化工過程開發(fā)概論

1、1 化工過程開發(fā)概論 2011-09-26 2 第四章 開發(fā)放大方法 w4.1經(jīng)驗(yàn)放大法 w一、研究方法 w1.反應(yīng)器的選型 反應(yīng)器的選型通常采用小型裝置在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行 試驗(yàn)。 由于設(shè)備選型試驗(yàn)是以改變反應(yīng)器的型式和結(jié) 構(gòu)來考察整個(gè)反應(yīng)過程，故把這種考察看成 “結(jié)構(gòu)變量”試驗(yàn)。 3 第四章 開發(fā)放大方法 w2.優(yōu)化工藝條件 優(yōu)化工藝條件是在設(shè)備選型之后進(jìn)行的，也是 采用小型試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。 通過改變工藝條件來考察反應(yīng)結(jié)果，從中篩選 出最佳條件，稱之為“工藝試驗(yàn)”。 由于試驗(yàn)內(nèi)容是改變工藝條件，故把這種考察 看成“操作變量”試驗(yàn)。 4 第四章 開發(fā)放大方法 w3.反應(yīng)器的放大 反應(yīng)器的放大是通過

2、建立模型裝置來進(jìn)行考察 的。 從試驗(yàn)改變的條件看，由于是改變設(shè)備的幾何 尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，故把反應(yīng)器放大看成是“幾 何變量”試驗(yàn)。 5 第四章 開發(fā)放大方法 w二、經(jīng)驗(yàn)放大法的特征 w1.只注重輸入與輸出關(guān)系，純屬于綜合考察 性質(zhì) w2.試驗(yàn)程序人為規(guī)定 w3.放大是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果外推 6 第四章 開發(fā)放大方法 w例4-1 異丙苯為原料生產(chǎn)苯酚和丙酮的早期 工藝路線來說明經(jīng)驗(yàn)放大法中的外推計(jì)算。 解：該工藝過程分為兩步。第一步是異丙苯氧 化生成過氧化氫異丙苯 CH CH3 CH3 + O2C CH3 CH3 OOH 7 第四章 開發(fā)放大方法 第二步用硫酸作催化劑，使過氧化氫異丙苯在 液相中分解為苯酚

3、和丙酮： 第二步反應(yīng)經(jīng)測定為一級不可逆反應(yīng)。 C CH3 CH3 OOH H2SO4 OH + C CH3 CH3 O 8 第四章 開發(fā)放大方法 w（1）反應(yīng)器選型 w連續(xù)操作管式反應(yīng)器 w（2）優(yōu)化工藝條件 選用直徑40mm，長度1202mm的不銹鋼管作 反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)。分別考察： 反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度、催化劑濃度和物料 流量等工藝條件對反應(yīng)結(jié)果的影響。 9 第四章 開發(fā)放大方法 w溫度上升，分解速率加速，但丙酮揮發(fā)增強(qiáng)。 w催化劑濃度增加，分解速率加速。 w根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定的工藝條件為： w反應(yīng)物濃度：3.2kmol/m3 w反應(yīng)溫度：86 w催化劑濃度：0.07%0.1% w反應(yīng)物料流量

4、：0.1m3/h w根據(jù)上述反應(yīng)條件進(jìn)行反應(yīng)，過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn) 化率為98.8% 10 第四章 開發(fā)放大方法 w（3）反應(yīng)器的放大與校驗(yàn) 管徑不變，長度延長至 1712mm 轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.8% 比例不變 容積放大到10L 轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.8% 11 第四章 開發(fā)放大方法 w（4）計(jì)算反應(yīng)器容積 工業(yè)化的要求為：每小時(shí)處理過氧化氫異丙苯 的量為3m3，計(jì)算所需反應(yīng)器的容積。 解：可按1.5L模型尺寸，根據(jù)物料處理量的擴(kuò) 大，按比例外推計(jì)算。 反應(yīng)物料流量由0.1增大到3，放大了30倍。 反應(yīng)器容積也應(yīng)放大30倍：1.530=45.3L。 放大倍數(shù)不高，放大效應(yīng)不明顯。 12 第四章 開發(fā)放大

5、方法 w4.2 數(shù)學(xué)模型法 w一、數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型通常是一組描述過程運(yùn)行動態(tài)規(guī)律的 代數(shù)方程或微分方程。 1.建立數(shù)學(xué)模型的思想方法 掌握過程運(yùn)行的動態(tài)規(guī)律，尋找描述這種動態(tài) 規(guī)律的數(shù)學(xué)方法。 13 第四章 開發(fā)放大方法 w2.數(shù)學(xué)模型的簡化 數(shù)學(xué)模型簡化是指對復(fù)雜的過程運(yùn)行規(guī)律予以 合理簡化，以便建立簡單而實(shí)用的數(shù)學(xué)模型。 實(shí)際應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型，并不一定要真實(shí)地描述 過程運(yùn)行機(jī)理，但必須與描述的實(shí)際過程運(yùn) 行結(jié)果具有等效性。 14 第四章 開發(fā)放大方法 w3.數(shù)學(xué)模型的針對性 任何數(shù)學(xué)模型都有明確的模擬目標(biāo)。且每一種 數(shù)學(xué)模型都有其應(yīng)用的限制范圍。 15 第四章 開發(fā)放大方法 w二、研究方法

6、 1.研究反應(yīng)過程 內(nèi)容：鑒別化學(xué)反應(yīng)的類型和控制步驟，測定 反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)，分析反應(yīng)過程中 產(chǎn)生的一些特殊現(xiàn)象，以及確定工藝參數(shù)變 化的范圍等。 16 第四章 開發(fā)放大方法 w2.研究傳遞過程 假設(shè)無化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的情況下，用冷模試驗(yàn)專 門考察反應(yīng)器內(nèi)物料的流動與混合、傳熱與 傳質(zhì)等物理過程的運(yùn)行規(guī)律。 17 第四章 開發(fā)放大方法 w3.綜合兩過程規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型 找到化學(xué)過程與物理過程的結(jié)合點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)學(xué) 手段予以描述。 結(jié)合點(diǎn)：主要體現(xiàn)于物理過程規(guī)律對于反應(yīng)溫 度和反應(yīng)物濃度的影響。 18 第四章 開發(fā)放大方法 w4.檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型 通常建立中試裝置進(jìn)行中試，將中試結(jié)果與數(shù)學(xué)模型 計(jì)

7、算結(jié)果對照。 反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型是描述某一種型式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行化 學(xué)反應(yīng)的動態(tài)規(guī)律，只要在相同構(gòu)型的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn) 行相同的化學(xué)反應(yīng)，都可用相同的數(shù)學(xué)模型描述， 不受反應(yīng)器集合尺寸大小的限制。因此，用數(shù)學(xué)模 型進(jìn)行放大，不存在放大效應(yīng)的問題。 19 第四章 開發(fā)放大方法 w三、數(shù)學(xué)模型放大法的特征 w1.分解過程，不作綜合考察 w2.合理簡化過程運(yùn)行規(guī)律 w3.科學(xué)試驗(yàn)是為了建立和檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型 20 第四章 開發(fā)放大方法 w例4-2 用數(shù)學(xué)模型法放大過氧化氫異丙苯分 解生成苯酚和丙酮反應(yīng)過程。 w解：該反應(yīng)過程是用硫酸作為催化劑進(jìn)行的 液相催化反應(yīng)，已測得該反應(yīng)為不可逆一級 反應(yīng)，動力學(xué)模型為： -r

8、A=kcA,0(1-xA) 反應(yīng)速率常數(shù)k=0.08s-1。采用管式反應(yīng)器。 21 第四章 開發(fā)放大方法 建立數(shù)學(xué)模型：擬均相、活塞流、恒溫和無壓 力降等簡化。反應(yīng)動力學(xué)模型與物料衡算式 聯(lián)立，簡化后得： A V R xk q V 1 1 ln 22 第四章 開發(fā)放大方法 w將有關(guān)數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型計(jì)算： （1）當(dāng)反應(yīng)物料的體積流量為3m3/h，要求轉(zhuǎn) 化率達(dá)到99.8%時(shí)： （2）當(dāng)反應(yīng)物料的體積流量為3m3/h，要求轉(zhuǎn) 化率達(dá)到98.8%時(shí)： 3 0.0647 0.9981 1 ln 0.083600 3 mVR 23 第四章 開發(fā)放大方法 3 0.0461 0.9881 1 ln 0.08

9、3600 3 mVR 24 第四章 開發(fā)放大方法 w例4-3 丙烯二聚過程開發(fā) w丙烯二聚生產(chǎn)異戊二烯過程開發(fā)是用數(shù)學(xué)模 型法放大的典型范例。該生產(chǎn)過程由三步反 應(yīng)組成。聚合反應(yīng)： 2CH2CHCH2 CH2 C(CH3 )CH 2CH2CH3 A B 25 第四章 開發(fā)放大方法 w異構(gòu)化反應(yīng)： w脫甲基反應(yīng)： CH2C(CH3)CH2CH2CH3(CH3)2CCHCH2CH3 B R (CH3)2CCHCH2CH3CH2C(CH3)CHCH2+CH4 R S W 26 第四章 開發(fā)放大方法 w（1）聚合反應(yīng)過程開發(fā) 丙烯聚合為氣相催化反應(yīng)，催化劑為三丙基鋁， 在加壓條件下進(jìn)行，原料丙烯和催化

10、劑混合 進(jìn)料。反應(yīng)為一級不可逆反應(yīng)，采用管式反 應(yīng)器。 建立數(shù)序模型，簡化步驟： 在反應(yīng)條件控制的范圍內(nèi)，有關(guān)物性參數(shù)為 常數(shù) 27 第四章 開發(fā)放大方法 反應(yīng)器內(nèi)由于物料流動所產(chǎn)生的壓力降可以 忽略不計(jì) 反應(yīng)器內(nèi)徑向無溫度梯度，但沿軸向有溫度 變化 物料通過反應(yīng)器截面上的流量恒定 反應(yīng)器內(nèi)徑向物料混合均勻，無軸向返混， 呈活塞流流動狀態(tài) 反應(yīng)器與外界無熱交換，可視為絕熱系統(tǒng) 28 第四章 開發(fā)放大方法 w由此可以確定反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型為絕熱一 維系統(tǒng)的活塞流模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型與物料衡算式和熱量 衡算式聯(lián)立。 w在實(shí)驗(yàn)室小試中發(fā)現(xiàn)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率較低， 故采用了反應(yīng)后物料分離

11、循環(huán)流程。根據(jù) 這一流程設(shè)計(jì)工業(yè)反應(yīng)裝置，放大了17000 倍，經(jīng)生產(chǎn)確定，反應(yīng)器出口溫度與數(shù)學(xué) 模型計(jì)算值只相差2度。由小試確定的工藝 條件也在生產(chǎn)裝置上獲得了確認(rèn)。由此證 明數(shù)學(xué)模型放大成功。 29 第四章 開發(fā)放大方法 w（2）異構(gòu)化反應(yīng)過程開發(fā) 異構(gòu)化反應(yīng)是氣、固相催化反應(yīng)，催化劑為含 有Si和Al的酸性催化劑，反應(yīng)速率較快，經(jīng) 測定為簡單一級可逆反應(yīng)。反應(yīng)溫度范圍為 8085，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為75%，選擇性為79%。 反應(yīng)器型式為固定床催化反應(yīng)器。 30 第四章 開發(fā)放大方法 w建立數(shù)序模型，簡化步驟： w反應(yīng)過程視為擬均相 w反應(yīng)器內(nèi)物料流動視為活塞流 w反應(yīng)器恒溫，催化劑床層內(nèi)無溫度

12、梯度和壓 力降。 31 第四章 開發(fā)放大方法 w由此確定反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型為恒溫系統(tǒng)的活 塞流模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)為化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模 型和物料衡算式聯(lián)立。 w異構(gòu)化反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型雖然簡單，但在 小試中發(fā)現(xiàn)，催化劑的性能對反應(yīng)過程的影 響很大。 32 第四章 開發(fā)放大方法 w（3）脫甲基化反應(yīng)過程開發(fā) 脫甲基化反應(yīng)是吸熱的催化分解反應(yīng)，高溫下 的副反應(yīng)較少，采用固定床反應(yīng)器。建立數(shù) 學(xué)模型時(shí)，同樣作了擬均相、恒溫和無壓力 降等簡化。 數(shù)學(xué)模型的型式仍然是恒溫系統(tǒng)的活塞流模型， 其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為反應(yīng)動力學(xué)模型和物料衡 算式聯(lián)立。 33 第四章 開發(fā)放大方法 w國外采用等溫爐加熱，用數(shù)學(xué)模型對工業(yè)反

13、應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，放大20000倍建立生產(chǎn)裝置。 經(jīng)生產(chǎn)檢驗(yàn)，反應(yīng)產(chǎn)物和副產(chǎn)物的數(shù)量分布 與數(shù)學(xué)模型計(jì)算的結(jié)果十分相近。證明數(shù)學(xué) 模型法放大成功。 34 第四章 開發(fā)放大方法 w4.3 部分解析法 介于經(jīng)驗(yàn)放大法和數(shù)學(xué)模型法之間的一種開發(fā)放大方法。 一、研究方法 1.濃度效應(yīng) 工程因素等效性：各種工程因素造成的反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)物料 濃度和濃度分布相同，對化學(xué)反應(yīng)過程的影響也相同。 35 第四章 開發(fā)放大方法 w2.溫度效應(yīng) w溫度序列： A 1 B 2 C 3D 36 第四章 開發(fā)放大方法 w溫度分布：重點(diǎn)考慮由于放大后產(chǎn)熱增加以 及傳熱不良導(dǎo)致的溫度分布不均一。 w二、研究步驟 1.了解過程特征 定性

14、了解，如判別反應(yīng)速率的快慢，了解副反 應(yīng)的強(qiáng)弱，了解反應(yīng)過程對溫度和濃度的敏 感程度等。 37 第四章 開發(fā)放大方法 w2.設(shè)想技術(shù)方案 w選用的設(shè)備型式，大致的操作條件，簡單的 工藝流程，預(yù)測反應(yīng)結(jié)果，估計(jì)放大效應(yīng)等 w3.驗(yàn)證設(shè)想，改進(jìn)技術(shù)方案 w驗(yàn)證初步技術(shù)方案，發(fā)現(xiàn)新問題。反復(fù)質(zhì)疑 和反復(fù)研究論證之后，才能使技術(shù)方案逐漸 完善。 38 第四章 開發(fā)放大方法 w4.確定放大設(shè)計(jì)方法 如過程規(guī)律已掌握，可建立數(shù)學(xué)模型，后定量 測取有關(guān)模型參數(shù)。 如不能建立數(shù)學(xué)模型，可按經(jīng)驗(yàn)放大法進(jìn)行系 統(tǒng)試驗(yàn)，測取有關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。 39 第四章 開發(fā)放大方法 w三、部分解析法特征 w1.分解研究和綜合分析相

15、結(jié)合 w2.確定的技術(shù)信息主要來源于試驗(yàn) w3.技術(shù)方案的形成都通過了反復(fù)論證 40 第四章 開發(fā)放大方法 w例4-4 丁二烯氯化制二氯丁烯過程開發(fā) C4H6+Cl2 C4H6Cl2 (1)化學(xué)反應(yīng)特征 氣相熱氯化反應(yīng)，常溫下反應(yīng)速率較快，不需 要催化劑，但容易生成氯代副產(chǎn)物和多氯加 成產(chǎn)物。 41 第四章 開發(fā)放大方法 w（2）試驗(yàn)考察 C4H6 Cl2 C4H6Cl2 溫度效應(yīng)試驗(yàn)：常溫下生成氯代副產(chǎn)物較多， 溫度上升，副產(chǎn)物生成量減少。溫度達(dá)到270 度，氯代副產(chǎn)物僅占產(chǎn)物總量百分之幾。 42 第四章 開發(fā)放大方法 w利用反應(yīng)放出的熱量來維持反應(yīng)器達(dá)到高溫。 w初步確定反應(yīng)器的型式應(yīng)為流

16、體射流式返混 反應(yīng)器。 w第二組試驗(yàn)：考察返混對生成多氯加成副產(chǎn) 物的影響。 丁二烯 Cl2 二氯丁烯 Cl2 多氯化合物 nCl2 43 第四章 開發(fā)放大方法 w第三組試驗(yàn)：尋找抑制多氯加成化合物的方 法。 S=1-k2cR/k1cA 用丁二烯、氯和二氯丁烯混合進(jìn)料，模擬返混 式反應(yīng)器內(nèi)物料的實(shí)際情況，在丁二烯過量 的條件下，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，幾乎沒有明顯的多氯 化合物生成。由此證明丁二烯過量可以抑制 生成多氯化合物的串聯(lián)副反應(yīng)。 44 第四章 開發(fā)放大方法 w（3）構(gòu)思技術(shù)方案 45 第四章 開發(fā)放大方法 w（4）確定反應(yīng)器尺寸和工藝條件 w設(shè)冷物料的溫度為27度，要使其溫度升至 270度以上，則

17、氣體體積量的返混比應(yīng)達(dá)到 10：1. w通過流體力學(xué)計(jì)算，當(dāng)射流的流體速度達(dá)到 100m/s，吸入的氣體量可以達(dá)到射流量的十 多倍。 46 第四章 開發(fā)放大方法 w（5）檢驗(yàn)技術(shù)方案 根據(jù)已確定的技術(shù)方案，建立了一套25t/a的中 試裝置。噴嘴設(shè)計(jì)采用了常規(guī)同心雙氣道噴 嘴。兩股氣流均以100m/s的流速同步進(jìn)入反 應(yīng)器。開車數(shù)小時(shí)后，發(fā)現(xiàn)噴嘴已被黑色粉 末堵塞。 對噴嘴設(shè)計(jì)作了改進(jìn)，使反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器 之前進(jìn)行預(yù)混合，反應(yīng)結(jié)果良好。 47 第四章 開發(fā)放大方法 w4.4 相似放大法 w以相似論和量綱分析為基礎(chǔ)的相似模擬放大 法，多用于化工單元操作的開發(fā)放大。 w一、研究方法 w從分析影響過

18、程的各種因素入手，運(yùn)用量綱 分析，將試驗(yàn)考察的各種變量按特征數(shù)予以 合并，然后用試驗(yàn)測定出描述過程運(yùn)行規(guī)律 的輸入與輸出關(guān)系的特征數(shù)方程式中的待定 參數(shù)，并以特征數(shù)方程作為相似放大的依據(jù)。 48 第四章 開發(fā)放大方法 w1.相似條件 w模型與原型之間相對應(yīng)的物理量的相似。 w（1）幾何相似 模型和原型的幾何形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似。 （2）時(shí)間相似 模型和原型相對應(yīng)的時(shí)間間隔應(yīng)互成比例，且比值相 等。 （3）運(yùn)動相似 模型與原型的對應(yīng)點(diǎn)上物質(zhì)運(yùn)動的速度（或加速度） 應(yīng)互成比例，且比值相等。 49 第四章 開發(fā)放大方法 w（4）動力相似 w模型和原型在對應(yīng)時(shí)刻和對應(yīng)點(diǎn)上受力方向 一致，大小應(yīng)互成比例，

19、且比值相等。 w2.相似定理 w（1）相似第一定理：凡彼此相似的現(xiàn)象，必 具有數(shù)值相同的相似特征數(shù)。相似正定理。 w（2）相似第二定理：凡具有相同特征數(shù)的現(xiàn) 象，若表明現(xiàn)象特征的單值條件彼此相似， 且由單值條件所組成的相似特征數(shù)相等，則 它們必相似。相似逆定理。 50 第四章 開發(fā)放大方法 w（3）相似第三定理：當(dāng)一個(gè)現(xiàn)象由n個(gè)物理量的函 數(shù)關(guān)系來表示，而且這些物理量中包含了m個(gè)量綱， 則應(yīng)有n-m個(gè)相似特征數(shù)。 w3.相似特征數(shù)及其方程 w以液體的攪拌混合槽為例，要使槽內(nèi)物料混合達(dá)到 一定工藝要求，所需的攪拌功率P，取決于以下條 件： 攪拌槳的葉輪直徑D和轉(zhuǎn)速n，液體的密度、黏度，自 由落體

20、加速度，槽徑d，槽內(nèi)液層深度，以及擋板 數(shù)目，擋板的大小和安裝位置等。 51 第四章 開發(fā)放大方法 （1）葉輪為渦輪式 （2）葉輪直徑D=1/3攪 拌槽直徑d （3）葉輪離槽底高度 Hi=1.0d （4）葉片寬度b=D/5 （5）葉片長度l=D/4 （6）液體深度 HL=1.0d=3D （7）擋板數(shù)目=4，垂直 安裝在槽壁上，從槽底 延伸至液面之上 （8）擋板寬度b=d/10 D D b HL d 擋板 52 第四章 開發(fā)放大方法 w攪拌功率的一般函數(shù)關(guān)系為： P=f(n,D,g) P=KnaDbcdge 以質(zhì)量M、長度L、時(shí)間T為基本量綱，將 上式寫成量綱式： ML2T-3=(T-1)a(L

21、)b(ML-3)c(ML-1T-1)d(LT-2)e 53 第四章 開發(fā)放大方法 c+d=1 b-3c-d+e=2 -a-d-2e=-3 P/n3D5=K(D2n /)-d(n2D/g)-e P0=KRe-aFr-e 54 第四章 開發(fā)放大方法 w4.由試驗(yàn)確定特征數(shù)方程的未知系數(shù)K、a、e w二、相似放大法特征 w1.試驗(yàn)研究屬于綜合考察，放大依據(jù)來源于 試驗(yàn) w2.簡化了試驗(yàn)，提高了試驗(yàn)效率 w3.運(yùn)用相似特征數(shù)相等為放大提供了簡單可 靠的依據(jù) 55 第四章 開發(fā)放大方法 w三、數(shù)量放大法和比例放大法 w1.數(shù)量放大法：采用設(shè)備單元數(shù)增加的一種 放大方法。 w2.比例放大法：以一個(gè)或數(shù)個(gè)能

22、表達(dá)過程主 要特征參數(shù)為依據(jù)，按比例對該過程進(jìn)行放 大的方法。 56 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 5.1 流程的內(nèi)容和設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題 一、工藝流程的內(nèi)容 預(yù)處理化學(xué)反應(yīng) 分離與提純 循環(huán) 原料產(chǎn)品 57 w二、設(shè)計(jì)流程應(yīng)考慮的問題 w1、技術(shù)的成熟程度 w2、技術(shù)的先進(jìn)性和可靠性的關(guān)系 w3、流程的可操作性 w4、投資的操作費(fèi)用 w5、安全 w6、環(huán)境和生態(tài) 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 58 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 5.2 合成路線、操作方式及其他 一、選擇合成路線 1.從生產(chǎn)成本考慮 CHCH+HCNCH2CHCN CH2CHCN2CH2CHCH3+2NH3+3O22+6H2O

23、59 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w2.從產(chǎn)品和副產(chǎn)品的分配考慮 w3.從反應(yīng)的自由能考慮 wG0 反應(yīng)較易進(jìn)行 wG40 反應(yīng)較難進(jìn)行 60 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w二、選擇操作方式 w1.生產(chǎn)規(guī)模 4500t/a 2.市場要求 3.受特殊條件的限制 61 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 三、關(guān)于原料預(yù)處理的判斷 w原料中含有使催化劑中毒的雜質(zhì)，必須先除 去； w原料中含有的雜質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)，為了避免 原料消耗和不污染產(chǎn)品，也為了減輕后處理 分離的負(fù)擔(dān)，一般都先除去； w原料中的雜質(zhì)若不參與化學(xué)反應(yīng)，則應(yīng)根據(jù) 這些雜質(zhì)與原料或產(chǎn)品分離的難易程度來決 定是否需要在預(yù)處理中先分離； 62

24、 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w原料中雜質(zhì)含量較大時(shí)，即使這些雜質(zhì)與產(chǎn)品分離 要比它們與原料的分離容易，有時(shí)也需要進(jìn)行預(yù)處 理。 w四、如何確定產(chǎn)物的流股數(shù) 主產(chǎn)品 有價(jià)值的聯(lián)產(chǎn)品或副產(chǎn)品 價(jià)值較低的燃料 循環(huán)物料的返回 排空 有害物質(zhì)送三廢治理 63 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w例5-1 乙烯和苯反應(yīng)生成乙基苯，是一氣相 反應(yīng)。已知原料苯的純度為99.9%，其中雜 質(zhì)甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=0.1%。工藝條件采用了 苯過量來防止催化劑失活和抑制副反應(yīng)。乙 烯的轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%100%，并有以下反應(yīng) 發(fā)生： w主反應(yīng)：乙烯+苯 乙烯苯 64 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w副反應(yīng)：乙基苯+乙烯

25、 二乙基苯 w 二乙基苯+苯 乙基苯 w 二乙基苯+乙烯 三乙基苯 w 三乙基苯+苯 乙基苯、二乙基 苯、雜環(huán)化合物 w以上各副產(chǎn)物中，除了雜環(huán)化合物在高溫下 易聚合，以及二乙基苯和三乙基苯不能分解 外，其余反應(yīng)皆可逆進(jìn)行。 w反應(yīng)器出口物料中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和沸點(diǎn) 如下表所列： 65 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 66 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w各組分的去向如下： w（1）乙烯：乙烯是未反應(yīng)完全的原料，由于 乙烯的轉(zhuǎn)化率高，在反應(yīng)器出口氣體中含量 很低，其沸點(diǎn)也很低，無回收意義，可以放 空或排放至燃料氣管網(wǎng)作為燃料。 w（2）乙烷：為原料乙烯夾帶的不參與反應(yīng)的 氣體，與乙烯情況相同。

26、w（3）乙基苯：主產(chǎn)品 67 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w（4）二乙基苯：為反應(yīng)過程中生成量較大的 副產(chǎn)物，是有用的，可以作為副產(chǎn)品回收， 也可以循環(huán)返回反應(yīng)器，作為循環(huán)物料再和 苯反應(yīng)生成乙基苯。 w（5）苯、甲苯、二甲苯、丁苯、三乙基苯、 異丙苯、正丙苯等組分全部返回反應(yīng)器。 w（6）雜環(huán)化合物：為回收的低值副產(chǎn)品。 68 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w5.3 反應(yīng)器的選型 69 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 70 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w一、反應(yīng)器的選型方法 A B C 問題 結(jié)論 形態(tài)分析法形態(tài)分析法 1 4 3 2 5 6 8 7 71 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w

27、二、選擇反應(yīng)器的原則 1.從物料的相態(tài)選擇反應(yīng)器 2.從傳熱的要求選擇反應(yīng)器 3.從相際間的傳質(zhì)選擇反應(yīng)器 4.從反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性來考慮反應(yīng)器 72 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w5.4熱交換網(wǎng)絡(luò)的合成 w熱交換網(wǎng)絡(luò)：對化工生產(chǎn)中的物料流股作詳 細(xì)分析，使生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)需加熱和需冷卻的物 料流股相互進(jìn)行熱交換，盡量避免使用外熱 源，充分利用系統(tǒng)內(nèi)的能量，以降低生產(chǎn)建 設(shè)中所需的公用工程費(fèi)用。 73 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w一、熱交換網(wǎng)絡(luò)的表示方法 1 2 反應(yīng)器 分離器 100 30 140 25 200 200 170 100 30 C1 C2 C H H h1 粗產(chǎn)品 74 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w熱交換網(wǎng)絡(luò)： 1 1H H2 2C h1 170 200 200 140 100 12010030 原料C1 循環(huán)料C2 75 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w二、t-H圖、窄點(diǎn)和熱交換網(wǎng)絡(luò)的最小能耗 窄點(diǎn) Qc,min QH,min 覆蓋區(qū) t t O H 窄點(diǎn) Qc,min QH,min 覆蓋區(qū) t t O H 窄點(diǎn) Qc,min QH,min 覆蓋區(qū) t t O H 76 第五章 工藝流程的合成與優(yōu)化 w5.5