工艺设计的核心——工艺流程（下篇） - 专栏文章

摘要：工艺流程设计的成品通过图解形式（形象、具体）地表示——工艺流程图，它反映了化工生产由原料到产品的全部过程既物料和能量的变化，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。

化工工艺流程设计任务和步骤

（一）工艺流程图的设计任务

工艺流程设计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全部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。

工艺路线确定的步骤

1搜集资料，调查研究

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。

搜集设计资料的原则和步骤

（1）资料的完整性

全面的、完整的资料数据能够反映客观事物的全过程，才能用于设计。

（2）资料的正确性

正确的资料数据具有再现性，能反映客观事物的本质规律，才能用于设计。

（3）资料的适用性

科学技术都是有条件依据的，搜集资料要严格注意资料的适用条件。

（4）资料的恰当性

资料年代的差异会造成技术上的不同，在整理、分析资料时应注意资料恰当性，不可盲目一味追求先进性，要综合考虑整个设计的技术水平与建设项目的投资总额。

2确定方案，落实设备

设备是完成生产过程的重要条件，是确定技术与工艺流程的时必然要涉及到的因素，因此要足够重视。

①确定生产线数目

大型装置与相同生产能力的数个小型装置相比优点：节约建设投资，占地少，自动化程度高等；缺点：附属设备贵，大都无备用设备，出故障只好停车；

若以单生产线的大型装置与生产能力相同的双生产线小型装置相比，开工率高时，则大型装置的经济效益好。假如开工率不足或生产负荷常变化，尤其是几种牌号的产品经常换产时，则双线小装置的经济效益好。

因此对于生产规模较大，涉及到是否实施大型化时需仔细分析比较。

②确定操作方式

尽量采用连续化操作方式。有时也采用间歇与连续联合操作化方式。有些过程采用间歇操作反而更有利些，如用蒸馏釜处理精馏塔塔釜的高沸点残液。

③确定主要生产过程

先抓住全流程的核心---反应过程,从它入手来逐步建立与之相应的生产过程。

即原料→预处理过程→反应过程→产物后处理。

④确定辅助过程

降低能耗，提高能量利用率的过程。如反应热、位能、静压能等的利用。

三废处理过程。

为稳定生产而设立的过程(如缓冲、中间贮存)。

⑤合理确定操作条件

如高压反应过程，要求在原料贮罐到反应器间必须设立升压过程和相应的压缩机，而在反应器到产品间必须设立减压过程和相应的设备。

又如确定了反应器内的操作温度和允许波动范围，就要相应地设立供热或移热设施及手段(如夹套内泠管等)，同时建立自动调剂温度的控制系统。

⑥考虑流程的弹性和进行设备设计

即全流程设计要考虑综合生产能力的弹性:应估计全年生产的不均衡性,各过程间所选设备的操作周期及其不均衡性,还要考虑因生产管理和外部条件等因素可能产生负荷的波动,这些均通过调研和参加生产实践来确定弹性的适宜幅度。

对设备的余度的考虑:原则上既不超过又不少于设计负荷,并且尽可能使各台设备的能力一致,以避免由于设备能力不平衡而造成浪费。

在考虑了全装置的弹性和各设备的余度以后,就可进行设备选型和设计计算了。

⑦确定控制系统

要根据各过程间是如何连接的、各过程又靠什么操作手段来实现的等等来确定它们的控制系统。

要考虑正常生产、开停车和检修所需的各个过程的连接方法,此外还要增补遗漏的管线、阀门、过滤密封系统,以及采样、放净、排空、连通设施,逐步完善控制系统。

注意:在这个过程中，与自控专业共同商定控制水平,进而设计全流程的控制系统和仪表系统,画在流程图上，完成PID。

⑧逐步完善和简化所设计的流程

要从各方面着手来逐步完善和简化：考虑到开停车和事故处理等问题，因而设置事故贮槽，增加备用设备以利于必要时可以切换使用。有时需设置自动往聚合设备内加终止剂的装置。

尽量简化对水汽泠冻系统的要求，尽可能采用单一系统。当装置本身需要用到几种不同压力的蒸汽时，应当尽可能简化或统一对蒸汽压力的要求。

尽量减少物料循环量，在切实可行的基础上采用新技术，提高单程转化率以及简化流程等等。

全面分析，对比比较

应当尽量从实际可能出发，多搞一些流程设计方案，然后进行全面的综合比较，从中找出最优的方案作为流程设计的成果。

工艺流程设计方法

首先要看所确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但需要局部改进或局部采用新技术、新工艺的问题；后者须针对新技术开发进行概念设计。

1、以反应过程为核心，以方案比较作决定

(1)定反应器:

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。

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) 设计原料预处理过程

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，以保证反应过程的实现。

原料预处理过程：

固体：粉碎、溶解---目数、浓度、纯度

液体：配制、混合---浓度、均一

气体：配比、压缩---浓度、输送

原料预处理过程可以牵涉到：粉碎、筛分、配制、混合、压缩、提纯等单元操作。这些操作过程主要根据原料的性质及处理方法选择不同的装置进行组合。因此，设计的工艺流程就有所不同。

(3)设计产物的后处理过程

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。

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。

产品分离包括：

固液分离---过滤、离心

液液分离---蒸发、精馏、萃取

气液分离---吸收

产品分离牵涉到的单元过程：

过滤、离心、蒸发、精馏、萃取、吸收等单元操作过程。这些单元操作过程，同样应根据被分离产物的特征，设计与之相适应的单元过程。

产品精制：