化工过程分析课件

1、一、化工过程的基本结构二、反应过程三、分离过程四、能量过程五、化工过程的整合与优化第二章化工过程分析一、化工过程的基本结构（一）典型的化工过程（二）一个化工生产过程的若干个过程阶段例如合成氨生产过程分为五个阶段： 第一阶段，造气 第二阶段，CO变换阶段 第三阶段，脱硫脱碳 第四阶段，压缩 第五阶段，合成未反应原料循环反应分离预处理能量的输入或输出原料产品副产物（一）典型的化工过程一、化工过程的基本结构第一工艺过程阶段第一步反应分离预处理中间缓冲罐原料中间半成品成品中间缓冲罐预处理分离最终反应第n工艺过程阶段（二）一个化工生产过程的若干个过程阶段一、化工过程的基本结构二、反应过程（一）反应过程设

2、计的评价指标（二）反应器选型二、反应过程（一）反应过程设计的评价指标1、转化率指某一反应物在反应过程中转化掉的量与其初始量之比，它是化学反应进行完全程度的一种志。二、反应过程（一）反应过程设计的评价指标2、选择性指同一原料可生成几种产物，即目的产物和副产物的复杂反应系统中，转化成目的产物的摩尔数与并被转化掉的原料的摩尔数之比值。二、反应过程（一）反应过程设计的评价指标3、收率指原料转化成目的产物的摩尔数与进反应系统的初始摩尔数之比值。二、反应过程（一）反应过程设计的评价指标4、操作周期从反应器开车运转到停车之间的时间称为操作周期。停车是指催化剂因结碳、中毒等原因，其活性降低以致转化率低于某一指

3、定值后，催化剂要再生或更换时，反应器必须的停车。二、反应过程（二）反应器选型1、反应器类型 按反应器的形状分为管式、釜式、和塔式反应器；按换热方式分为等温、绝热、非等温非绝热反应器等。常用的分类方法是按反应物系的相态分为均相和非均相反应器。 工业上常用的反应器及其主要特征和应用举例参见倪进方主编的化工过程设计。例如管式反应器适用与气、液、气液相反应类型。二、反应过程（二）反应器选型2、反应器选型方法可用形态分析法来解决。其过程可用下图来说明。 若解决某个问题有8种可能的方案和三个判据：A、B和C。则：图： 形态分析ACB12345678问题结论二、反应过程（二）反应器选型3、反应器选型判据（1

4、）反应类型（2）催化剂的失活速度（3）由反应的浓度效应决定的最后混合要求（4）由反应的热负荷温度效应所决定的热量传递和温度控制要求（5）相际传质和化学反应的相对速度三、分离过程（一）分离过程的分类（二）选择分离过程的原则三、分离过程（一）分离过程的分类分离过程机械分离过程如过虑、沉降、离心分离、旋风分离和静电除尘等平衡过程 如蒸发、 结晶、精馏和萃取等速率控制过程 如超滤、反渗透、电渗透等扩散分离过程二、分离过程（二）选择分离过程的原则1、过程的可行性即靠可行性分析就可以筛选掉大量不适用的分离过程。 如丙酮和乙醚，可立即断定用离子交换、电磁分离或电泳是不可行。二、分离过程（二）选择分离过程的原

5、则2、过程的类型由各类分离过程在应用中的优缺点，可归纳出某些选择原则。 如萃取精馏(和或）萃取选择原则是：其分离因子按精馏萃取精馏萃取的次序增加二、分离过程（二）选择分离过程的原则3、过程的经济性选择分离过程最基本的原则是经济性。在选择分离过程时，首先要确定产品的纯度和回收率。产品纯度越高，分离费用也越高；高回收率意味着操作成本增加 。二、分离过程（二）选择分离过程的原则4、过程的可靠性 精馏:可靠。只要给出被分离混合物中有关组分的物性数据和二元组分的气液平衡数据，就可以完成精馏过程设计。 萃取。可用于溶剂的选择确定操作条件和萃取设备选型等，有足够的可靠性，但准确程度不如精馏设计。因此进行小规

6、模试验是必要的，而设备的放大以借助萃取设备专利最为可靠。若使用公开发表的计算方法，则应评价放大方法的可靠性。二、分离过程（二）选择分离过程的原则4、过程的可靠性结晶：设计困难。需中试才有可靠性。吸附：通过小试才可靠反渗透；通过小试才可靠。超虑：通过中试才可靠。离子交换：通过中试才可靠。二、分离过程（二）选择分离过程的原则5、过程的独立操作性一般说来，在单个分离设备中完成预期的分离要求是最经济的。二、分离过程（二）选择分离过程的原则6、生产规模例如，很大规模的空气分离装置，采用低温精馏过程最经济，而小规模的空气分离装置往往采用变压吸附或中空纤维气体渗透分离等方法更为经济。四、能量过程（一）能量过

7、程分析方法（二）换热网络设计 1、问题的提出 2、换热器数量的确定 3、换热网络的合成四、能量过程（一）能量过程分析方法1、能量衡算法2、熵法分析法四、能量过程（一）能量过程分析方法1、能量衡算法是建立在热力学第一定律上的热力学分析法是分析任一装置、过程或系统的能量转化、利用和损失的能量转化、利用和损失情况,计算能量的利用率即热效率对于化工过程,能量方程的简化形式H=Q-W若没有轴功交换，可进一步简化为H=Q一般情况下，能量衡算先从单个设备开始，后扩大整个系统（见例题）下图是某合成氨二段转化气余热利用装置转化气流量5160m3/h进入和离开余热锅炉的温度 分别为1273K和643K 平均热容3

8、6KJ/KmolK 试计算余热装置的热利用率（一）能量过程分析方法、熵分析法某合成氨二段转化气余热利用装置的熵分析四、能量过程（二）换热网络设计1、问题的提出考虑一个化工系统，具有股物流需要冷却（热流），股物流需要加热（冷流）.各股物流的热容流率（流量与比热容的乘积）和温度均已知，先需要合成一个由热交换器、辅助加热器和辅助冷却器构成的换热器网络，使各股物流达到规定的温度，而总费用最小。换热器是指系统物流之间进行热量交换的换热设备；辅助加热器是指公用工程的热剂对物流加热的换热设备；辅助冷却器是指公用工程的冷剂对物流冷却的换热设备。四、能量过程（一）换热网络设计、换热器数量的确定2-1abc四、能

9、量过程（一）换热网络设计、换热网络的合成2-12-12-2图 2-1图 2-1图 2-1图2-3图2-2图2-22-3五、化工过程的整合与优化（一）原料路线的选择（二）工艺技术路线的选择（三）化工过程的整合 1、过程整合方法 2、过程整合实例（四）化工过程的优化五、化工过程的整合与优化（一）原料路线的选择一个工业项目的产品可以从几种原料取，首先遇到的问题就是选择哪种原料。 选择原料路线时应考虑： （1）可靠性 （2）经济性 （3）合理性五、化工过程的整合与优化（一）原料路线的选择选择原料路线时应考虑： （1）可靠性：必须保证在其服务期限内有足够的、稳定的原料来源。 例如若是矿石原料，要看它的储

10、藏量、品位和开采量。 凡以经过加工的原材料和部件作为原料的工业项目，最好与供应部门达成协议，以保证供应的可靠性。五、化工过程的整合与优化（一）原料路线的选择选择原料路线时应考虑： （2）经济性：在产品成本中，原料价格是一个重要因素。即要对各种原料投入后对单位成本的影响进行详细的分析。 原料价格受其供求关系变化的影响很大，要根据供求关系对将来的价格进行预测。 （1）可靠性五、化工过程的整合与优化（一）原料路线的选择选择原料路线时应考虑： （2）经济性（1）可靠性 （3）合理性：这主要是指对资源的综合利用是否合理。 例如煤、石油和天然气为主要起始原料的合理利用问题：在选择原料路线时，适当提高化工用

11、油的比例；油改煤，以节约石油消耗是合理的。五、化工过程的整合与优化（二）工艺技术路线的选择 采用一定的原材料生产某种产品，可能有多种生产方法，每种生产方法所使用的生产设备、生产工具和工艺制造过程各不相同，也就是说，有不同的工艺技术路线。每种工艺技术路线的投资费用和日常操作费用也不相同。把几种不同的工艺技术路线进行技术和经济比较，挑选出最适合的加以采用，就叫做工艺技术路线的选择，简称技术路线选择。五、化工过程的整合与优化（二）工艺技术路线的选择选择工艺技术路线的原则是：技术上先进经济上合理五、化工过程的整合与优化（二）工艺技术路线的选择选择技术路线时应考虑： 所选择的技术必须是经过全面检验、并能

12、在实践中应用的，以保证建成投产后生产的安全可靠，但也必须避免使用即将过时的技术。 必须与可能得到的主要原料结合起来考虑。如就地取材。五、化工过程的整合与优化（二）工艺技术路线的选择选择技术路线时应考虑： 不仅要考虑主要产品，而且要考虑副产品的利用价值的销售。即一项具体技术要按其所产生的全部产品组合来看。若一种供选择的技术以相同的基本原材料投入而得到更广泛的产品组合，那么就应考虑其全部产品的价值。 不选择超过自己技术吸收能力的技术（技术过盈）。五、化工过程的整合与优化（二）工艺技术路线的选择选择技术路线时应考虑： 从劳动和资金两个角度出发进行各种考虑，以便选择最适合的技术。 例如：在缺乏劳动力或

13、劳动力非常昂贵的国家或地区，选择资金相对密集的技术，可能是经济合理的；而在劳动力过剩的国家或地区，节约劳动力的技术就可能会增加必要的投资，因此应选择劳动力相对密集的技术。五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合例如，当一个化学家发现了能生产某种现有产品的新化学反应，或某种新催化剂，而设计的任务就是把这些发现转化为新的过程。在此，我们必须作出一系列假设：应该采用哪几种过程单元？这些过程单元应如何相互连接？需要什么温度、压力和流率？这就是过程的整合五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合1、过程整合方法（1）探试法（2）分离序列法则（3）形态分析（4）功能分析和调优过程综合五、化工过程的整

14、合与优化（三）化工过程的整合1、过程整合方法（1）探试法 试探法是经验法则,它是根据对许多事迹的观察归纳而来的. 试探法能帮助我们确定工艺条件和结构.如最佳回流比为最小回流比的1.21.4又如不能用离子交换法分离非离子型的化合物;最好使用能量分离剂而不用质量分离剂.五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合1、过程整合方法（）分离序列法则 通用的探试法 在对产品进行分离时，应尽量采用以下通用法则，当所有其它条件相同时，应优先采用常规蒸馏，即用能量分离剂，避免采用质量分离剂（如萃取蒸馏）五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合1、过程整合方法（1）分离序列法则 通用的探试法 ，尽快除去反应

15、性组分或单体，尽快除去腐蚀性组分，避免采用真空蒸馏或冷冻等较为极度的操作方式五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合1、过程整合方法（）分离序列法则简单塔排序的推理法则 对于有一股塔顶产品物流和一股塔底物流的情况，其分离顺序为：，流量最大的组分最先分离；，最轻的组分最先分离；五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合1、过程整合方法（）分离序列法则简单塔排序的推理法则 ，高收率的组分最后分离;，分离困难的组分放在最后；，等物质的量的组分优先分割.五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合1、过程整合方法（）分离序列法则多级分离顺序 为了清晰分割一个三组分的混合物(无共沸物),既可以先回

16、收最轻的组分,也可以先回收最重的组分(如下图).图；三元混合物蒸馏方案ABCABCCBAABC五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合1、过程整合方法（3）形态分析（见前）（4）功能分析和调优过程综合功能分析（见尿素生产过程的功能分析）调优过程综合（见甲烷塔设计的变化）尿素生产中 CO2的气提过程尿素生产中CO2气提 过程的功能分析五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合(功能分析)甲烷塔设计的变化图 1图 2图 3图4图 5图 6五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合2、过程整合实例乙烯制卤乙烯过程的整合（1）反应路线的选择 反应路线一：乙烯直接卤化 反应路线二：乙炔的氢卤化

17、反应路线三：从乙烯卤化制得二卤乙烷，再热解 反应路线四：从乙烯氧卤化制得二卤乙烷，再热解 反应路线五：乙烯卤化平衡法表；卤乙烯产品的毛利反应路线总反应式毛利（元Kg)1C2H4 + Cl2 = C2H3Cl + HCl0.942C2H2 + HCl = C2H3Cl-0.023C2H4 + Cl2 = C2H3Cl + HCl0.944C2H4 + HCl0.5O2= C2H3Cl+H2O0.245C2H4 + Cl20.5O2= C2H3Cl+H2O0.65 由上表可选择第一和第三条路线，但考虑HCl的市场需求应选择第三条反应路线。从乙烯卤化制二卤乙烷再热解的概念直接卤化热裂解HCl原料分离

18、其工艺过程简述为：催化剂90C0.15MPa500C2.6MPa五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合2、过程整合实例乙烯制卤乙烯过程的整合（2）化学品的分配直接卤化热裂解分离HClC2H3Cl排放C2H4Cl2循环C2H4Cl2Cl2C2H4五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合2、过程整合实例乙烯制卤乙烯过程的整合（3）混合物的分离用什么方法实现裂解产物的分离呢？先考察混合物的沸点，如下表所示：表；HCl、 C2H4Cl2 和C2H3Cl的沸点 由上述沸点可知，混合物中各物质沸点甚大，用蒸馏法实现分离其分离方案可用两个串联的蒸馏塔组成物质正常沸点0C压力下沸点0C0.48MPa

19、1.2MPa2.6MPaHCl84.8-51.7-26.20C2H3Cl-13.833.170.5110 C2H4Cl283.7146193242五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合2、过程整合实例乙烯制卤乙烯过程的整合（）温度、压力和相的变化（见图）物质正常沸点0C压力下沸点0C0.48MPa1.2MPa2.6MPaHCl84.8-51.7-26.20C2H3Cl-13.833.170.5110 C2H4Cl283.7146193242乙烯制氯乙烯过程中压力和相变化的流程五、化工过程的整合与优化（三）化工过程的整合2、过程整合实例乙烯制卤乙烯过程的整合（）选择适合的设备来实现温度、压力和相的变化（见图）乙烯制氯乙烯 过程中压力 和相变化的流程乙烯制氯乙烯 过程单元 组合的流程乙烯制氯乙烯过程单元组合的流程（三）化工过程的整合2、过程整合实例乙烯制卤乙烯过程的整合（5）选择适合的设备来实现温度、压力和相的变化由上的分析可知,过程整合就是设计一系列的过程操作,改变化学状态使原料转化为产品即选择一系列的过程单元,并作出流程设计（4）温度、压力和相的变化（3）混合物的分离（2）化学品的分配（1）反应路线的选择五、化工过程的整合与优化（四）化工过