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一般而言，生产一个化工产品需要经过多个步骤，包括：反应、分离、循环、混合、加热、冷却、压力改变等。整个合成过程体系首先需要确定每个独立的单元，然后将各独立单元相互关联起来形成一个有机整体，实现产品目标。通常，流程图则表示了所有单元及具体设备间的关系。流程图确定后即可进行全流程模拟计算，通过对温度、压力、流量、物料组成等参数的调整可实现对流程的优化。评价一个流程体系的优劣，主要从以下几个方面来考量： 一、经济效益：生产一种产品往往有多种路线或流程可供选择，即条条大路通罗马，但生产成本、投资、占地等差别却较大，需要对每一种可能的流程分别进行经济效益的计算对比，才能选出经济效益最佳路径。当然，经济效益是非常重要的评判标准，但并非唯一准则； 二、可持续性发展：可持续是前提，它要求化工过程设计中废物最小化、资源化、无害化，整个化工过程应维持工业与生态系统的平衡； 三、适应性：一个好的流程体系应具有较强的适应性，即在不同工况下均能正常操作，同时，开停车、事故状态下紧急停车等易于控制； 四、安全：安全往往不易量化，但在流程设计中需把安全放在第一位，对于一些不确定性因素，要求设计者具有较高的判断能力。 关于以上几点，笔者在做某技术流程设计时深有体会，曾有很长一段时间在做各种可能流程的计算对比。案例一：某吸收塔冷进料气相与冷塔釜循环液相的对比，冷进料气相，由于气体给热系数小，总传热系数小，换热效率低，换热器设计时需要较大的换热面积。而冷塔釜循环液相，虽然液体给热系数大，总传热系数大，所需换热面积小，但由于存在返混，为达到好的分离效果，需分段循环冷却，塔设备结构复杂；案例二：某放热反应反应器进出口换热进行热量回收与不换热流程对比，单程从反应器本身来说，换热优于不换热流程，但对于易结晶产品物料，后续有产品吸收塔、精馏塔时，就不一定了，因为经换热后的物料温度降低，后续吸收塔塔低温度低，产品浓度低，造成精馏能耗高。而未经换热的产品物料进入吸收塔后，由于温度高，塔顶回流量大，而塔底温度高，浓度也高，后续精馏塔能耗低，综合对比后不换热流程优于换热流程；案例三：某甲醇、水混合溶液精馏采用常规精馏与双效精馏对比，常规精馏一次投资低，能耗高，双效精馏一次投资高，能耗低，经综合对比，双效精馏经济效益远远高于常规精馏；案例四：某反应副反应生产酸，一般解决思路为通过调整反应参数，优化反应设备减少副反应产物酸的生成，或通过在装置内利用参与反应物对副产物进行反应回收处理等，但回收率不可能实现100%，最终需加碱液进行中和处理，生成的盐需作为污染物排放处理，即末端治理。通过对过程流程的优化，巧妙利用循环实现污染物源头治理；案例四：某技术流程采用反应器多台并联、多台串联与串并联对比，从流程本身来看，多台并联气量大、压降小，而多台串联或串并联气量小、压降大，从管线的一次投资来看，并联管径大，串联管径小。能耗应该差不多，但仔细考察压缩机，会发现并联流程压缩机出口温度低于串联流程压缩机出口温度（如为多段压缩，还涉及到段间冷却消耗等），即部分功转化为热，压缩机功率会增加，但压缩机出口物料如本身需要加热，那串联流程所需的加热量又会减少，所以两种流程需要全系统综合对比才能得出结论；案例五：各种工况核算，硫磺回收、制酸等技术流程中，涉及到低硫、高硫、富氧、纯氧、空气、催化剂初中末期等工况及其组合工况，为使流程设计能适应生产需求，需对每种工况进行设计计算；案例六：为了安全，在精馏塔中采用真空精馏，降低温度，虽然在流程设计中采用常压精馏也能实现分离要求，但在该温度下存在安全隐患，则必须采用真空精馏，降低物料温度，实现本质安全。 化工过程设计“洋葱”模型，该模型最中心是反应器，反应器外层是分离与再循环系统，分离与再循环系统外层是换热网络，换热网络外层是公用工程。在绝大部分化工过程中，反应器是唯一能把原料转变为产品的设备，反应器出口物流包含未反应原料、产品、副产品，要得到满足产品质量要求的产品，需对反应产物进行分离提纯，为提高原料的利用率，使流程更具经济性，未反应原料需循环利用。反应决定了分离与再循环系统，通过对反应器及分离与再循环系统的流程优化、热量回收利用后，冷、热负荷已确定，不足部分由公用工程补给，所以，换热网络决定了最外层公用工程的选择与设计。 因此，一般流程结构设计中，最先把反应确定下来。由于受条件限制，如：实验室没有办法实现未反应物料的循环，原料进料条件优于工业化装置，实验室设备较小，放大效应显著等，大部分实验室数据与工业化生产数据差别较大，所以需要中试或侧线实验，再辅以理论推算及相关工程经验后得出数据，该数据的准确性非常重要，一旦偏离，将导致整个系统的偏离。然后进行分离与再循环设计，再进行换热网络设计及公用工程的设计。 化工过程设计的两大方法： 一、建立一个不可简化的流程 根据洋葱模型逻辑结构，由内到外，首先确定反应器，然后根据反应增加分离及再循环系统，结合流程进行热量回收，冷热物流综合利用后，冷、热负荷就能定下来，根据热量平衡结果，选择和设计公用工程。整个过程中，必须对每一步做出最佳选择，即做出局部最佳决策。由于在做单独的每一步设计时，信息并不完整，为了保证做出最佳决定，必须评估与其他决定有关的设计。且要对相关设计进行优化，这就要求必须完成并优化很多设计。但即使完成并评估了大量流程设计，仍很难保证找到了最佳流程，因为设备间存在非常复杂的相互关系，而在每一步决策中，会因为简化流程而牺牲了因为复杂流程而带来的好处。 本方法的优势在于设计者可控制每一步的基本设计决定，所有的不确定性因素包含于整个决策过程中，设计者能随设计进展与设计本身进行交流。 二、建立并优化一个可简化的流程 本方法为建立一种冗余的流程结构，即考虑所有可行的、相互影响的最优设计备选流程，里面包含一些多余的设备，这就涉及许多选择。然后用设计方程和设计变量将设计问题转变为数学问题，运用优化算法求解。在结构和参数优化过程中，目标函数为经济效益最大或成本最低。 使用本方法存在一些困难： 1、如果准确表示流程中所有独立的单元操作，那么得到的需要进行优化的经济效益分布曲线既庞大又不规则。 2、使用本方法，在决策过程中排除了设计者的作用，很多不确定的因素，如安全和布局等，因为难于包含在数学模型中而不能很好的考虑进去。 另一方面，此方法也具有一些优势，可同时考虑许多不同的设计方案，能将全部设计步骤编写成计算机程序，从而快速获得设计方案。 以上两种方法各有优缺点，笔者更多的是采用局部最佳决策+全系统考量，即：首先对每一个单元操作过程进行最优化选择，形成全系统后，再对全系统进行核算，然后再对局部进行调整核算对比，同时考虑安全、环保、布局等因素，得出经济效益最佳的流程。这也就需要设计者对过程本身的深入理解。 总之，化工过程设计体系是一个综合性的问题，它需要设计者对流程本身有深入的理解，采用系统性的方法，同时兼顾安全、布局等因素，不断优化流程结构，反复进行模拟和评价，最终找到最佳流程。
读“化工过程设计”有感之二-反应 (出处: 马后炮化工-让天下没有难学的化工技术)
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发表于 2018-12-2 22:54:30
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成长值: 43090
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过程设计，系统思维