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化化 工工 设设 计计王王 召召第四章第四章 流程组织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：硫氰酸红霉素例如：硫氰酸红霉素 红霉红霉素产品生产过程的流程草图如下：素产品生产过程的流程草图如下：溶解脱色罐溶解脱色罐过滤器过滤器过滤器过滤器过滤器过滤器反应器反应器结晶器结晶器洗涤转晶罐洗涤转晶罐原料预处理阶段：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：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：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：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。给出合适数量的合适数量的已知流股变量、单元变量、设计约束式等流程组织是化工工艺流程组织是化工工艺设计的设计的“龙头龙头”。MB和HB是化工工艺设计的计算核心；化工工艺设计是化工厂设计的核心；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：问题：流程组织得好不好，怎么来判断？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？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可操作性，尽量增大流程（尤其是关键设备）的操作弹性操作弹性；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，减少流节省流程的固定投资，减少流程的操作费用程的操作费用；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反应途径的合成与挑选是流程组织的核心组织的核心。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。（流程的核心流程的核心是是“反应反应”）过程开发实验，往往以反应途径的开发或挑选为起始点。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：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：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、原料现状、反应对原料的要求、反应后产物的分离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分离单元操作离单元操作，甚至化学手段化学手段，来进行原料预处理。二、反应途径的合成与挑选二、反应途径的合成与挑选反应途径反应途径：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。挑选反应途径挑选反应途径：从A C，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。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？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。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。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例如：一氯癸烷（一氯代十烷）工业生产的反应途径挑选问题。选问题。C10H21Cl有以下三种反应途径可供挑选：1、C10H22Cl2 C10H21Cl HCl伴随副反应：C10H21Cl Cl2 C10H20Cl2 HCl2、C10H20 HCl C10H21Cl 3、C10H21OH HCl C10H21Cl H2O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）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、流程中循环流股回流的专用地址一、流程中循环流股回流的专用地址原料准备反应器1反应器2分离1分离2回收的反应物或溶剂回流到什么地方？有数个循环流回流的专用地址可供选择。有数个循环流回流的专用地址可供选择。二、杂质或副产物排出流程的专用地址二、杂质或副产物排出流程的专用地址原料准备反应器1反应器2分离1分离2杂质或副产物从什么地方排出？分离杂质或副产物有数个排出流程杂质或副产物有数个排出流程的专用地址可供选择。的专用地址可供选择。课下作业：课下作业：P179，习题，习题4.14.4。请同学们提前完成作业，在习题课上进行讨论！请同学们提前完成作业，在习题课上进行讨论！