黃子賓，袁佩青，張海濤，李瑞江，李 濤

(華東理工大學，上海 200237)

《化工過程分析與開發(fā)》是華東理工大學針對化工類專業(yè)學生開設(shè)的一門核心課程。1987年華東理工大學在全國同類專業(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，將實驗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)的全過程進行詳細分析[1-2]。雖然該課程于2005年被列為華東理工大學精品課程，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，我國學者成思危、楊友麒認為[3-4]：“過程系統(tǒng)工程是一門綜合性的邊緣學科，它以處理物料-能量-資金-信息流的過程系統(tǒng)為研究對象，其核心功能是過程系統(tǒng)的組織、計劃、協(xié)調(diào)、設(shè)計、控制和管理，它廣泛地用于化學、冶金、制藥、建材、食品等過程工業(yè)中，目的是在總體上達成技術(shù)上及經(jīng)濟上的最優(yōu)化，以符合可持續(xù)發(fā)展的要求?！蔽覈鴱?0世紀70年代開始介紹《過程系統(tǒng)工程》這門學科，20世紀80年代，這一學科發(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?！痘み^程分析與開發(fā)》課程以反應(yīng)過程的開發(fā)為重點，介紹內(nèi)容主要包括過程研究(含小型工藝實驗、大型冷模實驗、中間試驗)與工程研究(含概念設(shè)計、經(jīng)濟評價、基礎(chǔ)設(shè)計)等環(huán)節(jié)，重點介紹反應(yīng)器的選型、放大及最優(yōu)工藝條件的選擇等，對包括產(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。因為《過程系統(tǒng)工程》課程是以過程系統(tǒng)為研究對象，分別考察過程系統(tǒng)的模擬、優(yōu)化、綜合與集成等，對反應(yīng)過程的開發(fā)部分介紹較少[11-12]。對于一個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，課程團隊積極推動《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)上增加對化工過程系統(tǒng)的分析、綜合等內(nèi)容的介紹。使學生能夠運用過程系統(tǒng)工程的觀點和方法對特定化工過程進行分析與合成，讓過程開發(fā)達到技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合理，或者說是達到過程系統(tǒng)最優(yōu)。

化工過程分析是為了了解某一個復(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，將要素或各個部分組合起來，形成一個整體，且該整體具有所期望的性質(zhì)。在進行案例教學時，應(yīng)當體現(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)流程中的運用。

1 反應(yīng)器的選型分析

推論分析是指提出實現(xiàn)目標的前提。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，以此為出發(fā)點，分析出為達到此目標所需要的條件。由乙烯生產(chǎn)小型工藝實驗提供的信息可知，裂解反應(yīng)需要在800 ℃以上的高溫條件下進行才能獲得較高的乙烯收率，說明提供熱量應(yīng)當是裂解反應(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)點進行功能分析，即列出可供選擇的反應(yīng)器類型。但是，小型工藝實驗表明烴類在高溫下(600～800 ℃)能以顯著的速度進行均相熱裂解反應(yīng)。產(chǎn)物分布會因溫度、反應(yīng)時間、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)動力學即工藝條件來設(shè)計反應(yīng)器的思路不通，在反應(yīng)器選型過程中，認識到這一問題的特殊性十分重要，只有這樣才會轉(zhuǎn)變研究思路，才會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)器方案中選出一個最優(yōu)方案，還需要進行形態(tài)分析，以間接傳熱為例，當用乙烷為原料時，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)，可知選擇用高溫煙氣作為間接加熱熱源的懸管式反應(yīng)器比較合理。另外，對直接傳熱模式中以固體為載熱體的流化床也進行簡單熱量估算，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)方案是以高溫煙氣作為間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，是節(jié)約能源的主要手段，是以合理利用能量為目標的系統(tǒng)綜合問題。在過程系統(tǒng)能量集成的三種研究方法(熱力學方法、數(shù)學規(guī)劃法、人工智能技術(shù))中，目前應(yīng)用最廣泛的當屬熱力學方法，其中尤以夾點分析法最為突出，這在《過程系統(tǒng)工程》課程中有專門章節(jié)詳細介紹[12]。為避免重復(fù)，《化工過程分析與開發(fā)》不涉及對具體方法的介紹，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)器采用高溫煙氣作為加熱熱源。另外，原料氣在進入反應(yīng)器前亦需要進行預(yù)熱，結(jié)合本案例中高溫煙氣的特殊性，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，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，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章節(jié)內(nèi)容之一，而在《化工過程分析與開發(fā)》中，對此部分內(nèi)容的系統(tǒng)介紹不多，但在通常情況下，分離過程在整個化工過程的投資和操作費用上占有很大比重。因此，有必要在《化工過程分析與開發(fā)》的課程教學中加強對此部分內(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)計出分離方案并使總費用最小。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)學規(guī)劃法。通常是幾種方法的結(jié)合使用，對一種新的物料，一般先采用直觀推斷法確定一個基本流程，然后將基本流程分離順序進行調(diào)整，或?qū)⒁粋€分離任務(wù)的方法進行改變進而找出優(yōu)化流程。

對乙烯生產(chǎn)案例，前期的小型工藝實驗表明，裂解氣產(chǎn)物可達數(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]利用組分的沸點差異將裂解產(chǎn)物按輕、重大類進行分割，對輕、重組分分別采取不同的分離策略。這是因為C1～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C5～C8重組分的分割。此時，C1～C4組分仍為氣體，可送至輕組分分離工段進一步完成精細分離操作。根據(jù)各組分間的沸點差異，可采用精餾方法對C1～C4輕組分進行分離提純，但由于所處理對象的沸點均較低，為保證原料液化，同時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，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，分析與綜合作為認識論的方法論之一，二者不可分割，它們相互作用并相互補充。本文以經(jīng)典的乙烯生產(chǎn)過程開發(fā)為教學案例展開討論系統(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)品分離總費用最小為目標，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。