1、化工工艺流程设计 化工工艺流程设计1过程工程1.1过程工业过程工业（process industry）是指以自然资源为主要原材料，通过不同的物理与化学过程，连续不断地将原材料转变成产品的工业。按此定义，图10-1 中列举的众多资源转化为产品过程相对应的加工业，包括化工、炼油、制药、生物、食品加工、冶金、能源、轻工及建材工业等泛化学工业都属于过程工业的范畴，它包括了每个国家的大部分重工业。图10-1 资源转化为产品的基本途径由此可见，过程工业是一个国家的基础工业，是一个国家发展生产和增强实力的基础。这类工业有下列特征。工业生产使用的原料基本上为自然资源。产品主要是生产资料，是用作下游工业生产的原
2、料和辅助材料。大多数生产过程为连续的生产操作（但规模较小的精细化工和医药工业生产中，仍然存在着较多的非连续化过程）。在生产过程中原料发生了物理变化和化学变化。产量的增加主要依据生产规模的放大来实现。对环境易产生一定的污染，需发展绿色的生产过程来解决污染问题。1.2过程工程1.2.1从化学工程到过程工程18世纪后期，工业革命降临北欧，大大促进了硫酸、烧碱、肥皂、玻璃和染料等化学品的生产，随着这些工业的发展，化学科学的一些基本概念也同时被确立，Lavoisier在1789年出版的化学基本论述中明确提出了质量守恒原则。19世纪末，美国有许多大学开设了化学工程课程，1908年6月美国化学工程师协会（A
3、IChE）正式成立，它标志着化学工程学科的正式诞生。1915年AIChE协会会长A.D.Little博士首先提出了“单元操作”（unit operation）的概念。在1922年的AIChE年会上，A.D.Little在其提交的一份工作委员会报告中正式确立了“单元操作”概念，该报告称：“化学工程不是化学、机械和土木工程的组合体，而是一门属于自己的科学，其基础就是那些单元操作。这些单元操作的合理排列及配合产生了工业规模的化学流程。”该报告后来被认为是化学工程的“独立宣言”，是化学工程学发展的第一个里程碑。从1957年，第一届欧洲化学反应工程学术研讨会举行，化学反应工程开始形成独立的学科。1960
4、年R.B.Bird等人合著出版的传递现象是化学工程学发展的一个重要的里程碑，它对于与化学工程息息相关的动量传递、热量传递和质量传递的基本原理进行了科学描述，在分子概念和传递特性的基础上进行了理论分析， 使其成为“工程科学方法”的理论基石，并为化工、航空航天、热能工程、机械动力的发展提供了理论基础。几乎在同一时间，荷兰的van Krevelen教授在前人研究的基础上明确提出“化学反应工程学”，来研究化工过程中带有化学反应时的变化过程，这使化学工程学成为一门更全面的学科。以物理过程为主的传递过程（三传）与化学反应（一反）相结合，形成了“化学反应工程”。一般将欧洲第一次化学反应工程会议（1957年）
5、视为化学工程学发展的第二个里程碑。在20世纪20年代提出的“单元操作”概念奠定了化学工程学的基础，在60年代提出的动量、热量和质量传递以及化学反应工程学，丰富和发展了化学工程学，它们和化工热力学构成了完整的化学工程学的理论体系。进入20世纪50年代后，以石油化工为代表的过程工业得到了蓬勃发展，实现了综合生产，生产装置日趋大型化、复杂化，产品品种精细化，并要求在安全、可靠和对环境污染较小的状况下运行。在能源紧张、竞争日益加剧的情况下，以传统的单元操作概念为基础的化学工程方法已不能适应时代的发展，迫切需要企业实现生产装置的最优设计、最优控制和最优管理。系统工程学是一门研究系统的组织、协调、控制与管
6、理的工程技术学科。产生于20世纪40年代，它是以运筹学、系统分析和现代控制理论为基础，以计算机为工具而发展起来的。系统工程学的出现适应了化学工业急需技术创新的要求。20世纪60年代 初，在化学工程、系统工程、过程控制、运筹学及计算机技术等学科的基础 上，产生和发展起来一门新兴的技术学科过程系统工程（过程工程），这是继20世纪20年代单元操作技术、60年代传递现象理论和化学反应工程学后， 化学工程学的第三次重大发展。1.2.2过程工程过程工程（process engineering，PE）又称过程系统工程（process system engineering，PSE），也可称为化工系统工程（ch
7、emical system engineering， CSE），是以过程工业系统中的共性科学理论与技术特点为基础，以物质的化学、生物与物理分离、转化、合成及能量转化过程优化组合为目标的通用工程技术，是将系统工程的理论与方法用于解决化工、冶金、制药等过程工业系统的设计、开发、操作、控制等问题，即用系统工程方法来解决最优设计、最优控制和企业组织管理的问题。过程系统工程是随着计算机技术进步，在化学工程学、系统学、运筹学、数值方法、过程控制论基础上形成的综合性交叉学 科。1968年，Rudd等出版的工程过程的策略（Strategy of Process Engineering）标志着过程系统工程的形成
8、。19802000年，过程工程步入成长期，一方面，由于计算机技术的长足进步，为系统工程的研究提供了有力手段；另一方面，由于20世纪70年代石油危机的挑战，需要大幅度节能降耗；石油化工装置的大型、一体化需求迫切需要开发新的手段来分析、设计和控制这些复杂的化工系统，这些原因就促成了过程工程的大发展。在这个时期，过程工程已经由学术理论走向工业应用，并实现了不少重大的技术突破，特别是Dave Culter提出的动态矩阵控制（dynamic matrix control， DMC）方法实现了模型预估控制（model predictive control， MPC），这些软件包已在世界各地的石油化工装置上
9、安装应用，达到几千套，创造了可观的经济效益；以Lawrence Evans为代表的流程模拟技术软件开发取得明显效果， Aspen Plus、HYSYS和PRO/等已在世界设计科研和工厂企业广泛应用；以George Stephanopeulos为代表的人工智能的应用也取得良好成果；以Bodo Linnhoff为代表的过程集成研究，获得工业部门的普遍重视，他提出的“夹点技术”在节能降耗上效果显著。2000年至今过程工程进入扩展期，这一时期的发展表现在研究范围和研究内容两方面的扩大，其研究理论和工具不断更新和发展。传统的过程工程研究范围正向两极扩大，具体如下。a.微观方面向分子模拟、纳米级产品设计发
10、展，如分子产品工程、配方产品工程和微化工厂系统制造技术，在上述基础上形成了化工产品工程学科分支。b.宏观方面由单一生产装置向整个公司、整个供应链、整个工业园区乃至全球绿色环境和气候变化等方面扩充。在研究内容方面，过去的“过程”是指物理-化学制造过程，现在则已扩大到管理业务过程，也就是说由研究工程决策延伸到研究商务决策。a.为过程工业企业的优化运营，特别是商务决策提供理论指导及工具。b.使过程工业企业全球化供应链管理得到优化，从而提高企业竞争力。过程工程为现有设备的深化、工艺流程简化、节能降耗和绿色过程工业的研究提供新的理论方法及工具。a.优化能量回收系统的热量交换网络（heat exchang
11、er network，HEN）， HEN集成的夹点分析方法扩展到为了节约资源减少排废的系统集成方法质量交换网络（mass exchange network，MEN）方法。b.绿色过程工程正在绿色化学化工、工业生态学、生态工程、环境科学与工程及过程系统工程的交集上形成新的学科分支。不仅如此，过程工程的研究内容还从物理-化学-生物制造过程扩展到管理 业务过程，即从研究工程决策（工程技术硬技术）延伸至商务决策（管理技术软技术）。学术界和工程界人士普遍认识到：随着化学工程学科自身不断的发展、对其学科共性理论认识的不断深入和应用领域的不断扩展，“化学工程”不但发展成“过程工程”，而且正扩展为广义的“过程
12、工程”，即它从处理物料-能量扩展为以处理物料-能量-资金-信息流的过程系统为研究对象，其核心的功能是过程系统的规划、设计、开发、控制和管理，成为为众多过程工业服务的共性学科。化学工程-过程工程-化工工艺设计的关系如图10-2所示。图10-2 化学工程-过程工程-化工工艺设计的关系* 表示研究化工过程中各种形式能量之间相互转化的规律及过程趋向平衡的极限条件， 提供物质的基本物性、热物理和热化学数据1.3精细化学品及产品工程本小节所指的产品工程全名应是化工产品工程，为泛指的产品工程的一个独特的分支，它具有产品工程的社会和商业属性，但是，它也兼有过程工程在生产过程中原料会发生物理变化和化学变化的制造
13、属性。作为产品工程，它对应的制造工业是精细化学品生产工业，是近40年来， 飞速发展的化学品生产工业。它包括以化学、物理的合成、转化而成的化学药品、农用化药品、染料、涂料、颜料、卫生化药品、卫生保健用品、信息用化学品、食品和饲料添加 剂、黏合剂、催化剂和各种助剂、化妆品、功能性高分子材料、高分子合金和化学元器件等的生产及制造。上述精细化学品和专用化学品生产的分子设计、化学合成、剂型配方及工业制造技术，是介于化学科学和化学工程之间以应用为导向的化学工程技术科学分支。1.3.1精细化学品生产的兴起20世纪60年代起，由热力学与动力学、传递现象与单元操作、反应工程、设备设计与自动控制、工程设计与系统工
14、程等学科形成了过程工程学科体系，这一时期正值石油化工大发展的黄金时期。现在，乙烯装置生产规模已达到1500kt/年，PVC生产的反应器容积达到130m3，合成氨生产吨能耗已接近理论值。这充分反映了化学工程的巨大成就和日趋成熟，而以石化工业为代表的大宗化学品的生产技术也渐趋成熟，从世界范围讲，产量几近饱和。与此同时，传统大宗化学品的生产随着全球化竞争日趋激烈，利润率下降。另外，随着生物技术、纳米技术、电子信息技术和环境科学的迅速发展及人们对更高生活质量的追求，市场对以药物、新材料为代表的功能化学品和材料的需求迅速增加。化学产品的种类从大宗化学品扩展到更多种类的精细化工产品，它相应的生产我们称为精
15、细化工。精细化工产品公认的定义是指对基本化学工业生产的初级或次级化学品进行深加工而制取的具有特定功能、特定用途、小批量生产的系列产品。它又可分为以下两类。精细化学品（fine chemicals） 定义为产量小，按不同化学结构进行生产和销售的化学物质及材料。专用化学品（specialist chemicals） 定义为产量小，经过加工配制，具有专门功能或最终使用功能的产品。和传统化学工业生产大宗化学品不同，精细化工产品多为各工业部门广泛应用的辅助材料和直接消费品。它的特点如下。小批量、多品种、复配型多。多为间歇式生产。高技术密集度，且常呈技术垄断性。经济效益高。为适应市场需要和追求高额利润，跨
16、国大型化工公司纷纷将精细化学品和新材料作为发展重点，进行核心产业转移。中国已成为大宗化工产品的重要生产大国，但生产技术主要从跨国公司引进，高附加值的化学产品则更加落后。例如我国医药中间体生产极为发达，但下游成药和剂型开发相当落后；中国是涂料生产大国，但各生产企业规模小、产品单一，缺乏发展后劲；中国是电子产品生产大国，但高端电子化学品则被跨国公司垄断。面对这些情况，化学反应工程有必要从单纯注意过程研究拓展到以产品结构和性能为核心的产品工程领域，以跟上新材料、医药、生物、电子、信息等领域的飞速发展的步伐，使我国从化工大国迈向化工强国。1.3.2精细化学品生产技术的特点化学产品的性能与功能取决于结构
17、，不仅包括其分子结构，往往还包括形态结构。例如，人体对药物粒子的吸收就与粒子的大小有很密切的关系；涂料的遮盖力则与颜料的颗粒大小有关。实际上，产品的许多性能，如纳米半导体粒子颜色、颜料的色泽、非均相体系的流变、药物缓释、药物的输运与吸收、高分子合金的性能、纳米复合材料的力学性能、纳米催化剂的活性等，主要取决于化合物粒子或复合材料的形态结构。因此，从产品的角度讲，其工业生产技术的开发，不仅是其各反应与分离过程的开发，而且是产品性能与功能的开发，是从产品分子结构到纳微形态结构的多尺度、多层次结构的设计与优化。在这方面，高分子材料和纳米结构材料的表现尤为突出。高分子材料呈现出明显的结构多尺度、多层次
18、。这些结构层次紧密相连，高层次结构很大程度上受低层次结构的影响。正因为如此千变万化的结构，才使高分子材料性能与功能的潜力远胜于其他物质，发展速度远远快于金属和无机材料。精细化学品的产量很小，但附加值高。之所以具有较高的利润率，是由于它能满足客户对某特定功能的需求，如药品能够治病，信息化学品可以满足电子信息技术发展的需求等。在很多情况下，化学产品已不再是单一组分的纯化合物，而是多种不同形态的化合物的复配物。广大客户对产品的功能要求综合起来所包含的内容是非常广泛的，可以是导电性、磁性、流动性、药物缓释等可定量测量的性能，也可以是遮盖率、手感、气味等难以定量测量的性能；可以是水溶解性、燃烧值等由化合
19、物分子结构决定的性能，也可以是粉末的流动性、乳液的黏度等由形态结构控制的性能。基于上述化学产品的主要特点，精细化学品的制备不仅要注重分子结构到纳微形态结构的多尺度、多层次结构的设计与优化，一些场合还应注重产品配伍的设计与优化。从基础研究的角度讲，既要探明化学产品的结构与性能关 系、制备条件与结构的关系，还要重视产品多组分的协同效应。1.3.3产品工程（1）过程工程和产品工程化学工程学是一门工程学科，其主旨可以归纳为两个问题：生产什么化学品？怎样生产化学品？传统反应工程研究解决了怎样大规模生产化学品的技术问题。至于生产什么产品，传统的化学工程学不需回答这个问题。因为在通常情况下，化学品的创新是由
20、化学家首先完成的，然后交给化学工程师，实现其工业化生产。产品的质量指标主要是纯度。其主要理论方法是以“三传一反”为理论基础，建立描述各操作单元以及各操作单元之间进行物质、能量转化或交换的数学模型，并以此进行系统设计和优化。在上述基础上发展形成的过程工程是以物质的化学、生物与物理分离、转化、合成及能量转移过程的优化组合为目标的通用工程技术。它主要服务于化学工业（包括泛化学工业）规模化生产的要求，在保证产品的纯度（相应分子结构）的前提下，以过程强化为主要任务，对过程工艺、装备及系统进行优 化，追求过程的时空效率和物料、能量利用的最大化。为此，在追求规模大型化的同时，大宗化学品的生产工艺主要采用连续
21、反应，对于难以连续反应的体系，如聚氯乙烯（PVC）的生产，则采用大型反应器。同时，应用系统工程对整个工厂的物料能量利用进行优化，以达到生产利润最大化。而产品工程的概念更强调通过产品的设计来满足市场对特定功能的需求。要回答“生产什么化学产品？”这一问题。首先强调对市场需求的快速反应和产品功能的创新或性能的改进，产品的质量指标是各种各样的性能与功能。然 后，进一步解决怎样生产化学品。因此化学工程师必须从产品需求调研开始积极参与整个产品的设计或革新人们所需要的产品的过程，面对市场，进行产品功能的创新或性能的改进是产品工程的核心任务。与大宗化学品所不同，专用化学品更多面临着新技术和市场的挑战，如投入市
22、场的时间、产品的特定功能和灵巧设计、通用设备的选择和适应、非专用的工厂。传统的单元操作（精馏、吸收、萃取）逐渐扩展到与配方产品生产相关的操作（如乳化、挤出、涂层、结晶和颗粒加工）。这些新的问题要求对化学工程理论在以产品为导向的开发框架中进行深入研究，寻求有效的方法，对产品的设计、生产和创新提供理论及技术支撑。由此应运而生的化学产品工程是以产品为导向的化学工程科学，决定生产何种产品以及如何生产该种产品， 以满足性能、经济、环境和市场诸方面的要求。（2）产品工程的结构制造理念是化学反应工程研究的新拓展过程工程面对的是大宗化学品的分子结构和产品纯度，而产品工程面对的是精细化学品不断发展的功能和性能，
23、结构的制造不仅限于分子结构，还涉及纳微结构和配伍组成，其横跨微观分子、界观聚集态、宏观形貌等多个尺度。在分子尺度上，化学产品涉及的分子结构一般较为复杂，种类也更为繁多。因此，化学工程师必须更注重化学反应和催化剂方面的理论知识，必须新增分子模拟与设计、分子结构与性能关系方面的知识。纳微界观结构的制造与控制是反应工程新的研究内容。纳米结构的形成一般涉及反应、粒子的形成与稳定等物理与化学的转化过程，较传统反应体系更为复杂。其结构控制规律和反应器放大准则很可能不同于传统体系。宏观形貌则与体系中的剪切场和界面化学的相互作用有关。在纳微结构的制造与控制中，胶体与界面化学有重要的作用， 因此必须将胶体与界面
24、化学加入到以“三传一反”为特征的化学工程学科体系 中。传统反应工程以反应动力学为基础，研究反应体系中传热与传质对反应的影响，进而为反应器的设计与放大提供理论依据，其目标是收率和选择性。与传统的化学反应工程研究不同，产品工程的研究方法突出产品结构的演化，在反应动力学主线外构成反应工程研究的另一条主线；同时，反应器优化设计与操作的目的不仅是过程效能的最大化，而在很大程度上是产品结构的调控。结构内容不仅包括分子结构，还包括从纳米、微米等界观聚集态结构到粒子形 貌、孔隙率等宏观形态结构。各级形态结构的形成与稳定已成为反应工程的一个极为重要的新内容。1.3.4产品设计和过程设计的关系“产品工程”与“过程
25、工程”是相互联系的，“产品”决定“过程”的组成；而“过程”决定“产品”的品质。“产品工程”与“过程工程”又各有侧重，产品工程依赖于研究者对于分子结构和功能内在关系的认识，研究中更多地综合应用计算化 学、颗粒学、流变学等来进行分子设计；而过程工程则注重在实施过程的空间和时间中对分子转化特性的准确描述，从而保证目的产品的产率或纯度，因 此，是计算流体力学、界面现象、传递现象、过程模拟与过程控制等构成过程设计与优化的技术基础。产品工程与过程工程是相互促进的，产品工程为新过程的产生提供了需求和动力。表10-1对产品设计与传统的过程设计进行了比较。对过程设计，明确过程为连续的或间歇的（一般为连续的），就
26、可以转向投入与产出的流程图。初始的流程图集中于化学计量学，并常常涉及化学反应的讨论。一旦这些确定下 来，设计者就可以进入分离过程，最终是热量集成，所有这些构成过程设计的主要内容。而产品设计必须走出框架，采取表10-1右侧所列的四步策略。首先确定产品总体要求，进而提出各种方案来满足此要求。在比较不同方案后，最终确定一个生产流程。生产流程的确定则包括了过程设计的所有框架内容。表10-1 过程设计与产品设计策略和程序因此，产品设计包括一些先于过程设计的重要步骤，这些工作主要围绕产品方案的选择而展开。虽然产品工程的有关内容对于化学工业行业间高端化、精细化发展及行业转型具有重要意义，但是本书主要服务对象
27、仍是从事化工过程设计的设计、研究人员，因此将不在本书其他章节进一步展开涉及产品工程的有关内容。2过程工程的分析和综合2.1过程系统过程系统工程（process system engineering，PSE）又称过程工程，是将系统工程的理论与方法用于解决化工、冶金、制药等过程工业系统的设计、开 发、操作、控制等问题，即用系统工程方法来解决企业组织管理、最优设计和最优控制的问题。过程系统工程是随着计算机技术进步，在化学工程学、系统学、运筹学、数值方法、过程控制论基础上形成的综合性交叉学科。1968年， Rudd等出版的过程工程的策略（Strategy of Process Engineering）
28、标志着过程系统工程的形成。过程工业是指化工、冶金等工业过程。过程工业生产中的各构成单元联系密切、相互影响。按一定目的将单元操作和化学反应器所构成的整个生产过程称为“过程工业系统”，简称“过程系统”。过程工业系统常常包括多套生产装 置，输入一种或几种原料，产出多种产品，通过物料和能量传输连接成一个整体。（1）过程系统的特点从系统工程的观点来看，过程系统具有以下特点。系统规模庞大、子系统多、子系统之间关系复杂，且多数是非线性的。各子系统按一定的目标构成一个有机整体，各司其职，协同完成规定的任务。同时，系统根据外部环境条件的变化不断调整其内部特性，构成一个反馈系统。由于如国家的政治与经济政策、资源状
29、况、供求关系、竞争等不确定因素，因此系统输入的时间、空间或数值上都呈随机性，如图10-3所示。图10-3 过程系统内部子系统与外部系统之间的关系过程系统的最优化模型并非一成不变，而是随技术的发展、环境条件的变化而不断调整。过程系统的最优设计、最优控制以及最优管理需综合运用多学科、多专业的知识，需要有多种专业人员协同工作。（2）过程系统的基本内容从过程系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成部分的特性及其相互关系，确定过程系统在规划、设计、控制和管理等方面的最优策略。其基本内容包括过程系统的分析与模拟、过程工程综合、过程系统的控制与优化、企业的组织管理和经营技术等方面。其中，过程工程综合是过程系
30、统工程的核心。2.2过程系统模拟和分析（1）过程系统模拟和分析的基本内容过程系统分析概念 过程系统分析，是在系统已经给定的情况下根据系统的结构及各子系统的特性，利用过程模拟来推测整个系统的特性，分析各单元过程的设备结构参数和操作参数对系统整体的影响，考察系统在不同条件下的技术经济性能，如图10-4所示，其中子系统特性通常是指单元设备的特性， 可应用有关化学工程知识获得描述单元设备特性的数学模型。图10-4 过程系统分析示意图过程系统分析的任务是对给定的过程系统建立数学模型，分析各单元过程的设备结构参数和操作参数对系统整体性能的影响。通过系统分析研究单元过程参数对过程系统的影响，从定性分析和半定
31、量估计提升到定量数学描述。系统分析的目标是使系统整体经济效益达到最优化并确定最优的设备结构参数和操作参数。过程系统分析的主要用途有进行单元操作过程的最优设计、系统挖潜改造和实现过程操作最优化。过程系统分析步骤 此部分以化工过程大系统分析为例，说明过程分析的基本步骤。化工过程系统分析与建模内容包括物料衡算和能量衡算，单元操作设备尺寸和费用计算，以及过程技术经济评价。单元过程数学模型可分为稳态模型和动态模型。按建模方法可分为机理模型、经验模型与混合模型。a.机理模型 按照化学工程基本原理（质量守恒定律、能量守恒定律、传质速率方程、状态方程、相平衡、化学平衡、化学反应动力学等），对实际过程直接的数学
32、描述，是过程本质的反映，其结果可以外推，但模型比较复杂。b.经验模型 又称黑箱模型，是根据实验数据或生产装置的实测数据，运用统计学理论得出的过程系统“输入-输出关系”数学表达式，与过程机理无关。c.混合模型 是半经验、半理论模型，是对实际过程进行抽象概括和合理简化，然后对简化的物理模型加以数学描述。如图10-5所示为过程系统分析的一般步骤。首先，将系统分解成一系列子系统，直到能明确写出描写各子系统特性的数学模型为止。对于化工过程来 说，通常分解到单元操作过程就已足够。如果某个单元操作过程特性不明，只有物性数据时，则需要进一步分解。但必须考虑各子系统间的相互关系明确、简单，子系统数目尽可能少，以便于计算。其次，对子系统建立数学模型并进行数学模拟，研究子系统的特性。最后，将各子系统的特性按照系统结构的特点，即各子系统之间的相互关系进行数学处理，以表达出系统的特性，对整个系统进行数学模拟。图10-5 过程系统分析的一般步骤（2）过程
