化工過程分析課件

1、一、化工過程的基本結(jié)構(gòu)二、反應過程三、分離過程四、能量過程五、化工過程的整合與優(yōu)化第二章化工過程分析一、化工過程的基本結(jié)構(gòu)（一）典型的化工過程（二）一個化工生產(chǎn)過程的若干個過程階段例如合成氨生產(chǎn)過程分為五個階段： 第一階段，造氣 第二階段，CO變換階段 第三階段，脫硫脫碳 第四階段，壓縮 第五階段，合成未反應原料循環(huán)反應分離預處理能量的輸入或輸出原料產(chǎn)品副產(chǎn)物（一）典型的化工過程一、化工過程的基本結(jié)構(gòu)第一工藝過程階段第一步反應分離預處理中間緩沖罐原料中間半成品成品中間緩沖罐預處理分離最終反應第n工藝過程階段（二）一個化工生產(chǎn)過程的若干個過程階段一、化工過程的基本結(jié)構(gòu)二、反應過程（一）反應過程設

2、計的評價指標（二）反應器選型二、反應過程（一）反應過程設計的評價指標1、轉(zhuǎn)化率指某一反應物在反應過程中轉(zhuǎn)化掉的量與其初始量之比，它是化學反應進行完全程度的一種志。二、反應過程（一）反應過程設計的評價指標2、選擇性指同一原料可生成幾種產(chǎn)物，即目的產(chǎn)物和副產(chǎn)物的復雜反應系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)與并被轉(zhuǎn)化掉的原料的摩爾數(shù)之比值。二、反應過程（一）反應過程設計的評價指標3、收率指原料轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)與進反應系統(tǒng)的初始摩爾數(shù)之比值。二、反應過程（一）反應過程設計的評價指標4、操作周期從反應器開車運轉(zhuǎn)到停車之間的時間稱為操作周期。停車是指催化劑因結(jié)碳、中毒等原因，其活性降低以致轉(zhuǎn)化率低于某一指

3、定值后，催化劑要再生或更換時，反應器必須的停車。二、反應過程（二）反應器選型1、反應器類型 按反應器的形狀分為管式、釜式、和塔式反應器；按換熱方式分為等溫、絕熱、非等溫非絕熱反應器等。常用的分類方法是按反應物系的相態(tài)分為均相和非均相反應器。 工業(yè)上常用的反應器及其主要特征和應用舉例參見倪進方主編的化工過程設計。例如管式反應器適用與氣、液、氣液相反應類型。二、反應過程（二）反應器選型2、反應器選型方法可用形態(tài)分析法來解決。其過程可用下圖來說明。 若解決某個問題有8種可能的方案和三個判據(jù)：A、B和C。則：圖： 形態(tài)分析ACB12345678問題結(jié)論二、反應過程（二）反應器選型3、反應器選型判據(jù)（1

4、）反應類型（2）催化劑的失活速度（3）由反應的濃度效應決定的最后混合要求（4）由反應的熱負荷溫度效應所決定的熱量傳遞和溫度控制要求（5）相際傳質(zhì)和化學反應的相對速度三、分離過程（一）分離過程的分類（二）選擇分離過程的原則三、分離過程（一）分離過程的分類分離過程機械分離過程如過慮、沉降、離心分離、旋風分離和靜電除塵等平衡過程 如蒸發(fā)、 結(jié)晶、精餾和萃取等速率控制過程 如超濾、反滲透、電滲透等擴散分離過程二、分離過程（二）選擇分離過程的原則1、過程的可行性即靠可行性分析就可以篩選掉大量不適用的分離過程。 如丙酮和乙醚，可立即斷定用離子交換、電磁分離或電泳是不可行。二、分離過程（二）選擇分離過程的原

5、則2、過程的類型由各類分離過程在應用中的優(yōu)缺點，可歸納出某些選擇原則。 如萃取精餾(和或）萃取選擇原則是：其分離因子按精餾萃取精餾萃取的次序增加二、分離過程（二）選擇分離過程的原則3、過程的經(jīng)濟性選擇分離過程最基本的原則是經(jīng)濟性。在選擇分離過程時，首先要確定產(chǎn)品的純度和回收率。產(chǎn)品純度越高，分離費用也越高；高回收率意味著操作成本增加 。二、分離過程（二）選擇分離過程的原則4、過程的可靠性 精餾:可靠。只要給出被分離混合物中有關(guān)組分的物性數(shù)據(jù)和二元組分的氣液平衡數(shù)據(jù)，就可以完成精餾過程設計。 萃取?？捎糜谌軇┑倪x擇確定操作條件和萃取設備選型等，有足夠的可靠性，但準確程度不如精餾設計。因此進行小規(guī)

6、模試驗是必要的，而設備的放大以借助萃取設備專利最為可靠。若使用公開發(fā)表的計算方法，則應評價放大方法的可靠性。二、分離過程（二）選擇分離過程的原則4、過程的可靠性結(jié)晶：設計困難。需中試才有可靠性。吸附：通過小試才可靠反滲透；通過小試才可靠。超慮：通過中試才可靠。離子交換：通過中試才可靠。二、分離過程（二）選擇分離過程的原則5、過程的獨立操作性一般說來，在單個分離設備中完成預期的分離要求是最經(jīng)濟的。二、分離過程（二）選擇分離過程的原則6、生產(chǎn)規(guī)模例如，很大規(guī)模的空氣分離裝置，采用低溫精餾過程最經(jīng)濟，而小規(guī)模的空氣分離裝置往往采用變壓吸附或中空纖維氣體滲透分離等方法更為經(jīng)濟。四、能量過程（一）能量過

7、程分析方法（二）換熱網(wǎng)絡設計 1、問題的提出 2、換熱器數(shù)量的確定 3、換熱網(wǎng)絡的合成四、能量過程（一）能量過程分析方法1、能量衡算法2、熵法分析法四、能量過程（一）能量過程分析方法1、能量衡算法是建立在熱力學第一定律上的熱力學分析法是分析任一裝置、過程或系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化、利用和損失的能量轉(zhuǎn)化、利用和損失情況,計算能量的利用率即熱效率對于化工過程,能量方程的簡化形式H=Q-W若沒有軸功交換，可進一步簡化為H=Q一般情況下，能量衡算先從單個設備開始，后擴大整個系統(tǒng)（見例題）下圖是某合成氨二段轉(zhuǎn)化氣余熱利用裝置轉(zhuǎn)化氣流量5160m3/h進入和離開余熱鍋爐的溫度 分別為1273K和643K 平均熱容3

8、6KJ/KmolK 試計算余熱裝置的熱利用率（一）能量過程分析方法、熵分析法某合成氨二段轉(zhuǎn)化氣余熱利用裝置的熵分析四、能量過程（二）換熱網(wǎng)絡設計1、問題的提出考慮一個化工系統(tǒng)，具有股物流需要冷卻（熱流），股物流需要加熱（冷流）.各股物流的熱容流率（流量與比熱容的乘積）和溫度均已知，先需要合成一個由熱交換器、輔助加熱器和輔助冷卻器構(gòu)成的換熱器網(wǎng)絡，使各股物流達到規(guī)定的溫度，而總費用最小。換熱器是指系統(tǒng)物流之間進行熱量交換的換熱設備；輔助加熱器是指公用工程的熱劑對物流加熱的換熱設備；輔助冷卻器是指公用工程的冷劑對物流冷卻的換熱設備。四、能量過程（一）換熱網(wǎng)絡設計、換熱器數(shù)量的確定2-1abc四、能

9、量過程（一）換熱網(wǎng)絡設計、換熱網(wǎng)絡的合成2-12-12-2圖 2-1圖 2-1圖 2-1圖2-3圖2-2圖2-22-3五、化工過程的整合與優(yōu)化（一）原料路線的選擇（二）工藝技術(shù)路線的選擇（三）化工過程的整合 1、過程整合方法 2、過程整合實例（四）化工過程的優(yōu)化五、化工過程的整合與優(yōu)化（一）原料路線的選擇一個工業(yè)項目的產(chǎn)品可以從幾種原料取，首先遇到的問題就是選擇哪種原料。 選擇原料路線時應考慮： （1）可靠性 （2）經(jīng)濟性 （3）合理性五、化工過程的整合與優(yōu)化（一）原料路線的選擇選擇原料路線時應考慮： （1）可靠性：必須保證在其服務期限內(nèi)有足夠的、穩(wěn)定的原料來源。 例如若是礦石原料，要看它的儲

10、藏量、品位和開采量。 凡以經(jīng)過加工的原材料和部件作為原料的工業(yè)項目，最好與供應部門達成協(xié)議，以保證供應的可靠性。五、化工過程的整合與優(yōu)化（一）原料路線的選擇選擇原料路線時應考慮： （2）經(jīng)濟性：在產(chǎn)品成本中，原料價格是一個重要因素。即要對各種原料投入后對單位成本的影響進行詳細的分析。 原料價格受其供求關(guān)系變化的影響很大，要根據(jù)供求關(guān)系對將來的價格進行預測。 （1）可靠性五、化工過程的整合與優(yōu)化（一）原料路線的選擇選擇原料路線時應考慮： （2）經(jīng)濟性（1）可靠性 （3）合理性：這主要是指對資源的綜合利用是否合理。 例如煤、石油和天然氣為主要起始原料的合理利用問題：在選擇原料路線時，適當提高化工用

11、油的比例；油改煤，以節(jié)約石油消耗是合理的。五、化工過程的整合與優(yōu)化（二）工藝技術(shù)路線的選擇 采用一定的原材料生產(chǎn)某種產(chǎn)品，可能有多種生產(chǎn)方法，每種生產(chǎn)方法所使用的生產(chǎn)設備、生產(chǎn)工具和工藝制造過程各不相同，也就是說，有不同的工藝技術(shù)路線。每種工藝技術(shù)路線的投資費用和日常操作費用也不相同。把幾種不同的工藝技術(shù)路線進行技術(shù)和經(jīng)濟比較，挑選出最適合的加以采用，就叫做工藝技術(shù)路線的選擇，簡稱技術(shù)路線選擇。五、化工過程的整合與優(yōu)化（二）工藝技術(shù)路線的選擇選擇工藝技術(shù)路線的原則是：技術(shù)上先進經(jīng)濟上合理五、化工過程的整合與優(yōu)化（二）工藝技術(shù)路線的選擇選擇技術(shù)路線時應考慮： 所選擇的技術(shù)必須是經(jīng)過全面檢驗、并能

12、在實踐中應用的，以保證建成投產(chǎn)后生產(chǎn)的安全可靠，但也必須避免使用即將過時的技術(shù)。 必須與可能得到的主要原料結(jié)合起來考慮。如就地取材。五、化工過程的整合與優(yōu)化（二）工藝技術(shù)路線的選擇選擇技術(shù)路線時應考慮： 不僅要考慮主要產(chǎn)品，而且要考慮副產(chǎn)品的利用價值的銷售。即一項具體技術(shù)要按其所產(chǎn)生的全部產(chǎn)品組合來看。若一種供選擇的技術(shù)以相同的基本原材料投入而得到更廣泛的產(chǎn)品組合，那么就應考慮其全部產(chǎn)品的價值。 不選擇超過自己技術(shù)吸收能力的技術(shù)（技術(shù)過盈）。五、化工過程的整合與優(yōu)化（二）工藝技術(shù)路線的選擇選擇技術(shù)路線時應考慮： 從勞動和資金兩個角度出發(fā)進行各種考慮，以便選擇最適合的技術(shù)。 例如：在缺乏勞動力或

13、勞動力非常昂貴的國家或地區(qū)，選擇資金相對密集的技術(shù)，可能是經(jīng)濟合理的；而在勞動力過剩的國家或地區(qū)，節(jié)約勞動力的技術(shù)就可能會增加必要的投資，因此應選擇勞動力相對密集的技術(shù)。五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合例如，當一個化學家發(fā)現(xiàn)了能生產(chǎn)某種現(xiàn)有產(chǎn)品的新化學反應，或某種新催化劑，而設計的任務就是把這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為新的過程。在此，我們必須作出一系列假設：應該采用哪幾種過程單元？這些過程單元應如何相互連接？需要什么溫度、壓力和流率？這就是過程的整合五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合1、過程整合方法（1）探試法（2）分離序列法則（3）形態(tài)分析（4）功能分析和調(diào)優(yōu)過程綜合五、化工過程的整

14、合與優(yōu)化（三）化工過程的整合1、過程整合方法（1）探試法 試探法是經(jīng)驗法則,它是根據(jù)對許多事跡的觀察歸納而來的. 試探法能幫助我們確定工藝條件和結(jié)構(gòu).如最佳回流比為最小回流比的1.21.4又如不能用離子交換法分離非離子型的化合物;最好使用能量分離劑而不用質(zhì)量分離劑.五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合1、過程整合方法（）分離序列法則 通用的探試法 在對產(chǎn)品進行分離時，應盡量采用以下通用法則，當所有其它條件相同時，應優(yōu)先采用常規(guī)蒸餾，即用能量分離劑，避免采用質(zhì)量分離劑（如萃取蒸餾）五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合1、過程整合方法（1）分離序列法則 通用的探試法 ，盡快除去反應

15、性組分或單體，盡快除去腐蝕性組分，避免采用真空蒸餾或冷凍等較為極度的操作方式五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合1、過程整合方法（）分離序列法則簡單塔排序的推理法則 對于有一股塔頂產(chǎn)品物流和一股塔底物流的情況，其分離順序為：，流量最大的組分最先分離；，最輕的組分最先分離；五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合1、過程整合方法（）分離序列法則簡單塔排序的推理法則 ，高收率的組分最后分離;，分離困難的組分放在最后；，等物質(zhì)的量的組分優(yōu)先分割.五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合1、過程整合方法（）分離序列法則多級分離順序 為了清晰分割一個三組分的混合物(無共沸物),既可以先回

16、收最輕的組分,也可以先回收最重的組分(如下圖).圖；三元混合物蒸餾方案ABCABCCBAABC五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合1、過程整合方法（3）形態(tài)分析（見前）（4）功能分析和調(diào)優(yōu)過程綜合功能分析（見尿素生產(chǎn)過程的功能分析）調(diào)優(yōu)過程綜合（見甲烷塔設計的變化）尿素生產(chǎn)中 CO2的氣提過程尿素生產(chǎn)中CO2氣提 過程的功能分析五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合(功能分析)甲烷塔設計的變化圖 1圖 2圖 3圖4圖 5圖 6五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合2、過程整合實例乙烯制鹵乙烯過程的整合（1）反應路線的選擇 反應路線一：乙烯直接鹵化 反應路線二：乙炔的氫鹵化

17、反應路線三：從乙烯鹵化制得二鹵乙烷，再熱解 反應路線四：從乙烯氧鹵化制得二鹵乙烷，再熱解 反應路線五：乙烯鹵化平衡法表；鹵乙烯產(chǎn)品的毛利反應路線總反應式毛利（元Kg)1C2H4 + Cl2 = C2H3Cl + HCl0.942C2H2 + HCl = C2H3Cl-0.023C2H4 + Cl2 = C2H3Cl + HCl0.944C2H4 + HCl0.5O2= C2H3Cl+H2O0.245C2H4 + Cl20.5O2= C2H3Cl+H2O0.65 由上表可選擇第一和第三條路線，但考慮HCl的市場需求應選擇第三條反應路線。從乙烯鹵化制二鹵乙烷再熱解的概念直接鹵化熱裂解HCl原料分離

18、其工藝過程簡述為：催化劑90C0.15MPa500C2.6MPa五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合2、過程整合實例乙烯制鹵乙烯過程的整合（2）化學品的分配直接鹵化熱裂解分離HClC2H3Cl排放C2H4Cl2循環(huán)C2H4Cl2Cl2C2H4五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合2、過程整合實例乙烯制鹵乙烯過程的整合（3）混合物的分離用什么方法實現(xiàn)裂解產(chǎn)物的分離呢？先考察混合物的沸點，如下表所示：表；HCl、 C2H4Cl2 和C2H3Cl的沸點 由上述沸點可知，混合物中各物質(zhì)沸點甚大，用蒸餾法實現(xiàn)分離其分離方案可用兩個串聯(lián)的蒸餾塔組成物質(zhì)正常沸點0C壓力下沸點0C0.48MPa

19、1.2MPa2.6MPaHCl84.8-51.7-26.20C2H3Cl-13.833.170.5110 C2H4Cl283.7146193242五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合2、過程整合實例乙烯制鹵乙烯過程的整合（）溫度、壓力和相的變化（見圖）物質(zhì)正常沸點0C壓力下沸點0C0.48MPa1.2MPa2.6MPaHCl84.8-51.7-26.20C2H3Cl-13.833.170.5110 C2H4Cl283.7146193242乙烯制氯乙烯過程中壓力和相變化的流程五、化工過程的整合與優(yōu)化（三）化工過程的整合2、過程整合實例乙烯制鹵乙烯過程的整合（）選擇適合的設備來實現(xiàn)溫度、壓力和相的變化（見圖）乙烯制氯乙烯 過程中壓力 和相變化的流程乙烯制氯乙烯 過程單元 組合的流程乙烯制氯乙烯過程單元組合的流程（三）化工過程的整合2、過程整合實例乙烯制鹵乙烯過程的整合（5）選擇適合的設備來實現(xiàn)溫度、壓力和相的變化由上的分析可知,過程整合就是設計一系列的過程操作,改變化學狀態(tài)使原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品即選擇一系列的過程單元,并作出流程設計（4）溫度、壓力和相的變化（3）混合物的分離（2）化學品的分配（1）反應路線的選擇五、化工過程的整合與優(yōu)化（四）化工過