化工工艺流程设计

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反应系统的设计是以正确认识所研究的特定反应 体系的主要特征为基础的
化学计量学—研究反应过程中存在哪些反应以及各组分 反应量之间的关系; 化学热力学—研究反应过程中的能量转化和反应体系的 平衡性质; 化学动力学—研究反应物系的组成、温度等因素对反应 速率的影响。
对于催化反应过程尚需了解催化剂的物理和化学 性能;为了系统设计优化,尚需了解各个单元过 程设计都需要的共性数据。
反应过程的设计
首先确定过程性质和输入输出条件 过程性质是指过程为连续或间歇 输入输出条件:
输入条件指装置进口的原料是否需经过预处理, 输出条件是指确定目的产品和流股数,由此确定反应 器进口有无循环物料。
反应过程的设计-过程性质
过程性质:连续或间歇 产量
• 大于4500吨/年的生产装置常采用连续过程 • 小于4500吨/年的生产装置则采用间歇过程 • 间歇过程简单和操作弹性大,设计时可以采用较不详细或精确 度较低的数据,所需开发和设计周期较短。
例题:乙烯和苯生成乙基苯
已知原料乙烯的组成为乙烯99.9%,乙烷0.1%;原料苯的 组成为苯99.9%,甲苯0.1%。为了降低催化剂的失活速率和 抑制副反应,采用苯过量的方法。乙烯的转化率为99%~100 %。在反应器内发生下列反应:
乙烯 + 苯 乙基苯 + 乙烯 二乙基苯 + 苯 二乙基苯 + 乙烯 三乙基苯 + 苯 乙苯、二乙苯 乙基苯 二乙基苯 乙基苯 三乙基苯 乙基苯、二乙基苯。 甲苯、二甲苯、正丙苯、异丙苯、杂环化合物
分离过程的设计
物质的混合是一个不可逆过程,能够自发地完成; 其逆过程分离必然要消耗一定的能量才能进行。 分离过程设计的目标是在满足产品质量和回收率 的前提下减少能量的消耗。 分离过程的类型
第一类是以能量为分离剂,例如精馏、蒸发、结晶、 干燥、闪蒸等。 第二类是以物质为分离剂,例如解吸、吸收、萃取、 吸附,浸取,离子交换等。 第三类是利用物质的密度、粒度、表面等性质不同而 进行的机械分离过程,例如沉降,离心分离,旋风分 离,过滤,浮选等过程。
分离过程的设计-分离方法的选择
探试规则:根据过去的经验和研究对象的热力学 性质进行半定量分析所得的结论。 根据探试规则得出的结论不一定是最佳方案,但 是它能大幅度减少可能的方案数,从而提高设计 速度。
分离过程的设计-分离方法的选择
几个名词定义:
分配系数:在平衡状态下某组分在轻相与重相中分子分 数的比例。对于精馏,即为该组分的汽液平衡常数K。 分离因子:两个组分分配系数的比例,对于精馏,即为 该两个组分的相对挥发度α。 质量分离剂和能量分离剂 • 加到分离单元,对分离作出贡献的组分,例如萃取 或萃取精馏过程的溶剂,吸收过程的吸收剂。 • 为提供分离单元所需要的气液相流率而加入的能量, 如精馏塔的再沸器和冷凝器使用的热剂和冷剂 次序表:进料各组分按照分配系数递减的次序的排列表 关键组分:决定分离要求的两个组分,其中分配系数大 者称为轻关键组分,小者称为重关键组分。
可靠性
• 流程是否通畅、生产是否安全、工艺是否稳定、消耗定 额、生产能力、产品质量和三废排放是否达到预定指标
适用性:和具体环境、资源和技术的接收能力相适应 技术的合理性
• 技术的生命周期:投入期、成长期、成熟期和衰退期 • 所选技术应处于成长期
经济性
工艺流程设计的任务
1. 2. 3. 4. 5. 6. 确定整个流程的组成 确定各个生产过程或工序的具体任务 确定每个生产过程选用的设备及设备操作条件 确定控制方案及选用适合的控制仪表 确定三废治理和综合利用的方案 确定安全生产措施
分离过程的设计-分离方法的选择
选择分离方法的探试规则
① 选择具有大的分离因子的分离过程
• 具有较大分离因子的过程需要比较少的平衡级和分离剂,因而 分离费用较少
分子性质 受影响的分离过程举例
分子量
分子形状 分子体积 偶极距、极性 分子电负荷 化学活性
精馏、蒸发、气相扩散
吸附、结晶 吸附 萃取、吸附 电除尘、电除雾 化学吸收、反应精制
反应过程的设计-输入条件
当原料中含有必须处理的杂质时,就要面临这样 的选择:把原料直接送入系统还是先进行原料的 预处理
如果进料杂质对催化剂是一种毒物,应先除去。 如果杂质是参与反应的物质,在一般情况下应先除去, 否则不仅消耗原材料,而且使产品组分数增多,分离过 程更为复杂。 如果杂质是不参与反应的惰性物质,则应根据它与产品 和原料分离的难易程度决定原料是否预先处理。 如果杂质大量存在,即使与产品的分离较与原料的分离 容易,但由于影响反应系统的生产能力、热平衡和增加 系统阻力等问题,还应对各种影响作出粗略的估计后再 作出决定。
反应过程的设计-反应器选型
反应器选型的方法 形态分析法:对一个问题的各个部分的所有可能 方案进行分析和评价,用逻辑结构代替随机的想 法,从而筛选出最佳方案。 过程分为二步
分支:找出所有可供选择的方案。 收敛:根据若干判据对各个供选择的方案进行淘汰。
反应过程的设计-反应器选型
1 2 3 4 问题 5 6 7 8 A B C
沸点K 含量质量%
169.45
184.55 353.15 383.75 409.35 412.25 432.35 425.55 454.25
0.03
0.03 77.78 0.16 17.24 0.03 0.52 0.28 2.99
456.45
491.15 537.15
0.38
0.10 0.05
例题:乙烯和苯生成乙基苯
结论
解决某个问题有8个可能的方案和三个判据:A、B和C。 当用A作为判据时,淘汰了方案2、5和7;再用判据B,淘汰 了方案1和8,此时尚剩下方案3、4、6个,最后用判据C,淘 汰了方案3和6,剩下方案4是唯一保留的方案。
反应过程的设计-反应器选型
反应器选型判据:
反应类型(即反应介质的相态,此为最简单、首先使用的 判据) 催化剂失活速度 由反应的浓度效应决定的混合要求 由反应的热负荷和温度效应决定热量传递和温度控制要求 相际传质和化学反应的相对速度
在各种副产物中,除杂环化合物在高温下易聚合,其它副 产物的生成反应都为可逆反应。
例题:乙烯和苯生成乙基苯
乙烯:数量很少,而且乙烯沸点很低,回收成本 较大,因此作放空或排至燃料气管网处理; 组分 乙烷:为由原料乙烯夹带至系统的惰性气,与乙 烯情况相同,放空或排至燃料气管网; 乙烯 乙基苯:主产品; 乙烷 二乙基苯:数量不少,又是一个有用的产品,可 苯 以将其作为副产品,但需和低于其沸点的丙苯和 甲苯 高于其沸点的丁苯、三乙苯,杂环化合物等组分 乙基苯 分离,将增加较多投资和操作费用。因此除非市 二乙苯 场有迫切需求,-般将其返回反应器; 正丙苯 苯、甲苯、丁苯、异丙苯、正丙苯:全部循环回 反应器,由于乙基苯的沸点介于这些副产品之间, 异丙苯 因此这些回收的原科和副产品要分离成高于和低 二乙基苯 于乙基苯沸点的两个循环物料流; 丁苯 三乙苯部分循环,部分随杂环化合物排出作为低 三乙基苯 值产副品。 杂环化合物 杂环化合物:低值副产品。
组分 沸点K 含量质量%
169.45
184.55 353.15 383.75 409.35 412.25 432.35 425.55 454.25
放空或排至燃料气管网 循环 主产品
乙烯
乙烷 苯 甲苯 乙基苯 二乙苯 正丙苯 异丙苯 二乙基苯
0.03
0.03 77.78 0.16 17.24 0.03 0.52 0.28 2.99
排除精馏方案的充分理由是分离因子小1.05
分离过程的设计-分离方法的选择
例:有邻、间、对二甲苯混合物欲分离成纯物质,试根据其 分子性质选择分离方法。 解:各种分子性质除了分子形状外,邻、间、对二甲苯的其 他各种性质都差别不大,因此可以预计精馏、萃取,吸 收等过程都不能有效地将该混合物分离成纯化合物。 各异构体分子形状之间的差别随着温度降低成为固体后 更为显著,故建议采用冷冻结晶分离。 另:各异构体的分子体积,偶极矩和极性也有细小的差别, 如果有适当的外部物质能使这些异构体的反应活性有显 著差别,或者有对异构体有较高吸附选择性的吸附剂, 则也可以考虑采取化学反应分离或者吸附分离。
分离过程的设计-分离序列的确定
可以根据混合物各组分分子性质的差异程度来选择可能有较大 的分离因子的分离过程。例如,若各组分的偶极矩或极性存在 显著差异,采用以极性溶液为溶剂的萃取精馏可能是合适的。
分离过程的设计-分离方法的选择
② 尽量避免极端的过程条件
• 如果一个分离过程需要极端的温度或压力,耐腐蚀的设备材料, 或者高电场等条件,则可能使分离过程的费用高昂。
循环
丁苯
三乙基苯
456.45
491.15
0.38
0.10 0.05
低值副产品
杂环化合物 537.15
反应过程的设计-反应器选型
反应器类型
形状:管式、釜式、塔式 换热方式:等温、绝热、非等温非绝热 反应物系的相态:均相、非均相(气固、气液、气液固)
不同型式的反应器具有不同的传递过程特征,即 不同的流体返混程度和传热传质特性。 根据反应过程需要怎样的传递特征进行反应器的 选型。
反应过程的设计-输出条件
出口物料包括所有反应的每一个产物、未转化的原料以及 随原料进入系统的杂质,反应器出口组分可能有六个去向: 主产品 有价值的联产品或副产品 价值较低的燃料 循环 排空 有害物质去三废处理 对于同一个去向的不同组分,应研究有无必要把它们分 离,要坚决避免把各个组分先分离再合并的做法。
化工工艺流程设计
化工工艺流程设计
工艺流程设计的原则和任务 化工过程合成百度文库法
反应过程的设计 分离过程的设计 换热过程的设计
工艺流程图设计的种类 工艺流程图设计的绘制
工艺流程设计的原则
化工工艺技术路线:原料加工成为产品的方法, 包括生产工艺、生产方法、工艺设备和技术方案。 选择的原则
市场需求
• 有些产品的需求有很强的季节性 • 有些产品的生命周期很短 • 应设计成通用性较强的间歇操作装置,用同一套装置生产多种 产品。
操作上的特殊问题
• 反应速度极慢,以致间歇操作成为唯一可能的方案; • 当过程中有少量泥浆状物料时,若处理成连续过程,会由于流 速过低固体析出而堵塞管道或设备; • 某些反应过程非常容易结垢或结块,需要频繁地清理,这种情 况宜采用间歇式反应器。
过程合成
(Process Synthesis)
过程合成
化学 装置
过程集成
(Process Integration)
全局过程集成
(Total Site Integration)
全局过程集成 过程集成
换热 网络
公用 工程
化工过程合成方法
反应过程的设计 分离过程的设计 换热过程的设计
反应过程的设计
④ 分离因子相同时,选择能量分离剂而不选择质量分离剂。

分离过程的设计-分离方法的选择
⑤ 应首先考虑采用精馏,只有在精馏方案被否定后才考虑 其他分离方案,因为精馏具有下列几个优点:
• • • • • 精馏是一个使用能量分离剂的平衡分离过程; 系统内不含有固体物料,操作方便; 有成熟的理论和实践; 没有产品数量的限制,从很小到很大的规模都能采用; 常常只需要能位等级很低的分离剂。
③ 当分离过程需要多个分离级时,应优先选择平衡分离过 程而不选择速度控制过程。
• 速度控制过程例如电渗析、气体扩散过程,需要在每个分离级 加入能量;而精馏、吸收、苹取等为平衡分离过程,分离剂在 每一级重复使用,只需一次加入能量。 当用质量分离剂时,它必须和产品再分离,因而需要增加另一 个相继的分离器,这样便增加了分离过程的费用。
化工过程合成方法
化工企业三个子系统
化学装置(Chemical Plant) 换热器网络(Heat Exchanger Network) 公用工程(Utility System)
换热 网络 化学 装置
公用 工程
节能的关键在于提高各个子系统用能的合理性和各子系统 间能量匹配的合理性。
过程开发的三个层次
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