二、什么是流程组织1、流程组织的定义 权衡技术与经济、安全、工程等方面的因素，在过程开发实验的基础上
140、，结合专家化工生产过程的实际经验，将某个化工过程的原料准备、反应合成、产物分离三个阶段的有关单元操作有机地组合在一起，形成一个较优的工艺流程。2、流程组织的结果 画出一个详细的流程草图（包含所有的工艺流股），并根据过程开发实验的结果，确定流程中的合适的已知设计条件。给出合适数量的合适数量的已知流股变量、单元变量、设计约束式等流程组织是化工工艺设计的流程组织是化工工艺设计的“龙头龙头”。MB和HB是化工工艺设计的计算核心；化工工艺设计是化工厂设计的核心；3、流程组织的依据过程开发实验结果；化工专家的实践经验。问题：问题： 流程组织得好不好，怎么来判断？流程组织得好不好，怎么来判断？4、化工领域包
141、括相关领域的一些科技进步与发明，都可能对某个产品生产过程的流程组织带来显著的影响。 我国几大科技发展计划体系内都有与化工有关的研发内容。6APA和地塞米松硫酸钠的生产过程 如何从过程开发实验结果出发，结合化工专家哪些原则性的实践经验，来进如何从过程开发实验结果出发，结合化工专家哪些原则性的实践经验，来进行设计过程的流程组织呢？行设计过程的流程组织呢？二、流程组织的几个基本原则1、重视过程开发实验结果（根本出发点根本出发点）；2、尽量确保工程中运用的工艺技术和设备的成熟性成熟性；标准设备；有中试或生产经验的工艺技术3、要考虑工程放大工程放大的影响；4、组织流程时，应考虑流程的可操作性可操作性，尽
142、量增大流程（尤其是关键设备）的操作弹性操作弹性；原料、操作参数、公用工程波动的影响5、重视流程的运行安全运行安全问题；间歇流程中备用的单元操作问题。例如：强毒性、辐射的间接换热问题。大设备折分6、从经济角度，节省流程的固定投资，减少流程的操作费用节省流程的固定投资，减少流程的操作费用；有时要牺牲流程的技术先进性7、重视副产品回收，同步考虑环保因素环保因素；可持续发展战略（科学发展观）技术不断创新、进步；节约资源；保护人类环境；末端治理与源头预防相结合三、流程组织的具体任务三、流程组织的具体任务1、原料的预处理；2、反应途径的合成与挑选；3、专用地址分配；4、分离技术的选择；5、分离顺序的选择；
143、6、能量集成与管理(热交换网络)；流程组织的具体任务在流程组织的这些工作中，反应途径的合成与挑选是流程组织的核心反应途径的合成与挑选是流程组织的核心。 反应途径确定后，它就决定了原料预处理的程度和方法，同时决定了分离技术和顺序问题。（流程的核心是流程的核心是“反应反应”）过程开发实验，往往以反应途径的开发或挑选为起始点。过程开发实验，往往以反应途径的开发或挑选为起始点。4.2 原料的预处理及反应途径的合成原料的预处理及反应途径的合成一、原料的预处理 在实际的化工过程中，化学反应的反应速度、转化率、反应选择性率等，对其进料的组成及纯度、相态、固体颗粒粒度分布等方面，一般都会提出相应的要求。例如：
144、聚合反应对原料纯度的要求经常达到“3n”甚至“4n”。气固非均相反应对其固体颗粒粒度分布要求较严格。原料预处理的目的原料预处理的目的从有利于反应的角度提高反应转化率；提高或控制反应速度；提高反应的选择性率，等等。从有利于反应后产物分离的角度流程组织时，目光要看遍全局原料预处理的几种通常形式：原料预处理的几种通常形式：1、原料的预热、预冷、加压处理；2、原料的纯度处理；有时包括色级处理；减轻杂质毒化催化剂；聚合度要求等等3、几种反应原料的预混合处理；4、原料的相转换处理；常见的固到液、液到汽5、固体原料的颗粒粒度大小处理；常见的气固反应、液固反应液固反应过程，如果其目的是拿出固体中的某些组份，这
145、种操作过程叫“浸浸取取”问题：颗粒从大变小的方法有哪些？提示：提示： 进行组织流程，考虑原料预处理的方法，要站在全流程角度，从进厂原料现状、反应对原料的要求、反应后产物的分离原料现状、反应对原料的要求、反应后产物的分离等方面因素综合考虑。 只要技术可行，经济合理，可以考虑采用一些分离单元操作分离单元操作，甚至化学手段化学手段，来进行原料预处理。二、反应途径的合成与挑选反应途径反应途径：从原料到产品的多步反应组成的反应顺序（序列）。反应途径的合成反应途径的合成：构造从原料到产品的反应途径。挑选反应途径挑选反应途径： 从A C，化学家在实验室发明提出来多个反应途径，化学工程师则站在工程实际应用的角
146、度，从这些众多的反应途径中挑选一条或几条进行工程设计并投入商业运行。化学家：从事反应途径的合成；化学工程师：挑选反应途径。 反应途径的合成与挑选是流程组织的“核心”。其对整个流程生产的产品质量、产品成本一般都有决定性的影响。挑选合适的反应途径，是从源头治理污染的最好方法。挑选合适的反应途径，是从源头治理污染的最好方法。那么，作为一个化学工程师，挑选反应途径时，应该考虑哪些因素？那么，作为一个化学工程师，挑选反应途径时，应该考虑哪些因素？挑选反应途径考虑的因素反应步骤长短；副反应数量；反应速度及转化率、选择性率等；反应条件要求；产物分离难易；环保、安全、健康情况；投资及成本的高低；产品质量情况；
147、原料来源难易； 以上因素要综合考虑。以上因素要综合考虑。在安全、环保、健康的前提下，技术上可行，以经济上合理为最高目标来挑选。例如：工业规模乙酸乙酯的生产流程中，反应途径的挑选问题。例如：工业规模乙酸乙酯的生产流程中，反应途径的挑选问题。 共有三条反应途径可供选择。其中工业上经常挑选的是： 上述反应具有反应途径短、付产物少、原料来源容易、产物分离容易等一系列有点。但在自然条件下，其反应速度太慢（20年其转化率不到2）。工业运用时要用这个反应途径，就必须想办法提高其反应速度反应速度。只有在硫酸催化作用、80温度时，其反应速度才具有工业生产价值。例如：一氯癸烷（一氯代十烷）工业生产的反应途径挑选问
148、题。例如：一氯癸烷（一氯代十烷）工业生产的反应途径挑选问题。C10H21Cl有以下三种反应途径可供挑选：1、C10H22Cl2 C10H21Cl HCl伴随副反应： C10H21Cl Cl2 C10H20Cl2 HCl2、C10H20 HCl C10H21Cl 3、C10H21OH HCl C10H21Cl H2O结论：从原料成本、来源角度挑选反应途径1来进行工业生产。4.3 专用地址分配（专用地址确定）专用地址分配（专用地址确定） 关于化工流程组织时的专用地址分配，到现在为止，找不到它明确的定义。但其意思很明确，我们通过几个有关化工流程专用地址的例子，来说明有关专用地址问题。一、流程中循环流股回流的专用地址一、流程中循环流股回流的专用地址原料准备反应器1反应器2分离1分离2回收的反应物或溶剂回流到什么地方？有数个循环流回流的专用地址可供选择。有数个循环流回流的专用地址可供选择。
