《化工工艺设计.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工工艺设计.ppt（35页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第4章 过程合成的启发式法则1.原材料和化学反应路径启发1:选择合适的原材料和反应路径,以减少或避免毒害物质的处理和储存。自1984年印度Bhopal事故后，全世界都对高活性中间产物引起了关注。,(R1),(R2),如，乙烯生产乙二醇（一种防冻剂的主要成份），通常分两步串联进行：第1个反应乙烯在银丝网催化剂作用下部分氧化，因为两个反应都是剧烈放热反应，需要仔细控制。,如果水溅入乙烯氧化物中，会引起类似Bhopal的事故，通常在此两步反应中，将中间体储存起来以便能连续生产，当出现问题时关闭第一个反应。考虑环保和安全需要，消除大量活性中间产物的储存（如环氧乙烷），提出四种可能的过程概念。,1、去掉
2、储罐，当乙烯氧化物反应停止后，中断乙二醇的生产；2、用腐蚀性和价格昂贵的氯气，单步合成：CH2=CH2+Cl2+2NaOH（aq）HOCH2CH2OH+2NaCl（R3）这就要价格更高的原材料，但能完全避免中间产物。,3、当生成乙烯氧化物后，用CO反应生成乙烯碳酸盐，一种活性较低的中间体。这个反应在四乙胺催化剂的作用下能顺利地完成。乙烯碳酸盐能安全储存并水解生成乙二醇.4、用乙烯、氧、CO在Ag丝网催化下连续进行（R1）和（R4）的反应。这个反应需要实验室和中试研究。,2.物料的分配启发2：反应中让一个组份过量以便彻底消耗掉另一个价格高、有毒害作用的组份。在物料的分配中，需要做出的决策有：.过
3、量组份的使用；.进料流股中惰性组份的处理；.反应中生成的副产品的处理。,乙烯过量,反应中彻底消耗掉氯气,但需要回收未反应的乙烯,需要考虑过量度,即乙烯/氯气比,它决定分离和再循环的费用,经常在过程经济中起关键作用。在很多设计中，这个比例是用启发式法则设定的，在基本设计中，通常用过程模拟器来有系统地改变这个比例。用数学程序决策时，这个比作为设计变量来处理，在优化中变化。,3.惰性组份启发3：当分离比较容易、需要纯产品且催化剂受惰性组份的影响时，在反应前先除去惰性组份，但有大量反应热生成时，不先除去惰性组份。,通常在进料流股中，含有一定量的惰性组份，当需要纯产品时，一个重要的决策是在反应前去除杂质
4、还是在反应后去除。要根据去除的难易程度和分离费用来决定.,4.排空流股 启发4：进料中的一些杂质或者不可逆副反应的产物，当它们含量是痕量或不容易分离时，轻组份从气相中排空，重组份从液相排空。,原料中的或副反应生成的痕量杂质在连续过程中会积累，因为低浓度组份的分离成本是很高的，当它们无毒,对环境影响不大时，通常排空。当一些组份在其它组份中大量存在，但不容易分离时也用排空。,排空/循环比是一个关键决策变量,如果排空/循环比增大,原材料的流失也增大,产品产量也减少。在过程合成的早期阶段,排空/循环比通常用启发式法则确定,最后用过程模拟器改变这个比例以确定对再循环流率和设备大小的影响,优化投资收益。,
5、启发5：不要排空有价值的组份和有毒害作用的组份，即使浓度很低，也不要排空。用分离器回收有价值的组份，用反应器消除毒害组份。在一些情况下，痕量组份从废流股中的回收是个重要的排空替代方案。如，当水溶液中含有痕量贵金属（如陶瓷基体上负载的催化剂），再如，废水处理、环保要求废水中痕量有机和无机物必须回收或转化为环境可接受的成份。,从内燃机中排出的气体中的烃类和CO催化转化，如图4.4所示，催化转化常用来将CO和NO转化为CO2和N2。用反应操作比分离和排放要好,5.循环反应使可逆反应的副产物消失启发6：可逆反应的少量副产品，通常不用分离器分离或排空，而是用循环反应使其消失。,通常在副反应中生成的少量物
6、质，如甲苯加氢过程中生成的联苯，当反应不可逆时，必须将这些物质分离或排空，否则会积累到使生产必须关闭的程度。当反应可逆时，不用分离这些物质，而是通过循环，在稳态下达到平衡转化，即通常所说的副产物循环至消失。认识到这一点是非常重要的，可以避免物料的损失和昂贵的分离过程。,6.选择性启发7：对竞争反应，不管串行反应还是并行反应，都可以调整温度、压力和催化剂以达到主产品的高产量。在物料的初步分配中，假设这些条件是满足的，在进行初步设计之前，要用动力学数据验证这个假设。,当选择性成过程设计的关键因素时，经常要对反应器进行单独分析，然后再分配物料，进行流程的合成。有时不能简单地用调整反应的温度、压力来达
7、到足够的选择性，催化剂的用量起重要作用。,7.反应分离 启发8：对可逆反应，考虑在分离设备中同时进行反应并移走反应生成物，推动反应向右进行，这种反应分离操作导致显著不同的物料分配。将反应和分离操作合二为一，如反应精馏塔、反应吸收塔和反应膜分离等，经济效益明显提高。,反应精馏乙酸甲酯的生产,将反应产物从反应部分的气相和液相流股中抽出，从而推动反应向右进行。因为甲醇的挥发度比乙酸大，因此从反应带的下部进料，乙酸从反应带上部进料，甲醇汽化与乙酸逆流接触反应生成乙酸甲酯，乙酸甲酯以气相形式从塔顶馏出，水从塔釜釜液中排 出。,8.分离 启发9:分离液体混合物用精馏、解吸、强化（萃取、共沸、反应）精馏，液
8、液萃取，结晶和吸附。启发10：用冷却水冷却蒸汽混合物，然后用启发9。启发11：用冷凝器部分冷凝。低温精馏塔，吸收塔，膜分离设备分离气体混合物。,当反应产物是液相时，Douglas建议在流程中插入液相分离系统，液相分离系统包括一个或几个下列分离器：精馏和强化精馏塔、解吸塔（汽提塔），液-液萃取塔等，未反应的组份回收，再循环反应。,对气相反应产物，Douglas建议用冷却水或制冷剂首先部分冷凝，冷却水可以将反应产物冷却至35以下，主要目的是获得液相，容易分离，如果不冷却的话，就要用气体压缩机，费用很高。当采用部分冷凝后，就用液相分离系统，当需要去除液相中的痕量组份时排空一部分气相送往气相回收系统，
9、包括一个或几个如下操作：部分冷凝(升高压力，降低温度)，低温精馏、吸收、吸附、膜分离等，气相产物回收，轻惰性组份排空，气相回收系统中产生的一些液体送往液体回收系统。,当反应产物已经在气相和液相分配以后，Douglas组合了两个流程，如图4.9。应该认识到对三个分离系统流程的发展包含了几个启发式法则。首先，有些分离设备如膜分离，在液相分离时不考虑；第二，首先用冷却水部分冷凝，而不用压缩和制冷，（假设液相分离是优先的），部分冷凝气相产物，而不是部分汽化液相产物。,9.从放热反应器中移走热量 启发12：为移走高放热反应的热量，考虑用过量的反应物，惰性稀释剂，或者冷液喷射，这将影响物料的分配，应该在过
10、程合成的早期考虑。启发13：对低放热反应,将循环反应器中的流体引出到外部冷却器，或用套管式和盘管式冷凝器。另外，考虑使用绝热反应级的中间冷凝器。,10.向吸热反应中增加热量启发14：为控制高吸热反应的温度，考虑过量反应物的使用，惰性稀释剂或者热喷射。这将影响物料的分配，应该在过程合成的早期考虑。启发15：对需要热量不太多的反应，循环反应流体到外部换热器，用套管式或盘管式换热器加热。另外，考虑用绝热反应的级间换热器。,泵和压缩启发16:增加流股的压力时，用泵给液体加压而不用压缩机压缩气体，即，先冷凝蒸汽（不用制冷），再用泵加压。在过程合成中当需要积累压力时，用泵加压比用压缩机压缩气体费用低很多。,提高流股压力所需能量为：其中V是体积流率，液体比气体通常小102数量级。用功率为10hp的泵，压缩机就要1000hp，且购买和安装费用也很高。鉴于这些理由，首先冷凝蒸汽，再用泵加压，再汽化，成本比压缩还低，如图4.12所示，这个启发式法则的例外是需要制冷剂来冷凝蒸汽时，就不如压缩了。,
