化工过程分析与合成

化工过程分析与合成-31. 引言化工过程分析与合成是化学工程领域的重要分支，涉及到化学反应、原料处理、能量转换等方面的内容。

本文将介绍化工过程分析与合成的基本概念，以及常见的分析方法和合成技术。

2. 化工过程分析2.1 分析方法化工过程分析旨在确定化工过程中物质的组成、浓度、质量流动、能量转化等参数。

常用的分析方法包括：•质谱法：通过物质的质谱图谱扫描，确定物质的组成和相对分子质量。

•红外光谱法：通过物质对红外辐射的吸收特性，确定物质的官能团和化学键。

•核磁共振法：通过物质在磁场中的特殊核磁共振现象，确定物质的结构和组成。

•气相色谱法：通过物质在气相色谱柱中的分离和检测，确定物质的组分和浓度。

•液相色谱法：通过物质在液相色谱柱中的分离和检测，确定物质的组分和浓度。

2.2 过程分析的重要性化工过程分析是化工工艺改进和优化的基础，通过对化工过程的分析，可以确定问题所在，找到改进和优化的方向。

同时，过程分析还可以帮助实现化工过程的控制和监测，确保产品的质量和安全。

3. 化工合成技术化工合成技术是化学工程的核心内容之一，涉及到化学反应、反应器设计、反应条件控制等方面的内容。

常见的化工合成技术包括：3.1 催化剂催化剂在化工合成过程中起到重要的作用，可以加快反应速率、提高产率和选择性。

常见的催化剂有金属催化剂、酶催化剂和固体催化剂等。

3.2 反应器设计反应器是化工合成过程中的关键设备，其设计要考虑反应物料的性质、反应条件和反应速率等因素。

常见的反应器设计包括批量反应器、连续流式反应器和固定床反应器等。

3.3 反应条件控制反应条件控制是化工合成过程中的关键环节，可以通过控制温度、压力、反应物料配比等参数，实现反应的高效进行和产物的优化。

4. 实例分析4.1 乙烯制备过程分析乙烯是化工工业中重要的原料之一，其制备过程复杂，涉及到多个反应和分离步骤。

通过化工过程分析，可以确定乙烯制备过程中的关键问题，找到优化的方向，提高乙烯的产率和质量。

化工过程分析与合成介绍化工过程分析与合成是化学工程的重要领域之一，它涉及到化学反应的过程分析以及合成过程的设计和优化。

在化工过程分析与合成中，我们需要通过对化学反应的分析，研究反应机理，并运用化学工程原理进行合成过程的设计和优化，以实现高产率、高选择性和低能耗的化学反应过程。

化工过程分析化工过程分析是指通过对化学反应过程的分析，研究和理解反应过程中的物质转化、反应速率以及反应动力学等基本性质。

化工过程分析的目的是为了深入了解反应的机理，通过对反应物质的性质和反应条件的调控，实现反应过程的控制和优化。

在化工过程分析中，我们需要运用物质平衡、能量平衡和动量平衡等基本的化工原理和方程式，来推导化学反应过程的数学描述，从而得到各种物理和化学参数的计算方法，以判断反应过程的可行性和稳定性。

化工过程分析通常包括以下几个方面的内容：1.反应机理的研究：通过实验和理论模型的建立，研究化学反应过程中的反应物质转化、活化能以及反应速率等基本性质，为后续的反应条件优化提供理论依据。

2.反应条件的优化：根据反应物质的性质和反应机理的研究结果，通过调整反应条件（例如温度、压力、物质浓度等），来实现反应过程的最优化，以提高产率和选择性，并减少能源消耗。

3.反应过程的控制：通过对反应过程中的物料流动、传热、传质等工艺操作进行优化，实现对反应过程的精确控制，以提高产品质量和稳定性。

化工合成化工合成是指通过化学反应将原料物质转化为目标产品的过程。

在化工合成中，我们需要根据反应物质的性质和反应机理，设计合成过程的反应条件和操作流程，以实现预期的化学反应和产品转化。

化工合成的目标是在保证产品质量和反应过程安全的前提下，实现高产率、高选择性和低能耗。

化工合成通常包括以下几个步骤：1.原料物质的选择和准备：在化工合成过程中，我们需要选择合适的原料物质，并对其进行准备，以满足反应条件和要求。

2.反应条件的设计：根据反应物质的性质和反应机理，设计合适的反应条件，包括温度、压力、催化剂等，以控制反应过程的速率和转化率。

化工过程分析与合成集散系统吸取了分散系统和集中系统两者的优点，集是集中管理，操作、控制这三方面的集中，散是指功能的分散，负荷分散和危险分散这就是克服了分散系统难于实现全局系统控制的缺点也克服了集中系统的危险集中。

化工过程分析主要分析过程系统的运行机、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数。

化工过程系统合成包括有：反应路径合、换热网络合成、分离序列合成、过程控制系统合成特别是主要解决由各个单元过程合成总体过程的系统任务。

稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中不包括时间参数，即是把过程中的各种因素都看成是不随时间而变化的。

过程系统模拟的三类问题1、过程系统模拟分析2、过程系统设计3、过程系统参数优化过程系统模拟的基本方法可归纳为三类：序贯模块法、面向方程法、联立模块法。

序贯模块法的基础是单元模块（子程序）序贯模块法的基本思想是：从系统入口物料开始，经过接受该物流变量的单元模块的计算得到输出物流变量，这个输出物流变量就是下一个相邻单元的输入物流变量。

依此逐个计算过程系统的各个单元，最终计算出系统物流。

最佳断裂准则1、断裂的物流数最少2、断裂物流变量数最少3、断裂物流权重因子之和最少4、断裂回路总次数最少简单回路：那种包含两个以上的流股，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路一个不可分割的子系统可以包括若干个简单回路。

能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂流股组称为有效断裂组。

方程的稀疏性可以用稀疏比来衡量：输出变量指定方法的步骤是，选事件矩阵中元素最少的行和元素最少的列的交点处元素对应的变量，作为优先指定的输出变量，然后从事件矩阵中删去该输出变量对应的行和列重复上述过程直至矩阵中所有的行和列都被删除。

第三章模型化是现代化学工程方法论的重要组成部分，尤其是过程动态学的核心根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方法，一般可以把数学模型分为集中参数模型、分布参数模型、和多级集中参数模型。

名词解释夹点的意义1.T min ），系统用能瓶颈位置。

夹点处热流量为（夹点处，系统的传热温差最小（等于Δ 0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱），冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；）2、夹点技术夹点技术是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给与解瓶颈的方法。

夹点设计法三条原则：（1）应该避免有热流量穿过夹点（2）夹点上方应该尽量避免引入公用工程冷却物流（3）夹点下方应该尽量避免引入公用工程加热物流夹点匹配的可行性规则及经验规则3、过程系统能量集成过程系统综合是以合理利用能量为目标的全系统能量综合问题，它从总体上考虑过程中能量的供求关系以及系统结构，操作参数的调优处理，已达到全过程系统能量的优化综合。

（以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合）设备在系统中的合理放置：（1）分离器与过程系统热集成时，分离器穿越夹点是无效的热集成；（2）分离器完全在夹点上方或完全在夹点下方均是有效的热集成。

（3）热机不穿越夹点的设置，是有效的热集成。

（4）热泵穿越夹点的设置是有效热集成。

4、过程用能一致性原则利用热力学原理，把反应、分离、换热、热机、热泵等过程的用能特性从用能本质的角度统一起来，把全过程系统能量综合问题转化为有约束的化热网络综合问题。

5、利用夹点分析进行过程系统能量集成，调优策略的原则：设法增大夹点上方总的热流股的热负荷，减少总的冷流股的热负荷；设法减少夹点下方总的热流股的热负荷，增大总的冷流股的热负荷。

即所谓的“加减原理”。

6、化工过程系统模拟采用一反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观一致性，可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行设计和研究原型过程的方法。

（对于化工过程，在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律）三种基本方法：序贯模块法、联立方程法、联立模块法7、过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化）结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联接，以优化过程系统。

化工过程分析与合成第一章绪论（2学时）●化工过程●系统工程→化工过程系统工程●化工过程的分析与合成●化工过程系统模拟（稳态模拟、动态模拟）●过程系统模拟的三种基本方法（序贯模块法、面向方程法、联立模块法）第一节化工过程化工过程是以天然物料为原料，经过物理或化学加工制成产品的过程。

其往往由多种多样的单元过程组成，如最重要也是最多用的单元过程是：化学反应过程、换热过程和分离过程。

第二节系统工程系统工程是20世纪50年代形成的新兴学科，目前正处于兴旺的发展时期。

1984年郑春瑞在《系统工程学概论》中，对系统工程做出下列综合性的阐述：系统工程是以系统（尤以大系统）为研究对象的一门跨学科的边缘学科。

它是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等从横的方面有效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和电子计算机等工具对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研制和运用系统而采取的各种组织管理技术的总称，归根结底是一种工程学的方法论。

20世纪30年代美国雷德无线电公司在对电视广播系统的电波覆盖问题进行研究时，首先提出“系统”和“系统模拟研究”的思想。

40年代，美国贝尔电话公司在研究微波通讯网络的覆盖传输效率时，提出了“系统工程”的概念。

50年代各工业国对系统工程尤为重视，如1954年美国MIT首先在大学讲授系统工程课程。

1957年美国正式出版了第一本专著《系统工程》。

60年代起系统工程逐步推广应用于工业、宇航、交通、经济规划等部门。

如60年代初，在系统工程、运筹学、化学工程、过程控制及计算机技术等学科的基础上，产生和发展起来一门新兴的技术学科——化工过程系统工程（简称化工系统工程）。

70年代是化工系统工程走上实用的时期。

随着计算机应用的普及，采用化工系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。

化工过程分析与合成作业
一、催化工艺过程分析：
1、催化反应机理：C-H键相互作用，使芳基空位的活性提升，运氧
修饰后芳基空位可被电子稀释，从而形成反应底物活性中心，当反应受体
进入反应中心，共振调和后释放出能量，完成催化反应；
2、催化反应用催化剂：一般用金属酸盐类催化剂，如钯，铂，铑，
钌等，中间体配体可以促进反应剂与金属配体之间发生配位反应，从而形
成最终产物。

3、催化反应反应条件：一般选择常温，温度可以调节，以便促进反
应进行，可使用催化剂的浓度调节，保持反应反应水平，采用气体环境可
以促进催化反应，保持良好环境，防止反应的干扰，并可以运用多重反应
来改善产物结构。

二、合成反应过程：
1、将原料2-氧代均三甲基氯化铵钠和钯催化剂放入反应釜，加入足
量的乙酸乙酯，加热至100摄氏度；
2、待温度升至100摄氏度后，快速加入一定量的N,N-二甲基甲酰胺，振荡搅拌；
3、勤搅拌，直至钯催化剂完全溶解；
4、再将振荡液搅拌至反应液的温度升至110摄氏度，转移至液相色
谱分析，将反应液加入色谱柱中，检测反应物；
5、分析结果显示，98%以上的原料均被催化反应转化。

化工过程分析与合成一，化工系统的定常态模拟与分析（一）模拟是对过程系统模型的求解1. 过程系统的模拟分析：对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过程系统进行工况分析2，过程系统设计：当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求3，过程系统参数优化：过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量（优化变量）。

从而实施最佳工况1. -序贯模块法：基本部分是单元模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。

单元模块具有单向性特点。

(1) 断裂：通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。

它适用于不可分割子系统；-不可分割子系统：过程系统中，若含有再循环物流，则构成不可分割子系统。

-实施序贯模块法进行过程系统模拟计算中必须要解决的问题——如何选择断裂物流、如何确定迭代序列。

-判断最佳断裂的准则：①断裂的物流数最少；②断裂物流的变量数最少；③断裂物流的权重因子之和最少；④断裂回路的总次数最少。

i=1，…，m ，代表回路；j =1，…，n,代表物流(2) 回路矩阵简单回路: 一个不可分割子系统包含若干个再循环回路。

包含两个以上再循环物流，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路。

。

回路矩阵：过程系统中的简单回路可以用回路矩阵表示。

矩阵：行→回路；列→物流。

若某回路I 中包括有物流j 则相应的矩阵元素aji=1，否则为空白或零。

Upadyhe －Grens 断裂法需要解决的两个问题：一是要有一种能把所有的有效断裂物流组都能搜索出来的办法；二是要能把最优断裂组从中选择出来。

有效断裂组：能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂流股组。

① 多余断裂组：如果从一个有效断裂组中至少可以除去一个流股，而得到的断裂组仍⎩⎨⎧=⎩⎨⎧=ij i j a j j x ij j 属于回路流股不属于回路流股被断裂流股未断裂流股,1,0,1,为有效断裂组，则原有效断裂组为多余断裂组。

名词解释1. 夹点的意义（夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔT min ），系统用能瓶颈位置。

夹点处热流量为0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱），冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；）2. 过程系统能量集成（以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合）3. 过程系统的结构优化和参数优化（改变过程系统中的设备类型或相互间的联结关系，以优化过程系统；参数优化指在确定的系统结构中，改变操作参数，是过程某些指标达到优化。

）4、化工过程系统模拟（对于化工过程，在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律）5、过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化）6、过程系统合成（化工过程系统合成包括：反应路径合成；换热网络合成；分离序列合成；过程控制系统合成；特别是要解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务）7、过程系统自由度（过程系统有m个独立方程数，其中含有n 个变量，则过程系统的自由度为：d=n-m ，通过自由度分析正确地确定系统应给定的独立变量数。

）填空题1. 稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中（不含）时间参数2. （集中参数模型）认为状态变量在系统中呈空间均匀分布，如强烈搅拌的反应罐就可以用这一类模型来描述.3. （统计模型）又称为经验模型，纯粹由统计、关联输入输出数据而得。

（确定性模型）又称为机理模型4. （结构）优化和（参数）优化是过程系统的两大类优化问题，它们贯穿于化工过程设计和化工过程操作。

5. 换热网络的消耗代价来自三个方面：（换热单元（设备）数）（传热面积）（公用工程消耗）6. 过程系统模拟方法有、和。

7. 试判断图a 中换热匹配可行性1 , 2 ,3 ,4 。

8. 在夹点分析中，为保证过程系统具有最大热回收，应遵循三条基本原则：避免夹点之上 热物流与夹点之下冷物流间的匹配；夹点之上禁用冷却器；夹点之下禁用加热器。