化工过程开发概论课件1章.ppt

化工过程开发概论,课程性质：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为化工产品开发。课程涉及合成、工艺、工程、设备、控制、经济、环保等多种学科知识。内容实用性强，是学生从学习知识到应用知识的桥梁。 课程目的：学生了解新的化工产品开发的过程，掌握新的化工产品开发的方法和相关的知识。,第一章 绪论 第二章 选题和立项 第三章 化工过程开发中的实验室工作 第四章 化工过程放大 第五章 反应器的类型和设计 第六章 化工过程开发实验设计和数据处理 第七章 投资、成本、折旧和盈利,基本内容,1.了解并掌握化工过程开发所涉及的基本观点、内容和步骤 2.掌握以小试为重点的开发研究实验方法和中试放大的基本方法 3.建立技术经济评价的思想 4.初步掌握化工过程开发的数据处理方法,基本要求,1.课程级别：专业选修； 2.考查方式：考试； 3.成绩的判定： 卷面成绩：70%； 出勤成绩：15%； 课堂发言+平时作业：15%；,1.于遵宏编，化工过程开发，华东理工大学出版社， 1996年 2.郑洁修等编，化工过程开发概要，高等教育出版 社，1991年 3.武汉大学主编，化工过程开发概要，高等教育出版社，2002年 4.陆震维编译，化工过程开发，化学工业出版社，1984年,参考书,第一章 绪论,1.1化工过程开发的概述 1.2化工过程开发步骤,从化学工业的发展看，各种新产品、新工艺和新技术，在它们实现工业化之前，大多都是从实验室研究开始的。由于物料处理量等许多条件相差悬殊，实验室研究和化工生产之间存在很大差别，实验室成果往往不能真实反映工业生产的情况。,1.1化工过程开发的概述,为什么实验室研 究成果不能直接用于大 规模化工生产？,实验室 工业生产,此外，工业生产还必须从经济角度考虑：, 原材料的品级及供应渠道 产品质量及市场销售 能源供应及消耗 建设投资和生产成本 “三废”治理和环境保护 这些都是在实验室研究中很少考虑的 一些问题。因此，将实验室研究成果直接用于大规模工业生产是不合适的。,1.1化工过程开发的概述,如何才能使实验室 研究成果用于大 规模化工生产？,所以在实验室研究完成后，还必须对研究成果进行多种形式的研究和反复论证，采用不同的研究方法和手段考察在实验室条件下未能获得的各种技术经济信息，并论证该研究成果放大成为工业规模的可行性。只有经过科学论证，确认其工艺技术路线在技术上的可靠性、经济上的合理性，并能提供设计生产装置的精确数据，才能进一步建立生产装置投入工业生产。,1.1化工过程开发的概述,这种由实验室研究过渡到建立生产装置的全过程，就是化工新产品、新工艺或新技术的开发过程，统称为“化工过程开发”。,1.1化工过程开发的概述,可见，化工过程开发是一种综合性的工程技术，它包括：立项前的可行性研究，实验室小试，放大模型试验、中试，技术经济评价，设计生产装置，安装、调试、开车等多个步骤，涉及化学，化学工艺，化学工程，化工机械，测量与控制，经济分析，系统优化等多种学科。因此必须把整个开发过程看作一个系统，使系统内各个相互联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。,1.1化工过程开发的概述,虽然化工过程开发的步骤很多，所研究的问题与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。如果能保证这两项工作顺利地进行，则化工过程开发的整个任务就可以较为圆满地完成。,1.1化工过程开发的概述,化工过程开发是从立项前的可行性研究开始的，经过试验研究、设计、建立生产装置、开车调试到正常生产的整个过程。,1.2 化工过程开发步骤,一、开发案例 A.氨合成 氨是当今世界也是我国超大吨位化工产品 之一，它的开发成功导致了20世纪化学工业的 第一次飞跃。其开发历程为： 1754年Priestley在实验室通过NH4Cl和石灰反 应得到了氨： 2NH4Cl + Ca(OH)2 NH3 +CaCl2 +2H2O,1.2 化工过程开发步骤, 大约30年后，即1784年，Bertholet确定 了氨的成分为NH3。 1795年Hildebrand在常压下，进行N2和H2制NH3的尝试。但除得到过痕量的NH3之外，都归于失败。于是当时认为：由N2和H2合成NH3是不可能的。,1.2 化工过程开发步骤, 近100年后，18501900年间，化学热力 学、化学动力学、催化剂等新兴学科领 域的研究取得进展，荷兰的Vant Hoff 把热力学应用于化学领域，建立了化学 平衡概念。法国物理学家Le Chartelier 提出了化学平衡移动规律，认为较高的 压力有利于增加NH3的产率。 N2(g) + 3 H2(g) 2NH3(g),1.2 化工过程开发步骤, 1902年，德国的Haber与维也纳一家化 学公司的老板Margulhes兄弟签定合 同，由N2和H2合成NH3。研究的初 步结果是：1000，常压下，气体混 合物只有0.01%转化为NH3。采用更高 的温度和催化剂，反应并无明显的改 进。于是Margulhes兄弟不再支持这一 项目。,1.2 化工过程开发步骤, 1909年，Haber发表了以Os为催化剂， N2和H2高温高压反应得NH3浓度为6%的 研究成果，并且他还针对反应特征， 进行流程设计，并获得专利。 为此Haber已经完成了实验室研究并 展示了良好的工业化前景，为开发工业规 模装置奠定了基础。,1.2 化工过程开发步骤,1909年德国巴登苯胺和纯碱制造公司(BASF) 购买了Haber的专利，并将开发计划接受过来。 波施(Bosch)是该项目的负责人。 在哈柏的基础上， Bosch拟订并解决了如下三个问题： 研制稳定有效的催化剂 合成反应器材质与设计 设计能生产大量廉价氢与氮的工艺 经过三年努力，在Haber小试基础上，完成了模试和工程研究。,1.2 化工过程开发步骤, 1912年BASF建成了世界上第一个合成 氨厂，其规模为日产30吨氨。 1913年投产。 1914年达到设计水平。 正值第一次世界大战爆发，由于军事 工业的需要，促进了当时德国的合成氨工 业发展。,1.2 化工过程开发步骤,从1795年希尔布兰德的尝试，到 1913年第一个合成氨厂投产，开发周期 长达120年之久。漫长而曲折的开发道路 导致许多新工艺、新设备的问世是人 类科学技术进步历史上的里程碑。,1.2 化工过程开发步骤,B.尼龙-66的开发,为了取得竞争优势，1927年杜邦公司决定大力开展定向(目标)基础研究，每年投资25万(折现约2500万)美元，招聘优秀人才。卡罗瑟斯(W.H.Carothers)应聘主持缩聚反应制取聚合物。 他从二元醇与二元酸的缩合反应着手，研究缩聚反应规律。,1.2 化工过程开发步骤,当他们用乙二醇、癸二酸进行聚合反应制取聚酯时， nHOCH2CH2OH+nHOOC(CH2)8COOH HOOCO(CH2)8COOCH2CH2nH + (2n-1)H2O 发现这一熔融聚合物有非常奇妙的性质：能拉成丝，有可纺性；该丝在冷态时还可拉伸，且强度、弹性增加。出于职业的敏感，他们意识到这一特性的价值，即合成纤维。他们把研究对象遍及脂肪酸、脂肪醇的缩合。后因这些产品易水解，熔点偏低，而放弃了这一路线，把视线转向聚酰胺的研究。,1.2 化工过程开发步骤,他们以二元胺代替二元醇,合成了上百种聚 酰胺。其中以己二胺、己二酸的缩聚物性质最 为优异，其反应是： n H2N(CH2)6NH2十n HOOC(CH2)4COOH HHN(CH2)6NHCO(CH2)4COnOH十(2n-1)H2O 反应温度为275-285。 因二元胺中有6个碳原子；二元酸中也含6个碳原子，故得名聚酰胺-66，习称尼龙-66(Nylon-66)。,1.2 化工过程开发步骤,从实验室的成果到工业化还有一段漫长的路，例如解决己二胺、己二酸的工业生产、熔体输送、计量、设备材质、控制、喷丝等等。1939年中试，年底实现了工业化。 这个项目历时11年，耗2200万(折现值约20亿)美元，有230专家、博士参加研究开发工作。 尼龙丝强度比相同直径钢丝还高，尼龙袜子成为当时各国妇女抢购的时髦货，为杜邦公司带来了巨额的经济效益。,1.2 化工过程开发步骤,C.锑系有机化合物的研究开发,1988年舒万艮教授等开始进行锑系有机化合物的研究开发工作 1990年“锑品深度加工锑系有机系列产品的研究”被列入国家“八五”攻关项目指南 1991年被湖南省科委列入省科技三项计划，5千元资助,1.2 化工过程开发步骤,1991年8月在华锡集团“八五”项目落实会上被列入“锑品深度加工”子专题的研究项目之一 1991年底完成了实验室小试 1992年3月开始进行公斤级扩大试验，并于同年8月通过了技术评议 1993年5月提交了“硫醇锑半工业试验可行性论证报告”，并于当年底完成了半工业试验的设计资料和图纸,1.2 化工过程开发步骤,1993年底与湖南益阳新光化工研究所合作，技术转让 1994年10月与益阳合作的产品通过省科委组织的技术鉴定 1995年8月在华锡金城江冶炼厂正式试车，进行半工业试验 1995年12月通过有色总公司组织的技术鉴定,1.2 化工过程开发步骤,成果：,“硫醇锑类热稳定剂及其合成新工艺”于1993年9月申请国家发明专利，1997年获批准 “含Sb-S(O)-C键和含Sb-C键的有机锑化合物的研究”1997年获有色金属工业总公司科技进步三等奖 “锑系有机热稳定剂AST-201的研制”1997年获湖南省科技进步三等奖 “硫醇锑类热稳定剂及其合成新工”2000年获国家教育部科技进步三等奖,1.2 化工过程开发步骤,“九五”攻关华锡项目,酯基硫醇锡的研究，黄可龙 锑系有机热稳定剂的研制，舒万艮 隔膜电解制硫酸锡，张平民 有机铟的研制，舒万艮,1.2 化工过程开发步骤,从以上案例中得到如下三点启迪：,产品的经济效益与社会效益是推进研究与开发的巨大动力； 逐级放大的开发过程，化工过程开发经历了实验室小试、模试、中试与工业规模四个阶段； 正确的理论指导是开发工作成功的捷径。,1.2 化工过程开发步骤,实验室研究 收集资料 概念设计 技术经济评价 模型实验 中试 基础设计 工程设计 建立生产装置,1.2 化工过程开发步骤,1.实验室研究 1）基础研究：指在实验室进行的筛选技术路线 和工艺方案，测定有关物性数据及反应热、 动力学参数，筛选分析方法和研制催化剂 等。 2）小试：在基础研究的基础上，在实验室建立 小型实验装置进行工艺模拟试验，主要任务 是优化工艺条件。,1.2 化工过程开发步骤,2.收集资料 包括过程放大和设计装置所需的数据和判据，以及围绕工艺过程评价或项目评估所需要的原料、产品、能源、市场、交通、环保、地理环境等多种信息。,1.2 化工过程开发步骤,3.概念设计（预设计） 它是根据实验室研究成果和收集的技术经济资料，对被开发过程的工业化方案提出的初步设想。目的在于检验实验室研究成果是否符合技术开发的要求，对以后开发步骤的研究或设计工作提供指导。,1.2 化工过程开发步骤,主要内容： 工艺路线和工艺方法的说明 工艺流程简图 简单的物料衡算和能量衡算 原材料及其消耗指标 主要设备型式 预计的“三废” 排放量及毒害性 投资成本估算 中试研究的建议,1.2 化工过程开发步骤,4.技术经济评价 它是对开发项目进行技术可靠性和经济合理性的考察，以便对技术方案和开发工作进行决策。 技术经济评价贯穿于开发过程的始终。 1）初步评价（立题评价） 是在选题或确定开发项目时决定取舍所进行的评价。,1.2 化工过程开发步骤,2）中间评价 是在开发过程中，对开发研究的各个阶段结果作出评价，通常侧重于技术方案的科学性和可靠性，以及在经济上的合理性。 3）最终评价（工业化评价或项目评估） 是在技术开发工作后期进行的评价。 目的是为项目的投资建设作出决策。评价的依据是开发研究报告、市场研究报告等技术经济资料。 若评价结论肯定，即可投资进行建设。,1.2 化工过程开发步骤,5.模型试验 一般是对工业生产中的某些重要过程作放大的工业模拟试验。所用设备一般比实验室规模大并且具有工业设备的仿真性质。 主要研究内容：考察各种工程因素对过程的作用及其规律，观察放大效应和分析、寻找产生放大效应的原因。,1.2 化工过程开发步骤,模型试验方式：,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，单纯考察过程的物理规律。,热模试验：用实际生产物料并按实际操作条件进行的试验，在试验设备内化学反 应和物理过程同时发生，属综合性试验考察，主要是工艺条件的优 化。,1.2 化工过程开发步骤,1.2 化工过程开发步骤,6.中试（中间试验工厂） 它是在小试或模型试验之后进行的半工业化规模的模拟试验。是一次较大规模的对开发的技术方案作较全面的试验考察。其结果可作为基础设计的依据。,1.2 化工过程开发步骤,7.基础设计 它是在最终评价获得肯定结论后，根据中试研究结果及有关资料，对工业生产方案及生产装置所进行的原则设计。 内容：生产装置说明、工艺流程及流程叙述、物料衡算及能量衡算、设备型式和规格明细表、“三废”排放及治理、检测方法和检测仪表等详细设计内容。,8.过程设计（施工图设计） 是依据基础设计编制的，用于指导过程实施的最终技术文件。 9.建立生产装置 依据过程设计的图纸和文，购进和制作设备，安装生