六 间间歇化工过过程前言 按最终产终产 品的输输出形式，工业业加工过过程可分 为为：连续连续 、离散和间间歇过过程 间间歇过过程在化工生产产和人们们日常生活中占有 重要的地位 精细细化工、生物化工等高技术术密集和知识识密集 的新兴产业兴产业 广泛用于食品、聚合物、药药品、分子筛筛、增塑 剂剂、抗氧剂剂、染料和涂料等产产品生产产历历史 30年代以前，绝绝大多数化工过过程采用间间歇操 作，自动动化水平低，劳动劳动 强度大，而且产产品质质 量不稳稳定 向连续连续 化生产过产过 渡 80年代以来，从商品化学品生产转产转 向专专用的 功能化学品生产产；从大规规模过过程转转向小规规模的 具有弹弹性的过过程；从连续连续 加工转转向间间歇加工； 从过过去靠价格竞竞争转转向现现在靠质质量竞竞争；从过过 去靠投资资来推动发动发 展转转向靠信息来推动发动发 展等 等 从技术术上讲讲，目前有91的间间歇过过程可以用 连续过连续过 程来替代 间间歇过过程具有灵活多变变的特性，即它可以用同 一套多用途、多功能的设备设备 生产产多种类类型的产产 品 因此间间歇过过程仍占有重要地位6.1 6.1 间间间间歇歇过过过过程程与连续过与连续过与连续过与连续过 程程 习惯习惯 上称非连续连续 化工过过程为间为间 歇化工过过程。 间间歇过过程通常被定义为义为 “ “将有限量的物料，按将有限量的物料，按 规规规规定的加工定的加工顺顺顺顺序，在一个或多个序，在一个或多个设备设备设备设备 中加工，中加工， 以以获获获获得有限量得有限量产产产产品的加工品的加工过过过过程。如果需要更多的程。如果需要更多的 产产产产品，必品，必须须须须重复重复该过该过该过该过 程。程。” ” 间间歇过过程既不是连续过连续过 程也不是离散过过程。 但具有连续过连续过 程和离散过过程的特点 间间歇与连续过与连续过 程在有关关部门门的应应用情况况 技术术密集性 动态动态 性 多样样性 柔韧韧性 不确定性6.1.1 间间歇化工的特点6.1.2 6.1.2 间间间间歇歇过过过过程程与连续过与连续过与连续过与连续过 程的比程的比较较较较 动态动态 特性是间间歇过过程的本质质，而连续过连续过 程的本 质质是稳态稳态 操作 在间间歇过过程中，原料必须须按配方规规定的加工任务务 和顺顺序，在合适的设备设备 中进进行加工。在连续过连续过 程 中，原料连续连续 加入，各加工任务务同时进时进 行 通过详细过详细 的系统统分析，可找到连续过连续过 程的瓶颈颈 问题问题 ，而间间歇过过程的瓶颈问题颈问题 随产产品及操作策略 而改变变。 间间歇过过程中的设备设备 尺寸的设计设计 并不是很精确 的（能够够用来生产产多个产产品）。 连续过连续过 程中的安全系统统，主要是降低系统统的 停车时间车时间 。间间歇过过程不需要。 间间歇过过程通常为为小批量、高附加值值的化学品 而设计设计 的，一个生产产周期只能生产产一批产产品。 连续过连续过 程通常是为为需求量很大的特定产产品而设设 计计的，原料连续连续 加入，产产品连续连续 排出。 间间歇过过程必须对须对 整个生产过产过 程，进进行有效的 排序或进进行生产时间产时间 表安排。 由于间间歇过过程的柔韧韧性和弹弹性，它适合于市 场场供求不稳稳定的产产品的生产产。连续过连续过 程则则适合 于市场场供求稳稳定的产产品的生产产。对对于市场场需求 量很大的产产品，其初始阶阶段一般也是用间间歇过过 程生产产的6.1.3 6.1.3 间间间间歇歇过过过过程基本程基本概概概概念念 间间歇过过程的设备设备单纯单纯 的间间歇设备设备 （TBU） 半连续设备连续设备 （SCU） 中间间存贮设备贮设备 （IS） 间间歇过过程的分类类 根据生产产产产 品的数量根据生产产流程的结结构 间间歇过过程的操作方式 间间歇设备设备 或间间歇级级的基本操作顺顺序是：进进料 、加工、等待倒空、倒空、清洗、等待进进料、 进进料，构成了一个操作循环环。 在间间歇j独立操作过过程中，某台设备设备 加工两批 物料的时间间时间间 隔称为为“该设备该设备 的循环时间环时间 ”， 整个间间歇级级加工两批物料的时间间时间间 隔称为为“ 间间歇级级j的循环时间环时间 ”。 顺顺序地从从工厂厂得到两两批产产品之间间的时间间时间间 隔 称为称为 “限定循环时间环时间 （LCT）”，也称为称为 “批间间隔 ”，记为记为 TL。 若间间歇级级j的循环时间环时间 等于TL，则该间则该间 歇级构级构 成了间间歇操作过过程的“瓶颈瓶颈 ”，因此把它称为它称为 “时时 间间限制级级”。 在同一个间间歇级级中可能有多台平行操作设备设备 ，它们们可以同步或异步方式操作。 所谓谓异步操作是指第j个间间歇级级有mj台相同设设 备备，在不同时间时间 交替加工第j-1级级来的不同物料 。这时该间这时该间 歇级级的循环时间为该级环时间为该级 中一台设设 备备循环时间环时间 的1/mj。 若将第j-1级级来的同一批物料分配在第j级级的mj 个平行设备设备 中同时时加工，则则称这这些平行单单元为为 “同步操作”。此时间时间 歇级级j的批量为该级为该级 中一台 设备设备 批量的mj倍非覆盖式操作 限定循环时间环时间 和一批进进料完全通过过此过过程 的停留时间时间TR相等覆盖式操作 过过程的限定循环时间环时间 或批间间隔，取决决于具 有最大级级循环时间环时间 的限制级级即时间时间 限制级级异异步覆盖式操作 过过程的限定循环时间环时间 或批间间隔，取决决于具 有最大级级循环时间环时间 的限制级级即时间时间 限制级级6.2 6.2 过过过过程程动态动态动态动态 模型及模模型及模拟拟拟拟 所有间间歇操作过过程都是非稳态稳态 或动态过动态过 程。 对间对间 歇过过程的建模要求，比对连续过对连续过 程中由 于扰动扰动 所产产生的动态过动态过 程更严严格 间间歇过过程的模拟拟可用来了解过过程中各参数随 时间时间 的变变化，以确定此间间歇单单元过过程的操作时时 间间和最适宜操作条件 间间歇过过程的基本操作单单元有：加料、反应应、 冷却、加热热、混合、过滤过滤 、精馏馏、干燥、溶剂剂 萃取和结结晶等6.2.1 6.2.1 混合混合过过过过程程 操作目标标是：混合后产产物 流中组组分A的浓浓度CA和温度T 符合规规定要求 由于是二元体系，确定了一 种组组分的浓浓度，另一组组分浓浓 度也就确定了。因此，此例中 对对B组组分的浓浓度不必另行考 虑虑根据根据过过过过程的特征和操作目程的特征和操作目标标标标，可以确，可以确 定定过过过过程的状程的状态变态变态变态变 量量为为为为： 槽中液位h 反应应混合物中组组分A的浓浓度CA 混合物的温温度T 总总物料衡算： 组组分A衡算方程分部所以 若取液态纯态纯 A和纯纯B为为基准物态态，0为为基准温度， 则则物流i的焓焓可表示为为 系统统的能量衡算方程可列出能量衡算 混合过过程可望在良好的控制下进进行，以至产产 物流浓浓度CA的变变化不大。在此条件下，HS可 以假定为为常数。若再假定Cp1=Cp2=Cp 整理可得6.2.2 6.2.2 间间间间歇、半歇、半连续连续连续连续 反反应过应过应过应过 程的模型程的模型 、模、模拟拟拟拟和和优优优优化化1. 间间歇操作反应应器 对对对对于于间间间间歇操作的理想歇操作的理想搅搅搅搅拌反拌反应应应应器，可以器，可以认为认为认为认为 反反应应应应混合物是均匀的，也就是混合物是均匀的，也就是说说说说既不出既不出现现现现温度梯温度梯 度也不出度也不出现浓现浓现浓现浓 度梯度度梯度 质量衡算: 与环环境交换换的热热量： 由一般热热量衡算式可得： 生产能力LP是指单位时间产 物Ai的生产量。间歇 操作反应器的LP是基于整个反应周期的持续时间 t2 的生产量计算的，t2包括达到预期转化率所需的时 间tR和反应器装量、卸料、清洗、加热和冷却所需 辅助时间 ta 因为X=(ni,0-ni)/ni,0，故有 通过将 表达式X/(tR+ta)对tR求导数 ，并设为 零， 即可求解。其结果经变换 后为 将转 化率对反应时间 作图，则可产生最佳转化 率 在已知动动力学的情况下，随着准备时间备时间 的增加， 为为了使反应应器的生产产能力最大，必须须提高转转化率6.3 6.3 间间间间歇歇过过过过程的最程的最优时间优时间优时间优时间 表表6.3.1 6.3.1 时间时间时间时间 表表问题问题问题问题 时间表问题或称生产调度，是间歇生产安排中的重 要部分。 生产时间 表的开发是间歇过程优化的主要问题。 时间表的需要不是来自加工操作的本质，如连续， 半连续或间歇，也不是由被加工的物料的性质决定的， 而是因为在不同产品之间必须划分出一个装置上的生 产时间 ，所以需要时间表 例：例：有四种产品A、B、C和D需要用四台间歇设备 、和按一定的顺序进行加工可能的方案： 1.按产品次序，一个产品加工完成后再加工另一个。缺 点是一些设备的闲置时间过长 。 2. 交叉使用各台设备。 可能的时间时间 表 表中遵循了一个约约束条件，即各产产品均有它自己的加 工次序。在排序理论论中称表中的加工次序为为“技术约术约 束” ，与此技术约术约 束相容的时间时间 表为为“可行时间时间 表”，反之 为为“不可行时间时间 表”。 对对于简单问题简单问题 ，可用观观察方法列出所有的可行和不 可行时间时间 表。 n个产个产 品、m台设备设备 ，在一个个特定设备设备 上每一种种排列 均可给给出（n!）m种种排列的加工次序。 n4，m4 有（4！）4331776种种可能 5个产个产 品，4台设备设备 的问题问题 ，时间时间 表总数为总数为 （5！）4 2.1108。 此数数据表明，解时间时间 表问题问题 有很大困难难，必须须采用 很巧妙的方法，有时时即使用了很巧妙的方法，某些问题问题 求解所用的时间时间 也可能很长长四产产品四设备问题设备问题 的最优优化时间时间 表1. 时间时间 表问题问题 的主要假设设、符号说说明和 目标标函数 若有n个产产品J1，J2，,Jn，需要在m台间间歇设备设备 M1，M2， ,Mm上进进行加工，用Oij表示第i个产产品用 第j台设备处设备处 理。 在排序理论论中将产产品视为视为 “作业业(Job)” ，而将设备设备 视为视为 “处处理器(Processor)”主要假设设(a) 各个产产品是一个实实体。尽管此产产品可承受不同 的操作，但不能同时进时进 行同一产产品的两个操作。因 此，在我们们的讨论讨论 中不能有这样这样 的情况，即同时时生 产产几种中间间体，然后再将它们掺们掺 合成最终终的产产品。 (b) 没有优优先问题问题 。各个操作一旦开始以后，必须须 在这这台处处理器加工直到完成规规定的操作。 (c）各产产品有m个不同的操作，在每一台设备设备 上完 成一个操作。不允许许在同一台设备设备 上对对某一产产品加 工两次。同样样，应坚应坚 持在每一台设备设备 上加工各个产产 品，产产品不允许许跳过过一台或多台设备设备 。(d) 不能中途放弃，各产产品必须须被加工到完成。 (e)加工时间时间 与时间时间 表无关，设备调设备调 整到正常状 态态所需要的时间时间 与操作次序无关；在两台设备设备 之 间输间输 送产产品的时间时间 可忽略。 (f) 允许许有中间贮间贮 罐，产产品可等待到下一台要用 的设备设备 空出来。但在有的问题问题 中被加工的产产品必 须连续须连续 地从一个操作到另一个操作。 (g) 各类设备类设备 只有一台，即不允许许在产产品的加工 中选择设备选择设备 。此假设设与前面介绍绍的用两台同步或 异步操作的设备设备 ，来消除尺寸上的瓶颈颈或循环时环时 间间上的瓶颈颈是矛盾的