参 论 (1)比较各种可能的反应器或分离提纯方法的效果（转化率，选择性、纯度等）： (2)在不同条件下试验，初步优选工艺条件： (3)运用经验放大法时，应比较不同尺寸的反应器和不同物料处理址对过程结果的影响 规律即“放大效应”和消除放大效应的判据； (4)用数学模型放大时，应从上述试验现象中找出识别模型的特征规律。 另外，有时人们把开发基础研究中的试验也称为小试。 小试通常使用实际生产中拟用的粗原料，必要时，还应对比不同原料的效果。 2.模型试验 为建立过程的理论模型，在实物模型设备中进行的试验称为模型试验，一般是对单一过程 甚至只对过程的某一特征进行模拟。采用实际物料在实际工艺条件下进行试验，称为“热模试 验”，其试验内容类似于小试中的第(3)条，当规模不大时常被并入小试。用数学模型放大反应 过程时，常采用与实际物料物理性质相近的惰性物料进行试验，可单独考察反应器内的物理规 律，称为“冷模试验”，其目的是验证和修正数学模型。“大型冷模试验“有时可以取代中间试 验。 3.中间工厂试验 中间工厂试验简称“中试”，它是用小于工业规模的半工业化装置，对化工过程所做的一种 较全面的试验考察。其考察的内容应包括 (1)检验工艺流程以及工艺系统连续运转的可靠性； (2)确定最优工艺操作条件（温度、压力、浓度、流量等） (3)进一步考察放大效应，测试和寻求放大判据； (4)用数学模型放大时，检验和修正数学模型，测取过程参数（棋型参数、物性数据等） (5)考察其他工程因素（设备材质和腐蚀作用、工艺过程中杂质积累等）对过程及产品的 影响 (6)生产一定的产品供进一步开发使用： (7)考察工艺过程中产生“三废”的情况，寻找治理方法。 中试比较接近实际生产，许多小试中不易观察到的工程因素表现得比较充分，但中试耗资 巨大，必须在充分论证之后系统地有计划地实施。在中试装置的设计建设前应确定中试规模、 中试流程和测量控制方法问题。中试放大倍数取决于对过程规律掌握的程度，有时放大10倍 都困难，需要进行多次中试，但采用数学模型放大，有报导丙烯二聚一次放大17000①倍。中试 可以是部分流程的，很多单元操作，人们已充分掌握其过程规律，可以不做中试。除非特殊需 要，一般应避免全流程中试。 (三)概念设计的内容和方法 概念设计又称为“方案设计”，是根据开发初期获得的技术经济信息对预定生产规模的装 置提出的设计方案。其目的是估计开发项目实施后的技术经济效果：确定进一步开发的方案 试验内容和重点。概念设计的重点在于合理安排流程，而不是完整精确的计算，即使如此，它 对于方案的评选仍有较高的价值。 概念设计的内容主要包括：方案概述、工艺过程的优化、物料衡算和能量衡算、主要工艺条 ①陈甘，梁玉衡：（化学反应技术基础》，P.5,北京：科学出版社(1981
0,3化工过程开发 件、工艺流程图和主要设备规格表等。有时还可以有“三废”治理初步方案，主要技术经济指 标，技术经济资料以及对进一步试验的建议等。 1.方案概述 概念设计目前尚不存在一个万能的方法，一般是先将技术方案分解成若干个因素，单独研 究每-个问题，最后进行过程合成(process synthesis)即综合的过程。在所有技术因素中，原料 路线和反应、分离加工的方法是技术方案首先要考虑的问题。因此方案概述中在确定生产规 模、产品规格、质址的前提下，主要就是优选原料路线和原则流程。选择原料路线时要考虑到 原料来源稳定、价格低、储运方便、反应步骤少等原则。如聚氯乙烯单体氯乙烯可以由电石乙 炔加氯化氢，也可以由乙烯氧氯化法生产。电石乙炔法反应步骤少且后处理方便，但耗电多： 氧氯化法可以利用石油化工系统中生产的大量的乙烯和副产品氯化氢，但反应步骤多，产物分 离提纯麻烦。在电力和煤资源丰富的地区可以用电石乙炔法，而在石化工业发达的地区则多 采用乙烯氧想化法。原则流程的洗择则应考虑反应条件不太苛刻、分离方法简便日能耗小，以 及资源充分利用等。苯氯代生产氯苯时，副产物多，有二氯苯、三氯苯和未反应的苯，且产率约 50%。但反应温度只需55一70℃，通过精馏又可以很好的分离产物，苯还可循环利用，因此该 方案仍然是可行的。以上的工作主要是靠经验和资料分析筛选，当经验不能确定时，可以将几 个选择方案列出，待优化工艺时进一步选择。一般应确定一个原料路线，其中某些单元过程可 有少数几种选择，以减少优化时的工作量。 2.工艺过程的优化 化工生产过程应该在一个最佳的状态下运行，这样才能使产业的效益最佳。最佳可以是 速度快、产量高、质量好、消耗低、费用少，这些称为优化目标。它们一般是影响过程的各种因 素一需要在设计中决定的变量的函数，因此称为目标函数，而这些变量称为决策变量，包括 结构变量（设备的型式、尺寸）和操作变量（操作方式和操作条件）。当然，优化最终是以经济效 益为目标，而其他技术经济指标如安全、污染程度等一般可当作约束条件。 工艺过程的最优化或称优化(optimization)的一般步骤如下： (1)确定优化目标。各种目标有时是矛盾的，因此最终应以整个系统的经济效益为目标； 2)分解优化目标并找出与决策变量的关系，写出目标函数和约束条件： (3)运用数学方法给出目标函数的最优解。简单函数的最优化可以采用求极值的方法， 对于复杂的目标函数有专门的最优化数学方法，可以参考有关书籍。 另外，由于过程的复杂性，有时人们对过程的机理不很清楚，也可以通过试验确定一些操 作变量的最优值（参见本节） 由于开发过程一般都要经过中试，基础设计中还要进一步优化，因此概念设计中的优化要 求不高，许多不敏感的因素可以哲不优化。设计时可根据小试结果或一般原则选取。 3.物料衡算和能量衡算 物料衡算和能量衡算一般是先将各股物料的量、物料的能量变化、做功和传热址等各项算 出，分别列表表示。衡算的区域可以是一个工厂、一个单元、一个设备，也可以是一个微分空 间，时间可以是一年、一天等等。 通过物料衡算和能量衡算，可以了解原料、产品、中间产物、副产物的量；计算设备的热负 荷、尺寸和主要性能；在生产中可以检验装置运转的情况；还可以为资源和能量的综合利用提 供依据。物料衡算和能量衡算也是技术经济评价的重要依据
6 绪 论 【例01】苯氯代生产氯苯反应器的物料衡算和工艺优化。 苯氯代反应为连串反应： CoH+Cl CoHsCl+HCI C.H,CI+CCHCk+HC CsHaCl +Cl2-CsH3Cia +HCI 小试了解到C限量时，最后一个副反应可忽略；在搅拌充分的条件下，气液接触良好，化 学反应是动力学控制的，可视为均相反应；主副反应均为准一级反应，其动力学方程为： -=1 di=k1fA-k2B k1=4.72×102e200/k7 k2=2.7×1020e-13640/K 式中：xA,xB一分别为反应物苯和产物氯苯的摩尔分数：t一反应时间，h;k1,k2一主、副反应的 速率常数，h1。 (1)反应器的物料衡算 该反应前后分子数是不变的，故可以用物质的量n衡算。以1km0l氯苯为基准的物料衡 算列于表0-1。 表0-1氯莱反应器的物料衡算 出 项目 n/kmol 项目 0/lkmo人 1/x8 装基 1/x8 其中：苯 1 养 二氯苯 -1 氯气 品2名1 氯化复 总计 -2-1 -26-1 (2)工艺优化 化工生产过程常常以一年的成本，又称生产费用为优化目标，它一般可分为原料费用，操 作费用（能耗、人工等）和设备费用（折旧。在本例中，用情榴分离苯、氯苯和二氨装（年产氯紫 3600t),该过程能耗很高，若反应转化率低，则需要回收的苯增多，操作费用大；转化率提高，副 产物的量随之增多，原料费用又会增高，因此选择适当的主副产品的量是优化的主要任务，而 其他因素均为不敏感因素 经计算该生产过程的各项费用（参考表0-1）为： 原料费 6364841z4-224728$a1
0.3化工过程开发 分离操作费(82295名+7900$a1 其他过程操作费与上述的浓度无关，基本是固定的，为279$·~1；设备费用在总费用中所占比 例很小，其中除反应器以外基本是固定的，为42000$·a。 综合以上各项即构成目标函数。但x人、xB不是独立可调的因素，动力学方程为约束条 件。该反应是在三釜串联反应器中进行的，其动力学方程的解为： 1 TA- 名 ,必 工B= 1+,+:1+,+ 十 (1+1+,学到 式中：k1,k2一主、副反应的速率常数，如前，均为温度T的函数：F一反应器进料流量， kmol.h-1;NR一单釜容纳物料的量，kmol。 由此运用数学方法，即可求出两个独立变量T和(N/F)(即单釜反应时间)的最佳值： T=333K NR/F=0.384h 生产费用=740000$·a1 4.主要工艺条件 工艺条件包括各项操作条件，如上例中反应器进料量、冷却水温度等，还包括设备性能的 指标，如反应器的转化率、换热器的热负荷等。根据工艺优化的结果和对过程的概念认识，即 可计算这些工艺条件。概念设计中工艺条件的计算不要求很精确，应尽量根据理论和文献数 据进行计算。 5.工艺流程图和设备规格表 概念设计的最后要将全部设计结果用图、表表示出来，绘制工艺流程图，编制设备规格、，性 能等主要指标的一览表。在工艺流程图中，用设备图形符号表示设备，用主要物流连接起来并 加上必要说明。流程框图则用单元或工序的名称表示过程，主要用于表示原则流程。 化工过程开发是涉及多学科知识和技术的综合性工程技术，需要化学科研工作者、工程技 术人员和技术经济专家的通力合作。随着现代科学技术和生产的发展，他们的结合点已从实 验室推进到概念设计和中试现场。对于应用研究的科研成果，化学科研人员应尽量以概念设 计的方式提供。因为科研人员最了解开发项目的目标，由他们完成概念设计可以将过程特征 和工程技术方法以及技术经济观点紧密结合，保证开发工作的质量，同时提高科研成果的“含 金量
第1章流体的流动及输送 化工生产中所处理的物料大部分都处于液体和气体状态，气体和液体统称为流体。流体 在设备内进行物理变化和化学变化的效果与流体流动直接相关。在连续化生产中，物料要由 一个设备输送到另一个设备，流体在管道中的流动、输送和测量均有规律可循。即使固体物料 也常使其处于流态化，便于自动化连续化操作。它们均遵守流体力学规律。故相关的流体力 学规律必须学习掌握。 1.1流体概述 1.1.1流体的特性 流体由大量分子组成，每个分子都在不停地作不规则的运动，相互间经常碰撞，在碰撞中 交换着动量和能量。因此流体的微观结构和运动，无论在时间或空间上都充满着不均匀性、离 散性和随机性。另一方面人们用仪器测到的宏观结构和运动，却明显地呈现出均匀性、连续性 和确定性，例如压强、温度和速率等。流体的微观和宏观性质截然不同，却和谐地统-一在流体 物质中，形成了流体运动的两个重要侧面。它是我们分析研究流体流动中的问题的依据。 针对流体具有的微观和宏观性质，人们通过两种不同的途径研究归纳流体流动的规律： (1)从分子运动出发，采用统计平均的方法，建立宏观物理量满足的方程，即统计物理的 方法。 (2)以连续介质假设的模型去研究流体流动的规律。 以上两种方法相辅相成全面地研究描述流体的运动。在研究流体宏观性质方面，则以连 续介质假设为根本假设。 1.1.2连续介质假设 假设流体是由大量质点组成，彼此间没有空隙完全充满所占空间，而且每个空间点在每个 时刻都有确定的物理量，它们都是空间坐标和时间的连续函数，因此可以用数学分析工具去处 理。 流体质点是指微观上充分大、宏观上充分小的分子团，其尺度远比设备小但比分子自由程 大得多。流体质点所具有的宏观物理量如质量、速率、压力和温度等满足一切相关的物理定 律。例如牛顿定律，质量、能量守恒定律，热力学定律，以及动量、热量和质量的传递规律。 所谓流体质点是微观上充分大的分子团的含意，是分子团的尺度充分大，其中包含大量分 子，对分子团进行统计平均后能得到稳定的数值，少数分子的出入不影响稳定的平均值。所谓 宏观上充分小是指分子团的平均物理量可看成是均匀不变的，因而可以把它近似地看成是几 何上的一个点，一个有确定物理量的点。由许多质点组成的物系空间，因条件的不同，会有连 续变化的物理量。 连续介质假设是流体力学的根本假设，对一般流体都适用，只对稀薄气体不适用