想要掌握化工流程模拟: 先理解工艺再说（二）

上篇想要掌握化工流程模拟: 先理解工艺再说（一），分析了反应单元，本篇介绍分离和换热。

三、分离纯化是化工过程的主要部分

虽然反应是一个化工流程的核心，但一个工厂通常只有一个、并联或串联的几个反应器，其他的都是和分离纯化相关的的设备，分离才是占投资成本和运行成本的大头。看看下图，有多少个分离塔设备！

分离有多个目的：

• 反应前，原料中含有杂质，为防止副反应或者催化剂中毒，需要将原料中的杂质去除

• 反应后，反应器出口同时含有未反应的原料、产品和副产品、杂质，需要对混合物分离得到最终产品

• 溶剂和过量反应组分的回收循环

• 废弃排放物（主要是废气和废液）的回收和减量

分离操作首先取决于混合物组分的相态（均相分离或非均相分离），其次取决于组分之间其他物理性质的差异。虽然根据这两点导致的分离形式多达几十种，但根据组分挥发度差异的精馏仍是化学工业尤其是基础化学品制造的主流分离手段，当之无愧的分离之王（King of Separation)。其他在化学工业中常见的均相分离方法包括蒸发、萃取、吸收、吸附、膜分离、结晶等；非均相分离主要是机械分离来处理含有固体颗粒的混合物。

一般全流程模拟时无法模拟含固体的分离单元，包含结晶、吸附。如处理反应器一样，在设计这些单元时需要使用专用模拟设计软件（通常这些分离单元设计也是技术专利商来设计），在全流程模型中使用黑箱模型，即制定每种组分在每个单元出口的分配系数。

由于分离占一个化工过程的主要部分，为达到全流程模拟需要，模拟者需要对分离体系作详细分析。

1、了解带待分离体系的特点和组分的基础数据

• 熔点，沸点, 溶解度差异

• 汽液平衡特性，是否存在共沸物

• 产物的热敏性，高温下是否分解

• 分离停留时间，混合物之间在分离单元中仍会有副反应发生

• 体系不同组分的安全性质

2、根据体系特点确定分离方式和分离条件

• 分离方式: 固液分离，液液分离，均相热分离

• 分离序列: 先非均相再均相，优先分离危险物质和热敏性物质

• 蒸发器形式: 热敏性物质宜采用短程蒸发器

• 分离温度压力: 物质热敏性(分解温度，自聚温度）、安全性质（闪点）、公用工程(蒸汽压力，冷却水、冷冻水温度）

四、换热为反应和分离创造合适条件

反应和分离都需要在合适的温度、压力条件下才能进行，一个化工流程必须设置大量的换热器、泵、压缩机以及真空泵。

对一个典型化工装置，由于换热所要求的换热器是除分离器外的第二重要设备，冷、热公用工程消耗是除原料外的第二大操作费用。热量交换分为两类：

• 物料流股（Process）--公用工程（Utility）：即工艺流股需要补充的热量或者冷量均由公用工程（包括热油、蒸汽、循环冷却水、冷冻水等）提供

• 物料流股（Process）--物料流股（Process）:即通过待加热和待冷却的两股物料流股换热完成实现各自的加热和冷却目标

显然物料流股--物料流股之间的换热利用了工艺本身的热量，同时减少了冷热公用工程的消耗和费用。一个好的设计应最大化物料流股的热回收，这便需要采用热集成技术。

在设计阶段全流程模拟时，换热器无需用单元模拟模式（simulation），只需制定受控工艺物料流股的起始状态便可得到热量衡算。然而在现有装置模拟时，物料流股--物料流股换热的换热器需要做严格模拟，以确认能够回收的热量。

作换热器模拟和设计时，需要对换热体系作详细分析。

1、了解带待分离体系的特点和组分的基础数据

• 工艺物料流股的压力、起初和目标温度及相态

• 可用公用工程的规定：压力、起始温度

• 换热两侧可用的传热温差

• 换热两侧可用的最大压降

• 换热两侧流股的洁净度、是否含固体颗粒、经验污垢系数

• 组分和混合物的热物理性质和传递性质

2、根据体系特点确定换热器形式和结构参数

• 换热器形式: 管壳式、板框式、螺旋板、板翅式

• 板式适合橡胶垫片限制，适于条件温和（非高温或高压）、传热温差小、要求热回收效率高的场合

• 列管式是化工行业最常用的换热器形式，具有设计标准和规范，可由化工工程师完成热力设计（thermal design），确定基本结构尺寸

五、总结

通常反应器作为黑箱单元，了解反应的基本特性即可，无需过多去查找动力学、扩散传递等基础数据和反应器设计，这些作为公司的技术核心只有少数人能接触到。

流程模拟者应关注分离和换热，它们是一个典型化工过程的主体，分离过程着重理解精馏，换热过程着重理解列管式换热器。同时应当理解化工过程集成（integration）技术，例如热集成、分离序列集成。

推荐参考文献：

1. W.D Seider, J.D  Seader, D.R Lewin，《产品与过程设计原理》（中英文版均可）

2. Robin Smith，Chemical Process Design and Integration

（全文完）

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