化工工艺设计必备知识(3)

3.2 工艺流程方案优化

“洋葱头”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）

从图中可以看出设计的核心是反应系统的设计和开发。“洋葱头”模型强调过程开发和设计

的有序和分层性质。

¾ 反应流程优化见表-7.4.2（P-544）

反应流程优化需要考虑的问题较多，问题复杂。如反应动力学、反应收率、催化剂特性、反应历程、反应途径。

反应器的最优操作条件有如何保证反应温度、反应压力、混合要求、换热要求、各物料配比、给定条件下的生产成本等等。 ¾ 精馏流程的优化

精馏流程如需要分离R个组份，就需要有R-1个精馏塔。 精馏优化需要考虑：那种组份为主产品，那种组份为付产品。

产品的规格要求。

精馏流程的优化法1）：试探法，主要规则如下：

优先使用普通精馏。

尽量避免减压操作和使用冷量。 产品数应最少。

腐蚀性、危险性的组份应优先分出。 难分离的组分最后分出。 最大量组份应优先分出。

塔顶、塔釜产物最好等摩尔分离。

精馏流程的优化法2）：调优法 精馏流程的优化法3）：数学规划法 ¾ 蒸发流程的优化

1）单效、双效、三效蒸发。 2）热泵蒸发、膜式蒸发。 3）多级闪蒸。

4）强制循环蒸发、自然循环蒸发、。

结合蒸发器的类型（标准、悬框、列文、强制循环蒸发器）进行选择。 3.3 工艺设备的选择

¾ 反应器：

1）连续 1）均相 1）活塞流 （管式） 2）半连续 2）非均相 2）全混釜 （搅拌釜） 3）间歇

以上反应器的选择要根据物料性质、稳定性、反应复杂性、产品规模、反应时间、温度、压力等因素综合考虑。

不同类型的反应器在工业生产中的应用情况见P-547。 气液相反应器及固相反应器的使用情况见P-548。 固体催化反应器的使用情况见表7.4.3-3(P-548)。 ¾ 气液传质设备：

1） 板式塔：泡罩、浮阀、筛板等。板式塔塔板流体流向分布类型可分为U形流，单

溢流，双溢流等

2） 填料塔：a拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。

b散堆、规整填料。 c实体填料、丝网填料。

以上传质设备的选择要根据分离难易程度、压降大小、真空（热敏性物料）、物料性质、投资情况、腐蚀情况、物料清洁情况、安全要求、弹性大小、发泡等情况选择。(见P-549)

¾ 传热设备：

按功能分：冷却器、冷凝器、加热器、换热器、再沸器、蒸汽发生器、过热器、废热锅炉等。

按结构型式分：采用二物流换热的换热器从结构上分有以下5种型式： A.管壳式（固定管板式、浮头式、填料函式、U型管式） B.板式（板翅式、螺旋板式、伞板式、波纹板式） C.管式（空冷器、套管式、喷淋管式、箱管式） D.液膜式（升降膜式、刮板薄膜式、离心薄膜式） E.其它型式（板壳式、热管式） 以上型式换热器的选择依据是：

A.固定管板式换热器

固定管板式换热器即两端管板和壳体连接成一体，由于壳程不易检修和清洗，因此选用固定管板式换热器时，壳方流体应是较清洁且不易结垢的物料；两流体温差较大（大于60℃）时应考虑热补偿，两流体温差不易大于120℃。

B.浮头式换热器

该换热器壳程易清洗，但内垫片易渗漏，适用于需要补偿热膨胀的换热器，两流体温差大于120℃。

C.U型管式换热器

该换热器制造、安装方便，造价较低，管程耐高压，但结构不紧凑。适用于高温和高压的场合，且管内流体必须洁净。

D.板式换热器

板翅式：紧凑、效率高、可多股物料同时换热。使用温度不大于150℃。 螺旋板式：可用于带颗粒物料，物位利用好。不易检修。 伞板式：制造简单、紧凑、易清洗，使用温度不大于150℃，使用压力不大于0.12MPa。 波纹板式：紧凑、效率高、易清洗，使用温度不大于150℃，使用压力不大于0.15MPa。 E.空冷器的选择依据

a.空气入口温度（即设计温度）低于38℃。

b.热流体的出口温度高于50～65℃，并允许有一定的波动范围（3～5℃）。 c.对数平均温差大于40℃。

d.流体接近温度（即热流体的出口温度与冷流体入口温度之差）至少大于15℃。

2

e.管内给热系数小于2325.6W/(m.K)。

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