化工过程开发 3艺流程的实验室研究与概念设计课件

工艺流程的实验室研究与概念设计工艺流程的实验室研究与概念设计3.1基本概念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，称之为“工艺流程”。原料预处理化学反应分离与提纯循环化工生产流程模式废料产品3.1基本概念工艺流程原料预处理化学反应分离与提纯循环化工工艺流程图(ProcessFlowChart)

以图解的方式整理、标示工艺过程，包括输入和输出系统的物流(含废弃物)和能量流。工艺设备流程图(TechnologicalEquipmentFlowChart)

以图解的方式标示出一个工艺过程的主要工艺设备，包括输入和输出这些工艺设备的物流(含废弃物)和能量流。工艺流程图(ProcessFlowChart)

化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件3.2概念设计方法－工艺流程图

概念设计是工程开发研究的第一步,是工程与工艺早期结合部－工程可行性的基础研究.3.2概念设计方法－工艺流程图概念设计是工程开发研究设计：是一种多目标优化问题，不是只有唯一正确的答案，要多方案并存，多角度比较，作决策依据是创造性劳动。方法：工艺流程图－由操作单元组成，矩形或圆形。设计：是一种多目标优化问题，不是只有唯一正确的答案，要多方案案例1：合成氨案例1：合成氨化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件以天然气CH4代替水电解制H2

以天然气CH4代替水电解制H2化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件

杂质积累问题：CH4，H2等，经济的办法是部分排空（～10％）这只是定性的工艺原理流程图，还必须进一步细化。杂质积累问题：CH4，H2等，经济的办法是部分排空（～案例2：纯碱生产路布蓝法制碱（LeBlancProcess）索尔维法－氨碱法铬盐转化法制碱纯碱是一种重要的化工原料，广泛用于食品、造纸、医药、玻璃、肥皂、印染工业乃至人民日常生活。案例2：纯碱生产路布蓝法制碱（LeBlancProcess路布蓝法制碱分三步：2NaCl+H2SO4=Na2SO4+2HClNa2SO4+4C=Na2S+4CONa2S+CaCO3=Na2CO3+CaS1791年，法国医生路布兰首先取得专利，以食盐为原料，制得了纯碱，是为路布兰制碱法。路布蓝法制碱分三步：1791年，法国医生路布兰首先取得专利，索尔维法－氨碱法1862年，比利时人索尔维（Ernest

Solvay,1832-1922）以食盐、氨、二氧化碳为原料，制得了碳酸钠，是为氨碱法

反应分三步进行：

NH3+CO2+H2O===NH4HCO3

NH4HCO3+NaCl===NaHCO3+NH4Cl

2NaHCO3===Na2CO3+CO2

+H2O

反应生成的CO2可以回收再用，而NH4Cl又可以与生石灰反应，产生NH3，重新作为原料使用：2NH4Cl+CaO===2NH3+CaCl2+H2O

索尔维法－氨碱法1862年，比利时人索尔维（Ernest

S铬盐转化法制碱化学原理

以Cr2O7-代替NH4的新原理﹑新方法，可用于Na2SO4,K2SO4,NaCl制碱。铬盐转化法制碱化学原理3．3工艺流程图设计的一些常规

（1）方块图（黑箱）的相对性：整体与部分的界限；（2）操作单元的灰色空间－设备选型；（3）进出物流的质量平衡与热量平衡；3．3工艺流程图设计的一些常规（1）方块图（黑箱）的相对化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件3．4从工艺流程到设备流程

黑箱－灰箱－白箱－设备3．4从工艺流程到设备流程例1．合成NH3

哈伯————博施法（Haber－Bosch）

（1918年）（1931年）

H2来源－合成反应器－催化剂

三个技术难题（Bosch）

哈伯在写给巴斯夫的信中说：我对伟大进展表示祝贺。对新的见解及其不断地被破解感到陌生。有人早已试验过铁，我本人用纯铁试验过数百次，现在用的却是非纯铁。我由此学习到，人们应跟踪事物发展的每一项踪迹，直到最后。例1．合成NH3哈伯————博施法（Haber－Bosc80g/hr80g/hr例六：气升双环流液体发酵反应器原理：外界周期刺激强化生物反应例六：气升双环流液体发酵反应器原理：外界周期刺激强化生物21例七：压力脉动固态发酵反应器例七：压力脉动固态发酵反应器例合成氨技术开发

1754年，普里斯特列（Priestley）在实验室进行了氯化铵和石灰反应，得到氨约30年后，伯托利（Bertholet）确定了氨的成分1795年，希尔德布兰德（Hildebrand）在常压下，进行N2和H2制氨的尝试，此后又采用催化剂、电弧、高温、高压等途经和方法进行了氨合成反应途经的探索，除得到恒量氨之外，由于缺乏理论指导，都归于失败。1850～1900年，化学热力学、化学动力学、催化剂等新兴学科领域的研究取得进展。Van’tHoff把热力学应用于化学领域，建立了化学平衡概念。合成氨工业发展简史例合成氨技术开发1754年，普里斯特列（Priestle23

勒夏忒列（LeChartelier）提出化学平衡移动规律，认为较高的压力有利于增加氨的产率。1901年，他进行高压氨合成试验，以反应器爆炸告终。

1902年，哈伯（Haber）开始研究，初步结果是1000℃，常压，氨转化率小于0.01%。采用更高的温度和催化剂，反应没有明显的改进。哈伯采用勒夏忒列将高温与高压结合起来的技术，在耐高温、高压设备的设计与制造，催化剂研制和化学平衡等三方面进行了研究，提出了“可逆”与“平衡”两个概念，测定了一批氨合成反应平衡数据。

1909年，哈伯发表了以锇为催化剂，氨浓度为6％的研究成果。并针对反应特征进行了流程设计，获得专利。

1909年，德国BASF购买了哈伯的专利，并作了进一步的开发研究，由波施（Boschk）为项目负责人

1912年，第一座30t/d合成氨装置建成。1913年投产，1914年达到设计水平勒夏忒列（LeChartelier）提出化学平衡移动规合成氨技术的开发基础研究：常温常压，反应基本上不能进行1000℃，常压，转化率小于0.01%高温，提高反应系统的压力，转化率提高研究反应过程的热力学和动力学测定了反应的平衡常数研制了加速氨合成反应的锇催化剂合成NH3

哈伯————博施法（Haber－Bosch）

（1918年）（1931年）合成氨技术的开发基础研究：合成NH3哈伯————博施法（（1）反应器选型－－固定床管式反应器（2）工艺条件的优化（3）预设计工艺流程（4）反应器的放大和工业化（BoschK）（5）从合成氨开发获得的启示合成氨技术的开发（1）反应器选型－－固定床管式反应器合成氨技术的开发500～600℃17.5～20MPa锇催化剂80g/h500～600℃80g/h预设计工艺流程针对反应特征，哈伯进行流程设计，并获得专利，其要点如下：由于反应的转化率较低，反应后的气体在分离氨后，剩余的氮、氢混合气应返回利用。反应后的高温气体应与反应前的原料气换热。这样既预热了反应前的气体，又使反应后的气体降温，使热能得到充分利用。利用产品氨的蒸发来冷却循环气，达到氨分离的目的。考虑了物料和能量的综合利用和产品的分离方法。从生产的角度看，是比较合理的，为开发工业化装置奠定了基础。预设计工艺流程针对反应特征，哈伯进行流程设计，并获得专利，其反应器的放大和工业化研制了稳定可靠的廉价催化剂天然磁铁矿含少量K/Mg/Al/Ca为助催化剂的铁催化剂（6500次试验，2500个配方）合成反应器材质与设计建立模型试验装置低碳钢→含微量碳的纯铁列管式固定床反应器，管间走冷原料气开发依据：可逆放热反应的反应特征，催化剂活性温度范围等方面进行全方位开发提供廉价的氮气和氢气反应器的放大和工业化研制了稳定可靠的廉价催化剂造气反应器净化器合成反应器冷凝器(-35℃)NH3冷凝器(-190℃)焦炭(无烟煤)水蒸汽空气N2H2N2H2N2H2N2H2N2H2NH3H2,CO,CO2,COS等造气反应器净化器合成反应器冷凝器(-35℃)NH3冷凝器焦炭从合成氨开发获得的启示产品的经济效益和社会效益是推进研究与开发的巨大动力逐级放大的开发过程正确的理论指导事开发工作成功的捷径在实验室研究阶段应充分考虑实现工业化的可行性在实验室研究完成之后，还必须解决与工业生产有关的一些技术问题技术开发的成功与科技水平密切相关20世纪初实现的高温高压技术、空气分离技术和深度冷冻技术促进合成氨工业化合成氨技术的开发，又推动了催化剂制备技术，高温高压技术，深冷分离技术等近代化工技术的发展从合成氨开发获得的启示产品的经济效益和社会效益是推进研究与开

H2来源－合成反应器－催化剂

三个技术难题（Bosch）

哈伯在写给巴斯夫的信中说：我对伟大进展表示祝贺。对新的见解及其不断地被破解感到陌生。有人早已试验过铁，我本人用纯铁试验过数百次，现在用的却是非纯铁。我由此学习到，人们应跟踪事物发展的每一项踪迹，直到最后。

3.2概念设计方法－工艺流程图设计：是一种多目标优化问题，不是只有唯一正确的答案，要多方案并存，多角度比较，作决策依据是创造性劳动。方法：工艺流程图－由操作单元组成，矩形或圆形。3.2概念设计方法－工艺流程图设计：是一种多目标优化问题，杂质积累问题：CH4，H2等，经济的办法是部分排空(～10%)这只是定性的工艺原理流程图，还必须进一步细化。以天然气为原料制H2杂质积累问题：CH4，H2等，经济的办法是部分排空(～10%3．3工艺流程图设计的一些常规

（1）方块图（黑箱）的相对性：整体与部分的界限（2）进出物流的质量平衡与热量平衡（3）操作单元的灰色空间－设备选型3．3工艺流程图设计的一些常规（1）方块图（黑箱）的相对化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件3．4从工艺流程到设备流程

黑箱－灰箱－白箱－设备3．4从工艺流程到设备流程案例1：纯碱生产路布蓝法制碱（LeBlancProcess）索尔维法－氨碱法侯氏联合制碱法铬盐转化法制碱纯碱是一种重要的化工原料，广泛用于食品、造纸、医药、玻璃、肥皂、印染工业及日常生活案例1：纯碱生产路布蓝法制碱（LeBlancProcess路布蓝法制碱分三步：2NaCl+H2SO4=Na2SO4+2HClNa2SO4+4C=Na2S+4CONa2S+CaCO3=Na2CO3+CaS1791年，法国医生路布兰首先取得专利，以食盐为原料，制得了纯碱，是为路布兰制碱法。路布蓝法制碱分三步：1791年，法国医生路布兰首先取得专利，侯氏联合制碱法在索尔维制碱法的滤液中加入食盐固体，并在30℃～40℃下往滤液中通入NH3和CO2，使它达到饱和，然后冷却到10℃以下，结晶出NH4Cl(一种化肥)，其母液又可重新作为索尔维制碱法的制碱原料。新的工艺不仅提高了食盐的利用率(达98%)，由于把制碱和制氨的生产联合起来，省去了石灰石煅烧产生CO2和蒸氨的设备，从而节约了成本，大大提高了经济效益。侯氏联合制碱法在索尔维制碱法的滤液中加入食盐固体，并在30℃索尔维法－氨碱法总反应式：化学原理:方法:∆索尔维法－氨碱法总反应式：化学原理:方法:∆化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件铬盐转化法制碱化学原理

以Cr2O7-代替NH3的新原理﹑新方法，可用于Na2SO4,K2SO4,NaCl制碱。总反应式：铬盐转化法制碱化学原理以Cr2O7-代替NH3的新原理﹑新一种以芒硝为原料制取纯碱的全新工艺化学原理:总反应式:CN02146254.2王天贵，李佐虎一种以芒硝为原料制取纯碱的全新工艺化学原理:总反应式:CN45新芒硝制碱工艺流程示意图CaSO4Na2SO4CaCO3热解反应固液分离碳酸化固液分离煅烧Na2CO3Na2CrO4水溶液CO2NaHCO3Na2Cr2O7水溶液CO2具体实施方式：取一定量的Na2Cr2O7，加水配成Na2Cr2O7水溶液。然后按比例称取一定量的Na2SO4和CaCO3，一起加入反应器中。在常压沸腾搅拌状态下反应一定时间，趁热过滤、洗涤。固体CaSO4去制新型建材原料，滤液去碳化塔碳化。碳化结束，固液分离，洗涤。液体Na2Cr2O7溶液返回第一步，固体经处理、热解得Na2CO3。新芒硝制碱工艺流程示意图CaSO4Na2SO4优点工艺简单利用了铬钠盐的特殊性质，经过简单的反应过程即可从芒硝制得纯碱，因而工艺简单，流程短。能耗低没有高温反应，CaCO3的分解是在常压、小于110℃条件下进行；无蒸发浓缩过程。无污染系统中产生的CaSO4将采用特殊方法制成新型建材原料，不仅无污染，还可增加经济效益。可以利用工业废芒硝如铬盐工业中的副产品含铬芒硝为原料，变废为宝优点工艺简单利用了铬钠盐的特殊性质，经过简单的反应过程熔态水解法联产酸碱总反应式熔态水解法联产酸碱KCl熔态水解联产HCl与K2CO3生产设备流程图KCl熔态水解联产HCl与K2CO3生产设备流程图例3：气升双环流液体发酵反应器原理：外界周期刺激强化生物反应例3：气升双环流液体发酵反应器原理：外界周期刺激强化生物50例4：压力脉动固态发酵反应器例4：压力脉动固态发酵反应器练习二1.何谓概念设计？它的目的、任务、内容是什么？如何进行？举例说明。2.合成氨技术在化学工业发展中的地位何在？哈伯与博施在其中各发挥了什么作用？有何联系与区别？为什么都获得诺贝尔奖？3.对于一个新的化学反应，为何进行反应动力学测定并建立数学模型？如何用以设计连续生产过程？4.设备选型与创新研制在工程开发研究过程中的作用，举例说明。练习二1.何谓概念设计？它的目的、任务、内容是什么？如何进行煤变油工艺流程示意图煤变油工艺流程示意图化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件索尔维法－氨碱法总反应式：化学原理:方法:∆索尔维法－氨碱法总反应式：化学原理:方法:∆化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件我国合成法制碱产量居世界第1位，纯碱总产量居世界第2位。2003年底，我国纯碱生产能力达到12000kt/a纯碱生产方法：氨碱法（52.5%）、联碱法（40.2%）和天然碱法（7.3%）。“三废”排放：每生产1t的纯碱，要排放蒸馏废液、废渣约10m3(其中含固体渣约300～350kg)，还要排放一、二次泥0.5～0.6m3(其中含固体渣约100～110kg)。除此之外，尚有石灰窑小块石灰石，石灰消化的废渣(50～80kg/t)以及各种燃料燃烧后排出的灰渣。合成碱法面临的挑战；节能降耗、提高产品质量、重视环保我国合成法制碱产量居世界第1位，纯碱总产量居世界第2位。20化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件铬盐转化法制碱化学原理

以Cr2O7-代替NH3的新原理﹑新方法，可用于Na2SO4,K2SO4,NaCl制碱。总反应式：铬盐转化法制碱化学原理以Cr2O7-代替NH3的新原理﹑新一种以芒硝为原料制取纯碱的全新工艺化学原理:总反应式:CN02146254.2王天贵，李佐虎一种以芒硝为原料制取纯碱的全新工艺化学原理:总反应式:CN60新芒硝制碱工艺方框流程图CaSO4Na2SO4CaCO3热解反应固液分离碳酸化反应固液分离热解反应Na2CO3Na2CrO4水溶液CO2NaHCO3Na2Cr2O7水溶液CO2具体实施方式：取一定量的Na2Cr2O7，加水配成Na2Cr2O7水溶液。然后按比例称取一定量的Na2SO4和CaCO3，一起加入反应器中。在常压沸腾搅拌状态下反应一定时间，趁热过滤、洗涤。固体CaSO4去制新型建材原料，滤液去碳化塔碳化。碳化结束，固液分离，洗涤。液体Na2Cr2O7溶液返回第一步，固体经处理、热解得Na2CO3。新芒硝制碱工艺方框流程图CaSO4Na2SO4工艺简单利用了铬钠盐的特殊性质，经过简单的反应过程即可从芒硝制得纯碱，因而工艺简单，流程短。能耗低没有高温反应，CaCO3的分解是在常压、小于110℃条件下进行；无蒸发浓缩过程。无污染系统中产生的CaSO4将采用特殊方法制成新型建材原料，不仅无污染，还可增加经济效益。可以利用工业废芒硝如铬盐工业中的副产品含铬芒硝为原料，变废为宝优点工艺简单利用了铬钠盐的特殊性质，经过简单的反应过程即可62化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件工艺流程简图(工艺流程方块图)工艺流程图(PFD)管道仪表流程图(PID)全部重要设备主要操作条件物流组成和流向热量平衡关系质量平衡关系只定性地标出物料由原料转化为产品的流向顺序及采用的过程设备带控制点管道流程图注明生产过程的测量与控制点位置，设备连接部位和方法以及设备的详细型号规格工艺流程简图工艺流程图管道仪表流程图全部重要设备主要操作例洗涤剂（十二烷基苯磺酸钠）的生产工艺工艺原理和工艺路线：1、烷基化反应：2、磺化反应：3、中和反应：例洗涤剂（十二烷基苯磺酸钠）的生产工艺工艺原理和工艺路线：65洗涤剂生产工艺

方框流程图烷基化反应精馏磺化反应油水分离器中和反应干燥产品苯十二烯AlCl3淤泥AlCl3轻馏分杂质重馏分杂质(SO3)=20%的发烟硫酸=78%的废硫酸=20%的氢氧化钠溶液(十二烷基苯磺酸钠)水洗涤剂生产工艺

方框流程图烷基化反应精馏磺化反应油水66洗涤剂生产工艺方案流程图洗涤剂生产工艺方案流程图工艺流程图流程说明书工艺技术方案工艺原理/步骤的说明原料规格和要求工艺条件生产规模产品规格生产指标工艺流程图流程说明书工艺技术方案工艺原理/步骤的说明设计流程应考虑的问题技术的成熟程度技术的先进性和可靠性流程的可操作性投资和操作费用安全环境和生态设计流程应考虑的问题技术的成熟程度合成路线、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经即为化学合成路线1、生产成本如丙烯腈的合成：（1）用乙炔和氰化氢在二氯化铜（CuCl2）催化剂的水溶液中反应。反应温度维持在70℃（2）丙烯氨氧化：在400～500℃条件下进行气、固相催化反应，氧化剂为空气。（转化率>90％）（3）丙烷氨氧化；(转化率20～80％)丙烯腈$0.37/1b；丙烯$0.17/1b；丙烷$0.083/1b理想的反应路径是利用最便宜的原料并产生最少量的副产品合成路线、操作方式及其他一、选择合成路线丙烯腈$0.37/70路径1：路径2：路径3：物料相对分子量价格(元/kg)物料相对分子量价格(元/kg)乙烯283.5氯化氢362.3乙炔266.5氯乙烯623.0氯气711.5以经济效益(EP)作为选择判据。定义EP＝产品价值－原料价值路径1：EP1＝(623.0)－(283.5+711.5)=－18.5元/kmol氯乙烯产品

EP2＝(623.0＋362.3)－(283.5+711.5)=64.3元/kmol路径2：EP＝(2623.0)－(283.5+266.5+711.5)=－1.5元/kmol路径3：EP＝(2623.0)-(2283.5+712.3)=12.7元/kmol氯乙烯产品2、产品和副产品的分配如氯乙烯的生产：路径1：物料相对分子量价格物料相对分子量价格乙烯283.5氯713、从反应的自由焓（∆G）考虑（1）∆G<0时，反应较易进行，这样的反应路线可以考虑选择（2）∆G<40kJ/mol时，这样的反应路线还可以进行，也值得考虑选择（3）∆G>kJ/mol时，反应较难进行，只有在特殊条件下才作考虑3、从反应的自由焓（∆G）考虑72化学平衡数据化学平衡数据是确定工艺方法和设计路线的重要参数，同时也是对工艺技术路线进行评价的依据之一。化学平衡关系由平衡常数表示。设化学反应为：当达到化学热力学平衡时，则有：式中：K为化学反应的平衡常数；∆Hr为化学反应的热焓；∆Sr为化学反应的熵；R为摩尔气体常数；T为热力学温度由于∆Hr和∆Sr在一定温度区间内保持不变。则化学平衡数据化学平衡数据是确定工艺方法和设计路线的重要参数，合成氨反应的平衡常数测定T/K(1/T)/103KKlgK2983.366.21035.794732.116.210-1-0.216731.496.010-4-3.22合成氨反应的平衡常数测定T/K(1/T)/103KKlgK2工艺流程的实验室研究与概念设计工艺流程的实验室研究与概念设计3.1基本概念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，称之为“工艺流程”。原料预处理化学反应分离与提纯循环化工生产流程模式废料产品3.1基本概念工艺流程原料预处理化学反应分离与提纯循环化工工艺流程图(ProcessFlowChart)

以图解的方式整理、标示工艺过程，包括输入和输出系统的物流(含废弃物)和能量流。工艺设备流程图(TechnologicalEquipmentFlowChart)

以图解的方式标示出一个工艺过程的主要工艺设备，包括输入和输出这些工艺设备的物流(含废弃物)和能量流。工艺流程图(ProcessFlowChart)

化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件3.2概念设计方法－工艺流程图

概念设计是工程开发研究的第一步,是工程与工艺早期结合部－工程可行性的基础研究.3.2概念设计方法－工艺流程图概念设计是工程开发研究设计：是一种多目标优化问题，不是只有唯一正确的答案，要多方案并存，多角度比较，作决策依据是创造性劳动。方法：工艺流程图－由操作单元组成，矩形或圆形。设计：是一种多目标优化问题，不是只有唯一正确的答案，要多方案案例1：合成氨案例1：合成氨化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件以天然气CH4代替水电解制H2

以天然气CH4代替水电解制H2化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件

杂质积累问题：CH4，H2等，经济的办法是部分排空（～10％）这只是定性的工艺原理流程图，还必须进一步细化。杂质积累问题：CH4，H2等，经济的办法是部分排空（～案例2：纯碱生产路布蓝法制碱（LeBlancProcess）索尔维法－氨碱法铬盐转化法制碱纯碱是一种重要的化工原料，广泛用于食品、造纸、医药、玻璃、肥皂、印染工业乃至人民日常生活。案例2：纯碱生产路布蓝法制碱（LeBlancProcess路布蓝法制碱分三步：2NaCl+H2SO4=Na2SO4+2HClNa2SO4+4C=Na2S+4CONa2S+CaCO3=Na2CO3+CaS1791年，法国医生路布兰首先取得专利，以食盐为原料，制得了纯碱，是为路布兰制碱法。路布蓝法制碱分三步：1791年，法国医生路布兰首先取得专利，索尔维法－氨碱法1862年，比利时人索尔维（Ernest

Solvay,1832-1922）以食盐、氨、二氧化碳为原料，制得了碳酸钠，是为氨碱法

反应分三步进行：

NH3+CO2+H2O===NH4HCO3

NH4HCO3+NaCl===NaHCO3+NH4Cl

2NaHCO3===Na2CO3+CO2

+H2O

反应生成的CO2可以回收再用，而NH4Cl又可以与生石灰反应，产生NH3，重新作为原料使用：2NH4Cl+CaO===2NH3+CaCl2+H2O

索尔维法－氨碱法1862年，比利时人索尔维（Ernest

S铬盐转化法制碱化学原理

以Cr2O7-代替NH4的新原理﹑新方法，可用于Na2SO4,K2SO4,NaCl制碱。铬盐转化法制碱化学原理3．3工艺流程图设计的一些常规

（1）方块图（黑箱）的相对性：整体与部分的界限；（2）操作单元的灰色空间－设备选型；（3）进出物流的质量平衡与热量平衡；3．3工艺流程图设计的一些常规（1）方块图（黑箱）的相对化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件3．4从工艺流程到设备流程

黑箱－灰箱－白箱－设备3．4从工艺流程到设备流程例1．合成NH3

哈伯————博施法（Haber－Bosch）

（1918年）（1931年）

H2来源－合成反应器－催化剂

三个技术难题（Bosch）

哈伯在写给巴斯夫的信中说：我对伟大进展表示祝贺。对新的见解及其不断地被破解感到陌生。有人早已试验过铁，我本人用纯铁试验过数百次，现在用的却是非纯铁。我由此学习到，人们应跟踪事物发展的每一项踪迹，直到最后。例1．合成NH3哈伯————博施法（Haber－Bosc80g/hr80g/hr例六：气升双环流液体发酵反应器原理：外界周期刺激强化生物反应例六：气升双环流液体发酵反应器原理：外界周期刺激强化生物95例七：压力脉动固态发酵反应器例七：压力脉动固态发酵反应器例合成氨技术开发

1754年，普里斯特列（Priestley）在实验室进行了氯化铵和石灰反应，得到氨约30年后，伯托利（Bertholet）确定了氨的成分1795年，希尔德布兰德（Hildebrand）在常压下，进行N2和H2制氨的尝试，此后又采用催化剂、电弧、高温、高压等途经和方法进行了氨合成反应途经的探索，除得到恒量氨之外，由于缺乏理论指导，都归于失败。1850～1900年，化学热力学、化学动力学、催化剂等新兴学科领域的研究取得进展。Van’tHoff把热力学应用于化学领域，建立了化学平衡概念。合成氨工业发展简史例合成氨技术开发1754年，普里斯特列（Priestle97

勒夏忒列（LeChartelier）提出化学平衡移动规律，认为较高的压力有利于增加氨的产率。1901年，他进行高压氨合成试验，以反应器爆炸告终。

1902年，哈伯（Haber）开始研究，初步结果是1000℃，常压，氨转化率小于0.01%。采用更高的温度和催化剂，反应没有明显的改进。哈伯采用勒夏忒列将高温与高压结合起来的技术，在耐高温、高压设备的设计与制造，催化剂研制和化学平衡等三方面进行了研究，提出了“可逆”与“平衡”两个概念，测定了一批氨合成反应平衡数据。

1909年，哈伯发表了以锇为催化剂，氨浓度为6％的研究成果。并针对反应特征进行了流程设计，获得专利。

1909年，德国BASF购买了哈伯的专利，并作了进一步的开发研究，由波施（Boschk）为项目负责人

1912年，第一座30t/d合成氨装置建成。1913年投产，1914年达到设计水平勒夏忒列（LeChartelier）提出化学平衡移动规合成氨技术的开发基础研究：常温常压，反应基本上不能进行1000℃，常压，转化率小于0.01%高温，提高反应系统的压力，转化率提高研究反应过程的热力学和动力学测定了反应的平衡常数研制了加速氨合成反应的锇催化剂合成NH3

哈伯————博施法（Haber－Bosch）

（1918年）（1931年）合成氨技术的开发基础研究：合成NH3哈伯————博施法（（1）反应器选型－－固定床管式反应器（2）工艺条件的优化（3）预设计工艺流程（4）反应器的放大和工业化（BoschK）（5）从合成氨开发获得的启示合成氨技术的开发（1）反应器选型－－固定床管式反应器合成氨技术的开发500～600℃17.5～20MPa锇催化剂80g/h500～600℃80g/h预设计工艺流程针对反应特征，哈伯进行流程设计，并获得专利，其要点如下：由于反应的转化率较低，反应后的气体在分离氨后，剩余的氮、氢混合气应返回利用。反应后的高温气体应与反应前的原料气换热。这样既预热了反应前的气体，又使反应后的气体降温，使热能得到充分利用。利用产品氨的蒸发来冷却循环气，达到氨分离的目的。考虑了物料和能量的综合利用和产品的分离方法。从生产的角度看，是比较合理的，为开发工业化装置奠定了基础。预设计工艺流程针对反应特征，哈伯进行流程设计，并获得专利，其反应器的放大和工业化研制了稳定可靠的廉价催化剂天然磁铁矿含少量K/Mg/Al/Ca为助催化剂的铁催化剂（6500次试验，2500个配方）合成反应器材质与设计建立模型试验装置低碳钢→含微量碳的纯铁列管式固定床反应器，管间走冷原料气开发依据：可逆放热反应的反应特征，催化剂活性温度范围等方面进行全方位开发提供廉价的氮气和氢气反应器的放大和工业化研制了稳定可靠的廉价催化剂造气反应器净化器合成反应器冷凝器(-35℃)NH3冷凝器(-190℃)焦炭(无烟煤)水蒸汽空气N2H2N2H2N2H2N2H2N2H2NH3H2,CO,CO2,COS等造气反应器净化器合成反应器冷凝器(-35℃)NH3冷凝器焦炭从合成氨开发获得的启示产品的经济效益和社会效益是推进研究与开发的巨大动力逐级放大的开发过程正确的理论指导事开发工作成功的捷径在实验室研究阶段应充分考虑实现工业化的可行性在实验室研究完成之后，还必须解决与工业生产有关的一些技术问题技术开发的成功与科技水平密切相关20世纪初实现的高温高压技术、空气分离技术和深度冷冻技术促进合成氨工业化合成氨技术的开发，又推动了催化剂制备技术，高温高压技术，深冷分离技术等近代化工技术的发展从合成氨开发获得的启示产品的经济效益和社会效益是推进研究与开

H2来源－合成反应器－催化剂

三个技术难题（Bosch）

哈伯在写给巴斯夫的信中说：我对伟大进展表示祝贺。对新的见解及其不断地被破解感到陌生。有人早已试验过铁，我本人用纯铁试验过数百次，现在用的却是非纯铁。我由此学习到，人们应跟踪事物发展的每一项踪迹，直到最后。

3.2概念设计方法－工艺流程图设计：是一种多目标优化问题，不是只有唯一正确的答案，要多方案并存，多角度比较，作决策依据是创造性劳动。方法：工艺流程图－由操作单元组成，矩形或圆形。3.2概念设计方法－工艺流程图设计：是一种多目标优化问题，杂质积累问题：CH4，H2等，经济的办法是部分排空(～10%)这只是定性的工艺原理流程图，还必须进一步细化。以天然气为原料制H2杂质积累问题：CH4，H2等，经济的办法是部分排空(～10%3．3工艺流程图设计的一些常规

（1）方块图（黑箱）的相对性：整体与部分的界限（2）进出物流的质量平衡与热量平衡（3）操作单元的灰色空间－设备选型3．3工艺流程图设计的一些常规（1）方块图（黑箱）的相对化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件3．4从工艺流程到设备流程

黑箱－灰箱－白箱－设备3．4从工艺流程到设备流程案例1：纯碱生产路布蓝法制碱（LeBlancProcess）索尔维法－氨碱法侯氏联合制碱法铬盐转化法制碱纯碱是一种重要的化工原料，广泛用于食品、造纸、医药、玻璃、肥皂、印染工业及日常生活案例1：纯碱生产路布蓝法制碱（LeBlancProcess路布蓝法制碱分三步：2NaCl+H2SO4=Na2SO4+2HClNa2SO4+4C=Na2S+4CONa2S+CaCO3=Na2CO3+CaS1791年，法国医生路布兰首先取得专利，以食盐为原料，制得了纯碱，是为路布兰制碱法。路布蓝法制碱分三步：1791年，法国医生路布兰首先取得专利，侯氏联合制碱法在索尔维制碱法的滤液中加入食盐固体，并在30℃～40℃下往滤液中通入NH3和CO2，使它达到饱和，然后冷却到10℃以下，结晶出NH4Cl(一种化肥)，其母液又可重新作为索尔维制碱法的制碱原料。新的工艺不仅提高了食盐的利用率(达98%)，由于把制碱和制氨的生产联合起来，省去了石灰石煅烧产生CO2和蒸氨的设备，从而节约了成本，大大提高了经济效益。侯氏联合制碱法在索尔维制碱法的滤液中加入食盐固体，并在30℃索尔维法－氨碱法总反应式：化学原理:方法:∆索尔维法－氨碱法总反应式：化学原理:方法:∆化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件铬盐转化法制碱化学原理

以Cr2O7-代替NH3的新原理﹑新方法，可用于Na2SO4,K2SO4,NaCl制碱。总反应式：铬盐转化法制碱化学原理以Cr2O7-代替NH3的新原理﹑新一种以芒硝为原料制取纯碱的全新工艺化学原理:总反应式:CN02146254.2王天贵，李佐虎一种以芒硝为原料制取纯碱的全新工艺化学原理:总反应式:CN119新芒硝制碱工艺流程示意图CaSO4Na2SO4CaCO3热解反应固液分离碳酸化固液分离煅烧Na2CO3Na2CrO4水溶液CO2NaHCO3Na2Cr2O7水溶液CO2具体实施方式：取一定量的Na2Cr2O7，加水配成Na2Cr2O7水溶液。然后按比例称取一定量的Na2SO4和CaCO3，一起加入反应器中。在常压沸腾搅拌状态下反应一定时间，趁热过滤、洗涤。固体CaSO4去制新型建材原料，滤液去碳化塔碳化。碳化结束，固液分离，洗涤。液体Na2Cr2O7溶液返回第一步，固体经处理、热解得Na2CO3。新芒硝制碱工艺流程示意图CaSO4Na2SO4优点工艺简单利用了铬钠盐的特殊性质，经过简单的反应过程即可从芒硝制得纯碱，因而工艺简单，流程短。能耗低没有高温反应，CaCO3的分解是在常压、小于110℃条件下进行；无蒸发浓缩过程。无污染系统中产生的CaSO4将采用特殊方法制成新型建材原料，不仅无污染，还可增加经济效益。可以利用工业废芒硝如铬盐工业中的副产品含铬芒硝为原料，变废为宝优点工艺简单利用了铬钠盐的特殊性质，经过简单的反应过程熔态水解法联产酸碱总反应式熔态水解法联产酸碱KCl熔态水解联产HCl与K2CO3生产设备流程图KCl熔态水解联产HCl与K2CO3生产设备流程图例3：气升双环流液体发酵反应器原理：外界周期刺激强化生物反应例3：气升双环流液体发酵反应器原理：外界周期刺激强化生物124例4：压力脉动固态发酵反应器例4：压力脉动固态发酵反应器练习二1.何谓概念设计？它的目的、任务、内容是什么？如何进行？举例说明。2.合成氨技术在化学工业发展中的地位何在？哈伯与博施在其中各发挥了什么作用？有何联系与区别？为什么都获得诺贝尔奖？3.对于一个新的化学反应，为何进行反应动力学测定并建立数学模型？如何用以设计连续生产过程？4.设备选型与创新研制在工程开发研究过程中的作用，举例说明。练习二1.何谓概念设计？它的目的、任务、内容是什么？如何进行煤变油工艺流程示意图煤变油工艺流程示意图化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件索尔维法－氨碱法总反应式：化学原理:方法:∆索尔维法－氨碱法总反应式：化学原理:方法:∆化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件我国合成法制碱产量居世界第1位，纯碱总产量居世界第2位。2003年底，我国纯碱生产能力达到12000kt/a纯碱生产方法：氨碱法（52.5%）、联碱法（40.2%）和天然碱法（7.3%）。“三废”排放：每生产1t的纯碱，要排放蒸馏废液、废渣约10m3(其中含固体渣约300～350kg)，还要排放一、二次泥0.5～0.6m3(其中含固体渣约100～110kg)。除此之外，尚有石灰窑小块石灰石，石灰消化的废渣(50～80kg/t)以及各种燃料燃烧后排出的灰渣。合成碱法面临的挑战；节能降耗、提高产品质量、重视环保我国合成法制碱产量居世界第1位，纯碱总产量居世界第2位。20化工过程开发3艺流程的实验室研究与概念设计课件铬盐转化法制碱化学原理

以Cr2O7-代替NH3的新原理﹑新方法，可用于Na2SO4,K2SO4,NaCl制碱。总反应式：铬盐转化法制碱化学原理以Cr2O7-代替NH3的新原理﹑新一种以芒硝为原料制取纯碱的全新工艺化学原理:总反应式:CN02146254.2王天贵，李佐虎一种以芒硝为原料制取纯碱的全新工艺化学原理:总反应式:CN134新芒硝制碱工艺方框流程图CaSO4Na2SO4CaCO3热解反应固液分离碳酸化反应固液分离热解反应Na2CO3Na2CrO4水溶液CO2NaHCO3Na2Cr2O7水溶液CO2具体实施方式：取一定量的Na2Cr2O7，加水配成Na2Cr2O7水溶液。然后按比例称取一定量的Na2SO4和CaCO3，一起加入反应器中。在常压沸腾搅拌状态下反应一定时间，趁热过滤、洗涤。固体CaSO4去制新型建材原料，滤液去碳化塔碳化。碳化结束，固液分离，洗涤。液体Na2Cr2O7溶液返回第一步，固体经处理、热解得Na2CO3。新芒硝制碱工艺方框流程图CaSO4Na2SO4工艺简单利用了铬钠盐的特殊性质，经过简单的反应过程即可从芒硝制得纯碱，因而工艺简单，流程短。能耗低没有高温反应，CaCO3的分解是在常压、小于110℃条件下进行；无蒸发浓缩过程。无污染系统中产生的CaSO4将采用特殊方法制成新型建材原料，不仅无污染，还可增加经济效益。可以利用工业废芒硝如铬盐工业中的副产品含铬芒硝为原料，变废为宝优点工艺简单利用了铬钠盐的特殊性质，经过简单的反应过程即可136化工过程开发3艺流程的实验室