化工过程开发与放大

1、目 录摘 要1关键词1Abstract1Keywords1前言11化工过程开发的步骤11.1收集资料11.2概念设计21.3技术经济评价21.4模型试验21.5中试31.6基础设计31.7工程设计32化工放大过程的步骤33过程放大的方法43.1全流程逐级放大43.2数学模拟放大44放大过程应注意的问题44.1过程放大实验室化学家和过程工程师的任务及相互配合44.2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55过程优化55.1大系统优化55.2系统优化是单元过程优化的前提55.3系统和单元过程的优化都是以模型为基础55.4离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

2、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验室试验开始的，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，就能加速实现新产品的工业化。关键词：过程开发；过程放大；过程优化Abstract: chemical development, new technologies are mostly from laboratory tests started, but before put into production to conduct the necessary sc

3、ientific proof to the transition to the production of chemical apparatus. The chemical amplification process is a new product development process in the only way, is to research into productivity necessary way. Handle this aspect, we can accelerate the industrialization of new products.Keywords: pro

4、cess development; amplification process; Process Optimization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

5、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。这些过程是在设备中实现的，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

6、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1，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

7、，不要单纯追求化学反应的优化目标，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目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，对该项目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

8、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，

9、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，按照工业化的规模和要求，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2。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

10、。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，着重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；（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

11、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3（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

12、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

13、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。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项指标的先进性。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4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，

14、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

15、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

16、系统优化方法是联立方程法。联立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5，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，这通常是由一些过程的不确定性质引起的：先验的优化是以模型为基础的；模型中必然包括一些参数，这些参数包含了测定中的误差和噪音干扰，用这些参数进行优化必然会带来一些不确定的结果；有些过程有时变性，因此过程虽为连续，但随时间会产生一些或快或慢的变化。结语化工过程开发要以立项前的可行性研究开始的，途径试验研究形成技术方案，设计和建立生产装置，开车调试，直到投入正常的工业生产等过程。这些工作程序不是简单的重复，而是逐步扩大和深入，完善和提高，其目的是为了能够及时发现缺点和错误，及时纠正错误以避免重大的损失。通过对化工过程开发的初步了解，实验室研究成果要实现工业化，需要经过一个长期而艰巨的开发过程。处理好这个环节，就能加速实现新产品的工业化。过程放大过程中，不能只停留在拿出产品，打通流程；也不仅追求设备和单元过程的优化，而是最终追求全系统的优化。所以化工过程的开发与放大都必须认真、慎重地按要