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化工设计,王召,第四章流程组织,本学时讲授内容第一节流程组织概述第二节原料的预处理及反应途径的合成第三节专用地址分配,化工工艺设计的内容与步骤,第一步：流程组织（过程合成）,第二步：物料衡算及热量衡算,第三步：设备设计及选型,第四步：PFD图及PID图的设计与绘制,第五步：车间流程的平立面布置设计及管道布置设计,第六步：主要材料表及概（预）算（工艺部分）,第七步：对流程的技术经济分析,第八步：编写工艺设计说明书,4.1流程组织概述,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。,问题：在两个反应器之间为什么可能要用到分离操作？,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。,经济效益的重要来源之一。,二、什么是流程组织,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,3、流程组织的依据,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组织呢？,三、流程组织的几个基本原则,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；,大设备折分,4、组织流程时，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。,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,四、流程组织的具体任务,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)；,流程组织的具体任务,在流程组织的这些工作中，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。,4.2原料的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,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,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AC，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、副产物少、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、C10H22Cl2C10H21ClHCl伴随副反应：C10H21ClCl2C10H20Cl2HCl,2、C10H20HClC10H21Cl,3、C10H21OHHClC10H21ClH2O,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。,4.3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