工艺流程设计工艺流程设计 工艺流程设计是化工厂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从原料到成品（产品）的整个生产过程，其中包括物料及其理化特性的变化，物料的流向以及生产中所经历的过程和使用的设备、仪器和仪表。 工艺流程设计工艺流程设计用图表示就称之为“工艺流程图”可以说：工艺流程图集中地概括了整个生产过程的全貌。n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、建筑结构设计、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，而往往不是最早结束。 第一节第一节 生产方法和工艺流程的选择生产方法和工艺流程的选择针对不同的原料特性和不同的产品（成品）需求，可能存在多种生产方法；同一种生产方法，又存在更多种工艺流程可供选择。生产方法和工艺流程的选择是决定整个工艺设计质量的关键。在很多情况下，生产同一产品（成品）可以采用不同原料，经过不同生产工艺路线而制得；而同一原料，也可采用不同生产工艺路线，制成不同产品（成品）；而且同一生产工艺路线中也可以采用不同的设备配置。因此生产方法和工艺流程的选择必须经过慎重、精细和科学的，而且可能是多次反复的： 分析 对比 论证 修订一、生产方法和工艺流程选择的原则一、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，应考虑以下几个大方面的原则。1先进性和科学性 主要指技术上的先进和经济上的合理可行，具体包括原料特性、产品（成品）品种与规格、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。n 2.可靠性和可发展性 可靠性是指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。同时必须充分考虑项目的可持续发展。 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，造成极大的投资浪费。对于尚在试验阶段的新技术、新工艺、新设备应慎重对待。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。n3适用性和灵活性 首先，必须结合国情。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或者科学观点考虑问题，应从具体情况出发综合考虑各种具体问题。 其次，必须在针对特定原料和产品（成品）具有良好的适应性的基础上，具备良好的适应性和灵活性。n4政策性和规划性n 古人云：“顺者昌，逆者亡”n “识时务者俊杰”n相关法律、法令、法规；n国家政策、规划、布局；n行业政策、规划、布局；n地方政策、规划、布局。二、生产方法和工艺流程确定的步骤二、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。n1搜集资料，调查研究n 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。n具体收集的内容主要有以下几个方面。n国内外生产情况，各种生产方法及工艺程；n原料来源及产品应用情况；n试验研究报告、学术论文、技术专利；n安全技术及劳动保护措施；n综合利用及三废处理；n生产技术是否先进（拟采用生产技术的水平）；n设备的标准化和定型化及其制造、运输情况、自动化程度；n基本建设投资、产品成本、占地面积； n水、电、汽、燃料的用量及供应，主要基建材料的用量及供应；n厂址、地质、水文、气象等资料；n车间(装置)环境与周围的情况。n等等n2落实设备n 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。n3全面对比n全面分析对比的内容很多，主要比较下列几项：n几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；n产品的质量情况；n生产能力及产品规格；n原材料、能量消耗情况；n建设费用及产品成本；n三废的产生及治理情况；n行业背景、政策背景等支撑状况；n其他特殊情况。n应注意的若干具体问题应注意的若干具体问题 n 1、连续化问题n 2、装置大型化问题n 3、化工过程及其设备的确定问题n 进料方式, 预热方式, 加热方式, 残液储藏排放, 塔顶冷凝回流。n 4、设备的空间定位问题n 5、物料输送方式问题n 6、产品品种规格对工艺流程的影响。第二节第二节 流程组织（过程合成）流程组织（过程合成）n4.1 流程组织概述流程组织概述n化工过程的典型流程框图一 流程组织组织n1 原料贮存 原料贮存是指保证原料的供应与生产的需求相适应。在化工生产中，贮存量主要根据原料的来源、运输方法、原料的物理化学性质以及运输所需的时间来决定。n2 原料预处理阶段：原料预处理阶段：n 以物理方法为主，但不排除化学方法。n 可能要用到一些分离的单元操作。n 可能牵涉到“三废”处理。n 可能有副产品产出。n他是根据原料性质、处理方法而选择不同的装置及不同的输送方式，从而设计出不同的流程。n3反应合成阶段：反应合成阶段：n 可能是多步反应组成的反应网络（多个反应器）。n 多个反应器之间可能穿插着分离单元操作。n主反应过程反应装置的设计和选择，是工业生产过程中的核心部分，也是工艺是否成功的关键所在。因此，在设计中除可参考借鉴有关数据外，建设单位必须提供反应装置的完整设计数据。n4产物分离阶段：产物分离阶段：n 可能要用到多种单元操作。n 重视“三废”处理技术问题。n 重视回收。n5产物的后处理过程n原因n反应中存在的副产物需借助于后处理过程分离。n分离并合理利用未反应的组分。n由产物的后处理过程进一步除去杂质。n产物的集聚状态要求，也增加了后处理过程。 二、什么是流程组织n1、流程组织的定义n权衡技术与经济、安全、工程等方面的因素，在过程开发实验的基础上，结合专家化工生产过程的实际经验，将某个化工过程的原料准备、反应合成、产物分离三个阶段的有关单元操作有机地组合在一起，形成一个较优的工艺流程。n2、流程组织的结果n画出一个详细的流程草图（包含所有的工艺流股），并根据过程开发实验的结果，确定流程中的合适的已知设计条件。n流程组织是化工工艺设计的流程组织是化工工艺设计的“龙头龙头”。n3、流程组织的依据n过程开发实验结果；n化工专家的实践经验。三、流程组织的几个基本原则n1、重视过程开发实验结果（根本出发点根本出发点）；n2、尽量确保工程中运用的工艺技术和设备的成熟性成熟性；n3、要考虑工程放大工程放大的影响；n4、组织流程时，应考虑流程的可操作性可操作性，尽量增大流程（尤其是关键设备）的操作弹性操作弹性；n5、重视流程的运行安全运行安全问题；n6、从经济角度，节省流程的固定投资，减少流程的节省流程的固定投资，减少流程的操作费用操作费用；n7、重视副产品回收，同步考虑环保因素环保因素；四、流程组织的具体任务四、流程组织的具体任务流程组织的具体任务1、原料的预处理；2、反应途径的合成与挑选；3、专用地址分配；4、分离技术的选择；5、分离顺序的选择；6、能量集成与管理(热交换网络)；1 原料路线的选择原料路线的选择：n化学原料的多元化：化学原料的多元化：n 原料路线，就是制造产品选用什么作为原料。对于很多产品来说，可以用不同的原料生产相同产品。n原料路线在项目决策中的作用：原料路线在项目决策中的作用：n 不同的原料路线要求不同的工艺流程，不同的设备，不同的操作条件，不同的产品精制要求。n 影响到厂址的选择。n 对生态平衡，环境保护也有很大影响。n原料路线的选择原则原料路线的选择原则n 原料来源的可靠性 原料数量和质量的稳定可靠供应是进行生产的基本条件。n 尽可能选择当地或附近的原料 即可确保来源，又能减少运输费用和货运量。n 经济型 采用不同的原料路线所造成的经济效果，不能单单只看原料本身的价格。n 资源利用的合理n原料预处理的目的原料预处理的目的n从有利于反应的角度n提高反应转化率；n提高或控制反应速度；n提高反应的选择性率，等等。n从有利于反应后产物分离的角度n 原料预处理的几种通常形式：原料预处理的几种通常形式：n、原料的预热、预冷、加压处理；n、原料的纯度处理；-有时包括色级处理；减轻杂质毒化催化剂；聚合度要求等等。n、几种反应原料的预混合处理；n、原料的相转换处理；n、固体原料的颗粒粒度大小处理；n进行组织流程，考虑原料预处理的方法，要站在全流程角度，从进厂原料现状、反应对原料的要求、反应原料现状、反应对原料的要求、反应后产物的分离后产物的分离等方面因素综合考虑。n只要技术可行，经济合理，可以考虑采用一些分离单分离单元操作元操作，甚至化学手段化学手段，来进行原料预处理。2 反应途径的合成反应途径的合成n反应途径反应途径：从原料到产品的多步反应组成的反应顺序（序列）。n反应途径的合成反应途径的合成：构造从原料到产品的反应途径。n挑选反应途径挑选反应途径：n从A C，化学家在实验室发明提出来多个反应途径，化学工程师则站在工程实际应用的角度，从这些众多的反应途径中挑选一条或几条进行工程设计并投入商业运行。n化学家：从事反应途径的合成；n化学工程师：挑选反应途径。n反应途径的合成与挑选是流程组织的“核心”。其对整个流程生产的产品质量、产品成本一般都有决定性的影响。n挑选合适的反应途径，是从源头治理污染的最挑选合适的反应途径，是从源头治理污染的最好方法。好方法。那么，作为一个化学工程师，挑选反那么，作为一个化学工程师，挑选反应途径时，应该考虑哪些因素？应途径时，应该考虑哪些因素？ 反应步骤长短；n副反应数量；n反应速度及转化率、选择性率等；n反应条件要求；n产物分离难易；n环保、安全、健康情况；n投资及成本的高低；n产品质量情况；n原料来源难易；n在安全、环保、健康的前提下，技术上可行，以经济上合理为最在安全、环保、健康的前提下，技术上可行，以经济上合理为最高目标来挑选。高目标来挑选。n例如：一氯癸烷（一氯代十烷）工业生产的反应途径挑选问题。n有以下三种反应途径可供挑选：n1、C10H22Cl2 C10H21Cl HCln伴随副反应： C10H21Cl Cl2 C10H20Cl2 HCln2、C10H20 HCl C10H21Cl n3、C10H21OH HCl C10H21Cl H2On结论：从原料成本、来源角度挑选反应途径1来进行工业生产。专用地址分配（专用地址确定）专用地址分配（专用地址确定）n流程组织专用地址分配的含义：流程组织专用地址分配的含义：n在流程组织大框架已经确定的情况下，对有关流股的走向、流股之间的配比（流量调配），以及操作单元的拆分、合并等问题进行综合的考虑。n例：硫燃烧为二氧化硫n为了保证燃烧温度但又要保护喷舌而不能使温度过高，必须与原料氧一起导入冷的惰性气体，以稀释氧气并带走热量。n途径1 以空气为原料直接输入反应器，即以氮气为惰性气体，n途径2 以二氧化硫为惰性气体，原料空气 在进入反应器前预处理，分离出氮气，产品二氧化硫需部分返回作为惰性气体使用。4分离技术与分离顺序的选择分离技术与分离顺序的选择n分离是化工流程中必不可少的重要组成部分，往往对化工产品的质量起关键性的决定作用。n在流程组织的反应途径确定后，就必须针对该反应途径产生的混合物混合物（产物、副反应产物、未转化完全的关键反应物、过量的非关键组份反应物、溶剂、催化剂等混合在一起），选择分离技术和分离顺序对该混合物进行处理。n分离操作的目的：分离操作的目的：n1、提高产品（包括副产品）的质量；n2、回收未反应完全的反应物（包括溶剂、催化剂等）；n3、满足环境保护的要求；n化工产品的竞争：关键是产品质量与成本。化工产品的竞争：关键是产品质量与成本。n关于分离的单元操作技术：关于分离的单元操作技术：n传统的包括：精馏、萃取、吸收、吸附、过滤、干燥、离子交换、蒸发、结晶、层析、电泳、渗透等等。n相继出现的新分离方法包括：膜分离、离子交换色谱、超临界萃取等等。n分离技术的发展趋势n新的单元分离技术n已有单元操作技术的耦合（如吸附精馏、反应结晶、萃取结晶、精馏结晶、膜反应等等）n在选择分离技术手段时，应该对一些分离技术在选择分离技术手段时，应该对一些分离技术的基本要点有一些认识，这些基本要点包括：的基本要点有一些认识，这些基本要点包括：n利用什么性质进行分离；n处理能力及纯度极限；n能耗、分离成本、投资大小n针对反应完后的混合物分离，其分离技术的选择主要原则如下：n一、分离技术的选择基本原则一、分离技术的选择基本原则n1、以待处理物系的各组份的性质为根本出发点，来挑选分离技术。、以待处理物系的各组份的性质为根本出发点，来挑选分离技术。n例如：组份之间沸点差大，可考虑精馏；n 组份之间在某种溶剂中分配系数相差较大，可考虑萃取；n 溶解度差、熔点差结晶；n 对热稳定性差低温单元操作技术，等等。n2、充分考虑分离过程的投资、成本等经济因素。、充分考虑分离过程的投资、成本等经济因素。n即使在包含反应的完整化工流程中，分离阶段的投资也经常占到全流程投资的50以上，分离成本经常占到产品总成本的30以上。n3、根据待处理物系的处理量和分离纯度要求，、根据待处理物系的处理量和分离纯度要求，来挑选合适的分离技术。来挑选合适的分离技术。n例如：离子交换处理能力，4mmol/g干树脂，其处理摩尔浓度高的物系就可能不经济；n传统的吸收不可能得到高纯的单一组份气体，这是受到吸收分离技术本身分离极限的限制。n注意：注意：对流程中某些中间过程流股的分离，一般采用“得过且过”的原则。可采用一些较“低级”的分离技术，达到即满足后续操作的要求，又可降低分离投资和产品成本的目的。n4、尽量采用技术、设备上成熟的分离技术，避免工程风险。、尽量采用技术、设备上成熟的分离技术，避免工程风险。n另外，应该看到，对反应后的混合物进行分离，通常情况下，只通常情况下，只采用单一的某一种分离技术手段往往满足不了分离目的采用单一的某一种分离技术手段往往满足不了分离目的。而是采用许多分离技术的“组合”来完成多组份分离目的。n例如，从青霉素发酵液中，提取青霉素产品，分离流程同时采用了过滤、萃取、吸附脱色、离子交换、反应萃取、蒸发结晶、干燥等多种分离技术。n以上是所谓挑选分离技术的几点基本原则。n 针对反应完毕后混合物的分离，除了选择分离技术手段外，还要同步考虑同步考虑先分谁、后分谁的所谓分离顺序问题分离顺序问题。这点和分离技术的选择也同样重要。n二、分离顺序确定的基本原则二、分离顺序确定的基本原则n1、根据待处理物系的性质，一般是、根据待处理物系的性质，一般是容易分离的组份，的组份，可考虑先分离。可考虑先分离。n“容易分离”使用传统的成熟分离技术与设备、操作条件不复杂、分离过程能耗及物耗较低。n从分离工程技术角度，一般而言，组份越多，相应的分离难度越大。将容易分离的组份优先分离，可减少后续分离的组份数目，从而减轻后续分离的难度。n所以，从技术和经济角度，“容易分离的组份先分”是比较合理的选择。n2、相分离可考虑优先进行。、相分离可考虑优先进行。n固液分离：各种过滤方式；n气液分离：旋风过滤、分气包（塔、罐）方式；n液液分离：萃取塔、倾析器、离心机等方式；n一般而言，相分离在化工分离单元操作中并不复杂，并不复杂，但好处多多但好处多多。n3、含量较多的组份可考虑优先分离。、含量较多的组份可考虑优先分离。n最大优点：可减少后续分离设备的尺寸（减少投资），降低后续分离操作的能耗与物耗（降低分离成本）。n4、高附加值的产物组份可考虑优先分离。、高附加值的产物组份可考虑优先分离。n高价值组份若不先分离出来，必然会在后续分离的操作中逐步损失，从而降低其收率。n5、稳定性较差、有毒、有腐蚀、有放射性的组份可、稳定性较差、有毒、有腐蚀、有放射性的组份可考虑优先分离。考虑优先分离。n对提高收率、工人的劳动保护、延长设备寿命、减少设备投资、节省操作费用都有好处。n以上分离技术与分离顺序必须同步考虑，而且以上原以上分离技术与分离顺序必须同步考虑，而且以上原则在某个实际物系的分离过程中，各原则可能有互相则在某个实际物系的分离过程中，各原则可能有互相冲突之处，必须结合开发实验来综合考虑。冲突之处，必须结合开发实验来综合考虑。