化工过程开发与放大

目录

摘要.................................................................1

关键词.................................................................1

Abstract................................................................................................................................1

Keywords.............................................................................................................................I

a/.—1—.

刖三..............................................................................1

1化工过程开发的步骤...................................................1

1.1收集资料..................................................................1

1.2概念设计..................................................................2

13技术经济评价..............................................................2

1.4模型试验..................................................................2

1.5中试......................................................................3

1.6基础设计..................................................................3

1.7工程设计..................................................................3

2化工放大过程的步骤..................................................3

3过程放大的方法......................................................4

3.1全流程逐级放大............................................................4

3.2数学模拟放人.............................................................4

4放大过程应注意的问题................................................4

4.1过程放大实验室化学家和过程工程师的任务及相互配合.......................4

4.2必须保证设备放大后经济上的合理性和各项指标的先进性及系统调优..........5

5过程优化.............................................................5

5.1大系统优化................................................................5

5.2系统优化是单元过程优化的前提............................................5

5.3系统和单元过程的优化都是以模型为基础....................................5

5.4肉线优化中有关特殊或专用模块需要使用者自行开发.........................6

结语..................................................................6

参考文献..............................................................6

化工过程开发与放大

摘要：化工的发展，新技术大多都是从实险室试验开始的，但是在付诸生

产之前要进行必要的科学论证，才能过渡到化工的装置生产。而化工过程的放大

是新产品开发过程中的必由之路，是科研转化为生产力的必经途径。处理好这个

环节，就能加速实现野产品的工业化。

关键词：过程开发；过程放大；过程优化

Abstract:chemicaldevelopment,newtechnologiesaremostlyfromlaboratory

testsstarted,butbeforeputintoproductiontoconductthenecessaryscientificproofto

thetransitiontotheproductionofchemicalapparatus.Thechemicalamplification

processisanewproductdevelopmentprocessintheonlyway,istoresearchinto

productivitynecessaryv/ay.Handlethisaspect,wecanacceleratetheindustrialization

ofnewproducts.

Keywords:processdevelopment;amplificationprocess;ProcessOptimization

前言

从化学工业的发展看，各种新产品、新工艺、新技术，在他们实现工业化之

前，大多都是从实验室研究开始的。但是，在实验室研究和工业生产之间，由于

处理物料量等许多条件相差悬殊，两者的差别很大。实验室研究成果往往不能真

实反映工业生产的情况，而只能在理论上说明该过程的可能性。若要把实验室的

研究成果付诸工业化生产，必须对该成果进行多种形式的研究和反复论证，深入

考察在实验室条件下无法考察的各种工程技术问题，并进行必要的技术经济评

价。

化工过程有下面两种类型，一是传递过程，包括传动、传热和传质过程，属

于没有物系组成变化的物理变化；二是化学反应过程，属于有组分变化的化学过

程。这些过程是在设咨中实现的，所以过程放大就是设备能力的放大。

1化工过程开发的步骤

化工过程开发是一种高投资、高风险、高效益、涉及面广的工程项目，要经

过如下一系列步骤。

1.1收集资料

化工过程开发所需的资料十分广泛，除了开发放大和过程优化所需的一切技

术资料外，还有原料、产品、副产品、能源以及地理环境等方面的许多重要技术

I

经济信息。其中只有少数时通过试验取得的，其他资料则需要通过从文献或互联

网调查以及由社会调研来收集。

对于从文献或互联网收集的资料•，一般都要对它的时效性做出预测后方能采

用。对于从社会调研收集的资料，除了对时效性作必要的预测外，还应考虑不同

地方或不同单位提供资料的差别，因此对资料进行校核时提高所收集信息可靠性

的有效措施。

1.2概念设计

概念设计又称为预设计⑺，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。它是前期研究

成果的表现形式，是开发研究的关键环节。其目的是承前启后，既检验实验室研

究成果是否符合技术开发的要求，又对以后开发步骤的研究或设计工作提供指

导。

概念设计的主要内容有工艺技术路线和工艺方法的说明；工艺流程简图；简

单的物料衡算和能量衡算；初步确定原材料和能耗指标；主要设备型式等。设计

的重点应放在合理安排工艺流程上，注意流程中各工艺步骤间的配合，不要单纯

追求化学反应的优化巨标，以免给反应前后处理步骤带来困难。

1.3技术经济评价

技术经济评价的E的是对被开发项目的工艺技术方案进行科学论证，以使为

该方案的实施做出决策。在不同开发阶段有：（1）初步评价：是在开发项目之前,

对该项n决定取舍的一次评价。评价的依据是从调查和试验研究中收集的资料，

对项目可科学性、实用性和可靠性进行评价；（2）中间评价：是在开发过程中，

对各研究阶段的成果所做的评价。通常侧重于技术方案的科学性和可靠性，以及

方案在经济上的合理性。其评价的依据是各开发阶段的研究报告或设计资料，以

及所收集的有关技术经济信息；（3）最终评价：又称为项目评价，是在技术开发

工作后期进行的。其目的是为该项目的投资建设做出抉择。

1.4模型试验

模型试验一般都是对工业生产中的某些重要过程作放大的工业模拟实验。多

数情况下不涉及整个工艺流程和各工艺步骤间的衔接。其考察的重点是工艺和工

程问题。有冷模试验和热模试验两种形式。

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

2

发生化学反应，只单纯考虑过程的物理规律。这种考虑把化学和物理过程分解后

分别加以考虑，有利于寻找产生放大效应的原因。

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

考虑。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

区工艺参数和发现放大效应。

1.5中试

中试是“中间工厂试验”的简称，它是在小试完成并通过技术经济评价后，

在概念设计基础上进行的放大效应试验工作。其目的在于开发对象进行全面的模

拟考虑。特别是考察各种工程因素对过程的影响。

中试不是实验室装置的放大，而是工业装置的缩小，所用的设备、原料、仪

表都已属于工厂类型，属于实验工厂性质。中试是化工过程开发中的一个重要的

试验步骤。

1.6基础设计

基础设计是在最终评价得到肯定后，依据中试结果以及有关资料，按照工'也

化的规模和要求，为建立工业化装置所做的设计和对放大结果的预测。基础设计

的内容比概念设计更详细、完善、准确⑶。它是开发项目的技术水平，包括实验

和设计人员经验、才干和思维及表达水平的综合体现，故应由研究单位编制，由

研究人员来承担。

1.7工程设计

工程设计是依据基础设计编制的，它是用于指导建立生产装置的最终设计文

件。工程设计已属于工程范畴，应有科研、设计、制造、生产单位的工程技术人

员统筹负责进行。

2化工放大过程的步骤

化工放大过程一般经历的步骤：

（1）实验室研究阶段；

（2）小量试制阶段；

（3）按预定工艺规模进行概念设计；

（4）中试，着直解决概念设计中遇到的问题；

（5）编制工艺软件包；

（6）按要求的规模进行工程设计；

3

（7）工业装置的建设和投产。

3过程放大的方法

3.1全流程逐级放大

一种最为传统的方法是通过从小型试验、稍大规模的试验、中间试验、扩大

中间试验，逐级地实现大型工业生产。这种通过多个试验层次的逐级放大过程必

然是耗费费资的。在过程工业开发的早期，经验放大几乎成了唯一的方法。过程

开发技术发展到今天，纯经验放大显然大不可取了，但对于一些过于复杂的、人

们认识甚少的过程，有时还不得求助于经验放大。

3.2数学模拟放大

建立数学模型⑶（一组数学方程）对过程进行描述，并通过不同规模的实验

以确定模型的参数，然后通过计算机模拟过程大型化后的各种行为，以确定放大

的准则。这种放大从理论上是合理的，然而事实表明，单纯地用数学模拟法放大

的成功例子不多，其原因是：

（1）由于实际过程通常极为复杂，而人们对它们的认识往往还不够系统

和全面，因而为数学模型的建立带来困难；

（2）即使对复杂的实际过程已完全了解，数学模型的建立必须作出不少

简化假定，因而为了便于描述，很可能得到了过度简化的模型；

（3）实验测定的模型参数的可靠性往往受实验手段的限制和实验过程中

噪音的干扰，因此模型参数存在或多或少的不确定性。

由于数学模拟放大只能适用于人们对过程的认识已相当透彻，参数的测定相

当可靠的场合。随着人们认识水平、测绘手段和计算机应用水平的提高，数学模

型与计算机结合，建立全流程的数学模型进行放大，不乏有成功的例子，如低压

法甲醇就是一例。

4放大过程应注意的问题

4.1过程放大实验室化学家和过程工程师的任务及相互配合

实验室化学家的任务是制备催化剂，筛选出最好的催化剂，并通过实验确定

适宜的反应条件，如温度，压力，流速和反应物浓度等。

在化学家的工作基础上，过程工程师的任务是选择最适宜的工业反应器型式

或称选型。选型过程包括对多种因素的综合考虑C例如，所能达到的指标、设备

投资、能耗和操作费用、设备制造和材料、环保和安全性。操作和控制以及人员

4

素质等。

4.2必须保证设备放大后经济上的合理性和各项指标的先进性及系统调优

设备放大后还必须保证经济上的合理性和各预指标的先进性。往往放大后，

有一些指标趋于合理，如耗能一般可以降低。但另一指标，由于在大型化以后，

如反应物的收率⑷往往有所降低，温度等操作条件不易控制，这就是通常所说的

“放大效应”。放大效应被认为是一个弊端。我们的一个重要任务就是尽可能使

这些指标在过程放大后仍保持一个较高水平。另一个现实是，一个实际过程，通

常不能处在最优的操作状态下。这是因为过程的复杂性和人们的认识能力限制所

决定的，何况过程的一些参数会随时间变化。

5过程优化

优化显然指对一定的目标函数的优化。这些目标函数一般是指过程的某项重

要经济指标，或经简化后得到的一些关键操作指标，如产品质量。纯度等。过程

的优化包括两类：离线优化和在线优化。前者一般可以理解为先验优化，绝大多

数为定态优化，即在实现过程以前已先验地设计好优化条件，然后在过程实施中

予以实现。在线优化是在过程进行之中，经过对过程行为的观察和了解，然后逐

步地进行优化。

5.1大系统优化

对于大系统，通常是难以通过人们的经验和知识判断如何进行优化组合的。

用计算机进行组合过程的模拟，是一种很有效的定量方法。

5.2系统优化是单元过程优化的前提

组成系统的各类单元过程有各自的优化问题。但是单个过程的优化往往以系

统优化为前提，即系统的优化并不意味着每一个单元过程都处于优化状态。因此

单元过程的优化应受到系统优化的制约，在单元过程的优化时不能脱离系统优化

的前提。

5.3系统和单元过程的优化都是以模型为基础

系统和单元过程的优化都是以模型为基础的，以一个单元过程构成一个“模

块”，每一模块可以包含为数众多的方程。

以模块为基础的单元过程优化，构成了系统优化的序贯法和联立模块法。但

系统优化是以系统为基础的，重点并不在于单元过程的优化，大量的系统优化问

题并不与单元过程优化相矛盾，因此，理想的系统优化方法是联立方程法。缺立

5

方程法可以跨越单元化的局限。

5.4离线优化中有关特殊或专用模块需要使用者自行开发

离线优化需要单元过程模拟和大量的计算⑸，从已有的软件和现有的计算机

水平来说，这已不是难题。但现有的通用商业软件一般并不提供一些特殊或专用

过程的模块，有关这些模块需使用者自行开发。

尽管离线定态优化有其非常可观的实用价值，但是也存在一些比较明显的不

足之处，