1、化工过程分析与开发 chemical processes development教师教师:乐乐 清清 华华 Le QinghuaLe Qinghua第1页，共129页。第一章：第一章：概概 论论 主要内容主要内容 第一节：化学工业的基本特征第一节：化学工业的基本特征 第二节：化工过程开发研究的意义第二节：化工过程开发研究的意义 第三节：化工过程开发研究的部署第三节：化工过程开发研究的部署第2页，共129页。一、化工的构成化工的构成二、化工的地位和作用二、化工的地位和作用三、化工的基本特征三、化工的基本特征第一节：化学工业的基本特征第一节：化学工业的基本特征第3页，共129页。化工领域的构成化工
2、领域的构成化工的母体化学工艺化工的桥梁化学工程化工的目的化学工业化 工第4页，共129页。化学工艺的研究内容化学工艺的研究内容研究内容：研究内容：以化学反应为手段，以创造新产以化学反应为手段，以创造新产品为目的生产技术和过程品为目的生产技术和过程。研究重点：研究重点：原料路线，催化技术、反应机理，原料路线，催化技术、反应机理，工艺路线。针对的是个性问题。工艺路线。针对的是个性问题。第5页，共129页。化学工程的研究内容化学工程的研究内容研究内容研究内容：以探求以探求“三传一反三传一反”的共同规律的共同规律为手段，以创造新设备、新技术，优化设为手段，以创造新设备、新技术，优化设计、强化生产为目的
3、工程研究。计、强化生产为目的工程研究。研究重点：研究重点：传递过程，热力学，反应工程，传递过程，热力学，反应工程，分离工程。针对的是共性问题。分离工程。针对的是共性问题。第6页，共129页。9090年代各国工业增长率的比较年代各国工业增长率的比较二、化学工业的地位和作用二、化学工业的地位和作用第7页，共129页。国际国际GDP 1990 1999GDP 1990 1999平均增长率的比较平均增长率的比较Average growth in volume,%p.a.ChemicalsTotal industry(*)Germany2.31.1France3.31.3United Kingdom2.
4、80.4Italy1.10.2Spain3.21.5Belgium3.91.0the Netherlands2.30.8EU3.01.3USA2.12.0Japan1.80.0Sources:ESCIMO,OECD(*)&CEFIC-TEA analysis.Notes:Germany 16 Bundeslnder as from 1991.第8页，共129页。20002000年化工人均销售额对比年化工人均销售额对比 注注:2000年美国化工总销售额年美国化工总销售额3400亿亿(24.3%)人均人均1360元元/年年 2000年世界化工总销售年世界化工总销售 14000亿亿 人均人均$283
5、元元/年年 2000年中国化工总销售年中国化工总销售 约约800亿亿(5.7%)人均人均 67元元/年年 第9页，共129页。第10页，共129页。发展潜力巨大发展潜力巨大 化学反应化学反应 创造新物质、新材料的源泉创造新物质、新材料的源泉 渗透力强大渗透力强大 推进相关产业迅速发展推进相关产业迅速发展。增长速度领先增长速度领先化工与国民经济化工与国民经济 支柱产业支柱产业第11页，共129页。化工在国民经济中的地位化工在国民经济中的地位 从全球化工行业的发展状况来看，根据英从全球化工行业的发展状况来看，根据英国化工协会对全球化学品的统计和预测，国化工协会对全球化学品的统计和预测，200020
6、00年世界化学工业的市场总值为年世界化学工业的市场总值为1.71.7万亿美元，万亿美元，20102010年将达到年将达到2.42.4万亿美元。万亿美元。1991-20001991-2000年全球年全球化工行业产值增长率是全球生产增长率的化工行业产值增长率是全球生产增长率的2.682.68倍。倍。第12页，共129页。Production 1999:euro 1370 bnOther W.Europe2%Central&Eastern Europe4%Japan14%Asia13%Latin America3%Other5%EU29%USA30%Sources:ESCIMO,UNIDO Indu
7、strial Statistics&CEFIC-TEA(Trade&Economic Affairs)Analysis.Notes:Estimated world production;estimates for all regions except EU,USA&Japan.Other=Africa,Oceania,Canada,Turkey,Malta&other Balkan States.(*)Strictly speaking,value of production sold,augmented by value of sales of products purchased and
8、resold in their original condition.Percentage shares美国美国30%日本日本14%亚洲亚洲13%欧共体欧共体 29%（欧洲共（欧洲共35%）世界化学工业生产能力分布世界化学工业生产能力分布第13页，共129页。化工化工信息信息航天航天生命生命 轻工轻工食品食品能源能源环境环境建筑建筑医药医药材料材料第14页，共129页。石油、煤、天然气、生物、岩盐、磷酸盐、石油、煤、天然气、生物、岩盐、磷酸盐、硫、空气、水硫、空气、水精细化学品、消费品精细化学品、消费品中间体中间体基本产品基本产品第15页，共129页。1999Man-made fibres2.
9、0%Perfumes&cosmetics7.4%Oleochemicals0.8%Other chemicals12.6%Fertilisers2.0%Plastics13.5%Synthetic rubber0.9%Soaps&detergents4.6%Pharmaceuticals25.9%Agrochemicals(crop protection)2.7%Other inorganics3.8%Dyes&pigments2.5%Industrial gases1.4%Paints&inks6.5%Petrochemicals and derivatives13.4%Sources:ES
10、CIMO&CEFIC-TEA Analysis.Notes:Weighted average calculated on the basis of data for D,F,UK,I,NL,E,A&SF.(Weighting factor=1999 value of production)(*)Strictly speaking,value of production sold,augmented by value of sales of products purchased and resold in their original condition .Percentage sharesIn
11、organic chemicals5.2%Plastics and polymer-related products14.4%Specialties,performance and consumer-oriented products21.6%Oleochemicals,surfactants and derivatives12.8%Agriculture,food chain and protection products 4.7%Sectoral breakdown of the EU chemical industry production(*)第16页，共129页。法国蓬皮杜艺术中心第
12、17页，共129页。化工与可持续发展化工与可持续发展 保护环境保护环境节约能源节约能源可持续发展的两个立足点可持续发展的两个立足点第18页，共129页。化工化工 节约能源节约能源一次能源一次能源：煤、石油、天然气、太阳能、煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热。风能、水能、地热。二次能源二次能源：电、燃油、燃气、核能等电、燃油、燃气、核能等。第19页，共129页。1960-1998507090110130150170196019651970197519801985199019950510152025303540Oil priceEnergy efficiencyExponential ad
13、justmentSources:ESCIMO,IEA,UN&CEFIC-TEA AnalysisNotes:Energy efficiency is measured by energy input per unit of chemicals production.Germany 16 Bundeslnder as from 1991.Energy consumption per unit of production (index 1980=100)Oil price(USD per bbl)能能 耗耗原油价原油价格格欧共体化工产业能源消耗指标持续降低欧共体化工产业能源消耗指标持续降低第20页
14、，共129页。我国能源状况分析我国能源状况分析 能源利用率很低：能源利用率很低：目前目前 我国的能源强度为：我国的能源强度为：2.0412.041吨标准煤吨标准煤/千美千美元国内生产总值，是日本的元国内生产总值，是日本的13.713.7倍，美国的倍，美国的4.64.6倍，印度的倍，印度的1.91.9倍，世界平均水平的倍，世界平均水平的4.714.71倍。倍。第21页，共129页。我国能源状况分析我国能源状况分析环境污染严重：环境污染严重：酸雨占国土面积的酸雨占国土面积的1/31/3，二氧化碳排放量，二氧化碳排放量大于大于8 8亿吨，仅次于美国。亿吨，仅次于美国。第22页，共129页。第23页，
15、共129页。我国能源状况分析我国能源状况分析任务艰巨：任务艰巨：专家预测专家预测20502050年我国可获得的一次能源总量为年我国可获得的一次能源总量为31.0831.08亿吨标亿吨标准煤，如果准煤，如果20502050年我国进入中等发达国家，人均国内生年我国进入中等发达国家，人均国内生产总值将达产总值将达5000-60005000-6000美元，按美元，按1515亿人口计，则能源强度必亿人口计，则能源强度必须降为：须降为：0.410.41吨标准煤吨标准煤/千美元。千美元。第24页，共129页。预期预期20502050年我国一次能源状况年我国一次能源状况能能 源源数数 量量折折 合合标标 准准
16、煤煤（亿亿 吨吨）原原 煤煤19.0石石 油油1.0 亿亿 吨吨1.0天天 然然气气1200亿亿立立方方 米米1.6水水 电电2600亿亿瓦瓦2.29核核 电电1200亿亿瓦瓦2.16新新 能能源源4.6总总 计计31.08第25页，共129页。化工化工 节约能源节约能源 化化 工工 能源转换的桥梁能源转换的桥梁。化化 工工 节约能源的手段。节约能源的手段。第26页，共129页。洁净煤技术洁净煤技术 洁净煤处理技术洁净煤处理技术：选煤、脱灰、脱硫：选煤、脱灰、脱硫 洁净煤转化技术洁净煤转化技术：煤的汽化、液化。：煤的汽化、液化。洁净煤燃烧技术洁净煤燃烧技术：烟气净化（脱硫、脱硝）循：烟气净化（
17、脱硫、脱硝）循环流化床。环流化床。IGCC联合循环发电技术。联合循环发电技术。节约能源的化工技术节约能源的化工技术第27页，共129页。节约能源的化工技术节约能源的化工技术高效洁净发电技术高效洁净发电技术 IGCCIGCC联合循环发电：联合循环发电：将高温区工作的燃气轮机组与低温将高温区工作的燃气轮机组与低温区工作的蒸汽轮机组联合起来，实现热能的梯级利用，提区工作的蒸汽轮机组联合起来，实现热能的梯级利用，提高发电效率。高发电效率。燃料电池：燃料电池：洁净、高效、实用方便的能源洁净、高效、实用方便的能源。第28页，共129页。传统火力发电技术传统火力发电技术 煤煤 锅炉燃烧锅炉燃烧高压蒸汽高压蒸
18、汽蒸汽轮机蒸汽轮机 电电 废气废气SO2第29页，共129页。IGCC 联合循环发电技术联合循环发电技术煤煤 气化气化净化净化燃气轮机燃气轮机 废热锅炉废热锅炉高压蒸汽高压蒸汽蒸汽轮机蒸汽轮机 电电电电化工原料化工原料硫磺硫磺第30页，共129页。IGCC 联合循环发电技术联合循环发电技术 IGCC 发电技术的优点发电技术的优点：大幅度提高了电厂的供电效率大幅度提高了电厂的供电效率。传统发电效率：传统发电效率：34%，IGCC IGCC 发电效率：发电效率：40-43%大幅度降低了气体污染物的排放。大幅度降低了气体污染物的排放。煤气中煤气中99%以上的硫被脱除，使排放烟气对大气的污染以上的硫被
19、脱除，使排放烟气对大气的污染降至最低。降至最低。第31页，共129页。IGCC 联合循环发电技术的优点联合循环发电技术的优点 耗煤减少耗煤减少8%，废渣排放降低，废渣排放降低40%，副产纯硫磺。，副产纯硫磺。耗水量减少耗水量减少30-50%，可在缺水地区发展。，可在缺水地区发展。洁净煤气可作为化工原料用于生产化工产品。洁净煤气可作为化工原料用于生产化工产品。第32页，共129页。化工化工 环境保护环境保护触目惊心的环境污染！触目惊心的环境污染！沙尘暴沙尘暴SO2，CO2排放排放蓝藻蓝藻固体废弃物固体废弃物2003年我国生活垃圾清运量达年我国生活垃圾清运量达1.5亿吨，年均增长亿吨，年均增长7-
20、10，处理率远远达，处理率远远达不达标，垃圾围城现象普遍不达标，垃圾围城现象普遍第33页，共129页。化工化工 环境保护环境保护我国人均水资源不足世界平均值的我国人均水资源不足世界平均值的1/4，而且水质受到较严重的污染。目前，全国，而且水质受到较严重的污染。目前，全国60%的城的城市存在不同程度的缺水，市存在不同程度的缺水，108个城市严重缺水，饮用水源地水质较差，约有个城市严重缺水，饮用水源地水质较差，约有30%人口得不人口得不到安全饮用水。到安全饮用水。我国七大水系各种水质类别所占比例我国七大水系各种水质类别所占比例第34页，共129页。全国环境污染指数分布情况全国环境污染指数分布情况第
21、35页，共129页。第36页，共129页。化工化工 环境保护环境保护 被动环保：被动环保：罚款、关闭、禁捕、伐、转移。罚款、关闭、禁捕、伐、转移。积极环保积极环保：清洁生产，消除污染源、开发替代品，植树造林、清洁生产，消除污染源、开发替代品，植树造林、人工养殖人工养殖,开发开发绿色绿色化工产品化工产品。第37页，共129页。绿色化学的十二条原则绿色化学的十二条原则摘自摘自Poliakoff M et.al.Poliakoff M et.al.ScienceScience,2002,2002,297297,607-810.,607-810.1.1.应优先从源头防止废弃物产生，而非废弃物产生后再处
22、理；应优先从源头防止废弃物产生，而非废弃物产生后再处理；2.2.设计的合成方法应使反应所用物料最大限度地转化为目标产物；设计的合成方法应使反应所用物料最大限度地转化为目标产物；3.3.在任何可行的情况下，设计的合成方法都应当采用和产出那些对人类健康和在任何可行的情况下，设计的合成方法都应当采用和产出那些对人类健康和环境毒性很小甚至是无毒的物质；环境毒性很小甚至是无毒的物质；第38页，共129页。绿色化学的十二条原则绿色化学的十二条原则摘自摘自Poliakoff M et.al.Poliakoff M et.al.ScienceScience,2002,2002,297297,607-810.,
23、607-810.4.4.化学产品的设计要考虑到维持高效并减少毒性；化学产品的设计要考虑到维持高效并减少毒性；5.5.尽可能不使用辅助物质（如溶剂、析出剂等），在不得不使用时，尽可能不使用辅助物质（如溶剂、析出剂等），在不得不使用时，也尽量使用无害物质；也尽量使用无害物质；6.6.充分认识能量需求对环境及经济的影响，并应使之降到最低。使合成反应充分认识能量需求对环境及经济的影响，并应使之降到最低。使合成反应在常温常压下进行；在常温常压下进行；第39页，共129页。绿色化学的十二条原则绿色化学的十二条原则摘自摘自Poliakoff M et.al.Poliakoff M et.al.Science
24、Science,2002,2002,297297,607-810.,607-810.7.7.只要在技术和经济上可行，所用未加工材料或原料都应当是可回收而不是只要在技术和经济上可行，所用未加工材料或原料都应当是可回收而不是纯消耗的；纯消耗的；8.8.尽量避免产生不必要的化学衍生物（如基团封闭、保护尽量避免产生不必要的化学衍生物（如基团封闭、保护/去保护、去保护、在化学在化学/物理过程中暂时修饰）；物理过程中暂时修饰）；9.9.催化剂（尽可能具有选择性）更优于符合化学计量的试剂；催化剂（尽可能具有选择性）更优于符合化学计量的试剂；第40页，共129页。绿色化学的十二条原则绿色化学的十二条原则摘自摘
25、自Poliakoff M et.al.Poliakoff M et.al.ScienceScience,2002,2002,297297,607-810.,607-810.10.10.设计出的化学产品在完成其效用后不应持续残留于环境，而应分解为无设计出的化学产品在完成其效用后不应持续残留于环境，而应分解为无害的降解产物；害的降解产物；11.11.开发新的分析方法，以便在危险物质形成以前进行实时检测与开发新的分析方法，以便在危险物质形成以前进行实时检测与控制；控制；12.12.合理选择化学过程中所使用的物质及其形态，避免或尽量减少发合理选择化学过程中所使用的物质及其形态，避免或尽量减少发生包括泄
26、露、爆炸及火灾等化学事故。生包括泄露、爆炸及火灾等化学事故。第41页，共129页。化工化工 环境保护环境保护化工催化剂技术的重心转移：化工催化剂技术的重心转移：以获取有用产品为目的以获取有用产品为目的 化工催化化工催化 以消灭有害物质为目的以消灭有害物质为目的 环保催化环保催化第42页，共129页。化工化工 环境保护环境保护世界市场催化剂用途分布世界市场催化剂用途分布：销销售售额额/亿亿美美元元构构成成比比例例%年年份份炼油化工环保炼油化工环保 19821984198519907.9099.5048.009.5011.9313.239.0011.003.564.268.015.533.849.
27、036.030.651.049.036.030.615.215.832.043.0第43页，共129页。With CFD tool(saving process development time)Without CFD toolImproved cash flowCash flowTimeShorter pay back timeReduced time to marketReduced process development timeq缩短开发周期缩短开发周期q减少投资减少投资q环境友好环境友好q改善产品质量改善产品质量q迅速抢占市场迅速抢占市场化工研发目标化工研发目标,向多尺度集成研究向多
28、尺度集成研究(时间及空间尺度时间及空间尺度)发展发展第44页，共129页。现代的集约型流程（现代的集约型流程（1 1个装置）个装置）传统的常规型流程（传统的常规型流程（1111个装置设备）个装置设备）乙酸甲醇催化剂乙酸甲酯溶剂共沸物水溶剂共沸物水较重组分蒸馏萃取蒸馏反应蒸馏反应反应蒸馏蒸馏乙酸催化剂甲醇乙酸甲酯3R绿色化学与化工：绿色化学与化工：由传统流程向集约型耦合过程发展由传统流程向集约型耦合过程发展第45页，共129页。三、化工的基本特征三、化工的基本特征1、化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性 P1 A1 A P2 A P A2 P P3 A3第46页，共129
29、页。三、化工的基本特征三、化工的基本特征2 2、化工技术的强烈渗透性、化工技术的强烈渗透性 化工化工生物生物 生物化工生物化工 化工化工材料材料 材料、微电子化工材料、微电子化工 化工化工能源能源 能源化工能源化工 化工化工食品食品 食品化工食品化工 化工化工环境环境 环境化工环境化工第47页，共129页。化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性案例一案例一：对二氯苯对二氯苯（PDCB）的生产）的生产 苯苯+Cl2 混合混合氯氯苯苯 精馏精馏 （氯苯、（氯苯、二氯苯二氯苯、三氯苯）、三氯苯）二氯苯二氯苯 结晶分离结晶分离 晶体晶体 +母液母液 （77%PDCB，33%ODC
30、B）（96-98%PDCB）（）（含含80%ODCB的母液）的母液）传统工艺：传统工艺：催化剂催化剂 FeO第48页，共129页。化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性 反应反应:苯苯 +Cl2 混合二氯苯混合二氯苯 混合二氯苯混合二氯苯 结晶分离结晶分离 晶体晶体(99.5%PDCB)新工艺革除了精馏过程新工艺革除了精馏过程新工艺新工艺:催化剂催化剂:分子筛分子筛80-90%PDCB 10-20%ODCB第49页，共129页。化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性案例二：醋酸生产案例二：醋酸生产反应：反应：乙烯乙烯 +O+O 2 2 乙醛乙醛 醋酸
31、醋酸主要原料：主要原料：乙烯乙烯传统工艺：传统工艺：乙烯氧化法乙烯氧化法第50页，共129页。化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性反应路线：反应路线：H2 +CO 甲醇甲醇甲醇甲醇+CO 醋酸醋酸主要原料：主要原料：合成气合成气 CO、H 2，（合成气可由天然气、煤、石脑油转化而来）（合成气可由天然气、煤、石脑油转化而来）新工艺：新工艺：羰基合成法羰基合成法第51页，共129页。化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性 乙炔乙炔 乙烯乙烯 醋酸醋酸 CH4 合成气（合成气（CO，H2，CO2）甲醛甲醛 甲醇甲醇第52页，共129页。化工技术的强烈渗透
32、性化工技术的强烈渗透性生物反应器的设计放大生物反应器的设计放大 大规模微生物和细胞培养技术（反应器内的搅拌、供大规模微生物和细胞培养技术（反应器内的搅拌、供O2、酶固定化技术、酶固定化技术 )生物产品的分离提纯技术生物产品的分离提纯技术 生物分离的特点：产品浓度低，生物分离的特点：产品浓度低，1-3%1-3%；产品对温度敏感，；产品对温度敏感，易失活；共存的蛋白质易失活；共存的蛋白质 化工技术在化工技术在生物领域渗透生物领域渗透第53页，共129页。生物产品萃取技术的进步生物产品萃取技术的进步 双水相萃取：双水相萃取：利用水溶性高分子物质作为萃取剂，用盐利用水溶性高分子物质作为萃取剂，用盐作为
33、分相剂，提高萃取率，克服乳化。作为分相剂，提高萃取率，克服乳化。固定床萃取固定床萃取：萃取液固定于多孔介质中，控制乳化现象。萃取液固定于多孔介质中，控制乳化现象。第54页，共129页。生物产品萃取技术的进步生物产品萃取技术的进步 相转移萃取相转移萃取：利用具有临界互溶点的体系，通过调控温度，组成来改利用具有临界互溶点的体系，通过调控温度，组成来改变相态，实施萃取。变相态，实施萃取。预分散萃取：预分散萃取：将萃取剂制成高度分散的水包油型的乳液，将此乳液负载将萃取剂制成高度分散的水包油型的乳液，将此乳液负载在皂膜包覆的微小气泡上，随气泡上浮，穿过发酵液完成在皂膜包覆的微小气泡上，随气泡上浮，穿过发
34、酵液完成萃取。萃取。第55页，共129页。材料的功能化材料的功能化 生物降解，超强吸水，电流变，导电高分子等。生物降解，超强吸水，电流变，导电高分子等。材料的超细、超纯化材料的超细、超纯化 超纯硅，超细钛白粉、碳酸钙，硫酸钡。超纯硅，超细钛白粉、碳酸钙，硫酸钡。材料的特殊加工材料的特殊加工 化学气相沉积技术实现了微电子元件的化学气相沉积技术实现了微电子元件的“裁剪裁剪”，光纤的高，光纤的高速拉伸涂敷。速拉伸涂敷。化工技术在化工技术在材料领域渗透材料领域渗透第56页，共129页。第二节：化工过程开发的意义第二节：化工过程开发的意义一、过程开发的必要性一、过程开发的必要性二、选题的基本原则二、选题
35、的基本原则三、案例分析及启示三、案例分析及启示第57页，共129页。一、过程开发的必要性一、过程开发的必要性 过程开发过程开发：为促进化工新技术、新设备的工业化而进行的技为促进化工新技术、新设备的工业化而进行的技术活动。术活动。开发目标开发目标：实验室成果实验室成果 工业化的生产装置工业化的生产装置 开发路线开发路线：立项立项 研究研究 设计设计 建设建设 投产投产第58页，共129页。过程开发在过程开发在技术上技术上的必要性的必要性 规模与操作状态的差异规模与操作状态的差异 实验室装置：实验室装置：小型、间歇，孤立运行，受小型、间歇，孤立运行，受设备与环境因素的影响小，接近理想的状态。设备与
36、环境因素的影响小，接近理想的状态。工业化装置：工业化装置：大型、连续、工序配合，工程大型、连续、工序配合，工程因素影响显著（传热、传质、混合、流动）因素影响显著（传热、传质、混合、流动）第59页，共129页。原料的差异原料的差异 实验室研究：实验室研究：物料纯净，组成稳定。物料纯净，组成稳定。工业化生产：工业化生产：原料来源原料来源,物料循环，杂质积累物料循环，杂质积累过程开发在过程开发在技术上技术上的必要性的必要性第60页，共129页。过程开发在过程开发在技术上技术上的必要性的必要性 设备的差异设备的差异实验室：实验室：玻璃器皿，难以考察腐蚀的影响。玻璃器皿，难以考察腐蚀的影响。工业装置：工
37、业装置：设备腐蚀往往是致命伤设备腐蚀往往是致命伤。关注点的差异关注点的差异实验室：实验室：关注核心技术的创新和开发。关注核心技术的创新和开发。工业生产：工业生产：关注成本、能耗、环保。关注成本、能耗、环保。（三废（三废”治理和副治理和副 产物的综合利用问题）产物的综合利用问题）第61页，共129页。过程开发在过程开发在经济上经济上的必要性的必要性 原材料的来源与技术路线的匹配原材料的来源与技术路线的匹配 产品的质量与用户要求的匹配产品的质量与用户要求的匹配 供货渠道与销售渠道的预测供货渠道与销售渠道的预测 能源状况与消耗定额的考量能源状况与消耗定额的考量第62页，共129页。化工过程开发的选题
38、原则化工过程开发的选题原则 关注国家发展战略关注国家发展战略 关注企业的技术需求关注企业的技术需求 关注市场产品需求关注市场产品需求第63页，共129页。关注国家的远期或近期发展规划。关注国家的远期或近期发展规划。关注国际学术界的创新热点。关注国际学术界的创新热点。关注企业的核心技术和生产关注企业的核心技术和生产“瓶颈瓶颈”。关注环境保护、资源利用问题。关注环境保护、资源利用问题。需求之一：来自国家发展战略需求之一：来自国家发展战略第64页，共129页。销售人员发现某种新材料或新产品有潜在的市场，而目前尚无生产销售人员发现某种新材料或新产品有潜在的市场，而目前尚无生产商商.一种新的催化剂问世，
39、可以有效的降低现有产品的生产成本，提高产品一种新的催化剂问世，可以有效的降低现有产品的生产成本，提高产品的市场竞争力。的市场竞争力。企业的产品供需不平衡，需要消化多余的库存。企业的产品供需不平衡，需要消化多余的库存。企业因为产品效益不高，有生存危机，需要挖潜改造，企业因为产品效益不高，有生存危机，需要挖潜改造，寻求新寻求新的出路。的出路。需求之二：来自企业或市场需求之二：来自企业或市场第65页，共129页。化工过程开发的思维方法化工过程开发的思维方法 运用一种反向的设计概念达到目的，即从分析客户需运用一种反向的设计概念达到目的，即从分析客户需要开始，首先是产品设计，进而过程设计，最后回答需要要
40、开始，首先是产品设计，进而过程设计，最后回答需要开展什么样的研究。开展什么样的研究。用户用户研究人员研究人员思维、选择思维、选择研究、开发研究、开发第66页，共129页。确定技术开发路线的基本原则确定技术开发路线的基本原则 技术与经济相结合的原则技术与经济相结合的原则 由于技术的积累，针对一个课题，往往会有多由于技术的积累，针对一个课题，往往会有多种可供选择的研究方案，研究者必须根据研究种可供选择的研究方案，研究者必须根据研究对象的特征对象的特征，利用，利用技术和经济技术和经济这两大杠杆对方这两大杠杆对方案进行筛选和评价，以确定研究工作的最佳切案进行筛选和评价，以确定研究工作的最佳切入点入点。
41、第67页，共129页。确定技术开发路线的基本原则确定技术开发路线的基本原则工艺与工程相结合的原则工艺与工程相结合的原则 将反应过程的将反应过程的工艺特性工艺特性与反应器的与反应器的工程特性工程特性有机结合，可以帮助研究者找到行之有效的研究有机结合，可以帮助研究者找到行之有效的研究方法，得到有益的启发，产生新的技术路线。方法，得到有益的启发，产生新的技术路线。第68页，共129页。案例案例1：一个企业生存的问题：一个企业生存的问题 某个生产石灰的小企业，因为产品价值低，销售不畅某个生产石灰的小企业，因为产品价值低，销售不畅而频临倒闭，厂长求助于化工专家帮助寻求出路，而频临倒闭，厂长求助于化工专家
42、帮助寻求出路，专家专家建议：建议：详细调查周边详细调查周边200200平方公里范围内的饮料、啤酒平方公里范围内的饮料、啤酒的市场需求及生产情况后再作决定，的市场需求及生产情况后再作决定，请问：请问：专家想用什专家想用什么办法征求拯救这个小厂？么办法征求拯救这个小厂？为什么作此建议？为什么作此建议？第69页，共129页。专家的意图专家的意图 如果周边的有饮料和啤酒的市场需求和生产厂家，可以考虑回收石灰窑尾气中的CO2，制取高纯度的液体CO2出售给饮料啤酒的生产厂家来获利。第70页，共129页。专家意图得以实现的前提专家意图得以实现的前提1 1、周边有足够的饮料啤酒消费需求（周边有足够的饮料啤酒消
43、费需求（确定产量确定产量）；）；2 2、周边有生产饮料啤酒的厂家，而没有生产液体、周边有生产饮料啤酒的厂家，而没有生产液体CO2的的厂家（厂家（确保销路确保销路）；）；3 3、有合适的技术回收并提纯石灰尾气中的、有合适的技术回收并提纯石灰尾气中的CO2气体，使气体，使之达到食用级液体之达到食用级液体CO2的要求（的要求（技术开发技术开发）。）。第71页，共129页。寻求合适的寻求合适的CO2分离技术分离技术 需要广泛地查阅文献，收集技术信息：需要广泛地查阅文献，收集技术信息：需要需要充分了解充分了解CO2气源的特征，即被分离对象的特征；气源的特征，即被分离对象的特征；需要根据对象的特征选择最适
44、合的技术方法；需要根据对象的特征选择最适合的技术方法；需要设法改进技术水平，提高生产效率。需要设法改进技术水平，提高生产效率。涉及问题：工艺技术涉及问题：工艺技术 与与 生产设备生产设备第72页，共129页。常用的常用的CO2的分离回收技术的分离回收技术变压吸附技术变压吸附技术：其技术特征是CO2在固体吸附剂上被加压吸附，减压再生。膜分离技术膜分离技术：其技术特征是借助于压差推动力和膜材料的选择性，使CO2气体与其他气体分离。物理吸收技术物理吸收技术：其技术特征是CO2在吸收剂中被加压溶解吸收，减压再生。化学吸收技术化学吸收技术：其技术特征是CO2在吸收剂中反应吸收，加热再生。化学吸收剂主要有
45、两大系列，一是有机胺水溶液系列，二是热碱水溶液系列（碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钠）。第73页，共129页。本课题究竟应该从哪条技术路线入手呢？本课题究竟应该从哪条技术路线入手呢？思考？思考？结合被分离对象的特征和技术目标，从技术和经济结合被分离对象的特征和技术目标，从技术和经济两方面加以考虑。两方面加以考虑。第74页，共129页。对象的特征对象的特征 来自于石灰窑尾气中的CO2，气体中含有固体微尘；气源压力为常压；组成为CO2 20 35%，其余为N2、O2、和少量硫化物；第75页，共129页。技术目标技术目标 分离要求分离要求 要求达到年产要求达到年产200200吨液体吨液体CO2的生产能力的生
46、产能力,窑窑气中气中CO2的回收率达到的回收率达到60%60%以上以上;液体液体CO2的纯度达到的纯度达到99.9%.99.9%.第76页，共129页。技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证 从经济角度分析：变压吸附和物从经济角度分析：变压吸附和物理吸收的方法是不可取的。理吸收的方法是不可取的。为什么？为什么？这两种方法都必须对气源加压才能保证这两种方法都必须对气源加压才能保证CO2的回收率，而气体加的回收率，而气体加压所消耗的能量压所消耗的能量60 80%60 80%被用于非被用于非CO2气体的压缩，这部分气体的压缩，这部分能量随着吸收后尾气的排放而损耗，其能量损失是相当可观的。能量随着吸
47、收后尾气的排放而损耗，其能量损失是相当可观的。第77页，共129页。技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证 从技术角度分析：膜分离的方法从技术角度分析：膜分离的方法也不理想。也不理想。为什么？为什么？因为气体中的固体微尘灰很容易造成膜污染，使膜通量因为气体中的固体微尘灰很容易造成膜污染，使膜通量和寿命下降，效率降低，存在工程隐患。和寿命下降，效率降低，存在工程隐患。第78页，共129页。可以考虑的方法只有化学吸收。在化可以考虑的方法只有化学吸收。在化学吸收中，由于化学反应的存在，溶液学吸收中，由于化学反应的存在，溶液的吸收能力大，平衡分压低，即使在常的吸收能力大，平衡分压低，即使在常压下操作
48、，也能维持足够的传质推动力，压下操作，也能维持足够的传质推动力，确保气体的回收率。确保气体的回收率。技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证第79页，共129页。要考虑的问题是，选择要考虑的问题是，选择哪一种化学吸收剂更合理？哪一种化学吸收剂更合理？有机胺？碱溶液？有机胺？碱溶液？技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证？第80页，共129页。技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证 如果选用如果选用有机胺水溶液有机胺水溶液，从技术上分析，存从技术上分析，存在潜在的隐患，其一、因为气源中含氧，有机在潜在的隐患，其一、因为气源中含氧，有机胺长期与氧接触会氧化降解，使吸收剂性能恶胺长期与氧接触会氧
49、化降解，使吸收剂性能恶化甚至失效，其二、有机胺有挥发性，会污染化甚至失效，其二、有机胺有挥发性，会污染产品，所以，也是不可取。产品，所以，也是不可取。第81页，共129页。现在，唯一可以考虑的就是采用热碱溶液吸现在，唯一可以考虑的就是采用热碱溶液吸收收CO2的方案。的方案。选用哪种碱溶液呢？选用哪种碱溶液呢？技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证？第82页，共129页。因为企业开发此项目的目的是希望获得高纯因为企业开发此项目的目的是希望获得高纯度的液体度的液体CO2，这意味着不仅要将，这意味着不仅要将CO2从窑气从窑气中吸收分离出来，而且要让中吸收分离出来，而且要让CO2从吸收液中释从吸收液
50、中释放（再生）出来，形成高纯度的气体，以便液放（再生）出来，形成高纯度的气体，以便液化。因此，所选择的碱液必须兼具良好的吸收化。因此，所选择的碱液必须兼具良好的吸收和再生性能，这就是选择吸收液的基本标准。和再生性能，这就是选择吸收液的基本标准。技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证第83页，共129页。吸收液性能的含义吸收液性能的含义 吸收性能：吸收性能：吸收速率的快慢，吸收容量的吸收速率的快慢，吸收容量的大小（平衡溶解度）；大小（平衡溶解度）；再生性能：再生性能：解吸速率的快慢，再生后残解吸速率的快慢，再生后残余浓度的大小（再生度余浓度的大小（再生度)；第84页，共129页。吸收速率吸收液
