第三章 流程組織與分析

第三章流程組織與分析4.1流程組織概述一.化工過(guò)程的典型流程框圖原料預(yù)處理階段反應(yīng)合成階段產(chǎn)物分離階段例如：硫氰酸紅霉素紅霉素產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的流程草圖如下：溶解脫色罐過(guò)濾器過(guò)濾器過(guò)濾器反應(yīng)器結(jié)晶器洗滌轉(zhuǎn)晶罐原料預(yù)處理階段：◆以物理方法為主，但不排除化學(xué)方法?！艨赡芤玫揭恍┓蛛x的單元操作?！艨赡軤可娴健叭龔U”處理?！艨赡苡懈碑a(chǎn)品產(chǎn)出。反應(yīng)合成階段：◆可能是多步反應(yīng)組成的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（多個(gè)反應(yīng)器）?！舳鄠€(gè)反應(yīng)器之間可能穿插著分離單元操作。

產(chǎn)物分離階段：◆可能要用到多種單元操作?！糁匾暋叭龔U”處理技術(shù)問(wèn)題?！糁匾暬厥?。問(wèn)題：在兩個(gè)反應(yīng)器之間為什么可能要用到分離操作？經(jīng)濟(jì)效益的重要來(lái)源之一。二.什么是流程組織1.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(guò)程開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家化工生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將某個(gè)化工過(guò)程的原料準(zhǔn)備、反應(yīng)合成、產(chǎn)物分離三個(gè)階段的有關(guān)單元操作有機(jī)地組合在一起，形成一個(gè)較優(yōu)的工藝流程。2.流程組織的結(jié)果

畫(huà)出一個(gè)詳細(xì)的流程草圖（包含所有的工藝流股），并根據(jù)過(guò)程開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確定流程中的合適的已知設(shè)計(jì)條件。給出合適數(shù)量的已知流股變量、單元變量、設(shè)計(jì)約束式等流程組織是化工工藝設(shè)計(jì)的“龍頭”。MB和HB是化工工藝設(shè)計(jì)的計(jì)算核心；化工工藝設(shè)計(jì)是化工廠設(shè)計(jì)的核心；3.流程組織的依據(jù)◆過(guò)程開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；◆化工專家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。問(wèn)題：流程組織得好不好，怎么來(lái)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(duì)某個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的流程組織帶來(lái)顯著的影響。

我國(guó)幾大科技發(fā)展計(jì)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(guò)程三.流程組織的幾個(gè)基本原則1.重視過(guò)程開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（根本出發(fā)點(diǎn)）；2.盡量確保工程中運(yùn)用的工藝技術(shù)和設(shè)備的成熟性；標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備；有中試或生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的工藝技術(shù)3.要考慮工程放大的影響；4.組織流程時(shí)，應(yīng)考慮流程的可操作性，盡量增大流程（尤其是關(guān)鍵設(shè)備）的操作彈性；原料、操作參數(shù)、公用工程波動(dòng)的影響5.重視流程的運(yùn)行安全問(wèn)題；間歇流程中備用的單元操作問(wèn)題。例如：強(qiáng)毒性、輻射的間接換熱問(wèn)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(fèi)用；有時(shí)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；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.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(shí)決定了分離技術(shù)和順序問(wèn)題。（流程的核心是“反應(yīng)”）過(guò)程開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)，往往以反應(yīng)途徑的開(kāi)發(fā)或挑選為起始點(diǎn)。4.2原料的預(yù)處理及反應(yīng)途徑的合成一.原料的預(yù)處理

在實(shí)際的化工過(guò)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(duì)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(huì)提出相應(yīng)的要求。例如：聚合反應(yīng)對(duì)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(duì)其固體顆粒粒度分布要求較嚴(yán)格。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(shí)，目光要看遍全局原料預(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(duì)原料的要求、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，甚至化學(xué)手段，來(lái)進(jìn)行原料預(yù)處理。二.反應(yīng)途徑的合成與挑選反應(yīng)途徑：從原料到產(chǎn)品的多步反應(yīng)組成的反應(yīng)順序（序列）。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：

從AC，化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室發(fā)明提出來(lái)多個(gè)反應(yīng)途徑，化學(xué)工程師則站在工程實(shí)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(jì)并投入商業(yè)運(yùn)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(duì)整個(gè)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。挑選反應(yīng)途徑考慮的因素反應(yīng)步驟長(zhǎng)短；副反應(yīng)數(shù)量；反應(yīng)速度及轉(zhuǎn)化率、選擇性率等；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(lái)源難易；……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(lái)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(wèn)題。

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(lái)源容易、產(chǎn)物分離容易等一系列有點(diǎn)。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(yùn)用時(shí)要用這個(gè)反應(yīng)途徑，就必須想辦法提高其反應(yīng)速度。只有在硫酸催化作用、80℃溫度時(shí)，其反應(yīng)速度才具有工業(yè)生產(chǎn)價(jià)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(wèn)題。C10H21Cl有以下三種反應(yīng)途徑可供挑選：1.C10H22＋Cl2C10H21Cl＋HCl伴隨副反應(yīng)：C10H21Cl＋Cl2C10H20Cl2

＋HCl2.C10H20＋HClC10H21Cl3.C10H21OH

＋HClC10H21Cl＋H2O結(jié)論：從原料成本、來(lái)源角度挑選反應(yīng)途徑1來(lái)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。4.3專用地址分配（專用地址確定）

關(guān)于化工流程組織時(shí)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(guò)幾個(gè)有關(guān)化工流程專用地址的例子，來(lái)說(shuō)明有關(guān)專用地址問(wèn)題。一.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(gè)循環(huán)流回流的專用地址可供選擇。二.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(gè)排出流程的專用地址可供選擇。三.反應(yīng)器物料的進(jìn)料方式和操作形式的專用地址

針對(duì)同一個(gè)反應(yīng)途徑A＋B→C，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(diǎn)一次性排出1.一次性進(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(diǎn)一次性排出（二）連續(xù)操作狀態(tài)1.連續(xù)單級(jí)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(jí)進(jìn)料的連續(xù)多級(jí)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.分級(jí)進(jìn)料的連續(xù)多級(jí)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：

在流程組織大框架已經(jīng)確定的情況下，對(duì)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(wèn)題進(jìn)行綜合的考慮。4.4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(duì)化工產(chǎn)品的質(zhì)量起關(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(duì)該反應(yīng)途徑產(chǎn)生的混合物，選擇分離技術(shù)和分離順序?qū)υ摶旌衔镞M(jìn)行處理。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(guò)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：1.提高產(chǎn)品（包括副產(chǎn)品）的質(zhì)量；2.回收未反應(yīng)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(jìng)爭(zhēng)：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)：

傳統(tǒng)的包括：精餾、萃取、吸收、吸附、過(guò)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(shì)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(shí)，應(yīng)該對(duì)一些分離技術(shù)的基本要點(diǎn)有一些認(rèn)識(shí)，這些基本要點(diǎn)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(duì)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.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(diǎn)，來(lái)挑選分離技術(shù)。例如：組份之間沸點(diǎn)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??；溶解度差、熔點(diǎn)差－－－結(jié)晶；對(duì)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(guò)程的投資、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(lái)挑選合適的分離技術(shù)。例如：離子交換處理能力，4mmol/g干樹(shù)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：對(duì)流程中某些中間過(guò)程流股的分離，一般采用“得過(guò)且過(guò)”的原則?？刹捎靡恍┹^“低級(jí)”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)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(xiǎn)?；し蛛x單元操作工藝技術(shù)設(shè)備技術(shù)控制技術(shù)“三位一體”化工分離單元操作技術(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(duì)反應(yīng)后的混合物進(jìn)行分離，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。而是采用許多分離技術(shù)的“組合”來(lái)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(shí)采用了過(guò)濾、萃取、吸附脫色、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(diǎn)基本原則：針對(duì)反應(yīng)完畢后混合物的分離，除了選擇分離技術(shù)手段外，還要同步考慮先分誰(shuí)、后分誰(shuí)的所謂分離順序問(wèn)題。這點(diǎn)和分離技術(shù)的選擇也同樣重要。二.分離順序選擇（確定）的基本原則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“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(guò)程能耗及物耗較低。從分離工程技術(shù)角度，一般而言，組份越多，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，“容易分離的組份先分”是比較合理的選擇。2.相分離可考慮優(yōu)先進(jìn)行固－液分離：各種過(guò)濾方式；氣－液分離：旋風(fēng)過(guò)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。例如：液－固流股的輸送問(wèn)題；多相導(dǎo)致分離計(jì)算與設(shè)計(jì)復(fù)雜化問(wèn)題；原油精制的先分水問(wèn)題，等等。3.含量較多的組份可考慮優(yōu)先分離

最大優(yōu)點(diǎn)：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(gè)（A、B、C、D）＝（1500、200、200、100Kg/h）的物流要通過(guò)精餾進(jìn)行分離成單組份。A、B、C、DBCADA、B、C、DABCD4.高附加值的產(chǎn)物組份可考慮優(yōu)先分離

高價(jià)值組份若不先分離出來(lái)，必然會(huì)在后續(xù)分離的操作中逐步損失，從而降低其收率。5.穩(wěn)定性較差、有毒、有腐蝕、有放射性的組份可考慮優(yōu)先分離如：獨(dú)居石處理，先提取黃金。

對(duì)提高收率、工人的勞動(dòng)保護(hù)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命、減少設(shè)備投資、節(jié)省操作費(fèi)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(gè)實(shí)際物系的分離過(guò)程中，各原則可能有互相沖突之處，必須結(jié)合開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)來(lái)綜合考慮。思考題：

由一個(gè)液液非均相反應(yīng)生產(chǎn)高純