化工过程开发复习

1、化工过程开发 Development of Chemical Technological Process 课程基本情况 学分： 2.0 学时： 32 先修课程：四大基础化学、化工原理、 反应工程、文献查阅、分离工程。 适用专业：化学工程与工艺 教材： 化工过程开发概要 ，武汉：武汉大学出版社， 2002 ； 化工过程开发 ，于遵宏等 . 上海：华 东理工大学出版社， 1996 .课程分类：考查 开课教研室：化工工艺教研室一、课程的性质与目的 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

2、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。二、课程的基本内容及要求基本内容 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 化工过程开发实验中的数据处理 第七章 投资、成本、折旧和盈利 第八章 技术经济 评价 基本要求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 第一章 绪论

3、五节内容 第一节 化工过程开发的基本内容一、化工过程及化工工艺（ 几个概念 ） 过程： 指相互关联的一系列活动或变化，是事物的发展，是事情经历的经过。 化工过程： 指若干相互关联的化工单元操作以及所用设备组成的一个整体和它所完成的工作， 即化学品 的变化。 开发：任何一新的化工过程都具有创造性， 其内在的客观规律， 是科学存在的。 开发指人们对过去 未能利用的东 西加以利用，包括研究、改进和发展。任何开发过程均带有研究、改进、使之得 到发展、体现出价值的创造性活 动。化工过程开发： （书 P1 ） 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，从 第一套 工业规模生产

4、装置，付诸实施的全过程。化工过程开发的任务： 开发满足国民经济的新产品、老产品生产工艺和设备的改造，促进化学工业的发展。 化工过程开发程序、方 法：基础研究的成果、资料，按科学方法，寻求技术可靠、经济合理的途径，扩大实验，评价可 行性，工业装 置。即基本内容 工艺：系统应用知识和经验（软件） 、设备（硬件）于工业生产实际，将原材料或半成品加工成 产品的方法和技术。制造工艺（只改变外形、物性，工件型job shop 生产方式）、化工工艺，化学品生产方法的技术科学，物流型 flow shop 。后者是化工过程的精髓？同一种化学品生产不同原料、路线、条件、方案，差异巨大，经 济效益不同。工程 设计中

5、设备的失误是局部的，工艺的失误是全局的。工艺即工业艺术。二、化工过程开发的内涵 着重解决开发、放大、设计等工程技术问题。与化学的研究有一定的区别，具有自己的特点（表 1.1 ） 我国 96 年以来，每年 3 万多项成果， 20% 转化，形成产业得到效益 5% 。原因：直接应用技术 不多，研 究与市场脱节；技术不成熟，实验室到工业生产桥梁未架通。三、化工过程开发与化学工业及国民经济各领域的关系 化学工业发展速度快，产值占 GDP10% 我国 20% 在国民经济处中心地位。表 1.2 几种领域对化学工业产品的依赖关系 启示： 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

6、（催化 剂）、新技术、工艺、设备，满足高温高压、腐蚀，这些都需从实验室研究开 始，化工过程开发 任重道远。第二节 化工过程开发的重要性一、产品和生产工艺的生命周期 任何产品对市场而言，都有生命周期，如同人、哺乳动物出生、生长。衰老、死亡，也有 产生、发展、淘 汰的过程， 如表从经济学领域观点，以销售额或利润与时间做图，关系为： 图 1.1 典型产品的市场生命周期 启示： 市场竞争的加剧，产品生命周期有缩短的趋势。产品需要更新，生产工艺同样。只有坚 持研究、开发，化 学工业才有强大的生命力。以下举例说明开发的重要性。二、实例 合成塑料的开发简史 从第一个塑料产品赛璐珞诞生算起， 塑料工业迄今已有

7、 120 年的历史。 其发展历史可分为三 个阶段：天 然高分子加工阶段、合成树脂阶段、大发展阶段。三、实例 乙二醇生产工艺进展四、实例 合成氨催化剂发展概况五、技术进步周期（图） 启示： 通过这些实例，无论化工产品、还是生产工艺都在不断发展中。 1991 年 Roth 提出了技术 进步周期的概念。认为：一般来讲，技术进步周期经历一个 S 型的发展周期，如图 1,技术通过长期开发， 解决了难点，实现技术突破，取得渐进快速发展，很快在技术经济指标达到极限，进入成熟期， 发展缓慢或停滞 , 完成了 连续性进步周期 。这时技术进步只可能通过 技术的非连续性 转移到一 个全新的、完全不同的知识基础 上取

8、得, 如图 2.启示： 化学工业的百年发展 ,基础化工生产技术已非常成熟 , 未来的发展只有依靠非连续性技 术进步, 实现这种进 步无疑需要开发者雄厚的知识基础和开拓能力。在我国尤其这样 , 技术、 设备依赖进口 ,加工国外的粗产品、半成 品 , 下游产品国外控制 , 返销我国 , 需提搞产品的精 细化率 , 提高科技工作者的素质。第三节 化工过程开发的必要性和艰巨性一、实验室研究与工艺生产的不同点（书 P1, PPT 表） 过程开发往往从实验室开始，其结果只能说明方 案的可行性，不能用于工业生产，因为二者有区别。 如表：二、规模放大的必要性 放大：实验室到工业化、小规模到大规模。研究要考虑许

9、多实验室规模无法考察的问题： 原料来源、储存、运输、循环使用、加热、冷却、产品精制、热量回收、三废处理。放大是研 究的核心。产品到市场，必须在研究达到一定规模后。如电子级钛白粉，纯度 99% 不难达到。其金属杂 质影响元器件的性能，必须以 kg 级向厂家提供“大样”。产品的规模效应三、化工过程开发的艰巨性综合技术 ：涉及化学基本原理、化学工程理论、化工机械设备、自控、材料与腐蚀、技术 经济等领域；包 括选题、实验、放大、设计、试生产各个环节。投入、 风险高 ：成功率 10% ，要求开发者洞察力、 创造力， 实现一个好的设想， 要对科学（化 学、 热力学、动力学） 、技术（工艺、设备） 、经济（

10、投资、成本）的可能性、合理性考核、实 验，由于技术、经 济原因， 80-90% 的项目在不同阶段放弃（必须达到一定的经济指标） 。世界各大公司R和D的投入一般为销售额 5-10% ,如：Du pont20世界30年代花费2700美元，历时 2 年开发尼龙 66，带来上亿利润； 1990 年其销售额 155.7 亿美元，科技投入 14.3 亿，当年利 润 19.7 亿。Dov 化学公司披露： 20 世纪 50 年代其研制新品需 120 万、2年；60 年代 400 万、4年；70 年代 10001150 万, 6-8 年； 90 年代 2 亿, 约 10 年。研究医药的 Merck 公司，新药投

11、放市场需 10 年， 3.95 亿， 70%攵不回投资。 我国需加强。早期投入为销 售额的1%,到95 年, 高新企业占 2.45%. 单靠引进,得不到一流技术。 95 年山东齐鲁引进丙烯腈项目 , 催化剂自主研发 ,有所作为。第四节 化工过程开发的主要步骤一、化工过程开发的三个阶段 无固定模式1. 探索研究 开发源于某种 idea, 其来自科学概念的移植、 文献信息的启示、 实验室的偶然发现 （峰、 反常实验 现象、意外发现都能启发灵感、形成创新概念、方案路线） 。如乙醇脱水制乙烯，在催化剂 AI2O3 上，乙醇要求 95%受70 年代甲醇在 HZSM-5 （憎水 性）生成混合烃的启发，可以

12、实现乙醇脱水。粗略、需完善2. 过程研究：系统的实验室工作3. 过程开发：设计、技术经济评价二、原化工部新技术开发管理条例第五节 化工过程开发涉及的若干基本概念 一、实验室研究、小试、模试、中试1. 实验室研究可以是纯理论、应用基础或开发基础研究 ,与小试有区别 是立项之前为攵集资料、验证文献和设想所作的实验 , 间 歇、欠系统、玻璃仪器。 目的：确定原料路线、探索反应可行性、观察现象、获感性认识及样品。2. 小试小型工业模拟试验（初步技术经济评价、正式立项后的系统工作） 以工程的观点攵集情报资料 ,进行目的明确 ,尽 量结合工业生产实际（金属设备、工业原料、 连续、模拟化工单元操作）的实验任

13、务：a验证开发方案的可行性、完整性。b测定收集物化数据。C产品分析方法。d整理最佳方案，完成概念设计2. 模试 模型试验：对工业生产中的某些重要过程作放大的工业模拟试验。 设备：一般比实验室研究规模大并具 有工业设备的仿真性质。主要内容： 考察化工过程运行的最佳条件；考察设备内传热、传质、物料流动与混合等工程因素对于 化工过程的 影响；观察设备放大后出现的放大效应；寻找产放大效应的原因，测定放大所需的 有关数据或判据等等。 形式：热模、冷模4. 中试中试是 中”间工厂试验 ”的简称，它是在小试或模试之后迸行的半工业化规模的模拟试验。 在化工过程 开发中，是一次较大规模的对开发的技术方案作较全面

14、的试验考察。由于中试规模要比小试大得多它对工业过程的模拟则较接近于真实，故中试结果可作为 基础设计的依锯。 中试考察的内客主要有以下几项：（1）检验小试确定的工艺方案和工艺条件；（2）考察工艺系统连续运转的可靠性；（3）考察设备放大后所产生的放大效应的程度，分析产生的原因，寻找消除的办法；（4）确定检测方法；（5）考察物料对设备材质的腐蚀；（6）考察物料循环产生的微量杂质积累带来的影响；（7）提供一定量的产品供应用考察；（8）考察 “三废 的”生成量、危害程度和治理方法；（9）为估算投资和成本，以及建立生产工作岗位的操作规程提供资料。 二、概念设计、基础设计、工程 设计1. 概念设计定义： 又

15、称预设计、估量设计、设计研究等。根据试验室研究结果，对预定规模的工业生产装置进行假想设计。目的 ：在于对所要开发的工艺的技术成熟程度和经济合理性作出初步评价，确定开发研究的内容重点，并估计开发过程中的风险。内容： 包括设计规模和范围、原材料和成品规格、工艺流程图和简要说明、物料衡算和热量衡键尺寸和材质、主要技术经济指标、投资估算和产品成本估算、理方法以及对试验研究的建议等。设计所需要的数据来源 ：试验室研究报告、文献资料、现有类似产品生产的经验，以及根据热 论或经验式、半经验式的计算结果等。数据的取舍和估计，特别是工艺流程的构成和设备的选型 ：则要取决于概念设计负责人的技术 力。若在概念设计过

16、程中，发现试验室研究结果中有较严重的缺陷或错误时，2. 基础设计算、主要设备的关“三废 ”处力学、动力学等理水平、经验和判断则要进行必要的补充试验。定义： 在最终评价得到肯定结论后，根据中试研究结果和所收集的资料，对工业生产方案 和装置型式所作 的原则性设计。是研究开发工作成果的主要表现形式，也是研究开发单位向用户进行技术转让的主要技术文件，又是设计单位为用户进行工程设计的主要技术依据。基础设计的内容和深度可由研究开发单位与设计单位协商确定，通常有：带控制点流程图、物料流程图、物料衡算和热量衡算、设备一览表和设备简图、投资和成本估算等。3. 工程设计定义： 工程设计即 “施工图设计 ”，它是依

17、据基础设计来编制有关工程实施的技术文件。 内容： 除基础设计 所有内容外，还应增加说明设计程序的设计说明书，详细的定型设备型号、 规咯、零部件及材质的明细表非定型 役备加工制造的图纸和装配图，指导装置安装的详细工艺 流程图带控制点的流程图和管线图，设备的平面布置图 和立面布置图等等。此外，也有详细的 消耗定额、投资和成本慨算， 三废 ”排放量和非排放点说明等文件。要求： 工程设计一般是由工程设计人员来编制的。在进行工程设计时，工程技术入员应对项目 的研究有较深刻的 了解，通常应参加设计项目的中试和基础设计工作，否则容易造成研究与设 计工作脱节。三、技术经济评价初步 ：立项之前的评价，对项目进行

18、取舍。项目的科学性、实用性、可靠性。中间 ：开发过程的评价，如对小试、概念设计、模式、中试、基础设计的评价。侧重技术 方案的科学性、 可靠性，经济的合理性最终 ：工业化评价或项目评估，开发后期进行。目的：抉择投资建设。四、几种关系1. 过程研究和工程研究的关系过程研究 ：过程开发的基础研究之后，对已确立的课题所作的一系列模拟实验研究。 过程设计 ：概念设 计、基础设计、技术经济评价。2、小试和概念设计的关系 把小试和概念设计相互关联，反映了研究人员在实验室研究时，已开始构思项目的技 术方 案、从而可以避免在实验室研究中最容易出现不结合实际的单纯理想状态的考察。在化工过程开发之初，就紧密联系开发

19、目标来考察技术方案的技术可靠性和经济合理性， 既保障了开发项目 的试验研究是为了提供过程开发的技术经济信息这一目的来完成，又较容易 从试验研究中逐渐形成正确的工艺技 术方案。实际上在实验室研究工作完成之后，所作的概念 设计可以看成是对实验室研究工作的总结和鉴定。一份 正确的概念设计对于指导以后的过程 研究和工程研究都是十分有意义的。如果在小试完成之后，不经过概念设计即转人中试，而且只把中试作为测取放大数据的手 段交由别的人员 来完成，这样就往往因小试研究成果未经概念设计的严格检验而容易造成失 误。如果把中试装置的设计建立在概 念设计的基础上，因为概念设计既保证了小试的完整与正 确又避免了中试因

20、小试不足而造成的失败。概念设计的任务一般由试验研究人员来承担，因为只有研究者最了解项目研究的目标和内 容，由他们来作概 念设计，有利于提高概念设计的可靠性和科学性避免了因设计者和研究者之 间不能沟通而造成设计上的失误。3、模型试验与技术经济评价的关系 模型试验是考察在实验研究中因受规模和其他条件限制而不能考察的一些内 容，如考察放 大效应。寻找产生放大效应的原因，测定有关的工艺参数等等。模型试验之后的技术经济评价，是对试验结果的鉴定。通过评价可以了解试验内容是否适当，试验结果是否正确，以及所形成的技术结论是否科学合理等等。把模型试验和技术经济评价关联起来，能及时将评价结果和从评价中发现的问题返

21、回模型试验再进行考察，就可弥补原试验工作的不足。必要时可以调整试验内容，重新拟定试验方 案，甚至改变试验的方法进行试 验.这样可以确保模型试验的效果和试验结果的正确可靠，从 而可避免形成一些不当或错误的技术概念利技木措 施。4、中试和基础设计的关系在化工过程开发中，有时把中试成果当成成熟的工艺技术并据此作工业装置设计，这样的开发程序是有缺陷的。因为中试成果未经检验。如果中试设计不当或不够完整，就会造成工业装置设计出现错误。在实际的化工过程开发中.这样的失误并不少见。为了使中试获得检验，人们把工业装置设计分为基础设计和工程设计两个阶段，并把中试和基础设计联系起来，由研究入员参与这一工作，这样一来

22、就使得中试的任务不仅仅是取得中试结果？更重要的是用基础设计来检验中试结果。如果从基础设计中发现中试提供的数据不全和不准确？则应将发现的问题返回中试，重新进行研究，直到取得满意结果为止。依照这样的 开发程序.不仅保证了中试结果的科学可靠；而且也保证了基础设计的正 确和完整、无疑对提 高以后工程设计的效率和质量，避免造成装置建设时的失误利浪费是非常有益的。比较内容实验室研究工业生产目的打通路线、确疋方案提供产品、获利规模小，克大，吨总体行为不考虑经济强调经济指标原料试剂，含量95%杂质基本状态物料少，设备小，理想大，非理想反应温度及 热效应小，易控，等温大，温度梯度操作方式间歇连续设备条件玻璃，不

23、考虑腐蚀金属，考虑腐蚀物料少考虑回收循环三废不处理处理能源少考虑综合利用1. 化工过程开发的任务是开拓满足国民经济需要的新产品 及对老产品生产工艺及设备的改造。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。2. 通常化工过程开发的实验室研究内容包括基础研究部分和小试。 3. 概念设计又称预设计，是根据实验室研究成果，结合收集的各种技术经济信息，对被开发过程的工业化方案提出的初步设想。4. 技术经济评价在不同的开发阶段有不同的评价方式，具体为初步评价、中间评价和最终评价。5. 模型试验是在模型装置中考察工程因素对化工过程的影响，寻找产生放大效应的原因。6. 工程设计又称为施工图设计，它以基础设计为依据，编制工程实施的技术文件。7. 研究课题的来源有纵向课题、横向课题和自选课题。8. 化工过程开发的核心问题是放大9. 化工过程开发常用的模拟放大方法有经验放大法、数学模型放大法、部分解析法和相似放大法。10. 预试验有认识试验、析因试验和鉴别试验三种形式。11. 多因素多水平的试验设计方法主要有正交设计法、均匀设计法、序贯设计法等。12. 试验数据的处理方法主要有列表法、图解法和数学模型法。13. 化工过程开发所需的资料