浅谈对化工过程开发与放大的认识

浅谈对化工过程开发与放大的认识摘 要:本文概述化工过程开发的基本内容，化工过程开发其实是新的化工产品或新的化工工艺经由实验室研究、放大试验到工业化生产的全过程。关键词：化工过程开发; 化工产品; 化工工艺; 研究; 放大; 工业化生产;引言从化学工业的发展来看，各种新产品、新工艺、新技术，在它们实现工业化之前，大多都是从实验室研究开始的。但是，在实验室研究和工业生产之间，由于处理物料量等许多条件相差悬殊，两者的差别很大。实验室研究成果往往不能真实反映工业生产的情况。化学工业需向国民经济各部门提供更多的新产品，化学工业本身也需一些新产品（催化剂） 、新技术、工艺、设备，这些都需从实验室研究开始，进行过程开发。 1 化工过程开发的概念化工过程开发是指从一个有关新的化学产品、新技术或工艺的概念的形成，到科研、设计、建厂，到第一套工业规模生产装置，付诸实施的全过程。化工过程开发基本内容是基础研究的成果、资料，合理的途径，扩大实验，评价可行性和工业装置。化工开发研究是在“ 应用基础研究、应用研究和各种科技信息的基础上，开展新技术的工艺条件、技术规范、工程放大、技术经济评价等方面的研究，取得化工生产装置设计、制造、建设、操作及销售所需的数据与资料，为实现新技术在工业生产中的应用提供技术服务”。开发的步骤：选题和立项、实验室工作、概念设计、中试放大及贯穿多次的技术经济评价，直至完成基础设计 1。2 化工过程开发步骤现代化工过程开发工作中，基础研究是化工过程开发的基础，过程研究是化工过程开发的主体，工程研究是化工过程开发的核心和灵魂。化工过程开发的每一步都把工业化作为主要目标，突出了工程研究和工程放大，使化工过程开发重点突出，目标明确。而且新的化工过程开发程序，把研究与设计、工艺与工程通过各阶段的工作内容紧密结合在一起，围绕一个目标开展工作，既加快了研究开发速度，又提高了开发质量 2。2.1 基础开发研究阶段基础开发研究阶段的工作内容包括基础研究、概念设计和初步评价。首先，根据技术经济情报提出开发课题，先在实验室进行探索性试验，寻找反应规律，得出系统的试验数据。基础研究完成后，再进行假想性的概念设计，在概念设计指导下进行扩大试验或冷模拟试验，获得最佳工艺条件、必要的物性数据和工程数据。在扩大试验和模型试验基础上进行中试，验证概念设计中的一些设想和结果（包括数学模型） ，并提供一定数量的产品，供应用试验用，然后进行初步的技术经济评价。发现基础研究中存在的问题，得出是否继续进行开发研究的结论。2. 2 过程开发研究阶段过程开发研究阶段要进行按工业化规范的工艺条件、生产流程、设备结构、放大效应、控制方法、物料平衡、能量平衡、材质选择、三废处理、安全技术、长期运转、杂质影响、产品应用、市场开发及数据论证等方面的研究。过程开发研究阶段要研究开车、停车、事故处理等非稳态过程，确保产品产量的质量的监控措施等。过程开发研究阶段要取得基础设计所需的整套数据，并对技术经济指标进行考核，解决工业化过程必须解决的一系列问题。过程开发研究阶段要中试之后，进行基础设计，并做出较详细的技术经济评价，得出是否继续进行开发的结论。2.3 工程设计与基建阶段工程设计与基建阶段的工作内容是指设计单位按照基础设计、结合企业的具体情况进行工程设计；企业依照工程设计进行基建施工，试车投产。从现代化工过程开发程序可看出，新的化工过程开发程序把研究与设计、工艺与工程，通过各阶段的工作内容紧密结合在一起，围绕一个目标开展工作，既加快了研究开发速度，又提高了开发质量，是比较科学的开发工作程序。该开发程序适用于一般化工过程的开发，而对某一个具体化工过程来说，由于实际情况的差异，开发工作内容可有增减 3。3 工程开发研究3.1 工程开发研究的内容工程开发研究包括概念设计、基础设计、数学模型、可行性研究、技术经济评价等。采用传统的方法进行化工过程开发时，不太重视工程研究，对工程放大均采用经验方法，而且实验室研究与后面的工程放大往往脱节，致使成功率低，返工率高，开发成本高，开发质量较低。在现代化工过程开发过程中，不但把工程开发研究放在非常重要的位置，而且使其贯彻在整个开发过程中，这样，既保证了开发质量，又可避免返工，加快了开2发进度。工程研究是在不同研究阶段，不断地发展某种设想，最终形成对一个工业装置的详细描述及其如何操作的相关信息，即开拓出一个工艺系统。从化工过程开发实践中发现，开发工作的质量、进度及开发成本，在很大程度上取决于工程开发研究的水平。因此，必须重视技术开发中的工程研究。3.2 工程开发研究与基础开发研究和过程开发研究三者之间的关系基础开发研究是化工过程开发的基础，过程开发研究是化工过程开发的主体，工程开发研究是化工过程开发的灵魂。过程开发研究是借助试验装置进行科学试验，为过程开发提供放大的信息和依据；工程开发研究的内容是侧重于探索工程因素对过程的影响，并且获得放大判据或者放大设计数据。现代化工技术开发过程把研究与设计，工艺与工程通过各阶段的工作内容紧密结合在一起，围绕一个目标开展工作，既加快了研究开发的速度，又提高了开发的质量。现代化工过程开发全过程中，工程研究与开发基础研究和过程研究是经常交换信息，反复交替工作的 4。与实验研究不同，工程开发研究依赖于研究者和设计者的思维，运用他们的知识和经验，为化工过程开发做出决策。4 化工过程开发举例4.1 离子液体简介离子液体是指全部由离子组成的液体。在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，称为室温离子液体、室温熔融盐、有机离子液体等，目前尚无统一的名称，但倾向于简称离子液体。在离子化合物中，阴阳离子之间的作用力为库仑力，其大小与阴阳离子的电荷数量及半径有关，离子半径越大，它们之间的作用力越小，这种离子化合物的熔点就越低。某些离子化合物的阴阳离子体积很大，结构松散，导致它们之间的作用力较低，以至于熔点接近室温。4.2 离子液体的种类离 子 液 体 是 指 在 室 温 或 接 近 室 温 下 呈 现 液 态 的 、 完 全 由 阴 阳 离 子 所 组 成 的 盐 ，也 称 为 低 温 熔 融 盐 。 离 子 液 体 作 为 离 子 化 合 物 ， 其 熔 点 较 低 的 主 要 原 因 是 因 其 结构 中 某 些 取 代 基 的 不 对 称 性 使 离 子 不 能 规 则 地 堆 积 成 晶 体 所 致 。 它 一 般 由 有 机 阳离 子 和 无 机 阴 离 子 组 成 ， 常 见 的 阳 离 子 有 季 铵 盐 离 子 、 季 鏻 盐 离 子 、 咪 唑 盐 离 子和 吡 咯 盐 离 子 等 ， 阴 离 子 有 卤 素 离 子 、 四 氟 硼 酸 根 离 子 、 六 氟 磷 酸 根 离 子 等 5。4.3 离 子 液 体 的 研 究 成 果1914 年合成出现最早的室温离子液体硝酸乙基铵，直到 1992 年，Wikes 领导的研究小组合成了低熔点、抗水解、稳定性强的 1-乙基-3 甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体后，离子液体的研究开始才得以迅速发展，随后开发了多系列的离子液体。这些离子液体主要是通过将一定的二烷基咪唑阳离子（EMIM+、BMIM+）和一些阴离子（如：BF4- 、PF6- ）组合得到的，其物理性质和电化学性质类似于 AlCl3 体系室温离子液体，却不像氯化铝体系那样对水和空气敏感，因此而被广泛地开发和应用。1996 年 Bonhote P.和 Dias A.采用固定阴离子，即改变咪唑分子上不同的取代基的方法，系统的合成了一系列离子液体，制得 35 个咪唑离子液体，详细介绍了许多合成方法及各种性质如熔点、与水的溶解性、粘度、电导率、密度、折射率及随 t 变化的测定。并得出以下三点结论：（1）非对称的阳离子比对称性的阳离子形成的离子液体有较低的熔点；（2）阴阳离子之间如果形成氢键，熔点升高，粘度增大；（3）阳离子带长链取代基的离子液体与有机溶剂的互溶性增加 6。结语虽然化工过程开发的步骤很多，所研究的问题和考察的内容又十分广泛，但归纳起来，主要是放大和优化两项工作。我们可以将整个开发过程看做一个系统，使系统内各个相互关系和相互作用的要素协调配合，才能合理而有效地完成化工过程开发任务。参考文献：1于遵宏.化工过程开发M. 上海：华东理工大学出版社,1996,26(6):399401.2王静康.化工设计M.北京 :化学工业出版社.2002,4:252253.3陈敏恒、袁渭康编著.工业反应过