《化工過程分析與開發(fā)》教學(xué)中體現(xiàn)系統(tǒng)方法論的案例分析

黃子賓，袁佩青，張海濤，李瑞江，李 濤

(華東理工大學(xué)，上海 200237)

《化工過程分析與開發(fā)》是華東理工大學(xué)針對(duì)化工類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門核心課程。1987年華東理工大學(xué)在全國同類專業(yè)中率先開設(shè)《化工過程分析與開發(fā)》課程，主要內(nèi)容是以案例分析為紐帶，將實(shí)驗(yàn)室研究出的新工藝或新產(chǎn)品等成果過渡到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的全過程進(jìn)行詳細(xì)分析[1-2]。雖然該課程于2005年被列為華東理工大學(xué)精品課程，2008年被列為上海市精品課程，但國內(nèi)開設(shè)此課程的院校并不多。

另一方面，《過程系統(tǒng)工程》亦是化工類專業(yè)的主干課程，我國學(xué)者成思危、楊友麒認(rèn)為[3-4]：“過程系統(tǒng)工程是一門綜合性的邊緣學(xué)科，它以處理物料-能量-資金-信息流的過程系統(tǒng)為研究對(duì)象，其核心功能是過程系統(tǒng)的組織、計(jì)劃、協(xié)調(diào)、設(shè)計(jì)、控制和管理，它廣泛地用于化學(xué)、冶金、制藥、建材、食品等過程工業(yè)中，目的是在總體上達(dá)成技術(shù)上及經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)化，以符合可持續(xù)發(fā)展的要求?！蔽覈鴱?0世紀(jì)70年代開始介紹《過程系統(tǒng)工程》這門學(xué)科，20世紀(jì)80年代，這一學(xué)科發(fā)展迅速，許多高等院校為本科生和研究生開設(shè)了《化工系統(tǒng)工程》、《過程系統(tǒng)工程》等課程[5-9]。

一個(gè)典型的化工過程系統(tǒng)通常包括反應(yīng)器、分離過程、換熱網(wǎng)絡(luò)和公用工程系統(tǒng)等。《化工過程分析與開發(fā)》課程以反應(yīng)過程的開發(fā)為重點(diǎn)，介紹內(nèi)容主要包括過程研究(含小型工藝實(shí)驗(yàn)、大型冷模實(shí)驗(yàn)、中間試驗(yàn))與工程研究(含概念設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì))等環(huán)節(jié)，重點(diǎn)介紹反應(yīng)器的選型、放大及最優(yōu)工藝條件的選擇等，對(duì)包括產(chǎn)品分離序列合成、換熱網(wǎng)絡(luò)綜合及系統(tǒng)的能量集成等介紹較少[10]，而這又恰是《過程系統(tǒng)工程》課程的核心內(nèi)容。因?yàn)椤哆^程系統(tǒng)工程》課程是以過程系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別考察過程系統(tǒng)的模擬、優(yōu)化、綜合與集成等，對(duì)反應(yīng)過程的開發(fā)部分介紹較少[11-12]。對(duì)于一個(gè)成功的化工過程開發(fā)案例而言，有必要將兩門課程的主要內(nèi)容集中在一起討論。鑒于此，課程團(tuán)隊(duì)積極推動(dòng)《化工過程分析與開發(fā)》課程內(nèi)容的改革，擬在原有內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加對(duì)化工過程系統(tǒng)的分析、綜合等內(nèi)容的介紹。使學(xué)生能夠運(yùn)用過程系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法對(duì)特定化工過程進(jìn)行分析與合成，讓過程開發(fā)達(dá)到技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理，或者說是達(dá)到過程系統(tǒng)最優(yōu)。

化工過程分析是為了了解某一個(gè)復(fù)雜過程的性質(zhì)，通過將整體分割成若干基本要素或組成部分的辦法，逐一研究要素與要素之間、要素與整體之間的內(nèi)部聯(lián)系，以期得到事物有什么性質(zhì)以及何以有這種性質(zhì)的解答。綜合則正相反，沿用分析的結(jié)論，將要素或各個(gè)部分組合起來，形成一個(gè)整體，且該整體具有所期望的性質(zhì)。在進(jìn)行案例教學(xué)時(shí)，應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)出化工過程分析與綜合中三種典型的分析方法，即推論分析、功能分析與形態(tài)分析。乙烯生產(chǎn)案例在化工過程開發(fā)諸多成功案例中非常具有綜合性和代表性，因此，本文將以烴類裂解制乙烯過程為教學(xué)案例來展開討論系統(tǒng)分析與綜合在化工過程開發(fā)流程中的運(yùn)用。

1 反應(yīng)器的選型分析

推論分析是指提出實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的前提。在乙烯案例的過程開發(fā)中，生產(chǎn)出高收率的乙烯是目標(biāo)，以此為出發(fā)點(diǎn)，分析出為達(dá)到此目標(biāo)所需要的條件。由乙烯生產(chǎn)小型工藝實(shí)驗(yàn)提供的信息可知，裂解反應(yīng)需要在800 ℃以上的高溫條件下進(jìn)行才能獲得較高的乙烯收率，說明提供熱量應(yīng)當(dāng)是裂解反應(yīng)器最主要的功能。此即為推論分析，換句話說，為達(dá)到期望的乙烯收率，其前提是反應(yīng)器必須能夠提供足夠的熱量。再以此特征為新的出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行功能分析，即列出可供選擇的反應(yīng)器類型。但是，小型工藝實(shí)驗(yàn)表明烴類在高溫下(600～800 ℃)能以顯著的速度進(jìn)行均相熱裂解反應(yīng)。產(chǎn)物分布會(huì)因溫度、反應(yīng)時(shí)間、原料組成而異，產(chǎn)物種類有數(shù)十至數(shù)百種，具有極其復(fù)雜的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。因此，通過考察反應(yīng)動(dòng)力學(xué)即工藝條件來設(shè)計(jì)反應(yīng)器的思路不通，在反應(yīng)器選型過程中，認(rèn)識(shí)到這一問題的特殊性十分重要，只有這樣才會(huì)轉(zhuǎn)變研究思路，才會(huì)嘗試從工程角度尋求突破，并根據(jù)間接供熱和直接供熱兩種供熱方式圈定可供選擇的反應(yīng)器類型。

為了從諸多反應(yīng)器方案中選出一個(gè)最優(yōu)方案，還需要進(jìn)行形態(tài)分析，以間接傳熱為例，當(dāng)用乙烷為原料時(shí)，經(jīng)過簡單的熱量估算可知，能滿足換熱要求的反應(yīng)器應(yīng)為一細(xì)長的管式反應(yīng)器。另一方面，若管內(nèi)氣體平均溫度為700℃,考慮300 ℃的傳熱溫差，加熱熱源的溫度至少應(yīng)在1000 ℃以上。將上述兩個(gè)估算結(jié)果分別作為篩選反應(yīng)器的判據(jù)，可知選擇用高溫?zé)煔庾鳛殚g接加熱熱源的懸管式反應(yīng)器比較合理。另外，對(duì)直接傳熱模式中以固體為載熱體的流化床也進(jìn)行簡單熱量估算，結(jié)果表明，僅是輸送固體所耗的電能已無法與懸管式反應(yīng)器競爭。且由于載熱體的使用會(huì)使該工藝流程的其他部分變得更為復(fù)雜，故用于該裂解反應(yīng)的反應(yīng)器最優(yōu)方案是以高溫?zé)煔庾鳛殚g接加熱熱源的懸管式反應(yīng)器。

2 過程系統(tǒng)的能量集成

過程系統(tǒng)的能量集成是指從能量流的角度研究過程系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是節(jié)約能源的主要手段，是以合理利用能量為目標(biāo)的系統(tǒng)綜合問題。在過程系統(tǒng)能量集成的三種研究方法(熱力學(xué)方法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、人工智能技術(shù))中，目前應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬熱力學(xué)方法，其中尤以夾點(diǎn)分析法最為突出，這在《過程系統(tǒng)工程》課程中有專門章節(jié)詳細(xì)介紹[12]。為避免重復(fù)，《化工過程分析與開發(fā)》不涉及對(duì)具體方法的介紹，但卻在過程開發(fā)中包含合理利用能量的思想，即從總體上考慮過程中能量的供求關(guān)系以及過程結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)的調(diào)優(yōu)處理，以達(dá)到全過程系統(tǒng)能量的優(yōu)化綜合，使全局系統(tǒng)的總能耗最小。

對(duì)乙烯生產(chǎn)案例而言，由于烴類裂解反應(yīng)是在800 ℃的高溫條件下進(jìn)行，反應(yīng)過程需要輸入熱量，由前面分析可知，反應(yīng)器采用高溫?zé)煔庾鳛榧訜釤嵩?。另外，原料氣在進(jìn)入反應(yīng)器前亦需要進(jìn)行預(yù)熱，結(jié)合本案例中高溫?zé)煔獾奶厥庑?，可考慮回收煙氣的顯熱能量以有效地利用系統(tǒng)能量。若無全局觀點(diǎn)，預(yù)熱原料氣需要額外輸入熱能；若是從全過程系統(tǒng)的能量集成角度出發(fā)，則可考慮利用煙氣的余熱來預(yù)熱原料氣，這樣不僅可以減少能量浪費(fèi)，也可以大大節(jié)省開發(fā)成本。經(jīng)過簡單的熱量估算可知，燃料油完全燃燒所釋放的熱量不僅可將原料中的烴和水蒸氣由150 ℃預(yù)熱到600 ℃，且富余的熱量還可用于鍋爐給水的預(yù)熱和烴的前期預(yù)熱。

3 產(chǎn)品分離序列的綜合

在《過程系統(tǒng)工程》課程中，產(chǎn)品分離序列的綜合問題是重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容之一，而在《化工過程分析與開發(fā)》中，對(duì)此部分內(nèi)容的系統(tǒng)介紹不多，但在通常情況下，分離過程在整個(gè)化工過程的投資和操作費(fèi)用上占有很大比重。因此，有必要在《化工過程分析與開發(fā)》的課程教學(xué)中加強(qiáng)對(duì)此部分內(nèi)容的介紹。

產(chǎn)品分離序列的綜合問題是指在給定進(jìn)料流股狀態(tài)并規(guī)定分離產(chǎn)品要求的情況下，系統(tǒng)化地設(shè)計(jì)出分離方案并使總費(fèi)用最小。確定分離順序主要有三種方法，即直觀推斷法、調(diào)優(yōu)法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法。通常是幾種方法的結(jié)合使用，對(duì)一種新的物料，一般先采用直觀推斷法確定一個(gè)基本流程，然后將基本流程分離順序進(jìn)行調(diào)整，或?qū)⒁粋€(gè)分離任務(wù)的方法進(jìn)行改變進(jìn)而找出優(yōu)化流程。

對(duì)乙烯生產(chǎn)案例，前期的小型工藝實(shí)驗(yàn)表明，裂解氣產(chǎn)物可達(dá)數(shù)十種，其中C1～C4組分約占50%，C5～C8約占20%，C9以上約占30%?？煽紤]利用組分的沸點(diǎn)差異將裂解產(chǎn)物按輕、重大類進(jìn)行分割，對(duì)輕、重組分分別采取不同的分離策略。這是因?yàn)镃1～C4輕組分都是化工原料，純度要求較高，而重組分C5～C8和C9以上產(chǎn)品均為混合物，純度要求很低。據(jù)此，可分別構(gòu)建重組分切割流程和輕組分精餾分離流程。

對(duì)C9以上重組分，可采用燃料油冷激，裂解氣由500 ℃降溫至190 ℃，C9以上組分變成液相，經(jīng)分離器后得以分離。而C8以下組分仍為氣相，可用水繼續(xù)冷激裂解氣至40 ℃，經(jīng)分離器后可完成對(duì)C5～C8重組分的分割。此時(shí)，C1～C4組分仍為氣體，可送至輕組分分離工段進(jìn)一步完成精細(xì)分離操作。根據(jù)各組分間的沸點(diǎn)差異，可采用精餾方法對(duì)C1～C4輕組分進(jìn)行分離提純，但由于所處理對(duì)象的沸點(diǎn)均較低，為保證原料液化，同時(shí)為得到合適的塔頂冷卻介質(zhì)，應(yīng)采用加壓精餾工藝。

在構(gòu)建輕組分精餾分離流程時(shí)，需保證餾出液和釜液等摩爾分離的原則，且揮發(fā)度相近的難分離組分放至最后分離。若是依據(jù)沸點(diǎn)按照順序逐一分離溶液中的各組分，可構(gòu)建出輕組分的順序分離流程；若是保證進(jìn)入深冷系統(tǒng)的物料量越少越好，可構(gòu)建前脫乙烷分離流程；若是提前分離對(duì)下游管道及設(shè)備有腐蝕或其它不利影響的組分，則可構(gòu)建前脫丙烷分離流程。

4 結(jié) 語

在化工過程開發(fā)過程中，分析與綜合作為認(rèn)識(shí)論的方法論之一，二者不可分割，它們相互作用并相互補(bǔ)充。本文以經(jīng)典的乙烯生產(chǎn)過程開發(fā)為教學(xué)案例展開討論系統(tǒng)分析與綜合在化工過程開發(fā)中的運(yùn)用。在反應(yīng)器的選型過程中，采用推論分析、功能分析和形態(tài)分析的方法確定最優(yōu)的乙烯生產(chǎn)反應(yīng)器；在過程系統(tǒng)的能量集成和產(chǎn)品的分離過程中，分別以全局系統(tǒng)的總能耗最小及產(chǎn)品分離總費(fèi)用最小為目標(biāo)，綜合考慮全過程系統(tǒng)的能量集成及產(chǎn)品分離序列的綜合問題。