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1、化工过程强化及其在消化吸收引进技术中的应用,清华大学化工系费维扬,荷塘月色,化工过程强化及其在消化吸收引进技术中的应用,一、概述；二、过程强化的若干新特点三、在消化吸收引进技术中的应用；四、几点思考。,一、概述,广义的化学工业(Chemical Based Industries)在我国国民经济总产值中占16.6%,在美国、德国均占国民经济第二位;往往存在高物耗、高能耗和高污染的问题；我国重复引进的问题十分严重。我国引进和消化、吸收引进技术资金之比为1:0.07,而日、韩为5:1；过程强化至关重要；,化学工程的重要性,化学工程是实验室通向工厂的桥梁，是认识世界、改造世界的技术基础科学，也是推动制
2、造业发展的先驱。人们常说它是能源转化的核心技术技术；资源利用和新材料制造的基础；生物技术产业化的依托；发展近代农业的后盾；环境保护的支撑；,Chemical Engineering at the Center,Chemical engineering has a unique position at the interface between molecular sciences and engineering,Biochemical Biomedical,TransportationEnergy,EnvironmentalApplications,CeramicsPolymers,Appli
3、edChemistry,StructuredFluids,MicroelectronicsMEMS,Biology,ElectricalEngineering,MechanicalEngineering,Civil Engineering,MaterialsScience,Chemistry,Physics,Chemical Engineering,ComputerScience,Mathematics,在能源和资源领域,16大提出，2020年我国GDP番两番，如何保证所需的能源供应？按汇率计算，我国单位能耗产出的GDP是日本的1/7，美国的1/4，不到世界平均水平的1/2；按购买力平价法计算
4、，我国高能耗工业的产品单位能耗与美国、日本的差距基本上在一倍以内；节能降耗十分重要！过程强化十分重要！,Gasification-Based Energy Production System,同分异构体的分离,己烯-1和丁烯-1是生产高品质聚烯烃树脂的重要共聚单体，与常用的聚烯烃树脂相比，拉伸强度、抗冲击强度、抗撕裂性和经久耐用性能都明显提高。市场需求增长迅速。目前国内尚无己烯-1和丁烯-1的生产线，长期依赖高价进口，成为制约我国聚烯烃发展的瓶颈。,过程强化的迫切性,在己烯-1生产新工艺中，己烯-1与副产物己烯-3等同分异构体沸点相近，精馏分离需100多个理论级，回流比极大，投资占总投资的近一
5、半，且能耗很高。在乙烯裂解装置副产C4馏分的分离工艺中，丁烯-1与异丁烯的精馏法分离需350理论级，回流比100，同样面临能耗过高的问题、而用醚化法生产存在严重的污染环境的问题。,在环境保护领域,各种工业废水（如含有机物、含酸、含金属离子、含放射性物质和其他有毒物质的废水等）的回收的处理；各种工业废气的回收的处理；温室气体CO2的捕集和分离；回收有价物料或使物料再循环；开发绿色工艺过程中将发挥重要的作用。,Global Warming is Already Happening,Global Warming is Already Happening,Global CO2 Reductions,T
6、he 450 ppmv CO2 stabilisation corridor would require global CO2 emission reductions of around 50 to 60%by 2050 and about 80%by 2100.,Cost of Capture and Storage,Source:International Energy Agency,Cost relative to use of same fuel in least cost plant without capture,Relative Cost of Post-Combustion C
7、O2 Capture Technologies,Data is for a 500 MW PC power station,taken from Riemer,Audus and Smith,IEA Report Carbon Dioxide Capture from Power Stations,2001,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,With MEA,Absorption,With MEA,Membrane,Contactor,With Gas,Separation,Membrane,With PSA,Cost of Capture(US$/tonne CO2
8、avoided),Technology Horizon for CO2 Capture,Solvents-incremental-improved contactorsSelected Membranes,Novel SolventsMembrane-Gas-Absorption-InorganicHybrids-Adsorbents-Cryogenics,MembraneReactor/SeparatorsNovel Concepts-Chemical looping-Advanced Adsorbents,在生物和医药领域,利用分子设计研制特效的新分离剂；发酵液中各种有机酸的提取新工艺；中
9、草药的提取和净化新工艺的开发；CO2超临界萃取选择性高并不污染产品；反微团、膜萃取、电泳萃取、电色谱等耦合的分离技术的开发和应用；,现代工业生物技术,分子水平 代谢网络 细胞,大宗化学品,医药化学品,精细化学品,能源与环境,细胞网络,过程,Chemical Engineering,Molecular biology,Systems biology,Metabolic engineering,Genetic engineering,智能化,多功能,新材料和其他领域,超高纯单一稀土的分离；纳米材料的制备等；氧18，碳15等稳定同位素的分离；光导纤维材料的生产；性能优异的布基球C60的分离；微电子工
10、业中的分离过程;,过程强化面临的机遇和挑战,在能源和资源、生物和医药、环境和新材料等领域都面临迫切需求；按环境友好、安全和可恃续发展的原则改造过程工业也急需PI；,化工过程强化,The term“Process Intensification”refers to technologies that replace large,expensive,energy-intensive equipment or processes with ones that are smaller,less costly and more efficient,or that combine multiple ope
11、rations into fewer devices(or a single apparatus).-Tsouris(ORNL)and Porcelli(JVP),Chemical Engineering Progress,2003,99(10),pp50,化工过程强化,化工过程强化包括新装置和新工艺两方面：(1)设备的强化：包括新型反应器、新型热交换器、高效填料、新型塔板等；(2)过程的强化：如反应和分离的耦合（反应精馏、膜反应、反应萃取等）、分离过程的耦合（膜吸收、膜精馏、膜萃取等）、外场作用（离心场、超声等）及其他新技术（如超临界流体等）。化工过程强化是国内外化工界长期奋斗的目标，人们力
12、图灵活应用化学工程的原理和方法，通过技术创新，推动化工过程强化；,化工过程强化,1995年以来，已举行过多次化工过程强化的国际会议（每3年一次）；UEF和AIChE联合召开的 Refocusing Chem.Eng.的研讨会上（2001，意大利），化工过程强化被列为当前化学工程优先发展的领域之一；UEF和AIChE于2002年9月在英国爱丁堡举行过程发明和过程强化的专题研讨会。2002年成立了Process Intensification Network(PIN)，约23个月开一次研讨会；2003年4月 US DOE 和 AIChE 召开了过程强化的主题研讨会；,我国化工过程强化的研究和应用,
13、石油工业的崛起大大推动了催化剂、反应工程和精馏技术的发展；核燃料后处理和湿法冶金的发展推动了溶剂萃取合离子交换技术的发展等。我国单位产值能源消耗量比世界先进水平的高得多；我国自主开发的新过程数量较少，工业化周期较长，在国际市场上竞争能力较差。在实现可持续发展方面差距较大。,二、过程强化的若干新特点,对强化提出了更高的要求；信息科学和先进实验技术相结合；耦合分离技术广泛应用；推动可持续发展；多尺度、多层次的研究；,对强化提出更高的要求,效率更高：大幅度提高；能耗更低：瞄准国际先进水平；环境友好：安全、环保、符合可恃续发展的原则；按科学的发展观和资源节约型原则改造已有的过程工业，建设新的工厂：,整
14、体催化剂和管式反应器,二、过程强化的若干新特点,对过程强化提出了更高的要求；信息科学和实验技术结合;耦合分离技术广泛应用；推动可持续发展；多尺度、多层次的研究；,信息科学和实验技术结合,CAD的应用；CFD和DPIV等相结合；分子模拟发挥重要作用;mm05,Simulation Tools and Model Selections,Simulation Tools PROVISION ASPEN-plus HEXTRAN BioSim HYSIS DIPPR,C+Java Fortran MatLab gPROMS Excel Spreadsheet User defined Language
15、sModels Development:Programming,ElectrolyteIdeal/Non-Ideal Low/High Pressure,What Model Is Best for Your System?Gas Mixture P-V-T Soave-Redlich-Kwong(SRK)?Grayson-Streed(GS)?Peng-Robinson(PR)?Ideal System?Braun K-10?Lee-Kesler?LIQUIDNRTL?Wilson?UNIFAC?UNIQUAC?Electrolyte?Polymer?Azeotrope?,Transport
16、 PropertiesDiffusivityViscosity,Fugacity and Activity Coefficients,Parameter EvaluationBeyond the Limitation of ASPEN-plus,PRO/II,LabPilot,Plant Tower,Application in simulation,compare with operating data,Theoretical Predictions,Design of Distillation TowerTraditional Equilibrium Stage Method,Primar
17、y design and process evaluationGeneral analysis and trouble-shootingOptimal feed location,Packing Performance Evaluation,Demonstration Results from OperatingResearch Data from PublicationsTechnical Info from Manufacturer,信息科学和实验技术结合,CAD的应用；CFD和DPIV等相结合；分子模拟发挥重要作用;mm05,CFD和DPIV在超级扁环研究中的应用,超级扁环(即QH-1型
18、和QH-2型扁环填料)是清华研制的新型散装填料；这种填料结构新颖,性能优异,推广应用效果显著,获国家发明四等奖和44届布鲁塞尔世界发明博览会特别金奖；,CFD Simulation,Pall Ring,CFD Simulation-SMR,SMR,CFD Simulation,CFD calculation,PIV测量,PIV（particle image velocimetry）,填料内部流场变化 1,Velocity vector of ring packingheight/diameter ratio=1,inclination=45,Velocity vector of ring pa
19、ckingheight/diameter ratio=0.25,inclination=45,Fig.9 Comparison of flooding velocity among PFMR,Pall Ring&Intalox Saddle,Henry Kister(分离技术专家，AIChE年会精馏分会主席),Congratulations for pioneering the use of CFD for the evaluation of packing particle fluid dynamics.I have seen CFD used for modeling distributi
20、on and trays,but not packing.This is a very important development in the field.You are developing tool that I believe will become very valuable for developing and improving packing characteristics.,QH型填料应用举例,润滑油糠醛精制和酚精制、LPC的脱硫、汽油脱硫醇、环丁砜芳烃抽提、己内酰胺反应萃取塔、MTBE工艺、DMSO反萃塔、重芳烃抽提、裂解气洗涤、丙酮回收塔、减压塔(塔顶)、合成氨厂脱碳塔、
21、合成氨厂再生塔、含酚废水处理、煤油水洗塔、乙二醇再吸收塔等。,信息科学和实验技术结合,CAD的应用；CFD和DPIV等相结合；分子模拟发挥重要作用;mm05,二、过程强化的若干新特点,对过程强化提出了更高的要求；信息科学和先进实验技术相结合；耦合分离技术广泛应用；推动可持续发展；多尺度、多层次的研究；,耦合分离技术广泛应用,催化精馏、膜精馏、吸附精馏等；反应萃取、膜萃取、发酵萃取、电萃取等；用于化学吸收、吸附等新分离剂的开发；致力于化学和化工的结合；致力于创新；,PI 的范例,设备的数目从 28 减少到 3,肟化塔示意图,二、过程强化的若干新特点,对过程强化提出了更高的要求；信息科学和先进实验
22、技术相结合；耦合分离技术广泛应用；推动可持续发展；多尺度、多层次的研究；,过程强化和可持续发展,传统模式：原生矿物资源（如铁、铜、铝矿石等）和化石资源（如煤、石油、天然气等）的开采，加工，产品消费到废物处理的单向运在欧美发达国家，化学工业是仅次于烟草工业和核工业的名声最差的工业部门；过程强化：是解决过程工业带来的“发展 污染”的矛盾和实现可持续发展的有效手段；,过程强化和安全,传统的过程工业需要许多庞大的原料、中间产品和成品储罐。这不仅增加投资，而且发生事故时可能造成灾难性后果。以印度Bhopal所发生的中间产品甲基异氰酸盐（MIC）泄漏事故为例，泄漏的41吨甲基异氰酸盐造成约4000人死亡的
23、惨剧。利用先进的连续反应器，可以使产生的中间产品立即转化为最终产品，对于同样规模的装置，工艺过程中MIC的总量可以从41吨减少到10公斤。,二、过程强化的若干新特点,对过程强化提出了更高的要求；信息科学和先进实验技术相结合；耦合分离技术广泛应用；推动可持续发展；多尺度、多层次的研究；,生物芯片上的微尺度分离过程,Fortune1997.3.31.Microprocessors have reshaped our economy,spawned vast fortunes,and changed the way we live.Biochips could be even bigger 微处理器
24、使我们的经济发生了根本改变、给人类带来了巨大的财富、改变了我们的生活方式。然而，生物芯片给人类带来的影响可能会更大,分离过程示意图（a）注入标记有抗体的磁珠（b）将磁珠固定（c）注入样品（d）靶抗原和磁珠表面的抗体反应（e）释放检测.,利用纳米磁珠从全血中制备PCR模板流程,谢欣，陈德朴，费维扬等，基于多功能纳米磁珠的DNA制备与基因分型，科学通报，2004,49(6),541.,（PCR 聚合酶链式反应 Polymerase Chain Reaction）,实验方法特点：方法不用离心，不用有毒试剂，加热整个过程简单，快速方便实现自动化，微型化提取装置,生物样品分析三大步骤和实验室微型化,医学
25、检验室,三、在消化吸收引进技术中的应用,我国近年来从国外引进一批大型石化成套技术和装置，如合成氨、乙烯、重整、芳烃抽提和己内酰胺等，对加速我国化工产业现代化的步伐发挥了重要作用;随着技术进步和时间的推移，很多引进装置的技术经济指标与国外先进水平相比，已有差距，急待进行改造。,丙烯腈流化床反应器新型分布器,齐鲁石化4万吨年丙烯腈反应器，获2003年国家科技进步二等奖。,清华大学设计的 丙烯腈流化床反应器新型分布器,分布器,金山石化7万吨年丙烯腈反应器上分布器,1、环丁砜芳烃抽提故障诊断,原塔塔径为1.4m,安装了87块美国UOP设计的大孔板塔;主要问题:处理能力低,塔顶萃余液中含芳量太高;瓶颈:
26、大孔板塔效率太低(板效率仅17%);原料和溶剂分布器设计有误。,萃取塔剖析,环丁砜芳烃抽提装置中的萃取塔一般使用大孔筛板塔，这种板型虽然结构简单、制造成本低和处理量较大；但是在塔径较大的情况下流体分布不均匀，传质效率低，（工业设备的板效率仅为15左右）而且操作弹性较差。萃取塔内两相负荷沿塔高变化很大（如图1所示）。,萃取塔内两相负荷变化情况,萃取塔剖析,在加料口上部的23个理论级，随着芳烃的大量被萃入溶剂相，溶剂相流量迅速上升而料液流量迅速减小。在加料板上，两相流量之和达到最大值。而在塔顶部，两相总负荷最小。两相变化往往高达40。但是在原有设计中，筛板开孔率和升液管面积均为常数，这显然是不合理
27、的。,Mass transfer coefficients of drop swarms in multi-component mixture,Mass transfer coefficients of drop swarms in multi-component mixture,Study on Marangoni Effect(Benzene&Toluene/Heptane System),Comparison of tray efficiency for Benzene(1),Toluene(2),Xylene(3)&C8(4),环丁砜芳烃抽提改造方案,加料口以上采用QH-1型扁环填料代
28、替原有的大孔板塔以大幅度提高传质效率;利用CAD软件优化设计两相分布器;根据新的原料组成优化操作条件，采用合理的萃取比和反洗比。,环丁砜芳烃抽提改造结果,溶剂比下降，塔顶萃余液中含芳量降低 6，计算结果表明QH1型填料的传质效率比原大孔板塔提高约30;处理能力可提高50%;技术改造的投资回收期仅两个月.,汽提塔剖析,汽提塔内两相负荷变化情况如图2所示，液相负荷极大而气相负荷很小。设计中选用筛板塔，同样存在负荷变化而塔板设计参数不变的不合理现象。这样，塔底部的筛板塔板降液管成为瓶颈。,汽提塔内两相负荷变化情况,汽提塔内两相负荷变化情况,塔内件选型判据,Kister提出的用流动参数(Flow Pa
29、rameter）作为塔内件选型的判据，具有重要意义。低流动参数（0.3）是典型的高压或高液体流量操作，散装填料的分离效率和处理能力最高；中等流动参数是常压或中液体流量操作，三种塔内件性能比较接近，板式塔成本较低常被选用。在设计时应该根据生产体系的流动参数值选择合适的塔板或填料类型。,汽提塔的改造方案,从表列结果可以看出，而1#和2#塔的液相负荷都很高，超过通常降液管设计的极限，因而这两个塔都需要进行改造。考虑到这两个塔的流动参数都大于0.3，根据Kister的塔内件选择准则，应选用散装填料。实验表明在高液体喷淋密度下，QH-2型扁环传质效率高，可以满足两个汽提塔提高负荷的要求。因此在塔径和塔高
30、不变的情况下，只需将原大孔筛板塔改造成QH-2型扁环填料塔，并合理地设计汽、液分布器和再分布器，即可保证装置扩容改造的要求。,2、引进的己内酰胺装置急待改造,己内酰胺供不应求；萃取塔系是装置由脉冲填料塔(6310肟化塔和7301硫萃塔）和RDC塔（7302己内酰胺萃取塔）等组成；它们是己内酰胺装置从5万吨/年扩产至7万吨/年的瓶径,急待改造；,立项背景脉冲填料塔的特点,脉冲填料塔是一种高效萃取设备,其特点为：传质效率高；处理能力大；脉冲系统复杂，成本高；影响因素复杂；设计放大困难.,引进装置改造的难点,外商不提供有关技术资料；塔内流体力学和传质现象复杂；国际上尚无成熟的设计放大方法；国内尚无大
31、型脉冲填料塔设计、操作经验；,脉冲填料塔性能实验,脉冲填料塔性能的研究,处理能力的比较,传质单元高度比较,5、设计放大的研究,基于特性速度的塔径的计算；基于扩散模型的塔高的计算；液滴直径的计算；传质系数的计算；返混的计算；,肟化塔的技术改造,经济效益和社会效益,扩能改造后，处理能力由原设计5万吨/年扩大至7万吨/年，各项操作指标达到並超过了原设计要求，操作稳定;年经济效益达1800万元。截止2002年底，共增收节支7200万元。此项成果可望在国内外进一步推广应用。,设计具有先进性、可靠性的特点,工程的难点在于：体系复杂,拿90年代引进的先进设备开刀；先进性在于：采用先进的填料、先进的分布器设计
32、，使设备的处理能力提高了40%；性能优于DSM、BAYER和ENICHEM等公司；可靠性在于：有大量的实验、理论工作和工程经验为基础；发表了多篇高水平论文（SCI、EI收录4篇，核心刊物3篇），改进了设计方法。,2、转盘萃取塔,转盘萃取塔在石油化工中有着广泛的应用，但设计放大中问题很多；79年东炼糠醛精制转盘萃取塔技术改造，提出了许多急待研究的问题；对文献中的各种数学模型进行了比较；编制了转盘萃取塔优化设计和优化操作的计算机程序，对一些有争议的问题进行了分析、讨论。,引进RDC的问题,湖南岳阳鹰山石化总厂引进荷兰DSM公司的己内酰胺生产装置设计能力为年产己内酰胺5万吨。其中粗己内酰胺经转盘萃取
33、塔C7302进行提纯。工厂将转盘萃取塔的生产能力提高到6万吨/年己内酰胺时，质量、消耗不合格；工厂要求在保证质量、消耗的前提下，将转盘萃取塔的生产能力提高到7万吨/年己内酰胺的水平。,NRDC研究-LDV和CFD相结合,RDC的结构 NRDC的结构,Different Types of Perforate Disk,NRDC性能,NRDC性能,C7302塔剖析,C7302转盘萃取塔在高负荷下塔底部出料己内酰胺含量超标（设计值为0.5%）。此转盘萃取塔约需13个理论级，分离要求所需很高；塔内两相负荷变化很大，分散相流量太低（分散相/连续相 1/10），分散相存留分数太低，d32太大；轴向返混严重
34、，因而传质效率很低。,改造方案和效果,改造的目：使C7302塔在负荷提高到7万吨/年后，塔底己内酰胺含量0.5%。改造方案：采用MRDC，即原塔塔体和工艺条件不变，每隔一个固定环增加一块转动筛孔挡板。筛板的开孔率40%，孔径为25mm。改造结果：C7302塔在负荷可提高到160%，塔底己内酰胺含量0.4%。,四、几点思考,国内外关注的一些问题；各国研究工作的特点；博采众长，加强我国过程强化的研究和推广应用；,国内外关注的一些问题,许多公司受股市价格的驱动，仅对短期的商业目标感兴趣。它们主要依赖兼并、重组和转产高附加值的产品来增加利润。采用基于贸易而不是基于研究、开发的发展策略。许多化工公司的研
35、究和开发工作主要集中在开发新产品，而对开发新型设备和过程等化学工程问题兴趣不大，也不愿冒风险进行开创性的实验。许多大学的化工系面临研究经费短缺和编制被压缩的困境。教授们只能选择一些小型的、低风险的研究项目。这虽能多发表论文，但难以为过程强化做出大的贡献。,各国研究工作的特点,美国的研究工作具有新颖性；德国重视实验技术和工程研究；日本重视生物工程和新材料的研究英国侧重于基础研究；法国重视核领域和数学模型的研究；加拿大和澳大利亚以资源利用和通过分离技术使产品增值为研究重点；,四、几点思考,国内外关注的一些问题；各国研究工作的特点；博采众长，加强我国过程强化的研究和推广应用；,小结,贯彻以人为本、全面、协调、可持续的科学发展观急需加强过程强化的研究和应用；建设资源节约型和环境友好型经济急需过程强化的研究和应用；化学工程学科发展和我国经济和社会发展都急需加强过程强化的研究和应用；化学工程理论、计算技术和测试技术的发展为过程强化的研究和应用提供了有力的工具；人人皆可参与，可在不同层次上进行创新；,思考题,为什么近年来对“过程强化”特别重视？你接触过哪些国外引进装置？你认为在消化、吸收和提升引进技术方面可以开展那些工作？,谢谢各位！欢迎批评指正！,
