第一章化工过程设计

西北民族大学《化工设计》教案3第一章化工过程设计1.1过程工程化工过程是化学工业和石油化学工业等复杂系统的核心部分。过程工程概括了建立和定量地分析整个工厂工艺过程流程的全部工作内容，而且要求所建立的过程流程必须是技术上可行、经济上合理、符合安全条例、易于操作的实体。一般来说，过程工程包括过程开发、过程设计和过程改善三个部分。过程工程的发展与化工系统工程的研究方法是密不可分的。过程开发是指过程的概念设计及研究的定向评价。其内容可分为如下几个方面：①研究部门所研究的过程开发及评价；②引进技术的过程评价；③新过程的基准规模或中试规模的开发；④出于革新的目的对现存过程的综述。过程设计一般包括两方面内容：预过程设计与最终过程设计。最终过程设计可提供建立过程所需的全部文件和图纸。过程改善是面对已经建成的化工过程，对它进行过程分析、寻找卡脖因素，优化操作策略，改革工程设施等，以实现挖潜的目的。简言之，过程工程包括全新过程的建立和老过程的改造两部分内容。必须强调指出的是，经济法则是指导过程工作的基本方针之一。发展国民经济，必须重视经济效益，经济效益是评价过程工程的基本准则之一。1.2过程设计过程设计是过程工程中极有意义的一个阶段。通常是指继过程开发研究之后直至完成课题全部设计图纸的阶段。过程设计阶段是总结过程开发阶段的全部信息，进而完成全部过程的合成（或过程的改善）方案。因而，从事过程设计的设计者必须全面掌握过程开发的工作内容，分清所开发的内容哪些是属于成熟的、有操作经验的技术；哪些是没有经验的、不具备工业实践条件的技术。对于后者要慎重的对待，应在使用传统的设计方法及常用的数学模型，作进一步考查之后再下结论。在现代过程设计中，一个重要概念就是，寻找过程的最优设计方案。这一点在过去是难以设想的，四、五十年代逐级放大的中试过程，方案有限，谈不到多方案的比较；西北民族大学《化工设计》教案4到了五、六十年代，虽然出现了台式计算器和计算尺，但也无法应付庞大工作量的多方案寻优计算。70年代以来大容量计算机的问世以及化工工程模拟与优化软件的出现，才为过程设计提供了现代的工具，使过程设计有了实现优化的可能性。过程设计的优化过程，就是应用过程的数学模型再计算机上进行迭代计算，以求最终寻得优化设计方案的历程。优化的目标函数通常是经济指标和能耗指标。1.现有情况经济考虑和社会需要开始2.想法原料、产品、路线、产量3.过程合成概念变化4.流程选择5.设计基础变量（迭代变量、设计变量）模型（过程操作模型、物性模型）过程的公共工程6.设计方法非设计变量的初值和收敛方法7.过程设计物料和能量衡算过程流股一览表过程设备一览表公共工程一览表过程流程图过程说明第二定律分析8.初步经济分析投资、操作费产生吸引力的准则9.考虑因素经济、热力学效率、可操作性、安全性、环境保护和保健10.最优化方法目标函数、方法11.过程设计报告详细设计的必要计算；全部设计详情完成结构最优化设计变量最优化图1—1过程设计的主要步骤西北民族大学《化工设计》教案5图1—1给出了国外现代化工过程设计的主要步骤。在数字计算机问世之前，模型常指握力模型，而把用来设计和模拟过程操作的数学模型称为“方法”，它可能是变量间的图形关系，也可能是用于逐个求借的方程。如图1—1所示，在连续稳态化工过程的设计中可能包括许多迭代和积分计算，以适应单元操作数学模型求解的需要。通过对现状（社会、经济、技术）的分析，确定了所采用的原料和为得到所需产品应采用的化学路线，这就是图中所示的第一步和第二步。第三步为过程合成，可产生一系列的概念流程，第四步通过定量比较（包括经济方面因素）选出最佳过程流程。第五步建立设计基础，包括确定设计变量和迭代变量；选择单元操作及所需物性的数学模型，选定公用工程设施。第六步确定设计方法，包括迭代变量初值的选择及收敛方法的确定。第七步通过物料和能量衡算列出过程流的一览表，功用工程一览表，绘制过程流程图。第八步对于以上的设计结果进行详细的经济分析，估计设备投资和操作费，且按一定的评价准则进行经济吸引力评估。第九步进一步考察经济可行性、热力学效率、可操作性、安全性、环境保护和保健等情况。第十步选用适宜的目标函数用最优化方法对结构参数及操作条件进行优化。优化计算包括两层迭代循环，选用的迭代方法要同时使结构及设计变量得到优化，在过程优化的同时又使衡算式收敛。提交过程设计结果时，必须完成过程设计的报告，它包括过程设计所产生的项目，设备设计的详情，如反应器结构的详情，精馏塔结构详情，蒸发和冷凝器设计所需的加热和冷却曲线等。现对设计步骤作如下分析，以明确设计工作的要点：a.过程的选择用标准的单元操作实现过程合成是关键的一步。在过程开发阶段化学家们大多关心化学路线和反应器形式的选择，对于纯化工产品的分离步骤及反应试剂的再循环常常考虑的不多。纵使有所考虑也大多限于实验室的需要，很少顾及工作实战的需要。例如在小型实验中，分离手段常选择溶剂萃取操作（对溶剂的易燃性、毒性或成本考虑的很少）而在工业实践中，往往是精馏、结晶等分离方法用的更多些。所以在过程设计中应认真考虑全过程的优化合成策略问题。已发表的许多文章都介绍了藉助于教学模型电算求解最优过程合成的方法，但由于所提出的约束较多，大都缺乏通用性，因而没有达到工业应用的水平。在过程合成领域中，目前只有热交换器网络和精馏塔系列这两个领域的合成设计被应用于过程设计的工艺中，其它部分的过程合成还处于半定量半艺术的阶段，要参照专家的经验求解。此外，对于过程开发中提出的多种方案，在过程设计阶段应予以认真地评比，以择西北民族大学《化工设计》教案6出最佳方案。b.生产能力的选择工厂的生产能力必须在设计的早期阶段予以固定，因为很多工作必须在固定它的前提下才能进行。但是确定生产能力却不是一个简单的问题，因为要涉及对未来市场及竞争对手日后情况的预测。而这种预测常常有一定的不确定性，因而增加了问题的复杂性。c.过程结构的选择过程合成完毕，过程所需的单元操作已定，该如何把这些单元操作联系在一起，组成最佳的过程网络呢？这是过程结构问题。由于这个问题的复杂性，目前还常常使用半经验、半数模的“事例研究”的优化方法求解。另外，动态规则、整数规划也开始应用于这个系统的优化问题上。d.过程条件的选择继过程合成生产、生产能力选择以及过程结构的选择之后，还应选择最佳的过程条件——温度、压力、浓度、停留时间等。它对过程的经济合理性有较大的影响。e．其它条件的选择设备的初估尺寸、备用件选定、可操作性、安全性、过程控制、外围设施配置等也都应尽可能地按最优化的方案予以确定。综合上面五个要点可见，过程设计的核心目标是要确定出一个综合优化的设计方案，使其各个方面皆能处于优化状态。正如1988年美国家顾问团在他们的著作《化学工程的新领域》中，指出的那样，“过程设计的基本目标是：确定最佳设备单元及其间的最佳组合；寻找最佳操作条件，在此条件下，能使产品以最低成本，达到所希望的产率。同时还必须考虑安全与环境保护的必要约束条件。过程设计是一个复杂的问题，不但要进行定量计算，而且还要处理大量的信息，进行严密的逻辑推理，引用专家的经验。”在概念流程确定后，只有在计算机的辅助下才能快速完成方案筛选与方案优化工作。上述众多因素优化的共同目标就是由经济准则与能耗准则确定的经济与能耗的优化目标。目前，在过程设计方面，应继续进一步开发的内容是：全流程大系统模拟的数值方法；过程设计中热物理性质模型；包括过程控制在内的过程合成：过程设计中的可操作性分析；有效能分析评价方法；专家系统与大系统的优化。其中应特别重视多产品、多目的工厂的设计优化策略问题。西北民族大学《化工设计》教案71.3计算机辅助化工过程设计的硬件和软件1.3.1硬件发展从1946年Eckert和Mauohly研制成第一台电子计算机（UNIVAC）以来，数字机的发展共经历了四代，如表1—1所示。从存贮、速度和费用观点来看，现代的大型机（Mainframo）已能适应化工过程设计及模拟分析的需要。近来出现的32位或较大字长的超小型机（如VAX11/735和Prime750），尽管其功能略小于IBM大型机，但其价格低廉，主存贮器已达二百万字（Words），且有虚拟贮存，已在计算机辅助化工程设计中得到广泛应用。预计在2000年左右将出现第五代计算机，它将有平行处理的结构，计算速度将达到10000亿次/秒（当前仅有20亿次/秒），且将装入具有IF-THEN知识基底（knowledge-based）的人工智能系统或专家系统，从而可具有机器图像，机器说话，机器理解语言等更有效的交互作用功能，为计算机辅助化工过程设计提供服务。表1—1适用于工程和科学的计算机的演变型号IBM代时间电路类型主贮存容量WordsCPU循环时间，微秒相对功能相对运算费用特点70111953电子管40961211批处理，比UNIVAC快70411955电子管3276812FORTRAN编辑，自动处理子程序709021960晶体管327682.2200.13生产者的操作系统，维修大大减少360-7531960混合集成电路2621440.081080.04大大增加内存，分时操作即可用于商业又可用于科学计算。370-16841973整体集成电路20971520.0544050.02CACHE高速贮存，多环节错误检查和校正3033U41978大规模集成电路62914560.0578380.008双处理器，入诊断系统3031K41981大规模集成电路83886080.02616980.0076四处理器，可靠性大大增加，虚拟贮存微型计算机的出现对计算机辅助化工过程设计产生巨大的影响。微型机对计算机辅助过程设计的影响有好、坏两个方面。好的影响是具有图像和扩展式微型机的大量涌现，使化学工程师思考问题的方式发生的改变，使许多设计者更多地熟悉计算机的功能，且能对计算机系统的开发者提出更多的要求，随着这种要求的实现，设计工程师将更进一步认识到计算机辅助化工过程的潜力，可以说微型计算机起着计算机科学与工程设计之西北民族大学《化工设计》教案8间的催化剂作用。所谓坏的影响是：1）年青的工程师过多地相信计算结果，使对设计改进的预计可能会高于实际得到的效果；2）如果所使用的模型及计算方法过于简化，会使所得的计算结果不是最佳条件，而与专家经验的判断有出入。但80年代中期以来，计算机硬件与软件急速发展，这些缺陷正在逐步消除。对于所有类型的计算机，它们的硬件能力已提高了两个数量级，预期还将以这个速度发展下去。目前，科学界与工程界主要在三种计算机系统中完成他们的计算，即高功能大型计算机；计算机工作站及个人计算机系统。高功能大型计算机系统可以进行平行与矢量过程处理；计算机工作张具有多用户的能力；对于单用户系统的个人计算机，其主要类型是AppleMacintosh，IBMPC或者是不同种但彼此相容的PC机等。随着超小型机的产生以及小型机微型化工作站的增多，促进了将它们联系成区域网络的发展，计算机联网已经实现，它的显著效果是不但可提高计算速度，而且可以实现内部通讯，共享不同计算库的资源，显著地提高了处理能力与资源。广大工程师们在自己办公桌的微型计算机上即可完成向不同计算站的通讯，程序软件的调用，进行过去只有在大型计算站才能完成的计算。从而加快了计算机辅助化工过程设计的推广速度，提高了设计能力。1.3.2计算机辅助设计的软件进展早在50年代在一些先进的西方企业中，化学工程工程师首先在老式的计算机（穿孔或卡片式）上完成了闪蒸和精馏的计算机辅助计算（COMPUTER-AIDEDcalculations），随后又应用FORTRAN语言进行不同单元操作的计算。在1958年M.W.Kellogg开发出了第一个过程模拟软件，既FlexibleFlowSheet，同时期大公司如UnionCarbideCorp.和StandardOilCo.也推出了序贯法的过程模拟程序，60年代中叶开始成立了软件公司，专门从事软件开发，如SimulationSciencesandChem.Share等