第六章间歇化工过程

Gannt图
假设一批物料在某间歇级加工完毕后，立即送入下一级加工
非覆盖式操作
限定循环时间和一批进料完 全通过此过程的停留时间
TR相等，TL = TR = 13
覆盖式操作
• 只要前一批物料在 第j级，下一批物料 即可进入j-1级开始 加工
• 过程的限定循环时 间或批间隔，取决 于具有最大级循环 时间的限制级即时 间限制级
六 间歇化工过程
前言
• 按最终产品的输出形式，工业加工过程可分为： 连续、离散和间歇过程
• 间歇过程在化工生产和人们日常生活中占有重 要的地位
• 精细化工、生物化工等高技术密集和知识密集 的新兴产业
• 广泛用于食品、聚合物、药品、分子筛、增塑 剂、抗氧剂、染料和涂料等产品生产
历史
• 30年代以前，绝大多数化工过程采用间歇操作， 自动化水平低，劳动强度大，而且产品质量不 稳定
歇级j的循环时间”。
• 顺序地从工厂得到两批产品之间的时间间隔称 为“限定循环时间（LCT）”，也称为“批间 隔”，记为TL。
• 若间歇级j的循环时间等于TL，则该间歇级构 成了间歇操作过程的“瓶颈”，因此把它称为 “时间限制级”。
• 在同一个间歇级中可能有多台平行操作设备， 它们可以同步或异步方式操作。
间歇过程/％
4ห้องสมุดไป่ตู้ 65 80 35 35 15
操作方式 连续过程/％
55 35 20 65 65 85
6.1.1 间歇化工的特点
• 技术密集性 • 动态性 • 多样性 • 柔韧性 • 不确定性
6.1.2 间歇过程与连续过程的比较
• 动态特性是间歇过程的本质，而连续过程的本质 是稳态操作
• 在间歇过程中，原料必须按配方规定的加工任务 和顺序，在合适的设备中进行加工。在连续过程 中，原料连续加入，各加工任务同时进行
单产品厂 多装置厂
多产品厂 多目的厂
根据生产流程的结构
单流程结构
网络流程结构
多流程结构
间歇过程的操作方式
• 间歇设备或间歇级的基本操作顺序是：进料、 加工、等待倒空、倒空、清洗、等待进料、进 料，构成了一个操作循环。
• 在间歇级j独立操作过程中，某台设备加工两
批物料的时间间隔称为“该设备的循环时间”， • 整个间歇级加工两批物料的时间间隔称为“间
6.1.3 间歇过程基本概念
• 间歇过程的设备
单纯的间歇设备（TBU） 半连续设备（SCU） 中间存贮设备（IS）
中间贮罐的作用
（1）将毗邻的间歇级或半连续的周期性操作解偶。 （2）补偿短期的供需不平衡 （3）操作上的波动缓冲作用 （4）独立存贮涉及不同产品的中间体。
• 间歇过程的分类：根据生产产品的数量
• 通过详细的系统分析，可找到连续过程的瓶颈问 题，而间歇过程的瓶颈问题随产品及操作策略而 改变。
• 间歇过程必须对整个生产过程，进行有效的排 序或进行生产时间表安排。
• 由于间歇过程的柔韧性和弹性，它适合于市场 供求不稳定的产品的生产。连续过程则适合于 市场供求稳定的产品的生产。对于市场需求量 很大的产品，其初始阶段一般也是用间歇过程 生产的
• 向连续化生产过渡 • 80年代以来，从商品化学品生产转向专用的功
能化学品生产；从大规模过程转向小规模的具 有弹性的过程；从连续加工转向间歇加工；从 过去靠价格竞争转向现在靠质量竞争；从过去 靠投资来推动发展转向靠信息来推动发展等等
6.1 间歇过程与连续过程
• 习惯上称非连续化工过程为间歇化工过程。
6.2.1 混合过程
• 操作目标是：混合后产物流
中组分A的浓度CA和温度T符
合规定要求 • 由于是二元体系，确定了一
种组分的浓度，另一组分浓 度也就确定了。因此，此例 中对B组分的浓度不必另行 考虑
根据过程的特征和操作目标，可以确定过程的状 态变量为：
• 槽中液位h
• 反应混合物中组分A的浓度CA • 混合物的温度T
• 总物料衡算： • 组分A衡算方程
d (Ah)
dt
F1
F2
F
d (hACA ) dt
1
(F1CA1
F2CA2 )
FCA
分部 所以
d (hCA ) dt
h
dCA dt
CA
dh dt
h
dCA dt
CA
A
(F1
F2
F)
dCA dt
1
hA [F1(CA1
CA ) F2 (CA2
CA )]
能量衡算
6.2 过程动态模型及模拟
• 所有间歇操作过程都是非稳态或动态过程。 • 对间歇过程的建模要求，比对连续过程中由于
扰动所产生的动态过程更严格 • 间歇过程的模拟可用来了解过程中各参数随时
间的变化，以确定此间歇单元过程的操作时间 和最适宜操作条件 • 间歇过程的基本操作单元有：加料、反应、冷 却、加热、混合、过滤、精馏、干燥、溶剂萃 取和结晶等
• 间歇过程通常被定义为“将有限量的物料，按 规定的加工顺序，在一个或多个设备中加工， 以获得有限量产品的加工过程。如果需要更多 的产品，必须重复该过程。”
• 间歇过程既不是连续过程也不是离散过程。但 具有连续过程和离散过程的特点
• 间歇与连续过程在有关部门的应用情况
工业部门
化工 食品 医药 金属 玻璃及陶瓷 造纸
• 若取液态纯A和纯B为基准物态，0℃为基准温 度，则物流i的焓可表示为
Hi
FiC piTi
Fi
CAiH Si
⊿Hsi是在oC和物流i的浓度下，组分A在B中的积 分溶解热
• 系统的能量衡算方程可列出
• 混合过程可望在良好的控制下进行，以至产物
流浓度CA的变化不大。在此条件下，ΔHS可以 假定为常数。若再假定Cp1=Cp2=Cp
• 所谓异步操作是指第j个间歇级有mj台相同设 备，在不同时间交替加工第j-1级来的不同物
料。这时该间歇级的循环时间为该级中一台设
备循环时间的1/mj。
• 若将第j-1级来的同一批物料分配在第j级的mj
个平行设备中同时加工，则称这些平行单元为
“同步操作”。此时间歇级j的批量为该级中 一台设备批量的mj倍
• TL = max{Tj/mj} • Tj代表某产品在间歇级j上的加工时间， mj为第j级异步单元数 图6-4（b）T1 = 2,T2 = 8,T3 = 3, m1 = m2 = m3 = 1, TL = max{2,8,3} = 8
异步覆盖式操作 • m1 = m3 = 1, m2 = 2,限定循环时间 TL = max{2,8/2,3}= 4