化工过程分析与合成6.ppt

1、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

2、动化水平低，劳动强度大，而且产品质量不自动化水平低，劳动强度大，而且产品质量不稳定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从技术上讲，目前有从技术上讲，目前有9191的间歇过程可以用连的间歇过程可以用

3、连续过程来替代续过程来替代间歇过程具有灵活多变的特性，即它可以用同间歇过程具有灵活多变的特性，即它可以用同一套多用途、多功能的设备生产多种类型的产一套多用途、多功能的设备生产多种类型的产品品因此间歇过程仍占有重要地位因此间歇过程仍占有重要地位6.1 6.1 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

4、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歇与连续过程在有关部程在有关部门的的应用情况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

5、点间歇化工的特点6.1.2 6.1.2 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

6、改变。改变。间歇过程中的设备尺寸的设计并不是很精确的间歇过程中的设备尺寸的设计并不是很精确的（能够用来生产多个产品）。（能够用来生产多个产品）。连续过程中的安全系统，主要是降低系统的停连续过程中的安全系统，主要是降低系统的停车时间。间歇过程不需要。车时间。间歇过程不需要。间歇过程通常为小批量、高附加值的化学品而间歇过程通常为小批量、高附加值的化学品而设计的，一个生产周期只能生产一批产品。连设计的，一个生产周期只能生产一批产品。连续过程通常是为需求量很大的特定产品而设计续过程通常是为需求量很大的特定产品而设计的，原料连续加入，产品连续排出。的，原料连续加入，产品连续排出。间歇过程必须对整个生产过

7、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6.1.3 6.1.3 间歇过程基本概念间歇过程基本概念间歇歇过程的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

8、存贮设备（中间存贮设备（ISIS）间歇歇过程的分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间歇过程的操作方式间歇过程的操作方式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。在间歇在间歇j j独立操作过程中，某台设备加工两批独立操作过程中，某台设备加工两批物料的时间间隔称为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

9、“间间歇级歇级j j的循环时间的循环时间”。顺序地从工厂得到两批序地从工厂得到两批产品之品之间的的时间间隔称隔称为“限定循限定循环时间（LCTLCT）”，也称也称为“批批间隔隔”，记为T TL L。若若间歇歇级j j的循的循环时间等于等于T TL L，则该间歇歇级构成构成了了间歇操作歇操作过程的程的“瓶瓶颈”，因此把它称，因此把它称为“时间限制限制级”。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j j个间歇级有个间歇级有m mj j台相同设台相同设备，在不同时间交替

10、加工第备，在不同时间交替加工第j-1j-1级来的不同物级来的不同物料。这时该间歇级的循环时间为该级中一台设料。这时该间歇级的循环时间为该级中一台设备循环时间的备循环时间的1/1/m mj j。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j j级的级的m mj j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j j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m mj j倍倍非覆盖式操作非覆盖式操作限定循环时间和一批进料完全通过此过程限定循环时间和一批进料完全通过此过程的停留时间的

11、停留时间T TR R相等相等覆盖式操作覆盖式操作过程的限定循环时间或批间隔，取决于具过程的限定循环时间或批间隔，取决于具有最大级循环时间的限制级即时间限制级有最大级循环时间的限制级即时间限制级异步覆盖式操作异步覆盖式操作过程的限定循环时间或批间隔，取决于具过程的限定循环时间或批间隔，取决于具有最大级循环时间的限制级即时间限制级有最大级循环时间的限制级即时间限制级6.2 6.2 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

12、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6.2.1 6.2.1 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A A的浓度的浓度C CA A和温度和温度T T符符合规定要求合规定要求由于是二元体系，确定了一由于是二

13、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B B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，可以确根据过程的特征和操作目标，可以确定过程的状态变量为：定过程的状态变量为：槽中液位槽中液位h h 反反应混合物中混合物中组分分A A的的浓度度C CA A混合物的温度混合物的温度T T总物料衡算：物料衡算：组分分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A A和纯和纯B B为基准物态，为基准物态，00为基准温度，则物为基准温度，则物流流i i的焓可表示为的焓可表示为系统的能量衡算方程可

14、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C CA A的变化不大。在此条件下，的变化不大。在此条件下，HHS S可以可以假定为常数。若再假定假定为常数。若再假定C Cp1p1=C=Cp2p2=C=Cp p整理可得整理可得6.2.2 6.2.2 间歇、半连续反应过程的模型、间歇、半连续反应过程的模型、模拟和优化模拟和优化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，可以认为反对于间歇操作的理想搅拌反应器，可以认为反对于间歇操作的理想搅拌反应器，可以认为反对于间歇操作的理想搅拌反应器，可以

15、认为反应混合物是均匀的，也就是说既不出现温度梯应混合物是均匀的，也就是说既不出现温度梯应混合物是均匀的，也就是说既不出现温度梯应混合物是均匀的，也就是说既不出现温度梯度也不出现浓度梯度度也不出现浓度梯度度也不出现浓度梯度度也不出现浓度梯度质量衡算: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：生产能力LP是指单位时间产物Ai的生产量。间歇操作反应器的LP是基于整个反应周期的持续时间t2的生产量计算的，t2包括达到预期转化率所需的时间tR和反应器装量、卸料、清洗、加热和冷却所需辅助时间ta因为X=(ni,0-ni)/ni,0，故有通过将表达式X/(tR+ta)对

16、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，随着准备时间的增加，在已知动力学的情况下，随着准备时间的增加，为了使反应器的生产能力最大，必须提高转化率为了使反应器的生产能力最大，必须提高转化率6.3 6.3 间歇过程的最优时间表间歇过程的最优时间表6.3.1 6.3.1 时间表问题时间表问题时间表问题或称生产调度，是间歇生产安排中的重要部分。生产时间表的开发是间歇过程优化的主要问题。时间表的需要不是来自加工操作的本质，如连续，半连续或间歇，也不是由被加工的物料的性质决定的，而是因为在不同产品之间必须划分出一个装置上的生产时间，所以需要时间表例：例：例：例：有四种产品A、B、C和D需要用四台间歇设备、和按一定的顺序进行加工可能的方案：1.按产品次序，一个产品加工完成后再加工另一个。缺点是一些设备的闲置时间过长。2.交叉使用各台设备。可能的时间表可能的时间表表中遵循了一个约束条件，即各产品均有它自己的加表中遵循了一个约束条件，即各产品均有它自己的加工次序。在排序理论中称表中的加工次序为工次序。在排序理论中称表中的加工次序为“