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1、第四章 工藝流程的合成與優(yōu)化 工藝流程的合成與優(yōu)化是化工過程開發(fā)的重要內(nèi)容，在化工過程開發(fā)中以各種形式收集的技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，最后都要在流程的合成與優(yōu)化中反映出來。 工藝流程的合成是隨著開發(fā)工作的不斷深入而逐步完善的。愈到開發(fā)后期，工藝流程的設(shè)計(jì)就會(huì)愈加細(xì)密、全面和完善。 流程也是化工工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。無(wú)論概念設(shè)計(jì)還是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，通常都是先確定流程，然后才依據(jù)流程再進(jìn)行各種詳細(xì)地工藝計(jì)算。第一節(jié) 流程的內(nèi)容和設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題一、工藝流程的內(nèi)容 任何化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)，都有化學(xué)反應(yīng)過程以及反應(yīng)過程之前的物料預(yù)處理和反應(yīng)過程之后對(duì)物料的分離與提純。這種以化學(xué)反應(yīng)為工藝核心，并連接反應(yīng)前、后對(duì)物料進(jìn)行處理的
2、工藝步驟形成一個(gè)由原料到產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝程序，就稱之為“工藝流程”，如圖1所示。原料預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)分離與提純產(chǎn)品廢料 循 環(huán)圖1 化工生產(chǎn)工藝模式 對(duì)于不同產(chǎn)品，由于化學(xué)反應(yīng)和物料在反應(yīng)前、后的處理方法和要求不同而會(huì)有不同的工藝流程。即使生產(chǎn)同一種產(chǎn)品，因生產(chǎn)原料和生產(chǎn)廠家的差異，也會(huì)有不同的工藝流程。盡管各種產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝流程的繁簡(jiǎn)程度和組合方式各不相同，但以化學(xué)反應(yīng)為核心，配合反應(yīng)前、后對(duì)物料進(jìn)行處理這一結(jié)構(gòu)順序是不變的。 用線條和箭頭表示了各工藝步驟之間的連接以及物料運(yùn)行的方向的流程圖稱為工藝方框流程圖。 用示意圖形表示工藝設(shè)備的流程圖稱為工藝方案流程圖。 詳細(xì)的工藝方案流程圖還要求注明生
3、產(chǎn)過程的測(cè)量與控制點(diǎn)的位置，設(shè)備連接部位和連接的方法以及設(shè)備的詳細(xì)型號(hào)規(guī)格的圖形，稱為“帶控制點(diǎn)的流程圖”。這種流程圖一般是在過程開發(fā)后期，進(jìn)入到設(shè)計(jì)和建立生產(chǎn)裝置時(shí)繪制的，用以指導(dǎo)裝置的安裝和設(shè)備的連接。 從工藝技術(shù)方案的完整性考慮，單純的流程圖還不是一份完整的工藝技術(shù)方案，除流程圖外，還必須配合流程說明書。 流程說明書的內(nèi)容一般包括工藝原理和工藝步驟的說明，生產(chǎn)物料的規(guī)格和要求，工藝條件和控制的技術(shù)要求以及生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品規(guī)格和生產(chǎn)指標(biāo)等。二、流程合成設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題 合成是將各個(gè)子系統(tǒng)組合為一個(gè)整體，即把不同功能的單元設(shè)備按一定方式連接起來，各單元設(shè)備之間的溫度、壓強(qiáng)、組成、相態(tài)等應(yīng)銜接匹
4、配，得到含有物料、能量、控制的工藝流程，完成由原料到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。 工藝流程的開發(fā)過程稱為化工系統(tǒng)或化工過程合成。過程合成的主要任務(wù)是：選擇適當(dāng)?shù)膯卧O(shè)備，確定設(shè)備之間的最優(yōu)連接方式和操作條件，用給定的原料生產(chǎn)出所需的產(chǎn)品，并使生產(chǎn)成本最低，過程安全可靠，環(huán)境污染最小。 過程合成時(shí)，必須依據(jù)對(duì)象的特點(diǎn)，提出可供選擇的方案，在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的約束下進(jìn)行分析和篩選，通過合成獲得最優(yōu)方案。合成工藝流程時(shí)應(yīng)特別注意如下問題：1、技術(shù)的成熟程度 技術(shù)的成熟程度是流程設(shè)計(jì)首先應(yīng)考慮的問題。如果已有成熟的工藝技術(shù)和完整的技術(shù)資料，則應(yīng)選擇成熟的工藝技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目的開發(fā)和建設(shè)。這樣既保證了項(xiàng)目開發(fā)成功的可靠性，同時(shí)也可
5、以縮短開發(fā)周期和節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。 當(dāng)采用成熟的工藝技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，必須注意該項(xiàng)目實(shí)施的時(shí)間和空間條件，應(yīng)對(duì)采用的工藝技術(shù)與實(shí)施的時(shí)間和空間條件差異作適當(dāng)修改，以便使工藝技術(shù)方案能符合現(xiàn)有時(shí)間和空間條件的目的和要求。 如果在開發(fā)中找不到成熟的工藝技術(shù)和可靠的技術(shù)資料時(shí)，也應(yīng)盡可能找到工藝類型相近的成熟技術(shù)資料作參考，借鑒成熟技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，可以提高流程設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確程度。尤其是設(shè)備選型，可多采用已定型生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，盡可能減少非標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)備的設(shè)計(jì)。對(duì)于物料的分離與提純，也應(yīng)盡可能避免采用技術(shù)成熟程度差或分離速率慢的方法，以免這些操作步驟成為整個(gè)流程中物料運(yùn)行的“瓶頸”。2、技術(shù)的先進(jìn)性和可靠性的關(guān)
6、系 在技術(shù)開發(fā)中選擇工藝技術(shù)路線往往較多考慮技術(shù)的先進(jìn)性。因?yàn)橄冗M(jìn)的工藝技術(shù)體現(xiàn)了較高勞動(dòng)生產(chǎn)力和較大經(jīng)濟(jì)效益。但先進(jìn)的工藝技術(shù)的應(yīng)用時(shí)間一般較短，由于未經(jīng)充分地實(shí)踐檢驗(yàn)而不可避免地帶來某些技術(shù)上的不可靠性。 作為投資建設(shè)項(xiàng)目的流程設(shè)計(jì)，總希望少承擔(dān)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。但在保證可靠性的前提下，則應(yīng)盡可能選擇先進(jìn)的工藝技術(shù)路線。如果先進(jìn)性和可靠性二者不可兼得，則寧可選擇可靠性大而先進(jìn)性稍次些的工藝技術(shù)作為流程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。這樣可以保證投資的安全可靠。3、流程的可操作性 流程的可操作性是指流程中各種設(shè)備的配合是否合理，物料的運(yùn)行是否暢通無(wú)阻，各種工藝條件是否容易控制和實(shí)現(xiàn)等。顯然流程的可操作性，應(yīng)當(dāng)是設(shè)計(jì)流程
7、時(shí)必須著重考慮的技術(shù)問題。 在考慮流程的可操作性時(shí)，必然要涉及設(shè)備的可操作性。每一臺(tái)設(shè)備的工藝條件都容易達(dá)到和容易控制而且性能穩(wěn)定，即使在外界偶然因素的干擾下也能自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上才能考慮各設(shè)備間的合理配置和配合。此外，在考慮物料回收和熱能綜合利用方面，也應(yīng)注意流程的可操作性，不要因?yàn)椴捎梦锪虾蜔崮艿幕厥绽么胧┒绊懥鞒痰目刹僮餍浴?流程的可操作性在工藝流程設(shè)計(jì)中目前還是一項(xiàng)難度較大的技術(shù)工作。高速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，易受腐蝕設(shè)備，易結(jié)垢和被堵塞的設(shè)備，都會(huì)因容易損壞而降低了流程的可操作性。 在流程設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮設(shè)置便于更換的備用設(shè)備，以便設(shè)備損壞時(shí)，能及時(shí)進(jìn)行切換而保證流程的暢通。4、
8、投資和操作費(fèi)用 在流程設(shè)計(jì)中考慮節(jié)省建設(shè)投資，首先體現(xiàn)在設(shè)備的選型上，應(yīng)盡可能選用批量生產(chǎn)的定型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低廉的設(shè)備。其次，在工藝技術(shù)路線方面，也應(yīng)盡可能選用條件溫和的工藝技術(shù)路線，以避免對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)提出過于苛刻的要求，同時(shí)也應(yīng)避免對(duì)于廠房建筑提出特殊要求。 從操作費(fèi)用考慮，則應(yīng)選擇價(jià)廉易得的原料路線和低能耗的技術(shù)路線，而且希望操作條件溫和、生產(chǎn)物料無(wú)毒、無(wú)腐蝕性和無(wú)爆炸性危險(xiǎn)等，以降低原料消耗費(fèi)用和能量消耗費(fèi)用。5、安全 在流程設(shè)計(jì)中應(yīng)重視破壞性風(fēng)險(xiǎn)分析。這種分析通常是通過事故模擬試驗(yàn)的考察來進(jìn)行的。從模擬試驗(yàn)中可以了解到事故發(fā)生的原因，產(chǎn)生的條件和后果，以及各種原因
9、之間的內(nèi)在關(guān)系。通過分析，可以確定所設(shè)計(jì)的流程需要承擔(dān)的安全風(fēng)險(xiǎn)，找到防止危險(xiǎn)的安全措施，并在流程設(shè)計(jì)中從設(shè)施上加以保證。6、環(huán)境和生態(tài) 關(guān)于環(huán)境和生態(tài)主要考慮生產(chǎn)中“三廢”排放對(duì)環(huán)境造成的污染和危害，應(yīng)從流程設(shè)計(jì)中提出治理“三廢”的措施，在建立生產(chǎn)裝置時(shí)一并解決。第二節(jié) 原料與工藝路線及操作方式一、分析與綜合的基本概念 分析與綜合屬于科學(xué)認(rèn)識(shí)的思維加工方法之一。分析是把整體分解為部分，把復(fù)雜的事物分解為簡(jiǎn)單要素分別加以研究的一種思維方法。綜合是在思想中把對(duì)象的各個(gè)部分、各個(gè)方面和各種影響因素結(jié)合起來考慮的一種思維方法。分析是一個(gè)由整體走向局部，由復(fù)雜走向簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)過程；綜合則是一個(gè)由局部走向
10、整體，由簡(jiǎn)單走向復(fù)雜，由抽象上升為具體，由一般進(jìn)展到特殊的認(rèn)識(shí)過程。分析是將一個(gè)已有的系統(tǒng)分開來研究，綜合則是產(chǎn)生一個(gè)新的過程。二者相互作用，相互制約、相互促進(jìn)。 在化工過程開發(fā)中，分析過程是將原則流程圖分解為若干子系統(tǒng)，子系統(tǒng)繼續(xù)分解為若干操作單元，以確定每一個(gè)操作單元的輸入、輸出條件和設(shè)備；綜合則是將分析得到的結(jié)果以一定的方式連接起來，構(gòu)成一個(gè)完整的工藝流程，完成從原料到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。簡(jiǎn)單的說，分析確定操作單元的具體設(shè)備和工藝條件，綜合確定總體結(jié)構(gòu)。確定總體結(jié)構(gòu)與選擇單元設(shè)備是互相滲透、互相影響的，在開發(fā)中是一個(gè)交替進(jìn)行，不斷完善的過程。人們對(duì)化工過程的認(rèn)識(shí)就是在分析-綜合-再分析-在綜合的
11、過程中不斷前進(jìn)的。 在化工過程開發(fā)中，涉及許多單元操作，有許許多多方案存在，采用分析與綜合方法是為了產(chǎn)生比較合理的方案。二、比較方案篩選篩選是指按照一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全等）對(duì)可供選擇的方案進(jìn)行比較，逐步刪除直至確定一個(gè)可行的方案。1、原料與工藝路線的選擇 一個(gè)新的化工生產(chǎn)過程，采用什么生產(chǎn)方法，即選用什么原料和工藝路線去獲得預(yù)期的產(chǎn)品，對(duì)過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有決定性的影響。在化工產(chǎn)品成本中，原料費(fèi)用一般占有相當(dāng)高的比例（60-70%），不同原料有不同的工藝路線，同一原料也會(huì)有好幾種工藝路線，它們的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也不相同。因此，必須通過對(duì)比，得出最佳方案。（1）原料路線的選擇原料的
12、選擇必須考慮以下基本要求技術(shù)可行性。選用的原料都必須首先滿足預(yù)期的生產(chǎn)工藝并獲得預(yù)期產(chǎn)品。供需可能性。所用原料應(yīng)有穩(wěn)定可靠的來源，運(yùn)輸供應(yīng)比較方便，能夠滿足企業(yè)當(dāng)前生產(chǎn)和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需要。經(jīng)濟(jì)合理性。原料價(jià)格應(yīng)較低，以降低生產(chǎn)成本。同時(shí)也要考慮原料加工需要的投資和附加費(fèi)用。資源利用的合理性。從整體利益出發(fā)，根據(jù)國(guó)家的資源政策合理利用資源，并努力開拓合理利用資源的方法。例如：丙烯腈的合成，早期的合成路線是用乙炔和氰化氫在二氯化銅催化劑的水溶液中反應(yīng)。C2H2 + HCN CH2=CHCN這條路線后來逐漸被丙烯氨氧化路線所取代。2CH2=CHCH3 + 2NH3 + 3O2 2CH2=CHCN +
13、6H2O 比較以上兩條路線，首先是在生產(chǎn)成本上后者占優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楸┑膬r(jià)格比乙炔低很多，而氨的價(jià)格也比氰化氫低。其次該合成路線不用劇毒的氰化氫為原料。所以在丙烯腈的工業(yè)生產(chǎn)中后者逐漸取代前者而占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。（2）工藝路線的選擇 工藝路線和原料路線是緊密聯(lián)系的。一般而言，工藝路線的核心是反應(yīng)路線。因?yàn)榇_定了反應(yīng)路線，反應(yīng)的原料要求、反應(yīng)操作條件、反應(yīng)產(chǎn)品的組成和狀態(tài)、原料和產(chǎn)品的分離精制要求也大體確定。選擇工藝路線的基本原則仍然是原料供應(yīng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)合理性，技術(shù)的先進(jìn)性和運(yùn)行的可靠性，生產(chǎn)的安全性與對(duì)環(huán)境的無(wú)害性。選擇工藝路線時(shí)，下列幾點(diǎn)應(yīng)該注意：u 盡量提高反應(yīng)過程的原料利用率和目的產(chǎn)品的產(chǎn)率。
14、u 避免出現(xiàn)過高或過低的溫度和壓力條件。u 避免過程中出現(xiàn)劇毒、高度敏感燃爆性或高度腐蝕性的物料。u 盡量縮短流程和減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)。u 減少向環(huán)境中排放廢物，實(shí)現(xiàn)物料在過程內(nèi)部的閉合循環(huán)利用。u 研究多品種聯(lián)合化生產(chǎn)的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)多品種生產(chǎn)的產(chǎn)物與副產(chǎn)物的內(nèi)部消化與互補(bǔ)。u 過程能量的充分利用，以降低能耗和單耗。催化反應(yīng)耦合生產(chǎn) 丁內(nèi)酯，2004糠醛1，4-丁二醇2-甲基呋喃丁內(nèi)酯OCHOHOOH+OCH3OO + H2O - 80.4 kJ / mol 反應(yīng)條件：0.05 MPa、200-230轉(zhuǎn)化率：100-丁內(nèi)酯選擇性962-甲基呋喃的選擇性90；提高10-15 江蘇，張家港江蘇，張家港 -
15、丁內(nèi)酯和2-甲基呋喃是重要的有機(jī)中間體，傳統(tǒng)工藝采用1,4-丁二醇脫氫生產(chǎn)-丁內(nèi)酯，且副產(chǎn)氫氣，需加壓回收或直接放空；采用糠醛加氫生產(chǎn)2-甲基呋喃，需制氫裝置或購(gòu)買氫氣，增加了生產(chǎn)成本。 中科院煤化所采用1,4-丁二醇脫氫與糠醛加氫耦合技術(shù)來合成-丁內(nèi)酯及2-甲基呋喃，其原理是把加氫放熱反應(yīng)和脫氫吸熱反應(yīng)綜合在一個(gè)反應(yīng)器中，使得脫出的活性原子氫供給加氫反應(yīng)，加氫反應(yīng)釋放的熱量供給脫氫吸熱反應(yīng)，并且耦合過程產(chǎn)生的活撥原子氫可顯著提高目的產(chǎn)物的選擇性。耦合反應(yīng)一套設(shè)備生產(chǎn)良種產(chǎn)品，使得反應(yīng)流程簡(jiǎn)化，降低了生產(chǎn)成本。 該技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)是：使反應(yīng)成為原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)，避免了氫氣的消耗并提高了能量利用效率，
16、大大降低了生產(chǎn)成本，是一個(gè)近零排放的綠色化工過程，對(duì)改造精細(xì)化工行業(yè)傳統(tǒng)工藝具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)技術(shù)獲2005 年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。 目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用于江蘇七洲綠色化工公司和內(nèi)蒙古伊化集團(tuán)，與同等生產(chǎn)規(guī)模比較，降低了投資約45%，利潤(rùn)提高了約55%。（3）加工工藝選擇 工藝過程確定以后，進(jìn)一步工作是選擇加工工藝和確定具體的單元設(shè)備，實(shí)現(xiàn)所要求的功能?；瘜W(xué)工程理論對(duì)各種單元操作進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，為單元操作設(shè)備的選擇與設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，盡管如此，在選擇單元操作設(shè)備工作中仍然會(huì)遇到許多困難。 就單元操作理論成熟程度而言，流體輸送、傳熱過程（換熱器）、氣液傳質(zhì)過程（塔設(shè)備）理論研究深入，
17、工程放大比較可靠，相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件也發(fā)展較快。但是，非均相分離過程、熱質(zhì)傳遞同時(shí)存在的過程等理論研究還不夠完善，設(shè)備種類很多，只有理論和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，才能做出恰當(dāng)?shù)倪x擇。另外，新型分離技術(shù)發(fā)展很快，如膜分離、磁分離設(shè)備都已經(jīng)進(jìn)入工程應(yīng)用階段，加工工藝選擇時(shí)應(yīng)給予充分的考慮。（4）操作方式選擇在流程設(shè)計(jì)之初，選擇操作方式也是很重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。A、生產(chǎn)規(guī)模 從生產(chǎn)規(guī)模的大小考慮，一般生產(chǎn)能力大于4500t/a的生產(chǎn)裝置，宜采用連續(xù)操作；而生產(chǎn)能力小于4500t/a的裝置，則采用間歇操作的情況居多。這樣的考慮除了產(chǎn)量小不便于連續(xù)生產(chǎn)的原因外，更重要的原因是間歇操作簡(jiǎn)單，操作彈性大，開發(fā)的周期也比較短
18、。B、市場(chǎng)需求 有些產(chǎn)品的市場(chǎng)需求有較強(qiáng)的季節(jié)性，如果全年生產(chǎn)，則需要較大的倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存原料和產(chǎn)品，故宜采用間歇操作。此外，有些產(chǎn)品的生命周期比較短，容易被不斷出現(xiàn)的新產(chǎn)品所淘汰。在這種情況下，采用間歇操作的靈活性大，便于設(shè)計(jì)成通用型的生產(chǎn)裝置。C、受特殊條件的限制對(duì)于以下幾種情況，宜采用間歇操作：u 反應(yīng)速率極慢的反應(yīng)過程，間歇操作是唯一可選擇的方案。u 反應(yīng)物料中有泥漿狀物質(zhì)時(shí)，用間歇操作可避免連續(xù)輸送管路的堵塞。u 在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生結(jié)垢而需要頻繁處理時(shí)，用間歇操作比較方便。第三節(jié) 分離過程 在化學(xué)工業(yè)中，絕大多數(shù)的原料和產(chǎn)品都需要分離精制，而分離方法的選擇通常都是根據(jù)被分離物料中各種組分
19、的物理和化學(xué)性質(zhì)的差異來確定的，如沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、揮發(fā)度、溶解度吸附性密度等。 在選擇分離方法時(shí)，除了考慮該方法是否符合分離要求外，還應(yīng)考慮該方法的成熟程度和適用范圍。當(dāng)分離方法選定之后，則需進(jìn)一步考慮設(shè)備構(gòu)型、投資、操作費(fèi)用和能耗等。一、關(guān)于原料預(yù)處理的判斷原料的預(yù)處理可根據(jù)以下原則作初步判斷：u 原料中含有使催化劑中毒的雜質(zhì)，必須先除去；u 原料中含有的雜質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)，為了避免原料消耗和不污染產(chǎn)品，也為了減輕后處理分離的負(fù)擔(dān)，一般都先除去；u 原料中雜質(zhì)若不參與化學(xué)反應(yīng)，則應(yīng)根據(jù)這些雜質(zhì)與原料或產(chǎn)品分離的難易程度來決定是否需要在預(yù)處理中先分離；u 原料中雜質(zhì)含量較大時(shí)，即使這些雜質(zhì)與產(chǎn)品的分
20、離要比它們與原料的分離容易，有時(shí)也需要進(jìn)行預(yù)處理。因?yàn)榇罅康碾s質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)后，會(huì)影響系統(tǒng)的生產(chǎn)能力和熱平衡，也增加系統(tǒng)內(nèi)物料流動(dòng)的阻力。二、分離方法常見的分離方法主要有以下幾種：1、氣固相混合物的分離 氣固相混合物的分離在大多數(shù)情況下是對(duì)氣體進(jìn)行除塵凈制。凈制方法有干法和濕法。前者為重力沉降、離心沉降、靜電沉降等；后者則為噴淋洗滌。2、固體混合物的分離 固體混合物分離多見于選礦和礦物分級(jí)。其分離方法和設(shè)備有篩分、浮選和振動(dòng)水力搖床分級(jí)等。3、液固相混合物的分離 其分離方法有沉降（重力或離心沉降）、過濾、干燥、蒸發(fā)和結(jié)晶等。4、液體混合物的分離 其方法有蒸餾、萃取、離子交換、膜分離、色層析等。其中
21、蒸餾和萃取多采用塔式設(shè)備；離子交換則為交換柱；而膜分離和色層析都有專用設(shè)備。5、氣體混合物的分離 其方法有吸收、吸附、擴(kuò)散、冷凍氣體滲透和色譜法等。其中吸收多采用塔式設(shè)備，擴(kuò)散則有熱擴(kuò)散和壓力擴(kuò)散設(shè)備；氣體滲透主要是膜分離器；色譜法則采用色譜柱，冷凍有專用設(shè)備。三、選用分離方法的原則 選用分離方法時(shí)，應(yīng)考慮生產(chǎn)產(chǎn)品的產(chǎn)值和產(chǎn)品的精細(xì)化程度。對(duì)于高產(chǎn)值而后精細(xì)花程度高的產(chǎn)品，分離成本不是主要問題，可以選用一些高效分離方法，如膜分離方法和色層分離方法等。對(duì)于那些產(chǎn)量很大而產(chǎn)值相對(duì)較低的產(chǎn)品，則應(yīng)考慮分離成本，可選用那些較為簡(jiǎn)便或分離步驟少的常規(guī)分離方法。 在選擇分離方法時(shí)，應(yīng)盡可能先把物流中的固體
22、除盡，避免在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)含有固體的物流，因?yàn)樗鼈冊(cè)谳斔椭斜群瑲怏w或含液體的物流容易堵塞管道，而且消耗的能量也較大。此外，也應(yīng)盡的能避免在分離過程中加入除了被分離物料以外的其他物質(zhì)，因?yàn)樵谝院蟮墓に嚥襟E中要增加分離這些物質(zhì)的分離步驟。 對(duì)多種物質(zhì)混合的物料進(jìn)行分離時(shí)，考慮分離順序的原則是：盡可能先分離容易導(dǎo)致副反應(yīng)和特別有害的物質(zhì)，以免對(duì)后來的工藝過程帶來干擾；對(duì)于需要高壓才能分離的物質(zhì)，也應(yīng)進(jìn)行分離。此外，最容易分離的組分總是首先被分離出來，而把最難分離的組分留到最后分離。 當(dāng)然，技術(shù)上的可靠性和經(jīng)濟(jì)上的合理性仍然是選擇分離的主要原則。例如精餾和萃取都是分離液體混合物的方法，從技術(shù)上的成熟程
23、度來看，精餾高于萃取，如果可以采用精餾分離的物料，就盡量避免選用萃取。如果混合物的沸點(diǎn)相差較大時(shí)，用簡(jiǎn)單蒸餾即可分離的就不要采用精餾。這樣的選擇投資和操作費(fèi)用都較低。 選擇分離方法是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，必須有針對(duì)性，只有被分離物料的物理化學(xué)性質(zhì)，含量和分離要求都了解清楚之后，才能進(jìn)行選擇。第四節(jié) 工藝流程優(yōu)化 工藝流程優(yōu)化是研究在一定條件下，如何用最合適的技術(shù)路線和生產(chǎn)設(shè)備以及最節(jié)省的投資和操作費(fèi)用合成最佳的工藝流程。 化工工藝流程都是由若干具有獨(dú)立的化工過程的工序所組成，其結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，如果對(duì)整個(gè)工藝流程尋優(yōu)，則因涉及的影響因素或變量數(shù)目太多而不容易作出優(yōu)化結(jié)論。如果把流程分解成若干
24、化工過程表示的工序，先對(duì)每個(gè)單一的化工過程尋優(yōu)，則可運(yùn)用有關(guān)的化學(xué)工程理論進(jìn)行優(yōu)化分析。在此基礎(chǔ)上，再將各化工過程的優(yōu)化結(jié)論進(jìn)行綜合，則可找到優(yōu)化的工藝流程。但是這種優(yōu)化綜合，仍然是一個(gè)復(fù)雜的尋優(yōu)過程，必須分析各個(gè)方面的利弊，統(tǒng)籌兼顧，才能取得良好效果。1、經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化法 經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化法是首先對(duì)需要合成的工藝流程提出一個(gè)或幾個(gè)不同的工藝流程結(jié)構(gòu)。運(yùn)用過程分析的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這些工藝流程作出初步評(píng)價(jià)，并從中選擇一個(gè)較好的工藝流程作為進(jìn)一步優(yōu)化的基礎(chǔ)方案。 在選定的工藝流程上作進(jìn)一步優(yōu)化是對(duì)該工藝流程方案進(jìn)行修正，即運(yùn)用有關(guān)經(jīng)驗(yàn)法則提出對(duì)工藝流程修正的方案，考慮每一個(gè)修正措施的效果，從而使工藝流程漸趨
25、合理與優(yōu)化。 經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化法完全是一種試探性的方法，如果在試探尋優(yōu)中能較好地運(yùn)用過程優(yōu)化分析的有關(guān)理論和實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)工藝流程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，則可縮小試探范圍，減少尋優(yōu)過程的工作量。2、形態(tài)分析法 形態(tài)分析是對(duì)所有可供選擇的方案進(jìn)行精確的分析和評(píng)價(jià)，以得出最佳方案。形態(tài)分析提供了一種邏輯結(jié)構(gòu)以代替隨機(jī)的想法，有助于確保考慮到所有的選擇方案，通過對(duì)這些方案進(jìn)行綜合，有可能產(chǎn)生新的過程。以形態(tài)分析為基礎(chǔ)的過程分析方法稱為分枝界限法。這種方法用嚴(yán)格的計(jì)算來排除大量的方案，使搜索空間逐漸縮小。這種方法不會(huì)將最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案漏掉，但計(jì)算工作量很大。 形態(tài)分析的步驟：（1）分枝，即找出各種可供選擇的方案；（2）
26、收斂，指經(jīng)過評(píng)價(jià)對(duì)選擇方案進(jìn)行淘汰；（3）綜合，比較保留下來的方案，選擇最優(yōu)者或取各方案的優(yōu)點(diǎn)提出新的方案，完成過程的優(yōu)化。 與經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化法相比，形態(tài)分析法對(duì)方案的取舍有一定依據(jù)可循，比較合理，不會(huì)將最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案漏掉。 3、調(diào)優(yōu)綜合法 調(diào)優(yōu)綜合法是經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化法和形態(tài)分析法的結(jié)合，建立在功能分析的基礎(chǔ)上。（1）功能分析功能分析是指把一個(gè)過程分解成若干基本部分并研究其基本屬性和功能，然后分別考慮實(shí)現(xiàn)這些基本功能可供選擇的方法，并尋找這些比較方案新的可能組合。（2）調(diào)優(yōu)過程 確定一個(gè)目標(biāo)，設(shè)想一個(gè)簡(jiǎn)單的過程作為起點(diǎn)，研究和分析過程的結(jié)構(gòu)及條件；對(duì)于發(fā)現(xiàn)的問題，采取措施加以改進(jìn)，產(chǎn)生一個(gè)新的方案；對(duì)于改進(jìn)
27、了的方案再進(jìn)行分析，做進(jìn)一步的改進(jìn)；多次改進(jìn)，逐漸完善，直至達(dá)到確定的目標(biāo)。 調(diào)優(yōu)法的特點(diǎn)是每一個(gè)新方案都是在前一個(gè)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改得到的，使系統(tǒng)不斷得到完善。它綜合了經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化法和形態(tài)分析法的優(yōu)點(diǎn)，在工藝流程的優(yōu)化中應(yīng)用比較廣泛。4、工藝流程的計(jì)算機(jī)模擬（1）主要工作步驟如下：選定流程。首先要擬定一個(gè)可行的流程，即確定系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)。過程分解，建立模型。費(fèi)用計(jì)算。計(jì)算設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用。內(nèi)部?jī)?yōu)化。改變?cè)O(shè)計(jì)變量的值，進(jìn)行系統(tǒng)的定量?jī)?yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化。當(dāng)給定系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)化后，改變流程結(jié)構(gòu)，合成一個(gè)新的流程。（2）工藝流程模擬軟件的功能A、工藝流程的合成與優(yōu)化 在工藝流程的合成中，首先是從定性分析中
28、合成幾個(gè)初始的工藝流程，要定量的判斷它們的優(yōu)劣，還必須做全流程的物料衡算和能量衡算以及各單元設(shè)備的衡算才能得出結(jié)論。方案多而復(fù)雜，要取得可靠的定量結(jié)果，則一定要通過模塊軟件計(jì)算。B、工藝參數(shù)的優(yōu)化 運(yùn)用模塊軟件運(yùn)算進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化是十分方便的。這樣不僅可以取代大量的試驗(yàn)工作，而且參數(shù)的變化范圍可以擴(kuò)大，試驗(yàn)結(jié)果的精確度也不會(huì)受人為檢測(cè)的干擾。C、解決工藝流程中的“瓶頸”現(xiàn)象 某一工序或設(shè)備的生產(chǎn)能力不能和其他工序相匹配而成為全流程運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)，形成一種“瓶頸”現(xiàn)象。要解決“瓶頸”問題，必須通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算，對(duì)各工序生產(chǎn)能力的協(xié)調(diào)與配合作全面計(jì)算，拿出定量數(shù)據(jù)，才能擬定脫除“瓶頸”的合理方案。
29、D、研究設(shè)計(jì)存在的問題和操作問題 把工藝流程模塊軟件可以看成具有各種單元設(shè)備的試驗(yàn)裝置，用不同狀態(tài)的物流或操作參數(shù)輸入而取得不同的過程運(yùn)行結(jié)果，即可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng)或操作參數(shù)設(shè)定不當(dāng)?shù)膯栴}，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。E、對(duì)設(shè)計(jì)和操作參數(shù)的靈敏度進(jìn)行分析 為了保證工藝流程的優(yōu)化，應(yīng)對(duì)各種參數(shù)作靈敏度分析，以確定正確的參數(shù)取值。運(yùn)用工藝流程模塊軟件對(duì)參數(shù)的靈敏度進(jìn)行試驗(yàn)考察最為方便、快速和精確。F、參數(shù)擬合 當(dāng)輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)或生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，該模塊軟件就能自動(dòng)回歸出函數(shù)式中的各個(gè)待確定的系數(shù)。 開發(fā)者應(yīng)掌握對(duì)過程進(jìn)行分析的技術(shù)和方法，提出系統(tǒng)合成的思路，詳細(xì)的計(jì)算由計(jì)算機(jī)完成。對(duì)計(jì)算機(jī)的結(jié)果進(jìn)行分析、整理，進(jìn)一步提出解決問題的方案。在過程開發(fā)中，開發(fā)者的作用是第一位的，計(jì)算機(jī)僅起輔助作用。但是充分利用已開發(fā)成功的軟件包會(huì)給化工過程開發(fā)帶來便利，從而縮短開發(fā)周期。復(fù)習(xí)題1、化工過程合成的任務(wù)是什么？合成工藝流程時(shí)應(yīng)考慮哪些問題？2、選擇原料和工藝路線時(shí)應(yīng)考慮哪些問題？3、簡(jiǎn)述工藝流程的優(yōu)化方法？
工藝流程的合成與優(yōu)化 工業(yè)化學(xué)教案
