我在拙文《掌握化工流程模拟:你需要知道什么?》一文中强调做流程模拟中化学工程专业知识的重要性,这是用好流程模拟的先决条件,包括但不仅限于:
热力学:热量平衡(汽、液相态下纯组分、多组分混合物的焓值计算),多组分混合物的相平衡(汽液,气液,液液,汽液液),化学反应平衡,稳态流动系统的热功能量平衡
单元操作:三传一反单元操作原理,即流体输送、换热、分离和反应器
化工设计和集成:概念设计,分离序列集成,换热网络集成
流程模拟分成两类:
全流程模拟:包含某一产品制造工艺的所有主要单元,偏向质量和热量平衡计算
单元模拟:只对某一单元作详细模拟计算,偏向单元设计和水力学计(Hydraulics)
本文主要谈全流程模拟的基础。开始流程模拟之前,先要对待模拟的化工过程的主体作分解和分析。一个完整工艺流程由那些部分组成?谁是化工流程是核心?流程模拟时如何来分析反应、分离和换热?
一、用洋葱头模型分析一个化工流程
读者可以先看一个简单的化工流程:甲苯加氢脱烷基,来自《产品与过程设计原理》(W.D Seider, J.D Seader, D.R Lewin,中文版)。这个简单的流程包含了一个典型化工工艺的所有基本特征,适合教学。我去年受师弟邀请,在给交大化工系本科生讲“过程分析和设计”时,也用到这个例子。
反应条件:1200~1270 F (650degC),494Psia(34bar)
Conversion: 75% C7 toC6, 2% C6 to C12
Fig.1 甲苯加氢脱烷基反应条件
Fig.2 甲苯加氢脱烷基流程图
化学反应是一个化工过程的核心,化学工业的特点就是通过化学反应将原料分子转化成产品分子,但并非反应器出口就是最终产品,还需对产物进行分离纯化才能得到最终产品,要实现反应或者分离都需要能量作为驱动力。
我在工作中,无论是理解或优化一个现有的化工工艺流程,还是去做概念设计创建一个新的工艺流程,我都喜欢采用洋葱头模拟(Onion Model)来分析一个化工过程。洋葱头模拟将一个化工流程从内向外分成五个层次:
反应器
分离和循环系统
换热和热回收系统
公用工程系统
排放处理系统
Fig.3 化工设计和集成的洋葱头模型
对全流程模拟来说,主要集中关注前三层:反应、分离、换热。
二、反应器是化工过程的核心
化学反应条件是一个化工工艺优劣的根本因素,一个理想的工业化反应, 具备:
反应收率高:原料高转化率,高反应的高选择性,则原料利用率高,原料成本低;后续的分离简单,分离系统投资成本和操作成本低
反应条件温和:如常温常压,反应器的投资成本和操作成本低
高收率是反应器设计的第一目标,为了实现高收率,必要时采用苛刻的反应条件,如高温高压。通常反应条件在研发阶段确定,包括温度、压力、催化剂、溶剂以及反应器形式,设计团队无权修改这些条件。若要考虑更适合工业化规模生产的反应条件,必须要求研发团队重新补做实验。
在全流程模拟时,反应器部分通常作为黑箱单元处理,根据所给的反应条件只需做质量衡算(主副反应转化率)和热量衡算(热效应)。反应器本身设计需要在全流程模拟前独立完成, 不在概念设计范围内.
为达到全流程模拟需要,对反应器和反应器作基本分析即可。
1、定性了解反应特点
主反应: 反应速率(快或慢), 反应热(吸热或放热),相态(均相或非均相反应,气相体积增多或减少,液相之间的相容性),需要催化剂否
各步的副反应: 与主反应串联还是并联,消耗产物否
2、根据反应特点理解所确定的反应条件
反应器特点: 返混程度,多相(催化剂、气液、液液),分散相和连续相
原料组分的摩尔比和过量比
溶剂类型以及所控制的关键反应物浓度
反应温度与压力
主、副反应的转化率
未完待续!
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