第一章化工过程设计

1、第一章 化工过程设计1.1 过程工程化工过程是化学工业和石油化学工业等复杂系统的核心部分。过程工程概括了建立和定量地分析整个工厂工艺过程流程的全部工作内容，而且要求所建立的过程流程必须是技术上可行、经济上合理、符合安全条例、易于操作的实体。一般来说，过程工程包括过程开发、过程设计和过程改善三个部分。过程工程的发展与化工系统工程的研究方法是密不可分的。过程开发是指过程的概念设计及研究的定向评价。其内容可分为如下几个方面： 研究部门所研究的过程开发及评价； 引进技术的过程评价； 新过程的基准规模或中试规模的开发； 出于革新的目的对现存过程的综述。过程设计一般包括两方面内容：预过程设计与最终过程设计

2、。最终过程设计可提供建立过程所需的全部文件和图纸。过程改善是面对已经建成的化工过程，对它进行过程分析、寻找卡脖因素，优化操作策略，改革工程设施等，以实现挖潜的目的。简言之，过程工程包括全新过程的建立和老过程的改造两部分内容。必须强调指出的是，经济法则是指导过程工作的基本方针之一。发展国民经济，必须重视经济效益，经济效益是评价过程工程的基本准则之一。1.2 过程设计过程设计是过程工程中极有意义的一个阶段。通常是指继过程开发研究之后直至完成课题全部设计图纸的阶段。过程设计阶段是总结过程开发阶段的全部信息，进而完成全部过程的合成（或过程的改善）方案。因而，从事过程设计的设计者必须全面掌握过程开发的工

3、作内容，分清所开发的内容哪些是属于成熟的、有操作经验的技术；哪些是没有经验的、不具备工业实践条件的技术。对于后者要慎重的对待，应在使用传统的设计方法及常用的数学模型，作进一步考查之后再下结论。在现代过程设计中，一个重要概念就是，寻找过程的最优设计方案。这一点在过去是难以设想的，四、五十年代逐级放大的中试过程，方案有限，谈不到多方案的比较；到了五、六十年代，虽然出现了台式计算器和计算尺，但也无法应付庞大工作量的多方案寻优计算。70年代以来大容量计算机的问世以及化工工程模拟与优化软件的出现，才为过程设计提供了现代的工具，使过程设计有了实现优化的可能性。过程设计的优化过程，就是应用过程的数学模型再计

4、算机上进行迭代计算，以求最终寻得优化设计方案的历程。优化的目标函数通常是经济指标和能耗指标。1. 现有情况经济考虑和社会需要开始2. 想法原料、产品、路线、产量3. 过程合成概念变化4. 流程选择5. 设计基础变量（迭代变量、设计变量）模型（过程操作模型、物性模型）过程的公共工程6. 设计方法非设计变量的初值和收敛方法7. 过程设计物料和能量衡算过程流股一览表过程设备一览表公共工程一览表过程流程图过程说明第二定律分析8. 初步经济分析投资、操作费产生吸引力的准则9. 考虑因素经济、热力学效率、可操作性、安全性、环境保护和保健10. 最优化方法目标函数、方法11. 过程设计报告详细设计的必要计算

5、；全部设计详情完成结构最优化设计变量最优化图11 过程设计的主要步骤图11给出了国外现代化工过程设计的主要步骤。在数字计算机问世之前，模型常指握力模型，而把用来设计和模拟过程操作的数学模型称为“方法”，它可能是变量间的图形关系，也可能是用于逐个求借的方程。如图11所示，在连续稳态化工过程的设计中可能包括许多迭代和积分计算，以适应单元操作数学模型求解的需要。通过对现状（社会、经济、技术）的分析，确定了所采用的原料和为得到所需产品应采用的化学路线，这就是图中所示的第一步和第二步。第三步为过程合成，可产生一系列的概念流程，第四步通过定量比较（包括经济方面因素）选出最佳过程流程。第五步建立设计基础，包

6、括确定设计变量和迭代变量；选择单元操作及所需物性的数学模型，选定公用工程设施。第六步确定设计方法，包括迭代变量初值的选择及收敛方法的确定。第七步通过物料和能量衡算列出过程流的一览表，功用工程一览表，绘制过程流程图。第八步对于以上的设计结果进行详细的经济分析，估计设备投资和操作费，且按一定的评价准则进行经济吸引力评估。第九步进一步考察经济可行性、热力学效率、可操作性、安全性、环境保护和保健等情况。第十步选用适宜的目标函数用最优化方法对结构参数及操作条件进行优化。优化计算包括两层迭代循环，选用的迭代方法要同时使结构及设计变量得到优化，在过程优化的同时又使衡算式收敛。提交过程设计结果时，必须完成过程

7、设计的报告，它包括过程设计所产生的项目，设备设计的详情，如反应器结构的详情，精馏塔结构详情，蒸发和冷凝器设计所需的加热和冷却曲线等。现对设计步骤作如下分析，以明确设计工作的要点：a. 过程的选择用标准的单元操作实现过程合成是关键的一步。在过程开发阶段化学家们大多关心化学路线和反应器形式的选择，对于纯化工产品的分离步骤及反应试剂的再循环常常考虑的不多。纵使有所考虑也大多限于实验室的需要，很少顾及工作实战的需要。例如在小型实验中，分离手段常选择溶剂萃取操作（对溶剂的易燃性、毒性或成本考虑的很少）而在工业实践中，往往是精馏、结晶等分离方法用的更多些。所以在过程设计中应认真考虑全过程的优化合成策略问题

8、。 已发表的许多文章都介绍了藉助于教学模型电算求解最优过程合成的方法，但由于所提出的约束较多，大都缺乏通用性，因而没有达到工业应用的水平。在过程合成领域中，目前只有热交换器网络和精馏塔系列这两个领域的合成设计被应用于过程设计的工艺中，其它部分的过程合成还处于半定量半艺术的阶段，要参照专家的经验求解。此外，对于过程开发中提出的多种方案，在过程设计阶段应予以认真地评比，以择出最佳方案。b. 生产能力的选择工厂的生产能力必须在设计的早期阶段予以固定，因为很多工作必须在固定它的前提下才能进行。但是确定生产能力却不是一个简单的问题，因为要涉及对未来市场及竞争对手日后情况的预测。而这种预测常常有一定的不确

9、定性，因而增加了问题的复杂性。c. 过程结构的选择过程合成完毕，过程所需的单元操作已定，该如何把这些单元操作联系在一起，组成最佳的过程网络呢？这是过程结构问题。由于这个问题的复杂性，目前还常常使用半经验、半数模的“事例研究”的优化方法求解。另外，动态规则、整数规划也开始应用于这个系统的优化问题上。d. 过程条件的选择继过程合成生产、生产能力选择以及过程结构的选择之后，还应选择最佳的过程条件温度、压力、浓度、停留时间等。它对过程的经济合理性有较大的影响。e其它条件的选择设备的初估尺寸、备用件选定、可操作性、安全性、过程控制、外围设施配置等也都应尽可能地按最优化的方案予以确定。综合上面五个要点可见

10、，过程设计的核心目标是要确定出一个综合优化的设计方案，使其各个方面皆能处于优化状态。正如1988年美国家顾问团在他们的著作化学工程的新领域中，指出的那样，“过程设计的基本目标是：确定最佳设备单元及其间的最佳组合；寻找最佳操作条件，在此条件下，能使产品以最低成本，达到所希望的产率。同时还必须考虑安全与环境保护的必要约束条件。过程设计是一个复杂的问题，不但要进行定量计算，而且还要处理大量的信息，进行严密的逻辑推理，引用专家的经验。” 在概念流程确定后，只有在计算机的辅助下才能快速完成方案筛选与方案优化工作。 上述众多因素优化的共同目标就是由经济准则与能耗准则确定的经济与能耗的优化目标。目前，在过程

11、设计方面，应继续进一步开发的内容是：全流程大系统模拟的数值方法；过程设计中热物理性质模型；包括过程控制在内的过程合成：过程设计中的可操作性分析；有效能分析评价方法；专家系统与大系统的优化。其中应特别重视多产品、多目的工厂的设计优化策略问题。1.3 计算机辅助化工过程设计的硬件和软件1.3.1硬件发展 从1946年Eckert和Mauohly研制成第一台电子计算机（UNIVAC）以来，数字机的发展共经历了四代，如表11所示。从存贮、速度和费用观点来看，现代的大型机（Mainframo）已能适应化工过程设计及模拟分析的需要。近来出现的32位或较大字长的超小型机（如VAX11/735和Prime75

12、0），尽管其功能略小于IBM大型机，但其价格低廉，主存贮器已达二百万字（Words），且有虚拟贮存，已在计算机辅助化工程设计中得到广泛应用。预计在2000年左右将出现第五代计算机，它将有平行处理的结构，计算速度将达到10000亿次/秒（当前仅有20亿次/秒），且将装入具有IF-THEN知识基底（knowledge-based）的人工智能系统或专家系统，从而可具有机器图像，机器说话，机器理解语言等更有效的交互作用功能，为计算机辅助化工过程设计提供服务。表11 适用于工程和科学的计算机的演变型号IBM代时间电路类型主贮存容量WordsCPU循环时间，微秒相对功能相对运算费用特点70111953电子

13、管40961211批处理，比UNIVAC快70411955电子管3276812FORTRAN编辑，自动处理子程序709021960晶体管327682.2200.13生产者的操作系统，维修大大减少360-7531960混合集成电路0.081080.04大大增加内存，分时操作即可用于商业又可用于科学计算。370-16841973整体集成电路0.0544050.02CACHE高速贮存，多环节错误检查和校正3033U41978大规模集成电路0.0578380.008双处理器，入诊断系统3031K41981大规模集成电路0.02616980.0076四处理器，可靠性大大增加，虚拟贮存微型计算机的出现对计

14、算机辅助化工过程设计产生巨大的影响。微型机对计算机辅助过程设计的影响有好、坏两个方面。好的影响是具有图像和扩展式微型机的大量涌现，使化学工程师思考问题的方式发生的改变，使许多设计者更多地熟悉计算机的功能，且能对计算机系统的开发者提出更多的要求，随着这种要求的实现，设计工程师将更进一步认识到计算机辅助化工过程的潜力，可以说微型计算机起着计算机科学与工程设计之间的催化剂作用。所谓坏的影响是：1）年青的工程师过多地相信计算结果，使对设计改进的预计可能会高于实际得到的效果；2）如果所使用的模型及计算方法过于简化，会使所得的计算结果不是最佳条件，而与专家经验的判断有出入。但80年代中期以来，计算机硬件与

15、软件急速发展，这些缺陷正在逐步消除。对于所有类型的计算机，它们的硬件能力已提高了两个数量级，预期还将以这个速度发展下去。目前，科学界与工程界主要在三种计算机系统中完成他们的计算，即高功能大型计算机；计算机工作站及个人计算机系统。高功能大型计算机系统可以进行平行与矢量过程处理；计算机工作张具有多用户的能力；对于单用户系统的个人计算机，其主要类型是Apple Macintosh，IBM PC或者是不同种但彼此相容的PC机等。随着超小型机的产生以及小型机微型化工作站的增多，促进了将它们联系成区域网络的发展，计算机联网已经实现，它的显著效果是不但可提高计算速度，而且可以实现内部通讯，共享不同计算库的资

16、源，显著地提高了处理能力与资源。广大工程师们在自己办公桌的微型计算机上即可完成向不同计算站的通讯，程序软件的调用，进行过去只有在大型计算站才能完成的计算。从而加快了计算机辅助化工过程设计的推广速度，提高了设计能力。1.3.2 计算机辅助设计的软件进展 早在50年代在一些先进的西方企业中，化学工程工程师首先在老式的计算机（穿孔或卡片式）上完成了闪蒸和精馏的计算机辅助计算（COMPUTER-AIDED calculations），随后又应用FORTRAN语言进行不同单元操作的计算。在1958年M. W. Kellogg开发出了第一个过程模拟软件，既Flexible Flow Sheet，同时期大公

17、司如Union Carbide Corp.和Standard Oil Co.也推出了序贯法的过程模拟程序，60年代中叶开始成立了软件公司，专门从事软件开发，如Simulation Sciences and Chem. Share等。60年代末期，在一些大型企业中试厂将控制计算机用于石油化工、炼钢等方面；相应也产生了一些过程控制软件。70年代后期以及80年代，计算机辅助化工设计应用软件的开发和应用发展极为迅速，新的软件公司不断涌现，并产生了大量的新模拟系统，例如美国Chemshare公司的DESIGN/2000，美国MIT开发的ASPEN Plus，模拟科学公司的PROCESS，用于热交换器及其

18、网络设计的Profimatics公司的HEXNET/HEXTOP，传热研究公司的HTRI，Cincinnati大学的UCAN，英国帝国化学公司（ICI）的FLOWPARCK，牛津大学CAD研究中心的CONCEPT，帝国大学的SPEEDUP，匈牙利科学院的SIMUL等。计算机软件与硬件的发展一直是相辅相成的。在同期微机的推广应用以及微处理器的出现，降低了计算成本，随后Windows软件的提出，使广大工程界使用的个人计算机（PC）机与计算机站联网扩大了计算机的功能。表12三代流程模拟系统第一代第二代第三代年代19581965196619751976至今开发成本,美元20万100万600万开发所用人

19、力，人/年152060120规模(条FORTRAN语句)数千（15）万20万处理最大流程股数50100依机器容量而定最多模块数2050依机器容量而定最多组分数2030依机器容量而定物性数据无数据库180500种化合物物性700种化合物物性流股类型汽、液气、液气、液、固及电解质典型代表GIFSPACERSP-05FLOWTRANCONCEPTPROCESSASPENDESIGN/2000PRO 表13 近15年中化工工程模块进展开发程度是否达应用水平单元操作模块1. 包括反应的多相平衡是2. 精馏理想是三相是反应是带反应的三相否多塔是非均相共沸否间歇是反应速度控制否3. 含固体操作是4. 电解系

20、统是5. 聚合系统否6. 生化系统否7. 设备尺寸集成及速率否8. 反应模型库是物理性质模块1. 状态方程是2. 高级性系统状态方程否3. 严密的电解热力学是4. 模型床否5. 特殊性质模型库否6. 物理性质集成模块是现以产生PROCESS软件的模拟科学公司为例，来说明国际上计算机辅助化工设计的迅猛发展过程。该公司的懂事长是一位年约五十的美籍华人Y L Wang。他是台湾成功大学的毕业生，后在美国加州理工学院取得博士学位。他开始组建公司时，仅有两个雇员。1973年的石油禁运迫使大公司开展节能研究，此公司亦得到迅速发展。到1978年PROCESS已具有含1000种化合物的物性数据库。现在又增添料

21、管网模拟用的PIPEPHASE和用于设计、评估、合成的优化换热器及其网络的HEXTRAN。此公司的业务不卖程序而是出租程序，这家公司没有固定的增涨计划，但又固定的目标。现在全世界有40多个国家使用他们的程序，分别装在150多个计算机系统和20多个计算机网络中，每年约被使用150万次。PROCESS程序的精炼和提高又来自用户的检验和需要，该公司专门设有24小时的通讯热线，来解答用户的问题。到目前为止，PROCESS已经成为美国和加拿大等国高等院校约200个化工系（学院）过程设计课程的一部分。该公司无偿地为这些学校提供软件。为适应计算机技术的快速发展和日后新顾客的需要，该公司为开发新产品未来的模拟

22、工具而投入了雄厚的力量。这样，它可在未来的竞争中立于不败之地。在软件市场中，其它广为应用的化工软件也都在不断发展之中。表12列出了化工模拟软件发展的三代流程模拟系统的特征。计算机辅助化工设计软件主要包括物性数据库，稳态过程模拟软件，的态过程模拟软件。经济分析与评价软件，绘图（各种工程图，如流程、设备、施工管道图等）软件等。在过程模拟软件中，核心内容之一是单元操作的多样性与传热、传质的复杂性。至今尚没有全部清晰的物理模型，即使是灰箱模型也存在很多偏微分方程与非线性关系，找不到分析解，这些特点皆赋与化工应用软件独有的复杂性，只能在一定简化条件下求取近似解。随着硬件存贮于计算机速度的发展，随着数学方法的发展，化工应用软件（或计算机辅助设计软件）仍处于不断发展中。表13给出了近十五年来化工单元操作模块与物性数据模块进展地概况。虽然国外化学工程设计绝大部分内容都依靠计算机辅助设计，但由表可见仍有少部分有关内容缺乏模块软件的支撑