《化工过程分析与开发》教学中体现系统方法论的案例分析

黄子宾，袁佩青，张海涛，李瑞江，李 涛

(华东理工大学，上海 200237)

《化工过程分析与开发》是华东理工大学针对化工类专业学生开设的一门核心课程。1987年华东理工大学在全国同类专业中率先开设《化工过程分析与开发》课程，主要内容是以案例分析为纽带，将实验室研究出的新工艺或新产品等成果过渡到大规模工业生产的全过程进行详细分析[1-2]。虽然该课程于2005年被列为华东理工大学精品课程，2008年被列为上海市精品课程，但国内开设此课程的院校并不多。

另一方面，《过程系统工程》亦是化工类专业的主干课程，我国学者成思危、杨友麒认为[3-4]：“过程系统工程是一门综合性的边缘学科，它以处理物料-能量-资金-信息流的过程系统为研究对象，其核心功能是过程系统的组织、计划、协调、设计、控制和管理，它广泛地用于化学、冶金、制药、建材、食品等过程工业中，目的是在总体上达成技术上及经济上的最优化，以符合可持续发展的要求。”我国从20世纪70年代开始介绍《过程系统工程》这门学科，20世纪80年代，这一学科发展迅速，许多高等院校为本科生和研究生开设了《化工系统工程》、《过程系统工程》等课程[5-9]。

一个典型的化工过程系统通常包括反应器、分离过程、换热网络和公用工程系统等。《化工过程分析与开发》课程以反应过程的开发为重点，介绍内容主要包括过程研究(含小型工艺实验、大型冷模实验、中间试验)与工程研究(含概念设计、经济评价、基础设计)等环节，重点介绍反应器的选型、放大及最优工艺条件的选择等，对包括产品分离序列合成、换热网络综合及系统的能量集成等介绍较少[10]，而这又恰是《过程系统工程》课程的核心内容。因为《过程系统工程》课程是以过程系统为研究对象，分别考察过程系统的模拟、优化、综合与集成等，对反应过程的开发部分介绍较少[11-12]。对于一个成功的化工过程开发案例而言，有必要将两门课程的主要内容集中在一起讨论。鉴于此，课程团队积极推动《化工过程分析与开发》课程内容的改革，拟在原有内容的基础上增加对化工过程系统的分析、综合等内容的介绍。使学生能够运用过程系统工程的观点和方法对特定化工过程进行分析与合成，让过程开发达到技术上先进、经济上合理，或者说是达到过程系统最优。

化工过程分析是为了了解某一个复杂过程的性质，通过将整体分割成若干基本要素或组成部分的办法，逐一研究要素与要素之间、要素与整体之间的内部联系，以期得到事物有什么性质以及何以有这种性质的解答。综合则正相反，沿用分析的结论，将要素或各个部分组合起来，形成一个整体，且该整体具有所期望的性质。在进行案例教学时，应当体现出化工过程分析与综合中三种典型的分析方法，即推论分析、功能分析与形态分析。乙烯生产案例在化工过程开发诸多成功案例中非常具有综合性和代表性，因此，本文将以烃类裂解制乙烯过程为教学案例来展开讨论系统分析与综合在化工过程开发流程中的运用。

1 反应器的选型分析

推论分析是指提出实现目标的前提。在乙烯案例的过程开发中，生产出高收率的乙烯是目标，以此为出发点，分析出为达到此目标所需要的条件。由乙烯生产小型工艺实验提供的信息可知，裂解反应需要在800 ℃以上的高温条件下进行才能获得较高的乙烯收率，说明提供热量应当是裂解反应器最主要的功能。此即为推论分析，换句话说，为达到期望的乙烯收率，其前提是反应器必须能够提供足够的热量。再以此特征为新的出发点进行功能分析，即列出可供选择的反应器类型。但是，小型工艺实验表明烃类在高温下(600～800 ℃)能以显著的速度进行均相热裂解反应。产物分布会因温度、反应时间、原料组成而异，产物种类有数十至数百种，具有极其复杂的反应网络。因此，通过考察反应动力学即工艺条件来设计反应器的思路不通，在反应器选型过程中，认识到这一问题的特殊性十分重要，只有这样才会转变研究思路，才会尝试从工程角度寻求突破，并根据间接供热和直接供热两种供热方式圈定可供选择的反应器类型。

为了从诸多反应器方案中选出一个最优方案，还需要进行形态分析，以间接传热为例，当用乙烷为原料时，经过简单的热量估算可知，能满足换热要求的反应器应为一细长的管式反应器。另一方面，若管内气体平均温度为700℃,考虑300 ℃的传热温差，加热热源的温度至少应在1000 ℃以上。将上述两个估算结果分别作为筛选反应器的判据，可知选择用高温烟气作为间接加热热源的悬管式反应器比较合理。另外，对直接传热模式中以固体为载热体的流化床也进行简单热量估算，结果表明，仅是输送固体所耗的电能已无法与悬管式反应器竞争。且由于载热体的使用会使该工艺流程的其他部分变得更为复杂，故用于该裂解反应的反应器最优方案是以高温烟气作为间接加热热源的悬管式反应器。

2 过程系统的能量集成

过程系统的能量集成是指从能量流的角度研究过程系统的优化设计，是节约能源的主要手段，是以合理利用能量为目标的系统综合问题。在过程系统能量集成的三种研究方法(热力学方法、数学规划法、人工智能技术)中，目前应用最广泛的当属热力学方法，其中尤以夹点分析法最为突出，这在《过程系统工程》课程中有专门章节详细介绍[12]。为避免重复，《化工过程分析与开发》不涉及对具体方法的介绍，但却在过程开发中包含合理利用能量的思想，即从总体上考虑过程中能量的供求关系以及过程结构、操作参数的调优处理，以达到全过程系统能量的优化综合，使全局系统的总能耗最小。

对乙烯生产案例而言，由于烃类裂解反应是在800 ℃的高温条件下进行，反应过程需要输入热量，由前面分析可知，反应器采用高温烟气作为加热热源。另外，原料气在进入反应器前亦需要进行预热，结合本案例中高温烟气的特殊性，可考虑回收烟气的显热能量以有效地利用系统能量。若无全局观点，预热原料气需要额外输入热能；若是从全过程系统的能量集成角度出发，则可考虑利用烟气的余热来预热原料气，这样不仅可以减少能量浪费，也可以大大节省开发成本。经过简单的热量估算可知，燃料油完全燃烧所释放的热量不仅可将原料中的烃和水蒸气由150 ℃预热到600 ℃，且富余的热量还可用于锅炉给水的预热和烃的前期预热。

3 产品分离序列的综合

在《过程系统工程》课程中，产品分离序列的综合问题是重点章节内容之一，而在《化工过程分析与开发》中，对此部分内容的系统介绍不多，但在通常情况下，分离过程在整个化工过程的投资和操作费用上占有很大比重。因此，有必要在《化工过程分析与开发》的课程教学中加强对此部分内容的介绍。

产品分离序列的综合问题是指在给定进料流股状态并规定分离产品要求的情况下，系统化地设计出分离方案并使总费用最小。确定分离顺序主要有三种方法，即直观推断法、调优法和数学规划法。通常是几种方法的结合使用，对一种新的物料，一般先采用直观推断法确定一个基本流程，然后将基本流程分离顺序进行调整，或将一个分离任务的方法进行改变进而找出优化流程。

对乙烯生产案例，前期的小型工艺实验表明，裂解气产物可达数十种，其中C1～C4组分约占50%，C5～C8约占20%，C9以上约占30%。可考虑利用组分的沸点差异将裂解产物按轻、重大类进行分割，对轻、重组分分别采取不同的分离策略。这是因为C1～C4轻组分都是化工原料，纯度要求较高，而重组分C5～C8和C9以上产品均为混合物，纯度要求很低。据此，可分别构建重组分切割流程和轻组分精馏分离流程。

对C9以上重组分，可采用燃料油冷激，裂解气由500 ℃降温至190 ℃，C9以上组分变成液相，经分离器后得以分离。而C8以下组分仍为气相，可用水继续冷激裂解气至40 ℃，经分离器后可完成对C5～C8重组分的分割。此时，C1～C4组分仍为气体，可送至轻组分分离工段进一步完成精细分离操作。根据各组分间的沸点差异，可采用精馏方法对C1～C4轻组分进行分离提纯，但由于所处理对象的沸点均较低，为保证原料液化，同时为得到合适的塔顶冷却介质，应采用加压精馏工艺。

在构建轻组分精馏分离流程时，需保证馏出液和釜液等摩尔分离的原则，且挥发度相近的难分离组分放至最后分离。若是依据沸点按照顺序逐一分离溶液中的各组分，可构建出轻组分的顺序分离流程；若是保证进入深冷系统的物料量越少越好，可构建前脱乙烷分离流程；若是提前分离对下游管道及设备有腐蚀或其它不利影响的组分，则可构建前脱丙烷分离流程。

4 结 语

在化工过程开发过程中，分析与综合作为认识论的方法论之一，二者不可分割，它们相互作用并相互补充。本文以经典的乙烯生产过程开发为教学案例展开讨论系统分析与综合在化工过程开发中的运用。在反应器的选型过程中，采用推论分析、功能分析和形态分析的方法确定最优的乙烯生产反应器；在过程系统的能量集成和产品的分离过程中，分别以全局系统的总能耗最小及产品分离总费用最小为目标，综合考虑全过程系统的能量集成及产品分离序列的综合问题。