高分子工程设计-第2章-工艺流程设计.ppt

第2章 工艺流程设计 工艺流程设计是高分子工程设计中非常重要的环节，它通过工工艺流程设计是高分子工程设计中非常重要的环节，它通过工艺流程图的形式，形象地反映了聚合物合成生产装置由原料进入到艺流程图的形式，形象地反映了聚合物合成生产装置由原料进入到产品输出的整个生产过程产品输出的整个生产过程(物料和能量变化物料和能量变化;物料流向物料流向;产品生产所经产品生产所经历的工艺过程及使用的设备仪表历的工艺过程及使用的设备仪表)。工艺流程设计是整个设计的核心工艺流程设计是整个设计的核心,设备选型、工艺计算、设备设备选型、工艺计算、设备布置等工作都与工艺流程有直接关系布置等工作都与工艺流程有直接关系(只有确定工艺流程后才能展只有确定工艺流程后才能展开其它作，它涉及各个方面，各方面的变化又影响工艺流程设计开其它作，它涉及各个方面，各方面的变化又影响工艺流程设计)。本章主要介绍工艺路线的选择本章主要介绍工艺路线的选择、工艺流程设计工艺流程设计、工艺参数的选工艺参数的选择择、典型设备的自控流程和工艺流程图绘制五个内容。典型设备的自控流程和工艺流程图绘制五个内容。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 2.1 工艺路线的选择工艺路线的选择2.1.1 高分子合成工艺路线高分子合成工艺路线 工艺路线也就是生产方法（工艺路线也就是生产方法（production technique）,是指使用是指使用何何种原料、根据何种原理、选择何种实施方法、通过何种操作过程实种原料、根据何种原理、选择何种实施方法、通过何种操作过程实现从原料变为产品的方法现从原料变为产品的方法(引进国外技术新建工厂引进国外技术新建工厂;大型生产装置的大型生产装置的扩建扩建;选用国内开发成功的技术建厂选用国内开发成功的技术建厂;国内成熟工艺技术的扩建、搬国内成熟工艺技术的扩建、搬迁或改变生产技术路线迁或改变生产技术路线),无论是何种类型均具有多样性。无论是何种类型均具有多样性。第2章 工艺流程设计原料不同原料不同 例如例如:生产尼龙生产尼龙6可用己内酰胺可用己内酰胺 ()开环聚合或开环聚合或-氨氨基己酸基己酸(NH2(CH2)5COOH)缩聚；缩聚；PET可先用对苯二甲酸二甲酯可先用对苯二甲酸二甲酯（DMT）和乙二醇）和乙二醇(EG)酯交换反应或对苯二甲酸（酯交换反应或对苯二甲酸（PTA）和）和EG直直接酯化得对苯二甲酸乙二醇酯（接酯化得对苯二甲酸乙二醇酯（BHET）,然后进行缩聚。然后进行缩聚。聚合机理不同聚合机理不同 聚合反应分为连锁聚合和逐步聚合，表聚合反应分为连锁聚合和逐步聚合，表2-1为这两种反应机理的为这两种反应机理的比较。比较。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 表表2-1 两种聚合机理的比较两种聚合机理的比较 有时有时,同一单体同一单体可由不同聚合机理可由不同聚合机理进行聚合进行聚合,如己内酰如己内酰胺以碱作催化剂时胺以碱作催化剂时属阴离子开环聚合属阴离子开环聚合,用水或酸作催化剂用水或酸作催化剂时属逐步聚合。时属逐步聚合。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 实施方法不同实施方法不同 同一个反应体系可采用不同的工业实施方法。常见的聚合工同一个反应体系可采用不同的工业实施方法。常见的聚合工业实施方法比较见表业实施方法比较见表2-2。表表2-2 常见聚合工业实施方法常见聚合工业实施方法高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计操作过程不同操作过程不同 同一个反应体系可采用不同的操作过程。常见的操作过程比同一个反应体系可采用不同的操作过程。常见的操作过程比较见表较见表2-3。表表2-3 常见的操作过程常见的操作过程 选择生产方法选择生产方法是决定设计质量的是决定设计质量的关键一步，如果产关键一步，如果产品只有一种生产方品只有一种生产方法，无须选择；如法，无须选择；如果产品有几种生产果产品有几种生产方法，就需逐个进方法，就需逐个进行分析研究、比较、行分析研究、比较、筛选，作为工艺流筛选，作为工艺流程设计的依据。程设计的依据。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 工业生产过程控制目标参数有产品的性能、质量、生产的安全性、工业生产过程控制目标参数有产品的性能、质量、生产的安全性、可靠性、经济效益等可靠性、经济效益等,这些目标参数通常也是比较、选择、确定高分这些目标参数通常也是比较、选择、确定高分子合成工艺路线的依据或原则。子合成工艺路线的依据或原则。2.1.2 高分子合成工艺路线选择原则高分子合成工艺路线选择原则满足产品的性能指标要求满足产品的性能指标要求 不同的聚合工艺路线生产出的产品质不同的聚合工艺路线生产出的产品质量不同量不同,产品性能也有很大的差异。选择产品性能也有很大的差异。选择工艺路线时工艺路线时,必须首先考虑该工艺路线生必须首先考虑该工艺路线生产出的产品性能能否满足设计任务书中产产出的产品性能能否满足设计任务书中产品质量要求。品质量要求。例如例如:1.在工业生产中在工业生产中,要得到高要得到高粘度粘度PET,为什么用为什么用PTA而而不用不用DMT为原料制备为原料制备?2.LDPE和和HDPE分子链结分子链结构、性能和用途有什么构、性能和用途有什么不同不同?3.对于自由基聚合而言对于自由基聚合而言,四四种常见实施方法生产的聚种常见实施方法生产的聚合物性能有什么区别合物性能有什么区别,生生产工艺有什么不同产工艺有什么不同?高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 生产上的可靠性生产上的可靠性 指所选择的工艺路线是否成熟可靠指所选择的工艺路线是否成熟可靠,投料生产后达到预期目标的投料生产后达到预期目标的把握程度有多大。把握程度有多大。技术上的先进性技术上的先进性 应充分利用先进技术、工艺、设备应充分利用先进技术、工艺、设备,提高整套生产装置的技术水提高整套生产装置的技术水平和经济效益。平和经济效益。经济上的合理性经济上的合理性 选定适当的经济指标选定适当的经济指标(如投资建设费、生产操作费、投资能力、如投资建设费、生产操作费、投资能力、投资回收期、市场需求等投资回收期、市场需求等)进行综合比较以求最低成本和最大经济效进行综合比较以求最低成本和最大经济效益。益。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 生产装置大型化生产装置大型化 生产规模越大生产规模越大,投资费用占产品成本比例越低投资费用占产品成本比例越低,而且大规模连续化而且大规模连续化工业生产装置还具有占地面积少、布局紧凑、节约能源、劳动生产率工业生产装置还具有占地面积少、布局紧凑、节约能源、劳动生产率高、操作过程及产品质量稳定、便于计算机系统控制和管理等优点。高、操作过程及产品质量稳定、便于计算机系统控制和管理等优点。清洁生产、注重可持续发展清洁生产、注重可持续发展 工业生产中工业生产中,”清洁生产清洁生产”技术关键是从生产的源头控制污染物的产技术关键是从生产的源头控制污染物的产生并全程控制污染。生并全程控制污染。(减少污染来源减少污染来源;再循环利用再循环利用;后处理后处理;排放排放)符合国情符合国情 消费水平及消费趋势消费水平及消费趋势;化工机械设备及电器仪表的制造能力化工机械设备及电器仪表的制造能力;化工化工原料及设备用金属材料的供应情况原料及设备用金属材料的供应情况;环境保护的有关规定和化工生产环境保护的有关规定和化工生产中三废排放情况中三废排放情况;劳动就业与化工生产自动化水平的关系劳动就业与化工生产自动化水平的关系;资金筹措和资金筹措和外汇储备情况。外汇储备情况。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计2.1.3 高分子合成工艺路线选择主要步骤高分子合成工艺路线选择主要步骤收集资料、调查研究收集资料、调查研究 根据建设项目的产品方案及生根据建设项目的产品方案及生产规模，全面搜集国内外同类型产规模，全面搜集国内外同类型生产厂的有关资料，包括技术路生产厂的有关资料，包括技术路线及特点、工艺参数、原材料和线及特点、工艺参数、原材料和公用工程单耗、产品质量、三废公用工程单耗、产品质量、三废治理以及各种技术路线的发展情治理以及各种技术路线的发展情况与动向等。况与动向等。具体而言具体而言:国内外生产情况，各种生国内外生产情况，各种生产方法及工艺流程产方法及工艺流程;原料来源原料来源及产品应用情况及产品应用情况;试验研究报试验研究报告告;安全技术及劳动保护措施安全技术及劳动保护措施;综合利用及三废处理综合利用及三废处理;生产技生产技术是否先进，生产连续化、自术是否先进，生产连续化、自动化程度动化程度;设备的大型化及制设备的大型化及制造、运输情况造、运输情况;基本建设投资、基本建设投资、产品成本、占地面积产品成本、占地面积;水、电、水、电、气、燃料的用量及供应，主要气、燃料的用量及供应，主要基建材料的用量及供应基建材料的用量及供应;厂址、厂址、地质、水文、气象等资料地质、水文、气象等资料;车车间（装置）环境与周围的情况间（装置）环境与周围的情况高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计分析与比较分析与比较 全面分析对比的内容很多，主要有：全面分析对比的内容很多，主要有：几种技术路线在国内外几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；采用的情况及发展趋势；产品的质量情况；产品的质量情况；生产能力及产品规生产能力及产品规格；格；原材料、能量消耗情况；原材料、能量消耗情况；建设费用及产品成本；建设费用及产品成本；三废三废的产生及治理情况；的产生及治理情况；其他特殊情况。其他特殊情况。得出不同工艺路线各项经济技术指标的比较结果得出不同工艺路线各项经济技术指标的比较结果,掌握不同工艺掌握不同工艺路线的特点路线的特点。筛选与确定筛选与确定 将不同工艺路线的对比分析结果与本项目设计任务书相结合将不同工艺路线的对比分析结果与本项目设计任务书相结合,根根据建厂实际条件提出一个或几个工艺路线方案据建厂实际条件提出一个或几个工艺路线方案,然后汇集相关专业专然后汇集相关专业专家及上级领导进行综合论证与评定家及上级领导进行综合论证与评定,确定最终工艺路线。确定最终工艺路线。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计2.2 工艺流程设计工艺流程设计 工艺流程是指在整个生产过程中各种物料在各个工序及各个设备工艺流程是指在整个生产过程中各种物料在各个工序及各个设备之间的流动过程及变化情况之间的流动过程及变化情况,或是指整个生产过程中各个工序和各个或是指整个生产过程中各个工序和各个设备的任务以及它们之间的相互联系。设备的任务以及它们之间的相互联系。工艺流程设计是继工艺路线选定之后工艺流程设计是继工艺路线选定之后,同车间布置设计决定整个同车间布置设计决定整个车间（装置）基本面貌的关键步骤，对设备设计和管路设计等单项车间（装置）基本面貌的关键步骤，对设备设计和管路设计等单项设计也起着决定性作用设计也起着决定性作用,是将所选定工艺路线具体化的过程是将所选定工艺路线具体化的过程,是整个是整个设计工作的核心设计工作的核心,最终均以工艺流程图形式体现。最终均以工艺流程图形式体现。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计2.2.1 工艺流程设计的主要原则工艺流程设计的主要原则实现设计任务的基本要求实现设计任务的基本要求实现工艺路线的基本要求实现工艺路线的基本要求资源的合理利用资源的合理利用 满足开、停车的需要满足开、停车的需要 满足安全生产及处理意外事故的需要满足安全生产及处理意外事故的需要 满足满足”三废三废”处理的需要处理的需要 适当留有发展余地适当留有发展余地高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计2.2.2 工艺流程设计的主要任务及步骤工艺流程设计的主要任务及步骤 确定流程各生产过程的具确定流程各生产过程的具体内容、顺序和组合方式体内容、顺序和组合方式 绘制工艺流程图绘制工艺流程图主要任务主要任务主要步骤主要步骤 选定主工艺流程选定主工艺流程,画出工艺流程方案图画出工艺流程方案图 选择工艺参数选择工艺参数以图解形式表示生产过程以图解形式表示生产过程(包括物料经过各包括物料经过各个单元操作过程流向及物料和能量变化情个单元操作过程流向及物料和能量变化情况，所涉及的化工过程和设备及其化况，所涉及的化工过程和设备及其化工管道流程和计量控制流程工管道流程和计量控制流程)高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 确定控制方案确定控制方案 画出工艺流程草图画出工艺流程草图 配合物料衡算配合物料衡算,画出物料流程图画出物料流程图(PFD)进行其它项目的设计进行其它项目的设计(化工计算、设备机械设计、车间布置设计化工计算、设备机械设计、车间布置设计和管道设计等和管道设计等)画出工艺管道及仪表流程图画出工艺管道及仪表流程图(PID)“三废三废”处理及其它辅助设计工艺流程的设计处理及其它辅助设计工艺流程的设计高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计2.2.3 主工艺流程的确定主工艺流程的确定 主工艺流程特指由原料变为产品这股物流和与之直接相关的物流主工艺流程特指由原料变为产品这股物流和与之直接相关的物流在整个生产装置中流动过程及变化情况在整个生产装置中流动过程及变化情况 确定整个生产装置由几条生产线组成确定整个生产装置由几条生产线组成 确定整个过程由哪些工序组成确定整个过程由哪些工序组成确定主工艺流程的主要内容确定主工艺流程的主要内容 确定各个工序由哪些设备组成确定各个工序由哪些设备组成 确定各生产线、各工序间的交叉点确定各生产线、各工序间的交叉点 确定各设备的操作条件确定各设备的操作条件 确定控制方案确定控制方案 对对”三废三废”处理过程及其它辅助过程提出工艺设计要求处理过程及其它辅助过程提出工艺设计要求高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 首先根据反应过程的特点、产品性能要求、物料特性、选定的首先根据反应过程的特点、产品性能要求、物料特性、选定的基本工艺条件来选定反应器的型式和数量基本工艺条件来选定反应器的型式和数量,确定反应器之间的连接方确定反应器之间的连接方式式,然后以反应器为中心提出向外展开设计的条件和要求。然后以反应器为中心提出向外展开设计的条件和要求。原料的预处理过程原料的预处理过程 实际生产中实际生产中,一般根据需要采取预热（冷）、汽化、干燥、粉碎一般根据需要采取预热（冷）、汽化、干燥、粉碎筛分、提纯精制、混合、配制、压缩等化工单元操作对原料进行预筛分、提纯精制、混合、配制、压缩等化工单元操作对原料进行预处理。通常处理。通常,原料预处理的化工操作过程是根据原料性质、处理方原料预处理的化工操作过程是根据原料性质、处理方法而选取不同的装置及不同的输送方式，从而可能设计出不同的流法而选取不同的装置及不同的输送方式，从而可能设计出不同的流程。程。以反应过程为中心以反应过程为中心确定主工艺流程的工作方法确定主工艺流程的工作方法高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 产物后处理过程产物后处理过程 根据从反应工序流出物料的组成和性质以及设计任务对产品性根据从反应工序流出物料的组成和性质以及设计任务对产品性能质量指标要求能质量指标要求,对产物进行副产物处理对产物进行副产物处理、未反应物分离与回收未反应物分离与回收、溶溶剂或分散介质分离与回收以及产物聚集态处理等剂或分散介质分离与回收以及产物聚集态处理等,对应用于产物净化、对应用于产物净化、分离设备类型、连接方式及操作仍然是整个工艺流程设计关键分离设备类型、连接方式及操作仍然是整个工艺流程设计关键 产品后处理过程产品后处理过程 聚合反应后的最终产品在出厂前一般必须经过检验、聚合反应后的最终产品在出厂前一般必须经过检验、计量、计量、包装、储存、包装、储存、运输等过程运输等过程,这些过程一般比较简单或有成套定型设这些过程一般比较简单或有成套定型设备可供参考选择备可供参考选择,一般不是本设计的重点。一般不是本设计的重点。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 工艺流程设计是一个由核心到一般、由局部到整体的设计过程。工艺流程设计是一个由核心到一般、由局部到整体的设计过程。在工艺流程设计过程中在工艺流程设计过程中,还应以满足生产任务、能源综合利用、环还应以满足生产任务、能源综合利用、环保要求及经济效益为目标函数保要求及经济效益为目标函数,对整个工艺流程设计进行全面地、对整个工艺流程设计进行全面地、系统地优化组合与设计。系统地优化组合与设计。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计工艺配方工艺配方 引发剂或催化剂与单体的比例引发剂或催化剂与单体的比例、共聚时各单体的投料比例、溶、共聚时各单体的投料比例、溶液聚合时单体的浓度、悬浮或乳液聚合时分散介质与单体的比例、液聚合时单体的浓度、悬浮或乳液聚合时分散介质与单体的比例、分散稳定剂或乳化剂与单体的比例等分散稳定剂或乳化剂与单体的比例等。2.3 工艺参数的选择工艺参数的选择2.3.1 工艺参数工艺参数 工艺参数是指工艺参数是指物料状态物料状态及及物料变化程度物料变化程度的参数。的参数。控制物料进入设备的状态及在设备中的变化程度控制物料进入设备的状态及在设备中的变化程度,既是生产装置既是生产装置能否正常运转的关键能否正常运转的关键,也是生产装置设计的依据。也是生产装置设计的依据。配比、组成、浓度、配比、组成、浓度、温度、压力、转化温度、压力、转化率和体积等率和体积等化学反应、温度变化、相态化学反应、温度变化、相态变化、浓度组成变化、质量变化、浓度组成变化、质量变化、流量变化、动能变化、变化、流量变化、动能变化、位能变化和静压能变化等。位能变化和静压能变化等。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计反应控制条件反应控制条件反应终点产品指标反应终点产品指标加料方式、操作过程等加料方式、操作过程等 反应过程工艺参数的确定依据反应过程工艺参数的确定依据2.3.2 反应过程工艺参数的确定反应过程工艺参数的确定反应温度及变化、反应压力及变化、反应反应温度及变化、反应压力及变化、反应时间或停留时间、物料流量等。时间或停留时间、物料流量等。单体转化率、单体转化率、相对分子量及其分布、相对分子量及其分布、共聚组成及分布、共聚组成及分布、颗粒大小及其分颗粒大小及其分布等。布等。基础物性数据基础物性数据 物料衡算结果物料衡算结果 基础动力学模型基础动力学模型(微观动力学模型微观动力学模型)混合、流动模型、传质、传热模型混合、流动模型、传质、传热模型 反应器操作方程反应器操作方程高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 反应过程工艺参数的选择原则反应过程工艺参数的选择原则 预期的产品质量指标预期的产品质量指标 预期的产量预期的产量 经济效益经济效益 生产过程的安全性、稳定性、生产过程是否容易操作、容易控制生产过程的安全性、稳定性、生产过程是否容易操作、容易控制 假设反应在小试装置中的变化规律与大规模工业化规律相似假设反应在小试装置中的变化规律与大规模工业化规律相似,可在小试装置上模拟工业装置进行小试实验可在小试装置上模拟工业装置进行小试实验,研究反应规律研究反应规律,确定确定反应工艺参数反应工艺参数,然后将该工艺过程在工业装置上实施然后将该工艺过程在工业装置上实施。反应过程工艺参数的确定方法反应过程工艺参数的确定方法 相似模拟法相似模拟法高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 逐级经验放大法逐级经验放大法 小试结果通常不能完全模拟大规模工业生产的实际情况小试结果通常不能完全模拟大规模工业生产的实际情况,为了将为了将小试科研成果开发设计成工业生产装置小试科研成果开发设计成工业生产装置,一般是建设一系列中间规一般是建设一系列中间规模的实验装置模的实验装置(中试装置中试装置),将小试结果逐级放大到中试装置上进行实将小试结果逐级放大到中试装置上进行实验验,研究生产规模变化对反应过程的影响以确定实际工业生产的工研究生产规模变化对反应过程的影响以确定实际工业生产的工艺参数。艺参数。首先建立一个能够反映实际生产过程的综合数学模型首先建立一个能够反映实际生产过程的综合数学模型,然后通过然后通过计算机上求解该数学模型计算机上求解该数学模型,模拟实际生产过程模拟实际生产过程,如图如图2-1所示。所示。数学模拟法数学模拟法高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计图图2-1 数学模拟过程数学模拟过程 计算机模拟理论研究放大设计生产控制反应机理热模数据冷模数据微观动力学模型反应器传递模型流动、传递理论综合数学模型高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计a)将反应器中发生的变化分解为化学反应过程与物理过程将反应器中发生的变化分解为化学反应过程与物理过程;b)模仿工业装置的反应过程模仿工业装置的反应过程,建立小试装置建立小试装置(热模实验装置热模实验装置),研究化研究化学反应规律学反应规律,建立微观反应动力学模型建立微观反应动力学模型,根据热模实验数据确定微观根据热模实验数据确定微观反应动力学模型中的参数反应动力学模型中的参数;c)模仿工业装置的流动及传递过程模仿工业装置的流动及传递过程,建立冷模实验装置建立冷模实验装置,在没有化学在没有化学反应的条件下研究反应器中物料的流动、混合、传热、传质规律反应的条件下研究反应器中物料的流动、混合、传热、传质规律,建立传递模型建立传递模型,通过冷模实验数据确定传递模型中的参数通过冷模实验数据确定传递模型中的参数;d)通过物料及能量衡算将传递模型与反应动力学模型结合起来通过物料及能量衡算将传递模型与反应动力学模型结合起来,同同反应器操作方程建立数学模型反应器操作方程建立数学模型;通过计算机上求解该数学模型通过计算机上求解该数学模型,模拟实际生产过程模拟实际生产过程,确定最佳工艺确定最佳工艺参数。参数。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 综合数学模型用于大规模工业装置设计之前要经过一步或几步综合数学模型用于大规模工业装置设计之前要经过一步或几步中试规模实验中试规模实验,检验综合数学模型的可靠性，并进一步修正综合数检验综合数学模型的可靠性，并进一步修正综合数学模型学模型,从而确保工程设计的可靠性从而确保工程设计的可靠性。确定工艺参数的关键是所建。确定工艺参数的关键是所建立的数学模型能否很好地、全面地反映生产过程的本质立的数学模型能否很好地、全面地反映生产过程的本质。改进数学模拟法改进数学模拟法高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计2.4 典型设备的控制方案典型设备的控制方案 聚合反应生产过程中聚合反应生产过程中,除了使用一些典型设备如泵、换热器、除了使用一些典型设备如泵、换热器、蒸蒸馏塔、干燥设备等外馏塔、干燥设备等外,还有一个核心设备为反应器。这些设备的还有一个核心设备为反应器。这些设备的控制方案是实现预定工艺过程及工艺参数的重要保证控制方案是实现预定工艺过程及工艺参数的重要保证,特别是反应特别是反应器的控制方案会随反应体系特性和操作条件不同而不同。器的控制方案会随反应体系特性和操作条件不同而不同。2.4.1 泵的控制泵的控制 离心泵 当流体输送设备是离心泵时当流体输送设备是离心泵时,管路中的流体流量通常采用直接流管路中的流体流量通常采用直接流量调节和旁路流量调节两种调节方式量调节和旁路流量调节两种调节方式,此外还有分支流动控制方案此外还有分支流动控制方案,如图如图2-2所示所示。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计图2-2 离心泵流量调节(a)直接流量调节 (b)旁路流量调节 (c)泵的分支流动控制方案高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计容积式泵（容积式泵（往复泵往复泵、齿轮泵齿轮泵、螺杆泵螺杆泵和和旋涡泵旋涡泵等）等）当流量减小时当流量减小时,容积式泵的压力急剧上升，通常采用旁路调节容积式泵的压力急剧上升，通常采用旁路调节或改变转速、改变冲程大小来调节流程或改变转速、改变冲程大小来调节流程,而不能采用直接流量调而不能采用直接流量调节，如图节，如图2-3所示。所示。真空泵真空泵 真空泵可采真空泵可采用吸入支路调用吸入支路调节和吸入管阻力节和吸入管阻力调节的方案调节的方案,见见图图2-4。图2-3 旁路调节图2-4 真空泵流量调节(a)真空管吸入支路调节(b)真空管吸入管阻力调节高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计2.4.2 换热器换热器的控制（的控制（动画动画）列管式换热器化工生产中应用最广泛的传热设备列管式换热器化工生产中应用最广泛的传热设备,其主要控制参其主要控制参数是物料出口温度数是物料出口温度,一般采用载热体流量的调节来控制一般采用载热体流量的调节来控制,此外还可调节此外还可调节传热面积传热面积(仅适用于蒸汽冷凝换热器仅适用于蒸汽冷凝换热器)和分流调节来控制和分流调节来控制,如图如图2-5所示。所示。图2-5 换热器控制方案(a)换热介质流量调节方案(b)传热面积调节方案(c)分流调节方案高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计2.4.3 反应器的控制反应器的控制 反应温度的控制反应温度的控制 反应温度的控制主要是通过与外界进行热量交换来实现的反应温度的控制主要是通过与外界进行热量交换来实现的,不不同的聚合反应器中同的聚合反应器中,聚合反应机理不同、操作方式不同、聚合反应机理不同、操作方式不同、温度控制温度控制要求不同、要求不同、传热介质、传热介质、传热方向及控制特点不同传热方向及控制特点不同。常见的传热方式及传热介质常见的传热方式及传热介质 电加热电加热 安全、安全、无污染、无污染、控制过程简单控制过程简单,但费用较高但费用较高。冷却及加热介质冷却及加热介质 表表2-4和和2-5分别为常见冷却介质及使用温度范围和常见加热介分别为常见冷却介质及使用温度范围和常见加热介质及使用温度范围质及使用温度范围。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计表2-4 常见冷却介质及使用温度围表2-5 常见加热介质及使用温度范围高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 典型反应温度控制方案典型反应温度控制方案 电加热控制电加热控制 通过调节加热电压改变加热功率来控制反应温度通过调节加热电压改变加热功率来控制反应温度,一般用于实一般用于实验室装置或小规模工业装置验室装置或小规模工业装置。一次循环控制一次循环控制 通过调节传热介质的流量来控制反应器内通过调节传热介质的流量来控制反应器内的温度的温度,这种控制方式比较简单灵活这种控制方式比较简单灵活 适用于反适用于反应器连续操作时的温度控制应器连续操作时的温度控制,如图如图2-6所示所示。传热介质可以为液相传热介质可以为液相(流动方向一般为下进流动方向一般为下进上出上出)也可为气相也可为气相(流动方向一般为上进下出流动方向一般为上进下出)。图2-6 一次循环控制高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 二次循环控制二次循环控制 通过调节一次循环通过调节一次循环(大循环大循环)传热介质的流量来改变二次循环传热介质的流量来改变二次循环(小循环小循环)中传热介质的温度中传热介质的温度,从而控制反应器内温度从而控制反应器内温度,如图如图2-7所示所示。图2-7 二次循环控制高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 反应液外循环控制反应液外循环控制 将反应器中的物料导出将反应器中的物料导出,在外置换在外置换热热交换后再送回反应器中热热交换后再送回反应器中,如图如图2-8所示所示。这种控制方式加热、撤热迅速、这种控制方式加热、撤热迅速、物料温度改变较快物料温度改变较快,由于在换热器中物由于在换热器中物料温度变化料温度变化510且无搅拌且无搅拌,因此此因此此控制方式不适宜对温度控制严格的反控制方式不适宜对温度控制严格的反应体系和高粘流体、应体系和高粘流体、悬浮聚合及乳液悬浮聚合及乳液聚合聚合。图2-8 反应液外循环控制高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 汽化冷凝控制汽化冷凝控制 单体、单体、溶剂、溶剂、分散介质等小分子化分散介质等小分子化合物汽化后从反应器上部进入一个冷凝合物汽化后从反应器上部进入一个冷凝器器,在冷凝器中冷凝后又回到反应器中在冷凝器中冷凝后又回到反应器中,如图如图2-9所示所示。这种控制方式是靠小分子化合物汽这种控制方式是靠小分子化合物汽化带走大量的热化带走大量的热,撤热迅速适合连锁聚撤热迅速适合连锁聚合反应合反应。图2-9 汽化冷凝控制高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 分程控制分程控制 当一个控制点的参当一个控制点的参数变化范围比较大时数变化范围比较大时,不不同范围需用不同的方法同范围需用不同的方法调节调节,通常根据控制器输通常根据控制器输出值的范围分别控制两出值的范围分别控制两个或两个以上的调节阀个或两个以上的调节阀,这种控制方式常用于间这种控制方式常用于间歇操作过程歇操作过程,图图2-10为氯为氯乙烯悬浮聚合间歇操作乙烯悬浮聚合间歇操作温度控制方案示意图温度控制方案示意图。图2-10氯乙烯悬浮聚合间歇操作温度控制方案示意图高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 反应压力的控制反应压力的控制 聚合反应器中的压力控制随着反应体系性质的变化差别很大聚合反应器中的压力控制随着反应体系性质的变化差别很大,对应的压力控制方案也不同。对应的压力控制方案也不同。正压控制正压控制 通过调节上升气体的流量来控制通过调节上升气体的流量来控制,适合于一般的溶液聚合、悬适合于一般的溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合浮聚合和乳液聚合,如图如图2-11(a)所示。所示。负压控制负压控制 通过调节真空泵抽气量控制反应器内真空度通过调节真空泵抽气量控制反应器内真空度,如图如图2-11(b)所示所示 通过关闭缓冲罐上放空阀门控制反应器压力通过关闭缓冲罐上放空阀门控制反应器压力,如图如图2-11(c)所示所示 图图2-11(d)为间歇缩聚时反应器压力控制方案。为间歇缩聚时反应器压力控制方案。高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计图2-11 常见聚合反应压力控制方案示意图高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 第2章 工艺流程设计 反应器液位的控制反应器液位的控制 反应器间歇操作时反应器间歇操作时,反应器中的液位是通过每批加料量来决定的