化工過(guò)程分析課件

1、一、化工過(guò)程的基本結(jié)構(gòu)二、反應(yīng)過(guò)程三、分離過(guò)程四、能量過(guò)程五、化工過(guò)程的整合與優(yōu)化第二章化工過(guò)程分析一、化工過(guò)程的基本結(jié)構(gòu)（一）典型的化工過(guò)程（二）一個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程的若干個(gè)過(guò)程階段例如合成氨生產(chǎn)過(guò)程分為五個(gè)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(yīng)原料循環(huán)反應(yīng)分離預(yù)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(guò)程一、化工過(guò)程的基本結(jié)構(gòu)第一工藝過(guò)程階段第一步反應(yīng)分離預(yù)處理中間緩沖罐原料中間半成品成品中間緩沖罐預(yù)處理分離最終反應(yīng)第n工藝過(guò)程階段（二）一個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程的若干個(gè)過(guò)程階段一、化工過(guò)程的基本結(jié)構(gòu)二、反應(yīng)過(guò)程（一）反應(yīng)過(guò)程設(shè)

2、計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)（二）反應(yīng)器選型二、反應(yīng)過(guò)程（一）反應(yīng)過(guò)程設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)1、轉(zhuǎn)化率指某一反應(yīng)物在反應(yīng)過(guò)程中轉(zhuǎn)化掉的量與其初始量之比，它是化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行完全程度的一種志。二、反應(yīng)過(guò)程（一）反應(yīng)過(guò)程設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)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(fù)雜反應(yīng)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(yīng)過(guò)程（一）反應(yīng)過(guò)程設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)3、收率指原料轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)與進(jìn)反應(yīng)系統(tǒng)的初始摩爾數(shù)之比值。二、反應(yīng)過(guò)程（一）反應(yīng)過(guò)程設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)4、操作周期從反應(yīng)器開(kāi)車運(yùn)轉(zhuǎn)到停車之間的時(shí)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(shí)，反應(yīng)器必須的停車。二、反應(yīng)過(guò)程（二）反應(yīng)器選型1、反應(yīng)器類型 按反應(yīng)器的形狀分為管式、釜式、和塔式反應(yīng)器；按換熱方式分為等溫、絕熱、非等溫非絕熱反應(yīng)器等。常用的分類方法是按反應(yīng)物系的相態(tài)分為均相和非均相反應(yīng)器。 工業(yè)上常用的反應(yīng)器及其主要特征和應(yīng)用舉例參見(jiàn)倪進(jìn)方主編的化工過(guò)程設(shè)計(jì)。例如管式反應(yīng)器適用與氣、液、氣液相反應(yīng)類型。二、反應(yīng)過(guò)程（二）反應(yīng)器選型2、反應(yīng)器選型方法可用形態(tài)分析法來(lái)解決。其過(guò)程可用下圖來(lái)說(shuō)明。 若解決某個(gè)問(wèn)題有8種可能的方案和三個(gè)判據(jù)：A、B和C。則：圖： 形態(tài)分析ACB12345678問(wèn)題結(jié)論二、反應(yīng)過(guò)程（二）反應(yīng)器選型3、反應(yīng)器選型判據(jù)（1

4、）反應(yīng)類型（2）催化劑的失活速度（3）由反應(yīng)的濃度效應(yīng)決定的最后混合要求（4）由反應(yīng)的熱負(fù)荷溫度效應(yīng)所決定的熱量傳遞和溫度控制要求（5）相際傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的相對(duì)速度三、分離過(guò)程（一）分離過(guò)程的分類（二）選擇分離過(guò)程的原則三、分離過(guò)程（一）分離過(guò)程的分類分離過(guò)程機(jī)械分離過(guò)程如過(guò)慮、沉降、離心分離、旋風(fēng)分離和靜電除塵等平衡過(guò)程 如蒸發(fā)、 結(jié)晶、精餾和萃取等速率控制過(guò)程 如超濾、反滲透、電滲透等擴(kuò)散分離過(guò)程二、分離過(guò)程（二）選擇分離過(guò)程的原則1、過(guò)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(guò)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(guò)程（二）選擇分離過(guò)程的原

5、則2、過(guò)程的類型由各類分離過(guò)程在應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，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(guò)程（二）選擇分離過(guò)程的原則3、過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性選擇分離過(guò)程最基本的原則是經(jīng)濟(jì)性。在選擇分離過(guò)程時(shí)，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(fèi)用也越高；高回收率意味著操作成本增加 。二、分離過(guò)程（二）選擇分離過(guò)程的原則4、過(guò)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(guò)程設(shè)計(jì)。 萃取?？捎糜谌軇┑倪x擇確定操作條件和萃取設(shè)備選型等，有足夠的可靠性，但準(zhǔn)確程度不如精餾設(shè)計(jì)。因此進(jìn)行小規(guī)

6、模試驗(yàn)是必要的，而設(shè)備的放大以借助萃取設(shè)備專利最為可靠。若使用公開(kāi)發(fā)表的計(jì)算方法，則應(yīng)評(píng)價(jià)放大方法的可靠性。二、分離過(guò)程（二）選擇分離過(guò)程的原則4、過(guò)程的可靠性結(jié)晶：設(shè)計(jì)困難。需中試才有可靠性。吸附：通過(guò)小試才可靠反滲透；通過(guò)小試才可靠。超慮：通過(guò)中試才可靠。離子交換：通過(guò)中試才可靠。二、分離過(guò)程（二）選擇分離過(guò)程的原則5、過(guò)程的獨(dú)立操作性一般說(shuō)來(lái)，在單個(gè)分離設(shè)備中完成預(yù)期的分離要求是最經(jīng)濟(jì)的。二、分離過(guò)程（二）選擇分離過(guò)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(guò)程最經(jīng)濟(jì)，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(jì)。四、能量過(guò)程（一）能量過(guò)

7、程分析方法（二）換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 1、問(wèn)題的提出 2、換熱器數(shù)量的確定 3、換熱網(wǎng)絡(luò)的合成四、能量過(guò)程（一）能量過(guò)程分析方法1、能量衡算法2、熵法分析法四、能量過(guò)程（一）能量過(guò)程分析方法1、能量衡算法是建立在熱力學(xué)第一定律上的熱力學(xué)分析法是分析任一裝置、過(guò)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(jì)算能量的利用率即熱效率對(duì)于化工過(guò)程,能量方程的簡(jiǎn)化形式H=Q-W若沒(méi)有軸功交換，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為H=Q一般情況下，能量衡算先從單個(gè)設(shè)備開(kāi)始，后擴(kuò)大整個(gè)系統(tǒng)（見(jiàn)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(jìn)入和離開(kāi)余熱鍋爐的溫度 分別為1273K和643K 平均熱容3

8、6KJ/KmolK 試計(jì)算余熱裝置的熱利用率（一）能量過(guò)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(guò)程（二）換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)1、問(wèn)題的提出考慮一個(gè)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(gè)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(luò)，使各股物流達(dá)到規(guī)定的溫度，而總費(fèi)用最小。換熱器是指系統(tǒng)物流之間進(jìn)行熱量交換的換熱設(shè)備；輔助加熱器是指公用工程的熱劑對(duì)物流加熱的換熱設(shè)備；輔助冷卻器是指公用工程的冷劑對(duì)物流冷卻的換熱設(shè)備。四、能量過(guò)程（一）換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、換熱器數(shù)量的確定2-1abc四、能

9、量過(guò)程（一）換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、換熱網(wǎng)絡(luò)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(guò)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(guò)程的整合 1、過(guò)程整合方法 2、過(guò)程整合實(shí)例（四）化工過(guò)程的優(yōu)化五、化工過(guò)程的整合與優(yōu)化（一）原料路線的選擇一個(gè)工業(yè)項(xiàng)目的產(chǎn)品可以從幾種原料取，首先遇到的問(wèn)題就是選擇哪種原料。 選擇原料路線時(shí)應(yīng)考慮： （1）可靠性 （2）經(jīng)濟(jì)性 （3）合理性五、化工過(guò)程的整合與優(yōu)化（一）原料路線的選擇選擇原料路線時(shí)應(yīng)考慮： （1）可靠性：必須保證在其服務(wù)期限內(nèi)有足夠的、穩(wěn)定的原料來(lái)源。 例如若是礦石原料，要看它的儲(chǔ)

10、藏量、品位和開(kāi)采量。 凡以經(jīng)過(guò)加工的原材料和部件作為原料的工業(yè)項(xiàng)目，最好與供應(yīng)部門達(dá)成協(xié)議，以保證供應(yīng)的可靠性。五、化工過(guò)程的整合與優(yōu)化（一）原料路線的選擇選擇原料路線時(shí)應(yīng)考慮： （2）經(jīng)濟(jì)性：在產(chǎn)品成本中，原料價(jià)格是一個(gè)重要因素。即要對(duì)各種原料投入后對(duì)單位成本的影響進(jìn)行詳細(xì)的分析。 原料價(jià)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(duì)將來(lái)的價(jià)格進(jìn)行預(yù)測(cè)。 （1）可靠性五、化工過(guò)程的整合與優(yōu)化（一）原料路線的選擇選擇原料路線時(shí)應(yīng)考慮： （2）經(jīng)濟(jì)性（1）可靠性 （3）合理性：這主要是指對(duì)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(wèn)題：在選擇原料路線時(shí)，適當(dāng)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(guò)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(shè)備、生產(chǎn)工具和工藝制造過(guò)程各不相同，也就是說(shuō)，有不同的工藝技術(shù)路線。每種工藝技術(shù)路線的投資費(fèi)用和日常操作費(fèi)用也不相同。把幾種不同的工藝技術(shù)路線進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)稱技術(shù)路線選擇。五、化工過(guò)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(jìn)經(jīng)濟(jì)上合理五、化工過(guò)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(shí)應(yīng)考慮： 所選擇的技術(shù)必須是經(jīng)過(guò)全面檢驗(yàn)、并能

12、在實(shí)踐中應(yīng)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(guò)時(shí)的技術(shù)。 必須與可能得到的主要原料結(jié)合起來(lái)考慮。如就地取材。五、化工過(guò)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(shí)應(yīng)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(jià)值的銷售。即一項(xiàng)具體技術(shù)要按其所產(chǎn)生的全部產(chǎn)品組合來(lái)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(yīng)考慮其全部產(chǎn)品的價(jià)值。 不選擇超過(guò)自己技術(shù)吸收能力的技術(shù)（技術(shù)過(guò)盈）。五、化工過(guò)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(shí)應(yīng)考慮： 從勞動(dòng)和資金兩個(gè)角度出發(fā)進(jìn)行各種考慮，以便選擇最適合的技術(shù)。 例如：在缺乏勞動(dòng)力或

13、勞動(dòng)力非常昂貴的國(guó)家或地區(qū)，選擇資金相對(duì)密集的技術(shù)，可能是經(jīng)濟(jì)合理的；而在勞動(dòng)力過(guò)剩的國(guó)家或地區(qū)，節(jié)約勞動(dòng)力的技術(shù)就可能會(huì)增加必要的投資，因此應(yīng)選擇勞動(dòng)力相對(duì)密集的技術(shù)。五、化工過(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合例如，當(dāng)一個(gè)化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了能生產(chǎn)某種現(xiàn)有產(chǎn)品的新化學(xué)反應(yīng)，或某種新催化劑，而設(shè)計(jì)的任務(wù)就是把這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為新的過(guò)程。在此，我們必須作出一系列假設(shè)：應(yīng)該采用哪幾種過(guò)程單元？這些過(guò)程單元應(yīng)如何相互連接？需要什么溫度、壓力和流率？這就是過(guò)程的整合五、化工過(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合1、過(guò)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(guò)程綜合五、化工過(guò)程的整

14、合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合1、過(guò)程整合方法（1）探試法 試探法是經(jīng)驗(yàn)法則,它是根據(jù)對(duì)許多事跡的觀察歸納而來(lái)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(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合1、過(guò)程整合方法（）分離序列法則 通用的探試法 在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分離時(shí)，應(yīng)盡量采用以下通用法則，當(dāng)所有其它條件相同時(shí)，應(yīng)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(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合1、過(guò)程整合方法（1）分離序列法則 通用的探試法 ，盡快除去反應(yīng)

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(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合1、過(guò)程整合方法（）分離序列法則簡(jiǎn)單塔排序的推理法則 對(duì)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?yàn)椋海髁孔畲蟮慕M分最先分離；，最輕的組分最先分離；五、化工過(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合1、過(guò)程整合方法（）分離序列法則簡(jiǎn)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(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合1、過(guò)程整合方法（）分離序列法則多級(jí)分離順序 為了清晰分割一個(gè)三組分的混合物(無(wú)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(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合1、過(guò)程整合方法（3）形態(tài)分析（見(jiàn)前）（4）功能分析和調(diào)優(yōu)過(guò)程綜合功能分析（見(jiàn)尿素生產(chǎn)過(guò)程的功能分析）調(diào)優(yōu)過(guò)程綜合（見(jiàn)甲烷塔設(shè)計(jì)的變化）尿素生產(chǎn)中 CO2的氣提過(guò)程尿素生產(chǎn)中CO2氣提 過(guò)程的功能分析五、化工過(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合(功能分析)甲烷塔設(shè)計(jì)的變化圖 1圖 2圖 3圖4圖 5圖 6五、化工過(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合2、過(guò)程整合實(shí)例乙烯制鹵乙烯過(guò)程的整合（1）反應(yīng)路線的選擇 反應(yīng)路線一：乙烯直接鹵化 反應(yīng)路線二：乙炔的氫鹵化

17、反應(yīng)路線三：從乙烯鹵化制得二鹵乙烷，再熱解 反應(yīng)路線四：從乙烯氧鹵化制得二鹵乙烷，再熱解 反應(yīng)路線五：乙烯鹵化平衡法表；鹵乙烯產(chǎn)品的毛利反應(yīng)路線總反應(yīng)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(chǎng)需求應(yīng)選擇第三條反應(yīng)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(guò)程簡(jiǎn)述為：催化劑90C0.15MPa500C2.6MPa五、化工過(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合2、過(guò)程整合實(shí)例乙烯制鹵乙烯過(guò)程的整合（2）化學(xué)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(guò)程的整合與優(yōu)化（三）化工過(guò)程的整合2、過(guò)程整合實(shí)例乙烯制鹵乙烯過(guò)程的整合（3）混合物的分離用什么方法實(shí)現(xiàn)裂解產(chǎn)物的分離呢？先考察混合物的沸點(diǎn)，如下表所示：表；HCl、 C2H4Cl2 和C2H3Cl的沸點(diǎn) 由上述沸點(diǎn)可知，混合物中各物質(zhì)沸點(diǎn)甚大，用蒸餾法實(shí)現(xiàn)分離其分離方案可用兩個(gè)串聯(lián)的蒸餾塔組成物質(zhì)正常沸點(diǎn)0C壓力下沸點(diǎn)0C0.48MPa

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