化工开放设计

1、第六章 工艺流程的合成与优化 6.1流程的内容和设计应考虑的问题 一、工艺流程的内容 工艺流程：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。 工艺流程的合成与优化是化工过程开发的重要内容，在化 工过程升发中以各种形式收集的技术经济恬息，最后都要在流 程的合成与优化中反映出来。 原料预处理 循环 分离与提纯化学反应 产品 废料 化工生产工艺模式如图6-1： 对于不同产品,由于化学反应和物料在反应前、后的处理方法 和要求个同，而会有不同的工艺流程。即使生产同一种产品，因生 产原料和生产厂家环境条件的差异，也会有不向的工艺流程,尽管 各种产品生

2、产的工艺流程的繁简程度和组合方式各不相同；但以化 学反应为核心，配合反应前, 后对物料进行处理这一结构顺序是不 变的。 例: 以合成胶状聚丙酰胺的工艺流程为例：该工艺的合成路线是 丙烯腈水合生成丙烯酰胺，然后将丙烯酰胺聚合成聚丙酰胺。 从流程知： 1）该工艺流程是以水合反应和聚合反应为核心来设计的。为了保 证水合反应得生产条件，在物料进入水合反应器前进行了配料和 预热，此为反应前的预处理。 2）工艺流程示意图表示工艺设备的流程图，成为工艺方案流程图。 可以粗略的了解设备的构型。 3）图中的箭头和线条表示了各工艺步骤和设备之间地连接， 以及物料运行的方向，这种衔接关系应与生产装置上的主要 物料管

3、线基本相同。 4）详细的工艺方案流程图，还有要求注明生产过程的测量与 控制点的位置，设备连接部位和连接的方法以及设备的详细型 号规格的图形，称为：带控制点的流程图。 如图64所示为丙烯酸甲脂生产带控制点的工艺流程图。 P155 图中详细标明了各种物料的流向，设备连接顺序和连接部位连 接管线和阀件的规格，以及图例、符号的说明等等。 带控制点的工艺流程图的内容虽然较为详细，但仍然是一种示意 性质的展开图，与实际生产装置仍有较大差距。 从工艺技术方案的完整性考虑，完整的工艺技术方案应包括流 程图和流程说明书, 流程说明书的内容包括： (1)工艺原理和工艺步骤地说明; (2)生产物料的规格和要求; (

4、3)工艺条件和控制的技术要求; (4)生产规模、产品规格和生产指标等。 二、设计流程应考虑的问题 1.技术的成熟程度 （1）此为流程设计首先应考虑的问题。如果已有成熟的工艺技术和 完整的技术资料，则应选择成熟的工艺技术进行项目的开发和建设。 （2）如果开发中找不到成熟的工艺技术和可靠的技术资料时，也应 尽可能找到工艺类型相近的成熟技术资料作参考，借鉴成熟技术的 经验和教训，可以提高流程设计得准确程度。 （3）尤其是设备选型，可多采用已定型生产的标准型设备，尽可能 减少非标准型设备的设计。 （4）对于物料的分离与提纯，也应尽可能避免采用技术成熟程度较 差或分离速率较慢的方法，以免这些操作步骤成为

5、整个流程中物料 运行的“瓶颈”。 2.技术的先进性和可靠性的关系 （1）在技术开发中选择工艺技术路线往往较多考虑技术的先进性； 但先进的工艺技术的应用的时间一般较短，由于未经充分地检验而 不可避免地带来某些技术的不可靠性。在每一种新技术的发展阶段， 都有这样一个过程。 （2）在保证可靠性的前提下，应尽可能选择先进的工艺技术路线。 如果先进性和可靠性不可兼得，则宁肯选择可靠性大而先进性稍差 的工艺技术作为设计的基础。这样可以保证投资的安全可靠。 3.流程的可操作性 （1）首先应对流程每一台设备保证不易发生机械故障、传热故障或其他 故障而影响正常运转，每一台设备的工艺条件都容易达到和容易控制而 性

6、能稳定，即使在外界偶然因素的干扰下，也能自动恢复到稳定状态。 （2）然后才能考虑各设备间的合理配置和配合，如相同型号设备的并联 和串连、设置中间贮槽的位置、大小和数量等等，以保证物料的运行畅 通。 是指流程中各种设备的配合是否合理，物料的运行是否畅通无阻， 各种工艺条件是否容易控制和实现等。在考虑流程的可操作性时，必 然要涉及设备的可操作性。 例如单纯的气体或液体物料，较易保证流程的可操作性；固 体物料或气、固相和液、固相混合物料，则易于在运行中沉积和 堵管道，要保证物料运行畅通，都要采取一些较复杂的措施。另 外，高速运转设备，易受腐蚀设备，易结垢和被堵赛的设备都会 因容易损坏而降低了流程的可

7、操作性。 在流程设计中，还应考虑设置便于更换的备用设备，以便设 备在操作中损坏时，能及时进行切换而保证流程的畅通。 （3）此外，在考虑物料回收和热能的综合利用方面，也应注意 流程的可操作性，不要因为采用物料和热能的回收利用措施而 影响到流程的可操作性。 4.投资和操作费用 （1）首先应尽可能选用批量生产的定型标准设备，以及结构简单和 造价低廉的设备； （2）其次在工艺技术路线方面，也应尽可能选用条件温和的工艺技 术路线，以避免对设备的结构和材质提出过于苛刻的要求； （3）同时避免对于厂房建筑提出特殊要求。 从操作费用考虑： （1）应选择价廉易得的原料路线和低能耗的技术路线； （2）希望操作条件

8、温和、生产物料无毒、无腐蚀性和无爆炸 性等，以降低原料消耗费用和能量消耗的费用。 在流程设计中考虑节省建设投资： 6.环境和生态 主要考虑生产中“三废”排放对环境造成的污染和危害，应从 流程设计中提出治理“三废”的措施，在建立生产装置时一并实施 解决。 对于工业实施项目，不允许实施后对人类生产及生活活动以及 工农业发展和生态平衡等方面带来不利影响。 5.安全 在流程设计中应重视破坏性风险分析。该分析常通过事故模拟试 验的考察进行。从模拟试验中可了解到事故发生的原因，产生的条件 和后果，以及引发事故的各种因素间的一些内在关系。 在风险分析中对于一些随机因素，因偶然性而带来的潜在危险， 也应包括进

9、去。 例如: 在流程设计时考虑采用深井水作冷却介质而建立井水冷却系 统。这样的考虑可以节约投资和操作费用；但是地下水长期采出 后，会导致地层下陷而给社会环境、人类生活、甚至本厂生产都 会造成安全隐患。 因此，采取深并水作冷却介质的设计方案必须结合本地地质 结构特征，从长远考虑，而不能单纯考虑近期的经济效果。 6.2 合成路线、操作方式及其他 一、选择合成路线 任何一个化工产品的合成都可以找到若干不同的合成路线，如何选 择合适的合成路线时首先考虑的问题。 1.从生产成本考虑 不仅要考虑成本低，还应结合可供选择的各条合成路线的技术先 进性、实用性和可靠性等方面作综合评比确定。 2.从产品和副产品的

10、分配考虑 不仅要考虑产品和副产品的经济价值，还要考虑由这些产品和副 产品生产出来下游产品的经济价值。 例如丙烯脂的合成，早期的合成路线: 后来： 气固相催化反应 例如合成氯乙烯，早期的合成路线是乙烯氯化，由两步合成： 后来提出了乙烯和乙炔混合原料路线，利用原料中的乙炔与生 成的氯化氢反应转变成氯乙烯。 这条路线消除了副产物氯化氢，但采用了昂贵的乙炔提高 了生产成本。 为了降低生产成本，人们又提出了氧氯化法合成路线。该路线 是在乙烯氯化的原料中配入氧。使生成的氯化氢进一步氧化，转变 成氯和水。 氧氯化合成路线是在450，在Cucl2水溶液进行的催化反应。 从产品划产物的分配和生产成本考虑，是一条

11、较好的合成路线。但 氯气和氧气混合后，涉及乙烯氯化和乙烯氧化两个反应的平衡，使 反应过程复杂化、增加了工艺处理的难度。 3.3.从反应的自由能（）考虑 G 凡自发的化学反应都伴随自由能的下降，从化学反应自由能的大小 可了解反应进行的可能性。 评选合成路线的自由能准则 1）当反应自由能0时，值为负值，反应已进行，这样的反应路线可 考虑选择。 2）当40kJ/mol时，即处于较小正值，这样的路线还可以进行，也 值得考虑选择。 3）当40kJ/mol是，处于较大正值，反应较难进行，只有在特殊条 件下才考虑这样的反应路线。 例如：合成乙基胺有以下两条路线 路线一： 该路线的 O，可取。 G 路线二：

12、该路线的 O，不可取。 G 二、选择操作方式 1.生产规模 一般生产能力大于4500t/a的生产装置，宜采用连续操作；反之则 采用间歇操作的较多。 2.市场需求 市场需求季节性强的产品宜间歇操作,此外，有些产品的生命周 期较短，容易被不断出现的新产品所淘汰。这种情况下采用间歇操作 的灵活性大，便于设计成通用型的生产装置。 操作方式通常是指连续操作或间歇操作，在当前生产规模日益扩 大和自动化控制程度日益提高的情况下，稳定的连续操作，已在化工 生产中占到了主导地位，但有情况仍宜采用间歇操作。 3.受特殊条件的限制 以下几种情况宜采用间歇操作： 1）反应速率极慢的反应过程，间歇操作是唯一方案。 2）

13、反应物料中有泥浆状物质时，用间歇操作可避免连续输送管路的 堵塞。 3）在生产过程中易产生结垢或结块而需要频繁清扫，用间歇操作比 较方便。 三、关于原料预处理的判断 1）原料中含有使催化剂中毒的杂质，必须先除去。 2）原料中含有的杂质参加化学反应，为了避免原料消耗和不污染 产品，也为了减轻后处理分离的负担，一般都先除去。 3）原料中的杂质若不参与化学反应，则应根据这些杂质与原料或 产品分离的难易程度来决定是否需要在于处理中先分离。 4)原料中杂质含量较大时，即使使这些杂质与产品的分离要比他 们与原料的分离容易，有时也需要进行预处理。因为大量杂质进 入系统后，会影响系统的生产能力和热平衡，也增加系

14、统内物料 的阻力。 四、如何确定产物的流股数 确定产物的流股数是将化学反应器出口的物料中的组分进行定 位。常有6种去向，称之为“流股” 1）主产品（目的产物） 2）有价值的联产品或副产品 3）价值较低的燃料 4）循环物料的返回 5）排空 6）有害物质送“三废”治理 在考虑物料组分的去向时，对于同一去向的不同组分，应首先 研究有无必要把他们分离，以免造成先分离后合并的不合理现象。 6.3 反应器的选型方法 可采用形态分析法，即首先提出所有可能作出选择的方案，然后从分析评比中筛 选出最佳方案的方法。 其操作分为两步： 第一步找出所有可供选择的方案，称为“分支”。第二步则根据若干判据对各种 方案进行

15、评选淘汰，称为“收敛”，如图所示 问题结论 1 2 3 4 5 6 7 8 A BC 图6-5 形态分析 二、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 应器等三种形式的反应器中选择； (2)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； (3)大多数反应速率较慢的均相反应，多用釜式反应器，其中生产 规模较小或只需要批量生产时，则用间歇时操作釜，否则可用连 续时操作釜。 (6)对于气、固相反应，一般采用固定床反应器或流化床反应器。 (7)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

16、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。 (4)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 气相中的另一组分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。 (5)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逆流接触的塔式反 应器。 2.从传热的要求选择反应 器 当反应热效应较小时，可以考虑绝热操作。可用具有活塞流特征的 管式反应器。 (2)当热效应较大的均相反应,也可采用喷射式反应器来实现绝热操作。 (3)对于非绝热操作，

17、可采用间接传热或直接传热方式的反应器。如小 容积的搅拌釜，多采用釜壁夹套传热；大容积的搅拌釜则采用内盘管、 外循环和溶剂挥发冷却等多种结构。 (4)若采用直接传热方式，一般采用水蒸气直接通入反应物料中，但物 料会被稀释。 (7)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。 (6)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，所用 物料的循环量是新加入的物料量的数倍以维持反应系统温度的恒定。 (5)在气、固相催化反应，对于强放热反应，反应器的换热结构可采用 物料循环或多段中间冷却。 所有非均相反应都是通过相界面的传质进行的。反应器的构型应 充分考

18、虑良好的相际间的传质. (1) 气、固相反应系统中，固体是分散相，从传质效果看流化床 优于固定床。但流化床的返混程度大，以致使其传质良好的优越性 有所抵消。 1)如果要求反应的转化率高，而过程又不属于扩散控制，则可采用固 定床反应器可以突出其反应体积小的优点； 2) 若反应为扩散控制，而对反应的转化率和选择性又无特殊限制时， 采用流化床反应器的体积也不会过大. 3.从相际间的传质选择反应器 (2)对于气、液相反应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，要求相界面积大，而液体所占反应体 积的分数并不重要，以选用逆流操作的填料塔为宜： 1)如果化学反应和扩散对过程控制都起作

19、用，化学反应在相界面 和液相主体中都会进行，则要求拟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. 2)如果过程由化学反应控制，化学反应主要在液相中进行，虽然 也要求有较大的相界面积,但液相体积是主要条件，一般选用半连 续式操作的鼓泡反应器或者连续式逆流操作的鼓泡式反应器. (3)至于气、液、固三相反应系统、由于存在两种相界面，其中固、 液相界面的传质阻力都大于气、液相界面的传质阻力，因此，对反 应过程起决定作用的是固、液相间的传质过程。 为了加快反应速率、缩小反应器的体积，多采用气体和固体都高度 分散于液相中的反应器。 如: 机械搅拌式鼓泡反应器、

20、半连续操作的鼓泡搅拌反府器和填科 塔等： 4从反应的转化率和选择性来考虑反应器 反应的转化率和选择性是化学反应过程的优化目标。反应器的型 式则必须满足反应过程的优化条件,因此,不同类型的化学反应， 也应采用不同类型的反应器. (1) 不可逆简单反应 1) 除零级反应以外的其他不可逆简单反应，从提高反应速率考虑， 应选用活塞流反应器；因为在相同反应条件和相同生产量的情况 下。以活塞流反应器所需的容积最小。 2) 对于可逆放热反应，为了使反应过程保持 一个随着转化率的提 高而造成反应温度由高至低的温度序列一般多采用中间冷却式 的多段管式反应： (2)平行反应 为了抑制副反应,提高反应的选择性，可依

21、据主反应和副反应的反 应级数的高低来选择: 1)如果主反应级数大于副反应级数、提高反应物的浓度对反应的 选择件有利，则采用活塞流反应器或半连续操作的搅拌釜； 2)若主反应级数小于副反应级数，反应物的浓度高会促使副反应 加速，会降低反应的选择性，这种情况采用返混程度大的反应器， 如连续操作的搅拌釜或问路式反应器。 (3) 串连反应:为抑制副反应,提高反应的选择性，应降低反应系统 中目的产物的浓度。可采用具有活塞流特征的反应器或者间歇操 作搅拌釜等能控制物料停留时间的反应器。 (4) 产物容易分解的反应，可优先考虑管式反应器；要实现良好的 热、质传递，则用搅拌釜较好。为了两者兼顾，采用多釜串联反

22、应器。 (5)对于非均相反应，在反应器结构上应有加强物料分散的措施， 而操作则以连续逆流为宜，这样可以提高反应速率和反应物的转 化率. 以上原则，是从不同角度过加以叙述的。实际上反应器的选 型是一项复杂而细致的工作，除了考虑以上原则外对于设备投 资、操作，控制精度，产物分离以及物料的投人和排出等等都不 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 能达到反应器选利的正确。 6.4 热交换网络的合成 热交换网络合成：就是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

23、费用。 一、热交换网络的表示方法 热交换网络通常使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。 如图6-13所示的工艺流程图 二、t-H图、窄点和热交换网络的最小能耗 t-H图：将物料流股的温度变化和焓变描绘在同一坐标平面上 所得。 热交换过程中的焓变H为: 6-1 如图6-15为该流股的t-H图 热特性曲线：在一个系统中如果有多股物料流，同样可在t-H图 上绘出他们的温度-焓曲线，叫做 图中a,b 线段的斜率为： 对于有多股热物料流和多股冷物料流同时存在的情况下，则可分别 作出热物料流投和冷物料流股的合热特性曲线，如图6-17所示: min t min

24、t 窄点：多股热物料流和多股冷物料流间的换热，可转变为复合热物 料流和复合冷物料流至间的换热。两条折线在纵坐标距离最近处的坐 标点，称为“窄点”。 在窄点处的温差最小，称为 . 根据冷、热负荷曲线即可求出在给定冷热流股最小温差 条件下的最少能耗。 为了便于计算，可将图解较变为列表形式。列表达的第一步是建立 温度区间，在每一区间内使冷、热流股的温差大于 ,每一温度 区间的边界温度人为选取。 min t 设温度区间的上界温度为 设温度区间的下界温度为 假定允许的最小 =l0，需确定窄点温度、最大限度回收能量 时的最少热源热量QH,min 和最少冷源热量Qc.min。冷热流体温度区间， 如图6 -1

25、8所示。 min t 三、热交换网络设计 以冷流股两股和热流股两股设计热交换网络。巳知数据，见表6-4。 1.建立回收最大能量网络的准备工作 热交换网络设计表现在冷热流股的相互匹配上，但冷、热流体在热交 换器中的温差必须大于最小换热温差，可按如下法则计算： 温度区间的边界温度(即修下后的供应温度)、目标温度和有关计 算数据，列于表6-5。 冷流体加上 热流体减少 2/ min t 2/ min t 2.最大能量回收的目标 按窄点划分法则，窄点将热交换网络划分为两个子系统。窄点以上 不用冷源，窄点以下不用热源，窄点处无热量穿透，此时回收的能量最 大。两子系统均可单独设计。 3.网络设计 网络设计

26、是在冷、热流股之间进行热交换的匹配。 四、降低能量回收的要求，减少换热器 要将能量回收利用和设备投资费用综合起来进行考虑，以总费 用最少为原则。 6.5分离过程的组合 分离方法的选择通常都是根据被分离物料中各种组分的物理和化 学性质的差异来确定的，如沸点、熔点、挥发度、溶解度、吸附性、 吸收性、密度、颗粒粗细、相态、电磁性能和化学反应性能等。 在选择分离方法时，除了考虑该方法是否符合分离要求外，还应 考虑该方法的成熟程度和适用范围。当分离方法选定后，则需进一步 考虑设备构型、投资、操作费用和能耗等。 一、分离方法 1.气固相混合物的分离 大多数情况下是对气体进行除尘净制。净制方法有干法（重力

27、沉降、离心沉降、静电沉降等）和湿法（喷淋洗涤）。 2.固体混合物的分离 多见于选矿和矿物分级，分离方法和设备由有筛分、浮选和振动 水力摇床分级等。 3.液固相混合物的分离 分离方法有：沉降、过滤、干燥、蒸发、浸取、结晶等。 沉降分离有：重力沉降、离心沉降。 过滤有：加压过滤、真空过滤和离心过滤等 干燥有：箱式干燥、滚筒干燥和喷雾干燥、气流干燥和流态化干燥。 蒸发有：长管蒸发、薄膜蒸发、强制循环蒸发等。 浸取有：釜式浸取器。 结晶：一步结晶和分步结晶。前者多用釜式结晶器，后者用多釜串 联或板式塔结晶器。 5.气体混合物的分离 吸收、吸附、扩散、冷冻、气体渗透、液氮洗涤和色谱法等。 吸收多采用塔式

28、设备，扩散有热扩散和压力扩散设备；气体渗透 主要为膜分离器；色谱法采用色谱柱；吸附有吸附柱；冷冻和液 氮洗涤均有专用设备。 4.液体混合物的分离 蒸馏、萃取、离子交换、膜分离、电渗析、色层析等。 蒸馏和萃取多用塔式设备，离子交换用交换柱；膜分离、电渗析和 色层析都有专用设备。 二、选用分离方法的原则 1.对于高产值和精细化程度高的产品，可选用一些高效分离方法； 对于产量很大而产值相对较低的产品，应考虑分离成本，选用较 为简便或分离步骤少的常规分离方法。 2.选择分离方法时，应尽可能先把物流中的固体出尽，避免在生 产过程中出现含有固体的物流。也应尽可能避免在分离过程中加 入除了被分离物料外的其他

29、物质。 3.对多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 序带来干扰；对于需高压分离的物质，也应先进行分离；此外， 最容易分离的组分总是首先被分离，最难分离的组分留到最后分 离。 4.主要原则为：技术上可靠，经济上合理。 三、多组分混合物分离顺序的确定 首先应对混合物中各组分的物理化学性质了解清楚，并对这些组分 进行排队；然后再依排队次序逐一考虑分离方法和组织分离顺序。 假设分离N个组分的混合物成单个组分。其分离顺序方案SN 按排列组合计算有： 如果每个组分又有T个分离方法可供选择则可排列的总方案更多。 6-2 6-3 1.试

30、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 1）选择具有大分离因子的分离方法。 所谓“分离因子”，是指被分离两个组分分配系数的比例，对 于精馏，即为相对挥发度。 物质的分子性质对一些分离过程的分离因子有影响，因此可根 据混合物中各组分分子性质的差异来选择可能产生较大分离因子的 分离方法。 2）尽量避免苛刻的分离要求 3）当分离过程需要做多级分离时，优先选择精馏、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。 4）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。

31、 5）应首先考虑精馏，然后才考虑其他的分离方法。 （2）确定分离顺序的试探规划 n1）把分离因子接近1的难分离组分放在最后分离； n2）根据组分间气液相平衡常数的大小排列，应把轻组分按分离因子的 大小顺序，逐个依次分离； n3）应首先把混合物组分分成摩尔流量相接近的轻、重两股物流， 目的在于平衡精馏塔的上升蒸汽和回流液量，以免降低热力学效率； n4）对于回收率要求高的组分放在后面分离； n5）当有的组分需要在冷冻条件下进行分离时，应尽可能减少进入 冷冻系统的组分数。 2.调优合成法 （1）调优合成的步骤： 1）确定一个初始流程：可取由试探法确定的流程； 2）根据调优规则来考虑初始流程可以允许的

32、结构变化； 3）对各种可能改变的结构进行分析，确定改进方案； 4）以改进方案为基础，再进行分析，作进一步的改进。 （2）改变流程结构应具备的特性 1）有效性：根据调优规则拟定的分离顺序应当是可行的； 2）完整性：从任意初始流程开始，运用调优规则进行反复调优，能 产生所有可能组合的分离流程； 3）直观和理性；根据调优规则产生的新流程应与原调优流程没有显 著差别。 （3）调优规则 规则一：在调优时，可将一个分离任务移至所在分离序列的前一个位置。 规则二：在调优时，允许改变一个分离任务的分离方法。 6.6物料搭配和最佳操作时间的配合 一、物料搭配 例如，燃烧硫磺生成二氧化硫。 采用方法为：用喷嘴将空

33、气（或氧气）与吸入的硫磺粉一起送入燃 烧炉内燃烧，炉内既要保持燃烧温度，又不能让温度过高烧坏喷嘴，因 此在原料气中配入不参与反应的气体以减缓燃烧速度。物料搭配方案有 2种： 方案一：用氮为不参与反应的气体来稀释氧气，即采用空气为原料 空气（氧气、氮气） N2（夹带少量SO2 ） 分离 S + O2 SO2 燃烧炉 N2为不参与反应 的气体 SO2 S 方案二：用SO2为不参与反应的气体来稀释氧气，但从空气制氧，须 先深冷分离氮气，但其可作为另一种产品，其流程为： N2（产品） 分离 氧气 S SO2（产品） S + O2 SO2 燃烧炉 SO2为不参与反应的气体 空气 如果实施该项目的地区技术

34、力量较强，可取方案二；若技术力量 不足，而资金也比较缺乏时，为了尽快投产和尽早受益，则宜采用 方案一。 二、最佳操作时间的配合 化工工艺流程是由若干工艺步骤合成的，每个步骤都有其最佳 的操作时间。这些单个步骤的最佳操作时间在整个工艺流程的 操作周期中并不一定彼此协调，因此在各个工艺步骤之间应有 一个最佳的时间分配. 对流程中各个工艺步骤制定一个合理的操 作时间分配表。 (2)最佳操作时间的合理分配是保证流程畅通的重要条件。但按最佳 操作时间来设计工艺流程，有可能改变原来已确定的工艺操作， 也会对生产装置的投资和操作费用带来一定程度的影响。 (3)通常按工序确定的最佳操作时间各不相同，如果各个工

35、序间的最 佳操作时间相差较小，则可取大多数工序最佳操作时间相近的 时间来确定整个工艺的操作时间。对于那些操作时间有一定差 距的工序和设备，则可在设备尺寸的设计上予以调整配合。 (4) 如果各工序间的最佳操作时间相差较大，则应按以下方法进行 配置，使之达到全流程设备配置最佳化、操作时间最佳化和设 备尺寸的最佳化。 1 将某些操作任务合并. 2.在流程中设置平行的相同设备 3. 中断工序衔接链进行配合 工序的操作时间过长，则可将该工序的设备在流程中作并联 配置，使其操作时间能与其他工序的操作时间相匹配。 以上两种配置方法都维持了流程运行的整体性。即从原料到 产品各工序之间的密切配合与衔接. 假如某

36、一产品的生产并不要求保持工艺过程的整体性，即其 中间产品十分稳定，可以贮存较长时间：当该生产工艺中某个个 工序的最佳操作时间高于某一个工序若干倍时，则可对操作时间 短的工序重复若干次操作，将生产的中间产品储存起来，集中送 往操作时间长的工序进行生产. 这种措施是中断了工序衔接链的任务来进行操作时间的配合 的。 在特定条件下，可考虑先用一套设备来生产个间产品，并把 中间产品储存起来，当贮存积累到足够的量后。再以该中间产品 为原料，重新配置设备来进行产品的生产。生产中间产品的流程 和外产产品的流程都与原生产产品的上艺流程不同。 针对具体的生产任务和已确定的工艺路线，究竟以哪一种配 置方法来设计流程

37、和确定设备尺寸，则需要从设备投资、操作费 用和能量消耗等方面综合考虑。 4.破坏工序衔接链进行配合 6.7工艺流程优化 工艺流程的优化：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。属于化工系统工程学研究的范围. 关于工艺流程的优化，实施起来是十分困难的。如果只凭若干 评判标准从不同方案中择优，一般只能取得定性的优化结果。如果 要使寻优过程定量化，则必须对优化对象建立数学模型，从求解数 学模型来获得最优化结果. 若干基本概念： (1)优化的数学表达术语 表达优化的数学术语通常是用对一个目标函数(解析式)以决策 变量为自变量求导数，并令

38、导数等于零的计算值来表示该决策变 量的优化值. (2)目标函数 目标函数是指优化对象的优化目标和评价标准。大多数工艺流 程的优化是以经济指标为优化目标。例如投资和操作费用，以及原 材料的单耗、能耗或消耗定额等等。 (3)决策变量和状态变量 描述一个化工过程优化目标的方程式数目往注是很多的，在这 些方程式中包含的变量往往超过方程式数。两者之差等于自由度.即： D=M-N 其中：D为自由度，M为变量数，N为方程式数目。 为使方程式有解，必须在求解前设定D个变量。这D个独立变量称 之为“决策变量”或”设计变量”。 状态变量则是由设定的决策变量求解方程式求出的变量，其数目等 于方程式数目。 (4)等式约束 等式约束是指”描述过程优化的方程式(数学模型)，在求解时， 可以消去与方程式相等的变量数。这样可简化求解计算的工作量. 在对过程进行优化时，使目标函数达到极大值或极小值的决 策变量值，即为最优化解。 (5)不等式约束 任何变量都有它的范围(上限和下限)。如压力和物质的组成不 能为负数，精馏的气、液相流量不能为负数，温度和压力的上限 取决于过程或设备的破坏极限等等。这些变量只有