我在拙文《掌握化工流程模擬：你需要知道什么？》一文中強(qiáng)調(diào)做流程模擬中化學(xué)工程專業(yè)知識(shí)的重要性，這是用好流程模擬的先決條件，包括但不僅限于：

• 熱力學(xué)：熱量平衡（汽、液相態(tài)下純組分、多組分混合物的焓值計(jì)算），多組分混合物的相平衡（汽液，氣液，液液，汽液液），化學(xué)反應(yīng)平衡，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的熱功能量平衡

• 單元操作：三傳一反單元操作原理，即流體輸送、換熱、分離和反應(yīng)器

• 化工設(shè)計(jì)和集成：概念設(shè)計(jì)，分離序列集成，換熱網(wǎng)絡(luò)集成

流程模擬分成兩類：

• 全流程模擬：包含某一產(chǎn)品制造工藝的所有主要單元，偏向質(zhì)量和熱量平衡計(jì)算

• 單元模擬：只對(duì)某一單元作詳細(xì)模擬計(jì)算，偏向單元設(shè)計(jì)和水力學(xué)計(jì)（Hydraulics）

本文主要談全流程模擬的基礎(chǔ)。開(kāi)始流程模擬之前，先要對(duì)待模擬的化工過(guò)程的主體作分解和分析。一個(gè)完整工藝流程由那些部分組成？誰(shuí)是化工流程是核心？流程模擬時(shí)如何來(lái)分析反應(yīng)、分離和換熱？

一、用洋蔥頭模型分析一個(gè)化工流程

讀者可以先看一個(gè)簡(jiǎn)單的化工流程：甲苯加氫脫烷基，來(lái)自《產(chǎn)品與過(guò)程設(shè)計(jì)原理》（W.D Seider, J.D Seader, D.R Lewin,中文版）。這個(gè)簡(jiǎn)單的流程包含了一個(gè)典型化工工藝的所有基本特征，適合教學(xué)。我去年受師弟邀請(qǐng)，在給交大化工系本科生講“過(guò)程分析和設(shè)計(jì)”時(shí)，也用到這個(gè)例子。

反應(yīng)條件：1200~1270 F （650degC),494Psia(34bar)

Conversion: 75% C7 toC6, 2% C6 to C12

Fig.1 甲苯加氫脫烷基反應(yīng)條件

 Fig.2 甲苯加氫脫烷基流程圖

化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)化工過(guò)程的核心，化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)就是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將原料分子轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品分子，但并非反應(yīng)器出口就是最終產(chǎn)品，還需對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離純化才能得到最終產(chǎn)品，要實(shí)現(xiàn)反應(yīng)或者分離都需要能量作為驅(qū)動(dòng)力。

我在工作中，無(wú)論是理解或優(yōu)化一個(gè)現(xiàn)有的化工工藝流程，還是去做概念設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)新的工藝流程，我都喜歡采用洋蔥頭模擬（Onion Model）來(lái)分析一個(gè)化工過(guò)程。洋蔥頭模擬將一個(gè)化工流程從內(nèi)向外分成五個(gè)層次：

1. 反應(yīng)器

2. 分離和循環(huán)系統(tǒng)

3. 換熱和熱回收系統(tǒng)

4. 公用工程系統(tǒng)

5. 排放處理系統(tǒng)

 Fig.3 化工設(shè)計(jì)和集成的洋蔥頭模型

對(duì)全流程模擬來(lái)說(shuō)，主要集中關(guān)注前三層：反應(yīng)、分離、換熱。

二、反應(yīng)器是化工過(guò)程的核心

化學(xué)反應(yīng)條件是一個(gè)化工工藝優(yōu)劣的根本因素，一個(gè)理想的工業(yè)化反應(yīng), 具備：

• 反應(yīng)收率高：原料高轉(zhuǎn)化率，高反應(yīng)的高選擇性，則原料利用率高，原料成本低；后續(xù)的分離簡(jiǎn)單，分離系統(tǒng)投資成本和操作成本低

• 反應(yīng)條件溫和：如常溫常壓，反應(yīng)器的投資成本和操作成本低

高收率是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的第一目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)高收率，必要時(shí)采用苛刻的反應(yīng)條件，如高溫高壓。通常反應(yīng)條件在研發(fā)階段確定，包括溫度、壓力、催化劑、溶劑以及反應(yīng)器形式，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)無(wú)權(quán)修改這些條件。若要考慮更適合工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的反應(yīng)條件，必須要求研發(fā)團(tuán)隊(duì)重新補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)。

在全流程模擬時(shí)，反應(yīng)器部分通常作為黑箱單元處理，根據(jù)所給的反應(yīng)條件只需做質(zhì)量衡算（主副反應(yīng)轉(zhuǎn)化率）和熱量衡算（熱效應(yīng)）。反應(yīng)器本身設(shè)計(jì)需要在全流程模擬前獨(dú)立完成, 不在概念設(shè)計(jì)范圍內(nèi).

為達(dá)到全流程模擬需要，對(duì)反應(yīng)器和反應(yīng)器作基本分析即可。

1、定性了解反應(yīng)特點(diǎn)

• 主反應(yīng):  反應(yīng)速率(快或慢), 反應(yīng)熱（吸熱或放熱），相態(tài)（均相或非均相反應(yīng)，氣相體積增多或減少，液相之間的相容性），需要催化劑否

• 各步的副反應(yīng): 與主反應(yīng)串聯(lián)還是并聯(lián)，消耗產(chǎn)物否

2、根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)理解所確定的反應(yīng)條件

• 反應(yīng)器特點(diǎn): 返混程度，多相(催化劑、氣液、液液），分散相和連續(xù)相

• 原料組分的摩爾比和過(guò)量比

• 溶劑類型以及所控制的關(guān)鍵反應(yīng)物濃度

• 反應(yīng)溫度與壓力

• 主、副反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率

未完待續(xù)！

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