化工工藝流程設計化工工藝流程設計工藝流程設計的原則和任務化工過程合成方法反應過程的設計分離過程的設計換熱過程的設計工藝流程設計的原則化工工藝技術路線：原料加工成為產品的方法，包括生產工藝、生產方法、工藝設備和技術方案。選擇的原則可靠性流程是否通暢、生產是否安全、工藝是否穩定、消耗定額、生產能力、產品質量和三廢排放是否達到預定指標適用性：和具體環境、資源和技術的接收能力相適應技術的合理性技術的生命周期：投入期、成長期、成熟期和衰退期所選技術應處于成長期經濟性工藝流程設計的任務確定整個流程的組成確定各個生產過程或工序的具體任務確定每個生產過程選用的設備及設備操作條件確定控制方案及選用適合的控制儀表確定三廢治理和綜合利用的方案確定安全生產措施化工過程合成方法化工企業三個子系統化學裝置(ChemicalPlant)換熱器網絡(HeatExchangerNetwork)公用工程(UtilitySystem)

節能的關鍵在于提高各個子系統用能的合理性和各子系統間能量匹配的合理性。

化學

裝置換熱

網絡公用

工程過程開發的三個層次過程合成（ProcessSynthesis）

過程集成（ProcessIntegration）

全局過程集成（TotalSiteIntegration）

過程集成全局過程集成化學

裝置換熱

網絡公用

工程過程合成化工過程合成方法反應過程的設計分離過程的設計換熱過程的設計反應過程的設計反應系統的設計是以正確認識所研究的特定反應體系的主要特征為基礎的化學計量學—研究反應過程中存在哪些反應以及各組分反應量之間的關系；化學熱力學—研究反應過程中的能量轉化和反應體系的平衡性質；化學動力學—研究反應物系的組成、溫度等因素對反應速率的影響。對于催化反應過程尚需了解催化劑的物理和化學性能；為了系統設計優化，尚需了解各個單元過程設計都需要的共性數據。反應過程的設計首先確定過程性質和輸入輸出條件過程性質是指過程為連續或間歇輸入輸出條件：輸入條件指裝置進口的原料是否需經過預處理，輸出條件是指確定目的產品和流股數，由此確定反應器進口有無循環物料。反應過程的設計－過程性質過程性質：連續或間歇產量大于4500噸/年的生產裝置常采用連續過程小于4500噸/年的生產裝置則采用間歇過程間歇過程簡單和操作彈性大，設計時可以采用較不詳細或精確度較低的數據，所需開發和設計周期較短。市場需求有些產品的需求有很強的季節性有些產品的生命周期很短應設計成通用性較強的間歇操作裝置，用同一套裝置生產多種產品。操作上的特殊問題反應速度極慢，以致間歇操作成為唯一可能的方案；當過程中有少量泥漿狀物料時，若處理成連續過程，會由于流速過低固體析出而堵塞管道或設備；某些反應過程非常容易結垢或結塊，需要頻繁地清理，這種情況宜采用間歇式反應器。反應過程的設計－輸入條件當原料中含有必須處理的雜質時，就要面臨這樣的選擇：把原料直接送入系統還是先進行原料的預處理如果進料雜質對催化劑是一種毒物，應先除去。如果雜質是參與反應的物質，在一般情況下應先除去，否則不僅消耗原材料，而且使產品組分數增多，分離過程更為復雜。如果雜質是不參與反應的惰性物質，則應根據它與產品和原料分離的難易程度決定原料是否預先處理。如果雜質大量存在，即使與產品的分離較與原料的分離容易，但由于影響反應系統的生產能力、熱平衡和增加系統阻力等問題，還應對各種影響作出粗略的估計后再作出決定。反應過程的設計－輸出條件

出口物料包括所有反應的每一個產物、未轉化的原料以及隨原料進入系統的雜質，反應器出口組分可能有六個去向：主產品有價值的聯產品或副產品價值較低的燃料循環排空有害物質去三廢處理對于同一個去向的不同組分，應研究有無必要把它們分離，要堅決避免把各個組分先分離再合并的做法。例題：乙烯和苯生成乙基苯已知原料乙烯的組成為乙烯99.9％，乙烷0.1％；原料苯的組成為苯99.9％，甲苯0.1％。為了降低催化劑的失活速率和抑制副反應，采用苯過量的方法。乙烯的轉化率為99％～100％。在反應器內發生下列反應：乙烯＋苯 乙基苯乙基苯＋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。乙苯、二乙苯 甲苯、二甲苯、正丙苯、異丙苯、雜環化合物在各種副產物中，除雜環化合物在高溫下易聚合，其它副產物的生成反應都為可逆反應。例題：乙烯和苯生成乙基苯乙烯：數量很少，而且乙烯沸點很低，回收成本較大，因此作放空或排至燃料氣管網處理；乙烷：為由原料乙烯夾帶至系統的惰性氣，與乙烯情況相同，放空或排至燃料氣管網；乙基苯：主產品；二乙基苯：數量不少，又是一個有用的產品，可以將其作為副產品，但需和低于其沸點的丙苯和高于其沸點的丁苯、三乙苯，雜環化合物等組分分離，將增加較多投資和操作費用。因此除非市場有迫切需求，－般將其返回反應器；苯、甲苯、丁苯、異丙苯、正丙苯：全部循環回反應器，由于乙基苯的沸點介于這些副產品之間，因此這些回收的原科和副產品要分離成高于和低于乙基苯沸點的兩個循環物料流；三乙苯部分循環，部分隨雜環化合物排出作為低值產副品。雜環化合物：低值副產品。組分沸點K含量質量％乙烯乙烷苯甲苯乙基苯二乙苯正丙苯異丙苯二乙基苯丁苯三乙基苯雜環化合物169.45184.55353.15383.75409.35412.25432.35425.55454.25456.45491.15537.150.030.0377.780.1617.240.030.520.282.990.380.100.05例題：乙烯和苯生成乙基苯組分沸點K含量質量％乙烯乙烷苯甲苯乙基苯二乙苯正丙苯異丙苯二乙基苯丁苯三乙基苯雜環化合物169.45184.55353.15383.75409.35412.25432.35425.55454.25456.45491.15537.150.030.0377.780.1617.240.030.520.282.990.380.100.05放空或排至燃料氣管網循環主產品循環低值副產品反應過程的設計－反應器選型反應器類型形狀：管式、釜式、塔式換熱方式：等溫、絕熱、非等溫非絕熱反應物系的相態：均相、非均相（氣固、氣液、氣液固）不同型式的反應器具有不同的傳遞過程特征，即不同的流體返混程度和傳熱傳質特性。根據反應過程需要怎樣的傳遞特征進行反應器的選型。反應過程的設計－反應器選型反應器選型的方法形態分析法：對一個問題的各個部分的所有可能方案進行分析和評價，用邏輯結構代替隨機的想法，從而篩選出最佳方案。過程分為二步分支：找出所有可供選擇的方案。收斂：根據若干判據對各個供選擇的方案進行淘汰。反應過程的設計－反應器選型解決某個問題有8個可能的方案和三個判據：A、B和C。當用A作為判據時，淘汰了方案2、5和7；再用判據B，淘汰了方案1和8，此時尚剩下方案3、4、6個，最后用判據C，淘汰了方案3和6，剩下方案4是唯一保留的方案。反應過程的設計－反應器選型反應器選型判據：反應類型（即反應介質的相態，此為最簡單、首先使用的判據）催化劑失活速度由反應的濃度效應決定的混合要求由反應的熱負荷和溫度效應決定熱量傳遞和溫度控制要求相際傳質和化學反應的相對速度分離過程的設計物質的混合是一個不可逆過程，能夠自發地完成；其逆過程分離必然要消耗一定的能量才能進行。分離過程設計的目標是在滿足產品質量和回收率的前提下減少能量的消耗。分離過程的類型第一類是以能量為分離劑，例如精餾、蒸發、結晶、干燥、閃蒸等。第二類是以物質為分離劑，例如解吸、吸收、萃取、吸附，浸取，離子交換等。第三類是利用物質的密度、粒度、表面等性質不同而進行的機械分離過程，例如沉降，離心分離，旋風分離，過濾，浮選等過程。分離過程的設計－分離方法的選擇探試規則：根據過去的經驗和研究對象的熱力學性質進行半定量分析所得的結論。根據探試規則得出的結論不一定是最佳方案，但是它能大幅度減少可能的方案數，從而提高設計速度。分離過程的設計－分離方法的選擇幾個名詞定義：分配系數：在平衡狀態下某組分在輕相與重相中分子分數的比例。對于精餾，即為該組分的汽液平衡常數K。分離因子：兩個組分分配系數的比例，對于精餾，即為該兩個組分的相對揮發度α。質量分離劑和能量分離劑加到分離單元，對分離作出貢獻的組分，例如萃取或萃取精餾過程的溶劑，吸收過程的吸收劑。為提供分離單元所需要的氣液相流率而加入的能量，如精餾塔的再沸器和冷凝器使用的熱劑和冷劑次序表：進料各組分按照分配系數遞減的次序的排列表關鍵組分：決定分離要求的兩個組分，其中分配系數大者稱為輕關鍵組分，小者稱為重關鍵組分。分離過程的設計－分離方法的選擇選擇分離方法的探試規則選擇具有大的分離因子的分離過程具有較大分離因子的過程需要比較少的平衡級和分離劑，因而分離費用較少分子性質受影響的分離過程舉例分子量精餾、蒸發、氣相擴散分子形狀吸附、結晶分子體積吸附偶極距、極性萃取、吸附分子電負荷電除塵、電除霧化學活性化學吸收、反應精制可以根據混合物各組分分子性質的差異程度來選擇可能有較大的分離因子的分離過程。例如，若各組分的偶極矩或極性存在顯著差異，采用以極性溶液為溶劑的萃取精餾可能是合適的。分離過程的設計－分離方法的選擇盡量避免極端的過程條件如果一個分離過程需要極端的溫度或壓力，耐腐蝕的設備材料，或者高電場等條件，則可能使分離過程的費用高昂。當分離過程需要多個分離級時，應優先選擇平衡分離過程而不選擇速度控制過程。速度控制過程例如電滲析、氣體擴散過程，需要在每個分離級加入能量；而精餾、吸收、蘋取等為平衡分離過程，分離劑在每一級重復使用，只需一次加入能量。分離因子相同時，選擇能量分離劑而不選擇質量分離劑。當用質量分離劑時，它必須和產品再分離，因而需要增加另一個相繼的分離器，這樣便增加了分離過程的費用。分離過程的設計－分離方法的選擇應首先考慮采用精餾，只有在精餾方案被否定后才考慮其他分離方案，因為精餾具有下列幾個優點：精餾是一個使用能量分離劑的平衡分離過程；系統內不含有固體物料，操作方便；有成熟的理論和實踐；沒有產品數量的限制，從很小到很大的規模都能采用；常常只需要能位等級很低的分離劑。排除精餾方案的充分理由是分離因子小1.05分離過程的設計－分離方法的選擇例：有鄰、間、對二甲苯混合物欲分離成純物質，試根據其分子性質選擇分離方法。解：各種分子性質除了分子形狀外，鄰、間、對二甲苯的其他各種性質都差別不大，因此可以預計精餾、萃取，吸收等過程都不能有效地將該混合物分離成純化合物。各異構體分子形狀之間的差別隨著溫度降低成為固體后更為顯著，故建議采用冷凍結晶分離。

另：各異構體的分子體積，偶極矩和極性也有細小的差別，如果有適當的外部物質能使這些異構體的反應活性有顯著差別，或者有對異構體有較高吸附選擇性的吸附劑，則也可以考慮采取化學反應分離或者吸附分離。分離過程的設計－分離序列的確定探試合成法探試規則是根據多年積累的經驗和對過程的熱力學性質進行半定量分析所得的結論，利用探試法能迅速得出一個或少數幾個較優方案。但由于探試法是基于分離過程的共性規律，難免失誤。調優合成法以某個初始的流程為基礎，對其進行一系列修正而合成接近最優系統的方法。最優化算法合成法合成分離序列的問題可以定義為：對一已知進料，用某種方法合成一個分離序列，使該分離序列能以最小的費用將進料分離成指定規格要求的產品該問題是個非線性混合整數規劃問題，可用動態規劃法，分枝界限法等求解。分離過程的設計－分離序列的確定分離序列合成的探試規則應把關鍵組分的相對揮發度最接近于1的最困難分離放在最后，即在所有其他組分都除去后再進行分離。根據汽液平衡常數的大小進行排列，把輕組分逐個脫除，即采取順序流程。應首先把混合物分成分子數接近的兩股流。對于回收率要求高的分離應放在最后。對于容易造成系統腐蝕或聚合結焦的組分應首先除去，以降低后續設備的材質要求或穩定操作。對于各組分沸點相差很遠的混合物，如果有的組分需在冷凍的條件下進行分離，應使進入冷凍系統或冷凍等級更高的系統的組分數盡量減少。換熱過程的設計問題的提出一個化工系統，具有NH股物流需要冷卻（這些物流稱為熱流），NC股物流需要加熱（這些物流稱為冷流）?，F需合成一個由熱交換器、輔助加熱器和輔助冷卻器構成的換熱器網絡，使各股物流達到規定的溫度，而總費用最小。熱力學方法 夾點分析PDM (PinchDesignMethod)數學規劃法人工智能專家系統窄點挾點換熱過程的設計夾點分析PDM最小傳熱溫差

夾點技術的核心是以熱力學為基礎，結合優化計算，充分利用換熱網絡和公用工程之間的聯系，引入夾點允許最小傳熱溫差這一重要的決策變量。根據能量目標構造一個具有最大能量回收特性的換熱初始網絡，其基本點是找出夾點位置，禁止通過夾點傳遞熱量再以設備投資費用和操作費用最小為目標，對初始網絡進行調優，從而獲得一個最優或接近最優的換熱網絡。夾點的出現限制了冷熱物流間的進一步熱量交換，同時，夾點也將換熱網絡分成兩部分，夾點之上和夾點之下。夾點之上只能引入熱公用工程夾點之下只能引入冷公用工程最優溫度差在設計過程中，我們常常規定一個最小溫度差ΔTmin，來決定兩個物流是否能進行換熱。ΔTmin

→∞換熱面積趨于零，公用工程最大ΔTmin

→0換熱面積最大，公用工程需求最小，當溫差下降一定溫度時，冷熱物流完全換熱，需要公用工程提供換熱的冷量或熱量，此溫度稱為閾值溫度。ΔTmin取值是針對投資和公用工程統一優化的結果。工藝物流的熱集成－換熱網絡合成優化推薦的換熱溫差(KingC.J.,SeparationProcesses.2nded.)介質類別終端溫差℃冷劑：-101℃2.5～3-70℃～-75℃3～4-55℃～-62℃3～5-40℃～-41℃4～5-23℃～-24℃5～60℃～20℃5～10冷卻水5～20鍋爐水20～40空氣20～50能源與設備投資的比價在實際開發過程中，各種方案最直接體現的是能源利用量和設備投資的不同。在不同時代，能源與設備投資的比價等技術經濟條件也發生了重大變化。能源與設備的比價上升了21倍之多能源價格驟升，能量消耗在經濟性指標中的比重越來越大，促使人們將更多的目光投向了節省能量的過程開發方法上。時間原油鋼材20世紀70年代3美元（6人民幣）/桶3000元/噸如今100美元（650人民幣）/桶1