【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 和數(shù)學(xué)模型）、正確識(shí)別模型參數(shù)的能力和數(shù)值求解方法的準(zhǔn)確性。在許多情況中，我們不能完全理解系統(tǒng)，這樣留下了很多不確定性。相關(guān)的理論也可能非常難于應(yīng)用。然后在這些情況下，通常需要作簡(jiǎn)化假設(shè)，接下來可以去掉或優(yōu)化這些假設(shè)，并獲得較好的接受。這些都必須注意和判斷以便于模型不要變得過于復(fù)雜、不要用不可測(cè)量的參數(shù)定義。通常缺少一致性可能是由于參數(shù)值的選擇不正確，可能甚至得到與模擬過程中觀察到的非常相反的變化趨勢(shì)。很明顯，這些模型響應(yīng)的參數(shù)是非常敏感的，需要非常小心的選擇或確定。應(yīng)該注意的是：由于有時(shí)數(shù)據(jù)與過程只是定性一致可能足夠了，模型不必與數(shù)據(jù)有精確的一致。Unit 19 過程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介在閱讀本單元之前，試著回答如下問題： 可持續(xù)工業(yè)活動(dòng)的含義？ 化學(xué)過程設(shè)計(jì)怎么開始？在一個(gè)過程設(shè)計(jì)中包含哪些過程文件？ 你能解釋一下成功擴(kuò)大規(guī)模的概念嗎？化工的目的并不是為了制備化合物，而是為了賺錢。但是，可持續(xù)工業(yè)活動(dòng)必須保證工業(yè)生產(chǎn)和生活良好的生態(tài)性，而利潤(rùn)則作為可持續(xù)工業(yè)活動(dòng)的重要一部分。也就是說化工過程的廢物必須達(dá)到實(shí)際和經(jīng)濟(jì)上的最小化。由于廢物處理過程很大程度上并不是為了解決這個(gè)問題，而是簡(jiǎn)單地把廢物從一個(gè)地方挪到另外一個(gè)地方，因此，這些依賴的廢物處理方法通常并不適當(dāng)。可持續(xù)工業(yè)生產(chǎn)還意味著能源消耗也必須達(dá)到實(shí)際和經(jīng)濟(jì)上的最小化。并且不論是對(duì)操作人還是社會(huì)來說，化工都不能表現(xiàn)出明顯的短期或者長(zhǎng)期危險(xiǎn)。當(dāng)進(jìn)行一個(gè)化學(xué)過程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)一個(gè)化工過程來說，有一個(gè)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)層次是很有作用的。首先進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)支配著分離和循環(huán)過程。反應(yīng)器設(shè)計(jì)和分離過程共同支配著熱交換網(wǎng)絡(luò)的加熱和冷卻職責(zé)。它們并不能通過熱回收滿足，表明需要其他一些外部的設(shè)備。根據(jù)這個(gè)體系，在設(shè)計(jì)的最后階段，經(jīng)常要考慮的是安全、健康和環(huán)境。對(duì)于純粹由設(shè)計(jì)過程原因引起的早期決定經(jīng)常導(dǎo)致安全、健康和環(huán)境問題，并且還需要復(fù)雜的解決辦法，因此這個(gè)方法留下了很多需要解決的問題。隨著設(shè)計(jì)進(jìn)行，這個(gè)也最好考慮一下。需要使用有毒材料，或者用量較少，或者在惰性材料中稀釋時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)過程必須安全，并且不需要復(fù)雜的安全系統(tǒng)。廢棄物較少的系統(tǒng)將不需要復(fù)雜的處理系統(tǒng)。隨著設(shè)計(jì)進(jìn)行和每一層設(shè)計(jì)過程增加，這些都必須考慮到。（1）反應(yīng)器的選擇。通常設(shè)計(jì)過程最首要的就是要確定反應(yīng)器類型和操作條件。在選擇反應(yīng)器時(shí)，最重要的是原材料的效率（考慮材料結(jié)構(gòu)、安全等）。整個(gè)過程中，原材料費(fèi)用也是最重要的。任何原材料的無效使用都可能造成廢物蒸汽，從而變成環(huán)境問題。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和流程圖的剩余部分密切相關(guān)。因此，隨著設(shè)計(jì)過程進(jìn)行，必須回到反應(yīng)器對(duì)照一下。2）分離器的選擇。對(duì)于非均相混合物來說，需要通過分離過程才能達(dá)到相分離的目的。在任何均相分離進(jìn)行之前，這樣的分離過程必須進(jìn)行。相分離一般比較簡(jiǎn)單，需要在首先進(jìn)行。蒸餾是目前分離均相液體混合物最常用的方法。在設(shè)計(jì)早期階段，為了優(yōu)化壓力、回流比、或者蒸餾時(shí)的進(jìn)料條件，不需要很多嘗試。一旦隨后考慮整個(gè)過程的熱量時(shí)，最優(yōu)值將會(huì)發(fā)生變化。分離低分子量物質(zhì)時(shí)，另一個(gè)常用來代替蒸餾的方法是吸收。液體流速、溫度和壓力是需要設(shè)置的重要變量，在這個(gè)階段也沒有必要嘗試去計(jì)算出最優(yōu)值。（3）反應(yīng)分離系統(tǒng)的合成。很多化工過程中，物質(zhì)的循環(huán)是一個(gè)重要特征。在反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，過量反應(yīng)物、稀釋劑或加熱載體的使用對(duì)流程圖中的循環(huán)結(jié)構(gòu)具有很重要的影響。有時(shí)不需要的副產(chǎn)品進(jìn)行循環(huán)可以在源頭阻止其形成。（4）蒸餾排序。除非有限制條件能夠嚴(yán)格阻止熱量聚集，簡(jiǎn)單蒸餾塔的排序能按照如下兩步進(jìn)行：（i）最好是確定少的非集成順序；（ii）研究熱量集成。在許多情況下，沒有必要同時(shí)解決這些問題。與簡(jiǎn)單的塔器排序相比，復(fù)雜的塔器安排可以提供很大的節(jié)約能量的潛力。（5）熱交換網(wǎng)絡(luò)和使用目標(biāo)。已經(jīng)建立洋蔥模型的兩個(gè)內(nèi)部層次（反應(yīng)分離和循環(huán)）之后，物質(zhì)和能量平衡就知道了。這就需要根據(jù)熱回收問題對(duì)冷熱蒸汽進(jìn)行定義了。能量目標(biāo)可以直接通過物質(zhì)和能量守恒進(jìn)行計(jì)算。為了獲得能量費(fèi)用，沒有必要設(shè)計(jì)一個(gè)熱交換網(wǎng)絡(luò)。另一個(gè)情況可以通過把熱和能量方程聯(lián)立，通過重要的復(fù)雜的曲線可以方便快速獲得?？偟臒峤粨Q面積、操作單元數(shù)量、管板熱交換器的板數(shù)也必須進(jìn)行設(shè)定。考慮混合材料的構(gòu)造，壓力等級(jí)和設(shè)備類型，這樣可以確立總的資本費(fèi)用。進(jìn)而在設(shè)計(jì)做出之前，可以對(duì)能量和資本消耗進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。一旦這個(gè)設(shè)計(jì)確定好了前兩個(gè)層面之后（即反應(yīng)器和分離器），那么該設(shè)計(jì)總的費(fèi)用（反應(yīng)器、分離器、熱交換器和設(shè)備）就是總的反應(yīng)器和分離器的總費(fèi)用（精確估計(jì)）加上熱交換網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的總費(fèi)用。（6）經(jīng)濟(jì)權(quán)衡。反應(yīng)器和其他部分的相關(guān)性非常重要。反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率是很重要的一個(gè)優(yōu)化變量，因?yàn)樗苋菀淄ㄟ^整個(gè)過程來影響大多數(shù)操作。并且，當(dāng)循環(huán)過程中存在惰性物質(zhì)時(shí)，惰性物質(zhì)的濃度則是另一個(gè)重要的優(yōu)化變量，同樣也對(duì)整個(gè)操作過程造成影響。進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，必須考慮熱交換網(wǎng)絡(luò)的能量和資本費(fèi)用目標(biāo)。由于反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率和循環(huán)惰性物質(zhì)濃度的變化改變了過程的物質(zhì)和能量平衡，并改變了熱回收問題，因此，這是進(jìn)行這些優(yōu)化過程的唯一的實(shí)際方法。實(shí)際上，物質(zhì)和能量守恒中的每一個(gè)變化，需要一個(gè)不同的熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。為每一套反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率和循環(huán)惰性物質(zhì)濃度的變化提供一個(gè)新的熱交換網(wǎng)絡(luò)是不現(xiàn)實(shí)的。另一方面，相比之下熱交換網(wǎng)絡(luò)的能量和資本費(fèi)用目標(biāo)更容易產(chǎn)生。（7）廢水處理 在考慮安全和健康的同時(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的廢棄物最少化也是應(yīng)該考慮和強(qiáng)調(diào)的。但是，不可避免地，也會(huì)有一些廢棄物。在設(shè)計(jì)完成前，廢棄物的處理（處置）也必須考慮。如果廢棄物的處理特別有問題的話，這就可能需要一些基本設(shè)計(jì)變化去減少或改變廢棄物的本質(zhì)。（8）為改善熱整合而改變工藝。過程廢棄物最少化后，通過直接改變?cè)O(shè)計(jì)過程，在能量目標(biāo)允許減少的條件下，能量費(fèi)用和效用浪費(fèi)必須進(jìn)一步減少。在這個(gè)階段，蒸餾塔的順序也必須重新改動(dòng)，并考慮引入復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可能性。初步分餾塔（有無熱電偶）也可以用來替代直接或間接蒸餾塔。作為選擇，直接蒸餾塔也可以被側(cè)線精餾塔替代，而間接蒸餾塔被側(cè)線汽提塔替代。9）熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 已經(jīng)開發(fā)了上述相關(guān)內(nèi)容之后，物質(zhì)和能量平衡已經(jīng)固定。對(duì)熱交換網(wǎng)絡(luò)有貢獻(xiàn)的冷熱蒸汽就需要進(jìn)行定義了。剩下的工作就是設(shè)計(jì)熱交換網(wǎng)絡(luò)。夾點(diǎn)設(shè)計(jì)方法是一個(gè)逐步方法，隨著設(shè)計(jì)進(jìn)行，設(shè)計(jì)師可以進(jìn)行操作。對(duì)于很多復(fù)雜的設(shè)計(jì)來說，尤其是那些有很多限制條件的，譬如混合設(shè)備等，則應(yīng)該使用基于可縮小最優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。（項(xiàng)目文檔）盡管設(shè)計(jì)順序遵循圖1所示的洋蔥模式，但是設(shè)計(jì)很少僅通過單一途徑獲得成功的結(jié)果。經(jīng)常在兩個(gè)方向反復(fù)進(jìn)行。內(nèi)部層面獲得的決定是在不完整信息的基礎(chǔ)上獲得的。當(dāng)更多圖片出現(xiàn)時(shí)，在外部層面上將會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)增加更多細(xì)節(jié)。然后需要重新決定，即回到內(nèi)部層面等。當(dāng)流程圖嚴(yán)格定義時(shí)，詳細(xì)過程（管道和儀表圖）和設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)才能進(jìn)行。之后增加控制系統(tǒng)，并進(jìn)行危險(xiǎn)程度和可操作性研究?；瘜W(xué)工程的設(shè)計(jì)和工程學(xué)需要許多專家的共同合作。有效的合作取決于有效的溝通。并且所有的設(shè)計(jì)單位都要有正式的處理項(xiàng)目信息和文件的相關(guān)程序。項(xiàng)目文檔包括：（1）設(shè)計(jì)小組和政府部門、設(shè)備供應(yīng)商、現(xiàn)場(chǎng)人員、客戶保持聯(lián)系。（2）計(jì)算單：設(shè)計(jì)計(jì)算、成本計(jì)算和計(jì)算機(jī)打印輸出。（3）繪圖：流程圖、管道和儀表圖、布局圖、總設(shè)計(jì)圖、設(shè)備細(xì)節(jié)、管道圖、建筑圖和設(shè)計(jì)圖。（4）特殊設(shè)備圖：比如熱交換器和泵。（5）購買順序：報(bào)價(jià)和發(fā)貨。為了交叉引用、文件歸檔和數(shù)據(jù)檢索，所有的文件必須分配一個(gè)代碼。過程設(shè)計(jì)組經(jīng)常需要準(zhǔn)備過程手冊(cè)用于描述過程和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。結(jié)合流程圖，他們?yōu)檫^程提供了一個(gè)完整的技術(shù)描述。操作手冊(cè)對(duì)過程和設(shè)備的操作提供了詳細(xì)的指導(dǎo)說明。這些一般都是操作公司個(gè)人制作的。但是也可能作為合同包的一部分為經(jīng)驗(yàn)較少的客戶提供。操作手冊(cè)也能為操作者提供指導(dǎo)并進(jìn)行培訓(xùn)，并用于制作正式工廠的操作指導(dǎo)。20單元幾年以前，誰會(huì)想到一架飛機(jī)可以繞地球航行而中途不需要著陸或添加燃料？而在1986年新型的飛機(jī)航海者就做到了這一點(diǎn)。航海者具備長(zhǎng)途飛行能力的秘密就在于幾年前還沒有出現(xiàn)的先進(jìn)的材料。其機(jī)身大部分是由強(qiáng)度大、質(zhì)量輕的聚合纖維用耐久的、高強(qiáng)度的粘合劑組裝而成的。而發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油是合成的多組分液體，可維持很長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的潤(rùn)滑性。這些特殊材料具有科學(xué)家和工程師們?yōu)闈M足現(xiàn)代社會(huì)的需求所發(fā)明的先進(jìn)技術(shù)。如運(yùn)輸、通訊、電子、能量轉(zhuǎn)換這些工業(yè)的未來多依賴新的、先進(jìn)的材料以及生產(chǎn)中所需要的加工技術(shù)。近年來，在我們了解了如何把一些特殊的具有高性能的物質(zhì)融入原材料，并且怎樣最好地在復(fù)雜設(shè)計(jì)中使用這些材料后，這方面已有了很大的發(fā)展。材料科學(xué)和工程的革命為化學(xué)工程師帶來了機(jī)會(huì)，也帶來了挑戰(zhàn)?；瘜W(xué)工程師憑借他們?cè)诨瘜W(xué)、物理和數(shù)學(xué)方面的知識(shí)基礎(chǔ)以及他們對(duì)傳輸現(xiàn)象、動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)工程和過程設(shè)計(jì)的了解，能夠創(chuàng)造性地解決現(xiàn)代材料技術(shù)中的問題。但是他們一定要擯棄掉傳統(tǒng)職業(yè)理念中“考慮大的”這個(gè)習(xí)慣，要有效地投入現(xiàn)代材料科學(xué)和工程中必須要學(xué)會(huì)“從小處思考”。在制造現(xiàn)代先進(jìn)材料時(shí)的關(guān)鍵現(xiàn)象是發(fā)生在分子級(jí)和微觀的水平。如果化學(xué)工程師要為這些新材料設(shè)計(jì)新產(chǎn)品和工藝就必須了解并且學(xué)會(huì)控制這些現(xiàn)象。在下面選擇介紹的幾種材料領(lǐng)域里我們將敘述這種困難的挑戰(zhàn)。1．聚合物現(xiàn)代聚合物科學(xué)的時(shí)代屬于化學(xué)工程師。這些年來，聚合物化學(xué)家創(chuàng)造了大量的高分子和聚合物。然而了解這些高分子是怎樣被合成并加工以最大限度地具備理論性質(zhì)仍然是研究的前沿領(lǐng)域。一直到最近才開發(fā)了現(xiàn)代儀器幫助我們了解高分子之間、高分子與固體粒子、有機(jī)和無機(jī)纖維與其它界面之間的相互作用?；瘜W(xué)工程師正使用這些工具探索高分子的微型動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，他們利用從這些技術(shù)中獲得的知識(shí)，正在處理高分子間的反應(yīng)以開發(fā)先