除小部分新產品外,國內大部分化工技術中,工藝路線已基本確定。針對相同原料,獲得相同產品如有幾種工藝路線,則對每一種路線分別進行分析、比較后確定。
主要從以下幾個方面來考慮:
1、所需的溫度、壓力等參數。幾種路線中實現的效果相近,優先選擇易于實現操作參數的路線;
2、投資;
3、能耗;
4、安全;
5、環保;
6、對材質的要求;
7、產品質量;
8、是否侵權。
二、收集數據
通過實驗(實驗室、小試、中試、產業化生產等)或查詢文獻、論文、技術書籍等所有可能的渠道收集基礎數據(在合法的前提下)。包括:技術中涉及的所有物質的物性及物質間的相互影響,所有涉及到的反應及催化劑、反應機理等。同時注意對整個過程中形成的知識產權的保護。
關于反應
眾所周知,反應為整個系統的靈魂,也是“洋蔥模型”的最中心,它出了問題,所有其他工作都是白搭,它錯了,整個基準就錯了。所以,非常、非常、非常重要!
反應按是否有催化劑分:催化反應、非催化反應;按相態分:均相反應、非均相反應。
無論屬于何種反應,作為工藝包開發者均需對反應有透側的理解,對反應機理要清清楚楚、明明白白。
僅做實驗室研發的科研人員很難把工藝包做好,受兩個因素制約,因素一:缺乏工程化經驗;因素二:缺乏工業化后的生產經驗。僅做工程設計的技術人員也很難把工藝包做好,因為缺乏對反應機理的認識和相關數據,同時還缺乏生產數據及生產經驗。僅做生產的技術人員同樣也很難做好,因為缺乏研發和工程設計的經驗及數據。
如為催化反應,工藝包開發人員至少需掌握催化劑的物理性能參數,如:強度、孔隙率、堆密度、活性組份、載體等。此外還要掌握催化劑的化學性能,如反應的轉化率、選擇性、反應的影響因素(包括溫度、壓力、流量、組份配比)、空速、催化劑失活中毒影響因素、反應熱力學平衡參數、反應動力學方程、反應控制步驟等等。當然,這些數據也可以由項目組中專門從事催化劑研發的人員提供。
如為非催化反應,同樣需掌握反應機理、反應影響因素、反應動力學方程、反應控制步驟、吸/放熱量、超溫后果、反應失控保護措施等。
關于分離再循環
化工裝置中常見的分離為氣液分離、吸收、氣提、解析、精餾等。
普通分離罐的計算一般按分離液滴直徑進行計算,高效分離罐一般提出工藝要求。
吸收的關鍵是尋找合適的吸收劑,氣提為打破原氣液相平衡,通過改變分壓實現分離,解析為吸收的逆過程,普通精餾按沸點進行分離即可,如分離中存在共沸物或沸點相差很小的物質,則可考慮特殊精餾,如:共沸精餾、萃取精餾或變壓精餾等。需根據被分離物質的具體情況分析后確定。
如數據庫中缺少二元交互參數,需對氣液相平衡數據進行測量或通過查閱資料獲取,然后對氣液相平衡數據進行數據回歸,得到二元交互參數,從而才能進行準確的分離計算。
循環一般分為氣相循環和液相循環,循環一般是為了滿足反應的需要或分離的需要。
化工裝置中大部分反應單程轉化率并不高,為了獲得較高的收率,只能采用循環的方式,如合成氨、尿素、碳銨、煤焦油加氫、三聚氰胺、甲醇、乙二醇等裝置。此外,有些難分離物系,為了獲得高收率、好的產品質量,也會采用循環的方式。循環量越大、循環壓降越大,也就意味著能耗越高,這里面降能耗可挖掘的空間巨大。通常,循環越多,流程的復雜程度就越高,設計、控制、操作的難度也就越大。
關于傳熱
收集技術中涉及的所有物質/流股的焓和比熱值,所有反應的反應熱、熔解熱等。裝置內按溫度及熱量梯級換熱回收熱量(盡可能在裝置內考慮熱量的回收利用,如裝置內不能回收利用的熱量,則從全廠的角度來考慮熱量的回收利用)。
在進行換熱網絡設計時,切記純理論考慮,要同時兼顧操作及工藝的可行性,由于換熱帶來的露點腐蝕、結晶、堵塞、氣液兩相對催化劑的影響等均需周全考慮。
關于動量傳遞
收集所有流股的粘度、汽化壓力等參數,兩相流避免活塞流,通過合理的設備布置來減少動量消耗,節約能源。
三、流程模擬
工藝包開發,進行全流程模擬是必不可少的。對于流程模擬有兩種較極端且不正確的觀點。
觀點一:流程模擬是萬能的,什么都是模擬一下就能獲得;
觀點二:流程模擬沒有用,受影響因素太多,根本算不準。以上兩種觀點都是瞎子摸象,不能客觀的來認識模擬軟件。
下面筆者結合自己的實戰經驗來談談個人的看法:
1、流程模擬對工藝的認識非常有幫助,尤其是經過全流程模擬后,對全系統的認識會有質的飛躍;
2、流程模擬并非簡單的輸入、輸出,需要注入大量的人為分析,每一個參數的變化以及它的影響因素,以及一個參數的改變帶來的全系統的變化都是需要逐個分析的。此外,關鍵數據還需要與實驗、小試、中試及產業化生產等的數據進行比對分析,進一步對模型數據進行修正;
3、流程模擬并非萬能的,沒有輸入就沒有輸出,輸入錯了,輸出一定錯。輸入對了,輸出也有可能與實驗或生產數據不符,需對出現的不符情況進行細致的分析論證,找出矛盾的原因;
4、流程模擬的應用可大大縮短工藝包的開發時間,減少實驗工作量,指導生產,預測數據發展趨勢;
5、通過流程模擬可獲得完整的物料、能量平衡數據,物性參數等,為工程設計、生產提供基礎數據;
6、可以通過模擬對各種方案進行綜合對比,從而得到最優方案。