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第一章 概 述建立生产装置的基本条件:1技术上可靠性 2经济上合理性 3提供设计生产装置的准确数据化工过程开发：由实验室研究过渡到建立生产装置的全过程，就是化工新产品、新工艺、新技术的开发过程。化工过程开发内容:1立项前的可行性研究 2在实验室条件下进行的小试，放大的模型试验和半工业化的中间工厂试验3对工艺技术方案进行技术经济评价4设计生产装置，安装、调试、开车等 化工过程开发的主要工作:1放大2优化第一节 化工过程开发步骤 一、实验室研究 实验室研究：基础研究部分和小试 ； 基础研究部分：开发研究中，在实验室进行的筛选技术路线和工艺方法，测定有关物性数据和反应动力学及热力学参数、筛选分析方法和研制催化剂等 小试：在化工过程开发的基础研究成果上进行的，当筛选的技术路线和方法被确定之后，即可在实验室建立小型试验装置进行工艺模拟试验，由于其规模较小，简称为“小试”。小试研究对象主要是工艺路线，包括优化工艺条件。二、收集资料 : 收集资料的可靠性和时效性是资料是否采用的关键因素。三、概念设计 概念设计：又称“预设计”，是根据实验室取得的研究成果，并结合收集的各种技术经济信息，对被开发过程的工业化方案提出一个初步设想。四、技术经济评价 1初步评价2中间评价:中间评价是在开发过程中，对各研究阶段的成果所作的评价。 侧重技术方案的科学性和可靠性，以及方案在经济上的合理性3最终评价五、模型试验 1冷模试验:冷模试验是采用物理性质与实际工业生产物料相近的惰性物质进行试验，不发生化学反应，只单纯考察过程的物理规律2热模试验:热模试验是用实际生产物料并按实际操作条件进行的试验，属于综合性试验考察。在试验设备内化学过程和物理过程都在同时发生。考察内容主要是工艺条件的优化。这样的试验具有工艺试验性质，便于测取工艺参数和发现放大效应。六、中试中试是“中间工厂试验”的简称它是在小试或模型试验之后进行的半工业化规模的模拟试验。七、基础设计八、工程设计九、建立生产装置建立生产装置包括了依据上述设计文件和图纸，购进和制作设备，安装生产装置，按工艺要求进行调试、开车和试生产。其中调试也是一种试验过程，通过调试可以调整工艺参数，同时还可以修改和验证其数学模型第二节 开发研究选题863计划:国家高技术研究发展计划 973计划:国家重点基础研究发展计划 国家自然科学基金: 1986年初成立的国家自然科学基金委员会负责组织、实施、管理国家自然科学基金项目，并根据国家发展科学技术的方针、政策和规划，以及科学技术发展方向，面向全国资助基础研究和应用研究，基金主要来自国家财政拨款。第三节 过程研究和工程研究的关系化工过程开发可以划分为开发所需的基础性研究、过程研究和工程研究三种不同内容的研究工作。过程研究:过程研究是在过程开发的基础研究之后，对已确立的课题所作的一系列的模拟试验研究工作。其重点是了解过程运行的特征和影响过程的因素，优化工艺条件，测定放大数据或判据等。工程研究:工程研究是指化工过程开发工作中的概念设计、基础设计和技术经济评价等步骤。过程研究和工程研究的关系:过程研究必须借助于仪器或装置对过程运行的物理和化学规律进行探索；工程研究依赖于人们的知识、经验和思维为化工过程开发提供决策。第四节 放大程度和开发周期放大程度:放大程度一般是指由实验室小试规模一次放大的倍数，即用放大倍数来表示。放大效应:放大效应是指化工过程放大之后，表现于相同条件下在大小两个设备内进行同一过程的结果不同。第二章 开发放大方法化工过程开发采用的研究方法主要是模拟研究法，即用模型来研究化工过程发生的各种现象和规律，从中取得开发放大的依据。凡根据模型来模拟生产过程，并从试验所得的结果将过程放大的方法，统称为“模拟放大法”。模拟化工过程的模型有实物模型和数学模型。实物模型：采用与生产装置或设备构型相似，但规模小于生产装置或设备的实验装置进行试验。数学模型：用一组描述化工过程动态规律，并采用与过程运行的实际情况相等效的数学方程进行模拟。化工过程开发常用的模拟放大方法有：经验放大法、数学模型法、部分解析法和相似放大法四种。第一节 经验放大法一、研究方法1 反应器的选型:反应器选型试验改变的是反应器型式和结构来考察反应过程，故称之为“结构变量”试验2 优化工艺条件:由于试验内容是改变工艺操作条件，故把这种考察看成“操作变量”试验3反应器的放大在经验放大法中，反应器的放大是用建立模型装置来进行考察的。由于设备放大后，不可避免会带来放大效应。而产生放大效应的原因并不清楚，故一次放大的倍数不宜过高，原则上由实验室小试规模放大至生产规模应经过若干级。而每放大一级都必须重复前一级试验确定的工艺条件，观察放大效应的强弱。然后用调整工艺条件或采取改变设备结构等措施来抑制放大效应，从而找出与设备放大的有关数据或判据。由于改变设备的几何尺寸进行试验，把反应器放大称为“几何变量”试验。二、特征1 只注重输入与输出关系，纯属于综合考察性质；通过改变输入变量来考察输出的试验结果，对于试验中发生的现象和过程运行的规律则不作深究。 属于经验性质的综合考察。影响反应结果的因素：动力学、热力学、物料的传质、传热等；采用黑箱方案对反应设备进行放大，无法分清影响结果的主次因素。措施：通过改变实验变量，观察放大效应的强弱。缺点：试验方法繁复，所得试验结果准确度不高。2试验程序人为规定3 放大是根据试验结果外推经验放大法中每一级放大都是由前一级试验结果外推确定的。外推只适用于线性规律。第二节 数学模型法一、数学模型 1 建立数学模型的思想方法就化学反应过程而言，要建立一个描述反应器内物料的流动与混合、传热和传质规律对于反应速率和平衡规律的影响，在此基础上建立起来的化学反应器的数学模型，通常是用物料衡算式、热量衡算式和动量衡算式的联立方程组表示。2 数学模型的简化 在建立数学模型过程中，找到等效的简化方法，是建立数学模型的关键。举例： 固定床催化反应器内的催化剂是乱堆的，形成许多不规则通道，气流在其中不断地分流和汇合，要用数学模型描述这种随机的流动状态很困难。等效性考虑：气体流动对于化学反应过程的影响，主要为物料返混引起，将气体在催化剂颗粒间的运行差异用返混概念予以描述，两者的本质虽然不同，但是表达的对反应结果的影响程度则可以达到一致。好处： 描述返混程度的模型已有轴向扩散模型和多釜串联模型，可以借用已有的模型描述固定床反应器的流体流动情况，达到简化目的。3 数学模型的针对性 二、研究方法 1 研究反应过程 2 研究传递过程要求：冷模试验要有一定的规模，所用设备应该模拟生产反应器。分析：反应器内的过程规律一般只与反应器的构型有关，有利于从过程规律来建立化学反应器的数学模型。3 综合两过程规律，建立数学模型对于一个特定的工业反应过程化学反应规律是其个性，而反应器中的传递规律则是其共性。化学反应规律和物理过程规律的结合点主要体现在物理过程规律对于反应温度和反应物浓度的影响。温度效应和浓度效应。联系两种规律的方式：把化学动力学方程和反应器的物料衡算式和热量衡算式联立，即可达到建立数学模型的目的。4 检验数学模型应用：数学模型经过检验之后，可利用计算机进行各种条件试验，预测反应器的性能，为设计工业装置提供所需的技术经济信息。特点：数学模型描述的是某一种反应器内进行的化学反应的动态规律，只要在相同的构型反应器内进行相同的化学反应，可用相同的数学模型进行描述，不受反应器几何尺寸的限制。用数学模型进行放大，应不存在放大效应的问题。三、特征1 分解过程，不作综合考察 数学模型法最明显的特征是分解过程，按化学过程和物理过程分别进行研究，而不是只考察输入和输出关系的综合结果，这样做的目的有利于建立数学模型。原因：化学反应规律不受设备构型的影响，只有物料的流动与混合、传热和传质等物理过程规律与设备构型密切相关。将化学反应规律和物理过程规律综合形成描述反应器内物料进行化学反应的数学模型。2 合理简化过程运行规律简化途径:1用分清主次因素的方法来减少模型的可变参数2用拟均相表示非均相3用理想的活塞流或全混流代替实际流动4将二维温度分布简化为一维温度分布5将复杂的几何图形简化为规整的圆形、方形、球形等形状6将偏微分方程简化为常微分方程7将非线性规律简化为近似的线性规律简化原则：必须满足简化后的规律应与实际过程等效逐级经验法和数学模型法对比1两种方法出发点的区别逐级经验法出发点：立足于经验，并不需要理解过程的本质、机理或内在规律，而是一切凭借实验结果行事。逐级经验法优势：对研究对象的复杂性没有限制，对研究者的理论素养并不苛求。逐级经验法劣势：试验方法不科学。数学模型法出发点：立足于对对象的深刻理解，只有有了深刻理解，才能做出恰如其分的分解和简化。而且，不仅要求对过程有深刻的理解，而且要求做到准确的定量的理解以便能将这种理解表诸于方程。数学模型法优势：逻辑上非常合理，从方法论上很科学。数学模型法劣势：及要求有可靠的反应动力学方程，又要去有大型装置中的传递方程，而这些方程难以得到。第三节 部分解析法 一、研究方法化学反应器的放大中，反应器计算的重要依据是化学反应速率，而反应速率则是温度和反应物料浓度的函数。1 浓度效应在大型工业反应器中，影响反应物浓度的因素有物料返混、预混合、进料浓度、加料方式、操作方式，以及非均一系的混合状况等工程因素。在实际生产中，不同生产条件下的工程因素及其产生的机理各不相同，但只要使反应器内物料的浓度和浓度分布相同，对于同一化学反应，必然产生相同的反应结果。若用这样的认识来分析工业反应过程，则可使本来很复杂的过程得以简化。 2 温度效应温度是影响化学反应速率的主要因素，对于复杂反应除了影响反应速率外，还影响反应的选择性。从化学反应过程的条件优化看，对于一个反应过程除了须维持一个最佳的温度水平外，有时还需维持一个最佳的渐变温度序列例如： ABC ADB是目的产物，C和D是副产物。在两个副反应中，BC的串联副反应的活化能E2大于AB的活化能E1。为了抑制串联副反应，应采取低温；平行副反应AD的活化能E3小于主反应的活化能E1，抑制平行副反应则应高温。反应特点：反应前期平行副反应速率快，反应后期串联副反应逐渐加速；措施：反应初期采用高温，反应后期降低温度，保持一个先高后低的温度序列。在讨论反应过程的温度效应时，除了注意温度序列外，还须注意温度分布。反应器内的温度不均匀分布，往往是传热不良所引起的。二、研究步骤1 了解过程特征 2 设想技术方案3 验证设想，改进技术方案验证初步技术方案中的技术措施，并不一定要对该技术措施作真实模拟，在很多情况下，可以采用等效分析方法，对验证试验加以简化。根据验证要求，验证试验可以定性，也可以定量。 4 确定放大设计方法三、特征1 分解研究与综合分析相结合2 确定的技术信息主要来源于试验核心：采用实验内容等效转换的形式简化试验，对技术措施不一定做完全真实地模拟，可以节省人力物力消耗和缩短开发周期。3 技术方案的形成都通过了反复论证第四节 相似放大法相似放大法是以相似论和量纲分析为基础的相似模拟放大法，多用于化工单元操作的开发放大。 相似放大法是一种依赖于试验结果的经验放大法。与经验放大法的区别：运用了相似特征数的概念，对试验的变量做了归纳和简化。应用：主要用于物理过程（冷模试验）放大，对于复杂的化学反应过程难以同时满足物理过程和化学过程的相似。三、数量放大法和比例放大法1 数量放大法:数量放大法是采用设备单元数值增加的一种放大方法，在固定床催化反应器的放大时常见。2比例放大法:比例放大法是以一个或数个能表达过程主要特征的参数为依据，按比例对该过程进行放大的方法。比例放大方法常用于一些简单的化工过程放大。 过滤强度：单位过滤面积每小时滤出干渣的数量。扩散控制 化学反应速率由扩散来控制的现象。化学反应太快时，扩散来不及供给反应以足够的分子，所以产生反应由扩散来控制的现象。若总反应由一系列快慢悬殊的连续步骤组成,总反应速率就决定于其中最慢的一步,即控制步骤。液相反应中，溶剂笼（为用圆球模拟溶液中的分子偶遇而提出的，表达液相中分子运动物理图像的一种模型。采用一个中间有槽的容器，槽中盛有可滚动的球，稀少的球代表“气相”，密堆积的球代表“液相”。将球搅动，使它们运动，测定一对带标记球的碰撞次数。结果发现，在“液相”情况下标记球发生碰撞后，周围形成一个溶剂笼，在彼此分开以前，在笼中要反复碰撞很多次。因此得出液相中存在笼的结论。）中的反应物分子必须通过扩散挤过溶剂分子，与其他反应物分子在另一笼中形成偶遇对，再经多次碰撞才能生成产物；产物也必须通过扩散挤过溶剂分子后才能彼此分开。因此，液相中还存在有扩散步骤，如果它最慢，反应就受扩散步骤控制。 表面张力:表面张力，是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。第三章 试 验区别：开发试验着重于确定工业化生产的技术路线和技术方法；基础研究试验着重于认识自然和探索自然规律。从化工过程开发试验的内容和形式看，其试验研究工作具有以下特征：（1） 具有探索和验证的双重性质开发试验应该围绕验证初步设想的可行性和探索可行性研究中提出的问题展开。在进行的试验中分为探索性试验和验证性试验，两者联系紧密（2） 采用了解析和综合相结合的研究方法第一节 试验工作程序一、拟定试验计划多数开发试验都是多因素试验，需要考察的内容一般都十分广泛。为了保证试验工作顺利进行的效率和效果，在项目立项论证的基础上，应先提出一个试验计划。试验计划的内容包括试验的目的要求、考察的内容、试验方法和检测方法、试验装置设计、测定的数据及其测量范围等等。其中试验内容主要侧重于解决工艺技术方案设想中的技术问题，而试验变量的测定范围，应限定在工艺的可操作范围内，无须再拓宽测定范围。要求：试验方法和检测方法应该简便可行。特点：简单等效的方法对考察对象进行简化，不一定对考察对象做真实模拟。二、试验工作 1 试验准备阶段 2 试验阶段三、试验总结开发试验总结主要是为下一步骤的研究工作提供设计或评价的依据以及有关技术信息。其内容应包括试验取得的结果，试验存在的问题和下一步骤待研究的内容。其中试验结果有最佳工艺条件、最佳催化剂配方、测定的模型参数值，以及操作变量影响过程运行结果的规律等等。关于试验数据的表达，一般都应在线性回归之后，形成带有一定规律性的结论，并由此推论技术方案或技术措施。至于试验存在的问题，则必须在总结中充分反映出来，因为它关系到试验结论的正确性和下一步骤应当研究考察的内容。第二节 预试验和系统试验 一、预试验预试验通常是一种定性或半定量的试验。多用于开发工作初期，用以对开发项目取得初步认识。预试验不可能事先提出详细的试验计划，但必须有明确的试验目的。其试验内容一般是针对可行性研究中提出的疑问或前面试验发现的新问题来进行研究的，故其研究程序上具有序贯性。(1)从认识对象的特征来建立思路例如反应类型及其热力学和动力学性质是化学反应过程的特征，反应器选型和工艺条件优化都是根据这些特征来确定的。如果通过定性或半定量试验能粗略了解反应的类型、物料状态和性质、反应热效应的大小以及反应速率的快慢，在此基础上，结合有关文献收集的信息，就可以初步确定反应器的型式和大致的工艺条件范围。由此可把系统试验考察的内容限制在一定的范围之内，既减少了试验的盲目性，也简化了试验研究的内容。2）从影响过程的因素出发来建立思路例如研究化学过程，已知影响反应速率的因素主要是温度和浓度。其它因素的影响都是通过影响反应温度和反应物浓度而对反应速率产生作用的。如果对化学过程的预试验按这一思路来设计，不仅使考察目标明确，而且也会使试验获得简化。（3） 从工艺的特殊条件建立思路在化工生产过程中，许多工艺都受到一些特殊条件的限制，例如气、固相催化反应的控制步骤，反应物料的浓度和温度受其前、后工序的制约等。这些限制，有的是属于过程本身的特殊性，有的则属于工艺要求，凡受到限制的因素，都会使试验变量的范围缩小。从考察的目的看，预试验有以下三种不同形式：1 认识试验认识试验是针对认识过程特征而专门设计的试验，如考察反应的转化率和收率的高低，考察温度或浓度对过程影响的敏感程度，以及考察传热方式或传质条件改变对过程的影响等。认识试验最常采用的试验方法是对比2 析因试验析因试验是专门分析原因的试验。在设计析因试验时，应注意以下法则：（1）注意工程因素的等效性，不一定要对所有的因素都逐个进行试验；（2）分清可调因素和不可调因素，对不可调因素一般不作考察；（3）分清敏感因素和非敏感因素，对非敏感因素，一般也不作重点考察。3 鉴别试验鉴别试验：针对已形成的技术结论或设想的技术措施，判别其是与非而专门设计的试验。为了使鉴别试验能达到鉴别的目的，在设计试验时，同样要求研究者要善于运用工程因素等效的概念来合理简化试验过程。二、系统试验在化工过程开发中，预试验一般是为概念设计服务的，而系统试验则为基础设计服务。 第三节 冷模试验冷模试验的方式采用物理性质与生产物料相近的惰性物料，如水、空气、砂等代替生产物料在模型装置上进行的试验，特别适用于不便或不必要采用生产物料进行试验的情况，尤其在需要将过程分解，分别考察一些工程因素时多用。一、按相似论进行的冷模试验二、用概率统计方法进行的冷模试验在化学反应器的研究中，最常见的冷模试验，是用概率统计方法测定物料在反应器内的停留时间分布函数。由此确定物料流动的型态。三、测定特殊参数的冷模试验在三传类比中，最早出现的一种类比关系是雷诺类似律。适用范围：雷诺类似律只适合于管内牛顿型流体作湍流流动时的动量传递、热量传递和质量传递之间类比。它忽略了流体内部分子扩散引起的传递作用。当流体为气体，在流动系统内无形状阻力损失时，其类比关系才比较吻合。 第四节 中间工厂试验一、中试应考虑的问题1 中试规模 中试规模缩小的限度，往往以是否便于调节和测量来衡量。二、反应过程中试的内容1 宏观动力学研究在中试装置内进行宏观动力学研究通常是为了与实验室进行的微观动力学研究相比较。由于微观反应动力学排除了工程因素对反应过程的影响，而中试规模较大，各种工程因素对于反应过程的影响都比较明显，在中试装置内测定的反应动力学规律，应为宏观系统条件下测定的反应动力学。两者比较，即可清晰地看出工程因素对反应过程的影响程度。据此可以分析产生放大效应的原因，寻找反应器放大的设计依据，或者完善或建立数学模型。工程等效性的应用：反应物浓度变化采用其相应的折射率、导电值、体积、压强等物理量的变化来代替，以利于反应参数的测定。2 考察催化剂的寿命关于催化剂的制备、评选和性能测试工作，一般都可以在实验室完成。只有催化剂的寿命必须通过中试的长时间连续运转才能取得结果。 第五节 试验设计1试验指标 试验设计中的基本概念 试验指标可分为数量指标和非数量指标两种数量指标：产品的重量、纯度、收率；原料的消耗量、转化率；催化剂的活性、选择性、寿命；单位产品的消耗、成本等。非数量指标：产品的颜色、光泽、气味、晶型等。 2试验因素可控因素是其水平可以比较、且能人为选择的因素。例如：反应温度、反应时间、反应压力、原料配比、催化剂种类和用量等。这些因素的水平既可在数量上进行选择、比较，而且可人为控制的。不可控因素：无法严格调节控制，如环境温度对体系的影响等。对不可控因素，不应选作考察因素，在试验中应使不可控因素尽量处于同一状态。标示因素：水平不能轻易改变或选择的因素。如试验操作人员的水平，仪器设备的质量差异等。误差因素：对试验指标有影响而又无法人为控制的随机波动因素，包括影响试验效应的内外干扰、随机干扰。在试验研究中应尽量减少误差因素的影响。区组因素：在试验中其影响会混淆可控因素的效应，但它并不需要考察，只是用以划分区组以提高试验精度，而又要当作一个因素考虑。单因素试验设计均分法:单因素试验的目的是考察某一因素对响应的影响，然后将各个因素对响应的影响综合起来，考虑影响规律，并进一步确定最佳工艺条件。这种方法一般采用均匀布点，这就是常说的均分法。为了获得较大范围内的最佳工艺条件，往往需要进行大量试验。优选法:在进行单因素试验时，很多场合下并不一定要考虑因素的影响全貌，而是需要寻找最佳水平。此时，可按照黄金分割法序贯地确定试验点，能快速地达到优化的目的。黄金分割法，是把第一个试验点安排在距试验范围左端为区间全长的0.618处。故又称0.618法。一、正交设计法正交设计法是应用较多的一种多因素试验方案设计法。其设计步骤如下：1）确定考察因素：由研究者根据试验项目的目的要求提出需要考察的因素，既要满足研究目的，又不能过多而使试验复杂化。故需分清因素的主次，可适当忽略一些次要因素。 （2）确定每个因素的变化水平：即确定每个因素进行试验的试验点。（3）选用合适的正交表二、均匀设计法如果在试验设计中不考虑综合可比性的要求，只满足均匀性的要求，让试验点在试验范围内充分的均匀分散，不但可以大大减少试验点，又能得到试验目标要求的结果。这种完全从均匀性出发的试验设计方法称为均匀试验设计。均匀试验法的各因素的水平在所研究的范围内等间距、均匀分散，因素之间的水平均匀搭配，但每一个因素的每一个水平与其他因素的各水平中某一个水平搭配一次，而不是像正交试验法那样与各个水平都搭配一次，所以每个因素的每个水平只要做一次试验，即总的试验次数等于因素的水平数。可见，均匀试验法的试验次数比正交试验法少，特别是对多因素、多水平试验，均匀试验法的试验次数比正交法少得多。2均匀设计表与使用表介绍 第六节 试验数据处理 一、列表法 二、图解法 常用的作图技术: 1 坐标纸2 坐标轴3 代表点: 图上描绘的数据点都是测量数据的代表值，称为代表点。4 试验曲线: 在坐标纸上描点以后，应按代表点的分布情况画一条曲线，表示代表点的平均变动趋势。曲线不必通过所有的代表点，只要使代表点均匀分布在曲线两侧邻近处即可。这种作曲线的方法应使所有代表点离曲线的距离的平方和为最小。5 图解技术: 常用的图解技术有内插、外推、计算直线斜率和截距、图解微分、图解积分和曲线变为直线等等。试验数据拟合常用的经验回归曲线形式有：线性函数型、对数函数型、指数函数型、幂函数型、y=1/(a+bx)型、y=x/(a+bx)型、S形曲线、多项式拟合等。三、数学模型表达法试验数据除用列表和作图表示外，有时还需要用数学方程式来表达。通常有两种情况：一种是已有理论推导或已选定的数学模型，如反应动力学模型，需要根据试验数据确定模型中的未知系数（即模型参数），使数学模型定量化，使之与数据表和图形曲线等效；另一种情况是没有理论推导或未选定数学模型，需要从试验数据的变化规律中寻找经验的函数关系。对于后一种情况，通常是选择一个代数多项式作为试验数据的关联函数。这种多项式不反应研究对象本质的任何物理意义，称为经验模型。目的：希望将试验中各种变量之间的依赖关系用数学解析式的形式表达出来，以便通过计算机来分析过程。第四章 技术经济资料化工过程开发所需要的资料是多方面的，不仅需要掌握设计生产装置所需的各种技术参数和确定技术方案的各种判据；而且还需要掌握用于可行性研究和技术经济评价的各种技术资料和经济资料。第一节 专门资料 专门资料是指那些与设计和建立生产装置有直接关系的资料。主要包括以下内容：一、 物性数据参与生产过程各种物料的物性数据如粘度、导热系数、扩散系数、蒸气压、沸点、凝固点、气液平衡数据、表面张力以及固体催化剂的各种物理性能等都是确定工艺方法和设计工艺装置的重要数据。 常见物质的物性数据一般都可以从有关手册或已建立的数据库中查找，而一些不常见物质或者复杂混合物的物性数据，则需通过试验测定，有的也可以从有关图表查找或用经验公式推算。以下简略介绍几类物性数据的测定方法：1 测定粘度 测定粘度时应严格控制恒温。2 测定气液相平衡数据3 测定表面张力能量衡算: 能量衡算的重点是热量衡算热量衡算式的推导 E=E2-E1=Q-W 则有： U+ Ep+ Ek+ (pV)=Q-W 对于流动系，热力学能U可以与流动所需的功PV合并为焓。 H=U+PV = U+ (PV)H+ Ep+ Ek =Q-W定常态流体连续流动系统的能量衡算式 在化工生产中，物料流动的动能和位能变化（ Ep和 Ek），相对于热能要小得多，可以忽略，则定常态流体流动系统的能量衡算可写为： H= Q-W 系统与环境交换的能量等于系统焓值的变化 当系统不对外做功时，W=0，而且在系统内位能和动能的变化可以忽略不计的情况下，有： H= Q 或Q=H2-H1化工生产过程中热交换的热量衡算式； 当进出系统的物料有多股时，热量衡算式写为： Qi=H2,i-H1,i 对于有化学反应热效应Qr的系统，其热量衡算式为： Qi=（H2,i-H1,i）+ Qr工艺流程图 概念设计阶段，设计的流程图只能粗略的表达工艺过程，一般用方框图表示工艺步骤的连接顺序，称为方框流程图。较为形象的流程图是用示意的设备图形来描述设备，用线条把设备联系起来，并用箭头表示物料的流向，这种流程图称为工艺方案流程图第二节 外围资料副产品方面的资料如果副产物中包含了有回收价值的物质，则应收集有关回收工艺的技术路线和其经济效果方面的资料。能为企业带来盈利是回收方案能否进行的关键关于厂房的空间布置 由地面到房屋顶棚凸出构件的高度称为净空高度，不得低于2.6m；而室内操作台平面至顶棚的净空高度不应小于2m。第六章 工艺流程的合成与优化第一节 流程的内容和设计应考虑的问题 任何化学工业产品的生产，都会有化学反应过程，以及反应过程之前的物料预处理和反应过程之后对物料的分离与提纯。这种以化学反应为工艺核心，并连接反应前、后对物料进行处理的工艺步骤，形成一个由原料到产品的生产工艺程序，就称之为“工艺流程”。聚丙烯胺生产工艺方框流程图第二节 合成路线、操作方式及其它一、选择合成路线 1 从生产成本考虑 生产成本是选择合成路线的主要原则之一。显然生产成本低的合成路线具有竞争优势，但成本并非是选择合成路线的唯一指标，应结合可供选择的各条合成路线的技术先进性、适用性和可靠性等方面作综合评比，然后才能确定下来。2 从产品和副产品的分配考虑 3从反应的自由能(G)考虑二、选择操作方式在流程设计之初，除了选择合成路线外，选择操作方式也是很重要的设计内容。操作方式通常是指连续操作或间歇操作。第三节 反应器的选型选择反应器的原则1 从物料的相态选择反应器(1)对于均相反应可在间歇操作搅拌釜、连续操作搅拌釜和管式反应器等三种型式的反应器中选择;对于均气相反应或反应速率较快的均液相反应，多选用管式反应器；大多数反应速率较缓慢的均液相反应，则多用釜式反应器，其中生产规模较小或只需要批量生产时，则用间歇式操作釜，否则可用连续式操作釜。对于气、液相反应，如果要求气相中某一组分A必须充分转化，而对气相中另一组分B的损失可以不计，为了避免发生副反应而要求组分B的浓度较低时，可采用半连续式鼓泡反应器。这种反应器容易控制，使用也安全可靠。如果不能忽略组分B的损失，又要求加压等特殊反应条件时，为了保证较高的总反应速率，则宜选用连续式鼓泡反应器或者逆流接触的塔式反应器。 (2) 对于气、固相反应，一般采用固定床反应器或流化床反应器。 固定床反应器多用于反应速率高、需要严格控制副反应或需要分段控制温度的反应系统；流化床反应器则适用于需要强化热、质传递的反应系统。 (3)对于气、液、固三相浆态反应，通常都要求搅拌使固体细粒均匀分散于液相中而成淤浆状，气体则以鼓泡形式通过淤浆层，故多采用半连续式鼓泡反应器或带机械搅拌的鼓泡式反应器。2 从传热的要求选择反应器绝热操作有时也适用于具有较大热效应的均相反应过程，可利用反应后的热物料来加热反应前的冷物料从而达到反应所需的温度，只有在反应器内物料产生较大程度返混时才能满足这一要求，通常选用喷射式反应器，此时进入反应器的物料不需要预热。喷射式反应器： 将对二甲苯氧化制取对苯二甲酸，对二甲苯和硝酸的乳浊液从反应器底部喷嘴进入反应器，反应器入口处，形成强烈的循环返混，反应放出的热量，可使进口物料迅速升温达到要求的反应温度。对于非绝热操作，应考虑热量的供给和转移。反应器的传热既有间接传热方式，也有直接传热方式。物料循环方式： 循环反应器是在循环管路上安装一个中间换热器进行换热，通常用物料的循环量数倍于新加入的物料量来维持整个反应系统温度的恒定。多段中间冷却方式：多段反应器的结构是在反应物料经过一段反应后，进入中间冷却器进行冷却，然后再进入第二段反应。这种这件冷却器可以安装在反应器内，也可以安装在反应器外部，以便控制各段反应温度，使整个反应器形成一个由高到低的温度序列，维持反应温度始终处于最佳反应温度之下3 从相际间的传质选择反应器所有非均相反应都是通过相界面的传质进行的。反应条件和反应过程的控制都不可避免地与相际间的接触方式、相界面积的大小以及传质速率等因素有关。故反应器的构型应充分考虑良好的相际间的传质。 （1）气固相反应系统（2）气液相反应系统如果反应过程为扩散控制，由于化学反应速率快，反应在液膜内进行（双膜理论），要求相界面积大，而液体所占反应体积的分数不重要，宜选用逆流操作的填料塔为宜；如果化学反应和扩散对过程控制都起作用，化学反应在相界面和液相主体中都会进行，则要求相界面积和液相体积均大，宜选用带机械搅拌装置的鼓泡式反应器或连续逆流操作的鼓泡式反应器；以上所述反应器选型的原则，是从不同角度加以叙述的。实际上反应器的选型是一项复杂而细致的工作，除了考虑以上一些原则外，对于设备投资、操作的方便、控制精度、产物分离以及物料的投入和排出等等都不能忽略。只有综合考虑各种影响反应器选型的技术经济因素，才能达到反应器选型的正确。第四节 热交换网络的合成热交换网络合成：对化工生产中的物料流股作详细的分析，使生产系统内需加热和需冷却的物料流股相互进行热交换，尽量避免使用外热源，充分利用系统内的能量，以降低生产建设中所需的公用工程费用。 一、热交换网络的表示方法 热交换网络通常是用线条表示物料流股，用圈表示换热器，然后在平面上绘制冷、热流股运行路线的网络图。网络设计网络设计是在冷、热流股之间进行热交换的匹配。为了满足上述最大回收热量的目标，首先考虑的是用最高目标温度的冷流股与具有最高供应温度的热流股进行交换。降低能量回收的要求，减少换热器 按最大能量回收设计的网络，从能量的回收利用看，是最节省的方案。若考虑设备投资，该网络则不一定为最佳。如果适当降低能量回收的要求，则换热器可以合并。第五节 分离过程的组合液体混合物的分离: 液体混合物的分离方法有蒸馏、萃取、离子交换、膜分离、电渗析、色层析等。二、选用分离方法的原则选用分离方法时，应考虑生产产品的产值和产品的精细化程度。在选择分离方法时，应尽可能先把物流中的固体除尽，避免在生产过程中出现含有固体的物流，因为它们在输送中比含气体或含液体的物流容易堵塞管道，而且消耗的能量也较大。对多种物质混合的物料进行分离时，考虑分离顺序的原则是：尽可能先分离容易导致副反应和特别有害的物质，以免对后来的工艺过程带来干扰；对于需要高压(75105Pa)才能分离的物质，也应先进行分离。此外，最容易分离的组分总是首先被分离出来，而把最难分离的组分留到最后分离。 技术上的可靠性和经济上的合理性是选择分离方法的主要原则。三、多组分混合物分离顺序的确定目前选择分离方案还没有严格的规则可循，通常采用试探规则。试探规则都是根据经验和热力学性质进行半定量分析所取得的结论。1 试探法 试探法是根据试探规则来合成分离序列的方法。（1）选择分离方法的试探规则选择具有大分离因子的分离方法。 “分离因子”是指被分离两个组分分配系数的比例，对于精馏，即为两个组分的相对挥发度。尽量避免苛刻的分离要求当分离过程需要作多级分离时，应先选择如精馏、吸收、萃取等平衡分离过程，而不选择如电渗析、气体扩散等由速率控制的分离过程。当不同分离方法的分离因子相同时，可选择加热气化等输入能量的方式使物质分离，而不采用加入萃取剂或溶剂的分离方法。在选择分离方案时，应首先考虑精馏，只有精馏方案被否定之后，才考虑其它的分离方法第七节 工艺流程优化工艺流程的优化属于化工系统工程学研究的范围。它是研究在一定条件下，如何用最合适的技术路线和生产设备，以及最节省的投资和操作费用，合成最佳的工艺流程。工艺流程模块软件在不同阶段的作用： 在化工过程开发研究阶段，可以用来评价和筛选各种工艺路线； 在基础设计阶段，可以用它来优化工艺流程的结构和工艺参数； 在工艺装置投产运行后，可以用它来调优，改进操作和调整操作参数。第七章 投资、成本、折旧和盈利在化工过程开发中，对工艺路线、工艺装置和生产规模做出决策的依据，通常是评价的经济指标，主要有投资、成本、折旧和盈利等。第一节 投资估算 投资是指实施一项工程建设项目所应投入的资金额度。对于化工过程开发项目而言，其投资通常包括固定资金、流动资金和贷款的利息三部分。流动资金 流动资金是指工业企业在生产过程中提供周转使用的物资和货币的总和。其中又有生产领域中的流动资金和流通领域中的流动资金之分。 主要有以下内容： 原料库存量和设备、仪器的备品备件； 库存的成品和半成品； 为保证生产正常运转的周转资金；如支付工资、购买周转期内消耗的原材料费用、支付能耗费用等； 以上为生产领域中的流动资金。 财务上应回收的款项； 应支付的款项和税金。 以上为流通领域中的流动资金。 大多数化工企业的流动资金一般为固定资产投资总金额的10%-20%。对于产品附加值较小的加工企业，由于原材料的费用高昂，其流动资金可能占总投资金额的50%甚至更高。贷款利息 计划经济时代：资金来源由国家拨款，贷款利息问题被忽视； 市场经济时代：资金来源通过自筹和从银行贷款两条途径获得，利息所占比例较大，把贷款利息计入总投资金额是合理的。兰格(Lang)因子法估算 这种方法是运用基本生产设备购置价格和总投资费用之比近似于常数的性质来估算投资费用的。这一近似于常数的比值称为“兰格因子”。通过不同大小规模的同类型工厂的主要设备购置价格和总投资费用数据的统计和归纳可以求出“兰格因子”。工艺装置投资估算 工艺装置投资估算又称为“工艺界区投资估算”，是指直接将原料转变为产品的生产区域以内一切设施建设的投资估算。一般包括工艺设备、测控仪表及生产管线，车间三废处理，以及厂房土建工程，界区以内的水、电、汽系统和消防设施等等建设费用。1 仿建装置投资估算 仿建装置是依照已经生产的工艺装置来建设的装置。这类装置的建设投资，可依据原有装置建设投资估算。 （1）单位生产能力投资估算法 这种方法是根据原有装置生产能力求出的单位生产能力投资额进行估算，计算公式为： CBL=CU FA f (1+n1)I/I 式中：CBL为新建装置建设投资，元； CU为原装置单位生产能力建设投资，元/吨年； FA：新建装置的生产能力，t/a； f：地区建设投资系数，一般取1，对于边远地区则按当地规定的取值； I：建设年份的价格指数； I：原有装置建设年份的价格指数； n1：装置间接费用系数，一般取投资额的4%。 间接费用：专利费、设计费、技术服务费等。 上式为线性方程，生产装置建设投资与装置的生产能力并非线性关系，一般只适用于新建装置生产能力与原有装置生产能力之比为0.5-2的情况。（2）装置能力指数法 对工艺路线相同，生产能力不同的同一化工产品的生产设备，其投资大小与其生产能力之比的指数幂成正比，即： CBL=CBLD(FA/FA)xf(1+n1)I/I CBL为新建装置建设投资，元； CBLD：原装置建设投资（不包括装置间接费用），元； FA：新建装置的生产能力，t/a； FA：原有装置的生产能力，t/a； x：装置能力系数； f：地区建设投资系数，一般取1，对于边远地区则按当地规定的取值； I：建设年份的价格指数； I：原有装置建设年份的价格指数； n1：装置间接费用系数，一般取投资额的4%。公用工程及罐区投资估算 公用工程包括锅炉、冷却塔、化学软水、工艺水、机械制冷和不参与反应的气体发生器等成套设备。其投资额可根据设备能力大小，用相应关联式计算。 公用工程和灌区投资UTI的计算式为： UTI=1.20(UB+UPW+UCT+USW+UIG+UT) 由于没有考虑总图运输项目，估算时乘以校正因子1.20。 UB：锅炉成套装置投资，包括锅炉、水处理、风机、粉碎、运输、起重等设备； UCT：水冷却塔全套设备投资，包括土建及安装； UPW：工艺水成套装置投资，包括取水、过滤、净化、输水、配水等； USW：化学软水成套装置投资，包括全部设备，土建和安装；机械制冷装置投资，包括全套制冷设备，土建及安装； UIG：不参与反应的气体发生器投资； UT ：灌区投资。流动资金估算 流动资金按照储备资金、生产资金、成品资金三部分估算：1 储备资金估算 储备资金是指从购进原材料、燃料和备用备件开始，到投入生产使用为止，这段时间内所占用的最低资金数额。， 储备资金估算实际是对库存原材料和备品备件所占用资金的估算，通常备品备件所占用资金按固定资金的5%计算。 库存原材料所占用资金按照下式计算： 库存原材料所占用资金=原材料费元/吨(产品) 生产能力(吨/年) 60/(0.9365)2生产资金估算 生产资金是指从原材料和燃料投入生产开始，到产品入库止，整个生产过程中所占用的最低资金数额，主要为产品、半成品和催化剂所占用的资金。 催化剂所占用资金可按催化剂填充量的50%计算； 半成品所占用资金只有在间歇生产时才予以考虑，库存天数根据生存周期的长短而定； 计算方法如下： 生产车间成本元/吨(半成品或产品) 生产能力(吨/年) 库存天数/(0.9365)3成品资金估算 成品资金是指产品从进入仓库到发出产品回收货币为止所占用的最少资金。 估算时按照成品种类分别进行，然后将估算值加和。通常库存天数可取10天，当运输或销售不好时，可适当增加库存天数。成品资金的估算公式为： 工厂成本元/吨(产品) 生产能力(吨/年) 库存天数/(0.9365)第二节 成本估算 生产成本是企业用于生产产品的费用总和。 按生产产品费用的地点划分，成本可分为车间成本、工厂成本、经营成本、销售成本等； 生产产品费用按是否随生产负荷变化划分，可分为可变成本和固定成本；可变成本包括原材料和燃料消耗，水、电、蒸汽消耗以及维修和包装费用等，固定成本包括车间和企业管理费、折旧费、工人和职员的工资等。工厂成本 工厂成本由车间成本、工厂折旧费、企业管理费三部分组成。按照国内的计算方法，当贷款及其利息偿还后，毛利和利润的关系为： 企业利润=毛利-税金 或 企业收益=销售收入-经营成本-税金国外：销售收入-年生产成本=毛利毛利-所得税=净利第三节 折旧 折旧即固定资产折旧。 折旧产生的原因：随着时间的增加，在投资建设项目中投入的机器、设备、厂房等固定资产都会随着使用时间的增加，因为磨损、消耗和陈旧而使固定资产价值降低。 折旧的作用：使固定资产投资能获得回收，并保证固定资产能获得有效更新和补充，将固定资产损耗逐渐转移到生产成本中，通过产品销售收入加以补偿。折旧的计算方法包括直线法和定率法定率折旧法 直线法的缺陷：未反应固定资产价值的实际变化；未考虑贷款利息和折旧期内的通货膨胀等因素，导致折旧末期收回的资金已不能抵偿投资初期的原值。 定率折旧法：假定每年的折旧费都等于被折旧固定资产前一年所剩价值的一定百分数，并且这一百分数在固定资产整个折旧期内保持不变。开始时的年折旧费用高，以后年折旧费用逐渐降低，符合固定资产的实际损耗。例7-2 某化工设备在安装完毕后，其原值为22000元，按规定，它的使用期为10年，估计十年后该设备的残值仅为2000元，求使用五年后，该设备的剩余价值。 （1）直线法计算 d=(V-Vs)/n=(22000元-2000元)/10年=2000元/年 使用五年后的剩余价值： Va=V-ad=22000元-52000元=12000元。 （2）用定率法计算 折旧率f=1-(Vn/V)1/n=1-(2000/22000) 1/10=0.2132 使用五年之后的剩余价值为： Vn=V(1-f)n=22000(1-0.2132)5=6633元。 定率法计算得到的折旧后的剩余价值比直线法计算结果低许多。第四节 资金的时间值利息的计算公式为：利息=本金X利息率X存款期限。