第二章工艺流程设计

第二章 工艺流程设计 工艺流程设计是化工设计中非常重要的环节，它通过工艺流程图的形式，形象地反映了化工生产由原料 进入到产品输出的过程，其中包括物料和能量的变化，物料的流向以及生产中所经历的工艺过程和使用的设备 仪表。工艺流程图集中地概括了整个生产过程的全貌。

工艺流程设计是工艺设计的核心。在整个设计中，设备选型、工艺计算、设备布置等工作都与工艺流程 有直接关系。只有流程确定后，其他各项工作才能开展，工艺流程设计涉及各个方面，而各个方面的变化又反 过来影响工艺流程设计，甚至使流程发生较大的变化。因此，工艺流程设计动手最早，而往往又结束最晚。

本章主要介绍生产方法和工艺流程的选择，工艺流程设计，工艺流程图绘制，典型设备的自控流程四个 内容。

第一节 生产方法和工艺流程的选择 生产同一化工产品可以采用不同原料，经过不同生产路线而制得，即使采用同一原料，也可采用不同生 产路线，同一生产路线中也可以采用不同的工艺流程。

选择生产路线也就是选择生产方法，这一步是决定设计质量的关键，必须认真对待。如果某产品只有一 种生产方法，就无须选择；若有几种不同的生产方法，就应逐个进行分析研究，通过各方面比较，从中筛选一 个最好的方法，作为下一步工艺流程设计的依据。由于我们接触到的大多数是已有生产路线的工艺流程设计， 因此，本节只对上述内容作简要介绍。

一、生产方法和工艺流程选择的原则 在选择生产方法和工艺流程时，应考虑以下一些原则。 1．先进性 先进性主要指技术上的先进和经济上的合理可行，具体包括基建投资、产品成本、消耗定额和劳动生产 率等方面的内容，应选择物料损耗小、循环量少，能量消耗少和回收利用好的生产方法。 2．可靠性 可靠性是指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。如果采用的技术不成熟，就会影响工厂正常生 产，甚至不能投产，造成极大的浪费。因此，对于尚在试验阶段的新技术、新工艺、新设备应慎重对待。要防 止只考虑新的一面，而忽视不成熟、不稳妥的一面。应坚持一切经过试验的原则，不允许把未来的生产厂当作 试验工厂来进行设计。另外，对生产工艺流程的改革也应采取积极而又慎重的态度，不能有侥幸心理。 3．结合国情中国是一个发展中的社会主义国家。在进行工厂设计时，不能单纯从技术观点考虑问题，应从中国的具 体情况出发考虑各种具体问题。 上述三项原则必须在技术路线和工艺流程选择中全面衡量，综合考虑。一种技术的应用有长处，也有短 处。设计人员必须采取全面分析对比的方法，并根据建设项目的具体要求，选择其中不仅对现在有利，而且对 将来也有利的工艺技术，竭力发挥有利的一面，设法减少不利的因素。 比较时要仔细领会设计任务书提出的各项原则要求，要对收集到的资料进行加工整理，提炼出能够反映 本质的、突出主要优缺点的数据材料，作为比较的依据。要经过全面分析、反复对比后选出优点较多、符合国 情、切实可行的技术路线和工艺流程。总的目标是使未来的化工厂的产品质量、生产成本以及建厂难易等主要 指标达到比较理想的水平。 二、生产方法和工艺流程确定的步骤 确定生产方法，选择工艺流程一般要经过三个阶段。 1．搜集资料，调查研究 这是确定生产方法和选择工艺流程的准备阶段。在此阶段，要根据建设项目的产品方案及生产规模，有 计划、有目的地搜集国内外同类型生产厂的有关资料，包括技术路线特点、工艺参数、原材料和公用工程单耗、 产品质量、三废治理以及各种技术路线的发展情况与动向等技术经济资料。掌握国内外化工技术经济的资料， 仅靠设计人员自己搜集是不够的，还应取得技术信息部门的配合，有时还要向咨询部门提出咨询。 2．落实设备 设备是完成生产过程的重要条件，是确定技术路线和工艺流程时必然要涉及到的因素。在搜集资料过程 中，必须对设备予以足够重视。对各种生产方法中所用的设备，分清国内已有定型产品的、需要进口的及国内 需重新设计制造的三种类型，并对设计制造单位的技术力量、加工条件、材料供应及设计、制造的进度加以了 解。 3.全面对比 全面分析对比的内容很多，主要比较下列几项： ①几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势； ②产品的质量情况； ③生产能力及产品规格； ④原材料、能量消耗情况； ⑤建设费用及产品成本； ⑥三废的产生及治理情况； ⑦其他特殊情况。 第二节 工艺流程设计 一、流程设计的任务 当生产工艺路线选定之后，即可进行流程设计。它和车间布置设计是决定整个车间（装置）基本面貌的 关键性的步骤，对设备设计和管路设计等单项设计也起着决定性的作用。 流程设计的主要任务包括两个方面：一是确定生产流程中各个生产过程的具体内容、顺序和组合方式， 达到由原料制得所需产品的目的；二是绘制工艺流程图，要求以图解的形式表示生产过程中，当原料经过各个 单元操作过程制得产品时，物料和能量发生的变化及其流向，以及采用了哪些化工过程和设备，再进一步通过 图解形式表示出化工管道流程和计量控制流程。 为了使设计出来的工艺流程能够实现优质、高产、低消耗和安全生产，应按步骤逐步解决以下问题。 (1) 确定整个流程的组成。工艺流程反映了由原料制得产品的全过程。应确定采用多少生产过程或工序 来构成全过程，确定每个单元过程的具体任务（即物料通过时要发生什么物理变化、化学变化以及能量变化）， 以及每个生产过程或工序之间如何连接。 (2) 确定每个过程或工序的组成。应采用多少和由哪些设备来完成这一生产过程，以及各种设备之间应 如何连接，弄明确每台设备的作用和它的主要工艺参数。 (3) 确定操作条件。为了使每个过程、每台设备正确地起到预定作用，应当确定整个生产工序或每台设 备的各个不同部位要达到和保持的操作条件。 (4) 控制方案的确定。为了正确实现并保持各生产工序和每台设备本身的操作条件，及实现各生产过程 之间、各设备之间的正确联系，需要确定正确控制方案，选用合适的控制仪表。 (5) 合理利用原料及能量。计算出整个装置的技术经济指标应当合理地确定各个生产过程的效率，得出 全装置的最佳总收率，同时要合理地做好能量回收与综合利用，降低能耗。据此确定水、电、蒸汽和燃料的消 耗。 (6) 制定三废的治理方法。除了产品和副产品外，对全流程中所排出的三废要尽量综合利用，对于那些 暂时无法回收利用的，则须进行妥善处理。 (7) 制定安全生产措施。应当对设计出来的化工装置在开车、停车、长期运转以及检修过程中，可能存 在哪些不安全因素进行认真分析，再遵照国家的各项有关规定，结合以往的经验教训，制订出切实可靠的安全 措施，例如设置安全阀、阻火器和事故贮槽等。 二、工艺流程设计方法首先要看所选定的生产方法是正在生产或曾经运行过的成熟工艺还是待开发的新工艺。前者是可以参考 借鉴而需要局部改进或局部采用新技术新工艺的问题。后者须针对新开发技术，在设计上称为概念设计。不论 哪种情况一般都是将一个工艺流程分为四个重要部分，即原料预处理过程、反应过程、产物的后处理（分离净 化）和三废的处理过程。一般的工作方法如下。 (1) 以反应过程为中心。根据反应过程的特点、产品要求、物料特性、基本工艺条件来决定采用反应器 类型及决定采用连续操作，还是间歇性操作。有些产品不适合连续化操作，如同一生产装置生产多品种或多牌 号产品时，用间歇操作，更为方便。另外，物料反应过程是否需外供能量或移出热量，都要在反应装置上增加 相应的适当措施。如果反应需要在催化剂存在下进行，就须考虑催化反应的方式和催化剂的选择。一般说确定 主反应过程的装置，往往都有文献、资料可供参考，或有中试结果。现有工业化装置可以借鉴、参考，因此并 不复杂。 (2) 原料预处理过程。在主反应装置已经确定之后，根据反应特点，必然对原料提出要求，如纯度、温 度、压力以及加料方式等。这就应根据需要采取预热（冷）、汽化、干燥、粉碎筛分、提纯精制、混合、配制、 压缩等措施。这些操作过程就需要相应的化工单元操作，加以组合。通常不是一台两台设备或简单过程完成的。 原料预处理的化工操作过程是根据原料性质、处理方法而选取不同的装置及不同的输送方式，从而可能设计出 不同的流程。 (3)产物的后处理。根据反应原料的特性和产品的质量要求，以及反应过程的特点，实际反应过程可能会 出现下列情况。 ①除了获得目的产物外，由于存在副反应，还生成了副产物。 ②由于反应时间等条件的限制或受反应平衡的限制，以及为使反应尽可能完全而有过剩组分。 ③原料中含有的杂质往往不是反应需要的，在原料的预处理中并未除净，因而在反应中将会带入产物中， 或者杂质参与反应而生成无用且有害的物质。 ④产物的集聚状态要求，也增加了后处理过程。某些反应过程是多相的，而最终产物是固态的。 除上述原因外，还有其他各种各样原因，相应地要采用各种不同措施进行处理。因此用于产物的净化、 分离的化工单元操作过程，往往是整个工艺过程中最复杂、最关键的部分，有时是制约整个工艺生产能否进行 的关键环节，即保证产品质量的极为重要的步骤。因此，如何安排每一个分离净化的设备或装置以及操作步骤， 它们之间如何连通，有否达到预期的净化效果和能力等，都是必须认真考虑的。 (4) 产品的后处理。经过前述分离净化后达到合格的目的产品，有些是下一工序的原料，可加工成其他 产品；有些可直接作为商品，往往还须进行后处理工作，如筛选、包装、灌装、计量、贮存、输送等过程。 (5) 未反应原料的循环或利用以及副产物的处理。由于反应不是全部，剩余组分在产物处理中被分离出 来，一般应循环回到反应设备中继续参与反应。(6) 确定“三废”排出物的处理措施。在生产过程中，不得不排放的各种废气、废液和废渣，应尽量综 合利用，变废为宝，加以回收。无法回收的应妥善处理。“三废”中如含有有害物质，在排放前应该达到排放 标准。因此在化工开发和工程设计中必须研究和设计治理方案和流程，要做到“三废”治理与环境保护工程、 “三废”治理工艺与主产品工艺同时设计、同时施工，而且同时投产运行。按照国家有关规定，如果污染问题 不解决，是不允许投产的。 (7) 确定公用工程的配套措施。在生产工艺流程中必须使用的工艺用水（包括作为原料的软水、冷却水、 溶剂用水以及洗涤用水等）、蒸汽（原料用汽、加热用汽、动力用汽及其他用汽等）、压缩空气、氮气等以及 冷冻、真空都是工艺中要考虑的配套设施。至于生产用电、上下水、空调、采暖通气都是应与其他专业密切配 合的。 (8) 确定操作条件和控制方案。一个完善的工艺设计除了工艺流程等以外，还应把投产后的操作条件确 定下来，这也是设计要求。这些条件包括整个流程中各个单元设备的物料流量（投料量）、组成、温度压力等， 并且提出控制方案（与仪表控制专业密切配合）以确保能稳定地生产出合格产品来。 (9) 制定切实可靠的安全生产措施。在工艺设计中要考虑到开停车、长期运转和检修过程中可能存在各 种不安全因素，根据生产过程中物料性质和生产特点，在工艺流程和装置中，除设备材质和结构的安全措施外， 在流程中应在适宜部位上设置事故槽、安全阀、放空管、安全水封、防爆板、阻水栓等以保证安全生产。 (10) 保温、防腐的设计。这是在工艺流程设计中的最后一项工作，也是施工安装时最后一道工序。流程 中应根据介质的温度、特性和状态以及周围环境状况决定管道和设备是否需要保温和防腐。 三、工艺流程设计的基本方法——方案比较 一个优秀的工程设计只有在多种方案的比较中才能产生。进行方案比较首先要明确判据，工程上常用的 判据有产物收率、原材料单耗、能量单耗、产品成本、工程投资等。此外，也要考虑环保、安全、占地面积等 因素。 进行方案比较的基本前提是保持原始信息不变。这里应强调指出，过程的操作参数如温度、压力、流速、 流量等原始信息，设计者是不能变更的。设计者只能采用各种工程手段和方法，保证实现工艺规定的操作参数。