掌握化工流程模拟: 先理解工艺再说（1）

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：

1. 反应器

2. 分离和循环系统

3. 换热和热回收系统

4. 公用工程系统

5. 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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