化工过程分析与合成Ch6

六间歇化工过程前言•按最终产品的输出形式，工业加工过程可分为：连续、离散和间歇过程•间歇过程在化工生产和人们日常生活中占有重要的地位•精细化工、生物化工等高技术密集和知识密集的新兴产业•广泛用于食品、聚合物、药品、分子筛、增塑剂、抗氧剂、染料和涂料等产品生产历史•30年代以前，绝大多数化工过程采用间歇操作，自动化水平低，劳动强度大，而且产品质量不稳定•向连续化生产过渡•80年代以来，从商品化学品生产转向专用的功能化学品生产；从大规模过程转向小规模的具有弹性的过程；从连续加工转向间歇加工；从过去靠价格竞争转向现在靠质量竞争；从过去靠投资来推动发展转向靠信息来推动发展等等•从技术上讲，目前有91％的间歇过程可以用连续过程来替代•间歇过程具有灵活多变的特性，即它可以用同一套多用途、多功能的设备生产多种类型的产品•因此间歇过程仍占有重要地位6.1间歇过程与连续过程•习惯上称非连续化工过程为间歇化工过程。•间歇过程通常被定义为“将有限量的物料，按规定的加工顺序，在一个或多个设备中加工，以获得有限量产品的加工过程。如果需要更多的产品，必须重复该过程。”•间歇过程既不是连续过程也不是离散过程。但具有连续过程和离散过程的特点•间歇与连续过程在有关部门的应用情况操作方式工业部门间歇过程/％连续过程/％化工食品医药金属玻璃及陶瓷造纸456580353515553520656585•技术密集性•动态性•多样性•柔韧性•不确定性6.1.1间歇化工的特点6.1.2间歇过程与连续过程的比较•动态特性是间歇过程的本质，而连续过程的本质是稳态操作•在间歇过程中，原料必须按配方规定的加工任务和顺序，在合适的设备中进行加工。在连续过程中，原料连续加入，各加工任务同时进行•通过详细的系统分析，可找到连续过程的瓶颈问题，而间歇过程的瓶颈问题随产品及操作策略而改变。•间歇过程中的设备尺寸的设计并不是很精确的（能够用来生产多个产品）。•连续过程中的安全系统，主要是降低系统的停车时间。间歇过程不需要。•间歇过程通常为小批量、高附加值的化学品而设计的，一个生产周期只能生产一批产品。连续过程通常是为需求量很大的特定产品而设计的，原料连续加入，产品连续排出。•间歇过程必须对整个生产过程，进行有效的排序或进行生产时间表安排。•由于间歇过程的柔韧性和弹性，它适合于市场供求不稳定的产品的生产。连续过程则适合于市场供求稳定的产品的生产。对于市场需求量很大的产品，其初始阶段一般也是用间歇过程生产的6.1.3间歇过程基本概念•间歇过程的设备单纯的间歇设备（TBU）半连续设备（SCU）中间存贮设备（IS）•间歇过程的分类根据生产产品的数量单产品厂多产品厂多装置厂多目的厂根据生产流程的结构单流程结构多流程结构网络流程•间歇过程的操作方式•间歇设备或间歇级的基本操作顺序是：进料、加工、等待倒空、倒空、清洗、等待进料、进料，构成了一个操作循环。•在间歇j独立操作过程中，某台设备加工两批物料的时间间隔称为“该设备的循环时间”，•整个间歇级加工两批物料的时间间隔称为“间歇级j的循环时间”。•顺序地从工厂得到两批产品之间的时间间隔称为“限定循环时间（LCT）”，也称为“批间隔”，记为TL。•若间歇级j的循环时间等于TL，则该间歇级构成了间歇操作过程的“瓶颈”，因此把它称为“时间限制级”。•在同一个间歇级中可能有多台平行操作设备，它们可以同步或异步方式操作。•所谓异步操作是指第j个间歇级有mj台相同设备，在不同时间交替加工第j-1级来的不同物料。这时该间歇级的循环时间为该级中一台设备循环时间的1/mj。•若将第j-1级来的同一批物料分配在第j级的mj个平行设备中同时加工，则称这些平行单元为“同步操作”。此时间歇级j的批量为该级中一台设备批量的mj倍非覆盖式操作•限定循环时间和一批进料完全通过此过程的停留时间TR相等覆盖式操作•过程的限定循环时间或批间隔，取决于具有最大级循环时间的限制级即时间限制级异步覆盖式操作•过程的限定循环时间或批间隔，取决于具有最大级循环时间的限制级即时间限制级6.2过程动态模型及模拟•所有间歇操作过程都是非稳态或动态过程。•对间歇过程的建模要求，比对连续过程中由于扰动所产生的动态过程更严格•间歇过程的模拟可用来了解过程中各参数随时间的变化，以确定此间歇单元过程的操作时间和最适宜操作条件•间歇过程的基本操作单元有：加料、反应、冷却、加热、混合、过滤、精馏、干燥、溶剂萃取和结晶等6.2.1混合过程•操作目标是：混合后产物流中组分A的浓度CA和温度T符合规定要求•由于是二元体系，确定了一种组分的浓度，另一组分浓度也就确定了。因此，此例中对B组分的浓度不必另行考虑根据过程的特征和操作目标，可以确定过程的状态变量为：•槽中液位h•反应混合物中组分A的浓度CA•混合物的温度T•总物料衡算：•组分A衡算方程分部所以FFFdtAhd21)(AAAAFCCFCFdthACd)(1)(2211)()(21FFFACdtdChdtdhCdtdChdthCdAAAAA)]()([12211AAAAACCFCCFhAdtdC•若取液态纯A和纯B为基准物态，0℃为基准温度，则物流i的焓可表示为•系统的能量衡算方程可列出SiiAiipiiiHCFTCFH能量衡算•混合过程可望在良好的控制下进行，以至产物流浓度CA的变化不大。在此条件下，ΔHS可以假定为常数。若再假定Cp1=Cp2=Cp•整理可得6.2.2间歇、半连续反应过程的模型、模拟和优化1.间歇操作反应器•对于间歇操作的理想搅拌反应器，可以认为反应混合物是均匀的，也就是说既不出现温度梯度也不出现浓度梯度•质量衡算:•与环境交换的热量：•由一般热量衡算式可得：•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)(TTAUQw•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•在已知动力学的情况下，随着准备时间的增加，为了使反应器的生产能力最大，必须提高转化率6.3间歇过程的最优时间表6.3.1时间表问题•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：有四种产品A、B、C和D需要用四台间歇设备Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ按一定的顺序进行加工对产品的原料到厂的具体时间加工次序和各间歇设备上的加工时间（min）A8：30Ⅰ(60)→Ⅱ(30)→Ⅲ(2)→Ⅳ(5)B8：45Ⅱ(75)→Ⅲ(3)→Ⅰ(25)→Ⅳ(10)C8：45Ⅲ(5)→Ⅱ(15)→Ⅰ(10)→Ⅳ(30)D9：30Ⅳ(90)→Ⅰ(1)→Ⅱ(1)→Ⅲ(1)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。•可能的时间表•表中遵循了一个约束条件，即各产品均有它自己的加工次序。在排序理论中称表中的加工次序为“技术约束”，与此技术约束相容的时间表为“可行时间表”，反之为“不可行时间表”。加工次序间歇设备第一第二第三第四ⅠADCBⅡBCADⅢCBADⅣDACB•对于简单问题，可用观察方法列出所有的可行和不可行时间表。•n个产品、m台设备，在一个特定设备上每一种排列均可给出（n!）m种排列的加工次序。•n＝4，m＝4有（4！）4＝331776种可能•5个产品，4台设备的问题，时间表总数为（5！）4＝2.1×108。•此数据表明，解时间表问题有很大困难，必须采用很巧妙的方法，有时即使用了很巧妙的方法，某些问题求解所用的时间也可能很长四产品四设备问题的最优化时间表1.时间表问题的主要假设、符号说明和目标函数•若有n个产品{J1，J2，…,Jn}，需要在m台间歇设备{M1，M2，…,Mm}上进行加工，用Oij表示第i个产品用第j台设备处理。•在排序理论中将产品视为“作业(Job)”，而将设备视为“处理器(Processor)”主要假设(a)各个产品是一个实体。尽管此产品可承受不同的操作，但不能同时进行同一产品的两个操作。因此，在我们的讨论中不能有这样的情况，即同时生产几种中间体，然后再将它们掺合成最终的产品。(b)没有优先问题。各个操作一旦开始以后，必须在这台处理器加工直到完成规定的操作。(c）各产品有m个不同的操作，在每一台设备上完成一个操作。不允许在同一台设备上对某一产品加工两次。同样，应坚持在每一台设备上加工各个产品，产品不允许跳过一台或多台设备。(d)不能中途放弃，各产品必须被加工到完成。(e)加工时间与时间表无关，设备调整到正常状态所需要的时间与操作次序无关；在两台设备之间输送产品的时间可忽略。(f)允许有中间贮罐，产品可等待到下一台要用的设备空出来。但在有的问题中被加工的产品必须连续地从一个操作到另一个操作。(g)各类设备只有一台，即不允许在产品的加工中选择设备。此假设与前面介绍的用两台同步或异步操作的设备，来消除尺寸上的瓶颈或循环时间上的瓶颈是矛盾的。(h)可以有闲置的设备。(i)没有一台设备能同时进行两个操作。(j)设备不会发生故障，对整个时间表期间是有效的。(k)技术约束是事先知道的，且在操作过程中是不变的。(l)以下物理量，即：产品数、设备数、加工时间、就绪时间和对规定一个特定的问题所需的全部其它物理量，是已知的，而且是恒定不变的。符号说明•ri和pij分别为作业Ji的就绪时间和加工时间•di是交货日期(duedate)，即至这个时间应已完成产品Ji的生产2.时间表的分类n/m/A/Bn作业(产品)的数目m机器(设备)的数目A被用来说明流经此车间或工厂的模式，当m=1时，A可以是空白的。A也可以是P、F或G。P排列的多产品过程(PermutationFlowshop)，不仅对所有产品的设备顺序相同，而且现在还限制搜索对各台设备来说产品顺序也是相同的时间表。故时间表完全由数字1，2，…，n的单一的排列所规定。F：多产品过程（Flowshop）情况，即对所有产品的设备顺序相同。G：一般的多目的过程（Jobshop）,在这种情况下对技术约束的形式没有限制B：指目标函数，即用此目标函数或准则来估计时间表，它可取前面讨论过的任何一种形式。•例如n/2/F/Cmax是指n个产品，2台设备，多产品过程问题，在时间表的建立中以总生产时间最少为目标函数6.3.2简单多产品和多目的间歇过程的最优时间表的计算规则•“计算规则”指用来严格确定加工次序的一组简单规则，从问题的数据来建立最优解。•除了在第(i)节中提出的假设之外，这里还假设对所有的Ji(i=1，2，…，n)，就绪时间为零，即ri=0。在多产品厂中技术约束的要求是产品以同样的次序在两台设备之间通过1.n/2/F/Fmax问题的Johnson规则•n个产品用两个单元（M1和M2）加工，每个产品都先用M1加工，然后用M2加工，目标函数是使最大的流经时间最小。•由于所有产品的就绪时间为零，所以Fmax＝Cmax。•先在M1上从具有最短加工时间的产品开始加工使在M2上具有最短加工时间的产品后结束加工•最优时间安排应是一个{J1，J2，…，n，}排列问题，目标是使在加工顺序中较早的产品在M2上有较短的加工时间。•Johnson规则：•令ai为Ji在M1上的加工时间，bi为Ji在M2上的加工时间，则有ai=pi1，bi=pi2。•此规则采用从两端向中间移动的方式建立加工顺序。•从K=1开始，随顺序中第1,2,3,4,…个位置被填充，而增加到2，3，4，•从L=n开始，随顺序中第n,n-1,n-2,…个位置被填充，而减少到n-1，n-2，…•步骤1:令K=1，L=n•步骤2