第六章间歇化工过程.ppt

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六六间歇化工过程间歇化工过程前言前言按最终产品的输出形式，工业加工过程可分为按最终产品的输出形式，工业加工过程可分为：

连续、离散和间歇过程连续、离散和间歇过程间歇过程在化工生产和人们日常生活中占有重间歇过程在化工生产和人们日常生活中占有重要的地位要的地位精细化工、生物化工等高技术密集和知识密集精细化工、生物化工等高技术密集和知识密集的新兴产业的新兴产业广泛用于食品、聚合物、药品、分子筛、增塑广泛用于食品、聚合物、药品、分子筛、增塑剂、抗氧剂、染料和涂料等产品生产剂、抗氧剂、染料和涂料等产品生产历史历史3030年代以前，绝大多数化工过程采用间歇操作年代以前，绝大多数化工过程采用间歇操作，自动化水平低，劳动强度大，而且产品质量，自动化水平低，劳动强度大，而且产品质量不稳定不稳定向连续化生产过渡向连续化生产过渡8080年代以来，从商品化学品生产转向专用的功年代以来，从商品化学品生产转向专用的功能化学品生产；从大规模过程转向小规模的具能化学品生产；从大规模过程转向小规模的具有弹性的过程；从连续加工转向间歇加工；从有弹性的过程；从连续加工转向间歇加工；从过去靠价格竞争转向现在靠质量竞争；从过去过去靠价格竞争转向现在靠质量竞争；从过去靠投资来推动发展转向靠信息来推动发展等等靠投资来推动发展转向靠信息来推动发展等等6.16.1间歇过程与连续过程间歇过程与连续过程习惯上称非连续化工过程为间歇化工过程。

习惯上称非连续化工过程为间歇化工过程。

间歇过程通常被定义为间歇过程通常被定义为“将有限量的物料，按将有限量的物料，按将有限量的物料，按将有限量的物料，按规定的加工顺序，在一个或多个设备中加工，规定的加工顺序，在一个或多个设备中加工，规定的加工顺序，在一个或多个设备中加工，规定的加工顺序，在一个或多个设备中加工，以获得有限量产品的加工过程。

如果需要更多以获得有限量产品的加工过程。

如果需要更多以获得有限量产品的加工过程。

如果需要更多以获得有限量产品的加工过程。

如果需要更多的产品，必须重复该过程。

的产品，必须重复该过程。

的产品，必须重复该过程。

的产品，必须重复该过程。

”间歇过程既不是连续过程也不是离散过程。

但间歇过程既不是连续过程也不是离散过程。

但具有连续过程和离散过程的特点具有连续过程和离散过程的特点间歇与连续过程在有关部门的应用情况间歇与连续过程在有关部门的应用情况技术密集性技术密集性动态性动态性多样性多样性柔韧性柔韧性不确定性不确定性6.1.16.1.1间歇化工的特点间歇化工的特点6.1.26.1.2间歇过程与连续过程的比较间歇过程与连续过程的比较动态特性是间歇过程的本质，而连续过程的本质动态特性是间歇过程的本质，而连续过程的本质是稳态操作是稳态操作在间歇过程中，原料必须按配方规定的加工任务在间歇过程中，原料必须按配方规定的加工任务和顺序，在合适的设备中进行加工。

在连续过程和顺序，在合适的设备中进行加工。

在连续过程中，原料连续加入，各加工任务同时进行中，原料连续加入，各加工任务同时进行通过详细的系统分析，可找到连续过程的瓶颈问通过详细的系统分析，可找到连续过程的瓶颈问题，而间歇过程的瓶颈问题随产品及操作策略而题，而间歇过程的瓶颈问题随产品及操作策略而改变。

改变。

间歇过程必须对整个生产过程，进行有效的排间歇过程必须对整个生产过程，进行有效的排序或进行生产时间表安排。

序或进行生产时间表安排。

由于间歇过程的柔韧性和弹性，它适合于市场由于间歇过程的柔韧性和弹性，它适合于市场供求不稳定的产品的生产。

连续过程则适合于供求不稳定的产品的生产。

连续过程则适合于市场供求稳定的产品的生产。

对于市场需求量市场供求稳定的产品的生产。

对于市场需求量很大的产品，其初始阶段一般也是用间歇过程很大的产品，其初始阶段一般也是用间歇过程生产的生产的6.1.36.1.3间歇过程基本概念间歇过程基本概念间歇过程的设备间歇过程的设备单纯的间歇设备（单纯的间歇设备（TBUTBU）半连续设备（半连续设备（SCUSCU）中间存贮设备（中间存贮设备（ISIS）中间贮罐的作用中间贮罐的作用（11）将毗邻的间歇级或半连续的周期性操作解偶。

）将毗邻的间歇级或半连续的周期性操作解偶。

（22）补偿短期的供需不平衡）补偿短期的供需不平衡（33）操作上的波动缓冲作用）操作上的波动缓冲作用（44）独立存贮涉及不同产品的中间体。

）独立存贮涉及不同产品的中间体。

间歇过程的分类：

间歇过程的分类：

根据生产产品的数量根据生产产品的数量根据生产流程的结构根据生产流程的结构单流程结构单流程结构多流程结构多流程结构网络流程结构网络流程结构间歇设备或间歇级的基本操作顺序是：

进料、间歇设备或间歇级的基本操作顺序是：

进料、加工、等待倒空、倒空、清洗、等待进料、进加工、等待倒空、倒空、清洗、等待进料、进料，构成了一个操作循环。

料，构成了一个操作循环。

在间歇级在间歇级jj独立操作过程中，某台设备加工两独立操作过程中，某台设备加工两批物料的时间间隔称为批物料的时间间隔称为“该设备的循环时间该设备的循环时间”，整个间歇级加工两批物料的时间间隔称为整个间歇级加工两批物料的时间间隔称为“间间歇级歇级jj的循环时间的循环时间”。

间歇过程的操作方式间歇过程的操作方式顺序地从工厂得到两批产品之间的时间间隔称顺序地从工厂得到两批产品之间的时间间隔称为为“限定循环时间（限定循环时间（LCTLCT）”，也称为也称为“批间隔批间隔”，记为，记为TTLL。

若间歇级若间歇级jj的循环时间等于的循环时间等于TTLL，则该间歇级构成了间歇操作过程的则该间歇级构成了间歇操作过程的“瓶颈瓶颈”，因此把它称为，因此把它称为“时间限制级时间限制级”。

在同一个间歇级中可能有多台平行操作设备，在同一个间歇级中可能有多台平行操作设备，它们可以同步或异步方式操作。

它们可以同步或异步方式操作。

所谓异步操作是指第所谓异步操作是指第jj个间歇级有个间歇级有mmjj台相同设备，在不同时间交替加工第台相同设备，在不同时间交替加工第j-j-11级来的不同物料。

这时级来的不同物料。

这时该间歇级的循环时间该间歇级的循环时间为该级中一台设备循环时间的为该级中一台设备循环时间的1/1/mmjj。

若将第若将第j-1j-1级来的同一批物料分配在第级来的同一批物料分配在第jj级的级的mmjj个平行设备中同时加工，则称这些平行单元为个平行设备中同时加工，则称这些平行单元为“同步操作同步操作”。

此时间歇级。

此时间歇级jj的批量为该级中的批量为该级中一台设备批量的一台设备批量的mmjj倍倍GanntGannt图图假设一批物料在某间歇级加工完毕后，立即送入下一级加工假设一批物料在某间歇级加工完毕后，立即送入下一级加工限定循环时间和一批进料完限定循环时间和一批进料完全通过此过程的停留时间全通过此过程的停留时间TTRR相等，相等，TTLL=T=TRR=13=13非覆盖式操作非覆盖式操作只要前一批物料在第只要前一批物料在第j级，下一批物料即级，下一批物料即可进入可进入j-1级开始加级开始加工工过程的限定循环时间过程的限定循环时间或批间隔，取决于具或批间隔，取决于具有最大级循环时间的有最大级循环时间的限制级即时间限制级限制级即时间限制级覆盖式操作覆盖式操作TL=maxTj/mjTj代表某产品在间歇级代表某产品在间歇级j上的加工时间，上的加工时间，mj为第为第j级异步单元数级异步单元数图图6-4（b）T1=2,T2=8,T3=3,m1=m2=m3=1,TL=max2,8,3=8异步覆盖式操作异步覆盖式操作m1=m3=1,m2=2,限定循环时间限定循环时间TL=max2,8/2,3=46.26.2过程动态模型及模拟过程动态模型及模拟所有间歇操作过程都是非稳态或动态过程。

所有间歇操作过程都是非稳态或动态过程。

对间歇过程的建模要求，比对连续过程中由于对间歇过程的建模要求，比对连续过程中由于扰动所产生的动态过程更严格扰动所产生的动态过程更严格间歇过程的模拟可用来了解过程中各参数随时间歇过程的模拟可用来了解过程中各参数随时间的变化，以确定此间歇单元过程的操作时间间的变化，以确定此间歇单元过程的操作时间和最适宜操作条件和最适宜操作条件间歇过程的基本操作单元有间歇过程的基本操作单元有：

加料、反应、冷：

加料、反应、冷却、加热、混合、过滤、精馏、干燥、溶剂萃却、加热、混合、过滤、精馏、干燥、溶剂萃取和结晶等取和结晶等6.2.16.2.1混合过程混合过程操作目标是：

混合后产物流操作目标是：

混合后产物流中组分中组分AA的浓度的浓度CCAA和温度和温度TT符合规定要求符合规定要求由于是二元体系，确定了一由于是二元体系，确定了一种组分的浓度，另一组分浓种组分的浓度，另一组分浓度也就确定了。

因此，此例度也就确定了。

因此，此例中对中对BB组分的浓度不必另行组分的浓度不必另行考虑考虑根据过程的特征和操作目标，可以确定过程的状根据过程的特征和操作目标，可以确定过程的状根据过程的特征和操作目标，可以确定过程的状根据过程的特征和操作目标，可以确定过程的状态变量为：

态变量为：

态变量为：

态变量为：

槽中液位槽中液位hh反应混合物中组分反应混合物中组分AA的浓度的浓度CCAA混合物的温度混合物的温度TT总物料衡算：

总物料衡算：

组分组分A衡算方程衡算方程分部分部所以所以若取液态纯若取液态纯AA和纯和纯BB为基准物态，为基准物态，00为基准温为基准温度，则物流度，则物流ii的焓可表示为的焓可表示为HHsisi是在是在ooCC和物流和物流ii的浓度下，组分的浓度下，组分AA在在BB中的积分溶解热中的积分溶解热系统的能量衡算方程可列出系统的能量衡算方程可列出能量衡算能量衡算混合过程可望在良好的控制下进行，以至产物混合过程可望在良好的控制下进行，以至产物流浓度流浓度CCAA的变化不大。

在此条件下，的变化不大。

在此条件下，HHSS可以假定为常数。

若再假定可以假定为常数。

若再假定CCp1p1=C=Cp2p2=C=Cpp整理可得整理可得6.2.26.2.2间歇、半连续反应过程的模型、模拟间歇、半连续反应过程的模型、模拟和优化和优化1.间歇操作反应器间歇操作反应器对于间歇操作的理想搅拌反应器，可以认为对于间歇操作的理想搅拌反应器，可以认为对于间歇操作的理想搅拌反应器，可以认为对于间歇操作的理想搅拌反应器，可以认为反应混合物是均匀的，也就是说既不出现温反应混合物是均匀的，也就是说既不出现温反应混合物是均匀的，也就是说既不出现温反应混合物是均匀的，也就是说既不出现温度梯度也不出现浓度梯度度梯度也不出现浓度梯度度梯度也不出现浓度梯度度梯度也不出现浓度梯度在反应期间，反应物既不引出也不加入在反应期间，反应物既不引出也不加入在反应期间，反应物既不引出也不加入在反应期间，反应物既不引出也不加入质量衡算质量衡算:

与环境交换的热量：

与环境交换的热量：

由一般热量衡算式可得：

由一般热量衡算式可得：

CCWW反应器的总平均比热容，假定与温度无关反应器的总平均比热容，假定与温度无关CCPP反应物的平均定压比热容，假定与温度和产物的反应物的平均定压比热容，假定与温度和产物的组成变化无关。

组成变化无关。

生产能力生产能力LLPP是指单位时间产物是指单位时间产物AAii的生产量。

间歇操的生产量。

间歇操作反应器的作反应器的LLPP是基于整个反应周期的持续时间是基于整个反应周期的持续时间tt22的的生产量计算的，生产量计算的，tt22包括达到预期转化率所需的时间包括达到预期转化率所需的时间ttRR和反应器装量、卸料、清洗、加热和冷却所需辅和反应器装量、卸料、清洗、加热和冷却所需辅助时间助时间ttaa因为X=（ni,0-ni）/ni,0，故有通过将表达式X/（tR+ta）对tR求导数，并设为零，即可求解。

其结果经变换后为将转化率对反应时间作图，则可产生最佳转化率在已知动力学的情况下，随在已知动力学的情况下，随着准备时间的增加，为了着准备时间