化工过程开发导论及内容

25
第二章 化工过程开发程序和内容
26
2.1 基本概念
科学与技术
科学是人对客观世界的认识，是反映客观世界和规律的知识 和知识体系，是一项与上述内容相关活动的事业。发现规律 ，形成理论。 技术的基本内容也是一种知识体系，包含硬件（如设备）和 软件（如工艺、方法）两方面，并通过社会协作完成既定的 目标。
技术可行性
社会需求
经济可行性 工艺条件优化 设备性能要求 系统集成与优化设计 过程放大研究
39
四、概念设计
工艺技术路线和工艺方法的说明
工艺流程简图
简单的物料/能量衡算
概
初步确定原材料和能耗指标
念
设
主要设备型式
计
预计“三废”排放量及毒害程度
估算投资和生产成本
小试存在的问题
对模型试验或中试提出的建议或设计
2
教学目的和要求
在实验室开发研究阶段就应实行工艺研究与工程研究的早期结 合，联系生产实际，提高分析问题解决问题的能力和效率。 一种新产品、新工艺或新技术能否开发成功，除纯技术问题之 外，还涉及市场、经济、资源、环保、能源、投资条件等多侧 面的社会经济问题。尤其是国民经济可持续发展已成为世界经 济发展的主流，清洁生产，绿色能源、生态工业、循环经济等 绿色GDP已成为国家经济发展水平的最重要指标。
17
第二节 化工发展简史
化工是化学工艺、化学工业与化学工程的简称。是一门研究物质和 能量的传递和转化的技术科学。 •A 化学工艺：化学工艺是以化学反应为手段，以创造新产品为目的的生产技术和过
程，研究重点是原料路线，催化技术、反应路线，工艺路线，针对的是个性问题；
•B 化学工业：是运用化学工艺生产化学品的工厂企业形成的产业部 类。
经济效益：项目的投资、盈利和投资回收期
36
二、 实验室研究
目的：从试验中收集与过程开发有关的基础数据或技术信息
筛选技术路线和工艺方法
测定有关物性数据
测定反应动力学数据
基础研究
实
测定热力学参数
验
筛选分析方法
室
研制催化剂
研
究
小试
工艺路线 优化工艺条件
37
三、收集资料
原料来源 能源种类 工艺技术 公用工程
4
第一讲 绪论
5
造成我国科技成果转化率较低的原因有两条： 一是科学研究及技术开发与市场脱节； 二是技术不成熟，从实验室研究到工业规模生产之间的桥 梁没有架通。
大学﹑研究院所 部门研究设计院
企业
三张皮 6
定义： 从实验室成果过渡到第一套工业装置的全部过程。
过程（流程）
过程工业
过程工程师
7
流程
{ Process 工艺方法 技术路线
18
C 化学工程：以探求“三传一反”的共同规律为手段，以创造新 设备、新技术，优化设计、强化生产为目的的工程研究，研究 重点是传递过程、热力学、反应工程、分离工程，针对的是共 性问题；
D 化工过程：在化工生产中，从原料到产品，物流经过一系列 物理和化学加工处理步骤，人们称这一系列加工处理步骤为化 工过程。
23
过程开发工作框图
过程开发的起点是化学试验（应用研究成果）；成果是工 程设计。 开发工程包括过程研究与工程研究。 过程研究包含小型试验、大型冷模试验、中间试验三个环 节；工程研究包含概念设计、各级经济评价、基础设计三 个环节，通过开发研究工作，可基本回答由应用研究成果 过渡到第一套工业装置所面临的问题。
放大和优化
35
一、立项前的可行性研究
发展生产和市场需要
发展生产：考察课题的新颖性、先进性和采用技术的成熟程度等 市场：成本和质量
合理的原料路线
原料供应来源稳定而充足，质量符合生产要求，价格合理，储运方便和安 全无毒等
能够生产出合格的产品
工艺技术路线的先进性和可靠性
较好的社会效益和经济效益
社会效益：对国民经济和地区经济发展的意义和作用
化工过程开发
1
教学目的和要求
本课程是研究实验室研究成果向社会生产力转化的共性规律与 步骤；各步骤所涉及的共性工程技术知识及其研究方法和设计 方法。 涉及化学工艺、化学工程、机械设备、调节控制、材料及防腐 、技术经济、环境污染、循环经济等；同时还包括实验研究、 设计方法、安装调试、生产运行等各个环节。故是一门综合工 程技术。
业
11
53.1%
46.9%
过程工业在国民经济中的地位
过程工业是我国工业的重要组成部门，国家财税收入的主 要来源 过程工业的发展对解决我国供给短缺，加快工业化进程发 挥了不可替代的作用 我国过程工业尚有较大的发展空间，未来将继续保持较高 的增长速度 过程工业是资金密集型工业，发展速度与资金投入关系密 切 过程工业具有较高的劳动生产率，但经济效益却较低 过程工业的科技投入以技术改造为主，技术创新水平低于 装备工业
原料
预处理
循环 化学反应
化工生产流程模式
分离与提纯 废料
产品
19
20
原始时代
农业时代（炼金术）
物质
太阳能
工业时代
能量
煤，石油
信息时代
人工生态平衡
21
资源
环境
能源
22
过程开发工作框图
概念设计
工程研究
各级经济评价
基础设计
工程设计
化学试验
小试验
过程研究
大型冷模试验
中间试验
化学反应规律 传递规律 验证和修改数学模型
15
循环经济与传统经济的比较
16
绿色GDP
绿色GDP是在现行的GDP中对环境资源进行核算，从中扣除 环境成本和对环境资源的保护费用，同时考虑外部影响，包 括外部经济性和外部不经济性，依次来衡量扣除自然资源损 失后的真正的国民财富。绿色GDP推出具有重大意义。它比 较客观真实地反映了包括国内生产总值在内的一系列经济指 标，可避免人们对经济形势的盲目乐观，时刻给人们敲响警 钟。对我国而言，也可以促使政府实施可持续发展战略，而 不以牺牲环境为代价片面追求GDP的高增长。
初步评价 中间评价 最终评价
42
六、模型试验
模型试验一般都是对工业生产中的某些重要过程作放大的 工业模拟试验。多数情况下不涉及整个工艺流程和各工艺 步骤间的衔接。 模型试验设备一般比实验室研究规模大并具有工业设备的 仿真性质 研究的主要内容：最佳工艺条件、工程因素的影响；放大 效应；测定放大所需的有关数据或判据 考察的重点是工程和工艺问题 两者形式：冷模试验和热模试验
13
过程工业现存的主要问题和制约因素
主要问题
资源能源浪费，环境污染严重 自主研发能力很弱，过程放大和量化设计水平低 产量和质量都不能满足需求 无法满足高新技术发展的需求，已严重影响到一些高技术的发展
制约因素
过程工业的研发投入不足，导致过程工业技术进步缓慢 区域和部门壁垒影响过程工业的资源优化配置和产业结构调整。 科研、设计、生产严重隔离，无法发挥集成优势，技术转移困难 企业管理粗放，经济增长质量不高
32
我国现行国家科技计划
火炬计划 星火计划 国家科技攻关计划 国家高技术研究发展计划(863计划) 国家基础研究重大计划(973计划) 重大产业化项目 重大项目
重要方向项目
科技部
发改委 中科院
33
2020/5/4
34
2.2 化工过程开发步骤
➢ 立项前的可行性研究 ➢ 实验室研究 ➢ 收集资料 ➢ 概念设计 ➢ 技术经济评价 ➢ 模型试验 ➢ 中试 ➢ 基础设计 ➢ 工程设计 ➢ 建立生产装置
40
四、概念设计
概念设计时应注意的问题：
设计的重点应放在合理安排工艺流程上 应尽可能对已由实验室研究确定的技术路线从理论分 析和计算中寻找合理的技术依据 尽可能对全工艺流程系统作物料衡算和能量衡算，以 便提供估算投资和成本的所需数据
41
五、技术经济评价
目的：对被开发项目的工艺技术方案进行科学论证，以便为该 方案的实施作出决策。
44
七、中试（Pilot plant）
是一次较大规模的对开发的技术方案作全面的试验考察 可作为基础设计的依据 内容：
检验小试确定的工艺方案和工艺条件 考察工艺系统连续运转的可靠性 考察设备放大效应的程度，分析产生的原因，寻找消除的方法 确定检测方法 考察物料对设备材质的腐蚀 提供一定量的产品供应用考察 考察“三废”的生产量、危害程度和治理方法 为估算投资和成本，以及建立生产工作岗位的操作规程提供资料
3
教学目的和要求
➢ 因此遵循开发过程的有关规律，掌握开发研究的思维方法，对 增强主动性，减少盲目性是必要的，因此这是一门综合性的学 科基础课程。
➢ 如何缩短从实验室到工业化的开发周期，自觉运用化学工程理 论与方法，发挥数学模拟、计算机模拟技术与技术集成，加上 经验积累与综合判断能力，少走弯路是本课程的主要目的。
24
过程开发工作框图
与逐级经验放大方法相比，上述过程开发工作框图有如下 两大特点： （1）提出了过程研究与工程研究的框架与内涵，并十分重视
两者自始至终的结合，特别是早期的结合。 （2）体现了化学工程理论、方法论、工程经验对过程开发的
指导作用。重视实验方法在过程开发中的重要作用。工程 研究者及早介入过程研究，充分发挥工程经验的指导作用 。
14
循环经济
所谓循环经济，本质上是一种生态经济，它要求运用生态学规律 而不是机械论规律来指导人类社会的经济活动。循环经济倡导的 是一种与环境和谐的经济发展模式。它要求把经济活动组织成一 个“资源－产品－再生资源”的反馈式流程，其特征是低开采、 高利用、低排放。 “减量化(reduce)、再利用(reuse)、再循环 (recycle)”是循环经济最重要的实际操作原则(3R原则)。
B 应用研究（AR）
运用基础研究成果和相关知识，为创新新产品、新方法、新技术、新材料 的技术基础所进行的研究。例如新型反应器，反应过程强化，反应器的模 拟和放大，新型节能技术，“三废”处理新技术等。
C 技术开发研究（D）
应用基础研究与应用研究成果和相关知识，为创新新产品、新方法、新技 术、新材料以生产产品或完成工程任务为目的而进行的技术研究活动。 技术开发研究包括过程研究和工程研究。其中过程研究包括：小型工艺试 验、大型冷模试验、中试；工程研究包括：概念设计、经济评价和基础设 计。
12
化学工业 冶金工业 能源工业 材料工业 医药工业 食品工业 生态工业 生态农业
过程工业 （流程工业）
绿生 清 循 色态 洁 环 G工 生 经 D业
产济 P园
（资源，环境，能源） 三大瓶颈
由众多过程单 元组成的网络
工艺基础
单单 元元 设操
备作
过过 程程 优集
化成
输过 送程 机安
械全
动量传递 质量传递 热量传递 化学反应动力学 生物反应动力学 信息传递
43
冷模试验：采用物理性质与实际工业生产物料相近的惰性物质进 行试验，不发生化学反应，只单纯考察过程的物理规律。如传热 、传质及物料流动和混合规律 热模试验：用实际生产物料并按实际操作条件进行的试验，属于 综合性试验考察
考察内容：工艺条件的优化 具有工艺试验性质，便于测取工艺参数和发现放大效应
在化工过程开发中，如果不需要对工艺技术作全流程考察，往往用热模试验代 替中试来测取过程放大的技术信息。这样可以缩小中试规模和降低中试费用。
30
基础研究
应用研究
开发研究
成果
新发现、新理论、 新规律与定律
表现形式
学术论文 或学术著作
原始创新性、 研究方法 科学性、完整性、
逻辑性
发明
专利 论文 著作
将实验室研究成果转化 为第一套工业装置
研究报告、论文、图纸 以及
装置、设备、产品等
技巧创新，局部、实用、 可行与可靠
31
R&D/GDP：标志国家对科技的重视和依靠程度，也是一个 国家发达程度的表现。发达国家大多在2％～3％，而发展中 国家大多在1％以下。
第一套 生产装置
核心技术
产品 副产品 废弃物处理 经济效益
资料获取：文献或互联网调查，社会调研
38
四、概念设计
概念设计又称“预设计”，是根据实验室取得的研究成果，并结 合收集的各种技术经济信息，对被开发过程的工业化方案提出一 个初步设想。
承前启后
前：检验基础研究成果是否符合 开发要求
后：提出具体开发研究内容
科学研究（R&D）
创造和应用知识的探索工作
27
基础研究
应用研究
工程开发
三维一体的立体结构
28
A 基础研究（BR）
没有特定的商业目的，以创新探索知识为目标的研究 ，称为基础研究。其核心是在高水平上创新。 如果有特定的目标，运用基础研究的方法进行的基础 研究，称为应用基础研究。
29
科学研究（R&D）
设备流程图 方块流程图 概念流程图
8
原油加工概念流程图
9
原料
改变物理和化学性能 加工业
产品
10
国民经济结构
第 一 产 业
农
业
15.4%
第 二 产 业
工业Βιβλιοθήκη 44.4%第 三 产 业
服 务 业
33.5%
采
掘
11.0%
能
源
10.2%
制 造 业
78.8%
第 四 产 业
其
它
6.7% 如建筑业
装
流
备
程
工
工
业