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2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn化工设计概论2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn《化工设计概论》大纲◼第一讲绪论（2学时）（周一，2月21日）（朱明乔，陈丰秋）◼第

二讲化工开发设计（一）（2学时）（周五，2月25日）（朱明乔）◼第三讲化工开发设计（二）（2学时）（周一，2月28日）（朱明乔）◼第四讲化工开发设计（三）（2学时）（周五，3月4日）（朱明乔）◼第五讲化工开发设计（四）（2学时

）（周一，3月7日）（朱明乔）◼第六讲工艺流程案例分析（2学时）（周五，3月11日）（叶向群）◼第七讲化工工程设计（一）（2学时）（周一，3月14日）华永康）◼第八讲化工工程设计（二）（2学时）（周五）3月18日（华永康）◼第

九讲化工设备设计（一）（2学时）（周一，3月21日）（郑传祥）◼第十讲化工设备设计（二）（2学时）（周五，3月25日）（郑传祥）2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn《化工设计概论》大纲◼第十一讲自动控制及仪表设计（一）（2学时）（周一，3月28日）（麻

红昭）◼第十二讲自动控制及仪表设计（二）（2学时）（周五，4月1日）（麻红昭）◼第十三讲公用工程及其它设计（一）（2学时）（周六补周一，4月2日）（吴晓军）◼第十四讲公用工程及其它设计（二）（2学时）（周五，4月8日）（吴晓军）◼第十五讲化工设计项目管

理（2学时）（周一，4月1日）（王大春）◼第十六讲化工设计练习布置（2学时）（周五，4月15日）（朱明乔、叶向群等）◼主讲教师介绍：◼浙江大学：陈丰秋（教授、系副主任），朱明乔（副教授），郑传祥（教授），麻红昭（副教授），叶向群（高

工）◼浙江省天正设计工程有限公司：华永康（教授级高工、总工），王大春（高工、副总经理），吴晓军（高工、副总经理）2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1绪论朱明乔浙江大学化学工程与生物工程学系ZhuMing-QiaoDepartmentofChemicalandBiologi

calEngineeringZhejiangUniversity2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1绪论◼1.1化工设计定义◼1.2化工设计的机遇◼1.3化工设计的步骤◼1.4化工设计中其它问题考虑◼1.5化工设

计常用术语◼1.6课程成绩考核◼1.7小结2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.1化工设计定义◼化工设计是将一个系统（如一个工厂、一个车间或一套装置等）的技术方案、工艺过程、生产装备等转

化为工程语言的过程，是一门综合性很强的学科，也是一门名副其实的交叉学科。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.2化工设计的机遇◼1.2.1化学产品的生产◼1.2.2化工设计的机遇◼1.2.3设计团队2010-03zhumingqiao@z

ju.edu.cn1.2.1化学产品的生产天然资源基础化学产品（大宗和专用化学品、生物材料、高分子材料）生产过程（a）基础化学品工业产品（薄膜、纤维、纸……）生产过程（b）基础化学品工业产品消费用品（透析装置、粘贴本、幻灯片、控制释放药片、化妆品）生产过程（c）图1.1化

学产品和生产过程设计的步骤2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.2.2化工设计的机遇（1）许多化学品的生产量很小这些化学品具有特定性能，如强度、黏性、孔隙率、渗透性等，为此设计的挑战性在于要创造一种能获得专利保护的产品，并且这类产品的市场需求能使其拥有极具吸引力的销售价格

，当该化学品确认后，通常需要设计一个生产过程。（2）大宗化学品的需求量大如乙烯、苯、甲苯、汽油等，其生产通常只涉及那些确定的小分子，设计的重点是由各种不同原料生产这些化学品的过程。2010-03zhumingqiao

@zju.edu.cn1.2.2化工设计的机遇（3）设计的机遇①实验室内为满足客户需要搜寻有多种用途性质的改进化学品生产过程设计；②可得到某种便宜的原料，这样新的生产过程常需要新的反应路线和分离方法；③新的市场，如块状经济、区域发展、发展中国家；④工程师强烈的感觉，

认为以某种新的化学品或新的工艺路线去生产某种现存的化学品可能效益会更好，或是某种新的化学品存在一定市场。（4）大宗化学品的生产设计项目一般是不太全面的，其重点通常是生产设备设计或是化学过程设计。2010-03zhumingqiao@zju.edu.

cn1.2.3设计团队◼（1）为了对某个课题作出陈述或要创立一个课题，可能要组建一个小的设计团队，这个设计团队将包括化学工程师、化学家，可能还有生物化学家，适当的情况下，还有市场开发者，特殊的领域还需要专家。◼（2）设计团队将遵循一系列公认的化工设

计（可延伸为产品和过程设计）步骤处理设计问题。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.3化工设计的步骤◼1.3.1化工设计步骤的比较◼1.3.2初始问题的创建和审查◼1.3.3发现具有所需性质和性能的化学◼1

.3.4过程创建◼1.3.5基本方案的开发◼1.3.6利用算法进行详细过程合成◼1.3.7全装置范围的可控性评价◼1.3.8详细设计、设备尺寸确定和优化◼1.3.9书面设计报告和口头陈述◼1.3.10装置设计、施工、开车和运转2010-

03zhumingqiao@zju.edu.cn1.3.1化工设计步骤的比较实验性研究可行性研究(1)过程研究模型试验小试中试工程设计施工概念设计可行性研究(2)基础设计工程设计研究可行性研究(3)信息研究图1.2化学新产品开发设计的基本步骤（1）化学新产品开发设计的基本步骤201

0-03zhumingqiao@zju.edu.cn（2）国际通用设计程序的阶段划分项目专利商工程公司阶段名称工艺包或基础设计工艺设计基础工程设计或分析和平面设计详细工程设计或最终设计主导专业工艺工艺系统/管道系统/管道主要文件工艺流程图（PFD）工艺控制图（PCD）工艺说明书设备表工艺数据表概

略布置图工艺流程图工艺控制图工艺说明书物料平衡表设备表工艺数据表安全备忘录概略布置图主要专业设计条件管道仪表流程图（PID）设备计算及分析草图设备规格说明书材料选择请购文件设备布置图（分区）管道平面图（分

区）地下管网图电气单线图各有关专业设计条件管道仪表流程图设备安装平剖面图详细配管图管段图（轴测图）基础图结构图、建筑图仪表设计图电气设计图设备制造图各专业施工图及安装说明用途供工程公司作为工程设计的依据把专利文件转化

为工程公司设计文件为详细工程设计、设备材料采购提供全部资料提供施工图纸和文件，作为施工、材料补充订货依据表1.1国际通用设计程序的阶段划分2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（3）化学产品和生产过

程设计的步骤第四篇装置范围的可控性评价开车评价可靠性和安全性分析过程和/或产品是否仍有希望？是潜在的机会第一篇创建和审查初始问题第一篇寻找具有所要求的性质和功能的化学品和化学品混合物第一篇创建过程是否有令人满意的毛利？是否需要生产化学品的过程？化学结构是否已知？第一篇基本方案的开发第二篇详细

过程合成——计算方法第三篇详细设计设备尺寸的确定和优化过程是否仍有希望的？装置设计、建设、开车和操作第五篇书面设计报告和口头陈述过程和/或产品是否仍合理可行？是否否是否是放弃是否是否放弃图1.3化学产品和生产过程设计的步骤2010-03zhumingqiao@zj

u.edu.cn第一篇创建和审定初始问题确定要求、文献调研、产生思路、市场和商业研究、与用户面谈化学结构是否已知？否第一篇寻找具有所要求的性质和功能的化学品和化学品混合物例子：环境友好的聚合物薄膜、制冷剂、清洗和萃取的溶剂、润滑油、药物高分子、热手器溶质

和抗张力强度高的陶瓷材料是否需要生产化学品的过程？是第一篇创建过程实验初步过程合成反应、分离、T-P变化操作、任务集成-设备选择、间歇或连续？毛利是否令人满意？否放弃是第一篇基本方案的开发第二篇详细过程合成——计算方

法过程是连续的或间歇的？连续化学反应网络的合成分离序列合成反应-分离循环网络的合成第二定律分析热交换器网的合成质量交换器网的合成优化过程步骤的顺序安排第四篇装置范围的可控性评定控制结构的定性分析流程的可控性分析否是第三篇详细设计、确定设备尺寸、优化最终产品是：大众化学品、专用化学品定型消费产品或

工业产品(其使用化学品或化学品混合物？)产品设计投资费用估算利润率分析优化否过程和/或产品是否仍有希望？否放弃是开车评定附加设备动态模拟可靠性和安全性分析实验室和中试试验危险分析是第五篇书面设计报告和口头陈述装置设计设计草图、配管图、仪表控制图、设备布置、规模组建构造、投标建设开车操作潜在的

机会确定设备尺寸换热器设计、塔设计、泵和压缩机设计创建过程流程过程集成创建详细数据库中试工厂实验改进流程制作模拟流程过程是否仍有希望？初始数据库的创建过程和/或产品是否合理可行？总图2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn◼

例1.1氯乙烯的生产考虑生产氯乙烯的需要，这是生产聚氯乙烯（PVC）的单体，PVC是一种重要的聚合物，广泛用于硬质塑料管路、管件和类似的产品，为了满足氯乙烯单体的新的需求，已经出现一个机会，即每年36万吨的订单，在海湾的石化

联合企业，公司要求现有的工厂每年生产45万吨这种大宗化学产品。因为氯乙烯单体是剧毒物质，要求所有的新设备都必须谨慎设计以满足政府关于健康和安全的法规。◼例1.2透析装置考虑设计一种廉价（比方说少于10美元）的、为暂时或永久性的肾功能衰竭（ESRD）病人一次性使用的装置的可能性；这种装置仅为

肾功能衰竭（ESRD）病人提供一种处理，这些病人的肾脏已不具有正常的功能。这种治疗每周需要三次，每次透析平均为3~4小时，这种装置1996年在美国为20多万病人所使用。1.3.2初始问题的创建和审查（1）典型的初始问题和机遇显然，潜在的机会

和初始的问题常常产生于有超前意识的公司、政府和大学的研究环境。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（2）选择方案——审查初始问题◼思路常常产生于设计团队。◼有时思路也可能来自潜在的客户，这些客户也

许对现有的产品或产品现状不满意。◼最好在宽松的气氛中讨论有独创性的意见，从而产生思路。最好的思路可能是那些开始遭到最激烈批评的方案。所有思路都经过收集、整理、讨论和仔细地评审（基于技术和市场的考虑）。现考虑下列

可供选择的设计方案，这是从上面两个初始问题的各种思路中选择的典型方案。注意，在开始时最好深入地考虑至少两种方案，可能的情况下考虑三种方案。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn例1.3（例1.1的再次讨论）为满足每年增加36万吨氯乙烯的需要，选择下面四个

看似合理的方案作进一步的研究。◼方案1：一个竞争者的氯乙烯生产厂，它每年生产90万吨氯乙烯，而该厂座落于150公里以外，它能扩大生产以满足所要求的增加量，而这些产品可用公路或铁路的槽罐车运输。在这种情况下，设计团队提出采购价格和设计贮存装置。这可能

是为扩大当地的PVC工厂所需单体的最简单的方法。◼方案2：从附近电解NaCl溶液的工厂中购买氯并用管道输送。然后用氯和公司内部的乙烯反应生产氯乙烯单体和HCl副产物。◼方案3：公司现有的石油化工联合企业中，许多生产

过程产生HCl副产物，因为这些HCl副产物产生的量大，所以通常可低价得到。HCl与乙炔或乙烯和氧反应，可生成1,2-二氯乙烷，一种可裂解成氯乙烯的中间产物。◼方案4：设计一个电解装置生产氯。一种可能性是由石油化工联合企业中可得到的HCl，电解获得H2和Cl2，按方案

2，将氯进行反应。在该石油化工联合企业的其他区域，将氢和氯反应生成氨，或氢与CO反应生成甲醇。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn例1.4（例1.2的再次讨论）为了满足透析产品的需要，可能会产生下面两种可供选择的方案的初步设计。◼方案1：设计一台血液

透析装置，能使尿素、尿酸、肌酸酐、磷酸盐和其他低分子量的代谢物通过扩散从血液中传递到透析液中。该装置还应当让葡萄糖和盐类物质通过扩散反向传递。这种装置应当被设计成一次性使用后就要报废的，故其售价应低于10美元，以使新产品的价格和/或

性能可与其他公司的人工肾相竞争，如C-DAK4000型人工肾1992年销售了6000万只，每只售价仅5-6美元。◼方案2：设计一个腹膜渗析装置（该装置使用血清膜，装在哺乳动物的腹腔），具有与血液透析装置相似的性能。注

意：随着设计工作的进行，某些方案会被否定，又会产生一些新方案。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（3）文献调研当产生选择方案的特殊问题时，工业界的设计团队可以利用公司雇员、公司文件和公开文献。但是对于文献进行全面的查阅研究是很重要的。发现最新

的数据、流程、设备和模型，它们可导致产品的改进和更有效益的设计。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（3）文献调研广泛采用的文献来源有：◼SRI设计报告，即史坦福研究所设计报告。◼百科全书，Kirk-Othmer化学技术百科全书、化学品加工和设计百科全书、Ullmann

工业化学百科全书。◼手册和参考书，Perry化学工程师手册、化学和物理手册、化学工程手册等。◼索引，应用科学和技术索引、工程索引、化学文摘、科学引文索引等◼专利，这是重要的信息，要避免复制专利保护的设计。2010-03zhumingq

iao@zju.edu.cn（4）补充研究◼技术可行性◼市场◼商务◼其他2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（5）产品设计中的激励创新◼百分之十五规则：15%的时间用在自己选择的项目的工作上。◼技术论坛：不同岗位的工作

人员之间技术交流和各种思路的相互补充。◼延续目标：30%的年销售额必须来自最近四年引进的产品规则。◼过程创新技术中心：一个中心为核心技术开发；一个中心为关键生产过程技术的开发和放大。◼六西格玛（Sigma）：质量

控制，技术指标的偏差降低到3.4次/100万次。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（6）设计中特殊考虑——药物产品◼发现◼预临床开发◼临床试验◼报批2010-03zhuming

qiao@zju.edu.cn1.3.3发现具有所需性质和性能的化学品◼对于那些已经规定所需性质和性能的初始问题，常常需要确定能满足这些技术要求的化学品，类似于产品导向的设计。◼如在低压和所需温度下沸腾和冷凝的冷冻剂，而且该冷冻剂不与地球同温层中的臭氧发生反应；用于暖手器的溶质，其

在常温下保持过饱和，当激活后在低温下固化。这些设计问题常常以分子结构计算的方式表示，用优化方法（如基团贡献法、分子模拟软件即分子动力学和Monte-Carlo方法）达到所需的性质。◼又如乳剂和膏体，它们都是胶体系统，这

些产品设计成功的关键是达到所要求的产品性质的技术指标。其设计的步骤为：第一步涉及确定产品品质因素，包括功能品质因素、流变学品质因素、物理品质因素和感观品质因素；给定了这些技术指标后，第二步涉及产品的配方；然后接着是过程的创建步骤和产品的评价步骤，当然设计团队在此过程中必须真正了解环境、安全、

法规等问题，下面加以讨论。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.3.4过程创建◼第一步：初始数据库的汇编，由热物理性质数据组成，包括气-液平衡数据、可燃性数据、毒性数据、化学品价格和初步过

程合成需要的相关信息。◼第二步：启动实验以获取重要的缺失数据，如反应、分离等数据。◼第三步：过程合成，包括设备的选择。◼第四步：操作模式的选择，即连续的、间歇的或半连续的。2010-03zhumingqi

ao@zju.edu.cn表1.2三种类型化学产品的操作过程操作过程产品类型1原料处理234转化5质量控制6包装基本化学产品工业产品消费产品加料泵送压缩加料泵送纺丝处理干燥脱水纺丝/纤维处理皮带传送分散处理化学反应提纯分离挤压成型初始成型二次成型混合拉丝密封、压模复合模压成型热/光处

理铸模定向处理配件制作配件组合抛光包括冲切和集成成模特性：物理性质热力学性质化学性质流变学性质功能性质：视觉性质耐气候性机械强度可印刷性功能性质和使用性质：耐用性、寿命、易于使用、效能运输槽车管道包装桶、包、卷包装分装盛器、塑料包裹（小瓶装，瓶，罐装）2010

-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.3.5基本方案的开发◼创建详细的工艺流程图。◼物料衡算和能量衡算。◼主要设备清单。◼数据库的改进，增加如传递性质和反应动力学、试探规则参数、作为总生产能力函数的设备大小和费用等（需要中试工厂吗？）。◼过程模拟模型。◼当基本方案设计开发

没有前途时，常回到过程创建的某一步骤或重新进行方案设计的开发。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.3.6利用算法进行详细过程合成◼当设计团队进行一个或多个基本方案的设计开发时，可能要利用算法进行详细的过程合成。◼对于连续的过程，这些计算方法能进行下列工作：◼（1）创建

和计算将原料转化为产品化学品的化学反应器网络，回收多组分混合物中组分的分离序列和反应器-分离器-循环网络；◼（2）确定和减少能量的用量，创建和计算高效热交换器网络，和减少废物的质量交换网络。2010-03zhumingqiao@zju.

edu.cn1.3.6利用算法进行详细过程合成◼对于间歇的过程，这些方法创建和计算优化序列和分批的操作的时间表。◼借助这些方法的结果，设计团队可将基本方案与其他有前途的候选方案进行比较，将确定值得进行开发的流程图。2010-0

3zhumingqiao@zju.edu.cn1.3.7全装置范围的可控性评价在详细的工艺流程图完成后，对过程可控性的评价就启动了，开始进行全流程图的控制结构的定性合成。然后，在详细设计阶段确定设备尺寸之前，用各种指标来评价过程控制的难易程度和受扰动后内在的回复能力。对于最有希望的过程，能确

定最有希望的控制结构。最后，添加控制系统，并进行严格的动态模拟，以确认前面讨论的预测近似指标。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn◼1.3.8详细设计、设备尺寸确定和优化◼1.3.9书面设计报告和口头陈述◼1.3.10装置设计、施工、开车和运转2010-03z

humingqiao@zju.edu.cn1.4化工设计中其它问题考虑◼1.4.1环境保护◼1.4.2安全考虑◼1.4.3工程伦理◼1.4.4计算机的作用2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.4

.1环境保护◼自从20世纪70年代后期以来，美国和发达国家所发生的最明显的变化之一是环境保护问题从次要问题转变为首要问题。◼中国从20世纪80年代后期以来日益重视环境保护问题。◼重视的主要手段是环境法规通过立法实施。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（1）典型环境问题◼

用于发电和运输的化石燃料燃烧：SO2、NOX、CO、CO2、粉尘、CXHY◼根据经验估计，净化燃烧产物的费用比从燃料中除去污染物的费用大约低一个数量级——重要的试探规则之一。◼有毒废物处理：◼1988年美国有害废物

产生量：废水2.132亿吨，占97%；固体废物6.7百万吨，占3%（填埋结果对水源造成普遍的威胁）。◼生物积累的化学品：杀虫剂DDT，1972年被美国环保协会禁止使用，但在土壤和植物生命体中的生物积累作用会持续一段时间。◼

有害金属和矿物：20世纪60年代后，发现Pb、Hg、Cr和石棉对动物和人的毒性有作用。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn◼降低副产物毒性的反应路线:◼设计团队预期有大量有毒副产物产生时，就必须

寻找其他的反应路线；当无法找到这种路线时，这一设计概念将被否定，除非是在特殊的情况下。◼减少废物及废物再利用:装置也可看成一个工程废料。◼避免非常规事件:降低那些会对环境造成有害影响的事故和泄漏发生。◼物料的特性鉴定:采用

快速和有效的方法测定排放浓度，保证低于环境法规限制的浓度是很重要的。◼设计目标、约束条件和过程优化：计团队制定一个混合的目标函数，试图从经济术语表示环境的改善。（2）过程设计中的环境因素2010-03zh

umingqiao@zju.edu.cn（2）过程设计中的环境因素◼法规：环境法规可处理为设计过程中在操作时应当满足的约束条件。◼无形成本：诉讼、公关、环保团体抗议等，设计团队在设计考虑时应避免。◼稀物流的性质：大多数污染物都是以极低浓度存在于化工厂的排出物和排放物流中，搞清在环境中

的动力学影响很重要。◼电解质的性质：许多水溶液物流中含有低浓度的无机化合物，它们会离解为离子组分。因此，在进行与电解质有关的过程设计时，设计团队需要将离子组分的性质包括到其热物理性质数据库中。2010-03zhumingqiao@zju.edu

.cn（3）环境设计问题◼空气质量：R134a冷冻剂◼水处理：晶片制造排放物流处理◼土壤处理：铅污染场所的植物治理◼其它：联合循环发电◼相关参考书：◼①化学工程新领域◼②过程设计和模拟中环境问题的考虑◼③化工过程的污染预防◼④绿色工程：化工过程的环

境意识设计2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.4.2安全考虑在化工过程的设计和操作中，一个主要的目标是使操作人员和生活在工厂附近的居民保持在安全的环境中。遗憾的是满足这一目标的重要性要经过一次次事故才能被人们充分认识，美国在1985年建立了美国化学工程师协会的

化工装置安全中心。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（1）典型安全问题◼着火和爆炸：许多化学品在燃烧下限和燃烧上限这两个极限值之内，就可能发生燃烧和爆炸。另外，还有自燃温度。◼毒物释放和传播模型：总是希望避免使用

对人类、动物和植物有毒的化学品，但毒性问题是难以避免的。设计团队必须考虑在事故期间毒物浓度释放的可能状况。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（2）安全化工装置的设计方法◼预防火灾和爆炸技术：◼①添加惰性气

体，避开爆炸范围◼②避免静电积累和它所释放的火花◼③安装防爆装置和仪器◼④良好的通风条件，露天化◼⑤安装洒水灭火系统◼驰放装置——如往大气排放◼危害鉴定和危险评估：识别所有事故和危险来源，避免小的失误造成灾难性事故。◼物料安全性

数据表2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.4.3工程伦理◼1977年，美国职业工程师学会（NSPE）工程和技术鉴定委员会批准了以下一段话：工程师通过以下行为维护和提升工程职业的诚实、荣誉和尊严：◼①用他们的知识和技能增进人类的福利◼②具有诚

实公正的品格，忠实地为公众和他们的雇员服务◼③努力增强工程职业的能力和声誉◼④支持本学科的专业和技术协会2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.4.4计算机的作用◼①电子表格◼②数学软件包和绘图软件◼③过程模拟软件◼④计算指南

2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.5化工设计常用术语◼化工厂设计三种类型：◼新工厂设计◼原有工厂的改建◼扩建设计◼厂房的局部修建设计◼新建项目设计三种类型：◼工程设计◼复用设计◼因地

制宜设计2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.5化工设计常用术语新建项目设计三种类型◼工程设计：指没有现成的装置可以参照或仅根据中试或其他实验装置来设计工业生产装置。◼复用设计：利用已有装置的技术资料进行新装置的设计。◼因地制宜设计：在已有装置技术资料的基

础上，根据即将建设装置的具体情况进行改建或变更，以适应新装置的要求。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.5化工设计常用术语化工厂设计两种类型◼化工厂设计两种类型：◼以工厂为单位的工厂化工设计◼以车间为单位的车间化工设计。◼工厂化工设计内容：◼厂址选择、总图设计、化工工

艺设计、非工艺设计、技术经济等。◼车间化工设计内容：◼化工工艺设计如生产方法的选择、生产工艺流程设计、工艺计算、设备选型、车间布置设计及管道布置设计等，及其它非工艺设计如机械工程、土建工程、给排水工程、供配电工程

、供热供气工程、仪表及自动控制工程、分析及卫生工程等。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.5化工设计常用术语◼化工设计的特点：政策性强、技术性强、经济性强、综合性强。◼化工设计的“五化”设计原则：工厂布置一体化、

生产装置露天化、建构筑物轻型化、公用工程社会化、引进技术国产化。◼国际通用设计程序的阶段：基础设计、工艺设计、基础工程设计、详细工程设计。◼国内化工项目基本建设程序：可行性研究、化工设计（包括初步设计和施工图设计）、施工、试车和考核。2010-

03zhumingqiao@zju.edu.cn1.6课程成绩考核◼课程成绩由两部分组成:◼平时上课及练习，占50%◼期末设计练习，占50%。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn1.7小结◼通过本讲座，应当掌握以下知识：◼（1）了解

对于产品和过程设计团队具有挑战性的各种设计决策问题。◼（2）对产品和/或过程设计中的关键步骤具有正确的评价能力。后续讲座逐讲展开。◼（3）了解在设计新化学产品和新化工过程时通常要考虑的各类环境和安全问题。◼（4）正确评价在产品和过程设计中保持高标

准伦理原则的重要性。◼（5）懂得化学工程师是结合手工计算、电子表格、数学计算软件包和工程模拟软件等手段来进行产品和过程设计的。◼本讲座虽然没有具体解决任何的设计问题，但在以后的设计详细讲述中会提及这些背景信息。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn

谢谢！！2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn第一篇创建和审定初始问题：确定要求文献调研产生思路市场和商业研究与用户面谈2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn第一篇寻找具有所要求的性质和功能的化学品和化学品混合物混合物例子：环境友好的聚合物薄膜、制冷

剂、清洗和萃取的溶剂、润滑油、药物高分子、热手器溶质和抗张力强度高的陶瓷材料2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn第一篇创建过程初始数据库的创建实验初步过程合成：反应、分离、T-P变化操作、任务集成-设备选择、间

歇或连续？毛利是否令人满意？否放弃是2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn第一篇基本方案的开发创建过程流程过程集成创建详细数据库中试工厂实验改进流程制作模拟流程2010-03zhumingqia

o@zju.edu.cn第二篇详细过程合成——计算方法过程是连续的或间歇的？化学反应网络的合成分离序列合成反应-分离循环网络的合成第二定律分析热交换器网的合成质量交换器网的合成优化过程步骤顺序安排2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn第三篇详细设计、确定设备尺寸、优化

最终产品是：大众化学品、专用化学品定型消费产品或工业产品(其使用化学品或化学品混合物？)确定设备尺寸换热器设计、塔设计、泵和压缩机设计投资费用估算利润率分析优化产品设计2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn第四

篇装置范围的可控性评定◼控制结构的定性分析◼流程可控性分析2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn第五篇书面设计报告和口头陈述装置设计：设计草图、配管图、仪表控制图、设备布置、规模组建构造、投标建设开车操作2010-03zhumingqiao@zju.edu

.cn化工设计概论朱明乔浙江大学化学工程与生物工程学系ZhuMing-QiaoDepartmentofChemicalandBiologicalEngineeringZhejiangUniversity20

10-03zhumingqiao@zju.edu.cn第二章化工开发设计◼2.1化工开发设计范围◼2.2选题和立项◼2.3分子结构设计◼2.4化工过程开发实验中的实验设计与数据处理◼2.5化工过程放大◼2.6化工开发设计案

例分析◼2.7小结2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.1化工开发设计范围◼化工开发设计范围可定义为在化工技术开发范围内的设计。◼化工技术开发一般按照以下程序：选题→小型试验(小试)→中型试验(中试)→生产性试验◼本课程化工技术开发的内容主要指立项前的可行性研究，在

实验室条件下进行的小试，放大的模型试验，以及对工艺技术方案进行初步技术经济评价,得到工艺包。◼注：工艺包为工程公司进行工程设计tigong依据，如讲座一表1.1“国际通用设计程序的阶段划分”所示。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2

.2选题和立项◼2.2.1课题的性质和来源◼2.2.2选题的基本原则◼2.2.3化工产品开发策略选题总是化工过程开发工作之前的重要工作，它关系到开发工作的成败。在选题时，应对立题项目进行可行性研究，并从技术可靠性、社会效益、经济效益等方面证明其为可行的立

题报告。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.2.1课题的性质和来源◼凡与化工新产品开发、生产技术改造以及新工艺和新技术的推广应用有关的研究成果，均属于化工过程的开发课题。这类课题根据我国

现行的科研体制，主要有以下三个来源：◼（1）计划课题◼（2）企业委托课题◼（3）自选课题2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.2.1课题的性质和来源◼对于课题的性质，人们习惯于把当代科学研究活动统称为“研究与开发”，大体上划分为以下三类：◼（1）基础研究◼（

2）应用研究◼（3）技术开发基础研究属于科学发展的范畴，技术开发属于技术发展的范畴，应用研究则分跨科学发展和技术发展两个范畴。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.2.2选题的基本原则◼凡根据国民经济发展和市

场需要提出的化工新产品、新材料、新技术、新工艺，具有先进性、合理性、现实性、可行性，可以获得应有的社会效益和经济效益的课题均可作为化工过程开发课题，但应特别注意一下几点：◼（1）创新性原则◼（2）需要性原则◼（3）

科学性原则◼（4）可行性原则2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.2.2选题的基本原则◼选题原则要灵活运用，具体表现为：◼（1）基础研究选题主要以科学发展为导向◼（2）应用研究的选题以市场需要为导向◼（3）技术开发的选题以市场

需要为导向2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.2.3化工产品开发策略◼（1）前向一体化合作开发模式◼（2）后向一体化合作开发模式◼（3）横向一体化合作开发模式◼（4）过程一体化开发模

式◼（5）混合一体化合作开发模式◼（6）合作开发的形式2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（1）前向一体化合作开发模式◼前向一体化合作开发模式是指化工企业与下游用户合作开发新产品的模式。◼改善下游产品质量和

性能（技术指标）：原料直接影响产品的性能和质量，下游企业往往对原料提出要求以满足其产品的技术指标，模型见图2.1。下游企业需要研究开发生产营销信息与反馈本企业下游企业图2.1前向一体化合作开发模式模型（1）2010-03zhumingqiao@zj

u.edu.cn（1）前向一体化合作开发模式◼降低下游产品成本:原料直接影响产品的成本，下游企业往往对原料提出要求以降低下游产品成本，模型同图2.1。◼推广本企业新产品开发下游新产品：化学工业能使用有限的原料创造出丰富多彩的产品。模型如图2.2所示。研究开发生产营销信息与反馈开发下游

企业产品本企业下游企业图2.2前向一体化合作开发模式模型（2）2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（2）后向一体化合作开发模式◼后向一体化合作开发模式是指化工企业与上游供应商合作开发新

产品的模式。模型见图2.3。研究开发生产营销信息与反馈上游供应商上游企业本企业图2.3后向一体化合作开发模式模型（1）2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（2）后向一体化合作开发模式◼改

善原料质量和性能（技术指标）:原料直接影响产品的性能和质量，通过改变原料来改变企业产品的性能。◼降低产品成本:原料直接影响产品的成本，化工企业往往对原料提出要求以降低自己产品成本。◼应用供应商新产品开发新产品:供应商常常向化工企业推介新材料、新能源、

新设备、新工艺等，帮助化工企业应用并共同开发新产品，化工企业要紧紧抓住这些机会开发合适的产品。模型如图2.4。研究开发生产营销信息与反馈供应商新产品上游企业本企业图2.4后向一体化合作开发模式模型（2）2010-03zhumingqi

ao@zju.edu.cn(3)横向一体化合作开发模式◼横向一体化合作开发模式是指化工企业之间做开发新产品的模式。任何一个化工企业都不可能占有所有的优势，化工企业之间优势互补，合作开发新产品，共同占领市场。图2.5表示了研究领域合作开发下游企

业需要产品的模型。研究开发生产营销信息与反馈开发下游企业产品本企业下游企业图2.5横向一体化合作开发模式模型2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(4)过程一体化开发模式◼过程一体化开发模式是指化工产品开发阶段就采用研究、设计

、制造、营销、采购、财务、供应商及用户介入、参与的并行工作小组方式，对全过程一体化管理。模型见图2.6。上游企业产品创新构思研究与开发设计制造市场销售下游企业需要上游企业本企业下游企业图2.6过程一体化开发模式模型2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(5)混合一

体化合作开发模式◼混合一体化合作开发模式是指在化工产品开发过程中不局限于单独采用上述任何一种形式，而根据需要采取两种或两种以上混合的模式。如图2.7。上游企业产品创新构思研究与开发设计制造市场销售下游企业需要上游企业本企业

下游企业横向企业图2.7混合一体化合作开发模式2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（6）合作开发的形式◼合作开发一般以战略联盟的形式进行。联盟的形式是多种多样的，主要有合资、研究与开发协议、合作生产营销、相互

持股等，也有的是长期供应协议。有些联盟是明确的，有些则不明确，但事实均存在。联盟有些比较紧密，有些比较松散，它与各方的投入及收益等有关。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.2.4技术经济资料进行收集◼如讲座一中所述，尽量利用这些资料进行设计。2010-0

3zhumingqiao@zju.edu.cn2.3分子结构设计◼2.3.1引言◼2.3.2特性评估方法◼2.3.3优化确定分子结构◼2.3.4小结2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3分

子结构设计选题和立项之后如果新产品分子结构未确定，还需要进行分子结构设计。如下例子：◼具有所要求性质的高分子,如:密度、玻璃化转化温度、对水的吸收率；◼在低压和规定的温度下沸腾和冷凝的制冷剂，且他们不与臭氧发生反应；◼能输送像墨水

颜料和涂料之类固体的溶剂，其挥发快，有事无毒和环境友好的；◼用于液-液萃取、萃取精馏或恒沸精馏的溶剂；◼作为药物的大分子，如作为抗体的蛋白质，它们是Y-型的多畴蛋白质，其以极精确的选择性与特定抗原或接受体结合；◼用于暖手器的溶质，在

低温下仍保持过饱和，只有当激活时才结晶放热。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.1引言◼要对化学品和化学品混合物性质的技术指标进行更量化的确定。◼产品开发工作常常与研究和开发小组的发现密切相关。◼当设计产品时，常常可以得到其估算方法。◼然而，对于药品、蛋白质等性质

通常不使用估算的方法，由实验室中的实验来确定。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.2特性评估方法◼分子结构设计的理论方法要求精确估算物理性质和传递性质。这些一般是从热力学

和传递现象的基本原理出发，运用分子模拟推导得到的。◼在近几年中，物质性质的信息系统已能广泛地从计算机软件包中得到。对于那些数据库中不存在的组分，用估算的方法或者实验数据回归的方法确定各组分的常数和参数。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.2特性评估方法◼（1）计

算机数据库◼（2）性质估算◼（3）聚合物性质估算◼（4）微观模拟2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（1）计算机数据库◼纯组分的数据库可看作数据记录收集，每一组都包含某纯化学品的各种常数和参数（如

，临界性质（Tc、Pc、Vc），常压沸点（Tnbp）、蒸汽压系数、热量系数，偏心因子等等）。◼当系统中没有贮存某种化学组分的物性常数和参数数据时，大多数物性信息系统都有回归实验数据的程序（例如蒸气压表、液体密度表和作为温度函数的热容）。◼当只能获得不充分的实验数据时，常常是利

用有限数据（如常压沸点），由程序提供基ben分子结构，用基团和键贡献法进行估算的物性。这些方法在产品和过程设计的早期阶段，在实验室或中试研究开始前是特别有用的。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（2）性质估算◼每一个物质性质的信息系

统都有一组广泛的子程序，通过回归确定蒸汽压方程（如扩展的Antoine方程）、热容方程等的参数和估算得到热物理和传递性质。◼在确定化学混合物的状态（呈平衡的相）和它的性质（密度、焓、熵等）时，调用后一类子程序。当计算相平衡时，需要

每一相中组分逸度。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（2）性质估算◼一般地，用键或基团贡献法来估算纯组分的常数和参数时，要利用设计者提供的化学组分的分子结构，例如，如下所示，三氟丙烯

：◼这里，除氢以外的所有原子被编上号，与每一个碳原子和相邻的编号原子结合的键可指定如下：CCCHFFFHH①②③④⑤⑥2010-03zhumingqiao@zju.edu.cnCCCHFFFHH①②③④

⑤⑥原子1原子2键型编号类型编号类型1C2C双键2C3C单键3C4C单键3C5F单键3C6F单键可以估算三氟丙烯与其他化学组分形成的溶液中的活度系数，用于其相平衡的计算。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn◼对于某个特定的

性质，可使用下面的一种进行计算：和（3）聚合物性质估算)1.2(11===NiiiNiiinBnAnp)2.2(11dNiiiNiiinBnAnp===式中ni是聚合物“重复单元”中i基团的数目，N是在“重复单元”中的基团类型数，Ai是与基团i有关的贡献值，

Bi是基团i的分子质量，d是每种被估算性质的指数2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（3）聚合物性质估算◼例2.1用下面的基团贡献值(VanKrevelen，1990)估算“重复单元”

为—(CH2-CHCl)—的聚氯乙烯的玻璃转化温度Tg。基团AiBi—CH2—270014—CHCl—2000048.5解：K36315.4811412000012700Tg=++=这与实验室值365K(VanKrevelen，1972，1

14页)相比较，吻合得非常好。提醒：当使用性质估算法时，特别是基团-和键-贡献法时，必须注意避免和实验值有较大的偏差，特别是当分子、温度和压力与所用估算方法的参数的条件有重大差异时。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（4）微观模拟◼两种比基团-键-贡献法更基础更本质的方法

被越来越多地用来改进热物理和传递性质的估算。◼这涉及到相互作用分子的小聚集群（典型地100~1000）的分子动力学和Monte-Carlo模拟，通常称之为微观模拟。◼Monte-Carlo模拟2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn（4）

微观模拟◼在Monte-Carlo模拟中，通过按要求的概率分布随机移动分子，使分子系统的能量达到最小。在每一次移动后，计算每一个分子的能量。当总能量减少时，这次移动被接受，分子重新分配。继续移动，直到达到平衡。至于分子动力学模拟，则提供势函数。在收敛后，通过取平均值计算平衡状态下的热物理

性质。Monte-Carlo法，对计算热物理性质，包括相平衡特别有效，Rowley（1994）对此进行了详细的阐述。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构◼分子结构设计是建立在精确的性

质估算方法上的。◼当估算方法足够精确时，调节分子结构中的原子和基团，使性质计算值与指定值之间的差值的平方和最小：())6.2(}{min12=−pjspecjjpnp这里specjp是由设计者指定的一系列目标性质p中的j性质。这一最小化过程通

常在规定边界的约束下完成；例如：)7.2(UjjLjpnpp和）（8.2,N1,,i,nnnUiLii=2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结

构◼这里ni是分子j中的i类基团数，N是分子j中的分子基团的类型数。还有一点是需要明确的，即当一个新的分子基团被添加到一个分子上时，该分子可得到的自由键的附加数为零，而当将重复单元加到聚合物分子上时，自由附加

数为2。◼这可以通过计算自由附加数来检验：◼这里vi个是与分子基团I相关的化合价，或自由键数。()=+−=Niiinvf1)9.2(222010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构-制冷剂设计◼（1）制

冷剂设计◼令人满意的致冷剂具有以下特点：◼1）蒸发潜热很大，当移除一定的热负荷时可降低其流量；◼2）低粘度，减少循环动力；◼3）低凝固点，降低凝固的可能性。他的工作导致了人们对许多含C、Cl、F原子被称之为氟利昂的致冷剂的开发。◼下面考虑设计一种新的致冷剂产

品的问题。指定一定的温度，在这个温度下用蒸发器吸收热量并从致冷剂的冷凝器中放出热量。从选择k个基团开始，每一个基团可在候选的致冷剂中出现n次直到nmax次，各种不同分子设计的数目为：◼式中C｛k，n｝是被同时取了n次的k基团的结合数（Jo

backandStephanopoulos，1989）。()())10.2(!1!!1,maxmax22−=−−+=nnnnknnknkC2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构-制冷剂设计◼例2

.2希望设计一种制冷剂，能在低至30oF(-1.1oC)的温度下吸热，并在高达110oF(43.3oC)的温度下放热。对于本设计，考虑13种分子基团：CH3，CH2，CH，C，OH，O，NH2，NH，N，SH，S，F和Cl。当这些基团结合时，应当避免往往会聚合的具有

双键和三键的化合物。含氟和卤素的化合物也应当避免，因为它们往往有易爆炸性。要求的制冷剂应当具有如下特性：◼（1）蒸汽压ps{-1.11oC}>1.4bar，以保证若发生泄漏是从冷冻系统向外泄漏（而不是真空操作，空气和水

蒸气能向系统内渗透）；◼（2）ps{43.3oC}<14bar，以保持压缩比不超过10；◼（3）蒸发焓△HV{-1.1oC}>18.4kJ/mol，以减少制冷剂的需要量（这里18.4kJ/mol是1987年禁用的氟利昂12的蒸发潜热）；◼（4）液体热容值，cpl{

21.1oC}<32.2cal/(mol.k)，从而减少通过阀闪蒸的制冷剂的量（这里32.2cal/(mol.k)是氟利昂12液体的热熔值）。注意21.1oC是极端温度的平均值。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构-制冷剂设计解：采用Duv

edi和Achenie（1996）的估算方法。◼（1）常压沸点和临界性质（Joback和Reid，1987）。=+=NiiinT1bb2.198T121c1cbc965.0584.0TT−==−+=

NiiiNiiinTnT21c0032.0113.0−=−+=NiiiAccnTnTp式中的温度和压力的单位是K和bar，nA是分子中的原子总数。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构-制冷剂设计◼（2）蒸汽压—Riedded-Plan

k-Miller方法（Reid等，1977）。◼（3）液体热容—Chueh和Swanson方法（Reid等，1987）。()()r3rrr131lnTTTkTGpr−++−−=hG46605.048

35.0+=brcbrTpTh−=1ln()()()2131brbrbrTTTGhk−++−=式中Tr和pr是对比温度和对比压力。==Niiplipln1c239.0c这里cpl的单位是cal/

(mol.k)2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构-制冷剂设计◼（4）汽化潜热。MTMTMTTbb3b62bvb10627.500433.039137.0lg33.15367.44S−−+++=在其他的温度下（

Reid等，1987）：()10n8794.000264.011+=−−=bVbcbcVbVbRTHnTTTTHTH式中蒸发潜热的单位是kJ/mol，M是相对分子质量。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn取

自Joback和Reid,(1987),用于上述方程的基因贡献值如下:基团化合价TcpcVcTbnicplM—CH310.0141-0.00126523.58436.815.04—CH2—20.018

905622.88330.414.03—CH=30.01640.0024121.7422113.02=C=40.00670.00432718.2517.3612.01—OH10.07410.01122892.88244.817.0

1—O—20.01680.00151822.4213516—NH210.02430.01093873.23358.616.03—NH—20.02950.00773550.17243.915.02—N=30.01690.0074911

.7413114.01—SH20.01190.00495468.7813332.07—S—10.00310.00846363.56244.833.08—F10.0111-0.005727-0.0311719—Cl10.0105-0.0049583

8.1313635.452010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构-制冷剂设计◼利用各种目标函数的混合-整数非线性规划，Duvedi和Achenie（1996）发现三种满足给定的限制条件的化合物，它们是：△HV，kJ/molcpl，c

al/(mol.k)ps，barps，bar化合物-1.1oC21.1oC-1.1oC43.3oCCCl2F218.7627.12.9410.67CF3OH19.7722.62.6913.57CH3Cl20.

3717.42.398.27报告的△HV为最低温度下的值，即在制冷器内发生蒸发的温度，而报告的cpl是在平均温度的值注意这些值与Duvedi和Achenie（1996）报告的值之间的差异是由于早期提出的估算Tb和SVb的方法的简化造成的。2010-03zhumingqiao@zju.e

du.cn2.3.3优化确定分子结构-制冷剂设计◼因为CH3Cl含氟，它会消耗地球大气中的臭氧，例题2.3用臭氧消耗势的方法重复进行这一探索。例2.3使用臭氧消耗耗势（ODP）重新设计致冷剂分子，对一个碳原子的分子，ODP定义为：0.0035/238.

5630.585602MclODPne−=而对两个碳原子的分子0.0404477/83.79530.0949956MclODPne−=通过ODP的最小化重复例题2.3的搜索。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化

确定分子结构-制冷剂设计◼解：利用具有各种目标函数的混合-整数非线性规划，DuvediandAchenie(1996)发现了两种满足给定限制条件的化合物。这些物质是：,/vHkJmol,/plccalmo

l,spbar,spbar化合物-1.121.1-1.143.3ODPSF218.316.03.974.800CH3CHF220.621.92.087.910注意，SF2的蒸发潜热由给定近似估算方法计算的值,接近可接受的值18.4。

还有，分子中不含氮，因此ODP值为零。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构-溶剂设计◼（2）溶剂设计◼有机溶剂在化学品加工过程中以及将化学品提供给消费者的

许多方面都起着关键的作用。在化学品加工过程中，溶剂常常被用来：◼1）使固体流动，常常是溶解它们；◼2）清洁设备，如在去除油脂和尘垢的过程中；◼3）清洁衣物，如在干洗中。◼化学品公司面临的挑战日益增大，人们要求减少这些作为溶剂的物质的用量

，目前，人们正在对大量的溶液进行探索，包括转向这样几个方面：◼1）如果可能，使用水溶液；◼2）使用更浓的涂料，使其含有较少的溶剂；◼3）热-熔融，紫外线加工处理和水溶体粘接。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3

.3优化确定分子结构溶剂设计◼对每一种新的专用溶剂的搜寻都可视为一个产品设计问题。例如：◼（1）设计一种新的溶剂，作为1，1，1-三氯乙烷的替代品，在平板印刷工业中用于清洁表面，（Sinha等，1999）；◼（2）选择

一种溶剂，在液-液萃取过程中从混合物中移除溶质（Pretel等，1994年；Grani等，1991年）。◼选定了对物质性质的基本要求后，一批候选的分子基团和目标性质的值也是一同选定。然后，用基团贡献法确定其性质估计值最接近目标性质的化学结构。◼性质估算：对

于溶剂设计，除了常压沸点、液体密度、汽化潜热、溶解度和相关性质以外，健康和安全特性也必须进行估算。◼基团贡献值2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构溶剂设计-性质估算◼关于

这些性质的估算方法在下面阐述:◼溶解度和相关的量度对于清洁表面、使用涂覆树脂和溶胀处理高弹体这些应用方面的溶剂设计，Hansen溶解度参数：)11.2(222HPDT++=为溶剂性能提供了有用的尺度。如方程（2.11）所定义的，这个参数由三个

溶解度参数构成：（1）δD，考虑非极性（色散）相互作用；（2）δP，考虑极性相互作用；（3）δH，考虑氢键相互作用。这三个参数的贡献值可用基团贡献法估算：2010-03zhumingqiao@zju.edu

.cn2.3.3优化确定分子结构溶剂设计-性质估算()())14.2()13.2(1000)12.2(101101101======+−=+=+=NiiiNiHiHNiiiNiPiPNiiiNiDiDVnVUnVnVFnVnVFniiii这里ni是在溶剂分子中i类基团的个数，N是

溶剂分子中的基团的类型数，FDi、FPi、UHi和Vi是与基团i相关的集团贡献值。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn对于其他应用，如为从混合物中提取溶质的液-液萃取操作选择溶剂时，根据溶质-溶剂相对的液相活度系数确定溶解

度和相关度量。通常的，为进行筛选，用基团贡献法估算在无限稀释条件下的液相活度系数就足够了。、、是与溶质有关的参数。注意，不等式（2.15）的左边是溶质和溶剂分子量的距离，是溶质-溶剂相互作用的度量。2.3.3优化确定分子结构溶剂设计-性质估算◼给定这三个溶解度参数的估算值

后，当一种溶剂满足下式时，它能溶解某种溶质：()()()())15.2(42*2*2*2*RHHPPDD−+−+−*D*P*H这里R*，表示相互作用半径，如Hasen（1969）所定义的，ijij2010-

03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构溶剂设计-性质估算◼当考虑选择从组分B中萃取溶质A的溶剂S时，Pretel和他的合作者们（1994）用UNIFAC基团贡献法得到了溶剂的四个性质参数的估计值：◼这里x是质量分率。显然

，所需的溶剂应该具有高的选择性、大的溶解推动力、高分配系数和低的溶剂损失。)19.2(1S)18.2(m)17.2(1S)16.2(S,,I,,,,,,P,,,,BSBSBSSSAABASBSADSASASABSAASBSBSAsMWMWxMWMWxx

KMWMWxMWMWxx==============溶剂损失溶质分配系数溶剂动力溶剂选择性2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构溶剂设计-性质估算◼健康和安全度量有几个经验

定义的性质，对于将溶剂的选择范围限制在那些对健康的安全的影响都较低的溶剂方面是很有用的。下面给出这些性质。◼生物浓度因子这一因子与溶剂的积累和损害生物细胞组织的可能性有关，Veith和Konasewis

h（1975）对其关联如下：这里Kow是辛醇一水分配系数，可表达为：式中和分别为基团i的片段和因子，如Hansch和Leo（1979）所列的表。)20.2(23.0lg76.0lg−=owKBCF)21.2(12.0lg10+=NiiiNiiiownnK

2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构溶剂设计-性质估算◼毒性量度一个非常有用的毒性量度，溶剂的致死浓度LC50，已由Konemann（1981）关联如下：◼闪点闪电温度是在空气中蒸气混合物爆炸可能性的度量。对于烷烃

、芳烃和环烷烃，该值已关联成常压沸点的函数（Butler等，1956年；Lyman等，1981年）：这里的温度为绝对温度K。)22.2(11.0lg87.0lg50−−=owKLC)23.2(119683.0−=bfTT2010-03zhumingqiao@zju.ed

u.cn2.3.3优化确定分子结构溶剂设计-性质估算◼例2.4在平版印刷过程中，油墨通过一排称之为“垫”的橡胶输送到印刷板上。这些垫必须定期的清洗，因为它们的清洁度对于高质量图像的生产是至关重要的。希望能用一种环境

友好的溶剂来替代现在使用的溶剂1，1，1-三氯乙烷，这种溶剂要具有能快速溶解干掉的油墨的能力同时又能短时间干燥；即，蒸发潜热小，因而干燥时间短和蒸发消耗成本低。此外，溶剂引起垫的溶胀可忽视，并且该溶剂应是不可燃烧的。这些是所希望的产品的质量技术要求。2010-03zhumi

ngqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构溶剂设计-性质估算◼解：这个解是基于Sinha和其他合作者（1999）所提出的方案。选定了一组12个分子基团，以此为基础探索溶剂分子的结构。这些基团是：CH3－，－CH2－，Ar－（C6

H5－），Ar=（C6H4=），－OH，CH3CO－，－CH2CO－，－COOH，CH3COO－，－CH2COO－，－CH3O和－CH2O－。◼注意，为避免臭氧损耗问题，氯被排除在外。◼接着，提供了技术要求，以确定所要设计的溶剂分子的期望性质。油墨残留物假定有酚类

树脂，SuperBakacite1001组成，估算得到它的下列参数：2/1*2/1*2/1*2/1*8.193.86.63.23MPaRMPaMPaMPaHPD====和，，2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn◼对通常为异戊二烯橡胶的平板印刷垫，当时，可避免溶胀。

另外，当时，生物浓度因子是足够低的，而致死浓度是足够高的。最后，为保证溶剂在环境压力下是液体，要求：Tb>323K和Tm<223K，这里Tm是熔点温度。注意，因为对298K时的标准蒸发潜热△HV没有设限，应使其最小化，以缩短干燥时间和降低加热公用工程的成本。2.3.3优化

确定分子结构溶剂设计-性质估算2/16.6MPaP0.4lgowK2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn◼下面的集团贡献值从VanKrevelen和Hoftyzer（1976），Hasen

和Beerbower（1971）以及Constantiou和Gani（1994）的文献中取得。0ix1ix基团化合价TbiTmiFDiFPiUmHViViCH3-10.88940.464420004.11626.140.891-CH2-20.92250.9246270004.65

16.410.661Ar-(C6H5-)16.27377.54341430110033.04270.251.91Ar=(C6H4=)26.27377.54341430110033.04270.251.6

71-OH13.21523.5979210500-1950024.5295.51-1.641CH3CO-13.5664.8776210800-200018.9936.55-0.442-CH2CO-23.89

675.6622560800-200020.4128.16-0.6722.3.3优化确定分子结构溶剂设计-基团贡献值0ix1ix2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构溶剂设

计-基团贡献值◼为估算常压沸点、熔点和298K时的标准汽化潜热，可利用下列各式：这里Tb0=204.2K，Tm0=102.4K，=6.829kJ/mol。===+===NiViiVVNimiimmN

ibiibbHnHHTnTTTnTT101010lnln2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.3优化确定分子结构溶剂设计-基团贡献值◼Sinha和合作者（1999）构成了混合-整数非线性规划，该程序通过最小化

确定了三种满足给定约束条件的化合物。它们是：molkJHV/,KTb,KTm,2/1,MPaPowKlg化合物甲乙酮35.5354.9193.29.661.59二乙酮40.1385.7206.68.212.37乙烯醇单甲醚47.6387.42

00.211.5-0.652010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.3.4小结◼本部分集中讲述了搜寻某些分子的方法，这些分子要满足设计团队为新化学产品提出的热物理和传递性质的技术要求。重点是用于物性估算的基团贡

献法。◼关于分子模拟方法，该法正在获得人们的青睐，这里仅作简单的介绍，但没有应用于所举例的例题中。在聚合物重覆单元、致冷剂、去除印刷油墨的溶剂等这些设计例子中，都使用了优化的方法来找出最佳的分子结构。2010-03zhumingqiao@zju.

edu.cn2.4化工过程开发实验的实验设计与数据处理◼实验设计方法为安排和组织实验的方法，有了正确的实验设计，才能以较少的实验次数，较短的时间，获得较多和较精确的信息，多快好省地完成实验任务。一个好的实验应包括三个方面：◼实验的设计首先要明确实验的目

的，确定要考察的因素以及它们的变动范围，然后根据实验目的制定出合理的实验方案。◼实验的实施按照设计出的实验方案，实地进行实验，取得必要的数据结果。◼实验结果的分析对实验所得的数据进行分析，判定所考察的因素中哪些是主要的，从而确定出最好生产条件，即最优方案。这一过程称为实验的优化

，简称优选法。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn◼常用的实验设计方法有多种，从处理的因素角度出发，可将实验设计分为单因素实验法和多因素组合实验设计两类。◼单因素实验中，每次只变动

一个因素，而将其他因素暂时只固定在某一适当水平上，待找到了第一个因素的最优水平后，再依次考察其他因素。该方法的主要缺点是当因素之间存在交互作用时，实验工作量大，实验结果可靠性差；且第一个实验点的选择比较重

要，选择不当会导致最优条件得不到。◼多因素组合实验法，是将多个需要考察的因素，通过数理统计的方法组合在一起同时实验，而不是一次只变动一个实验条件，因而有利于揭示各因素间的交互作用，可以迅速找到最优条件。2.4化工过程开发实验的实验设计与数据处理2010-03z

humingqiao@zju.edu.cn2.4化工过程开发实验的实验设计与数据处理◼2.4.1单因素实验优选◼2.4.2多因素实验中的正交设计法◼2.4.2.1正交法◼2.4.2.2正交实验设计结果的直观分析◼2.4.2.3正交实验结果

的方差分析◼2.4.2.4用计算机进行正交实验设计及统计分析2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选◼在单因素实验中，只考虑对指标影响最大的因素，其余因素不变，具体步骤为：◼①确定评定结果好坏的

方法和影响指标的主要因素，用数学语言抽象地说，就是建立以x为影响因素的指标函数F(x)；◼②估计包含最优点的实验范围，即x的取值范围为a<x<b或a≤x≤b；◼③进行实验；◼④实验结果分析；◼⑤进行下一轮实验，再分析结果，如此循环，直至满意；◼⑥如经3~5次实验，指

标改变不大，则所选择的为非主要因素,不必继续对该因素进行研究。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选◼单因素实验优选有多种方法，对一个实验应该使用哪一种方法与实验的目标、实验指标的函数形式、实验的成本费用有关.◼根据化工过程设计与开发的特

点，本节着重介绍平分法、黄金分割法及分数法。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-平分法◼（1）平分法平分法也称对分法、等分法，是一种有广泛应用的方法。使用平分法的基本要求是在实验范围内：①指标函数F(x)是单调的；②每次实验结果可决

定下一次的实验方向。◼假设实验区间为(a,b)，则第一次实验点为(a+b)/2，根据这次实验结果，实验者判断下一次实验区间，删除整个实验区间的一半。第二次实验点选取仍为保留实验区间的中点，根据第二次的实验结果再删除一半

的实验区间，如此一直做下去，直到找到最佳实验结果为止。◼该方法通过n次实验就可以把目标锁定在长度为(b-a)/2n的范围内，例如通过7次实验就可以把目标锁定在实验范围的1%之内，故是一个高效的单因素实验方法，属于序贯实验。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn

2.4.1单因素实验优选-平分法◼例2.5某配方型化工产品生产工艺要求在最后一道工序添加一定量的碱，并加热处理14h以形成乳化剂。已知增大碱量可减少加热处理的时间，但碱量过大也会造成破乳分层。为了降低能耗和提高生产能力，准备采用适当加大碱量的方法来减少加热处理时间，据经验碱量在1.0%~5.

6%范围内进行优选。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-平分法◼解：第一次实验点：(1.0%+5.6%)/2＝3.3%结果已破坏乳分层，说明碱过量，舍去3.3%~5.6%的范围。◼第二

次实验点：(1.0%+3.3%)/2＝2.15%，结果在4h达到良好的乳化。◼第三次实验点：(2.15%+3.3%)/2＝2.72%，结果在1h内可良好乳化。故只需做三次实验就可达到目的（图2.8）。2010-03zhumingqiao@z

ju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-平分法1.0%3.3%5.6%1.0%2.15%3.3%2.15%3.3%2.72%图2.8平分法中加碱量的选取过程平分法常用于确定生产中某种物质的添加量问题，如在塑料的配方设计中，以塑料制品一定的物理性能指

标作为对比条件，并预先知道变量对制品物理性能、加工性能影响的规律，这样，通过实验结果就知道该原材料的添加量是多或少。在单因素优选法中，平分法最方便，一次实验就能把实验范围缩小一半，但它的条件不易满足，要求目标函数是单调的，每次实验要能决定下次实验的方向。201

0-03zhumingqiao@zju.edu.cn最常遇到的情形是，不知道在实验范围内有一个最优点，再大些或再小些实验效果都差，而且距离越远越差，这种情况的目标函数叫单峰函数。大多数化学反应的指标函数为

单峰函数，对于这种情况，可采取0.618法尽快逼近目标。2.4.1单因素实验优选-黄金分割法(0.618法)◼（2）黄金分割法（0.618法）黄金分割法具有实验次数少、精度高、简单、直观、有效、节省人力、物力、财力等优点。因此黄金分割法在工业、农业、电子、化工和科学研究

等领域得到了广泛的应用，如工业上选择最佳工艺或配方，农业上寻求最佳施肥方案等。黄金分割法又称0.618法，即在线段中项处安排实验点，设线段ab长为1，其比例中项x值可由定义式确定：（2.24）xxx−=112010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.

4.1单因素实验优选-黄金分割法(0.618法)◼解方程x2+x-1＝0，求得x＝0.618，具体做法如下。◼假设实验区间为[a,b]，第一个实验点x1选在实验范围的0.618位置上，按式（2.25）进行计算：x1＝a+0

.618(b-a)（2.25）第二个实验点x2为第一个实验点在实验区间为[a,b]内对称点，按式（2.26）进行计算：x2＝a+0.382(b-a)（2.26）设y1和y2分别表示x1和x2两点的实验结果，对比y1和y2的值，则可能会出现下

述三种情况。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-黄金分割法(0.618法)①y1比y2好，x1为好点，则根据“留好去坏”的原则，去掉实验范围（a，x2），保留实验区间[x2，b]，下

一个实验点是保留的好点x1在新的实验区间[x2，b]的对称点。根据“去掉左边，下一个计算点在新的实验区间内保留的好点右边”这一原则，x3按式（2.27）进行计算：x3＝x2+0.618(b-x2)（2.27）x3也可按式（2.28）进行计算：b-x3＝x1-x2（2.28）然后再比较

x3和x1实验结果，优选过程如图2.9所示。ax2x1x3b图2.9第一种情况下的优选过程2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-黄金分割法(0.618法)②y2

比y1好，x2为好点，则也根据“留好去坏”的原则，去掉实验范围（x1，b），保留实验区间[a，x1]，下一个实验点是保留的好点x2在新的实验区间[a，x1]的对称点。根据“去掉右边，下一个计算点在新的实验区间内保留的好点左边”这一原则，x3按式（2.29）进行计算：x3＝a+0

.382(x1-a)（2.29）x3也可按式（2.30）进行计算：x3-a＝x1-x2（2.30）然后再比较x3和x2实验结果，优选过程如图2.10所示。ax3bx2x1图2.10第二种情况下的优选过程2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4

.1单因素实验优选-黄金分割法(0.618法)③y1与y2的效果一样时，去年两端，在剩余区间[x1，x2]内继续做实验，x3、x4重新选取，按式（2.31）、式（2.32）进行计算：x3＝x2+0.6

18(x1-x2)（2.31）x4＝x2+0.382(x1-x2)（2.32）然后再比较x3和x4的结果，优选过程如图2.11所示。x4x3ax2b图2.11第三种情况下的优选过程2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-黄金分割法(0.618法)

◼无论出现上述三种情况中的哪一种，在新的实验范围内都有两个实验点的实验结果可进行比较，总的选取实验点的原则仍是：“留好去坏，去掉左边，下一个计算点在新的实验区间内保留的好点右边；去掉右边，下一个计算点在新的实验区间内保留的好点左边；去掉两端，两个新点重新选取”，再去掉实验范围的一部分，这样反

复做下去，直到找到满意的实验点，得到比较好的实验结果为止，或实验范围已很小，再做下去，实验结果差别不大，就可停止实验。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-黄金分割法(0.618法)◼例2.6某种石蜡

产品生产的最后工序是加入一定量的活性白土，在一定温度下脱色处理，方能得到合格产品。活性白土的量少了，产品合格率低，但过量的活性白土对收率也不利。现按生产经验，将处理每批产品所需用的活性白土的量定在10~26kg之间进行实验。2010-0

3zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-黄金分割法(0.618法)解:①活性白土量10+0.618×(26-10)＝19.9(kg)，收率y＝82.2%；②活性白土量10+0.382×(26-10)＝16.1(k

g)，收率y＝68.8%；③舍去(10,16.1)，定在(16.1~26)；④活性白土量x3＝16.1+0.618×(26-16.1)＝22.2(kg)，y＝64.8%；或新点x3＝16.1+26-19

.9＝22.2(kg)；⑤舍去(22.2,26)，定在(16.1~22.2)；⑥活性白土量16.1+0.382×(22.2-16.1)＝18.4(kg)，y＝79.9%；或x4＝22.2+16.1-19.9＝18.4(kg)；2010

-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-黄金分割法(0.618法)◼⑦结论，活性白土量在18.4~19.9kg,量佳量为19.9kg,活性白土量超过22.2kg,收率将急剧下降（图2.12）。x2x11

016.119.926y=68.8y=82.2x1x316.119.922.226y=64.8x4x116.118.419.922.2图2.12活性白土最佳量的确定2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn

2.4.1单因素实验优选-分数法◼（3）分数法分数法也是适合单峰函数的方法，当实验点只能或只需取整数时，宜用分数优选法。它和0.618法不同之处在于要求预先给出实验总数（或者知道实验范围和精确度），这时实验总数可以算出来

，在这种情况下，用分数法比用0.618法方便。比如取时间（如2~10分钟）整数，用分数优选法时，第1个实验点在实验范围2~10min的5/8处，即7min,第2个实验点在1-5/8＝3/8处，即5min。按此继续进行实验，所得实验点和

实验结果，与0.618法是一样的。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-分数法◼分数法预先安排实验点的方法是基于菲波那契数列：Fn＝Fn-1+Fn-2（n≥2，且F0＝F1＝1）（2.33）菲波那契数列的头15项

值为：n0123456789101112131415Fn1123581321345589144233377610987不难看出，其特点为从第3项起每项均为前两项之和，当n大于一定值后，Fn-1/Fn≈0.618,Fn-2/Fn≈0.382,分数法与0.618区别只是用分数Fn-1/Fn和

Fn-2/Fn代替0.618和0.382来确定实验点，以后的相同。一旦用Fn-1/Fn确定了第一个实验点，以后的点则根据公式来确定。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-分数法第二点：a+b-x1

=大+小-（第一点）即可方便地确定其余实验点，也会得出完全一样的序列来。上面的分数串Fn-1/Fn是0.618最佳渐近分数，而Fn-2/Fn是0.382的最佳渐近分数。特点：实验点数为Fn-1，实验最多次数为：n-1。2010-03zhumingqiao@zju.edu

.cn2.4.1单因素实验优选-分数法◼分数法的另外一适宜的用途，实验范围是由一些不连续的或间隔不等的实验点组成的。◼例如用旋转黏度计测试液体试样的动力黏度时，是用不同的转子（以号码来区分）和不同的转速（以r/min分档）组合来测试的。转子-转速组合的选择一般以在

旋转测试时，指针在刻度盘上的计数应在刻度的35%~65%之间为宜，按读数和转子-转速组合的换算系数来计算得试样的黏度。转速有如下分档：转速/(r/min)0.30.61.536123060序号（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）在用分数法优选之前，

先将转速由小到大按顺序排列编号。必要时可在两端增加虚点，如本例增加序号（0），或缩小一点实验范围，以凑合分数中的分母数。本例可用5/8,其第1个实验点为序号的（5），即用6r/min转速；第2个实验点为序号（3）

，即用1.5r/min转速,余类推。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-分数法◼例2.7广州某氮肥厂，在尾气回收的生产流程中，要将硫酸吸收塔所排出的废气送入

尾气吸收塔进行吸收，为了使吸收率高，氨损失小，确定碱度的优选范围为9~30滴度，求滴度为何值时吸收率高，氨损失小。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-分数法解：范围总长＝30-9＝21（滴度），

滴度间隔为1,故中间总的实验点数为20,按Fn-1＝20,则n＝7,顶多只需做7-1＝6次实验，即可找到最佳工艺条件。选定分数Fn-1/Fn＝13/21代替0.618,则第一个实验点x1=9+（30-9）13/21＝22（滴度）吸收率y1＝82%，氨损失25kg/h。第二个实验点x2=9+

30-22＝17（滴度）吸收率y2＝82%，氨损失12kg/h。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.1单因素实验优选-分数法则去掉[22~30]一段，选择[9，22]x3=9+22-17＝14（滴度）吸收率y3

＝77%，氨损失11kg/h。x3与x2比，虽然第三次实验氨的损失比第二次少1kg/h,但吸收率少5%，因此还是第二次实验结果较好，去掉[9，14]，选择[14，22]。x4=14+22-17＝19（滴度）吸收率y4＝

80%，氨损失15kg/h。综合比较，仍然认为x2＝17滴度较好，最后按滴度17投产。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.2多因素实验中的正交设计法◼一般化学反应或化工过程的影响因素是

诸多且复杂的，只考虑对指标影响最大的因素，往往远不能满足要求。◼在诸多处理多因素实验问题的方法（如降维法、爬山法、因素轮换法、步长加速法、矩形调优法、随机调优法等）之中，正交设计法理论较为成熟，故作为重点予以介绍。◼正交设计法基于数理统计原理来

科学地安排实验，并按一定规律分析处理实验结果，从而能较快找到最佳条件，且具有可判断诸多因素中何种因素是主要因素，以及判断因素之间的交互影响情况等优点。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.2.1正交法

◼正交表是正交实验设计法中合理安排实验，并对数据进行统计分析的一种特殊的表格，常用的正交表有L4（23）、L8（27）、L9（34）、L8（4×24）、L18（2×37）等，表2.1为正交表L8（27），表2.2为正交表L8（4×24）。◼(1)正

交表符号的含义:正交表的代表符号为L，n为正交表的横行数（需要做实验的次数）；r为因素水平数；m为正交表纵列数（最多能安排的因素个数）。()mnrL2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.2.1正交法表2.1L8（27）实验号列号实验号列号123456712

345671111111152121212211122226212212131222112722112214122221182212112L8（27）为同水平正交表，在实验设计中，如各因素影响程度大致相同时，往往使用水平正交表。L8（

27）为5因素2水平正交实验?，若进行全面实验，则将有27＝128种组合，而正交实验只有8次，这就是正交实验的最主要的优点。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.2.1正交法表2.2L8（4×24）实验号列号实验号列号1234512345111221512112

232211631122322222721111441212842121L8（4×24）为混合水平正交表。在实验设计中，如需要仔细考察某一较重要的因素，就可多取一些水平。而其他影响程度一般的因素的水平数可适当减少以节省实验次数。2010-

03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.2.1正交法◼(2)正交表的特点◼（1）正交性◼（2）均衡性◼（3）独立性◼(3)正交表的优点◼（1）能在所有的实验方案中均匀地挑出代表性强的少数实验方案。◼（2）通过对少数实验方案的实验结果进行统计

分析，可以推出较优的实验方案，所得到的较优的实验方案往往不包括在这些少数实验方案中。◼（3）对实验结果作进一步的统计分析，可以得到实验结果之外的有关信息。如实验因素对实验结果的影响程度及影响趋势等。2010-03zhumingqiao@

zju.edu.cn2.4.2.1正交法◼(4)正交实验设计的基本步骤正交实验设计主要包括实验设计与数据处理两部分，其基本步骤如下。◼①明确实验目的，确定评价指标。评价指标是表示实验结果特性的值，用以衡量和考核实验结果，如产品的质量、产品的纯度等。评价指标

有时只有一个，有时可能有多个。◼②挑选因素，确定各因素的水平。影响实验指标的因素很多，由于实验条件的限制，不可能逐一或全面地加以研究。因此，要根据已有的专业知识及有关文献资料和实际情况，选出主要因素，略去次要因素，以减少要考查的因素。如果对问题了解不够

，可以适当多取一些因素。因素的水平分为定性与定量两种，水平的确定包括水平个数的确定与水平数量的确定两层含义。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.2.1正交法对定性因素，应根据实验的具体

内容，赋予该因素每个水平以具体含义。定量因素水平的确定，要求设计者根据相关专业知识和经验或文献资料首先确定该因素的数量变化范围，而后根据实验的目的及性质，并结合正交表的选用来确定因素的水平数和各水平的取值。每个因素的水平数不一定相等，一般重要的因素或特别需要了解的因素水平数

可多一些。如果没有特别重要的因素需要考察的话，应尽可能使各因素的水平数相等，以便减少实验数据处理的工作量。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.2.1正交法◼③制定因素水平表根据上面选取的因素及水平的取值，制定实验所考察

的因素及各因素水平的“因素水平综合表”。该表在制定过程中，每个因素的水平组合应随机变化，但选定之后，实验过程中不能改变。◼④选择合适的正交表，进行表头设计根据因素数和水平数来选择正交表，并注意下列问题:选用的正交表要能容纳所研究的因素数和因素的水平数，在这一前提下，选择实验次数最小

的正交表；各因素之间的交互作用。一般来说，两因素的交互作用通常有可能存在，而三因素的交互作用在通常情况下可忽略不计。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.2.1正交法◼⑤确定实验方案，进行实验根据因素水平表和选定

的正交表来安排实验，得到以实验指标形式表示的实验结果。◼⑹对实验结果进行统计分析对正交实验结果的分析，通常采用两种方法：一种是直观分析法（或称极差分析法）；另一种是方差分析法。◼⑦进行验证实验优方案是通过统计分析得出的，还需要进行验证，以保证方案与实际一致

，否则还需要进行新的正交实验。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.2.2正交实验设计结果的直观分析◼(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析◼(2)多指标正交实验设计及其结果的直观分析◼(3)

水平数目不等的正交实验设计◼(4)有交互作用的正交实验设计及其直观分析2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析◼根据实验指标的个数，可把正交实验设计分为单指标实验设计与多指标实验设计，下面通过例子说明如何用正交表进行单指标实验设

计，及对实验结果进行直观分析。例2.8苯酚合成工艺条件实验、各因素水平分别为：因素A反应温度300℃、320℃；因素B反应时间20min、30min；因素C压力200atm、300atm（1atm＝101325Pa）；

因素D催化剂甲、乙；因素E加碱量80L、100L。试根据实验结果求出最佳工艺条件。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析◼解：本实验的目的是求出最佳工艺条件，实验的指标为单指标苯酚的收率，因素和水平是已知的

，所以可从正交表的选取开始进行实验设计与直观分析。◼1）选正交表此实验5个因素2个水平，可选用正交表L8（27），此表可安排7个因素，尚空2列◼2）表头设计本例不考虑因素间的交互作用，只需将各因素分别安排在L8（27）上方与列号对应的位置上，一般一个因素占有一列，不同因素占有不同的列（可以随机

排列），表头设计见表2.3。表2.3例2.8的表头设计因素AB空列CDE空列列号1234567不放置因素或交互作用的列称为空白列（空列），空白列在正交设计的方差分析中也称为误差列，一般至少留一个空白列。2010-03zhumingqia

o@zju.edu.cn(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析◼3）明确实验方案完成了表头设计之后，只要把正交表中各列中的数字1、2分别看成该列所填因素在各个实验中的水平数，正交表的每一行对应着一个实验方案，即各因素的水平组合，如表2.4所示。实验号AB空列C

DE空列实验方案实验号AB空列CDE空列实验方案11111111A1B1C1D1E152121212A12B1C1D2E121112222A1B1C2D2E262122121A2B1C2D1E231221122A1B2C1D1E272211221A2B2C1D2E241222211A1B2C2D

2E182212112A2B2C2D1E1表2.4例2.8的实验方案2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析表2.5例2.8的实验方案实验号AB空列CDE空列指标yi/%1111111183.4211122228

4.03122112287.34122221184.85212121287.36212212188.072211212192.38221211290.4K1339.5342.7350.1350.3349.1351.6348.5K2358.0354.8347.4347.2348.4345.93

49.0k184.87585.67587.52587.57587.27587.987.125k289.588.786.8586.887.186.47587.25极差R18.512.12.73.10.75.70.5因素主→次ABECD优方案A2B2C1D1E1◼4）按实验方案进行实验，得出实验结果按

正交表的各实验号的规定的水平组合进行实验，本例共要做8个实验，将实验指标填写在表的最后一列，见表2.5。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析◼5）数据

计算以因素A为例，在A的1水平下有四次实验，即第1、2、3、4号实验，归为第一组。同样，在A的2水平下有四次实验，即第5、6、7、8号实验，归为第二组。分别计算各组实验的加和值和平均值，填入表下部相应列的相应位置上。以Ki表示任一列上水平号为i时所对应的实验结果之和，则A因素为：K1＝y1+

y2+y3+y4＝83.4+84.0+87.3+84.8＝339.5K2＝y5+y6+y7+y8＝87.3+88.0+92.3+90.4＝358.0以ki表示任一列上因素取水平i时所得实验结果的算术平均值，则在A因素所在的第一列中，k1＝339.5/4＝84.9，

k2＝358.0/4＝89.5。同理可计算出其他列中的ki，结果如表4-5所示。R为极差，在任一列上R＝max{K1，K2}-min{K1，K2}，或R＝max{k1，k2}-min{k1，k2}。例如，在第一列上R＝358.0-339.5＝18.5，或R＝8

9.5-84.875＝4.625。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析一般来说，各列的极差是不相等的，这说明各因素的水平改变对实验结果的影响是不相同的，极差越大，表示该因素的数值在实验范围内的变化，会导致实验指标在数值上有更大的

变化，所以极差最大的那一列，就是因素的水平对实验结果影响最大的因素，也就是最主要的因素。在本例中，由于RA>RB>RE>RC>RD，所以各因素从主到次的顺序为：A（反应温度）、B（反应时间）、E（加碱量）、C（压力）、D（催化剂）。有时空白

列的极差比其他所有因素的极差还要大，说明因素之间可能存在不可忽略的交互作用，或者漏掉了对实验结果有重要影响的其他因素。所以，在进行结果分析时，最好将空白列的极差一并计算出来，以便从中分析问题。2010-03zhumi

ngqiao@zju.edu.cn(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析优方案是指在所做的实验范围内，各因素较优的水平组合。各因素扰水平的确定与实验指标有关，若指标越大越好，则应选取使指标大的水平，即各列中Ki（ki）中最大的那个值对应的水平；反之，若指标越

小越好，则应选取使指标小的那个水平。在本实验中，实验指标是苯酚的收率，指标越大越好，故各因素的水平做如下选择。反应温度：选A2，320℃。反应时间：选B2，30min。加碱量：选E1，80L。压力：选C1，200atm。由于两种催化剂无差别，可根据经济、方便的原则进行选择，若选D1，则最优设计为A

2B2C1D1E1。在实际确定优方案时，还应区分因素的主次，对于主要因素，一定要按有利于指标的要求选取最优的水平，而对于不重要的因素，由于其水平的改变对实验的结果影响较小，则可以根据有利于降低消耗、提高效率等目的来考虑别的水平。◼（

6）优方案的确定2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析◼（7）进行验证实验，作进一步的分析上述优方案是通过理论分析得到的，还应进一步进行实验验证。首先，将优方案A2B2C1D1E1与正交表中最好的第7号实验A2B2C1D2E2作对比实验

，若方案A2B2C1D1E1比第7号实验结果更好，通常就认为A2B2C1D1E1是真正的优方案，否则第7号实验A2B2C1D2E2就是所需的优方案。若出现后一种情况，一般来说可能是没有考虑交互作用或者实验误差较大所引起的，需要作进一步研究，可能还有提高实验

指标的潜力。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(1)单指标正交实验设计及结果的直观分析◼上述优方案是在给定的因素和水平的条件下得到的，若不限定给定的水平，有可能得到更好的实验方案，所以当所选的因素和水平不恰当时，该优方案也有可能达不到实验目的，

不是真正意义上的优方案，这时就应该对所选的因素和水平进行适当的调整，以找到新的更优方案。可将因素水平作为横坐标，以它的实验指标的平均值ki为纵坐标，画出因素与指标的关系图——趋势图。通过趋势图可以对一些重要因素的水平作适当的调整，选取更优的水平，再安排

一批新的实验。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(2)多指标正交实验设计及其结果的直观分析◼在前的问题中，实验指标只有一个，考虑起来比较方便，但在实际问题中，需要考虑的指标常常有多个，称为多指标实验。◼由于指标多，

指标间往往相互矛盾，需要考虑各项指标兼顾的最优或较优的因素水平组合。◼多指标实验的数据处理方法有多种，分别为综合平衡法和综合评分法。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn◼A综合平衡法综合平衡法是先对每个指标分别进行单指标的直观分析，得到每个指标的

影响因素主要顺序和最佳水平组合，然后根据理论知识和实验经验，对各指标的分析结果进行综合比较与分析，得出较优方案。对多指标的问题，要做到真正好的综合平衡，有时是很困难的。这是综合平衡法的缺点。下面要介绍的综合评分法，在一定意义上来讲，可以克服综合平

衡法的这个缺点。◼B综合评分法综合评分法就是给指标打分求和，从而转化为一个指标（总分），用单一指标代表实验结果。这个方法的关键在于评分的方法，应尽可能合理。通常采用“加权平均法”，即根据各个指标的重要性来确定相应指标的“权”，然后计算出每个实验结果的总分。如式（2.34）

所示。(2)多指标正交实验设计及其结果的直观分析得分＝第1个指标值×第1个指标的“权”+第2个指标值×第2个指标的“权”+…（2.34）2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(3)

水平数目不等的正交实验设计◼在实际问题中，由于具体情况不同，有时实验中所考察的因素水平数不能完全相等，这就是混合水平的多因素实验问题。◼解决水平数目不等的正交实验设计方法主要有两种：◼第一种为利用规格化的混合水平正交表安排实验；◼第二种是采用拟水平法，即

把水平不等的问题化成水平数相同的问题来处理。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(3)水平数目不等的正交实验设计◼A.用混合水平正交表安排实验◼混合水平正交表就是各因素的水平数不完全相等的

正交表，这种正交表有好多种，比如L8（41×24）就是一个混合水平的正交表，见表4-10。◼L8（41×24）表有8行，5列，表示用这张表要做8次实验，最多可安排5个因素，其中一个是4水平的（第1例），四个是2水平的（第2列至第5列）。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(3

)水平数目不等的正交实验设计◼L8（41×24）表（表4-10）有两个重要特点。◼①第1列中各数字出现的次数是相同的。如第1列中4个数字，1、2、3、4，它们各出现两次；第2-5列，都只有两个数字，它们各出现4次。◼②每两列各种不同水平搭配

出现的次数是相同的。但要注意一点：每两列不同水平的搭配的个数是不完全相同的。比如，第1列是4水平的列，它和其他任何一个2水平的列放在一起，由行组成的不同数对一共有8个：（1,1），（1,2）（2,1），（2,2）

，（3,1），（3,2），（4,1），（4,2），它们各出现一次第2列到第5列都是2水平列，它们之间的任何两列的不同水平的搭配共有4个：（1,1），（1,2），（2,1），（2,2），它们各出现两次。2010-03zhumingqiao@zju

.edu.cn(3)水平数目不等的正交实验设计表2.6正交表L8（41×24）列号实验号12345列号实验号12345111111531212212222632121321122741221422211842112由上述两点可以看出，用这张表安排混合水平的实验时，每个因素的各水

平之间的搭配也是均衡的。可以从关书籍中查取符合使用要求的混合水平正交表。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(3)水平数目不等的正交实验设计◼B拟水平法拟水平法是对水平数较少的因素虚拟一个或几个水平，使它与其他因素的水

平数相等。例如，一个实验中有3个因素，A因素有2个水平，B，C因素都是3水平的因素。如果直接使用混合水平正交表就要用L18（21×37）混合表，需要做18次实验，实际上是全面实验。为了减少实验次数，可以用L9（34）安排

实验。在A因素的两个水平A1、A2中选择一个水平，例如选择A1水平，然后虚拟一个A3水平，A3水平与A1水平实际上是同一个水平，这样A因素形式上就有3个水平，可用L9（34）安排实验了。拟水平法不能保证整个正交表均衡搭配，只具有部分均衡搭配的性质。这种

方法不仅可以对一个因素虚拟水平，也可以对多个因素虚拟水平，使正交表的选用更方便、灵活。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(4)有交互作用的正交实验设计及其直观分析◼在多因素实验中，各因素不仅各自独立地起作用，而且各因素还经常联合起来起作用，亦即不仅各个因素的水平改

变时对实验指标有影响，而且各因素间的交互作用对实验也有影响。需要注意交互作用的判别、自由度确定和正交表的选用。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.4.2.3正交实验结果的方差分析◼用比较极差的大小的方法来分析各因素的影响，是一种定性的方法。直观分析法具有简

便、计算工作量小的优点，但它无法判断因素的影响是否显著，不能给出实验误差大小的估计，在实验误差较大时，往往可能造成误判。而要做定量的显著性检验，就要借助于方差分析。◼方差分析的基础是总变差平方和可以分解为各因素效应变差和与误差效应的平方和。正交将变差平

方和分解，并固定到正交表的每一列上。安排因素的列，其变差平方和代表了因素效应的大小；空列的变差平方和可以用来估计实验误差。因此，正交实验数据的方差分析计算较简便，比直观分析法估计实验误差、判断因素效应的精确度高。2010-03zhumingqiao@zju.edu.c

n2.4.2.3正交实验结果的方差分析◼(1)总变差的分解◼(2)分析方法◼(3)适应范围2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(1)总变差的分解以方差分析中的总偏差的平方和分解公式为参照，正交表各列的偏差平方和及总偏差平方和分别为:()35.2nT-2之和水平重复

数同水平数据和的平方列第=jQj()==qjjQQ136.2式中，T为数据总和；n为实验总个数；q为水平重复数。如L9（34），n＝9，q＝3，则311Kx=322Kx=333Kx=()

−+−+−=−==232221129393933TKTKTKxxbQaiij（2.37）（2.38）即()9312232221TKKKQj−++=（2.39）2010

-03zhumingqiao@zju.edu.cn(2)分析方法◼1）随机误差若表中有空列，则其偏差平方和为随机误差平方和，即:◼2）自由度各列自由度为该列水平重复数减1，而总自由度为各列自由度之和，即:式中，rj为第j列水平数。式（2.43）

表示自由度是实验总次数减1。◼3）方差方差的计算方法可参考有关书籍。−=空jjcQQQ（2.40）1−=jjrf==jrjjff11−=nf（2.41）（2.42）（2.43）2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(2)分析方法◼4）F-检验方差

分析方法仍然是F-检验，方法是将随机误差方差作分母，因素的方差为分子，进行单边检验。F的计算式为◼然后将所得的Ｆ值与临界值比较判断，即◼式中，F为统计量；Ｑ因、f因为某因素的偏差平方和与自由度；Ｑe、fe为随机误差与随机误差

自由度；Ｆa为临界值。eefQQF因因f=（2.44）()eaeeffFfQQF，因因因~f=（2.45）2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(2)分析方法◼若Fj≤1,说明该因素对结果没有影响，此时应将两偏差平方和及自由度分别合并得到新的偏差平方和及自由度、，即'eQ'e

fjeeQQQ+='jeefff+='（2.46）（2.47）2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn(3)适应范围◼若无空列，则无误差列，不能进行方差分析。此时可进行重复实验，但一般宁愿改用更大的正交表。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn

2.4.2.4用计算机进行正交实验设计及统计分析◼随着计算机技术的发展，已有一些计算机软件能用于实验设计和实验数据处理，应用比较广泛的有SPSS和STATISTICA。SPSS（StatisticalPackagefortheSocialScience，

社会科学统计软件包）是世界著名的统计软件之一，目前SPSS公司已将它的英文名称更改为StatisticalProductandServiceSolution。SPSS软件不仅具有包括数据管理、统计分析、图表分析、输出管理等在内的基本统计功能，而且用它处理正交试验

设计中的数据程序简单，分析结果明了。该软件由多个模块组成，其中联合分析模块（SPSSConjoint）具有正交设计功能。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5化工过程放大◼2.5.1反应过程放大的基本方法◼2.5.2冷模实验◼2.5.3中试2010-03zhu

mingqiao@zju.edu.cn2.5.1反应过程放大的基本方法◼对于化学工业过程来说，将实验室研究成果转化为生产规模的技术活动，称为化工过程放大。化工过程有两种类型，一是传递过程，包括传动、传热和传质过程，属于没有物质组成变化的物理过程；二是化学反应

过程，属于有组分变化的化学过程。这些过程是在设备中实现的，所以过程放大就是设备能力的放大。过程放大一般经历下列阶段：2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1反应过程放大的基本方法①实验室研究阶段；②小量试制阶段；③按预定工艺规

模进行概念设计；④中试，着重解决概念设计中遇到的问题；⑤编制工艺软件包；⑥按要求的规模进行工程设计；⑦工业装置的建设和投产。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1反应过程放大的基本方法◼化工过程采用的模拟放大方法有：经验放大法、数学模型法

、部分解析法和相似放大法。无论哪一种方法在应用时都比较复杂，而且各有其适应的对象和条件，并不是任一过程都可以取四种方法之一，就可以获得简捷而有效的放大。有时为了取得良好的开发效果，对于一些较复杂的过程往往还需考虑用几种方法中和，因此，在化工过程开发中

如何选择合适的开发放大方法，就成为优化开发过程的一项重要工作。◼在化工过程开发中，反应过程的放大是关键，因此，重点以化学反应过程的放大加以说明。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1反应过程放大的基本方法◼2.5.1.1逐级经验放大◼2.5

.1.1.1研究方法◼2.5.1.1.2基本特征◼2.5.1.2数学模型法◼2.5.1.2.1研究方法◼2.5.1.2.2基本特征2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1.1逐级经验放大◼逐级经验放大是一种经典的放大

方法，曾被长期广泛的采用，至今仍有较大的应用范围。◼所谓逐级经验放大，就是通过过小型反应器进行工艺试验，优选出操作条件和反应器形式，确定所能达到的技术经济指标。据此再设计和制造规模稍大一些的装置，进行所

谓模型试验。根据模型试验的结果，再将规模增大，进行中间工厂试验（中试），有中间试验的结果，放大到工业规模的生产装置。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1.1.1研究方法◼化学反应过程的开发

主要解决如何合理选择反应器的形式，确定最佳工艺条件和反应器的放大。逐级经验放大是通过模型试验取得设备选型、条件优化和设备放大的信息结论。一方面反映了设备由小型经中型再到大型的逐级放大的过程。另一方面也表明了开发过程的经

验性质，即开发时依靠经验探索逐步来实现的。具体过程一般按下述几个步骤进行。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1.1.1研究方法◼(1)反应器的选型反应器的选型通常都在小试中进行。采用不同形式和结构的反应器，在实验室对所开发的反应过程进行研究。从实验结果的优劣

来确定反应器形式。试验时主要是考察设备的结构和形式对反应的转化率和选择性的影响。因此又称为“结构变量试验”。◼(2)优化工艺条件在设备选型试验后就会选定的小型试验设备中进行优化工艺条件试验。试验时主要是考察各种工艺条件对反应的转化率和选择性的影响。并从中

筛选出最佳工艺条件。以改变工艺操作条件，观察指标的变化，故又称为“操作变量试验”。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1.1.1研究方法◼（3）反应器放大逐级经验放大法的反应器放大研究是采用规模装置

的方式进行逐级放大的，每放大一级都必须重复前一级试验确定的条件，考察放大效应，并取得设备放大的有关数据和判断。原则上由实验室小试规模放大到生产规模应经过若干级，用调整工艺条件或改变设备结构等措施来抑制放大效应。由于是重点考察反应器的几何尺寸改变后，对反应的转化率和选择性的影响。

故又称为“几何变量试验”。通过上述三种独立的变量试验，基本上可以取得化工过程开发所需要的设备形式、最优工艺条件，以及放大的判据和数据，为建立生产装置提供可靠的数据。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1.1.2基本特征◼（1）

只综合考察输入变量和输出结果的关系，未能深入研究过程的内在规律。◼（2）试验次序人为规定，并非科学合理的研究程序。◼（3）放大过程是外推的，并不一定完全可靠。以上特征是从研究方法本身的利与弊来讨论逐级经验放大法的。如果考虑化工过程开发已

积累的实践经验以及化学工程学科的发展和日趋成熟，从事研究和开发的工作人员已可运用理论分析和经验判断解决化工过程开发的许多问题，从开发程序上可以弥补经验放大法的缺陷，故经验放大法至今仍然被广泛使用。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1.2数学模型法◼数学模

型法是随着化学反应工程学和计算机科学技术的进步，在20世纪60年代发展起来的一种比较理想的反应器放大方法。◼从放大原理看来，它并不需要通过试验去取得反应器放大的判据或数据，而是在充分认识过程的基础上，运用理论分析，找到描述过程运行规律的数据模型与实际过程等效，既可用于反应器的放大计算。

◼数学模型方法所建立的数学模型是否使用取决于对反应过程实质的认识，而认识又来源于实践，因此，试验仍然是数学模型法的主要依据。但是，这与逐级经验放大无论是方法或是目的都截然不同。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1

.2.1研究方法◼逐级经验放大方法从方法论的角度来看，还有一个较严重的缺陷。工业反应器中所发生的过程有化学反应过程和传递过程两类。在设备自小型而被放大的过程中，化学反应的规律并没有发生变化，设备尺寸主要影响到流动、传热、传质

等过程的规律。逐级经验放大法不将化工过程分解为几个子过程分别加以研究，并在最后予以综合。◼数学模型的方法首先将工业反应器内分解为化学反应过程和传递过程，然后分别地研究化学反应规律和传递过程规律。如果经过合理的简

化，这些子过程都能用方程表述，那么工业过程的性质、行为和结果就可以通过方程的联立求解获得。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1.2.1研究方法◼这一步骤可称作过程的综合，以表示它是分解的逆过程。数学模拟法一般包括下列步骤：◼1）实验室

研究化学反应规律◼2）大型冷漠试验研究传递过程规律◼3）建立数学模型◼4）通过中试检验数学模型的等效性检验数学模型的方法通常是建立中试装置来进行中试，将中试结果与数学模型在相同条件下的计算结果对照，如果两者相同或十分接近，则证明该数学

模型与实际过程等效，即可直接得出工业反应器的各种性能的结论，进行工业反应器的设计。否则，应修正数学模型后再进行检验。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1.2.2基本特征◼1）过程分

解◼数学模型法最明显的特征是分解过程，即将化学与物理交织在一起的复杂反应过程分解为相互独立或联系较少的两个子过程：化学过程（实验室研究）与物理过程（大型冷模实验），分别研究各子过程本身特有的规律，再将

各子过程联系起来（小型试验、建立数学模型、中间试验），以探索各子过程之间的互相影响和总体效应。这样做的优点是由简到繁，先考察局部，后研究整体。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1.2.2基

本特征◼2）简化过程运行规律，建立等效模型◼由于化工过程的复杂性，不简化过程规律，则不易建立实用的数学模型。故数学模型法研究的侧重点，还在于找到简化过程的合理途径。◼经过简化后建立起来的数学模型，并不要求理论规律上的完全模拟，只要

求解结果与实际过程运行结果的偏差在允许的范围之内即可，即应建立等效模型。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.1.2.2基本特征◼3）建立和检验数学模型◼实验研究是数学模型法中不可

缺少的重要环节。其目的不是一般的考察因素，而是建立数学模型和检验数学模型。数学模型法中的实验研究对实验装置、实验操作以及测量精度有较高的要求。◼从方法论的角度来看，数学模型法与经验放大法是完全不同的两种开发放大方法。前者是从了解过程的运行规律着

手，建立数学模型作为放大依据；后者则把过程当成“黑箱”看待，靠综合考察获得的试验结果作为放大的依据。◼数学模型法具有经验放大法不可替代的优点，他可以实现高倍数放大，缩短开发周期，减少人力和物力的消耗，但建立正确的数学模型难度较大。虽然当前完全运用数学模型法来开发放大的化工生产过程的实例还不多见，

但该方法将是化工过程技术开发的主导方向。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.2冷模实验◼利用空气、水和沙子等惰性物料代替化学物料在实验装置或工业装置上进行的实验为冷模实验。◼冷模实验是以模型与原型相似为基础，运用相似原理来考察生产设备内

物料的流动与混合，以及传热和传质等物理过程，寻找产生放大效应的原理和克制方法，为过程的放大或建立数学模型提供依据。◼例如利用空气和水并加入示踪剂可进行气液传质的实验研究，为气液传质设备的设计和改造提供参数；◼利用空气和沙进行流态化的实验研究，为流化床反应器设计提供依据。201

0-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.2冷模实验◼冷模实验法的优点如下。◼①冷模实验结果可推广应用于其他实际流体，将小尺寸实验设备的实验结果推广应用于大型工业装置，能够在物料种类上“由此及彼”在设备尺寸上“由小见大”。◼②直观

、经济、用少量实验，结合数学模型法或量纲分析法，可求得各物理量之间的关系，使实验工作量大为减少。◼③可进行在真实条件下不便或不可能进行的类比实验，减少实验的危险性。值得指出的是，冷模实验结果必须结合化学反应的特点和热效应行为等，进行校正后才可用于工业过程的设计和开发

。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.2冷模实验◼2.5.2.1相似现象◼2.5.2.2相似理论◼2.5.2.3相似特征数2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.2.1相似现

象◼冷模实验是以相似理论为基础的，在化工过程中存在多种相似现象，这些现象有以下几种。◼（1）几何相似两个大小不同的体系，其对应尺寸具有相同的比例，一个体系中存在的每一个点，另一个体系中都有其对应点，使几何尺寸不同的两个体系形状相

同。◼（2）时间相似在两个几何相似的体系中，任意两对应点间对应的时间间隔成比例，且比例常数与对应距离的比例常数相等。◼（3）运动相似在几何相似的两个体系中，各对应点和对应时刻的速度方向相同、大小成比例。◼（4）运动相似在几何相似的两个体系中

，各对应点承受的作用力方向相同、大小成比例。◼（5）热相似在两个几何相似的体系中，任意两对应点的温度相等。◼（6）化学相似在两个几何相似的体系中，任意两对应点的各种化学物质的浓度相等。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2

.5.2.2相似理论◼（1）相似第一定律彼此相似的现象一定具有数值相同的相似特征数。这是相似现象所具有的重要性质。由此定律出发，可引出相似现象的相似性质。◼①由于相似现象属于同一类现象，因此，可用相同的数学物理

方程及单值条件来描述。◼②用来表述某种现象的一切量，在相似空间中对应的各点、在时间上对应的各瞬间，各自互成一定的比例关系，即各相同量间有一定的相似倍数。◼③因受数理方程和性质的约束，相似倍数不是任意的，它们彼此之间相互

约束。◼④对于彼此相似的现象，存在着相同数值的综合量，即相似特征数。相似第一定律说明了进行实验时应测试哪些参数，即各相似特征数中包含的所有量。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.2.2

相似理论◼（2）相似第二定律对同一类现象当单值条件相似时，并且由单值条件的物理量所组成的相似特征数（定性特征数）在数值上相等时，现象一定相似。相似第二定律叙述了相似现象应满足的条件，进行冷模试验时应遵循这些条件，即：◼①相似现象可以用同一个数理方程来描述；

如表2.7名称符号定义意义应用阿基米德数Arglρ(ρ-ρ0)/μ2重力/摩擦力不同密度流体的流动阿累尼斯数E/(RT)活化能/热能反应速率恩斯坦数BOul/D0宏观运动的物质/返混的物质流动介质中的混合过程达姆克勒数IDIl/(uτr)反应掉的物质/加入的物质达姆克勒数IIDII反应掉的

物质/扩散的物质达姆克勒数IIIDIIIRmQl/(ρCpuT)反应热/对流传热量化学反应表2.7常用的无量纲特征数2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn达姆克勒数IVDIV反应热/传导的热量得拉格数CD(

ρ-ρ0)/(ρu2)重力/动能多相流动欧拉数EuΔP/(ρu2)压力降/惯性力流体在重力场中的流动弗劳德数Fru2/gl惯性力/重力搅拌、气体输送等伽利略数Gal3gρ2β/u2重力/摩擦力流体在重力

场中的流动格拉晓夫数Grl3gρ2βΔT/u2密度差引起的浮力/摩擦力自然对流路易斯数LeSc/Pr热传导/扩散热质同时传递的过程努塞尔数Nuαl/λ热对流/热传导传热过程贝克莱数Pelupc/传热过程普朗特数PrCpμ/λ分子动量传递/热量传递传热过程雷诺数Reluρ/μ惯性力/粘性

力流体流动施密特数Scμl(ρD)分子动量传递/物质传递传质过程舍伍德数Shkl/D总传质/扩散传质过程韦伯数Weu2ρl/σ惯性力/表面张力气泡、雾化流体混合特征数Hρ1u12/(ρ2u22)两股流体动量比射流混合西勒数ψQ0.5l/[(λT)0

.5D0.5IV]催化剂中反应2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.2.2相似理论◼②单值条件一定相似，例如，几何条件相似、物理条件相似、边界条件相似；◼③相似特征数一定相等。◼（3）相似第三定律描述相似现象各种量之间的关系，通常可采用相似特征数（）之

间的函数关系。即◼定性相似特征数的个数等于物理方程中的变量数减去基本量纲数。◼相似第三定律指明了如何整理实验结果，即可将实验结果整理成特征数关系式。12,,n12(,,)0nf=2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3中试◼中试

是中间工厂试验的简称，为介于小型工艺试验与工业装置之间的研究型试验，是实验室研究以及小试成果放大为工业生产规模之前的一种系统试验。一个新化工生产过程能否在工业规模上实现，它的开发期限有多长以及多达到的水平如何？技术方面的关键问题之一即

是放大问题，它贯穿于从小试验知道完成工业生产的整个过程之中，包括各级放大的方案和设备设计、具体的试验、实验结果的处理机应用等。完成中试后，化工过程还要取一个相对较大的安全系数才能放大到工业装置上。即使对过程传递机理及反应动力学研究得较为透彻的一些过程，用计算机进行数学模拟放大是有成效的，

但是一个完善的数学模型也要经过多次实验验证后，才能用于工程设计。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3中试◼2.5.3.1中试的任务◼2.5.3.2中试和实验室研究及工厂生产的差异◼2.5.3.3中试的分类◼2.5.3.4中试应注意的几个问题◼2.5

.3.5中试设计中的危险识别与控制2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.1中试的任务◼中试对于过程的模拟比较接近实际生产情况，因此能反映出小试中许多观察不到的现象，有利于考察工程因素对于过程的

影响。◼中试的内容和任务随着研究对象和采用的开发放大方法以及对于试验的要求不同而有差别，主要有以下几项：◼①检验小试确定的工艺方法和工艺条件，以及工艺系统连续运转的可靠性、安全性；◼②考察过程放大中的问题，特别

是反应过程中的“放大效应”问题；◼③验证模型与实际过程的等效性；◼④验证原料预处理方案，考核杂质的积累对过程的影响；◼⑤验证反应产物的后处理方案的可行性、分离技术和设备形式的适用性；◼⑥考察环境污染和安全卫生状况，研究防治措施；◼⑦考察物料对于设备材质的腐蚀作用

；◼⑧确定实际的消耗定额和技术经济指标；◼⑨提供一定量的产品供进一步加工应用考察；◼⑩发现工程问题，为工业设备的设计提供可靠的技术资料和技术数据。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.2中

试和实验室研究及工厂生产的差异◼实验室研究与工厂生产之间存在巨大差异:◼（1）原料纯度不同◼（2）对收率要求不同◼（3）设备不同实验室中的化学反应一般在玻璃三口瓶中进行。而工业生产中，化学反应是在工业规模的设备中完成的。

工业规模与实验室规模设备的主要差异有:◼①工业反应器一般耐高温、耐高压；◼②为保证压力，搅拌轴与反应器接口处要密封或润滑；◼③液体加料一般不用漏斗而用计量泵；◼④固体加料时多用加料器；◼⑤测温时一般不用温度计多用热电偶；◼⑥过滤

多用压滤机或真空抽滤机；2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.2中试和实验室研究及工厂生产的差异◼⑦萃取多用搅拌混合器或沉降分离器或逆流萃取设备；◼⑧精馏的塔型多用板式塔、塔釜多为管壳式蒸发器；◼⑨试验室玻璃设备大小往往可以随意、不十分严格；而工厂设备则需要与生产

能力相平衡、与市场需要相适应，工厂设备要仔细计算、认真选择。◼（4）工艺操作不同◼①反应时间试验室研究对反应并不十分追求，而工业生产则要争分夺秒，以提高设备的利用率，节省能源。◼②加热方法工厂常采用蒸汽加热，实验室常用电加热或明火加热。◼③反应热

的转移这在实验室不是什么问题，通常反应器周围的空气就可以使系统的反应热自然冷却，必要时，冰浴、液氮冷却等方法都非常有效。但工业规模反应器的比表面积小，传热能力差，因此必须准确计算反应热，设计适当的冷却装置。如吸热反应则应提供恰当的加热措施。2010-03zhumingqiao

@zju.edu.cn2.5.3.2中试和实验室研究及工厂生产的差异◼④真空环境实验室较为容易提供真空环境，简单的抽气泵、循环水泵、机械式真空泵可供选择。而工业规模生产不易提供足够的真空环境。◼⑤压力环境实验室中，由于玻璃器皿不耐高温，常采用常压操作。即使需

要高压环境，其高压气体进料可直接取自高压气瓶。而工业规模生产时却必须另行压缩处理。◼⑥气相反应的控制实验室进行气相反应时，流量和温度的控制较为困难，而工业上就很容易解决。◼⑦连续操作实验室中不易进行，而工业上容易做到。◼（5

）废弃物的处理实验室中，除少数剧毒物质以外，一般的废水可以直接排入下水道、废渣排入废料箱。而工厂中所有的排放物都必须符合环境保护的相关标准，必要时还需作特殊处理。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.3中试的分类◼由于中试费用相当大，所以确定合适的中试类型和规模

非常重要。◼（1）微型中试微型中试是近几年发展起来的一种中试方法，伴随着放大理论的发展，若干研究相当透彻的过程，其放大系数已有把握达到103～104。因此，出现了微型中试，微型中试的反应器体积为50～5000mL，物料处理量降至40～5000mL/h，但是其规模足以维持连续操作，它可

取得工业化设计所需数据，也可以直接根据实验分析结果拟合出比较可靠的数学模型以预测生产装置的性能与优化操作条件。微型装置投资少，操作灵活性大，也易于根据需要进行不同的组合改变流程，是一个发展方向。◼（2）部分流程中试化工流程一般包括原料处理、化学反应、产品处理、物料回收循环四大部分。

一项新产品或新工艺的开发放大工作，并非上述所有过程都是生疏的。例如，对某些工艺流程，仅仅要求对某一关键步骤作详细研究，以便求取较为精确的工艺和工程设计数据，而对其他步骤已经掌握其规律，并不需要做试验。若试验装置只限于研究反应过程，就成为模型反应器中试。

部分流程中试强调：只对那些缺乏认识的反应器、涉及多相操作（如结晶、萃取等）的关键设备和过程进行中试放大研究，测取必要的数据，而对已经有把握的单元操作（如换热、精馏等）按理论或经验直接放大。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5

.3.3中试的分类◼（3）全流程中试全流程中试包括上面提到的四大部分。在全流程试验时，因反应结果和前后加工是紧密相连的，要求装置的所有部分都能正常运转，这样才能保证提供完整的实验结果。正因为如此，在全流程的中试装置中，其操作条件只能在一个较窄的范围内变化。进行全流程中试

的优点是，可暴露试剂将面临的各种潜在隐患和一切难以预料的问题，包括原料的处理、物料回收循环使用、杂质累积的影响、辅助设施和操作控制中存在的问题等，确保全流程畅通。◼（4）全规模中试全规模中试是直接在工业装置上进行的试验，也成为工业性试验。全规模试验多见于有关催化剂的更新换代试

验。试验在其他条件改动不大的情况下进行，目标明确，结论可靠。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.4中试应注意的几个问题◼（1）中试装置的规模由于产品工业化的规模不同，中试装置规模的大小可以有很大差异。◼中试环节可能是逐步渐进的过程，一步一步放大到生产规模。◼

决定中试装置的规模可参考一下基本原则。◼①气固相催化反应器的催化剂颗粒尺寸,中试应与工业装置相同。只有催化剂颗粒内部及催化剂床层的传递过程才能与工业过程基本相同。◼②中试对象是有气泡、液滴、颗粒参加的反应过程，中试装置的尺寸应保证上述三者大小与工业装置基本相同。例如分布孔、筛孔、喷射

孔不能按比例缩小，以保证泡内、滴内、颗粒内的传递过程与工业条件大体相同。中试装置尺寸还应当满足泡外、滴外、颗粒外的传递过程与工业装置基本相当。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.

5.3.4中试应注意的几个问题◼③工业反应装置为列管式时，中试装置可采用相同尺寸的单管。◼④中试的搅拌反应釜的搅拌形式与尺寸、反应壳体和进出口位置应与工业装置严格相似，单位体积的搅拌功率应相当。◼⑤中试装置规模应适应产品应用试验、仪器、仪表的安装和调节控制、

取样及安全生产、环境保护评价等方面的要求。◼⑥中试装置的设备尺寸应能满足内部零部件（例如搅拌器、换热装置、喷淋及鼓泡装置、大型内衬等）的加工安装要求。◼⑦中试装置应是批量生产装置，其规模应由试产期间的市场需要量而定。◼⑧如果反应过程中有固相或高黏度物生成（

例如结晶、析炭、粘稠物），中试装置尺寸应特别注意孔隙率、壁效应、界面接触效应与工业装置基本相同。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.4中试应注意的几个问题◼（2）中试装置的完整性一个完

整的化工流程包括原料预处理、化学反应过程、产物分离提纯及后处理、物料回收及循环等四大部分。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.4中试应注意的几个问题◼进行何种形式的中试，一般根据下列原则确定。◼①下列情况必须进行全流程中试a.需要在小试的基础上对整个工艺过程进

行综合研究；b.需要提供一定批量的样品进行应用试验；c.物料循环对生产的影响不可预测，而且对生产的影响大。◼②化学反应过程要进行中试◼③凡新物系分离、新分离方法和设备使用等要进行中试。◼④考察再循环过程

对生产影响时要进行中试。◼⑤为节约中试经费并减轻工作难度，中试一般可采用逐步增加的措施来进行。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.4中试应注意的几个问题◼（3）中试装置的运行周期和检测控制◼①中试装置的运行周期取决于所开发的化工过程特点

，通过运行取得可靠的放大设计数据。下面举例供参考。a.对新型催化剂的开发研究，中试运行时间不能少于1000h,最好运行2000h以上。b.中试装置要对整个工艺过程的整体功能进行考核时，对连续化工过程至少要连续稳定操作72

h以上，一般应连续稳定操作720h以上。对间歇化工过程应重复操作多次。c.中试要对设备、材质、仪表及阀门等进行考核时，其运行时间应在半年以上。◼②中试装置的检测控制为了便于对过程进行详细研究，中试装置的检测控制点的数目、检测精度及检测控制范围均应超过工业装置。2010-03zhumingqi

ao@zju.edu.cn2.5.3.4中试应注意的几个问题◼（4）测试深度是指中试期间测试数据的范围，测试项目（内容）的多少，并非从微观结构研究问题。工业装置的测试内容是有限的，除了提供控制所必须的数据，显示产量与消耗的数据外，其他测试内容很少，并且这些数据一般只有相对的概念，准

确性较差。因此要想通过工业数据研究分析问题，往往是行不通的。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制◼在化工中试设计时，必须预测分析工艺过程中的潜在危险因素，通过安全设计把这些

危险消除或控制在一定的容许范围之内。◼可以从下面几方面考虑中试设计中的危险识别与控制问题。◼（1）工艺物料生产中的原料、材料、半成品、中间产品、副产品以及贮运中的物质在不同状态下分别具有相对应的物理、化学

性质及危险、危害特性。◼（2）工艺路线在反应工艺路线的选择上应优先考虑能消除或减少危险物质量的路线。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制◼（3）化学反应装置①反应器的选型②反应条件◼（4）安全

防护装置◼（5）电气电气设计中，应结合工艺的要求，按照工作环境采取相应的措施。◼（6）仪表及自控设计中应检查是否有足够的仪表来指示生产工况和报警，在装置的整个设计过程中是否考虑了仪表的安全功能和控制功能的统一。2010-03zhumingqiao@zj

u.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制例2.9合成异丙苯中试研究及工业放大实验。本例是在经小试评价筛选、研制出以β沸石为基质的分子筛催化剂，以及小试工艺条件的基础上，在500t/a中试装置进行液相法合成异丙苯实验，以进一步考察液相工艺的可行性，确定适宜的工艺流程，考察温度、苯烯

比、空速及循环比及丙烷等因素对反应的影响，优化工艺条件，为工业放大提供依据。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制苯丙烷丙烯001-CD氮气001-P001-C002-P002-C002-LPT4T3T2T1001-D生产装置图8-13中

试流程示意图2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制（1）中试流程液相中试采用FX-01催化剂，反应器内催化剂粉四段装填。中试流程示意图见图2.14反应原料苯、丙烷、丙烯分别按给定的流量通入混合罐001-C

D混合，再经泵001-P进入预热器001-C，预热至给定温度后从反应器底部进入烃化反应器001-D，反应压力由调节阀控制。反应生成的烃化液经过滤器002-L过滤后，一部分经冷却器冷却后由外循环泵送回反应器作为循环液，一部分作为产品返回工业装置。试验用原材料见表2.8，分析仪器见

表2.9。（2）工艺流程选择原引进装置采用固体磷酸催化剂生成异丙苯时，考虑在磷酸强酸性下丙烷的存在可减少丙烯齐聚，需要加入部分丙烷；采用沸石分子筛催化剂后是否保留丙烷的引加，关系到工艺流程测方案确定，所以首先通过实验来考察丙烷的影响，见表2.10

。试验条件：反应器出口压力3.0MPa、反应器入口温度170℃、液相质量空速3h-1，循环比1。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn表2.8原材料及规格原料及规格来源原料及规格来源n(苯):n(丙烷):n(丙烯)=8:2:

1来自生产车间丙烷来自生产车间苯含量70%~80%来自生产车间FX-01球形催化剂东大化工试验厂丙烯含量（聚合级）来自生产车间表2.9分析仪器及规格样品分析仪器色谱柱检测器气体HP-6890Al2O325m×0.5mFID液体HP-6890HP-125m×0.2mm×

0.33μmFID水卡尔费休水分仪表2.10丙烯的影响n(苯):n(丙烷):n(丙烯)正丙苯含量/%HB含量/%丙烯转化率/%异丙苯选择性/%8:2:100.137810094.388:0:10.00620.32

6210091.592010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制（3）催化剂稳定性试验采用液相法合成异丙苯，对工艺的可行性和操作的稳定性进行考察。试验条件：反应器

出口压力3.0MPa、反应器入口温度150℃、液相质量空速2h-1，n（苯）：n（丙烷）：n（丙烯）=8：2：1，循环比1。由图2.15可以看出，中试装置经1000h连续运转，操作较为平稳。虽然在开车初期及装置运转过程中出现过波动，但总体操作稳定

。丙烯全部反应，异丙苯选择性保持在94%～96%。催化剂床层温升也较为稳定，最大15℃。烷基化反应主要产物是异丙苯和副产物二异丙苯，正丙苯未检出，三异丙苯以上的重组分很少，其它杂质的生成量也都非常小。这

表明在沸石催化剂FX-01上采用液相法合成异丙苯工艺可行，操作较为稳定。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制020040060080010009092949698100丙烯转化率，异丙苯选择性

/%时间/h丙烯转化率异丙苯选择性图2.15操作稳定性曲线2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制（4）工艺条件试验①温度的影响根据小试结果，在苯烯物质的量比4：1，压力

3.0MPa、苯质量空速4h-1的条件下，液相法合成异丙苯适宜的反应温度为160～175℃。中试通过改变反应器入口温度、考察温度对烷基化反应的影响。其它试验条件为：反应器出口压力3.0MPa、液相质量空速2h-1，n（

苯）：n（丙烷）：n（丙烯）=8：2：1。试验表明，反应器入口温度提高时，整个床层的温度也随之提高，但床层温升基本不变，最大温升约15℃。试验结果见图2.16、图2.17。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制图2.16

入口温度对杂质含量的影响1401501601701801900.000.010.020.030.04杂质含量/%温度/℃正丙苯重组分2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制图2.17入口温度对选择性的影响92939495

9697130150170190入口温度/℃异丙苯选择性/%2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制②苯烯比的影响根据小试，在苯质量空速4h-1、温度160

℃、压力3.0MPa下，适宜的苯烯比为4～6。中试在反应器出口压力3.0MPa、反应器入口温度170℃、液相质量空速4h-1、循环比6的情况下，考察了苯烯比对烷基化反应的影响，见表2.11。表2.11苯烯比的影响苯烯比HB含量/

%丙烯转化率/%异丙苯选择性/%60.216410092.1440.304510088.7442010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制③空速的影响根据小试，在苯烯物质的量比4：1、温度160℃

、压力3.0MPa、无外循环条件下，适宜的苯质量空速为3～4h-1。在反应器出口压力为3.0MPa、反应器入口温度150℃、进料n(苯):n(丙烷):n(丙烯)=8:2:1、循环比为1的条件下，中试考察了液相质量空速对烷基化反应的影响，见表2.12。表2.12空速的影响空速/h-1HB含量

/%丙烯转化率/%异丙苯选择性/%20.042710094.2340.030610095.332010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制④外循环的影响苯和丙烯的烷基化过程是放热反应，反应热为110.46KJ/mol。本中试采用外循环

工艺撤出反应热，即将一定量的反应液经外部冷却器冷却到一定温度后，再泵送回反应器入口。综合撤出反应热和提高苯烯比，考察了循环比对烷基化反应的影响，见图2.18、图2.19。反应条件：反应器出口压力为3.0MPa、反应器入口温度170℃、液相质量空速4h-1

、进料苯和丙烯物质的量比6。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制图2.18循环比对选择性的影响1401501601701801900.000.010.020.030.04杂质含量/%温度/℃正丙苯重

组分2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制图2.19循环比对选择性的影响9091929394950123456循环比选择性/%2010-03zhumingqiao@zju.edu.

cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制以工业装置苯进料量40t/h计，各循环比下的循环量见表2.13.循环比为4时，循环量160t/h，55Kw循环泵电机还能用，循环比大于4后，循环电机要选择110kW，能耗大。因此

从节能角度考虑，循环比不宜过大，应在4以下。适应的循环比为2～4。最佳值要在工业装置上进一步确定，以产品质量、装置能耗、投资及操作费用的综合指标作为评价标准。表2.13不同循环比对应的循环量循环比23456循环量/t·h-180120160200240注：苯进料量40t/h。201

0-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制◼中试结果表明，新工艺比传统工艺有显著的优点。◼a.液相法合成异丙烯中试流程设计合理，操作正常，运转稳定，达到了预期的效

果，表明采用分子筛催化剂的液相合成异丙苯工艺是可行的。◼b.采用液相法合成异丙苯，丙烷的加入有利于液相烷基化反应进行。但综合评价，无丙烷存在时异丙苯精制采用的三塔流程更为简单，投资和操作费用更低。◼c.液相法合成异丙苯适宜的工

艺条件：反应温度160～175℃、压力3.0MPa、液相质量空速2～4h-1、进料苯烯物质的量比6，循环比2～4。考虑装置处理能力、操作费用、产品质量综合因素，各条件可进一步优化。2010-03zhum

ingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的危险识别与控制（5）工业放大在小试、中试试验基础上1998年、2001年分别将FX-01和YSBH-1两代催化剂应用于两套苯酚丙酮工业装置的扩产改造，使异丙苯生

产能力扩大，装置运行平稳，标定成功。标定结果表明，异丙苯单元的实际生产能力满足了苯酚丙酮装置扩大产量的需要。苯耗656.1Kg/t，丙烯耗358.6Kg/t，异丙苯的纯度99.9%以上，异丙苯溴值≤10，异丙

苯选择性达到95%以上，异丙苯收率达到98.7%。综合评比，液相法异丙苯工艺水平大幅度提高，居国内领先水平，装置改造取得成功，见表2.14。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.5.3.5中试设计中的

危险识别与控制表2.14中试与工业装置对比原料苯、丙烯、丙烷苯、丙烯异丙苯溴值——＜10异丙苯产量500t/a67Kt/a异丙苯选择性/%98.36＞95温度/℃160~175159~167异丙苯收率/%——＞98.7压力/MPa3.

02.89~3.07正丙苯质量分数/%00.0176苯烯比66~6.6重组分质量分数/%0.280液相质量空速/h-12~42.4每吨异丙苯消耗苯/Kg656.1循环比2~43.5~3.9每吨异丙苯消耗丙烯/Kg358.6丙烯转化率/%1001

00注：中试装置空速为液相质量空速，其他装置空速为苯质量空速。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6化工开发设计案例分析◼2.6.1氯乙烯生产工艺流程的确定◼2.6.2脉冲萃取塔的开发设计◼2.6.3发泡釜的开发设计2010-03zhumingqiao@zju.edu.c

n2.6.1氯乙烯生产工艺流程的确定◼设计团队通过对在审查初始设计问题时所提出的每一种设计方案寻求解决方法来实现这个创建过程。首先收集数据，为此要描述初始数据库的组成并推荐几种数据来源，包括进行实验室实验的可能性。然后利用这一数据库，说明如何创建包含多个供设计团队研究的有希望的流程的合成树

，对于合成树中每一个最有希望的方案，都要创建一个基础方案设计，最后确定优选的工艺流程。◼以下对流程合成设计过程步骤进行阐述，并对于生产大宗化学品氯乙烯的连续过程，作为例子进行介绍。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1氯乙烯生产工艺流程的确定◼2.6.

1.1化学状态◼2.6.1.2过程操作单元◼2.6.1.3合成步骤◼2.6.1.4连续或间歇加工◼2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产◼2.6.1.6合成◼2.6.1.7试探研究2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.1化学

状态◼作为合成的第一步，设计团队必须决定原料和产品的技术指标。这些称之为状态。注意，随着流程的不断修改，在后面可以对这些状态的选择进行修改。为了规定状态，需要下述条件的数值：◼（1）质量（流率）；◼（2）组成（特定分子形式的每一个化学组分的摩尔或质量分率）；◼（3）相（固体、液体或气体）；◼（

4）如为固相，其形态（例如，粒子的大小分布和粒子形状）；◼（5）温度；◼（6）压力。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.1化学状态原料(可能是C2H4Cl2)过程流程？C2H3Cl要求的产品图2.19过程合成问题对于大宗化学品，

上述各种条件中，过程的规模（即生产量或流量）是设计过程早期要考虑的主要问题。通过与市场开发人员共同工作，设计团队可根据对产品的计划要求决定过程的规模。通常，对最可能的客户的调查统计结果对于工厂的选址和

其原料的选择有着重要的影响。当规模和地点确定之后，就应当考虑每一种产品和原料物流的组成、相态、形态、温度和压力这些问题了。当这些物流所需的状态确定后，过程合成的问题就变得较易确定了。如图2.19所示，对于氯乙烯的生产，

要做的仅是将过程的操作单元加到流程中去。值得注意的是，一旦物质的状态由条件（1）～（6）确定，所有的物理性质（除了固体的形态外），包括黏度、热传导系数、颜色、折光指数和密度都有了确定的数值。而且，物质的状态与它在重力场中的位置以及它的速度无关。虽然在某些情况中，还需要其他

条件（如磁场强度、表面积），但上述六个条件通常对于确定物质的状态已足够了。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.2过程操作单元◼整个化学过程的文献中描述了称为单元操作的许多类型的设

备，包括精馏塔、吸收装置、汽提塔、蒸发器、沉降器、热交换器、过滤器和离心机，这里仅列举了少数几种。所有单元操作都涉及到一个或多个下列基本操作：◼（1）化学反应；◼（2）化学混合物的分离；◼（3）相分离；◼（4）温度变化

；◼（5）压力变化；◼（6）相态变化；◼（7）混合或分割物流或批料；◼（8）固体的操作，如粉碎和造粒。因为这些单元操作是构成所有化工过程的“砖瓦”，所以通常以创建涉及这些单元操作的流程作为过程合成的第一步。然后，在任务集成步骤中，在适当可行的地方将某些单元操作合并起来。在考虑过程合成步骤之

前，在本节的其余部分将详细的对每一个基本的单元操作进行讨论。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.3合成步骤◼给定原料和产品的物流状态后，过程合成涉及选择适当的过程操作将原料转化为产品。换言之，每一个操作都可看作具有消除原料与期望产物间的一个或多个性质差异的

作用。随着每一个操作加入到流程中，从新操作中流出的物流都更接近要求的产品。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.3合成步骤◼例如，当加入反应操作，则离开反应操作的物流常具有期望的分子类型，但不具有所要求的组成、温度、压力和相态。为了消除剩下的差异，需要添加操

作。当加入分离操作后，接着是改变温度、压力和相态的操作，余下的差异就更少了。有一种说法，以减少差异为目标加入操作，直到离开最后一个操作的物流与要求的产品状态一致。“所有的差异均已被消除”这样的命题的证明的正式的逻辑基础策略，被称为装置目标分析（means-endanalysis

）。在过程合成中，这些正式策略的发展尚未超越简单过程的合成。然而，Rudd，Powers和Siirda（1973）在一本名为《过程合成》（ProcessSynthesis）的书中提出一种非正式的方法，已被广泛地采纳。该方法提出按下面的步

骤来设置过程操作，消除差异：2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.3合成步骤合成步骤过程操作1.消除分子类型上的差异化学反应2.通过匹配源和汇分配化学品混合3.消除组成差异分离4.消除温度、压力和相态差异温度、

压力及相态变化5.集成目标：即将各操作结合成单元过程，并在连续和间歇过程间做出决定随着将这些应用于创建氯乙烯的生产过程，这些方案就被组合到合成树上。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.4连续或间

歇加工◼在任务集成步骤中选择过程设备时，生产的规模极大地影响着操作的模式。对于大宗化学品的生产，选用大规模的连续加工装置，而对于许多专用化学品及工业和客户化学品，更愿采用小规模的间歇过程。对连续操作或间歇操作，或可能为半连续操作之间的选择，是一个关键的决策。2010-03zhuming

qiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产◼如绪论在典型的初始设计问题的描述中所介绍，氯乙烯（氯化乙烯）是聚氯乙烯生产的中间单体，聚氯乙烯是一种重要的塑料，广泛用于硬塑料管、管件和类似的产品。多年来，建立了多个大型装置，有的生产量超过45万吨

/年。因此，聚氯乙烯和衍生出的该产品的单体通常归类于大宗化学品，实际上在各地都是连续生产而不是间歇过程。历史地看，1835年在法国化学家Regnault的实验室中发现了氯乙烯，1917年德国化学家KlatteandRollent（Leonard，1971）开发出第一个实用的进行氯乙烯聚合的方法。氯

乙烯单体是一种极具毒性的物质，因此，对于生产和加工该物质的工业装置都必须仔细地进行设计，以满足政府的健康和安全规定。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产◼在本案例中，仅考虑

单体的生产，重点是设计团队确定的特殊问题，如绪论中的方案2和方案3。目标是创建几个可能的流程图，作为解决这些特殊问题的候选方案，在后面将它们加入到图2.15中去。除了来自化学实验室的数据，两个专利（Benedict，1960s；B.F

.GoodrichCo.,1963年）在过程合成中起了关键的作用。设计团队在他们进行文献检索和建立初始基础数据库的工作中找到了这些文献。在适当的时候，将与下面的合成步骤相结合，查阅这些文献。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤1.

消除分子类型的差异◼步骤1.消除分子类型的差异◼对于氯乙烯的生产，化学实验室的数据集中在几个有希望的化学反应上，所涉及的化学物质列于表2.15。注意，因为氯乙烯作为大宗化学品已经多年，所以这些化学品和与这些化学品相关的化学反应都是人们熟知的。对于新出现的物质，设

计团队常常是随着其数据在实验室出现，开始对其进行过程合成。在这些情况下，具有挑战性的问题就是要引导化学家离开那些使过程建设和操作成本高昂的反应路线，尽快地达到产品设计的目标，以便及时地、在其他公司的有竞争力的过程或化学品开发成功之前，占领产品的市场。2010

-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤1.消除分子类型的差异表2.15参加生产氯乙烯反应的化学物质ClClCCHHClClHHCCHHHHClHCCClHHH化学品相对分子质量化学分子式化学结构式乙炔26

.04C2H2氯70.91Cl21,2-二氯乙烷98.86C2H4Cl2乙烯28.05C2H4氯化氢36.46HCl氯乙烯62.50C2H3ClCCHH2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤1

.消除分子类型的差异◼现在回到氯乙烯的生产上，主要反应路径如下。◼1）乙烯直接氯化C2H4+Cl2→C2H3Cl+HCl（2.48）这个反应显然是绪论中对于设计方案2的一个有吸引力的解决方案。这一反应在摄氏几百度下能自然发生，但是，遗憾的是在

不会同时产生大量副产物如二氯乙烯的反应条件下，也不能获得高产率的氯乙烯。另一个缺点是昂贵的氯气的两个氯原子有一个消耗于产生副产物氯化氢，而这种副产物可能不易销售。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤

1.消除分子类型的差异◼2）乙炔氢氯化C2H2+HCl→C2H3Cl（2.49）这一放热反应是标记为方案3的特定问题的一个可能的解决方案。在150oC、常压、浸渍在活性炭上的氯化汞（HgCl2）催化剂存在的条件下，乙炔转换为氯乙烯反应的转化率很高（98%）。这一反应的条件相

当温和，因此值得进一步的研究。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cnC2H4+Cl2→C2H3Cl+HCl（总反应）（2.48）3）由乙烯氯化生成的二氯乙烷进行热裂解C2H4+Cl2→C2H4Cl2（2.50）2.6.1.

5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤1.消除分子类型的差异C2H4Cl2→C2H3Cl+HCl（2.51）反应（2.50）和（2.51）得总和等于反应（2.48）。这两步的反应路线的优点是，在90℃、1大气压和Friedel-Crafts催化剂，如三氯化铁（FeCl3

）存在的条件下，放热反应（2.50）中的乙烯生成1，2-二氯乙烷的转化率约为98%。然后，二氯乙烷中间产物通过裂解吸热反应（2.51）转化为二氯乙烯，该反应过程在500℃时能自发进行，转化率高达65%。该总反应假定未反应的二氯乙烷从氯乙烯和氯化氢中被

完全回收，循环利用。这个反应路线的优点是不会大量地生成二氯乙烯，但它与反应路径1有同样的缺点，会生成HCl。作为设计一种解决方案，值得进一步考察。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn4）由乙烯氧氯化生成的二氯乙烷进行热裂解C2H4+2HCl+1/2O2

→C2H4Cl2+H2O（2.52）C2H4Cl2→C2H3Cl+HCl（2.51）C2H4+HCl+1/2O2→C2H3Cl+H2O（总反应）（2.53）2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤1.消除分子类型的差异在将乙烯氧化生成1，2-二氯乙烷的反应（2.52）中，氯的来源

是HCl。这是一个强放热反应，在250℃、氯化铜（CuCl2）催化剂存在的条件下，转化率达到95%，当HCl的成本较低时，是一个极好的候选方案。如同反应路径3中，二氯乙烷在热裂解步骤中裂解成氯乙烯，这一反应路径也可视为设计方案3中的一种解决方案。2010-03zhu

mingqiao@zju.edu.cn5）乙烯氯化反应的平衡过程C2H4+Cl2→C2H4Cl2（2.50）C2H4+2HCl+1/2O2→C2H4Cl2+H2O（2.52）C2H4Cl2+HCl→2C2H3Cl+2HCl（2.51）2C2

H4+Cl2+1/2O2→2C2H3Cl+H2O（总反应）（2.54）2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤1.消除分子类型的差异这一反应路径结合了路径3和路径4。它的优点是将氯分子的两个原子均转化到氯乙烯分子上。在热裂解反应中产生的全部HCl被消耗在氧氯化反应中。确实，这

是解决设计方案2的一个很好的候选方案。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn表2.16假设的化学品采购或批量销售的价格2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤1.消除分子类型的差异化学品价格（美分/磅）乙烯18乙炔50氯11氯乙烯2

2氯化氢18水0氧02010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤1.消除分子类型的差异◼为了说明氯乙烯生产的这一过程，表2.16提供了主要化学品的一组代表性的价格，如前面讨论得那样，这些价格是从化学品

市场报告那样的信息源得到的。毛利是由产品和副产品销售收入减去原料费用计算得到的。首先要将这些值转化为一种质量基准，再进行计算，如对反应路线3说明如下：C2H4+Cl2=C2H3Cl+HCl磅摩尔1111相对分子质量28.0570.9162.5036.46磅28.0570.

9162.5036.46磅/磅氯乙烯0.4491.13410.583美分/磅18112218于是，毛利为:22(1)+18(0.583)-18(0.449)-11(1.134)=11.94美分/磅氯乙烯。201

0-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤1.消除分子类型的差异◼对于上面的每一条反应路线的总反应进行类似的估算，假设反应可达到完全的转化，没有任何副反应（没有列出），结果见表

2.17。表2.17氯乙烯生产的毛利（基于表2.16中的化学品价格）反应路线总反应毛利（美分/磅氯乙烯）2C2H2+HCl→C2H3Cl-9.333C2H4+Cl2→C2H3Cl+HCl11.944C2H4+HCl+1/2O2→C2H3Cl+H2O3.4252C2H4+Cl2

+1/2O2→2C2H3Cl+H2O7.682010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤1.消除分子类型的差异◼即使没有投资费用（建设装置，购买土地等）和操作费用（劳动力、蒸汽、电等）反应路径2的毛利也是负值，而

其他反应路径的毛利为正值。这主要是因为相对于乙烯来说乙炔的价格（资源丰富且自己利用的地区另当别论）是非常昂贵的。HCl可能以极低的价格为作为副产品从别的生产过程中大量得到。在其低得多的价格下，反应路线2的毛利为正值，

但当与三条涉及乙烯的反应路线比较时，就不值得作进一步的考虑。注意，HCl的价格对反应路线3和4的毛利有极大地影响，对反应路线5的毛利影响介于它们两者之间。在进行合成之前，建议设计团队考察毛利是如何随HCl的价格变化的。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成

案例：氯乙烯的生产-步骤1.消除分子类型的差异◼图2.20显示了对反应路线3创建过程流程的第一步。每一个反应操作设置了箭头表示它的原料和产品化学物质。没有表示源和汇，因为它们取决于过程合成的下一步，化学品的分布。假设乙烯和氯的源完全转化到氯乙烯和氯化氢得汇，对外部源和汇的流率进行计算

，这里，关键的决策是要确定生产过程的规模，即按设备能力确定的产量。◼在本案例中，在1.2节的基本问题叙述中已规定生产能力为100000磅/小时（约8亿磅/年，即36万吨/年，假设年操作330天，开工率0.904）。给定了产品流率（主要的过程汇）后，假

设原料按总反应式转化为产品，HCl的流率和原料源的流率就能计算了，所有未反应的原料都从反应物中分离并循环利用。通过物料衡算，得到图2.16的结果，这里每股流率为1600磅摩尔/小时。2010-03zhumingqiao@

zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤1.消除分子类型的差异HCl58300磅/小时直接氯化热裂解C2H4ClHClC2H3ClC2H4Cl2C2H4+Cl2→C2H4Cl2C2H4Cl2→C2H3Cl+H

ClCl2113400磅/小时C2H444900磅/小时C2H3Cl100000磅/小时图2.20由乙烯氯化生成的二氯乙烷进行热裂解的反应操作（反应路线3）2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤

1.消除分子类型的差异◼对于反应路线4和5，要完成过程合成的第一步，也要准备包含反应操作的类似的流程。这些表示在图2.21的合成树中，并在所有的合成步骤完成以后在进行讨论。在对反应路线3完成合成的下面几个步骤时，要记住对于其他的反应路线也要进行

这些步骤。还要注意，仅仅对最有希望的流程才进行详细的开发，通常由扩大的设计团队，某些情况下由一个竞争的设计团队来进行这项工作。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤2.化学物质的分布◼步骤2.化学物质的分布◼在步骤2中

，在可能条件下，对图2.20中每一个化学组分的源和汇进行匹配，使得进反应器的总质量流率等于出反应器的总质量流率。当一个汇由两个或更多的源供给时，这常要求引入混合操作来消除流量的差异。在另一些情况下，单个的源被分到几个汇中，为了达到图2.21中化学物质的

分配，乙烯和氯源与它们的汇匹配成为氯化反应器。◼假设乙烯和氯以反应（2.50）中的化学计量比1:1进入反应器。由于原料是以这样的比例进入体系，源和汇的流量不存在差异，因此不需要混合气。流率为113400磅/小时的氯和流率为44900磅/小时的乙烯生成流率为

158300磅/小时的二氯乙烷。当要求某种化学物质相对于另一种化学物质过量而使得后者能完全消耗时，这后一种物质可能是有毒的或是非常昂贵的（如Cl2），另一种原料（如C2H2）与循环物料混合后过量进入反应器。20

10-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤2.化学物质的分布图2.21的化学物质的分布，注意，实验数据表明：在反应器条件为90℃，1.5atm时，98%的乙烯转化为二氯乙烷，其余的转化为不希望的副

产物如三氯乙烷。主要产物收率的损失和生成的少量副产物在过程合成这一阶段可以忽略。接着，来自氯化反应操作的二氯乙烷源被送入热裂解操作的汇中，热裂解在500℃下进行。这里仅60%的二氯乙烷按反应（2.51）转化为氯乙烯和副产物

HCl。这个转化率在专利宣称的转化率65%之内。为了满足总的物料平衡，158300磅/小时的二氯乙烷必须生产100000磅/小时的氯乙烯和58300磅/小时的HCl。但是60%的转化率只能生产60000磅/小时的氯乙烯。需要添

加二氯乙烷有物料平衡算计算等于[(1－0.6)/0.6]×158300即105500磅/小时。它的源是来自将氯乙烯和未反应的二氯乙烷分离后的循化物流，来自为结合两股源而加入的混合操作，总量为263800磅/小时。热

裂解操作的出口物流是氯乙烯产品、HCl副产物和二氯乙烷循环物流的源。为了能将这些化学物质提供给它们的的汇，需要一个或多个分离操作，这将在下一步合成步骤中处理。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5

过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤2.化学物质的分布热裂解反应500℃，26大气压HClC2H3ClC2H4Cl2C2H4Cl2→C2H3Cl+HClC2H4+Cl2→C2H4Cl2反应放出的热量150×106Btu/h反应吸收的热量5

2×106Btu/hCl2113400磅/小时C2H444900磅/小时HCl58300磅/小时C2H3Cl100000磅/小时C2H4Cl2158300磅/小时105500磅/小时直接氯化反应90℃，1.5大气压图2.21表示乙烯氯化(反应路线3)生成的二氯乙烷热裂解的化学物质分布的流程20

10-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤2.化学物质的分布◼图2.17还表示两个反应步骤的反应热。这些值是由作为温度函数的物质的生成热和热容在反应操作的温度和压力下计算得到的。这些数据有许多的来源，特别是

过程模拟软件。◼当使用一种模拟软件，如ASPENPLUS时，规定每一个反应操作和进行反应器条件下的能量衡算是很方便的。模拟软件会报告在给定进口条件下要达到出口条件所需传入或传出反应器的热量的速率；或在绝热操作时将报告无传热时出口的状况；如在随书所附的多媒体中讨论的那样（ASPEN→Chemical

ReactorsandHYSYS→ChemicalReactor）。◼在反应路线3中，氯化反应操作提供了很大的能源，1.5亿英热单位/小时（1英热单位=0.252千卡），但是在90℃的低温条件下；然而热烈接操作需要的能量少得多，为5200万英热单位/小时，却是在500℃的高温下。因为不能用氯化的

热源为热裂解提供能量，因此在过程合成的过程中应当为这部分能量寻求其他的利用。◼在步骤5中，将对上述和其他能量的源和汇加以考虑。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程

合成案例：氯乙烯的生产-步骤2.化学物质的分布◼关于反应操作的压力水平，选择1.5atm是为了防止氯化反应中空气泄漏进入在任务集成步骤中所设置的反应器。在常压下，空气就可能会泄漏进入反应器，达到足够高的浓度而超过可燃极限。关于热裂解操作的压力

，采用26atm是B.FGoodrich专利（1963）推荐的，未作任何论证，因为反应是不可逆的，压力的提高对转化率没有不利的影响。专利推荐这一压力很可能是为了提高反应速率以减小热裂解炉的尺寸，尽管在高压下操作下管壁必须加厚而且考虑许多在高压下操作必须注意的问题。正如下一个合成步骤

中将讨论的那样，压力水平也是选择分离操作时要考虑的一个重要因素。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤2.化学物质的分布◼参照图2.25，在化学物质分布的层面上，有两个分支被加到合成树上，它们表示与反应路线3有关的两

种分布。其中每一个分支表示一个不同的且已部分完成了的流程，即图2.21，其他分布的发生与反应路线4和5的有关。这些在合成树中用虚线表示。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤3.消除组成差别◼步骤3.消除组成差别◼如前面提到的，

对化学物质的每一种分布，对分离的要求变得明显。例如图2.21中，显然，氯化反应操作的出口纯物流不需要分离，但是热裂解操作的出口物流是混合物，需要将其分离成接近纯的组分。这里，氯乙烯产品、副产品HCl和

循环的二氯乙烷三个组分出口物流源中的组成与3个汇中的组成大不相同。为了消除这些组成的差异，需要一个或多个分离操作。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤3.消除组成差别直接氯化90℃，1.5大气压150×10E6Btu/hC2H44

4900磅/小时Cl2113400磅/小时C2H4Cl2158300磅/小时112℃52×10E6Btu/h热裂解500℃26大气压泡点液体6℃C2H4Cl2105500磅/小时100000磅/小时C2H3Cl10550

0磅/小时C2H4Cl293℃-26.2℃精馏塔12大气压精馏塔4.8大气压33℃C2H3Cl100000磅/小时146℃HCl58300磅/小时图2.22包含分离操作的氯乙烯过程流程2010-03zhumingqiao@

zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤3.消除组成差别◼图2.22表示了一种可能的方案，在该方案的流程中加入了两个串联的精馏塔。因为三个组分间的挥发度差异较大，采用精馏操作是可能的。通过查看

表2.18中的沸点数据就会明白这一点，这些数据可以由基础数据库中的蒸气压数据获得，也可由过程模拟软件得到。◼第一个塔将HCl与两种有机化合物分离，第二个塔将氯乙烯与二氯乙烷分离。在一个大气压下，HCl的沸点非常低，为-84.8℃，因此，如果在1个大气压下

，HCl作为第一个塔的馏出物加以回收，就需要用很昂贵的冷冻过程来冷凝回流物流。在26大气压下（热裂解反应的压力）HCl在0℃沸腾，可以采用不太昂贵的冷冻源。◼B.FGoodrich的专利推荐在12大气压下操作，未作任何的讨论。在这一压力下，HCl在-26.2℃沸腾，塔底产物由氯乙烯和二氯乙烷组

成，含有微量的HCl，泡点为93℃，这可用过程模拟软件计算得到。降低了温度和压力后的塔底产物远离塔底氯乙烯-二氯乙烷混合物的临界点。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤3.消除组成差别◼因此，很可能B.FGoodr

ich选择了这一低压是为了避免在临界范围内操作，在临界区汽相和液相相互趋近，很难相互分离（即具有很小的液泛速度，需要非常大的塔径和板间距），而且低压蒸汽可用于此再沸腾。当这一精馏塔被添加到流程图中时，需要确

定它的原料物流或汇的状态。如果加料是饱和液体，在12大气压下温度为6℃，要求用中级的冷却剂冷却。◼最希望的加料温度将是35℃或更高，这可用冷却水使裂解反应器出料完全冷却和部分冷凝。但是，蒸汽进料将增加冷凝器在-6.2℃的冷

冻负荷。◼按照这样的技术规定，关键的差异（温度、压力、相态）出现在裂解操作的出料和精馏塔的进料之间。这些差异要通过在下一步合成步骤中添加温度和压力变化操作加以消除，对于每一种温度的技术规定都导致一种略有不同的流程。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案

例：氯乙烯的生产-步骤3.消除组成差别表2.18沸点和临界常数化学物质常压沸点(oC)（1大气压下）沸点（oC）临界常数4.8atm12atm26atmTc(℃)Pc(atm)HCl-84.8-51.7-26.2051.482.1C2H3Cl-13.833

.170.511015956C2H4Cl283.714619324225050在第一个精馏操作加入流程后，第二个自然紧随其后。HCl脱出塔的的塔底产物在第二个塔中被分离成接近纯的组分，第二个塔如B.FGoodrich专利推荐的选定在4.8大气压下操作。在这些条件下，

馏出物（接近纯的氯乙烯）在33℃下沸腾，并可用廉价的冷却水冷凝，可获得的冷却水温为25℃。塔底产物在146℃沸腾，因此，沸腾蒸汽可通过中压水蒸气加热产生，中压水蒸气在石化综合企业是非常容易获得的。2010-03zhumingqi

ao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤3.消除组成差别◼各种候选的分离操作可以添加到图2.21中，当使用径流操作时，也可从第一个塔回收最难挥发的组分二氯乙烷，而将HCl与氯乙烷在第二个塔中进行分离。也有另一种可能，就是仅用一个有侧线出料的塔，侧线出料

中浓缩了氯乙烯产品。常压下用水吸收也可除去HCl。得到的含氯乙烯和二氯乙烷的蒸汽，可用吸附干燥并用精馏进行分离。有如此多的可供选择的方案，过程设计人员需要时间或别人的帮助来选择最具希望的分离操作。◼此外，如

前面一样，图2.25中的合成树增大了。在本案例中，新的分支表示各种可供选择的分离操作的流程。显然，随着每一合成步骤的完成，这棵合成树代表了多种更加可能的流程。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5产-步骤4.消除温度、压力和相态的差异◼步骤4.消除温

度、压力和相态的差异◼当反应和分离操作确定后，它们的原料和产品流的状态就选定了。这通常通过调节温度和压力水平来实现，以达到要求的反应转化率和分离因子。继而，在创建流程后，通常将这些状态向经济优化的方向进行调节，常常使用过程模拟软件中的优化单元来实现调优。但是在本合成步骤中，假设状态时固定的，只添加

操作来消除进料源，产品汇与反应和分离操作间的温度、压力和相态差异。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5产-步骤4.消除温度、压力和相态的差异◼图2.23表示一种可能的流程图。可以看到，来自循环混合器的112℃和1.5大气压下的液态二氯乙烷经

历了下面这些操作；◼（1）将其压力增加到26大气压；◼（2）将其温度升高到沸点，26大气压下沸点是242℃；◼（3）二氯乙烷液体在242℃汽化；◼（4）将其温度升高到热裂解的温度500℃。◼注意，可以选择把操作（1）和（2）放到（3）后面的流程。然而，这是非常

不经济的，因为对蒸气进行压缩的成本远大于泵压液体的成本，因为蒸气的摩尔体积比液态体积大得多（通常大100倍）。关于这一问题的更完整的讨论见5.7节，这只是许多设计探索规则或纯经验规则之一。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn温度变化

相变温度变化温度变化相变温度变化直接氧化90℃1.5atm压力变化热裂解500℃26atmCl2113400lb/hC2H444900lb/hC2H4Cl2158300lb/h90℃1.5atm112℃26atm24

2℃26atm242℃26atm500℃26atm500℃26atm170℃26atm6℃12atm90℃-26.2℃93℃146℃33℃12atm4.8atmHCl58300lb/hC2H3Cl100000lb/hC2H4Cl2105500lb/h10000

0lb/hC2H3Cl105500lb/hC2H4Cl258300lb/hHCl100000lb/hC2H3Cl105500lb/hC2H4Cl2150x106Btu/h23x106Btu/h21x106Btu/h40x106Btu/h52x106

Btu/h泵送功66Bhp3.4x106Btu/h露点蒸汽泡点液体图2.23包含温度、压力和相态变化操作的氯乙烯过程流程图2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5产-步骤4.消除温度、压力和相态的差异◼此外，来自热裂解操作（500℃和26大气压）的高温蒸气出口物流按

如下过程操作：◼（1）将其温度降低到它的露点，26大气压下为170℃；◼（2）通过降低压力、冷却和一处冷凝潜热使蒸汽混合物在其泡点温度下冷凝，12大气压下位6℃。◼最后，二氯乙烷循环物流被冷却到90℃，以避免它与反应器流出物在1.5大气压下混合时发生气化。◼在这一合

成步骤完成以后，表示两个新流程的分支被加到图2.25的合成树上。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤5.任务集成◼步骤5.任务集成◼在完成第4步时，每一个候选流程图都有一组完整的操作，以消除原料和产

品间的差异。除了精馏操作以外，尚未对特定的设备进行说明。加工单元常称之为单元操作，在这些单元操作中科进行一个或多个基本操作，这些过程单元的选择成为至任务集成。为了给这种选择提供帮助，读者可参考《化工过程

设备.》(ChemicalProcessEquipment，Walas，1988)。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤5.任务集成◼图2.24表示对氯乙烯过程进行目标合成的一个例子。

在过程合成的这个阶段，通常只进行最明显的操作结合，而将许多可能的方案留待该流程图充分可行而要准备进行基础设计时再去考虑。在借助下文对过程单元的描述考察该流程时，注意你能否提出改进的建议。在下面的全部章节中，将针对这一过程

和制备许多别的化学品的其他过程，介绍如何获得较好的过程集成的各种技巧。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤5.任务集成◼（1）氯化反应器和冷凝器。图2.23中的直接氯化反应操作被一个圆筒反应容器所替代，其中包括一

个净化段和一个冷凝器。◼（2）泵。因为压力变化操作涉及的是液体，通过泵来实现，假设效率80%，仅需要66制动马力。泵中的焓变是很小的，温度的变化也不超过1℃。◼（3）蒸发器。这一单元设备，形式为有管束穿过底部的大釜，进行温度和相态变化

操作。当二氯乙烷液体被加热到沸点并汽化时，通过管束的饱和蒸汽被冷凝。较大的气相空间使得蒸汽夹带的液滴聚并，回落到液体槽中，即使得液滴与将进入热裂解炉的蒸汽分离。◼（4）热裂解炉。这一单元设备也执行着两个

操作；它将蒸汽预热到反应温度500℃，并完成热裂解反应。管束进入炉内最冷的部分，即顶部被称之为节热器的部位，在这里进行预热。◼（5）喷射急冷罐和冷却器。急冷罐被设计成使热裂解反应的产物急骤冷却，防止碳沉积在换热器上。2010-03z

humingqiao@zju.edu.cn2.6.1.5过程合成案例：氯乙烯的生产-步骤5.任务集成◼（6）冷却器。为了生产6℃的饱和液体，相态变化操作由将热量传给中级冷却剂的冷凝器完成。然后通过阀门，将压力将到12大气压。◼（

7）循环冷却器。为了防止蒸汽进入泵，当循环物流与来自二氯化反应器的物流混合时，用冷却水将循环流冷却到90℃（低于二氯乙烷在1.5大气压下的沸点）。这完成了图2.24中的任务集成。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn冷凝器冷却水C2H2Cl

2Cl2113400lb/hC2H444900lb/h直接氯化反应器杂质排除液体C2H4Cl2158300lb/h液体90℃1.5atm90℃冷却水冷却器1.5atm泵蒸发器26atm泡点蒸汽242℃Steam500℃500℃26atm预热器热解炉26a

tm喷淋急冷罐露点蒸汽170℃冷却水冷却器HCl58300lb/hC2H3Cl100000lb/h33.1℃146.1℃4.8atm93℃C2H4Cl2泡点液体冷凝器冷冻剂12atm-26.2℃图2.24说明乙烯过程任务集成的流程2010-03zh

umingqiao@zju.edu.cn2.6.1.6合成树◼整个氯乙烯过程的合成，各分支都已添加到图2.25中的合成树上，表示将予考虑的可供选择的流程方案。粗的分支跟踪的仅仅是在图3.3到图3.8中演变的一个流程的发展过程。显然，有许多可供选择的流程，过程合成中具有挑战性的

问题是，要找到不做许多分析工作就能抛弃合成树的整个枝节的方法。通过抛弃反应路线1和2，多达40%的合成树在第一个合成步骤中被删除。设计团队在每一步骤中都应用类似的筛选技巧，如在全书中讨论的那样。◼为了达到产生最有发展前途的流程的目的，必须仔细地再每一个合成步骤中保证进行充分的分

析，防止某一步会导致下一较差的流程，或不要过早地排除最具效益的流程。因为这一原因，在工业上通常的实践过程是，将这些合成步骤与用模拟软件进行的分析相结合。2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.6合成树图2.25倒置的氯乙烯生产的合成树Fig.2.242

.23Fig.2.22Fig.2.2154321任务集成温度、压力和相态变化分离过程化学物质分布反应路线2010-03zhumingqiao@zju.edu.cn2.6.1.7试探研究◼在进行初步过程合成的这些工作步骤中，重要的是

要记住，得到的合成树是与设计团队所用的试探规则即经验规则密切相关的。在氯乙烯的例子中，重点是合成步骤，而不是设计团队所使用的试探规则。只有一个例外的地方，那就是关于泵送液体比压缩气体要便宜的试探规则。关于试探规则，可参看《化学过程的概念设计》（ConceptualDesignofChe

micalProcess，Douglas，1998）一书和Walas（1988）的专著，这两本著作提出了许多试探规则。