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1、第四章 工艺流程的合成与优化,工艺流程的合成与优化是化工过程开发的重要内容，在化工过程开发中以各种形式收集的技术经济信息，最后都要在流程的合成与优化中反映出来。工艺流程的合成是随着开发工作的不断深入而逐步完善的。愈到开发后期，工艺流程的设计就会愈加细密、全面和完善。流程也是化工工艺设计的基础。无论概念设计还是基础设计，通常都是先确定流程，然后才依据流程再进行各种详细地工艺计算。,第一节 流程的内容和设计应考虑的问题,一、工艺流程的内容 任何化学工业产品的生产，都有化学反应过程以及反应过程之前的物料预处理和反应过程之后对物料的分离与提纯。这种以化学反应为工艺核心，并连接反应前、后对物料进行处理的
2、工艺步骤形成一个由原料到产品的生产工艺程序，就称之为“工艺流程”，如图1所示。,原料,预处理,化学反应,分离与提纯,产品,废料,循 环,图1 化工生产工艺模式,对于不同产品，由于化学反应和物料在反应前、后的处理方法和要求不同而会有不同的工艺流程。即使生产同一种产品，因生产原料和生产厂家的差异，也会有不同的工艺流程。尽管各种产品生产的工艺流程的繁简程度和组合方式各不相同，但以化学反应为核心，配合反应前、后对物料进行处理这一结构顺序是不变的。用线条和箭头表示了各工艺步骤之间的连接以及物料运行的方向的流程图称为工艺方框流程图。用示意图形表示工艺设备的流程图称为工艺方案流程图。,详细的工艺方案流程图还
3、要求注明生产过程的测量与控制点的位置，设备连接部位和连接的方法以及设备的详细型号规格的图形，称为“带控制点的流程图”。这种流程图一般是在过程开发后期，进入到设计和建立生产装置时绘制的，用以指导装置的安装和设备的连接。从工艺技术方案的完整性考虑，单纯的流程图还不是一份完整的工艺技术方案，除流程图外，还必须配合流程说明书。流程说明书的内容一般包括工艺原理和工艺步骤的说明，生产物料的规格和要求，工艺条件和控制的技术要求以及生产规模、产品规格和生产指标等。,二、流程合成设计应考虑的问题 合成是将各个子系统组合为一个整体，即把不同功能的单元设备按一定方式连接起来，各单元设备之间的温度、压强、组成、相态等
4、应衔接匹配，得到含有物料、能量、控制的工艺流程，完成由原料到产品的转化。工艺流程的开发过程称为化工系统或化工过程合成。过程合成的主要任务是：选择适当的单元设备，确定设备之间的最优连接方式和操作条件，用给定的原料生产出所需的产品，并使生产成本最低，过程安全可靠，环境污染最小。,过程合成时，必须依据对象的特点，提出可供选择的方案，在评价标准的约束下进行分析和筛选，通过合成获得最优方案。合成工艺流程时应特别注意如下问题：1、技术的成熟程度 技术的成熟程度是流程设计首先应考虑的问题。如果已有成熟的工艺技术和完整的技术资料，则应选择成熟的工艺技术进行项目的开发和建设。这样既保证了项目开发成功的可靠性，同
5、时也可以缩短开发周期和节省开发费用。当采用成熟的工艺技术进行项目建设时，必须注意该项目实施的时间和空间条件，应对采用的工艺技术与实施的时间和空间条件差异作适当修改，以便使工艺技术方案能符合现有时间和空间条件的目的和要求。,如果在开发中找不到成熟的工艺技术和可靠的技术资料时，也应尽可能找到工艺类型相近的成熟技术资料作参考，借鉴成熟技术的经验和教训，可以提高流程设计的准确程度。尤其是设备选型，可多采用已定型生产的标准设备，尽可能减少非标准型设备的设计。对于物料的分离与提纯，也应尽可能避免采用技术成熟程度差或分离速率慢的方法，以免这些操作步骤成为整个流程中物料运行的“瓶颈”。2、技术的先进性和可靠性
6、的关系 在技术开发中选择工艺技术路线往往较多考虑技术的先进性。因为先进的工艺技术体现了较高劳动生产力和较大经济效益。但先进的工艺技术的应用时间一般较短，由于未经充分地实践检验而不可避免地带来某些技术上的不可靠性。,作为投资建设项目的流程设计，总希望少承担技术风险。但在保证可靠性的前提下，则应尽可能选择先进的工艺技术路线。如果先进性和可靠性二者不可兼得，则宁可选择可靠性大而先进性稍次些的工艺技术作为流程设计的基础。这样可以保证投资的安全可靠。3、流程的可操作性 流程的可操作性是指流程中各种设备的配合是否合理，物料的运行是否畅通无阻，各种工艺条件是否容易控制和实现等。显然流程的可操作性，应当是设计
7、流程时必须着重考虑的技术问题。,在考虑流程的可操作性时，必然要涉及设备的可操作性。每一台设备的工艺条件都容易达到和容易控制而且性能稳定，即使在外界偶然因素的干扰下也能自动恢复到稳定状态。在此基础上才能考虑各设备间的合理配置和配合。此外，在考虑物料回收和热能综合利用方面，也应注意流程的可操作性，不要因为采用物料和热能的回收利用措施而影响流程的可操作性。流程的可操作性在工艺流程设计中目前还是一项难度较大的技术工作。高速运转设备，易受腐蚀设备，易结垢和被堵塞的设备，都会因容易损坏而降低了流程的可操作性。在流程设计时，还应考虑设置便于更换的备用设备，以便设备损坏时，能及时进行切换而保证流程的畅通。,4
8、、投资和操作费用 在流程设计中考虑节省建设投资，首先体现在设备的选型上，应尽可能选用批量生产的定型标准设备，以及结构简单和造价低廉的设备。其次，在工艺技术路线方面，也应尽可能选用条件温和的工艺技术路线，以避免对设备的结构和材质提出过于苛刻的要求，同时也应避免对于厂房建筑提出特殊要求。从操作费用考虑，则应选择价廉易得的原料路线和低能耗的技术路线，而且希望操作条件温和、生产物料无毒、无腐蚀性和无爆炸性危险等，以降低原料消耗费用和能量消耗费用。,5、安全 在流程设计中应重视破坏性风险分析。这种分析通常是通过事故模拟试验的考察来进行的。从模拟试验中可以了解到事故发生的原因，产生的条件和后果，以及各种原
9、因之间的内在关系。通过分析，可以确定所设计的流程需要承担的安全风险，找到防止危险的安全措施，并在流程设计中从设施上加以保证。6、环境和生态 关于环境和生态主要考虑生产中“三废”排放对环境造成的污染和危害，应从流程设计中提出治理“三废”的措施，在建立生产装置时一并解决。,第二节 原料与工艺路线及操作方式,一、分析与综合的基本概念 分析与综合属于科学认识的思维加工方法之一。分析是把整体分解为部分，把复杂的事物分解为简单要素分别加以研究的一种思维方法。综合是在思想中把对象的各个部分、各个方面和各种影响因素结合起来考虑的一种思维方法。分析是一个由整体走向局部，由复杂走向简单的认识过程；综合则是一个由局
10、部走向整体，由简单走向复杂，由抽象上升为具体，由一般进展到特殊的认识过程。分析是将一个已有的系统分开来研究，综合则是产生一个新的过程。二者相互作用，相互制约、相互促进。,在化工过程开发中，分析过程是将原则流程图分解为若干子系统，子系统继续分解为若干操作单元，以确定每一个操作单元的输入、输出条件和设备；综合则是将分析得到的结果以一定的方式连接起来，构成一个完整的工艺流程，完成从原料到产品的转化。简单的说，分析确定操作单元的具体设备和工艺条件，综合确定总体结构。确定总体结构与选择单元设备是互相渗透、互相影响的，在开发中是一个交替进行，不断完善的过程。人们对化工过程的认识就是在分析-综合-再分析-在
11、综合的过程中不断前进的。在化工过程开发中，涉及许多单元操作，有许许多多方案存在，采用分析与综合方法是为了产生比较合理的方案。,二、比较方案筛选筛选是指按照一定的评价标准（技术、经济、环保、安全等）对可供选择的方案进行比较，逐步删除直至确定一个可行的方案。1、原料与工艺路线的选择 一个新的化工生产过程，采用什么生产方法，即选用什么原料和工艺路线去获得预期的产品，对过程的技术经济指标有决定性的影响。在化工产品成本中，原料费用一般占有相当高的比例（60-70%），不同原料有不同的工艺路线，同一原料也会有好几种工艺路线，它们的技术经济指标也不相同。因此，必须通过对比，得出最佳方案。,（1）原料路线的选
12、择原料的选择必须考虑以下基本要求技术可行性。选用的原料都必须首先满足预期的生产工艺并获得预期产品。供需可能性。所用原料应有稳定可靠的来源，运输供应比较方便，能够满足企业当前生产和长远发展的需要。经济合理性。原料价格应较低，以降低生产成本。同时也要考虑原料加工需要的投资和附加费用。资源利用的合理性。从整体利益出发，根据国家的资源政策合理利用资源，并努力开拓合理利用资源的方法。,例如：丙烯腈的合成，早期的合成路线是用乙炔和氰化氢在二氯化铜催化剂的水溶液中反应。C2H2+HCN CH2=CHCN这条路线后来逐渐被丙烯氨氧化路线所取代。2CH2=CHCH3+2NH3+3O2 2CH2=CHCN+6H2
13、O 比较以上两条路线，首先是在生产成本上后者占优势，因为丙烯的价格比乙炔低很多，而氨的价格也比氰化氢低。其次该合成路线不用剧毒的氰化氢为原料。所以在丙烯腈的工业生产中后者逐渐取代前者而占绝对优势。,（2）工艺路线的选择 工艺路线和原料路线是紧密联系的。一般而言，工艺路线的核心是反应路线。因为确定了反应路线，反应的原料要求、反应操作条件、反应产品的组成和状态、原料和产品的分离精制要求也大体确定。选择工艺路线的基本原则仍然是原料供应的稳定性与经济合理性，技术的先进性和运行的可靠性，生产的安全性与对环境的无害性。选择工艺路线时，下列几点应该注意：尽量提高反应过程的原料利用率和目的产品的产率。避免出现
14、过高或过低的温度和压力条件。,避免过程中出现剧毒、高度敏感燃爆性或高度腐蚀性的物料。尽量缩短流程和减少生产环节。减少向环境中排放废物，实现物料在过程内部的闭合循环利用。研究多品种联合化生产的规律，实现多品种生产的产物与副产物的内部消化与互补。过程能量的充分利用，以降低能耗和单耗。,催化反应耦合生产 丁内酯，2004,反应条件：0.05 MPa、200-230转化率：100-丁内酯选择性962-甲基呋喃的选择性90；提高10-15,江苏，张家港,-丁内酯和2-甲基呋喃是重要的有机中间体，传统工艺采用1,4-丁二醇脱氢生产-丁内酯，且副产氢气，需加压回收或直接放空；采用糠醛加氢生产2-甲基呋喃，需
15、制氢装置或购买氢气，增加了生产成本。中科院煤化所采用1,4-丁二醇脱氢与糠醛加氢耦合技术来合成-丁内酯及2-甲基呋喃，其原理是把加氢放热反应和脱氢吸热反应综合在一个反应器中，使得脱出的活性原子氢供给加氢反应，加氢反应释放的热量供给脱氢吸热反应，并且耦合过程产生的活拨原子氢可显著提高目的产物的选择性。耦合反应一套设备生产良种产品，使得反应流程简化，降低了生产成本。,该技术的突出优势是：使反应成为原子经济反应，避免了氢气的消耗并提高了能量利用效率，大大降低了生产成本，是一个近零排放的绿色化工过程，对改造精细化工行业传统工艺具有重要的推广应用价值，相关技术获2005 年国家技术发明二等奖。目前，该技
16、术已成功应用于江苏七洲绿色化工公司和内蒙古伊化集团，与同等生产规模比较，降低了投资约45%，利润提高了约55%。,（3）加工工艺选择 工艺过程确定以后，进一步工作是选择加工工艺和确定具体的单元设备，实现所要求的功能。化学工程理论对各种单元操作进行了详细的阐述，为单元操作设备的选择与设计提供了基础，尽管如此，在选择单元操作设备工作中仍然会遇到许多困难。就单元操作理论成熟程度而言，流体输送、传热过程（换热器）、气液传质过程（塔设备）理论研究深入，工程放大比较可靠，相应的设计软件也发展较快。但是，非均相分离过程、热质传递同时存在的过程等理论研究还不够完善，设备种类很多，只有理论和实验研究相结合，才能
17、做出恰当的选择。另外，新型分离技术发展很快，如膜分离、磁分离设备都已经进入工程应用阶段，加工工艺选择时应给予充分的考虑。,（4）操作方式选择在流程设计之初，选择操作方式也是很重要的设计内容。A、生产规模 从生产规模的大小考虑，一般生产能力大于4500t/a的生产装置，宜采用连续操作；而生产能力小于4500t/a的装置，则采用间歇操作的情况居多。这样的考虑除了产量小不便于连续生产的原因外，更重要的原因是间歇操作简单，操作弹性大，开发的周期也比较短。B、市场需求 有些产品的市场需求有较强的季节性，如果全年生产，则需要较大的仓库储存原料和产品，故宜采用间歇操作。,此外，有些产品的生命周期比较短，容易
18、被不断出现的新产品所淘汰。在这种情况下，采用间歇操作的灵活性大，便于设计成通用型的生产装置。C、受特殊条件的限制对于以下几种情况，宜采用间歇操作：反应速率极慢的反应过程，间歇操作是唯一可选择的方案。反应物料中有泥浆状物质时，用间歇操作可避免连续输送管路的堵塞。在生产过程中容易产生结垢而需要频繁处理时，用间歇操作比较方便。,第三节 分离过程,在化学工业中，绝大多数的原料和产品都需要分离精制，而分离方法的选择通常都是根据被分离物料中各种组分的物理和化学性质的差异来确定的，如沸点、熔点、挥发度、溶解度吸附性密度等。在选择分离方法时，除了考虑该方法是否符合分离要求外，还应考虑该方法的成熟程度和适用范围
19、。当分离方法选定之后，则需进一步考虑设备构型、投资、操作费用和能耗等。,一、关于原料预处理的判断原料的预处理可根据以下原则作初步判断：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；原料中杂质含量较大时，即使这些杂质与产品的分离要比它们与原料的分离容易，有时也需要进行预处理。因为大量的杂质进入系统后，会影响系统的生产能力和热平衡，也增加系统内物料流动的阻力。,二、分离方法常见的分离方法主要有以下几种
20、：1、气固相混合物的分离 气固相混合物的分离在大多数情况下是对气体进行除尘净制。净制方法有干法和湿法。前者为重力沉降、离心沉降、静电沉降等；后者则为喷淋洗涤。2、固体混合物的分离 固体混合物分离多见于选矿和矿物分级。其分离方法和设备有筛分、浮选和振动水力摇床分级等。3、液固相混合物的分离 其分离方法有沉降（重力或离心沉降）、过滤、干燥、蒸发和结晶等。,4、液体混合物的分离 其方法有蒸馏、萃取、离子交换、膜分离、色层析等。其中蒸馏和萃取多采用塔式设备；离子交换则为交换柱；而膜分离和色层析都有专用设备。5、气体混合物的分离 其方法有吸收、吸附、扩散、冷冻气体渗透和色谱法等。其中吸收多采用塔式设备，
21、扩散则有热扩散和压力扩散设备；气体渗透主要是膜分离器；色谱法则采用色谱柱，冷冻有专用设备。,三、选用分离方法的原则 选用分离方法时，应考虑生产产品的产值和产品的精细化程度。对于高产值而后精细花程度高的产品，分离成本不是主要问题，可以选用一些高效分离方法，如膜分离方法和色层分离方法等。对于那些产量很大而产值相对较低的产品，则应考虑分离成本，可选用那些较为简便或分离步骤少的常规分离方法。在选择分离方法时，应尽可能先把物流中的固体除尽，避免在生产过程中出现含有固体的物流，因为它们在输送中比含气体或含液体的物流容易堵塞管道，而且消耗的能量也较大。此外，也应尽的能避免在分离过程中加入除了被分离物料以外的
22、其他物质，因为在以后的工艺步骤中要增加分离这些物质的分离步骤。,对多种物质混合的物料进行分离时，考虑分离顺序的原则是：尽可能先分离容易导致副反应和特别有害的物质，以免对后来的工艺过程带来干扰；对于需要高压才能分离的物质，也应进行分离。此外，最容易分离的组分总是首先被分离出来，而把最难分离的组分留到最后分离。当然，技术上的可靠性和经济上的合理性仍然是选择分离的主要原则。例如精馏和萃取都是分离液体混合物的方法，从技术上的成熟程度来看，精馏高于萃取，如果可以采用精馏分离的物料，就尽量避免选用萃取。如果混合物的沸点相差较大时，用简单蒸馏即可分离的就不要采用精馏。这样的选择投资和操作费用都较低。选择分离
23、方法是一项技术性很强的工作，必须有针对性，只有被分离物料的物理化学性质，含量和分离要求都了解清楚之后，才能进行选择。,第四节 工艺流程优化,工艺流程优化是研究在一定条件下，如何用最合适的技术路线和生产设备以及最节省的投资和操作费用合成最佳的工艺流程。化工工艺流程都是由若干具有独立的化工过程的工序所组成，其结构一般都比较复杂，如果对整个工艺流程寻优，则因涉及的影响因素或变量数目太多而不容易作出优化结论。如果把流程分解成若干化工过程表示的工序，先对每个单一的化工过程寻优，则可运用有关的化学工程理论进行优化分析。在此基础上，再将各化工过程的优化结论进行综合，则可找到优化的工艺流程。但是这种优化综合，
24、仍然是一个复杂的寻优过程，必须分析各个方面的利弊，统筹兼顾，才能取得良好效果。,1、经验优化法 经验优化法是首先对需要合成的工艺流程提出一个或几个不同的工艺流程结构。运用过程分析的理论和实践经验，对这些工艺流程作出初步评价，并从中选择一个较好的工艺流程作为进一步优化的基础方案。在选定的工艺流程上作进一步优化是对该工艺流程方案进行修正，即运用有关经验法则提出对工艺流程修正的方案，考虑每一个修正措施的效果，从而使工艺流程渐趋合理与优化。经验优化法完全是一种试探性的方法，如果在试探寻优中能较好地运用过程优化分析的有关理论和实践积累的经验对工艺流程结构进行分析，则可缩小试探范围，减少寻优过程的工作量。
25、,2、形态分析法 形态分析是对所有可供选择的方案进行精确的分析和评价，以得出最佳方案。形态分析提供了一种逻辑结构以代替随机的想法，有助于确保考虑到所有的选择方案，通过对这些方案进行综合，有可能产生新的过程。以形态分析为基础的过程分析方法称为分枝界限法。这种方法用严格的计算来排除大量的方案，使搜索空间逐渐缩小。这种方法不会将最优的结构方案漏掉，但计算工作量很大。形态分析的步骤：（1）分枝，即找出各种可供选择的方案；（2）收敛，指经过评价对选择方案进行淘汰；（3）综合，比较保留下来的方案，选择最优者或取各方案的优点提出新的方案，完成过程的优化。,与经验优化法相比，形态分析法对方案的取舍有一定依据可
26、循，比较合理，不会将最优结构方案漏掉。3、调优综合法 调优综合法是经验优化法和形态分析法的结合，建立在功能分析的基础上。（1）功能分析功能分析是指把一个过程分解成若干基本部分并研究其基本属性和功能，然后分别考虑实现这些基本功能可供选择的方法，并寻找这些比较方案新的可能组合。,（2）调优过程 确定一个目标，设想一个简单的过程作为起点，研究和分析过程的结构及条件；对于发现的问题，采取措施加以改进，产生一个新的方案；对于改进了的方案再进行分析，做进一步的改进；多次改进，逐渐完善，直至达到确定的目标。调优法的特点是每一个新方案都是在前一个方案的基础上进行修改得到的，使系统不断得到完善。它综合了经验优化
27、法和形态分析法的优点，在工艺流程的优化中应用比较广泛。,4、工艺流程的计算机模拟（1）主要工作步骤如下：选定流程。首先要拟定一个可行的流程，即确定系统的组成和结构。过程分解，建立模型。费用计算。计算设备费用和操作费用。内部优化。改变设计变量的值，进行系统的定量优化。结构优化。当给定系统达到优化后，改变流程结构，合成一个新的流程。,（2）工艺流程模拟软件的功能A、工艺流程的合成与优化 在工艺流程的合成中，首先是从定性分析中合成几个初始的工艺流程，要定量的判断它们的优劣，还必须做全流程的物料衡算和能量衡算以及各单元设备的衡算才能得出结论。方案多而复杂，要取得可靠的定量结果，则一定要通过模块软件计算
28、。B、工艺参数的优化 运用模块软件运算进行工艺参数优化是十分方便的。这样不仅可以取代大量的试验工作，而且参数的变化范围可以扩大，试验结果的精确度也不会受人为检测的干扰。,C、解决工艺流程中的“瓶颈”现象 某一工序或设备的生产能力不能和其他工序相匹配而成为全流程运行中的薄弱环节，形成一种“瓶颈”现象。要解决“瓶颈”问题，必须通过计算机运算，对各工序生产能力的协调与配合作全面计算，拿出定量数据，才能拟定脱除“瓶颈”的合理方案。D、研究设计存在的问题和操作问题 把工艺流程模块软件可以看成具有各种单元设备的试验装置，用不同状态的物流或操作参数输入而取得不同的过程运行结果，即可发现设计不当或操作参数设定
29、不当的问题，以便及时进行调整。,E、对设计和操作参数的灵敏度进行分析 为了保证工艺流程的优化，应对各种参数作灵敏度分析，以确定正确的参数取值。运用工艺流程模块软件对参数的灵敏度进行试验考察最为方便、快速和精确。F、参数拟合 当输入试验数据或生产数据后，该模块软件就能自动回归出函数式中的各个待确定的系数。开发者应掌握对过程进行分析的技术和方法，提出系统合成的思路，详细的计算由计算机完成。对计算机的结果进行分析、整理，进一步提出解决问题的方案。在过程开发中，开发者的作用是第一位的，计算机仅起辅助作用。但是充分利用已开发成功的软件包会给化工过程开发带来便利，从而缩短开发周期。,复习题1、化工过程合成的任务是什么？合成工艺流程时应考虑哪些问题？2、选择原料和工艺路线时应考虑哪些问题？3、简述工艺流程的优化方法？,
