化工過程開發(fā)復習

1、化工過程開發(fā) Development of Chemical Technological Process 課程基本情況 學分： 2.0 學時： 32 先修課程：四大基礎化學、化工原理、反應工程、文獻查閱、分離工程。 適用專業(yè)：化學工程與工藝教材： 化工過程開發(fā)概要 ，武漢：武漢大學出版社， 2002 ； 化工過程開發(fā) ，于遵宏等 . 上海：華東理工大學出版社， 1996 .課程分類：考查 開課教研室：化工工藝教研室一、課程的性質與目的 課程性質：新的化工產(chǎn)品或新的化工工藝經(jīng)由實驗室研究、放大試驗到工業(yè)化生產(chǎn)的全過程為 化工產(chǎn)品開發(fā)。課程涉及合成、工藝、工程、設備、控制、經(jīng)濟、環(huán)保等多種學科知識

2、。內容 實用性強，是學生從學習知識到應用知識的橋梁。課程目的：學生了解新的化工產(chǎn)品開發(fā)的過程，掌握新的化工產(chǎn)品開發(fā)的方法和相關的知識。緒論 選題和立項 化工過程開發(fā)中的實驗室工作 化工過程放大 反應器的類型和設計 化工過程開發(fā)實驗中的數(shù)據(jù)處理 投資、成本、折舊和盈利 技術經(jīng)濟評價二、課程的基本內容及要求 基本內容 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 基本要求1. 了解并掌握化工過程開發(fā)所涉及的基本觀點、內容和步驟2. 掌握以小試為重點的開發(fā)研究實驗方法和中試放大的基本方法3. 建立技術經(jīng)濟評價的思想4. 初步掌握化工過程開發(fā)的數(shù)據(jù)處理方法 第一章 緒論 五節(jié)內容 第

3、一節(jié) 化工過程開發(fā)的基本內容一、化工過程及化工工藝（ 幾個概念 ） 過程：指相互關聯(lián)的一系列活動或變化，是事物的發(fā)展，是事情經(jīng)歷的經(jīng)過。 化工過程：即化學品指若干相互關聯(lián)的化工單元操作以及所用設備組成的一個整體和它所完成的工作， 的變化。 開發(fā)：任何一新的化工過程都具有創(chuàng)造性， 其內在的客觀規(guī)律， 是科學存在的。 開發(fā)指人們對過去 未能利用的東西加以利用，包括研究、改進和發(fā)展。任何開發(fā)過程均帶有研究、改進、使之得 到發(fā)展、體現(xiàn)出價值的創(chuàng)造性活動。 化工過程開發(fā)： （書 P1）指從一個有關新的化學產(chǎn)品、新技術或工藝的概念的形成，到科研、設計、建廠，從第一套工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)裝置，付諸實施的全過程。 化

4、工過程開發(fā)的任務：開發(fā)滿足國民經(jīng)濟的新產(chǎn)品、老產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和設備的改造，促進化學工業(yè)的發(fā)展。 化工過程開發(fā)程序、方法：基礎研究的成果、資料，按科學方法，尋求技術可靠、經(jīng)濟合理的途徑，擴大實驗，評價可 行性，工業(yè)裝置。即基本內容 工藝：系統(tǒng)應用知識和經(jīng)驗（軟件） 、設備（硬件）于工業(yè)生產(chǎn)實際，將原材料或半成品加工成 產(chǎn)品的方法和技術。制造工藝（只改變外形、物性，工件型 job shop生產(chǎn)方式）、化工工藝，化學品生產(chǎn)方法的 技術科學，物流型 flow shop 。后者是化工過程的精髓？同一種化學品生產(chǎn)不同原料、路線、條件、方案，差異巨大，經(jīng) 濟效益不同。工程設計中設備的失誤是局部的，工藝的失誤是

5、全局的。工藝即工業(yè)藝術。二、化工過程開發(fā)的內涵著重解決開發(fā)、放大、設計等工程技術問題。與化學的研究有一定的區(qū)別，具有自己的特點（表 1.1 ）我國 96年以來，每年 3萬多項成果， 20%轉化，形成產(chǎn)業(yè)得到效益 5%。原因：直接應用技術不 多，研究與市場脫節(jié)；技術不成熟，實驗室到工業(yè)生產(chǎn)橋梁未架通。三、化工過程開發(fā)與化學工業(yè)及國民經(jīng)濟各領域的關系化學工業(yè)發(fā)展速度快，產(chǎn)值占 GDP10%我國20%在國民經(jīng)濟處中心地位。表1.2 幾種領域對化學工業(yè)產(chǎn)品的依賴關系 啟示： 化學工業(yè)需向國民經(jīng)濟各部門提供更多的新產(chǎn)品，化學工業(yè)本身也需一些新產(chǎn)品（催化 劑）、新技術、工藝、設備，滿足高溫高壓、腐蝕，這些

6、都需從實驗室研究開始，化工過程開發(fā) 任重道遠。第二節(jié) 化工過程開發(fā)的重要性一、產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝的生命周期任何產(chǎn)品對市場而言，都有生命周期，如同人、哺乳動物出生、生長。衰老、死亡，也有 產(chǎn)生、發(fā)展、淘汰的過程， 如表從經(jīng)濟學領域觀點，以銷售額或利潤與時間做圖，關系為：圖1.1 典型產(chǎn)品的市場生命周期啟示： 市場競爭的加劇，產(chǎn)品生命周期有縮短的趨勢。產(chǎn)品需要更新，生產(chǎn)工藝同樣。只有堅 持研究、開發(fā)，化學工業(yè)才有強大的生命力。以下舉例說明開發(fā)的重要性。二、實例 合成塑料的開發(fā)簡史從第一個塑料產(chǎn)品賽璐珞誕生算起， 塑料工業(yè)迄今已有 120年的歷史。 其發(fā)展歷史可分為三 個階段：天然高分子加工階段、合成樹

7、脂階段、大發(fā)展階段。三、實例 乙二醇生產(chǎn)工藝進展四、實例 合成氨催化劑發(fā)展概況1991年Roth提出了技術五、技術進步周期（圖） 啟示： 通過這些實例，無論化工產(chǎn)品、還是生產(chǎn)工藝都在不斷發(fā)展中。 進步周期的概念。認為：一般來講，技術進步周期經(jīng)歷一個S型的發(fā)展周期，如圖1,技術通過長期開發(fā)，解決了難點，實現(xiàn)技術突破，取得漸進快速發(fā)展，很快在技術經(jīng)濟指標達到極限，進入成熟期， 發(fā)展緩慢或停滯,完成了 連續(xù)性進步周期 。這時技術進步只可能通過 技術的非連續(xù)性 轉移到一 個全新的、完全不同的知識基礎上取得,如圖 2.啟示： 化學工業(yè)的百年發(fā)展,基礎化工生產(chǎn)技術已非常成熟,未來的發(fā)展只有依靠非連續(xù)性技

8、術進步,實現(xiàn)這種進步無疑需要開發(fā)者雄厚的知識基礎和開拓能力。在我國尤其這樣,技術、 設備依賴進口,加工國外的粗產(chǎn)品、半成品,下游產(chǎn)品國外控制,返銷我國,需提搞產(chǎn)品的精 細化率,提高科技工作者的素質。第三節(jié) 化工過程開發(fā)的必要性和艱巨性一、 實驗室研究與工藝生產(chǎn)的不同點（書P1, PP表） 過程開發(fā)往往從實驗室開始，其結果只能說明方案的可行性，不能用于工業(yè)生產(chǎn)，因為二者有區(qū)別。 如表：二、規(guī)模放大的必要性放大：實驗室到工業(yè)化、小規(guī)模到大規(guī)模。研究要考慮許多實驗室規(guī)模無法考察的問題： 原料來源、儲存、運輸、循環(huán)使用、加熱、冷卻、產(chǎn)品精制、熱量回收、三廢處理。放大是研 究的核心。99%不難達到。其金

9、屬雜產(chǎn)品到市場，必須在研究達到一定規(guī)模后。如電子級鈦白粉，純度質影響元器件的性能，必須以 kg級向廠家提供“大樣”。產(chǎn)品的規(guī)模效應三、化工過程開發(fā)的艱巨性綜合技術 ：涉及化學基本原理、化學工程理論、化工機械設備、自控、材料與腐蝕、技術 經(jīng)濟等領域；包括選題、實驗、放大、設計、試生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)。投入、 風險高 ：成功率 10%，要求開發(fā)者洞察力、 創(chuàng)造力， 實現(xiàn)一個好的設想， 要對科學（化 學、熱力學、動力學） 、技術（工藝、設備） 、經(jīng)濟（投資、成本）的可能性、合理性考核、實 驗，由于技術、經(jīng)濟原因，80-90%的項目在不同階段放棄（必須達到一定的經(jīng)濟指標）。世界各大公司R和D的投入一般為銷售額

10、5-10%,如：Du pont20世界30年代花費2700美元，歷時2年開發(fā)尼龍 66，帶來上億利潤； 1990年其銷售額 155.7億美元，科技投入 14.3億，當年利 潤19.7 億。Dov化學公司披露：20世紀50年代其研制新品需120萬、2年；60年代400萬、4年；70年代 1000-1150萬, 6-8 年； 90年代 2億,約 10年。研究醫(yī)藥的Merck公司，新藥投放市場需 10年，3.95億，70%攵不回投資。 我國需加強。早期投入為銷售額的1%,到95年,高新企業(yè)占 2.45%.單靠引進,得不到一流技術。 95年山東齊魯引進丙烯腈項目,催化劑自主研發(fā),有所作為。第四節(jié) 化工

11、過程開發(fā)的主要步驟一、化工過程開發(fā)的三個階段無固定模式1. 探索研究開發(fā)源于某種 idea, 其來自科學概念的移植、 文獻信息的啟示、 實驗室的偶然發(fā)現(xiàn) （峰、 反常實驗現(xiàn)象、意外發(fā)現(xiàn)都能啟發(fā)靈感、形成創(chuàng)新概念、方案路線）。如乙醇脫水制乙烯，在催化劑AI2O3上，乙醇要求95%受70年代甲醇在HZSM-5（憎水性）生成混合烴的啟發(fā)，可以實現(xiàn)乙醇脫水。2.3.二、原化工部新技術開發(fā)管理條例 第五節(jié) 化工過程開發(fā)涉及的若干基本概念 一、實驗室研究、小試、模試、中試1. 實驗室研究 可以是純理論、應用基礎或開發(fā)基礎研究，與小試有區(qū)別 是立項之前為收集資料、驗證文獻和設想所作的實驗，間歇、欠系統(tǒng)、玻璃

12、儀器。 目的：確定原料路線、探索反應可行性、觀察現(xiàn)象、獲感性認識及樣品。2. 小試 小型工業(yè)模擬試驗（初步技術經(jīng)濟評價、正式立項后的系統(tǒng)工作） 以工程的觀點收集情報資料，進行目的明確，盡量結合工業(yè)生產(chǎn)實際（金屬設備、工業(yè)原料、 連續(xù)、模擬化工單元操作）的實驗粗略、需完善 過程研究：系統(tǒng)的實驗室工作 過程開發(fā)：設計、技術經(jīng)濟評價任務：a驗證開發(fā)方案的可行性、完整性。b測定收集物化數(shù)據(jù)。C產(chǎn)品分析方法。d整理最佳方案，完成概念設計2. 模試 模型試驗：對工業(yè)生產(chǎn)中的某些重要過程作放大的工業(yè)模擬試驗。 設備：一般比實驗室研究規(guī)模大并具有工業(yè)設備的仿真性質。主要內容： 考察化工過程運行的最佳條件；考察

13、設備內傳熱、傳質、物料流動與混合等工程因素對于 化工過程的影響；觀察設備放大后出現(xiàn)的放大效應；尋找產(chǎn)放大效應的原因，測定放大所需的 有關數(shù)據(jù)或判據(jù)等等。形式：熱模、冷模4. 中試 中試是”中間工廠試驗”的簡稱，它是在小試或模試之后迸行的半工業(yè)化規(guī)模的模擬試 驗。在化工過程開發(fā)中，是一次較大規(guī)模的對開發(fā)的技術方案作較全面的試驗考察。由于中試規(guī)模要比小試大得多它對工業(yè)過程的模擬則較接近于真實，故中試結果可作為 基礎設計的依鋸。檢驗小試確定的工藝方案和工藝條件； 考察工藝系統(tǒng)連續(xù)運轉的可靠性； 考察設備放大后所產(chǎn)生的放大效應的程度，分析產(chǎn)生的原因，尋找消除的辦法； 確定檢測方法；考察物料對設備材質的

14、腐蝕； 考察物料循環(huán)產(chǎn)生的微量雜質積累帶來的影響； 提供一定量的產(chǎn)品供應用考察；考察“三廢 ”的生成量、危害程度和治理方法； 為估算投資和成本，以及建立生產(chǎn)工作崗位的操作規(guī)程提供資料。中試考察的內客主要有以下幾項：（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）二、概念設計、基礎設計、工程設計1. 概念設計定義： 又稱預設計、估量設計、設計研究等。根據(jù)試驗室研究結果，對預定規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)裝 置進行假想設計。目的 ：在于對所要開發(fā)的工藝的技術成熟程度和經(jīng)濟合理性作出初步評價，確定開發(fā)研究的內 容重點，并估計開發(fā)過程中的風險。內容： 包括設計規(guī)模和范圍、原材料和成品規(guī)格、工藝流程圖和簡要說明

15、、物料衡算和熱量衡 算、主要設備的關鍵尺寸和材質、主要技術經(jīng)濟指標、投資估算和產(chǎn)品成本估算、“三廢”處理方法以及對試驗研究的建議等。設計所需要的數(shù)據(jù)來源 ：試驗室研究報告、文獻資料、現(xiàn)有類似產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)驗，以及根據(jù)熱 力學、動力學等理論或經(jīng)驗式、半經(jīng)驗式的計算結果等。數(shù)據(jù)的取舍和估計，特別是工藝流程的構成和設備的選型 ：則要取決于概念設計負責人的技術 水平、經(jīng)驗和判斷力。若在概念設計過程中，發(fā)現(xiàn)試驗室研究結果中有較嚴重的缺陷或錯誤時， 則要進行必要的補充試驗。2. 基礎設計定義： 在最終評價得到肯定結論后，根據(jù)中試研究結果和所收集的資料，對工業(yè)生產(chǎn)方案 和裝置型式所作的原則性設計。是研究開發(fā)工

16、作成果的主要表現(xiàn)形式，也是研究開發(fā)單位向用戶進行技術轉讓的主要技術 文件，又是設計單位為用戶進行工程設計的主要技術依據(jù)?；A設計的內容和深度可由研究開發(fā)單位與設計單位協(xié)商確定，通常有：帶控制點流程 圖、物料流程圖、物料衡算和熱量衡算、設備一覽表和設備簡圖、投資和成本估算等。3. 工程設計定義：工程設計即“施工圖設計”，它是依據(jù)基礎設計來編制有關工程實施的技術文件。 內容：除基礎設計所有內容外，還應增加說明設計程序的設計說明書，詳細的定型設備型號、 規(guī)咯、零部件及材質的明細表非定型役備加工制造的圖紙和裝配圖，指導裝置安裝的詳細工藝 流程圖帶控制點的流程圖和管線圖，設備的平面布置圖和立面布置圖等等

17、。此外，也有詳細的 消耗定額、投資和成本慨算，三廢”排放量和非排放點說明等文件。要求：工程設計一般是由工程設計人員來編制的。在進行工程設計時，工程技術入員應對項目 的研究有較深刻的了解，通常應參加設計項目的中試和基礎設計工作，否則容易造成研究與設 計工作脫節(jié)。三、技術經(jīng)濟評價初步：立項之前的評價，對項目進行取舍。項目的科學性、實用性、可靠性。中間：開發(fā)過程的評價，如對小試、概念設計、模式、中試、基礎設計的評價。側重技術 方案的科學性、可靠性，經(jīng)濟的合理性最終：工業(yè)化評價或項目評估，開發(fā)后期進行。目的：抉擇投資建設。四、幾種關系1. 過程研究和工程研究的關系過程研究：過程開發(fā)的基礎研究之后，對已

18、確立的課題所作的一系列模擬實驗研究。過程設計：概念設計、基礎設計、技術經(jīng)濟評價。過秤研究和工程研究是兩種不同性質的研究工作C前者必須借助于儀器或裝置對過程運行 的物理和化學規(guī)律進行探討;后者則依賴于人們的知識、經(jīng)驗和思維為化工過程開發(fā)提供決策。 過程研究是為工程研究進行決策時提供分析判斷的信息；而T.程研究則是檢驗過程研究質帚的 最好方式。兩若的關系十分緊幣。2、小試和概念設計的關系把小試和概念設計相互關聯(lián)，反映了研究人員在實驗室研究時，已開始構思項目的技術方 案、從而可以避免在實驗室研究中最容易出現(xiàn)不結合實際的單純理想狀態(tài)的考察。在化工過程開發(fā)之初，就緊密聯(lián)系開發(fā)目標來考察技術方案的技術可靠

19、性和經(jīng)濟合理性， 既保障了開發(fā)項目的試驗研究是為了提供過程開發(fā)的技術經(jīng)濟信息這一目的來完成，又較容易 從試驗研究中逐漸形成正確的工藝技術方案。實際上在實驗室研究工作完成之后，所作的概念 設計可以看成是對實驗室研究工作的總結和鑒定。一份正確的概念設計.對于指導以后的過程 研究和工程研究都是十分有意義的。段.誤。確.如果在小試完成之后，不經(jīng)過概念設計即轉人中試，而且只把中試作為測取放大數(shù)據(jù)的手 交由別的人員來完成，這樣就往往因小試研究成果未經(jīng)概念設計的嚴格檢驗而容易造成失 如果把中試裝置的設計建立在概念設計的基礎上，因為概念設計既保證了小試的完整與正 又避免了中試因小試不足而造成的失敗。容，間不能

20、溝通而造成設計上的失誤。3、模型試驗與技術經(jīng)濟評價的關系模型試驗是考察在實驗研究中因受規(guī)模和其他條件限制而不能考察的一些內容，如考察放 大效應。尋找產(chǎn)生放大效應的原因，測定有關的工藝參數(shù)等等。模型試驗之后的技術經(jīng)濟評價，是對試驗結果的鑒定。通過評價可以了解試驗內容是否適 當，試驗結果是否正確，以及所形成的技術結論是否科學合理等等。把模型試驗和技術經(jīng)濟評價關聯(lián)起來，能及時將評價結果和從評價中發(fā)現(xiàn)的問題返回模型 試驗.再進行考察，就可彌補原試驗工作的不足。必要時可以調整試驗內容，重新擬定試驗方 案，甚至改變試驗的方法進行試驗.這樣可以確保模型試驗的效果和試驗結果的正確可靠，從概念設計的任務一般由試

21、驗研究人員來承擔，因為只有研究者最了解項目研究的目標和內 由他們來作概念設計，有利于提高概念設計的可靠性和科學性避免了因設計者和研究者之 而可避免形成一些不當或錯誤的技術概念利技木措施。4、中試和基礎設計的關系在化工過程開發(fā)中，有時把中試成果當成成熟的工藝技術并據(jù)此作工業(yè)裝置設計，這樣的 開發(fā)程序是有缺陷的。因為中試成果未經(jīng)檢驗。如果中試設計不當或不夠完整，就會造成工業(yè) 裝置設計出現(xiàn)錯誤。在實際的化工過程開發(fā)中.這樣的失誤并不少見。為了使中試獲得檢驗，人們把工業(yè)裝置設計分為基礎設計和工程設計兩個階段，并把中試 和基礎設計聯(lián)系起來，由研究入員參與這一工作，這樣一來就使得中試的任務不僅僅是取得中

22、試結果.更重要的是用基礎設計來檢驗中試結果。如果從基礎設計中發(fā)現(xiàn)中試提供的數(shù)據(jù)不全 和不準確.則應將發(fā)現(xiàn)的問題返回中試，重新進行研究，直到取得滿意結果為止。依照這樣的 開發(fā)程序.不僅保證了中試結果的科學可靠；而且也保證了基礎設計的正確和完整、無疑對提 高以后工程設計的效率和質量，避免造成裝置建設時的失誤利浪費是非常有益的。妹上所述，按圈卜1所示的開發(fā)程序，在加強了過g研究和工程研究之間的聯(lián)系之后，溝通 了科學研究人員和工程設il人員在化工過理開發(fā)工作中的分工勺合作.凡從事化工過程開發(fā)的 研究者,ft好能參加開發(fā)的全過程，直接參與研究成果轉變?yōu)樯a(chǎn)力的工作，這樣，對于研究人員 就提出了較高的要求

23、MI&具備較為廣泛的工程技術知識,以便他們從實驗室研究階段開始, 就能運用技術經(jīng)濟觀點和所掌W的工程技術知識來分析和思考過程開發(fā)的工藝技術路線和技術 方法并預測研究項ST.業(yè)化時可能出現(xiàn)的問題和實施的前景。比較內容實驗室研究工業(yè)生產(chǎn)目的打通路線、確定方案提供產(chǎn)品、獲利規(guī)模小，克大，噸總體行為不考慮經(jīng)濟強調經(jīng)濟指標原料試劑，含量95%雜質基本狀態(tài)物料少，設備小，理想大，非理想反應溫度及 熱效應小，易控，等溫大，溫度梯度操作方式間歇連續(xù)設備條件玻璃，不考慮腐蝕金屬，考慮腐蝕物料少考慮回收循環(huán)三廢不處理處理能源少考慮綜合利用化工過程開發(fā)框圖釜feitt計LL 小型模報 試SU模熨試腔一中聞試芒fii

24、aw 究）1.化工過程開發(fā)的任務是開拓滿足國民經(jīng)濟需要的新產(chǎn)品及對老產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及設備的改造。新的化工產(chǎn)品或新的化工工藝經(jīng)由實驗室研究、放大試驗到工業(yè)化生產(chǎn)的全過程為化工產(chǎn)品開發(fā)。2.通?；み^程開發(fā)的實驗室研究內容包括基礎研究部分和小試。3.概念設計又稱預設計，是根據(jù)實驗室研究成果，結合收集的各種技術經(jīng)濟信息，對被開發(fā)過程的工業(yè)化方案提出的初步設想。4.技術經(jīng)濟評價在不同的開發(fā)階段有不同的評價方式,具體為初步評價、中間評價和最終評價。5.模型試驗是在模型裝置中考察工程因素對化工過程的影響，尋找產(chǎn)生放大效應的原因。6.工程設計又稱為施工圖設計，它以基礎設計為依據(jù)，編制工程實施的技術文件。7.研究課題的來源有縱向課題、橫向課題和自選課題。8.化工過程開發(fā)的核心問題是放大。9.化工過程開發(fā)常用的模擬放大方法有經(jīng)驗放大法、數(shù)學模型放大法、部分解析法和相似放大法。10.預試驗有認識試驗、析因試驗和鑒別試驗三種形式。11.多因素多水平的試驗設計方法主要有正交設計法、均勻設計法、序貫設計法等。12.試驗數(shù)據(jù)的處理方法主要有列表法、圖解法和數(shù)學模型法。13. 化工過程開發(fā)所需的資料包括專門資料和外圍