第三章 流程組織與分析

1、第三章第三章 流程組織與分析流程組織與分析4.1 流程組織概述流程組織概述一一. 化工過程的典型流程框圖化工過程的典型流程框圖原料預(yù)處理階段原料預(yù)處理階段反應(yīng)合成階段反應(yīng)合成階段產(chǎn)物分離階段產(chǎn)物分離階段例如：硫氰酸紅霉素例如：硫氰酸紅霉素 紅霉素產(chǎn)品生產(chǎn)過程的流程草圖如下：紅霉素產(chǎn)品生產(chǎn)過程的流程草圖如下： 溶解脫色罐溶解脫色罐過濾器過濾器過濾器過濾器過濾器過濾器反應(yīng)器反應(yīng)器結(jié)晶器結(jié)晶器洗滌轉(zhuǎn)晶罐洗滌轉(zhuǎn)晶罐原料預(yù)處理階段：原料預(yù)處理階段： 以物理方法為主，但不排除化學(xué)方法。 可能要用到一些分離的單元操作。 可能牽涉到“三廢”處理。 可能有副產(chǎn)品產(chǎn)出。反應(yīng)合成階段：反應(yīng)合成階段： 可能是多步反應(yīng)

2、組成的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（多個反應(yīng)器）。 多個反應(yīng)器之間可能穿插著分離單元操作。 產(chǎn)物分離階段：產(chǎn)物分離階段： 可能要用到多種單元操作。 重視“三廢”處理技術(shù)問題。 重視回收。問題：問題： 在兩個反應(yīng)器之間為什在兩個反應(yīng)器之間為什么可能要用到分離操作？么可能要用到分離操作？經(jīng)濟(jì)效益的重要來源之一。經(jīng)濟(jì)效益的重要來源之一。二二. 什么是流程組織什么是流程組織1. 流程組織的定義流程組織的定義 權(quán)衡技術(shù)與經(jīng)濟(jì)、安全、工程等方面的因素，在過程開發(fā)實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家化工生產(chǎn)過程的實際經(jīng)驗，將某個化工過程的原料準(zhǔn)備、反應(yīng)合成、產(chǎn)物分離三個階段的有關(guān)單元操作有機(jī)地組合在一起，形成一個較優(yōu)的工藝流程。2. 流程組

3、織的結(jié)果流程組織的結(jié)果 畫出一個詳細(xì)的流程草圖（包含所有的工藝流股），并根據(jù)過程開發(fā)實驗的結(jié)果，確定流程中的合適的已知設(shè)計條件。給出合適數(shù)量的合適數(shù)量的已知流股變量、單元變量、設(shè)計約束式等流程組織是化工工藝設(shè)計的流程組織是化工工藝設(shè)計的“龍頭龍頭”。MB和HB是化工工藝設(shè)計的計算核心；化工工藝設(shè)計是化工廠設(shè)計的核心；3. 流程組織的依據(jù)流程組織的依據(jù)過程開發(fā)實驗結(jié)果；化工專家的實踐經(jīng)驗。問題：問題： 流程組織得好不好，怎么來判斷？流程組織得好不好，怎么來判斷？4. 化工領(lǐng)域包括相關(guān)領(lǐng)域的一些科技進(jìn)步與發(fā)明，都可能對某個產(chǎn)品生化工領(lǐng)域包括相關(guān)領(lǐng)域的一些科技進(jìn)步與發(fā)明，都可能對某個產(chǎn)品生產(chǎn)過程的流

4、程組織帶來顯著的影響。產(chǎn)過程的流程組織帶來顯著的影響。 我國幾大科技發(fā)展計劃體系內(nèi)都有與化工有關(guān)的研發(fā)內(nèi)容。6APA和地塞米松硫酸鈉的生產(chǎn)過程三三. 流程組織的幾個基本原則流程組織的幾個基本原則1. 重視過程開發(fā)實驗結(jié)果（根本出發(fā)點根本出發(fā)點）；2. 盡量確保工程中運用的工藝技術(shù)和設(shè)備的成熟性成熟性；標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備；有中試或生產(chǎn)經(jīng)驗的工藝技術(shù)3. 要考慮工程放大工程放大的影響；4. 組織流程時，應(yīng)考慮流程的可操作性可操作性，盡量增大流程（尤其是關(guān)鍵設(shè)備）的操作彈性操作彈性；原料、操作參數(shù)、公用工程波動的影響5. 重視流程的運行安全運行安全問題；間歇流程中備用的單元操作問題。例如：強(qiáng)毒性、輻射的間接換

5、熱問題。大設(shè)備折分6. 從經(jīng)濟(jì)角度，節(jié)省流程的固定投資，減少流程的操作費用節(jié)省流程的固定投資，減少流程的操作費用；有時要犧牲流程的技術(shù)先進(jìn)性7. 重視副產(chǎn)品回收，同步考慮環(huán)保因素環(huán)保因素；可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略（科學(xué)發(fā)展觀）技術(shù)不斷創(chuàng)新、進(jìn)步；節(jié)約資源；保護(hù)人類環(huán)境；末端治理與源頭預(yù)防相結(jié)合四四. 流程組織的具體任務(wù)流程組織的具體任務(wù)1、原料的預(yù)處理；2、反應(yīng)途徑的合成與挑選；3、專用地址分配；4、分離技術(shù)的選擇；5、分離順序的選擇；6、能量集成與管理（熱交換網(wǎng)絡(luò)）。流程組織的具體任務(wù) 反應(yīng)途徑確定后，它就決定了原料預(yù)處理的程度和方法，同時決定了分離技術(shù)和順序問題。（流程的核心是流程的核心是“反應(yīng)反應(yīng)

6、”）過程開發(fā)實驗，往往以反應(yīng)途徑的開發(fā)或挑選為起始點。過程開發(fā)實驗，往往以反應(yīng)途徑的開發(fā)或挑選為起始點。4.2 原料的預(yù)處理及反應(yīng)途徑的合成原料的預(yù)處理及反應(yīng)途徑的合成一一. 原料的預(yù)處理原料的預(yù)處理 在實際的化工過程中，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)選擇性率等，對其進(jìn)料的組成及純度、相態(tài)、固體顆粒粒度分布等方面，一般都會提出相應(yīng)的要求。例如：聚合反應(yīng)對原料純度的要求經(jīng)常達(dá)到“3n”甚至“4n”。氣固非均相反應(yīng)對其固體顆粒粒度分布要求較嚴(yán)格。原料預(yù)處理的目的原料預(yù)處理的目的從有利于反應(yīng)的角度提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；提高或控制反應(yīng)速度；提高反應(yīng)的選擇性率，等等。從有利于反應(yīng)后產(chǎn)物分離的角度流程組織時，

7、目光要看遍全局原料預(yù)處理的幾種通常形式：原料預(yù)處理的幾種通常形式：1. 原料的預(yù)熱、預(yù)冷、加壓處理；2. 原料的純度處理；3. 幾種反應(yīng)原料的預(yù)混合處理；4. 原料的相轉(zhuǎn)換處理；5. 固體原料的顆粒粒度大小處理。注注 意：意： 進(jìn)行組織流程，考慮原料預(yù)處理的方法，要站在全流程角度，從進(jìn)廠原料現(xiàn)狀、反應(yīng)對原料的要求、原料現(xiàn)狀、反應(yīng)對原料的要求、反應(yīng)后產(chǎn)物的分離反應(yīng)后產(chǎn)物的分離等方面因素綜合考慮。 只要技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，可以考慮采用一些分離單元操作分離單元操作，甚至化學(xué)手段化學(xué)手段，來進(jìn)行原料預(yù)處理。二二. 反應(yīng)途徑的合成與挑選反應(yīng)途徑的合成與挑選反應(yīng)途徑反應(yīng)途徑：從原料到產(chǎn)品的多步反應(yīng)組成的反

8、應(yīng)順序（序列）。反應(yīng)途徑的合成反應(yīng)途徑的合成：構(gòu)造從原料到產(chǎn)品的反應(yīng)途徑。挑選反應(yīng)途徑挑選反應(yīng)途徑： 從A C，化學(xué)家在實驗室發(fā)明提出來多個反應(yīng)途徑，化學(xué)工程師則站在工程實際應(yīng)用的角度，從這些眾多的反應(yīng)途徑中挑選一條或幾條進(jìn)行工程設(shè)計并投入商業(yè)運行?；瘜W(xué)家：從事反應(yīng)途徑的合成；化學(xué)工程師：挑選反應(yīng)途徑。 反應(yīng)途徑的合成與挑選是流程組織的“核心”。其對整個流程生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品成本一般都有決定性的影響。挑選合適的反應(yīng)途徑，是從源頭治理污染的最好方法。挑選合適的反應(yīng)途徑，是從源頭治理污染的最好方法。挑選反應(yīng)途徑考慮的因素挑選反應(yīng)途徑考慮的因素反應(yīng)步驟長短；副反應(yīng)數(shù)量；反應(yīng)速度及轉(zhuǎn)化率、選擇性率等

9、；反應(yīng)條件要求；產(chǎn)物分離難易；環(huán)保、安全、健康情況；投資及成本的高低；產(chǎn)品質(zhì)量情況；原料來源難易； 以上因素要綜合考慮。以上因素要綜合考慮。在安全、環(huán)保、健康的前提下，技術(shù)上可行，以經(jīng)濟(jì)上合理為最高目標(biāo)來挑選。例如：工業(yè)規(guī)模乙酸乙酯的生產(chǎn)流程中，反應(yīng)途徑的挑選問題。例如：工業(yè)規(guī)模乙酸乙酯的生產(chǎn)流程中，反應(yīng)途徑的挑選問題。2533252C H OHCH COOHCH COOC HH O 共有三條反應(yīng)途徑可供選擇。其中工業(yè)上經(jīng)常挑選的是： 上述反應(yīng)具有反應(yīng)途徑短、副產(chǎn)物少、原料來源容易、產(chǎn)物分離容易等一系列有點。但在自然條件下，其反應(yīng)速度太慢（20年其轉(zhuǎn)化率不到2）。工業(yè)運用時要用這個反應(yīng)途徑，就

10、必須想辦法提高其反應(yīng)速度反應(yīng)速度。只有在硫酸催化作用、80溫度時，其反應(yīng)速度才具有工業(yè)生產(chǎn)價值。例如：一氯癸烷（一氯代十烷）工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)途徑挑選問題。例如：一氯癸烷（一氯代十烷）工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)途徑挑選問題。C10H21Cl有以下三種反應(yīng)途徑可供挑選：1. C10H22Cl2 C10H21Cl HCl 伴隨副反應(yīng)： C10H21Cl Cl2 C10H20Cl2 HCl2. C10H20 HCl C10H21Cl 3. C10H21OH HCl C10H21Cl H2O結(jié)論：從原料成本、來源角度挑選反應(yīng)途徑1來進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。4.3 專用地址分配（專用地址確定）專用地址分配（專用地址確定） 關(guān)于化

11、工流程組織時的專用地址分配，到現(xiàn)在為止，找不到它明確的定義。但其意思很明確，我們通過幾個有關(guān)化工流程專用地址的例子，來說明有關(guān)專用地址問題。一一. 流程中循環(huán)流股回流的專用地址流程中循環(huán)流股回流的專用地址原料準(zhǔn)備反應(yīng)器1反應(yīng)器2分離1分離2回收的反應(yīng)物或溶劑回流到什么地方？有數(shù)個循環(huán)流回流的專用地址可供選擇。有數(shù)個循環(huán)流回流的專用地址可供選擇。二二. 雜質(zhì)或副產(chǎn)物排出流程的專用地址雜質(zhì)或副產(chǎn)物排出流程的專用地址原料準(zhǔn)備反應(yīng)器1反應(yīng)器2分離1分離2雜質(zhì)或副產(chǎn)物從什么地方排出？分離雜質(zhì)或副產(chǎn)物有數(shù)個排出流程的專用地址可供選擇。雜質(zhì)或副產(chǎn)物有數(shù)個排出流程的專用地址可供選擇。三三. 反應(yīng)器物料的進(jìn)料方

12、式和操作形式的專用地址反應(yīng)器物料的進(jìn)料方式和操作形式的專用地址 針對同一個反應(yīng)途徑ABC，按間歇、連續(xù)操作狀態(tài)，有許多進(jìn)料方式和操作形式可供選擇。（一）間歇操作狀態(tài)一次性加入A一次性加入B反應(yīng)終點一次性排出1. 一次性進(jìn)料的間歇全混反應(yīng)器一次性進(jìn)料的間歇全混反應(yīng)器2. 批內(nèi)連續(xù)流加（或滴加）進(jìn)料的間歇全混反應(yīng)器批內(nèi)連續(xù)流加（或滴加）進(jìn)料的間歇全混反應(yīng)器一次性加入A或B批內(nèi)連續(xù)流（滴）加B或A反應(yīng)終點一次性排出（二）連續(xù)操作狀態(tài)1. 連續(xù)單級全混反應(yīng)器連續(xù)單級全混反應(yīng)器連續(xù)加入A連續(xù)加入B連續(xù)排出2. 首級進(jìn)料的連續(xù)多級串聯(lián)全混反應(yīng)器首級進(jìn)料的連續(xù)多級串聯(lián)全混反應(yīng)器連續(xù)加入A連續(xù)加入B連續(xù)排出3

13、. 分級進(jìn)料的連續(xù)多級串聯(lián)全混反應(yīng)器分級進(jìn)料的連續(xù)多級串聯(lián)全混反應(yīng)器連續(xù)加入A或B連續(xù)加入B或A連續(xù)排出4. 管首進(jìn)料的連續(xù)管式反應(yīng)器管首進(jìn)料的連續(xù)管式反應(yīng)器連續(xù)排出連續(xù)加入A連續(xù)加入B5. 沿管軸分布進(jìn)料的連續(xù)管式反應(yīng)器沿管軸分布進(jìn)料的連續(xù)管式反應(yīng)器連續(xù)加入B或A連續(xù)加入A或B連續(xù)排出流程組織專用地址分配的含義：流程組織專用地址分配的含義： 在流程組織大框架已經(jīng)確定的情況下，對有關(guān)流股的走向、流股在流程組織大框架已經(jīng)確定的情況下，對有關(guān)流股的走向、流股之間的配比（流量調(diào)配），以及操作單元的拆分、合并等問題進(jìn)行綜之間的配比（流量調(diào)配），以及操作單元的拆分、合并等問題進(jìn)行綜合的考慮。合的考慮。4

14、.4 分離技術(shù)與分離順序的選擇分離技術(shù)與分離順序的選擇 分離是化工流程中必不可少的重要組成部分，往往對化工產(chǎn)品的質(zhì)量起分離是化工流程中必不可少的重要組成部分，往往對化工產(chǎn)品的質(zhì)量起關(guān)鍵性的決定作用。關(guān)鍵性的決定作用。 在流程組織的反應(yīng)途徑確定后，就必須針對該反應(yīng)途徑產(chǎn)生的在流程組織的反應(yīng)途徑確定后，就必須針對該反應(yīng)途徑產(chǎn)生的混合物混合物，選擇分離技術(shù)和分離順序?qū)υ摶旌衔镞M(jìn)行處理。選擇分離技術(shù)和分離順序?qū)υ摶旌衔镞M(jìn)行處理。產(chǎn)物、副反應(yīng)產(chǎn)物、未轉(zhuǎn)化完全的關(guān)鍵反應(yīng)物、過量的非關(guān)鍵組份反應(yīng)物、溶劑、催化劑等混合在一起。分離操作的目的：分離操作的目的：1. 提高產(chǎn)品（包括副產(chǎn)品）的質(zhì)量；2. 回收未反應(yīng)

15、完全的反應(yīng)物（包括溶劑、催化劑等）；3. 滿足環(huán)境保護(hù)的要求?；ぎa(chǎn)品的競爭：關(guān)鍵是產(chǎn)品質(zhì)量與成本?；ぎa(chǎn)品的競爭：關(guān)鍵是產(chǎn)品質(zhì)量與成本。關(guān)于分離的單元操作技術(shù)：關(guān)于分離的單元操作技術(shù)： 傳統(tǒng)的包括：精餾、萃取、吸收、吸附、過濾、干燥、離子交換、蒸發(fā)、結(jié)晶、層析、電泳、滲透等等。 相繼出現(xiàn)的新分離方法包括：膜分離、離子交換色譜、超臨界萃取等等。分離技術(shù)的發(fā)展趨勢分離技術(shù)的發(fā)展趨勢新的單元分離技術(shù)已有單元操作技術(shù)的耦合如吸附精餾、反應(yīng)結(jié)晶、萃取結(jié)晶、精餾結(jié)晶、膜反應(yīng)等等 在選擇分離技術(shù)手段時，應(yīng)該對一些在選擇分離技術(shù)手段時，應(yīng)該對一些分離技術(shù)的基本要點有一些認(rèn)識，這些分離技術(shù)的基本要點有一些認(rèn)識

16、，這些基本要點包括：基本要點包括：利用什么性質(zhì)進(jìn)行分離；處理能力及純度極限；能耗、分離成本、投資大小針對反應(yīng)完后的混合物分離，其分離技術(shù)的選擇主要原則如下：針對反應(yīng)完后的混合物分離，其分離技術(shù)的選擇主要原則如下：一一. 分離技術(shù)的選擇基本原則分離技術(shù)的選擇基本原則1. 以待處理物系的各組份的性質(zhì)為根本出發(fā)點，來挑選分離技術(shù)。以待處理物系的各組份的性質(zhì)為根本出發(fā)點，來挑選分離技術(shù)。例如：組份之間沸點差大，可考慮精餾； 組份之間在某種溶劑中分配系數(shù)相差較大，可考慮萃取； 溶解度差、熔點差結(jié)晶； 對熱穩(wěn)定性差低溫單元操作技術(shù)，等等。2. 充分考慮分離過程的投資、成本等經(jīng)濟(jì)因素。充分考慮分離過程的投資

17、、成本等經(jīng)濟(jì)因素。 即使在包含反應(yīng)的完整化工流程中，分離階段的投資也經(jīng)常占到全流程投資的50以上，分離成本經(jīng)常占到產(chǎn)品總成本的30以上。3. 根據(jù)待處理物系的處理量和分離純度要求，來挑選合適的分離技術(shù)。根據(jù)待處理物系的處理量和分離純度要求，來挑選合適的分離技術(shù)。 例如：離子交換處理能力，4mmol/g干樹脂，其處理摩爾濃度高的物系就可能不經(jīng)濟(jì)； 傳統(tǒng)的吸收不可能得到高純的單一組份氣體，這是受到吸收分離技術(shù)本身分離極限的限制。注意：注意：對流程中某些中間過程流股中間過程流股的分離，一般采用“得過且過得過且過”的原則?？刹捎靡恍┹^“低級級”的分離技術(shù)，達(dá)到即滿足后續(xù)操作的要求，又可降低分離投資和產(chǎn)

18、品成本的目的。4. 盡量采用技術(shù)、設(shè)備上成熟的分離技術(shù)，避免工程風(fēng)險。盡量采用技術(shù)、設(shè)備上成熟的分離技術(shù)，避免工程風(fēng)險?；し蛛x單元操作化工分離單元操作工藝技術(shù)設(shè)備技術(shù)控制技術(shù)“三位一體三位一體”化工分離單元操化工分離單元操作技術(shù)的成熟性作技術(shù)的成熟性有類似技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)有相當(dāng)規(guī)模的中試結(jié)果有相應(yīng)的模擬技術(shù)結(jié)果 另外，對反應(yīng)后的混合物進(jìn)行分離，通常情況下，只采用單一的通常情況下，只采用單一的某一種分離技術(shù)手段往往滿足不了分離目的某一種分離技術(shù)手段往往滿足不了分離目的。而是采用許多分離技術(shù)的“組合”來完成多組份分離目的。 例如，從青霉素發(fā)酵液中，提取青霉素產(chǎn)品，分離流程同時采用了過濾、萃取、吸附

19、脫色、離子交換、反應(yīng)萃取、蒸發(fā)結(jié)晶、干燥等多種分離技術(shù)。 以上是所謂挑選分離技術(shù)的幾點基本原則：以上是所謂挑選分離技術(shù)的幾點基本原則： 針對反應(yīng)完畢后混合物的分離，除了選擇分離技術(shù)手段外，還要同步考慮同步考慮先分誰、后分誰的所謂分離順序問題分離順序問題。這點和分離技術(shù)的選擇也同樣重要。二二. . 分離順序選擇（確定）的基本原則分離順序選擇（確定）的基本原則1. 1. 根據(jù)待處理物系的性質(zhì)，一般是容易分離的組份，可考慮先分離根據(jù)待處理物系的性質(zhì)，一般是容易分離的組份，可考慮先分離 “容易分離”使用傳統(tǒng)的成熟分離技術(shù)與設(shè)備、操作條件不復(fù)雜、分離過程能耗及物耗較低。 從分離工程技術(shù)角度，一般而言，組

20、份越多，相應(yīng)的分離難度越大。將容易分離的組份優(yōu)先分離，可減少后續(xù)分離的組份數(shù)目，從而減輕后續(xù)分離的難度。 所以，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度，所以，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度，“容易分離的組份先分容易分離的組份先分”是比較合理的是比較合理的選擇。選擇。2.2.相分離可考慮優(yōu)先進(jìn)行相分離可考慮優(yōu)先進(jìn)行固液分離：各種過濾方式；氣液分離：旋風(fēng)過濾、分氣包（塔、罐）方式；液液分離：萃取塔、傾析器、離心機(jī)等方式；一般而言，相分離在化工分離單元操作中并不復(fù)雜，但好處很多并不復(fù)雜，但好處很多。例如：液固流股的輸送問題； 多相導(dǎo)致分離計算與設(shè)計復(fù)雜化問題； 原油精制的先分水問題，等等。3. 3. 含量較多的組份可考慮優(yōu)先分離含量較

21、多的組份可考慮優(yōu)先分離 最大優(yōu)點：可減少后續(xù)分離設(shè)備的尺寸（減少投資），降低后續(xù)分離操作的能耗與物耗（降低分離成本）。 例如：一個（A、B、C、D）（1500、200、200、100Kg/h）的物流要通過精餾進(jìn)行分離成單組份。A、B、C、DBCADA、B、C、DABCD4. 4. 高附加值的產(chǎn)物組份可考慮優(yōu)先分離高附加值的產(chǎn)物組份可考慮優(yōu)先分離 高價值組份若不先分離出來，必然會在后續(xù)分離的操作中逐步損失，從而降低其收率。5. 5. 穩(wěn)定性較差、有毒、有腐蝕、有放射性的組份可考慮優(yōu)先分離穩(wěn)定性較差、有毒、有腐蝕、有放射性的組份可考慮優(yōu)先分離如：獨居石處理，先提取黃金。 對提高收率、工人的勞動保護(hù)、延長設(shè)備壽命、減少設(shè)備投資、節(jié)省操作費用都有好處。 以上分離技術(shù)與分離順序必須同步考慮，而且以上原則在某個以上分離技術(shù)與分離順序必須同步考慮，而且以上原則在某個實際物系的分離過程中，各原則可能有互相沖突之處，必須結(jié)合開實際物系的分離過程中，各原則可能有互相沖突之處，必須結(jié)合開發(fā)實驗來綜合考慮。發(fā)實驗來綜