流程合成与分析.ppt

一、化工过程的典型流程框图,原料预处理阶段,反应合成阶段,产物分离阶段,例如：硫氰酸红霉素 红霉素产品生产过程的流程草图如下：,溶解脱色罐,过滤器,过滤器,过滤器,反应器,结晶器,洗涤转晶罐,原料预处理阶段：以物理方法为主，但不排除化学方法。可能要用到一些分离的单元操作。可能牵涉到“三废”处理。可能有副产品产出。,反应合成阶段：可能是多步反应组成的反应网络（多个反应器）。多个反应器之间可能穿插着分离单元操作。,产物分离阶段：可能要用到多种单元操作。重视“三废”处理技术问题。重视回收。,问题：在两个反应器之间为什么可能要用到分离操作？,经济效益的重要来源之一。,二、什么是流程合成,1、流程组织的定义,权衡技术与经济、安全、工程等方面的因素，在过程开发实验的基础上，结合专家化工生产过程的实际经验，将某个化工过程的原料准备、反应合成、产物分离三个阶段的有关单元操作有机地组合在一起，形成一个较优的工艺流程。,2、流程组织的结果,画出一个详细的流程草图（包含所有的工艺流股），并根据过程开发实验的结果，确定流程中的合适的已知设计条件。,给出合适数量的已知流股变量、单元变量、设计约束式等,流程组织是化工工艺设计的“龙头”。,MB和HB是化工工艺设计的计算核心；化工工艺设计是化工厂设计的核心；,3、流程合成的依据,过程开发实验结果；化工专家的实践经验。,问题：流程组织得好不好，怎么来判断？,4、化工领域包括相关领域的一些科技进步与发明，都可能对某个产品生产过程的流程组织带来显著的影响。,我国几大科技发展计划体系内都有与化工有关的研发内容。,6APA和地塞米松硫酸钠的生产过程,如何从过程开发实验结果出发，结合化工专家哪些原则性的实践经验，来进行设计过程的流程合成呢？,二、流程合成的几个基本原则,1、重视过程开发实验结果（根本出发点）；,2、尽量确保工程中运用的工艺技术和设备的成熟性；,标准设备；有中试或生产经验的工艺技术,3、要考虑工程放大的影响；,4、合成流程时，应考虑流程的可操作性，尽量增大流程（尤其是关键设备）的操作弹性；,原料、操作参数、公用工程波动的影响,5、重视流程的运行安全问题；,间歇流程中备用的单元操作问题。,例如：强毒性、辐射的间接换热问题。,大设备折分,6、从经济角度，节省流程的固定投资，减少流程的操作费用；,有时要牺牲流程的技术先进性,7、重视副产品回收，同步考虑环保因素；,可持续发展战略（科学发展观）,技术不断创新、进步；,节约资源；,保护人类环境；,末端治理与源头预防相结合,三、流程合成的具体任务,1、原料的预处理；,2、反应途径的合成与挑选；,3、专用地址分配；,4、分离技术的选择；,5、分离顺序的选择；,6、能量集成与管理(热交换网络)；,流程合成的具体任务,在流程合成的这些工作中，反应途径的合成与挑选是流程组织的核心。,反应途径确定后，它就决定了原料预处理的程度和方法，同时决定了分离技术和顺序问题。（流程的核心是“反应”）,过程开发实验，往往以反应途径的开发或挑选为起始点。,原料预处理及反应途径的合成,一、原料的预处理,在实际的化工过程中，化学反应的反应速度、转化率、反应选择性率等，对其进料的组成及纯度、相态、固体颗粒粒度分布等方面，一般都会提出相应的要求。,例如：聚合反应对原料纯度的要求经常达到“3n”甚至“4n”。气固非均相反应对其固体颗粒粒度分布要求较严格。,原料预处理的目的,从有利于反应的角度,提高反应转化率；提高或控制反应速度；提高反应的选择性率，等等。,从有利于反应后产物分离的角度,流程组织时，目光要看遍全局,原料预处理的几种通常形式：,1、原料的预热、预冷、加压处理；,2、原料的纯度处理；,有时包括色级处理；减轻杂质毒化催化剂；聚合度要求等等,3、几种反应原料的预混合处理；,4、原料的相转换处理；,常见的固到液、液到汽,5、固体原料的颗粒粒度大小处理；,常见的气固反应、液固反应,液固反应过程，如果其目的是拿出固体中的某些组份，这种操作过程叫“浸取”,问题：颗粒从大变小的方法有哪些？,提示：,进行组织流程，考虑原料预处理的方法，要站在全流程角度，从进厂原料现状、反应对原料的要求、反应后产物的分离等方面因素综合考虑。,只要技术可行，经济合理，可以考虑采用一些分离单元操作，甚至化学手段，来进行原料预处理。,二、反应途径的合成与挑选,反应途径：从原料到产品的多步反应组成的反应顺序（序列）。,反应途径的合成：构造从原料到产品的反应途径。,挑选反应途径：,从A C，化学家在实验室发明提出来多个反应途径，化学工程师则站在工程实际应用的角度，从这些众多的反应途径中挑选一条或几条进行工程设计并投入商业运行。,化学家：从事反应途径的合成；化学工程师：挑选反应途径。,反应途径的合成与挑选是流程组织的“核心”。其对整个流程生产的产品质量、产品成本一般都有决定性的影响。,挑选合适的反应途径，是从源头治理污染的最好方法。,那么，作为一个化学工程师，挑选反应途径时，应该考虑哪些因素？,挑选反应途径考虑的因素,反应步骤长短；,副反应数量；,反应速度及转化率、选择性率等；,反应条件要求；,产物分离难易；,环保、安全、健康情况；,投资及成本的高低；,产品质量情况；,原料来源难易；,以上因素要综合考虑。,在安全、环保、健康的前提下，技术上可行，以经济上合理为最高目标来挑选。,例如：工业规模乙酸乙酯的生产流程中，反应途径的挑选问题。,共有三条反应途径可供选择。其中工业上经常挑选的是：,上述反应具有反应途径短、付产物少、原料来源容易、产物分离容易等一系列有点。但在自然条件下，其反应速度太慢（20年其转化率不到2）。工业运用时要用这个反应途径，就必须想办法提高其反应速度。只有在硫酸催化作用、80温度时，其反应速度才具有工业生产价值。,例如：一氯癸烷（一氯代十烷）工业生产的反应途径挑选问题。,C10H21Cl,有以下三种反应途径可供挑选：1、C10H22Cl2 C10H21Cl HCl伴随副反应：C10H21Cl Cl2 C10H20Cl2 HCl,2、C10H20 HCl C10H21Cl,3、C10H21OH HCl C10H21Cl H2O,结论：从原料成本、来源角度挑选反应途径1来进行工业生产。,专用地址分配（专用地址确定）,关于化工流程组织时的专用地址分配，到现在为止，找不到它明确的定义。但其意思很明确，我们通过几个有关化工流程专用地址的例子，来说明有关专用地址问题。,一、流程中循环流股回流的专用地址,回收的反应物或溶剂回流到什么地方？,有数个循环流回流的专用地址可供选择。,二、杂质或副产物排出流程的专用地址,杂质或副产物从什么地方排出？,杂质或副产物有数个排出流程的专用地址可供选择。,三、反应器物料的进料方式和操作形式的专用地址,针对同一个反应途径ABC，按间歇、连续操作状态，有许多进料方式和操作形式可供选择。,（一）、间歇操作状态,一次性加入A,一次性加入B,反应终点一次性排出,1、一次性进料的间歇全混反应器,2、批内连续流加（或滴加）进料的间歇全混反应器,一次性加入A或B,批内连续流（滴）加B或A,反应终点一次性排出,（二）、连续操作状态,1、连续单级全混反应器,连续加入A,连续加入B,连续排出,2、首级进料的连续多级串联全混反应器,连续加入A,连续加入B,连续排出,3、分级进料的连续多级串联全混反应器,连续加入A或B,连续加入B或A,连续排出,4、管首进料的连续管式反应器,连续排出,连续加入A,连续加入B,5、沿管轴分布进料的连续管式反应器,连续加入B或A,连续加入A或B,连续排出,流程组织专用地址分配的含义：,在流程组织大框架已经确定的情况下，对有关流股的走向、流股之间的配比（流量调配），以及操作单元的拆分、合并等问题进行综合的考虑。,4.4 分离技术与分离顺序的选择,分离是化工流程中必不可少的重要组成部分，往往对化工产品的质量起关键性的决定作用。,在流程组织的反应途径确定后，就必须针对该反应途径产生的混合物，选择分离技术和分离顺序对该混合物进行处理。,产物、副反应产物、未转化完全的关键反应物、过量的非关键组份反应物、溶剂、催化剂等混合在一起。,分离操作的目的：,1、提高产品（包括副产品）的质量；,2、回收未反应完全的反应物（包括溶剂、催化剂等）；,3、满足环境保护的要求；,化工产品的竞争：关键是产品质量与成本。,关于分离的单元操作技术：,传统的包括：精馏、萃取、吸收、吸附、过滤、干燥、离子交换、蒸发、结晶、层析、电泳、渗透等等。,相继出现的新分离方法包括：膜分离、离子交换色谱、超临界萃取等等。,分离技术的发展趋势,新的单元分离技术,已有单元操作技术的耦合,如吸附精馏、反应结晶、萃取结晶、精馏结晶、膜反应等等,在选择分离技术手段时，应该对一些分离技术的基本要点有一些认识，这些基本要点包括：,利用什么性质进行分离；处理能力及纯度极限；能耗、分离成本、投资大小,针对反应完后的混合物分离，其分离技术的选择主要原则如下：,一、分离技术的选择基本原则,1、以待处理物系的各组份的性质为根本出发点，来挑选分离技术。,例如：组份之间沸点差大，可考虑精馏；组份之间在某种溶剂中分配系数相差较大，可考虑萃取；溶解度差、熔点差结晶；对热稳定性差低温单元操作技术，等等。,2、充分考虑分离过程的投资、成本等经济因素。,即使在包含反应的完整化工流程中，分离阶段的投资也经常占到全流程投资的50以上，分离成本经常占到产品总成本的30以上。,3、根据待处理物系的处理量和分离纯度要求，来挑选合适的分离技术。,例如：离子交换处理能力，4mmol/g干树脂，其处理摩尔浓度高的物系就可能不经济；,传统的吸收不可能得到高纯的单一组份气体，这是受到吸收分离技术本身分离极限的限制。,注意：对流程中某些中间过程流股的分离，一般采用“得过且过”的原则。可采用一些较“低级”的分离技术，达到即满足后续操作的要求，又可降低分离投资和产品成本的目的。,4、尽量采用技术、设备上成熟的分离技术，避免工程风险。,化工分离单元操作,工艺技术,设备技术,控制技术,“三位一体”,化工分离单元操作技术的成熟性,有类似技术工业化生产,有相当规模的中试结果,有相应的模拟技术结果,另外，应该看到，对反应后的混合物进行分离，通常情况下，只采用单一的某一种分离技术手段往往满足不了分离目的。而是采用许多分离技术的“组合”来完成多组份分离目的。,例如，从青霉素发酵液中，提取青霉素产品，分离流程同时采用了过滤、萃取、吸附脱色、离子交换、反应萃取、蒸发结晶、干燥等多种分离技术。,以上是所谓挑选分离技术的几点基本原则。针对反应完毕后混合物的分离，除了选择分离技术手段外，还要同步考虑先分谁、后分谁的所谓分离顺序问题。这点和分离技术的选择也同样重要。,二、分离顺序选择（确定）的基本原则,1、根据待处理物系的性质，一般是容易分离的组份，可考虑先分离。,“容易分离”使用传统的成熟分离技术与设备、操作条件不复杂、分离过程能耗及物耗较低。,从分离工程技术角度，一般而言，组份越多，相应的分离难度越大。将容易分离的组份优先分离，可减少后续分离的组份数目，从而减轻后续分离的难度。,所以，从技术和经济角度，“容易分离的组份先分”是比较合理的选择。,2、相分离可考虑优先进行。,固液分离：各种过滤方式；,气液分离：旋风过滤、分气包（塔、罐）方式；,液液分离：萃取塔、倾析器、离心机等方式；,一般而言，相分离在化工分离单元操作中并不复杂，但好处多多。,例如：液固流股的输送问题；多相导致分离计算与设计复杂化问题；原油精制的先分水问题，等等。,3、含量较多的组份可考虑优先分离。,最大优点：可减少后续分离设备的尺寸（减少投资），降低后续分离操作的能耗与物耗（降低分离成本）。,例如：一个（A、B、C、D）（1500、200、200、100Kg/h）的物流要通过精馏进行分离成单组份。,4、高附加值的产物组份可考虑优先分离。,高价值组份若不先分离出来，必然会在后续分离的操作中逐步损失，从而降低其收率。,5、稳定性较差、有毒、有腐蚀、有放射性的组份可考虑优先分离。,如：独居石处理，先提取黄金。,对提高收率、工人的劳动保护、延长设备寿命、减少设备投资、节省操作费用都有好处。,以上分离技术与分离顺序必须同步考虑，而且以上原则在某个实际物系的分离过程中，各原则可能有互相冲突之处，必须结合开发实验来综合考虑。,思考题：,由一个液液非均相反应生产高纯度的产品C，反应式为ABC（其反应速度），同时伴随着副反应ACD（可逆反应，其反应速度）。已知采购来的原料A为液相原料，其中含有少量D及E。原料B也为液相，为纯组份且价格较贵。A、D、B、C、E五种组分的相对挥发度由小到大（D、B之间相对挥发度相差更明显）。A原料的价格较便宜，C与E之间能形成难分离的共沸物。试进行这个过程的流程组织（要求考虑反应器的形式），写出简要说明，并画出流程草图(按连续流程考虑)。,