化工工艺设计第二章

第二章过程创建内容本章涵盖了“过程创建”和“初步设计”的主要步骤。2.1过程创建1.创建初始数据库2.做实验补充数据库;3.初步过程合成;4.任务集成;2.2初步设计1.创建详细的过程流程图;2.过程集成;3.创建详细数据库;4.中试修正流程图;5.建立模拟模型.2.1过程创建1.创建初始数据库a.基本的热力学参数：分子常压沸点、冰点、临界特性参数、标准焓、吉布斯由由能、蒸汽压、密度、比热、潜热等;b.主反应的转化率，产物的空间速度分布，温度和压力分布等;c.环保和安全数据：物质的毒性及其对人和动物的影响，物质在空气中的燃烧浓度范围;d.产品价格。当数据收集起来后，绘制曲线对这些散点数据进行拟合，用回归分析法求出方程的系数。2.做实验获取数据实验室研究是用少量的昂贵溶剂在小容器中进行,在此条件下,产品转化率和选择性远没有达到优化。为使设计概念更有吸引力，要用更具代表性的对大数物质都适用的溶剂，在其它条件（浓度、压力、温度）下做其它附加实验。当化学反应要用催化剂时，就要用与工业装置一样的原料做实验，确定催化剂寿命和潜在的毒性。从实验中得到的数据是波动的，需要进行回归处理。然后放入初始数据库中。3.初步过程合成（PreliminaryProcesssynthesis)第1步选择过程模式：间歇式或连续式；第2步确定原材料、产品和副产品的状态；第3步建立不同的结构。第1步，选择过程模式间歇或连续过程：连续过程居统治地位，大多数过程在连续操作状态下接近于优化。对反应速度较慢的体系如制药和电子材料,由一些小容器和管道组成的过程很难用连续过程，通常设计成间歇过程或半连续过程或者是混合型过程；当小批量生产时经常用间歇或半连续过程；生产有毒害性质的化学物质时，安全要求特别高，也采用间歇或半连续模式。第2步，确定物料状态1、质量流率2、组成（摩尔或质量分率）3、相（固、液、气）4、规格（如颗粒大小和颗粒形状）5、温度6、压力第3步，建立结构---组合过程操作基本操作：1.化学反应2.化工分离3.相分离4.温度改变5.压力改变6.相改变7.连续流股或间歇流股的分流或混合以上这些是所有化工过程的构建模块，在过程合成中都包括这些基本操作。在任务集成步骤，将这些操作合理组合起来。4.任务集成当原材料和产品的状态确定以后，过程合成就是过程操作的选择和组合，换句话说，每一个操作可以看作是消除了原材料和产品之间的性质上的一个或几个差异，使原材料一步一步转变为产品。按以下步骤确定过程操作的顺序合成步骤过程操作1、消除分子类型的区别化学反应2、物料的分配混合3、消除组份的差别分离4、消除温度、压力和相的差别温度、压力和相改变5、任务集成将操作组合成单元过程过程合成示例步骤1.消除分子类型的区别—化学反应氯乙烯的生产，原则性的反应路径如下：路径1.乙烯直接氯化C2H4+Cl2→C2H3Cl+HCl（2.1）这个反应路径看似诱人，它在几百摄氏度的温度下反应，但氯乙烯收率不高，同时有大量的副产物产生如二氯乙烯，另外一个缺点是氯气分子中的一个氯原子生成了盐酸造成了浪费，并且盐酸不好销售。路径2、乙炔盐酸化C2H2+HCl→C2H3Cl(2.2)这个放热反应是前面方案三的解决方法。在150℃,常压下,在活性炭中浸渍的HgCl2催化剂作用下,乙炔的转化率达98%。反应条件是比较合适的,因此，这个反应值得研究。路径3.乙烯氯化成二氯乙烯再热裂解C2H4+Cl2→C2H4Cl2（2.3）C2H4Cl2→C2H3Cl+HCl(2.4)C2H4+Cl2→C2H3Cl+HCl(2.1)反应(2.3)和(2.4)的总反应为(2.1)。二步反应法的优点是：乙烯转化成1,2二氯乙烷的转化率达98%(90℃,latm,FeCl3催化剂)。然后，500℃热裂解二氯乙烷成氯乙烯，转化率高达60%。未反应的二氯乙烷从氯乙烯和盐酸中回收再利用。这个反应不产生大量的二氯乙烯，但和反应1一样会产生HCl。这是个可选方案。路径4.乙烯氧氯化成二氯乙烷再热裂解C2H4+2HCl+1/2O2→C2H4Cl2+H2O(2.5)C2H4Cl2→C2H3Cl+HCl(2.4)C2H4+HCl+1/2O2→C2H3Cl+H2O(2.6)在反应（2.5）中，乙烯氧氯化成1.2一二氯乙烷,HCl提供Cl源。这个放热反应转化率达95%（25℃，CuCl2催化剂），并且HCl成本很低。在反应3中，二氯乙烷在高温分解步骤中热裂解成氯化烯。本反应路径可以看作是可行方案三的解决方法。路径5.乙烯氯化的平衡过程C2H4+Cl2→C2H4Cl2（2.3）C2H4+2HCl+1/2O2→C2H4Cl2+H2O(2.5)2C2H4Cl2→2C2H3Cl+2HCl(2.4)2C2H4+Cl2+1/2O2→2C2H3Cl+H2O(2.7)这个反应路径组合了反应3和4,其优点是将氯气中的两个氯原子全部转化成氯乙烯.高温分解中产生的所有HCl在氧化氯化中全部消耗掉了.这个反应路径是可行性方案二的最好的合成方法。综合以上信息，反应路径1应该放弃，它的选择性低，副产物多。其它的反应路径由原材料和产物的价格来选择。在进行下一步设计之前，应该计算每一个反应路径的毛利，用来排除不可行的反应路径。毛利是产品的销售价减去原材料成本，不包括设备费和操作费用。反应路径总反应式毛利(cents/lb氯乙烯)2C2H4+HCl=C2H3Cl-9.333C2H4+Cl2=C2H3Cl+HCl11.944C2H4+HCl+1/2O2=C2H4Cl+H2O3.4252C2H4+Cl2+1/2O2=2C2H3Cl+H2O7.68表2.3氯乙烯生产的毛利反应路径2的毛利是负的,其它反应是正的氯乙烯不能采用反应路径2生产。图2.5表示了对反应路径3创建一个流程的第一步---化学反应。关键决策是确定过程规模大小，即产量。在本例中，产量是100,000lb/hr。步骤2，物料的分配---混合步骤3，消除组成上的区别—分离步骤4，消除温度、压力和相态的区别步骤5、任务集成合成树2.2初步设计1.创建一个详细的过程流程图，完善初步过程合成中形成的任务集成；2.创建一个详细的数据库；3.进行中试实验，验证反应步骤和分离操作中更重要的未理解的问题；4.准备模拟模型。1.详细过程流程图将所有设备和流股都进行编号，主要设备进行列表，将每股物料的状态，如温度、压力、相、流率、组成和焓等其它特性用表列出。对所有的物料和能量进行衡算。图2.11是典型的氯乙烯过程流程图。在流程图绘制中，每一个过程单元都用特定的图标表示，大部分软件都有表示关键特征的图标。然后，在图标的输入和输出之间画上代表流股的线，并对线进行编号.2.详细的数据库在详细数据库创建中，通常要增加传递和动力学数据，分离可行性数据，热交换中禁止匹配的流股，启发式参数，设备尺寸数据。3.中试实验有助于确定潜在的问题，如进料中少量杂质带来的影响(如对催化剂寿命的影响)，不期望的副产品带来的负面影响（如不期望的气味或颜色）。中试还有一个作用是为潜在客户提供少量样品，这些客户在生产他们的下游产品时要用这些产品，先要确定这些产品的性能和效果。4.建立模拟模型在初始过程合成和详细过程流程图创建中讲过，过程模拟器扮演着非常重要的角色。在整个流程没有模拟模型的情况下过程模拟器能够创建一个模型；在有部分模型时，用过程模拟器创建一个更复杂更完善的模型，以便检查参数改变对整个过程带来的影响；在设计时不用模拟器时，模拟模型通常用来比较中试数据和进行参数研究。