探究化学工艺中的矛盾及对应的优化
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[摘要] 化学工艺的优化是化工生产过程中一个十分重要的科学技术, 它是研究在一定的条件下如何用最小的代价, 以获得过程的最佳效果。笔者以合成氨为例来说明合成氨过程中的矛盾，指出化学工艺的优化思路，从而提出化学工艺的优化需要应用系统工程理论为基础, 统筹兼顾, 才能够达到优化效果。对化学工艺优化有着积极的意义。
[关键字]化学工艺；矛盾；优化
化学工艺是研究化工生产方法的科学, 化工生产作为一种社会生产, 不能只考虑如何把产品生产出来, 而且必须还要考虑怎样提高生产效率、经济效率以及社会效益。化学工艺的优化是化工生产过程中一个十分重要的科学技术, 它是研究在一定的条件下如何用最小的代价, 以获得过程的最佳效果。化工生产中存在着大量的过程最优化问题，国内外的生产实践表明, 在同样条件下, 经过优化技术的处理, 对过程系统效率的提高、能耗的降低、源的合理利用、经济效益社会效益的提高均有显著的作用。化学工艺的优化对于化工生产过程来说, 其应用前景无疑是巨大的。
化工产品数以万计, 生产工艺也千差万别, 因此化学工艺的优化也是一个十分复杂的系统，这是因为对于特定的某种产品的生产工艺来说, 都有不同的优化方案, 每种优化方案之下,又有多种优化目标, 而各种优化目标之间又是互相制约, 甚至是矛盾的。如原料的转化率与反应条件的矛盾, 压力与设备材料, 加热与动力消耗等矛盾。另外, 对于每种优化目标, 也受到多种因素的制约。如生产强度与催化剂、设备性能、操作方法等之间的矛盾。 以及各种社会环境,自然条件对优化目标也有一定的限制
对于这样一个复杂的系统, 我们可以采用系统工程中常采用的分解与综合相结合的方法来处理, 对于每一个生产过程, 我们首先可以分解成若干个子系统, 然后逐个把子系统分解成若干个单一的化工过程。单一的化工过程比较简单, 一般根据现有的化工理论进行优化即可。例如合成氨的生产过程, 我们可以分解为三个子系统, 即造气、净化、压缩和合成。每个子系统又可分为若干个单一的化工过程, 以压缩和合成为例, 可分为氢氮混合气的预热, 反应, 氨的分离, 压缩等几个化工过程, 这些足够简单的化工过程, 根据化工原理和化学反应工程的知识, 首先进行反应过程的优化, 确定反应必须在较高压力及适宜的温度下进行。同时由于反应后气体中氨含量不高, 一般只有10%-20%, 故分离氨后的原料气必须循环使用。其次就是氨合成气的初始组成、空间速度、催化剂的颗粒度以及合成塔的结构特点等条件对反应平衡, 反应速度进而对于合成塔的生产能力都有显著的影响。实际生产中, 这些条件既互相矛盾, 又互相制约, 既要个别考虑又要全面斟酌, 因此条件的选择过程就是一个优化过程。
再例如压力的确定，从化学平衡和反应速度的角度看, 提高压力都是有利的，在一定的空速下, 合成压力越高, 出口氨浓度越高, 氨净值越高, 生产强度就越大, 而且压力高时, 氨的分离流程亦可简化。但是, 压力高时对设备材质, 加工制造的要求均高。同时, 高压下反应温度一般较高, 催化剂使用寿命较短。因此, 压力的高低直接影响合成氨生产中原料费用, 设备投资, 能量消耗的大小, 综合各种因素, 通过优化处理, 确定30MPa左右是合成氨比较适宜的操作压力。
对一个中型合成氨厂来说, 合成压力一般为30MPa左右, 空速20000-30000h-1, 从合成塔塔底出来的混合气中含NH3约15% ,温度在 150 ℃ 以下, 采用的压缩机为有油的往复压缩机, 依据这种特点, 经过综合优化, 可设计出如下流程(见图一)。
图一流程图
这种被优化流程的特点(1)合成塔出口气体首先经水冷器2冷却到常温, 被冷凝的大部分氨在第一氨分离器3中分出, 即降低了合成氨的损失和原料气的消耗, 又提高了压缩机的效率, 同时也减轻了氨冷器的负担.(2)循环压缩机位于第一和第二氨分离器之间, 循环温度较低, 有利于压缩作业, 同时也不会使压缩后气体中夹带的油雾带进合成塔中.(3)新鲜气在滤油器中补入, 在第二次氨分离时可以进一步达到净化目的, 因为氨在冷凝时形成表面积极大的新相, 对去除油污以及带人的微量CO2和水蒸汽极为有利.(4)反应前氢氮混合气的预热与反应中后期及结束后气体的冷却基本上在塔内合理地完成, 这样即降低了能量消耗, 简化了设备,同时也使催化剂床内温度分布更接近于最适宜温度分布。
上述的压缩和合成这个子系统的优化, 其它子系统也可以进行类似的优化, 最后把三个子系统再综合起来优化, 最终完成生产全过程的优化。这种分解与综合相结合优化的方法, 需要解决, 子系统的优化应从何人手以及优化的子系统如何综合成优化的大系统。关于子系统的优化, 首行应该找出关键矛盾, 关键矛盾解决了, 其它矛盾也就迎刃而解了。合成氨生产的三个子系统虽然是相互影响, 密切联系的, 然而主要矛盾是氨的合成。因为这一过程难度最大, 生产费用最高, 对整个生产的总效率影响最大。事实上, 其它二个子系统在很大程度上是配合它的。
化学反应子系统的优化, 通常首先是根据反应的特点, 结合有关的热力学、动力学知识进行工艺条件的优化。然后设计适宜的反应器以使优化的工艺条件能够很好的实现。其次根据反应的需要对反应物的预处理进行优化, 根据反应产物的分离和提纯要求对后处理进行优化。把经过优化后的预处理过程, 化学反应过程, 后处理过程合理地组合起来, 就构成了优化的化学反应子系统。
化工生产过程的优化是在各单一的化工过程的优化基础上, 逐级地进行综合而得到的。这里的综合并不是将优化了的单一化工过程简单的组合起来, 而是一种更为复杂的优化, 它需要应用系统工程理论为基础, 统筹兼顾, 而指定出一种最优化的生产工艺过程。
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