化工过程开发概论.ppt

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1、化工过程开发概论,2011-09-26,第四章 开发放大方法,4.1经验放大法一、研究方法1.反应器的选型反应器的选型通常采用小型装置在实验室进行试验。由于设备选型试验是以改变反应器的型式和结构来考察整个反应过程，故把这种考察看成“结构变量”试验。,第四章 开发放大方法,2.优化工艺条件优化工艺条件是在设备选型之后进行的，也是采用小型试验装置进行试验。通过改变工艺条件来考察反应结果，从中筛选出最佳条件，称之为“工艺试验”。由于试验内容是改变工艺条件，故把这种考察看成“操作变量”试验。,第四章 开发放大方法,3.反应器的放大反应器的放大是通过建立模型装置来进行考察的。从试验改变的条件看，由于是改

2、变设备的几何尺寸进行试验，故把反应器放大看成是“几何变量”试验。,第四章 开发放大方法,二、经验放大法的特征1.只注重输入与输出关系，纯属于综合考察性质2.试验程序人为规定3.放大是根据试验结果外推,第四章 开发放大方法,例4-1 异丙苯为原料生产苯酚和丙酮的早期工艺路线来说明经验放大法中的外推计算。解：该工艺过程分为两步。第一步是异丙苯氧化生成过氧化氢异丙苯,第四章 开发放大方法,第二步用硫酸作催化剂，使过氧化氢异丙苯在液相中分解为苯酚和丙酮：第二步反应经测定为一级不可逆反应。,第四章 开发放大方法,（1）反应器选型连续操作管式反应器（2）优化工艺条件选用直径40mm，长度1202mm的不锈

3、钢管作反应器进行试验。分别考察：反应物浓度、反应温度、催化剂浓度和物料流量等工艺条件对反应结果的影响。,第四章 开发放大方法,温度上升，分解速率加速，但丙酮挥发增强。催化剂浓度增加，分解速率加速。根据试验结果确定的工艺条件为：反应物浓度：3.2kmol/m3反应温度：86催化剂浓度：0.07%0.1%反应物料流量：0.1m3/h根据上述反应条件进行反应，过氧化氢异丙苯的转化率为98.8%,第四章 开发放大方法,（3）反应器的放大与校验,管径不变，长度延长至1712mm,转化率达到99.8%,比例不变,容积放大到10L,转化率达到99.8%,第四章 开发放大方法,（4）计算反应器容积工业化的要求

4、为：每小时处理过氧化氢异丙苯的量为3m3，计算所需反应器的容积。解：可按1.5L模型尺寸，根据物料处理量的扩大，按比例外推计算。反应物料流量由0.1增大到3，放大了30倍。反应器容积也应放大30倍：1.530=45.3L。放大倍数不高，放大效应不明显。,第四章 开发放大方法,4.2 数学模型法一、数学模型数学模型通常是一组描述过程运行动态规律的代数方程或微分方程。1.建立数学模型的思想方法掌握过程运行的动态规律，寻找描述这种动态规律的数学方法。,第四章 开发放大方法,2.数学模型的简化数学模型简化是指对复杂的过程运行规律予以合理简化，以便建立简单而实用的数学模型。实际应用的数学模型，并不一定要

5、真实地描述过程运行机理，但必须与描述的实际过程运行结果具有等效性。,第四章 开发放大方法,3.数学模型的针对性任何数学模型都有明确的模拟目标。且每一种数学模型都有其应用的限制范围。,第四章 开发放大方法,二、研究方法1.研究反应过程内容：鉴别化学反应的类型和控制步骤，测定反应动力学和热力学数据，分析反应过程中产生的一些特殊现象，以及确定工艺参数变化的范围等。,第四章 开发放大方法,2.研究传递过程假设无化学反应进行的情况下，用冷模试验专门考察反应器内物料的流动与混合、传热与传质等物理过程的运行规律。,第四章 开发放大方法,3.综合两过程规律，建立数学模型找到化学过程与物理过程的结合点，运用数学

6、手段予以描述。结合点：主要体现于物理过程规律对于反应温度和反应物浓度的影响。,第四章 开发放大方法,4.检验数学模型通常建立中试装置进行中试，将中试结果与数学模型计算结果对照。反应器的数学模型是描述某一种型式反应器内进行化学反应的动态规律，只要在相同构型的反应器内进行相同的化学反应，都可用相同的数学模型描述，不受反应器集合尺寸大小的限制。因此，用数学模型进行放大，不存在放大效应的问题。,第四章 开发放大方法,三、数学模型放大法的特征1.分解过程，不作综合考察2.合理简化过程运行规律3.科学试验是为了建立和检验数学模型,第四章 开发放大方法,例4-2 用数学模型法放大过氧化氢异丙苯分解生成苯酚和

7、丙酮反应过程。解：该反应过程是用硫酸作为催化剂进行的液相催化反应，已测得该反应为不可逆一级反应，动力学模型为：-rA=kcA,0(1-xA)反应速率常数k=0.08s-1。采用管式反应器。,第四章 开发放大方法,建立数学模型：拟均相、活塞流、恒温和无压力降等简化。反应动力学模型与物料衡算式联立，简化后得：,第四章 开发放大方法,将有关数据代入数学模型计算：（1）当反应物料的体积流量为3m3/h，要求转化率达到99.8%时：（2）当反应物料的体积流量为3m3/h，要求转化率达到98.8%时：,第四章 开发放大方法,第四章 开发放大方法,例4-3 丙烯二聚过程开发丙烯二聚生产异戊二烯过程开发是用数

8、学模型法放大的典型范例。该生产过程由三步反应组成。聚合反应：,第四章 开发放大方法,异构化反应：脱甲基反应：,第四章 开发放大方法,（1）聚合反应过程开发丙烯聚合为气相催化反应，催化剂为三丙基铝，在加压条件下进行，原料丙烯和催化剂混合进料。反应为一级不可逆反应，采用管式反应器。建立数序模型，简化步骤：在反应条件控制的范围内，有关物性参数为常数,第四章 开发放大方法,反应器内由于物料流动所产生的压力降可以忽略不计反应器内径向无温度梯度，但沿轴向有温度变化物料通过反应器截面上的流量恒定反应器内径向物料混合均匀，无轴向返混，呈活塞流流动状态反应器与外界无热交换，可视为绝热系统,第四章 开发放大方法,

9、由此可以确定反应器的数学模型为绝热一维系统的活塞流模型，其数学表达形式为化学反应动力学模型与物料衡算式和热量衡算式联立。在实验室小试中发现反应的转化率较低，故采用了反应后物料分离循环流程。根据这一流程设计工业反应装置，放大了17000倍，经生产确定，反应器出口温度与数学模型计算值只相差2度。由小试确定的工艺条件也在生产装置上获得了确认。由此证明数学模型放大成功。,第四章 开发放大方法,（2）异构化反应过程开发异构化反应是气、固相催化反应，催化剂为含有Si和Al的酸性催化剂，反应速率较快，经测定为简单一级可逆反应。反应温度范围为8085，反应转化率为75%，选择性为79%。反应器型式为固定床催化

10、反应器。,第四章 开发放大方法,建立数序模型，简化步骤：反应过程视为拟均相反应器内物料流动视为活塞流反应器恒温，催化剂床层内无温度梯度和压力降。,第四章 开发放大方法,由此确定反应器的数学模型为恒温系统的活塞流模型，其数学表达为化学反应动力学模型和物料衡算式联立。异构化反应过程的数学模型虽然简单，但在小试中发现，催化剂的性能对反应过程的影响很大。,第四章 开发放大方法,（3）脱甲基化反应过程开发脱甲基化反应是吸热的催化分解反应，高温下的副反应较少，采用固定床反应器。建立数学模型时，同样作了拟均相、恒温和无压力降等简化。数学模型的型式仍然是恒温系统的活塞流模型，其数学表达形式为反应动力学模型和物

11、料衡算式联立。,第四章 开发放大方法,国外采用等温炉加热，用数学模型对工业反应器进行设计，放大20000倍建立生产装置。经生产检验，反应产物和副产物的数量分布与数学模型计算的结果十分相近。证明数学模型法放大成功。,第四章 开发放大方法,4.3 部分解析法介于经验放大法和数学模型法之间的一种开发放大方法。一、研究方法1.浓度效应工程因素等效性：各种工程因素造成的反应系统内物料浓度和浓度分布相同，对化学反应过程的影响也相同。,第四章 开发放大方法,2.温度效应温度序列：A 1 B 2 C3D,第四章 开发放大方法,温度分布：重点考虑由于放大后产热增加以及传热不良导致的温度分布不均一。二、研究步骤1

12、.了解过程特征定性了解，如判别反应速率的快慢，了解副反应的强弱，了解反应过程对温度和浓度的敏感程度等。,第四章 开发放大方法,2.设想技术方案选用的设备型式，大致的操作条件，简单的工艺流程，预测反应结果，估计放大效应等3.验证设想，改进技术方案验证初步技术方案，发现新问题。反复质疑和反复研究论证之后，才能使技术方案逐渐完善。,第四章 开发放大方法,4.确定放大设计方法如过程规律已掌握，可建立数学模型，后定量测取有关模型参数。如不能建立数学模型，可按经验放大法进行系统试验，测取有关设计数据。,第四章 开发放大方法,三、部分解析法特征1.分解研究和综合分析相结合2.确定的技术信息主要来源于试验3.

13、技术方案的形成都通过了反复论证,第四章 开发放大方法,例4-4 丁二烯氯化制二氯丁烯过程开发C4H6+Cl2 C4H6Cl2(1)化学反应特征气相热氯化反应，常温下反应速率较快，不需要催化剂，但容易生成氯代副产物和多氯加成产物。,第四章 开发放大方法,（2）试验考察C4H6Cl2 C4H6Cl2温度效应试验：常温下生成氯代副产物较多，温度上升，副产物生成量减少。温度达到270度，氯代副产物仅占产物总量百分之几。,第四章 开发放大方法,利用反应放出的热量来维持反应器达到高温。初步确定反应器的型式应为流体射流式返混反应器。第二组试验：考察返混对生成多氯加成副产物的影响。丁二烯 Cl2 二氯丁烯 C

14、l2 多氯化合物nCl2,第四章 开发放大方法,第三组试验：寻找抑制多氯加成化合物的方法。S=1-k2cR/k1cA用丁二烯、氯和二氯丁烯混合进料，模拟返混式反应器内物料的实际情况，在丁二烯过量的条件下，试验发现，几乎没有明显的多氯化合物生成。由此证明丁二烯过量可以抑制生成多氯化合物的串联副反应。,第四章 开发放大方法,（3）构思技术方案,第四章 开发放大方法,（4）确定反应器尺寸和工艺条件设冷物料的温度为27度，要使其温度升至270度以上，则气体体积量的返混比应达到10：1.通过流体力学计算，当射流的流体速度达到100m/s，吸入的气体量可以达到射流量的十多倍。,第四章 开发放大方法,（5）

15、检验技术方案根据已确定的技术方案，建立了一套25t/a的中试装置。喷嘴设计采用了常规同心双气道喷嘴。两股气流均以100m/s的流速同步进入反应器。开车数小时后，发现喷嘴已被黑色粉末堵塞。对喷嘴设计作了改进，使反应物料进入反应器之前进行预混合，反应结果良好。,第四章 开发放大方法,4.4 相似放大法以相似论和量纲分析为基础的相似模拟放大法，多用于化工单元操作的开发放大。一、研究方法从分析影响过程的各种因素入手，运用量纲分析，将试验考察的各种变量按特征数予以合并，然后用试验测定出描述过程运行规律的输入与输出关系的特征数方程式中的待定参数，并以特征数方程作为相似放大的依据。,第四章 开发放大方法,1

16、.相似条件模型与原型之间相对应的物理量的相似。（1）几何相似模型和原型的几何形状和内部结构相似。（2）时间相似模型和原型相对应的时间间隔应互成比例，且比值相等。（3）运动相似模型与原型的对应点上物质运动的速度（或加速度）应互成比例，且比值相等。,第四章 开发放大方法,（4）动力相似模型和原型在对应时刻和对应点上受力方向一致，大小应互成比例，且比值相等。2.相似定理（1）相似第一定理：凡彼此相似的现象，必具有数值相同的相似特征数。相似正定理。（2）相似第二定理：凡具有相同特征数的现象，若表明现象特征的单值条件彼此相似，且由单值条件所组成的相似特征数相等，则它们必相似。相似逆定理。,第四章 开发放

17、大方法,（3）相似第三定理：当一个现象由n个物理量的函数关系来表示，而且这些物理量中包含了m个量纲，则应有n-m个相似特征数。3.相似特征数及其方程以液体的搅拌混合槽为例，要使槽内物料混合达到一定工艺要求，所需的搅拌功率P，取决于以下条件：搅拌桨的叶轮直径D和转速n，液体的密度、黏度，自由落体加速度，槽径d，槽内液层深度，以及挡板数目，挡板的大小和安装位置等。,第四章 开发放大方法,（1）叶轮为涡轮式（2）叶轮直径D=1/3搅拌槽直径d（3）叶轮离槽底高度Hi=1.0d（4）叶片宽度b=D/5（5）叶片长度l=D/4（6）液体深度HL=1.0d=3D（7）挡板数目=4，垂直安装在槽壁上，从槽底

18、延伸至液面之上（8）挡板宽度b=d/10,挡板,第四章 开发放大方法,搅拌功率的一般函数关系为：P=f(n,D,g)P=KnaDbcdge以质量M、长度L、时间T为基本量纲，将上式写成量纲式：ML2T-3=(T-1)a(L)b(ML-3)c(ML-1T-1)d(LT-2)e,第四章 开发放大方法,c+d=1b-3c-d+e=2-a-d-2e=-3P/n3D5=K(D2n/)-d(n2D/g)-eP0=KRe-aFr-e,第四章 开发放大方法,4.由试验确定特征数方程的未知系数K、a、e二、相似放大法特征1.试验研究属于综合考察，放大依据来源于试验2.简化了试验，提高了试验效率3.运用相似特征数

19、相等为放大提供了简单可靠的依据,第四章 开发放大方法,三、数量放大法和比例放大法1.数量放大法：采用设备单元数增加的一种放大方法。2.比例放大法：以一个或数个能表达过程主要特征参数为依据，按比例对该过程进行放大的方法。,第五章 工艺流程的合成与优化,5.1 流程的内容和设计应考虑的问题一、工艺流程的内容,二、设计流程应考虑的问题1、技术的成熟程度2、技术的先进性和可靠性的关系3、流程的可操作性4、投资的操作费用5、安全6、环境和生态,第五章 工艺流程的合成与优化,第五章 工艺流程的合成与优化,5.2 合成路线、操作方式及其他一、选择合成路线1.从生产成本考虑,第五章 工艺流程的合成与优化,2.

20、从产品和副产品的分配考虑3.从反应的自由能考虑G40 反应较难进行,第五章 工艺流程的合成与优化,二、选择操作方式1.生产规模4500t/a 2.市场要求3.受特殊条件的限制,第五章 工艺流程的合成与优化,三、关于原料预处理的判断原料中含有使催化剂中毒的杂质，必须先除去；原料中含有的杂质参加化学反应，为了避免原料消耗和不污染产品，也为了减轻后处理分离的负担，一般都先除去；原料中的杂质若不参与化学反应，则应根据这些杂质与原料或产品分离的难易程度来决定是否需要在预处理中先分离；,第五章 工艺流程的合成与优化,原料中杂质含量较大时，即使这些杂质与产品分离要比它们与原料的分离容易，有时也需要进行预处理

21、。四、如何确定产物的流股数主产品有价值的联产品或副产品价值较低的燃料循环物料的返回排空有害物质送三废治理,第五章 工艺流程的合成与优化,例5-1 乙烯和苯反应生成乙基苯，是一气相反应。已知原料苯的纯度为99.9%，其中杂质甲苯的质量分数w=0.1%。工艺条件采用了苯过量来防止催化剂失活和抑制副反应。乙烯的转化率高达99%100%，并有以下反应发生：主反应：乙烯+苯 乙烯苯,第五章 工艺流程的合成与优化,副反应：乙基苯+乙烯 二乙基苯 二乙基苯+苯 乙基苯 二乙基苯+乙烯 三乙基苯 三乙基苯+苯 乙基苯、二乙基苯、杂环化合物以上各副产物中，除了杂环化合物在高温下易聚合，以及二乙基苯和三乙基苯不能

22、分解外，其余反应皆可逆进行。反应器出口物料中各组分的质量分数和沸点如下表所列：,第五章 工艺流程的合成与优化,第五章 工艺流程的合成与优化,各组分的去向如下：（1）乙烯：乙烯是未反应完全的原料，由于乙烯的转化率高，在反应器出口气体中含量很低，其沸点也很低，无回收意义，可以放空或排放至燃料气管网作为燃料。（2）乙烷：为原料乙烯夹带的不参与反应的气体，与乙烯情况相同。（3）乙基苯：主产品,第五章 工艺流程的合成与优化,（4）二乙基苯：为反应过程中生成量较大的副产物，是有用的，可以作为副产品回收，也可以循环返回反应器，作为循环物料再和苯反应生成乙基苯。（5）苯、甲苯、二甲苯、丁苯、三乙基苯、异丙苯、

23、正丙苯等组分全部返回反应器。（6）杂环化合物：为回收的低值副产品。,第五章 工艺流程的合成与优化,5.3 反应器的选型,第五章 工艺流程的合成与优化,第五章 工艺流程的合成与优化,一、反应器的选型方法 A B C 问题 结论,形态分析法,1,4,3,2,5,6,8,7,第五章 工艺流程的合成与优化,二、选择反应器的原则1.从物料的相态选择反应器2.从传热的要求选择反应器3.从相际间的传质选择反应器4.从反应的转化率和选择性来考虑反应器,第五章 工艺流程的合成与优化,5.4热交换网络的合成热交换网络：对化工生产中的物料流股作详细分析，使生产系统内需加热和需冷却的物料流股相互进行热交换，尽量避免使

24、用外热源，充分利用系统内的能量，以降低生产建设中所需的公用工程费用。,第五章 工艺流程的合成与优化,一、热交换网络的表示方法,第五章 工艺流程的合成与优化,热交换网络：,第五章 工艺流程的合成与优化,二、t-H图、窄点和热交换网络的最小能耗,第五章 工艺流程的合成与优化,5.5分离过程的组合一、分离方法1.气固相混合物的分离 对气体进行除尘净制，有干法和湿法。重力沉降、离心沉降、静电沉降；喷淋洗涤。2.固体混合物的分离筛分、浮选、振动水力摇床等,第五章 工艺流程的合成与优化,3.液固相混合物的分离沉降：重力沉降和离心沉降等过滤：加压过滤、真空过滤和离心过滤等干燥：厢式干燥、滚筒干燥和喷雾干燥、

25、气流干燥和流态化干燥等蒸发：长官蒸发、薄膜蒸发、强制循环蒸发等浸取：釜式浸取器结晶：一步结晶和分步结晶,第五章 工艺流程的合成与优化,4.液体混合物的分离蒸馏、萃取、离子交换、膜分离、电渗析、色层析等5.气体混合物的分离吸收、吸附、扩散、冷冻、气体渗透、液氮洗涤和色谱法等。,第五章 工艺流程的合成与优化,二、选用分离方法的原则1.考虑生产产品的产值和产品的精细化程度。2.尽可能先把物流中的固体除尽。3.尽可能避免加入除了被分离物料以外的其他物质。4.尽可能先分离容易导致副反应和特别有害的物质。5.需要高压（75105Pa）才能分离的物质，也应先进行分离。6.最容易分离的组分首先被分离出来，最难

26、分离的留到最后分离。,第五章 工艺流程的合成与优化,5.6物料搭配和最佳操作时间的配合,空气（O2、N2）,一、物料搭配,第五章 工艺流程的合成与优化,SO2为不参与反应的气体,氮气,O2,SO2,SO2为不参与反应的气体,第五章 工艺流程的合成与优化,二、最佳操作时间的配合1.将某些操作任务合并2.在流程中设置平行的相同设备3.中断工序衔接链进行配合4.破坏工序衔接链进行配合,第五章 工艺流程的合成与优化,5.7工艺流程优化一、化工过程的优化方法1.分析与比较方法2.显函数形式的数学模型优化法3.最优化数学法二、工艺流程的定性优化方法1.经验优化法,第五章 工艺流程的合成与优化,2.形态分析法3.调优综合法,