化工过程开发第六章工艺流程合成与优化课件

1、第六章 工艺流程的合成与优化 工艺流程的合成与优化是化工过程开发的重要内容，在化工过程开发中以各种形式收集的技术经济信息，最后都要在流程的合成与优化中反映出来。工艺流程的合成，是随着开发研究工作的不断深入而逐步完善。在不同的开发阶段，都会涉及流程的合成和优化。但是愈到开发工作后期，工艺流程的设计就会愈加细密、全面和完整。流程也是化工工艺设计的基础。无论概念设计还是基础设计，通常都是先确定流程，然后才依流程再进行各种详细地工艺计算。第一节 流程的内容和设计应考虑的问题一、工艺流程的内容 以化学反应为工艺核心，并连接反应前、后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，称之为“工艺

2、流程”预处理化学反应分离与提纯循环原料产品废料化工生产工艺模式任何化学产品的生产，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。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不同，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，也会有不同的工艺流程。尽管各种产品生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果顺序是不变的。预处理化学反应分离与提纯循环原料产品废料化工生产工艺模式详细的工艺方案流程图，还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

3、及设备的详细型号规格的图形，称之为“带控制点的流程图”。这种流程图一般是在化工过程开发后期，进入到建立生产装置时绘制的，用以指导装置的安装和设备的连接。如P155图6-4.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。需要注意的是：1. 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。2. 从工艺技术方案的完整性考虑，单纯的流程图还不是一份完整的工艺技术方案，在流程图之外，还必须配合流程说明书。流程说明书的内容一般包括工艺原理和工艺步骤的说明，生产物料的规格和要求，工艺条件和控制的技术要求

4、，以及生产规模、产品规格和生产指标等等。二、设计流程应考虑的问题设计工艺流程是一项复杂的技术工作，需要从技术、经济、社会、安全和环保等许多方面综合考虑。其中应当特别注意一下问题：1. 技术的成熟程度。（是流程设计首先应考虑的问题）2. 技术的先进性和可靠性的关系。（一般较多考虑技术的先进性） 如果先进性和可靠性二者不可兼得，则宁可选择可靠性大而先进性稍次些的工艺技术作为流程设计的基础，这样可以保证投资的安全可靠。3.流程的可操作性。 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等。是设计流程时必须着重考虑的技术问题。涉及到设备的可操作性： A. 首

5、先应对流程中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。 B. 每一台设备的工艺条件都容易达到和容易控制而且性能稳定，即使在外界偶然因素的干扰下，也能自动回复到稳定状态。 C. 在此基础上，再考虑各设备间的合理配置和配合。 D. 在考虑物料回收和热能的综合利用方面，应注意流程的可操作性，不能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。 E. 还应考虑设备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畅通。 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塞管道，要保证物料运

6、行通畅，都要采取一些较为复杂的措施；高速运转设备，易受腐蚀设备、易结垢和被堵塞的设备，都会因容易损坏而降低流程的可操作性。4. 投资和操作费用 A. 在流程设计中考虑节省建设投资。主要表现在： 首先，在设备的选型上，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。 其次，在工艺技术路线方面，应尽可能选用条件温和的工艺技术路线，避免对设备的结构和材料提出过于苛刻的要求，同时也应避免对于厂房建筑提出特殊要求。 B. 从操作费用上，应选择价廉易得的原料路线和低能耗的技术路线，而且希望操作条件温和、生产物料无毒、无腐蚀性和无爆炸性危险等，以降低原料消耗费用和能量消耗的费用。5. 安全

7、 应重视破坏性风险分析。 这种分析通常是通过事故模拟实验的考察来进行的。从中可以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等，进而可以确定所设计的流程需要承担的安全风险。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生产发展和生态平衡等方面带来不利影响。第二节 合成路线、操作方式及其他一、选择合成路线 由原料合成化工产品的化学反应途径即为化学合成路线。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

8、择合适的合成路线是流程设计中应首先考虑的问题。主要可从以下几个方面来考虑：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，同时还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做综合评比，然后才能确定下来。如：丙烯腈的合成C2H2 + HCN CH2=CHCN (1)2CH2=CHCH3 + 2NH3 + 3O2 2CH2=CHCN + 6H2O (2)比较以上两条合成路线，首先：在生产成本上，（2）占优势，原因是丙烯的价格比乙炔低很多，且氨的价格也比氰化氢低很多；其次：（2）不用剧毒的氰化氢。2、从产品和副产品的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

9、产品和副产品生产出下游产品的经济价值。如：CH2=CH2 +Cl2 ClCH2CH2Cl CH2=CH2Cl + HCl （1）分析：此路线有一半的原料氯气转变成了难以应用的HCl，而且对设备有很强的腐蚀性。CH2=CH2 +Cl2 CH2=CHCl + HCl C2H2 + HCl CH2=CHClCH2=CH2 + C2H2 + Cl2 2CH2=CHCl (2)分析：此路线消除了副产物氯化氢，但是采用了昂贵的乙炔，提高了成本。CH2=CH2 +Cl2 ClCH2CH2Cl2ClCH2=CH2Cl 2CH2=CHCl + HClCH2=CH2 + 2 HCl + O2 ClCH2CH2Cl

10、 +H2O2C2H4 + Cl2 + O2 2CH2=CHCl + H2O (3)分析：此路线从产品、副产物的分配和生产成本考虑，是一条较好的合成路线，但是氯气和氧气混合后，设计乙烯氯化和乙烯氧化两个反应的平衡，使反应过程复杂化，增加了工艺处理上的难度。3.从反应的自由能（G）凡自发的化学反应，都伴随着自由能的下降，从化学反应自由能的大小，可以了解反应进行的可能性。因此，可以提出一个评选合成路线的自由能准则：A. 当反应自由能G 0时， G值为负值，反应较易进行，这样的反应路线可以考虑选择。B. 当反应自由能G 40kJ/mol时，即G 值处于较大正值，反应较难进行，这样的反应路线，只有在特殊

11、条件下才能考虑。如： CH3CH2OH + NH3 CH3CH2NH2 + H2O G=-7.0kJ/mol 可取 CH3CH3 + H2 + N2 CH3CH2NH2 G=70.1kJ/mol 不可取二、选择操作方式操作方式通常是指连续操作或间歇操作。当前，稳定的连续操作已在化工生产中占到了主导地位，但有几种情况仍宜采用间歇操作。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；而生产能力小于4500t/a的装置，则采用间歇操作的情况居多。2.市场需求：采用间歇操作的灵活性大，便于设计成通用型的生产装置。3. 受特殊条件的限制. 对于以下几种情况，宜采用间歇操作：A.

12、 反应速度极慢的反应过程，间歇操作是唯一可选择的方案。B. 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。C. 在生产过程中易产生结垢或结块而需要频繁清扫时，用间歇操作比较方便。三、关于原料预处理的判断原料的处理可根据以下原则作初步判断：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预处理中先除去；4. 原料中杂质含量较大时，即使这些杂质与产品的分离要比它们与原料的分离容易，有

13、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，也增加系统内物料流动的阻力。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。通常有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它们分离，以免造成先分离后合并的不合理现象。例： P160-161第三节 反应器的选型当化学合成路线确定之后，根据反应过程特征和操作条件选择反应器型式，这是流程设计的重要内

14、容之一。工业反应器的型式有多种，它们具有不同的流体流动、传热和传质特性，分别适用于不同的反应过程。一、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为选择的方案，然后从分析评比中筛选出最佳方案的方法。P162 图6-5其操作可分为两步： 1.找出所有可供选择的方案，称之为“分支”； 2.根据若干判据对各种方案进行评选淘汰，称之为“收敛”。这种分析方法，采用了逻辑分析方式，而不是随机取舍，比较科学合理。但是，反应器选型设计的影响因素较多，往往较难兼顾，在选择时应分清主次和重点，以满足主要工艺要求为原则。二、反应器的选型原则1.从物料的相态选择反应器对于均相反应器可在间歇操作搅拌釜、连

15、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。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，则宜选用连续式反应器或者逆流接触的塔式反应器。对于气、固相反应，一般采用固定床反应器或流化床反应器。前者多用于反应速率高

16、、需要严格控制副反应或需要分段控制温度的反应系统；后者则适用于需要强化热、质传递的反应系统。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P164图6-7无论热量的移出或供给，在反应器的设计中，都应设置热交换构件。当反应热效率较小时，可以考虑绝热操作。绝热操作有时也适用于具有较大热效应的均相反应过程。对于非绝热操作，则应考虑热量的供给和转移。3.从相际间的传质选择反应器所有费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

17、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。类型釜式塔式管式外形比例高径比13高径比830长径比30操作方式间歇釜连续釜（连续）连续流动状况无返混返混返混无返混（实际反应器仍存在返混）时间描述 反应时间 停留时间分布空间时间 停留时间分布空间时间 停留时间空间时间 按外形特征和操作方法分类的反应器 工业反应器的基本类型类型釜式塔式管式化学特征 釜内各点浓度相同，浓度和反应速率随时间变化釜内各点浓度相同，浓度速率不随时间变化 塔内各点浓度不相同，随反应器轴向变化，不随时间变化。 管内各点浓度不相同，浓度随速率轴向变化各点浓度和反应速率不随时间变化

18、。 应用范围 适于反应时间长的慢速反应，适于易结晶等需要频繁清理的反应和过程 适于宜在低浓度下进行的反应（避免串联副反应），不适于慢速反应。 适于多相反应适于热效应大的或需严格控制时间的反应，不适于慢速反应，不适于粘度大或易结晶物料及多相反应。 实例 发酵 自催化反应 气固催化反应 石脑油裂解 按外形特征和操作方法分类的反应器 （续）工业反应器的基本类型3、按物料相态分类 分类 常见形式 特点 缺点 应用实例 气相反应器 管式 返混小，生产能力强，传热面大，易控温，易实现密封。 系统压降大 石油裂解 液相反应器 管式 返混小，生产能力强，传热面大，易控温，易实现密封。 系统压降大 高压聚乙烯

19、塔式 结构简单。 返混，物料轴向浓度差大 苯乙烯聚合 釜式 易实现搅拌，浓度均匀，操作易控。 生产能力低 氯乙烯聚合 均相反应器的特征 按物料相态，反应器可分为均相反应器和非均相反应器两大类 工业反应器的基本类型分类 常见形式 特点 缺点 应用实例 气相 喷射反应器 直接进行传质、传热 缺乏调节，条件要求严格 氯化氢合成 气液 鼓泡塔结构简单，气相返混小，温度易控 气体压降大，液相返混大 烯烃氯醇化 板式塔物料接触好，返混小 液相流速受限制 异丙苯氧化 湿壁塔 结构简单，温度易控，液相返混小 生产能力小 苯的氯化 填料塔 结构简单，返混小，压降小 有温差，不易控制 合成气脱CO2 喷雾塔（气液

20、比大） 结构简单，液相表面积大 气体流速受限制 氯乙醇 液液 搅拌釜 参见前表参见前表苯的硝化、氯化 螺杆反应器 返混小，停留时间相同，适于高粘体系 传热较困难 聚乙烯醇醇解 多相反应器的特征工业反应器的基本类型分类 常见形式 特点 缺点 应用实例 气固 固定床反应器 返混小，催化剂磨损小，副产物少压降大，传热不易控制，催化剂装卸不便环氧乙烷流化床反应器 传热好，温度易控，适于强放热反应 返混大，转化率低，催化剂磨损大，带出严重 丙烯氨氧化 移动床反应器 固相物料或催化剂移动，返混小 温差大，难控制 石灰石煅烧 液固 滚筒反应器 返混小 相接触面小，传热、传质效率低 低压聚乙烯 固固 滚筒反应

21、器 返混小 相接触面小，传热、传质效率低 蒽醌 螺杆反应器 返混小 相接触面小，传热、传质效率低 氟硅酸钠 气液固 浆态反应器 温度易控 返混大 生化反应器 三相反应器 研究中 多相反应器的特征（续）工业反应器的基本类型4. 按传热方式分类反应器分成绝热式和传热式反应器，后者常称为等温反应器分类 特点 缺点 应用实例 绝热式反应器 除环境自然冷却外，没有专门的加热和冷却设施，结构简单，可借助物料显热调节。 反应温度不稳定，仅适用于热效应不大、对温度不敏感的反应。 乙烯水合 间接传热反应器 外夹套反应器 结构简单，不占内部空间。 传热面小，传热效果差，不适于热效应大的反应。 搪玻璃搅拌釜 内蛇管

22、反应器 传热效果好 结构复杂。 硝化 列管式反应器 传热效果好 结构复杂。 环氯乙烷 外循环反应器 强化换热，效果好 设备费用高。 放热水解 反应器传热方式特征 工业反应器的基本类型分 类 特点 缺点 应用实例 直接传热反应器 冷激式 反应器 使用惰性载热介质（水或蒸汽）与物料直接接触实现快速换热 反应温度不稳定，适于对温度不敏感的反应。 乙苯脱氢 蓄热式 反应器 按循环间隔的“预热装置进料预热”方式操作，靠蓄热提供能量。 反应温度不稳定，适于对温度不敏感的反应。 高温裂解 蒸发式 反应器 利用物料蒸发逸出、冷凝、再回流，以相变热形式将反应热带出体系，温度恒稳、易控。 要求物料或溶剂沸点适合

23、一般使用溶剂的反应 反应器传热方式特征（ 续）工业反应器的基本类型4.从反应的转化率和选择性来考虑反应器对于可逆放热反应，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器。对于平行反应，为了抑制副反应，提高反应的选择性，可依据主反应和副反应的反应级数的高低来选择反应器。如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性有利，则采用活塞流反应器或半连续操作的搅拌釜，若主反应级数小于副反应技术，反应物的浓度高会促使副反应加速，会降低反应的选择性，这种情况就应采用返混程度大的反应器，如连续操作的搅拌釜或回路式反应器。对于串连反应，为

24、了抑制副反应，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。在选择反应器时，有事单一型式的反应器不能满足所有工艺要求，可以考虑用几种不同型式的反应器串连使用。实际中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都不能忽略。第四节 热交换网络的合成在流程设计中，运用热交换网络合成技术，是合理利用能源，降低生产成本的有效措施。所谓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

25、免使用外热源，充分利用系统内的热量，以降低生产建设中所需的公用工程费用。第五节 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，主要有：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。一、分离方法常见的分离方法主要有：1.气固相混合物的分离一般是对气体进行除尘净制，有干法和湿法。干法包括重力沉降、离心沉降、静电沉降等。湿法包括喷淋洗涤（喷淋塔、喷射式洗涤器等）2.固体混合物的分离多见于选矿和矿物分级，主要有筛分、浮选和

26、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、浸取和结晶等。沉降分离有：重力沉降和离心沉降等；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等；蒸发有：长管蒸发、薄膜蒸发、强制循环蒸发等；浸取主要采用釜式浸取器；结晶则有一步结晶和分步结晶。4.液体混合物的分离分离方法有：蒸馏、萃取、离子交换、膜分离、电渗析、色层析等。5.气体混合物的分离分离方法有：吸收、吸附、扩散、冷冻、气体渗透、液氮洗涤和色谱法等。二、选用分离方法的原则应考虑生产产品的产值和产品的 精细化程度：对于高产值和精细化程度高的产品，分离成本不是主

27、要问题，可以选用一些高效分离方法；对于那些产量很大产值相对较低的产品，则应考虑分离的成本，可选用那些较为便宜或分离步骤少的常规分离方法。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液体的物流容易堵塞管道，而且消耗的能量也较大；应尽可能避免在分离过程中加入除了被分离物料以外的其他物质，因为以后的工艺步骤中要增加分离这些物质的分离步骤；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；对于需要高压才能分离的物质，应先进行分离。最容易分离的组分总是首先被分离

28、出来 ，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因。选择分离方法是一项技术性很强的工作，必须有针对性，只有对被分离物质的物理化学性质，含量和分离要求都了解清楚之后，才能进行选择。三、多组分混合物分离顺序的确定选择分离方法至今没有严格的规则可遵循，通常都是采用试探规则。1.试探法试探法是根据试探规则来合成分离序列的方法。A、选择分离方法的试探规则：a、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。需要注意的是：物质的分子性质对一些分离过程的分离因子有影响，因此，可以根据混合物中各种组分分子性质的差异来选择可能产生较大分

29、离因子的分离方法。表6-8 影响分离因子的分子的性质分子的性质受影响的分离过程分子的性质受影响的分离过程相对分子质量精馏、蒸发、气相扩散偶极距、极性萃取、吸附分子的形状吸附、结晶分子的电负荷电除尘、电除雾分子的体积吸附化学活性化学吸收、反应精制b、尽量避免苛刻的分离要求；c、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。因为由速率控制过程的每一级都需要加入能量，而平衡过程只需一次加入能量。d、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方法。因为在混合物料中加入另外

30、的组分后，又面临着与该组分的分离而增加了分离过程的费用。e、在选择分离方案时，首先应考虑精馏，只有精馏方案被否认之后，才考虑其他的分离方法，因为精馏具有以下有点：（1）精馏是平衡分离过程，无其他分离剂加入；（2）系统内不含固体物料，操作方便；（3）技术成熟；（4）无处理物料量的限制，小规模和大规模均可；（5）对输入的能量要求不高，能量的利用也较好。如果分离因子小于1.05时，采用精馏分离分离需要很多平衡分离级数，过程进行较为困难，此时可以考虑采用别的分离方法代替。B.确定分离顺序顺序的试探规则对于一个多组分混合溶液体系的分离，其分离顺序可按以下规则考虑：a、把分离因子接近于1的难分离组分放在最

31、后进行；b、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排序，逐个依次分离；c、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；d、对于回收率要求高的组分放在后面分离；e、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.调优合成法调优合成法是以一个由试探法确定的初始流程为基础，对分离方案进行修正，使之接近于最优流程的方法。A、调优合成的步骤：a、确定一个初始流程：可取由试探法确定的流程；b、根据调优规则来考虑初始流程可以允许的结构变化；c、对各种可能改变的结构进行分析，确定改进方案；

32、d、以改进方案为基础，再进行分析，作进一步的改进。B、改变流程结构应具备的特性a、有效性：根据调优规则拟定的分离顺序应当是可行的。b、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；c、直观合理性：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；C、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。第六节 物料搭配和最佳操作时间的配合一、物料搭配 在化工生产中，物料的选择，产品和副产品的回收与搭配，都会有多种方案，究竟如何组织，这就是工艺流程中生产物料的搭配问题，在流程设计中是必须考

33、虑的。例：燃烧硫磺生成二氧化硫，是一个强放热过程。通常采用的方法是用喷嘴将空气（或氧）与吸入的硫磺粉一道送入燃烧炉内燃烧，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。究竟如何选择不参与反应的气体和如何进行物料搭配，有两种方案可供选择。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，其流程为：空气O2N2S + O2 SO2燃烧炉N2为不参与反应的气体S分离N2（夹带少量SO2）SO2图6-24 硫磺燃烧流程的方案一该方案直接采用空气为原料，工艺简单，成本较低。但反应后分离的N2中夹带SO2造成SO2损失。方案二：用SO2为不参与

34、反应的气体来稀释氧气，但从空气制氧，须先深冷分离N2。N2可作为另一种产品，其流程为：空气S + O2 SO2燃烧炉SO2为不参与反应的气体O2分离N2(产品)SO2(产品)图6-25 硫磺燃烧流程的方案二该流程方案获得的SO2较纯，不需要分离不参与反应的气体，但原料氧需从空分中获得，由空分获得的N2是有用的产品。两个方案的比较在技术上都较成熟，都有完整的设计资料和定型设备。由于方案二采用了空分工艺，技术难度要高于方案一。在投资费用上，方案二的投资也大于方案一，但方案二可获得SO2和N2两个产品，而其SO2的质量也高于方案一所生成的SO2，其经济效益显然要高于方案一。如果实施该项目的地区技术力

35、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 化工工艺流程都是由若干工艺步骤合成的，而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，也就是对流程中各个工艺步骤制定一个合理的操作时间分配表。这种操作时间分配表对于间歇操作尤为重要。 设计工艺流程时，根据各个工艺步骤所需操作时间，可以考虑设备并联或串连，是否需要备用设备或者轮换操作，以及考虑增设贮槽和贮气柜的措施等等。 最佳操作时间的合理分配是保证流程畅通的重要条件。但是按最佳

36、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。如果各个操作工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。如果各工序之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； 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。3.中断工序衔接链进行配合；4.破坏工序衔接

37、进行配合。 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。第七节 工艺流程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。先对每个单一的化工过程寻优，则可运用有关的化学工程理论进行优化分析，再进行综合，则可寻找到优化的工艺流程。流程优化的若干基本概念1.优化的数学表达术语 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 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。 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一般很多，方程式中的变量数往往超过方程式数，两者之差等于自由度。即： D= M N D:自由度 M