化工过程开发.ppt

1、2020/7/25,1,化工过程开发Development of Chemical Technological Process,刘立新 Email：,2020/7/25,2,课程基本情况,学分：2.0 学时：32 先修课程：四大基础化学、化工原理、反应工程、文献查阅、分离工程。 适用专业：化学工程与工艺 教材： 化工过程开发概要，武汉：武汉大学出版社，2002 ； 化工过程开发，于遵宏等. 上海：华东理工大学出版社，1996 . 课程分类：考查、考试？ 开课教研室：化工工艺教研室,2020/7/25,3,一、课程的性质与目的,2020/7/25,4,课程性质：新的化工产品或新的化工工艺经由实验

2、室研究、放大试验到工业化生产的全过程为化工产品开发。课程涉及合成、工艺、工程、设备、控制、经济、环保等多种学科知识。内容实用性强，是学生从学习知识到应用知识的桥梁。 课程目的：学生了解新的化工产品开发的过程，掌握新的化工产品开发的方法和相关的知识。,2020/7/25,5,二、课程的基本内容及要求,2020/7/25,6,基本内容 第一章 绪论 第二章 选题和立项 第三章 化工过程开发中的实验室工作 第四章 化工过程放大 第五章 反应器的类型和设计 第六章 化工过程开发实验设计和数据处理 第七章 投资、成本、折旧和盈利 第八章 技术经济评价,2020/7/25,7,基本要求 1.了解并掌握化工

3、过程开发所涉及的基本观点、内容和步骤 2.掌握以小试为重点的开发研究实验方法和中试放大的基本方法 3.建立技术经济评价的思想 4.初步掌握化工过程开发的数据处理方法,2020/7/25,8,第一章 绪论,第一节 化工过程开发的基本内容 第二节 化工过程开发的重要性 第三节 化工过程开发的必要性和艰巨性 第四节 化工过程开发的主要步骤 第五节 化工过程开发的若干基本概念,2020/7/25,9,第一节 化工过程开发的基本内容,2020/7/25,10,一、化工过程开发及化工工艺 过程： 指相互关联的一系列活动或变化，是事物的发展，是事情经历的经过。 化工过程： 指若干相互关联的化工单元操作以及所

4、用设备组成的一个整体和它所完成的工作，即化学品的变化。 开发： 指人们对过去未能利用的东西加以利用，包括研究、改进和发展。,2020/7/25,11,化工过程开发（P1） 指从一个有关新的化学产品、新技术或工艺的概念的形成，到科研、设计、建厂，到第一套工业规模生产装置，付诸实施的全过程。 化工过程开发的任务 新产品、老产品 化工过程开发基本内容 基础研究的成果、资料 合理的途径 扩大实验 评价可行性 工业装置。,2020/7/25,12,工艺： 系统应用知识和经验、设备于工业生产实际，将原材料或半成品加工成产品的方法和技术。 包括：制造工艺、化工工艺 问题：后者是化工过程的精髓？,2020/7

5、/25,13,二、化工过程开发的内涵,着重解决开发、放大、设计等工程技术问题。与化学的研究内容有一定的区别。（表1.1）,2020/7/25,14,表1.1 科学研究与工程技术研究的特点,2020/7/25,15,2020/7/25,16,2020/7/25,17,2020/7/25,18,以C60的发现与研究为例,20世纪70年代，Kroto发现不同于氰基乙炔的化合物，与Curl和Smalley合作研究。 1985年，用激光蒸发石墨，质谱检测到C60，提出结构。 1977年，Kratscher,发现，未深入研究。1990年，得到毫克量的C60 用苯和氧气，2000、低压燃烧，获克剂量的C60

6、,2020/7/25,19,结论：规模化生产C60是在其潜在应用前景驱使下的必然结果，规模化、降低成本使得继续研究C60及其衍生物成为可能。,2020/7/25,20,20个正六边形、12个正五边形,2020/7/25,21,理查德E斯莫利,哈罗德W.克罗托,罗伯特F.科尔,2020/7/25,22,三、化工过程开发与化学工业及国民经济各领域的关系,2020/7/25,23,表1.2 几种领域对化学工业产品的依赖关系,2020/7/25,24,启示： 化学工业需向国民经济各部门提供更多的新产品，化学工业本身也需一些新产品（催化剂）、新技术、工艺、设备，这些都需从实验室研究开始，进行过程开发。,

7、2020/7/25,25,第二节 化工过程开发的重要性,2020/7/25,26,一、产品和生产工艺的生命周期 产生、发展、淘汰 二、实例 合成塑料的开发简史 三、实例 乙二醇生产工艺进展 四、实例 合成氨催化剂发展概况 五、技术进步周期,2020/7/25,27,一、产品的生命周期,2020/7/25,28,图典型产品的市场生命周期,利润,时间,开发研制,生长成熟,衰退,2020/7/25,29,启示： 市场竞争的加剧，产品生命周期有缩短的趋势。产品需要更新，生产工艺同样。只有坚持研究、开发，化学工业才有强大的生命力。,2020/7/25,30,二、实例 合成塑料的开发简史,天然高分子加工阶

8、段 主要是纤维素的改性和加工为特征。 1869年美国人J.W.海厄特发现在硝酸纤维素中加入樟脑和少量酒精可制成一种可塑性物质，热压下可成型为塑料制品，命名为赛璐珞。 1872年在美国纽瓦克建厂生产。当时除用作象牙代用品外，还加工成马车和汽车的风挡和电影胶片等，从此开创了塑料工业，相应地也发展了模压成型技术。,2020/7/25,31,1903年德国人A.艾兴格林发明了不易燃烧的醋酸纤维素和注射成型方法。 1905年德国拜耳股份公司进行工业生产。在此期间，一些化学家在实验室里合成了多种聚合物，如线型酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯等，为后来塑料工业的发展奠定了基础。 1904年世界塑料产量仅

9、有10kt，还没有形成独立的工业部门。,2020/7/25,32,合成树脂阶段 1909年美国人L.H.贝克兰使用苯酚和甲醛来合成树脂，取得第一个热固性树脂酚醛树脂的专利权。 1910年在柏林吕格斯工厂建立通用酚醛树脂公司进行生产。在40年代以前，酚醛塑料是最主要的塑料品种，约占塑料产量的2/3。主要用于电器、仪表、机械和汽车工业。 1929年美国化学家W.H.卡罗瑟斯提出了缩聚理论，为高分子化学和塑料工业的发展奠定了基础。 1931年，美国罗姆-哈斯公司以本体法生产聚甲基丙烯酸甲酯，制造出有机玻璃。 1933年英国卜内门化学工业公司在进行乙烯与苯甲醛高压下反应的试验时，发现聚合釜壁上有蜡质固

10、体存在，从而发明了聚乙烯。,2020/7/25,33,大发展阶段 19581973年的16年中，塑料工业处于飞速发展时期，1970年产量为30Mt。 除产量迅速猛增外，其特点是： 由单一的大品种通过共聚或共混改性，发展成系列品种。如聚氯乙烯除生产多种牌号外，还发展了氯化聚氯乙烯、氯乙烯-醋酸乙烯共聚物、氯乙烯偏二氯乙烯共聚物、共混或接枝共聚改性的抗冲击聚氯乙烯等。 开发了一系列高性能的工程塑料新品种。如聚甲醛、聚碳酸酯、ABS树酯、聚苯醚、聚酰亚胺等。 广泛采用增强、复合与共混等新技术，赋予塑料以更优异的综合性能，扩大了应用范围。,2020/7/25,34,三、实例 乙二醇生产工艺进展,乙二醇

11、又名甘醇，是一种重要的石油化工基础有机原料，主要用于生产聚酯纤维、防冻剂、不饱和聚酯树脂、润滑剂、增塑剂、非离子表面活性剂以及炸药等。,2020/7/25,35,1环氧乙烷直接水合法 是目前国内外工业化生产乙二醇的主要方法。 工艺：将环氧乙烷(EO)和水按1:(20-22)(摩尔比)配成混合水溶液，在管式反应器中于190-220，1.0-2.5MPa下反应，环氧乙烷全部转化为混合醇，生成的乙二醇水溶液含量大约在10%(质量分数)左右，然后经过多效蒸发器脱水提浓和减压精馏分离得到乙二醇及副产物二乙二醇(DEG)和三乙二醇(TEG)等。混合醇中乙二醇、二乙二醇和三乙二醇的摩尔比约为100：10：1

12、，产品总收率为88%。 缺点：是生产工艺流程长、设备多、能耗高，直接影响乙二醇的生产成本。,2020/7/25,36,2环氧乙烷催化水合法 针对环氧乙烷直接水合法生产乙二醇工艺中存在的不足，为了提高选择性，降低用水量，降低反应温度和能耗，世界上许多公司进行了环氧乙烷催化水合生产乙二醇技术的研究和开发工作。 主要有壳牌公司、联碳化学公司、莫斯科门捷列夫化工大学、上海石油化工研究院、南京工业大学等，其技术的关键是催化剂的生产，生产方法可分为均相催化水合法和非均相催化水合法2种，其中最有代表性的生产方法是壳牌公司的非均相催化水合法和UCC公司的均相催化水合法。,2020/7/25,37,3碳酸乙烯酯

13、法 是由二氧化碳和环氧乙烷在催化剂作用下反应生成碳酸乙烯酯(EC)，碳酸乙烯酯再经水解制得乙二醇。 该方法又可分为乙二醇和碳酸二甲酯(DMC)联产法和碳酸乙烯酯水解法两种生产方法。,2020/7/25,38,4乙二醇反应精馏技术 反应精馏是在无催化剂条件下完成化学反应，同时将反应物及产物精馏分离的一种技术，具有节省能量、设备、投资，加速反应等特点。 此技术用于环氧乙烷水合制乙二醇时，可利用环氧乙烷和乙二醇之间挥发度的差别迅速蒸出环氧乙烷，保持反应区内低的环氧乙烷浓度，不断地从塔底除去乙二醇产品，有效防止环氧乙烷与乙二醇的进一步反应，从而提高总反应的选择性，而且还可利用反应热进行精馏分离。,20

14、20/7/25,39,四、实例 合成氨催化剂发展概况,1合成氨催化剂近年的开发历程 自从Haber和Mittasch的研究之后，几乎没有更高活性的催化剂被发现，因此，熔铁催化剂仍是合成氨工业中广泛应用的催化剂。 从20世纪70年代开始，日本就在积极地寻求开发钌基催化剂。继ICI、AMV和LCA工艺中推出铁一钴系催化剂后，KAAP工艺中采用的以炭为载体的钌催化剂推动了氨合成催化剂的发展。,2020/7/25,40,2新开发的合成氨催化剂丹麦哈尔多托普索研究实验室的研究人员研制成功可替代传统铁催化剂的系列产品。研究人员发现，在工业装置操作条件下，三元氮化物，如Fe3Mo3N、Co3Mo3N和Ni2

15、Mo3N，用作合成氨催化剂时活性高、稳定性好。另外，如果在Co3Mo3N催化剂中加入铯，则活性将高于目前使用的铁催化剂。据报道，在相同操作条件(温度400、压力20MPa、氢氮为3：1)下，以铯为助催化剂的Co3Mo3N的活性为传统铁催化剂活性的两倍,2020/7/25,41,中石化集团南化催化剂厂生产的All01、AllO一1一H型氨合成催化剂，1998年在泸天化大化肥装置投用后，至今运行良好，创造了显著的经济效益，成为国内使用时间最长的化肥催化剂产品。据全国大中化肥催化剂使用技术联络站的资料表明：在全国29套大化肥装置中，有26套使用了该厂的氨合成催化剂，其中多套装置催化剂的使用寿命均超过

16、了10年。卡萨利(Casale)、托普索公司对该厂的催化剂产品检测后作出结论：“是国际上最好的催化剂之一”。,2020/7/25,42,启示： 无论化工产品、还是生产工艺都在不断发展中。,2020/7/25,43,五、技术进步周期,Roth认为：一般来讲，技术进步周期经历一个S型的发展周期，如图a.,2020/7/25,44,五、技术进步周期,2020/7/25,45,启示： 化学工业的百年发展，基础化工生产技术已非常成熟，未来的发展只有依靠非连续性技术进步，实现这种进步无疑需要开发者雄厚的知识基础和开拓能力。在我国尤其这样 。,2020/7/25,46,第三节 化工过程开发的必要性和艰巨性,

17、一、实验室研究与工业生产的不同点 二、规模放大的必要性 三、化工过程开发的艰巨性,2020/7/25,47,一、实验室研究与工业生产的不同点,P1,2020/7/25,48,实验室研究与工业生产的主要不同,2020/7/25,49,二、规模放大的必要性,放大研究要考虑许多实验室规模无法考察的问题 产品到市场，必须在研究达到一定规模后 产品的规模效应,2020/7/25,50,三、化工过程开发的艰巨性,综合技术 投入、风险高,2020/7/25,51,第四节 化工过程开发的主要步骤,一、化工过程开发的三个阶段 探索研究 过程研究 工程研究 二、原化工部新技术开发管理条例,2020/7/25,52

18、,原化工部新技术开发管理条例,化工开发研究是在“应用基础研究、应用研究和各种科技信息的基础上，开展新技术的工艺条件、技术规范、工程放大、技术经济评价等方面的研究，取得化工生产装置设计、制造、建设、操作及销售所需的数据与资料，为实现新技术在工业生产中的应用提供技术服务”。,2020/7/25,53,总之，开发的步骤：选题和立项、实验室工作、概念设计、中试放大及贯穿多次的技术经济评价，直至完成基础设计。,2020/7/25,54,第五节 化工过程开发涉及的若干基本概念,一、实验室研究、小试、模试、中试 二、概念设计、基础设计、工程设计 三、技术经济评价 四、几种关系,2020/7/25,55,一、

19、实验室研究、小试、模试、中试,2020/7/25,56,纯理论、应用基础或开发基础研究 间歇、欠系统、玻璃仪器 目的：确定原料路线、探索反应的可行性、观察现象、获得感性认识、样品,1.实验室研究,2020/7/25,57,2. 小试,小型工业模拟试验（初步技术经济评价后） 任务：a验证开发方案的可行性、完整性。 b测定收集物化数据。 c产品分析方法。 d整理最佳方案，完成概念设计,2020/7/25,58,3. 模试,模型试验： 对工业生产中的某些重要过程作放大的工业模拟试验。 设备： 一般比实验室研究规模大并具有工业设备的仿真性质。 主要内容： 考察化工过程运行的最佳条件；考察设备内传热、传

20、质、物料流动与混合等工程因素对于化工过程的影响；观察设备放大后出现的放大效应；寻找产放大效应的原因，测定放大所需的有关数据或判据等等。从总体看，模型试验考查的重点是工艺和工程问题。 形式： 热模、冷模,2020/7/25,59,4. 中试,中试是”中间工厂试验”的简称，它是在小试或模试之后迸行的半工业化规模的模拟试验。中试结果可作为基础设计的依据。 内容： （1）检验小试确定的工艺方案和工艺条件； （2）考察工艺系统连续运转的可靠性； （3）考察设备放大后所产生的放大效应的程度，分析产生的原因，寻找消除的办法； （4）确定检测方法；,2020/7/25,60,（5）考察物料对设备材质的腐蚀；

21、（6）考察物料循环产生的微量杂质积累带来的影响； （7）提供一定量的产品供应用考察； （8）考察“三废”的生成量、危害程度和治理方法； （9）为估算投资和成本，以及建立生产工作岗位的操作规程提供资料。,2020/7/25,61,二、概念设计、基础设计、工程设计,2020/7/25,62,1. 概念设计,定义： 又称预设计、估量设计、设计研究等。根据试验室研究结果，对预定规模的工业生产装置进行假想设计。 目的： 在于对所要开发的工艺的技术成熟程度和经济合理性作出初步评价，确定开发研究的内容重点，并估计开发过程中的风险。 内容： 包括设计规模和范围、原材料和成品规格、工艺流程图和简要说明、物料衡算

22、和热量衡算、主要设备的关键尺寸和材质、主要技术经济指标、投资估算和产品成本估算、“三废”处理方法以及对试验研究的建议等。,2020/7/25,63,设计所需要的数据来源：试验室研究报告、文献资料、现有类似产品生产的经验，以及根据热力学、动力学等理论或经验式、半经验式的计算结果等。 数据的取舍和估计：取决于概念设计负责人的技术水平、经验和判断力。若在概念设计过程中，发现试验室研究结果中有较严重的缺陷或错误时，则要进行必要的补充试验。,2020/7/25,64,2.基础设计,定义：在最终评价得到肯定结论后，根据中试研究结果和所收集的资料，对工业生产方案和装置型式所作的原则性设计。 作用：是研究开发

23、工作成果的主要表现形式，也是研究开发单位向用户进行技术转让的主要技术文件，又是设计单位为用户进行工程设计的主要技术依据。 基础设计的内容和深度：带控制点流程图、物料流程图、物料衡算和热量衡算、设备一览表和设备简图、投资和成本估算等。,2020/7/25,65,3.工程设计,定义：工程设计即“施工图设计”，它是依据基础设计来编制有关工程实施的技术文件。 内容：基础设计所有内容，加说明设计程序的设计说明书；详细的定型设备型号、规格、零部件及材质的明细表，非定型设备加工制造的图纸和装配图；指导装置安装的详细工艺流程图、带控制点的流程图和管线图；设备的平面布置图和立面布置图等等。此外，也有详细的消耗定

24、额、投资和成本慨算，三废”排放量和非排放点说明等文件。 要求：工程设计一般是由工程设计人员来编制的。,2020/7/25,66,三、技术经济评价,初步：立项之前的评价，对项目进行取舍。 中间：开发过程的评价 最终：工业化评价或项目评估，开发后期进行。,2020/7/25,67,四、几种关系,2020/7/25,68,1.过程研究和工程研究的关系,过程研究：过程开发的基础研究之后，对已确立的课题所作的一系列模拟实验研究。 工程研究：概念设计、基础设计、技术经济评价。,2020/7/25,69,2020/7/25,70,2、小试和概念设计的关系,把小试和概念设计相互关联，可以避免在实验室研究中最容易