工藝流程設計的成品通過工藝流程圖來體現(xiàn)化工生產(chǎn)由原料到產(chǎn)品的全部過程既物料和能量的變化，物料的流向以及生產(chǎn)中所經(jīng)歷的工藝過程和使用的設備和儀表。昌暉儀表從生產(chǎn)方法和工藝流程選擇、原料路線選擇、工藝技術路線選擇、工藝流程設計內(nèi)容等方面深入介紹化工工藝流程設計的思路、步驟和方法。
 
工藝流程圖集中地概括了整個生產(chǎn)過程的全貌。生產(chǎn)同一化工產(chǎn)品可以采用不同原料，經(jīng)過不同生產(chǎn)路線而制得，即使采用同一原料，也可采用不同生產(chǎn)路線，同一生產(chǎn)路線中也可以采用不同的工藝流程。

選擇生產(chǎn)路線也就是選擇生產(chǎn)方法，這是決定設計質量的關鍵。如果某產(chǎn)品只有一種生產(chǎn)方法，就無須選擇；若有幾種不同的生產(chǎn)方法，就應逐個進行分析研究，通過各方面比較篩選一個最好的生產(chǎn)方法，作為下一步工藝流程設計的依據(jù)。

生產(chǎn)方法和工藝流程選擇的原則
◆可靠性
流程是否通暢、生產(chǎn)是否安全、工藝是否穩(wěn)定、消耗定額、生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質量和三廢排放是否達到預定指標。
◆適用性
和具體環(huán)境、資源和技術的接收能力相適應
◆技術的合理性
技術的生命周期：投入期、成長期、成熟期和衰退期,所選技術應處于成長期
◆先進性
技術上的先進和經(jīng)濟上的合理可行,應選擇物料損耗小、循環(huán)量少，能量消耗少和回收利用好的生產(chǎn)方法 。

原料路線的選擇
一個工業(yè)項目的產(chǎn)品可以從幾種原料取，首先遇到的問題就是選擇哪種原料。
1、可靠性
必須保證在其服務期限內(nèi)有足夠的、穩(wěn)定的原料來源。例如若是礦石原料，要看它的儲藏量、品位和開采量。凡以經(jīng)過加工的原材料和部件作為原料的工業(yè)項目，最好與供應部門達成協(xié)議，以保證供應的可靠性。

2、經(jīng)濟性
在產(chǎn)品成本中，原料價格是一個重要因素。即要對各種原料投入后對單位成本的影響進行詳細的分析。原料價格受其供求關系變化的影響很大，要根據(jù)供求關系對將來的價格進行預測。

3、合理性
這主要是指對資源的綜合利用是否合理。例如煤、石油和天然氣為主要起始原料的合理利用問題：在選擇原料路線時，適當提高化工用煤的比例；油改煤，以節(jié)約石油消耗是合理的。

工藝技術路線的選擇
采用一定的原材料生產(chǎn)某種產(chǎn)品，可能有多種生產(chǎn)方法，每種生產(chǎn)方法所使用的生產(chǎn)設備、生產(chǎn)工具和工藝制造過程各不相同，也就是說，有不同的工藝技術路線。每種工藝技術路線的投資費用和日常操作費用也不相同。把幾種不同的工藝技術路線進行技術和經(jīng)濟比較，挑選出最適合的加以采用，就叫做工藝技術路線的選擇，簡稱技術路線選擇。

工藝流程設計的內(nèi)容 
化工工藝一般工藝流程
化工工藝一般工藝流程包含原料貯存、原料處理、反應或提取、產(chǎn)品分離、產(chǎn)品精選和儲存包裝幾個環(huán)節(jié)。

 
1、確定整個工藝流程的組成
確定流程中各生產(chǎn)過程的具體內(nèi)容、順序和組合方式，是工藝流程設計的基本任務?？捎迷O備之間的位置關系和物料流向來表示。
◆合成氨生產(chǎn)工藝

◆己內(nèi)酰胺生產(chǎn)工藝


2、確定各個過程或工序的組成
應采用多少和由哪些設備來完成這一生產(chǎn)過程，以及各種設備之間應如何連接，弄明確每臺設備的作用和它的主要工藝參數(shù)。
例如：合成氨工藝中的變換工段

變換反應：CO+H₂O→CO₂+H₂
水洗：CO₂+H₂O?H₂CO₃
堿洗：CO₂+NaOH→Na₂CO₃+H₂O
確定載能介質的技術規(guī)格和流向。常用的載能介質：水、水蒸汽、冷凍鹽水、空氣(真空或壓縮)

3、確定操作條件和控制方向
確定整個生產(chǎn)工序或每臺設備的各個不同部位要達到和保持的操作條件。
①反應器操作參數(shù)的確定
a、溫度
◆可逆反應的平衡(吸熱或放熱)
如：EB?Sty+H₂+△H，采用二段反應，溫度序列為先低后高。
◆考慮反應的選擇性(按主副反應活化能的大小)
如A通過E1活化能的作用會轉化為P，A通過E2活化能的作用會轉化為S，且E1＞E2，則高溫有利于主反應。
◆溫度的限制條件(材質和催化劑的要求)

b、組成
◆某一反應物要求很高的轉化率
例如CO+Cl₂→COCl(光氣)二異氰酸酯的原料，要求不含氯，Cl2的轉化率100%，采取CO過量
◆產(chǎn)物與反應物分離困難
如C₆H₆(苯)+H₂→C₆H₁₂(環(huán)己烷)，C₆H₆的Tb=353.1k，C₆H₁₂的Tb=353.9k，苯與環(huán)己烷很難分離，因此采取氫氣過量，苯完全反應。
◆反應的濃度效應(濃度對主副反應速率的影響)
◆分離循環(huán)費用
 
c、壓力
◆反應速度
◆反應物料的相態(tài)(如七項烴化和液相烴化)
◆后續(xù)分離要求(希望水冷后就產(chǎn)生氣液兩相)

d、反應的轉化率
◆準化率和所需反應時間的關系
◆各種轉化率下的產(chǎn)品分布
◆反應系統(tǒng)和分離系統(tǒng)的設備價格

②精餾塔工藝參數(shù)的確定
a、塔壓(實質上是塔頂塔釜溫度選取的問題)
◆盡量避免真空操作(增加真空泵和塔徑)
◆常壓下能用普通冷卻水冷卻，就不宜采取加壓
◆對于＞1.6MPa時，究竟采用低壓冷凍還是高壓冷卻，需要做方案比較。
b、回流比
◆對于價格高昂的公用工程，取常規(guī)R/Rmin(1.11-1.24)的范圍低限。
◆若回收的冷量或熱量可利用，取常規(guī)R/Rmin的高限。
◆對于產(chǎn)品純度極高的精密精餾，取較大R/Rmin值(因為取常規(guī)R/Rmin較小，塔板數(shù)會急劇增加)

③產(chǎn)品純度和回收率
正確選擇產(chǎn)品的純度有重大的經(jīng)濟意義。

4、確定控制方案
確保各生產(chǎn)工序和每臺設備本身的操作條件，及實現(xiàn)各生產(chǎn)過程之間、各設備之間的正確聯(lián)系，需要確定正確控制方案，選用合適的控制儀表。 
 
5、確定安全技術措施
設置相應的預防和應急措施，如阻火器、報警裝置、安全閥、安全水封、放空管、溢流管、泄水裝置、防靜電裝置、防雷裝置和事故貯槽等。

6、原料與能量的合理利用
計算并確定各個生產(chǎn)過程的效率，得出全裝置的最佳總收率，同時合理地做好能量回收與綜合利用，降低能耗以確定水、電、蒸汽和燃料的消耗

7、制定“三廢”處理方案；
對全流程中所排出的三廢要盡量綜合利用，對于暫時無法回收利用的，則須進行妥善處理

工藝流程設計的內(nèi)容
1、化工工藝一般工藝流程
工藝流程設計和車間布置設計是決定整個車間(裝置)基本面貌的關鍵性的步驟，對設備設計和管路設計等單項設計也起著決定性的作用。

流程設計的主要任務包括兩個方面：一是確定生產(chǎn)流程中全部生產(chǎn)過程的具體內(nèi)容、順序和組合方式，達到由原料制得所需產(chǎn)品的目的；二是繪制工藝流程圖，要求以圖解的形式表示生產(chǎn)過程中，當原料經(jīng)過各個單元操作過程制得產(chǎn)品時，物料和能量發(fā)生的變化及其流向，以及采用了哪些化工過程和設備，再進一步通過圖解形式表示出化工管道流程和計量控制流程。

2、工藝路線確定的步驟
①搜集資料，調查研究
要根據(jù)建設項目的產(chǎn)品方案及生產(chǎn)規(guī)模，有計劃、有目的地搜集國內(nèi)外同類型生產(chǎn)廠的有關資料，包括技術路線特點、工藝參數(shù)、原材料和公用工程單耗、產(chǎn)品質量、三廢治理以及各種技術路線的發(fā)展情況與動向等技術經(jīng)濟資料。

掌握國內(nèi)外化工技術經(jīng)濟的資料，僅靠設計人員自己搜集是不夠的，還應取得技術信息部門的配合，有時還要向咨詢部門提出咨詢。

需要國內(nèi)外化工技術經(jīng)濟的資料應涵蓋以下主要內(nèi)容：
◆基礎資料
地形、氣象、水文、地址、人文地理、原料燃料、動力、交通、施工條件等。
◆生產(chǎn)方式
生產(chǎn)方式及其工藝流程：原料路線、操作規(guī)程、控制指標、主要設備等。
◆工藝資料
物料衡算，熱量衡算、設備計算等
◆其他資料
車間布置、非工藝專業(yè)資料、及其他與建設項目有關的資料。

搜集設計資料的原則和步驟
a、資料的完整性
全面的、完整的資料數(shù)據(jù)能夠反映客觀事物的全過程，才能用于設計。
b、資料的正確性
正確的資料數(shù)據(jù)具有再現(xiàn)性，能反映客觀事物的本質規(guī)律，才能用于設計。
c、資料的適用性
科學技術都是有條件依據(jù)的，搜集資料要嚴格注意資料的適用條件。
d、資料的恰當性
資料年代的差異會造成技術上的不同，在整理、分析資料時應注意資料恰當性，不可盲目一味追求先進性，要綜合考慮整個設計的技術水平與建設項目的投資總額。

②確定方案，落實設備

設備是完成生產(chǎn)過程的重要條件，是確定技術與工藝流程的時必然要涉及到的因素，因此要足夠重視。

a、確定生產(chǎn)線數(shù)目
大型裝置與相同生產(chǎn)能力的數(shù)個小型裝置相比優(yōu)點：節(jié)約建設投資，占地少，自動化程度高等；缺點：附屬設備貴，大都無備用設備，出故障只好停車；若以單生產(chǎn)線的大型裝置與生產(chǎn)能力相同的雙生產(chǎn)線小型裝置相比，開工率高時，則大型裝置的經(jīng)濟效益好。假如開工率不足或生產(chǎn)負荷常變化，尤其是幾種牌號的產(chǎn)品經(jīng)常換產(chǎn)時，則雙線小裝置的經(jīng)濟效益好。因此對于生產(chǎn)規(guī)模較大，涉及到是否實施大型化時需仔細分析比較。

b、確定操作方式
盡量采用連續(xù)化操作方式。有時也采用間歇與連續(xù)聯(lián)合操作化方式。有些過程采用間歇操作反而更有利些，如用蒸餾釜處理精餾塔塔釜的高沸點殘液。

c、確定主要生產(chǎn)過程
先抓住全流程的核心---反應過程,從它入手來逐步建立與之相應的生產(chǎn)過程。即原料→預處理過程→反應過程→產(chǎn)物后處理。

d、確定輔助過程
降低能耗，提高能量利用率的過程。如反應熱、位能、靜壓能等的利用。三廢處理過程。為穩(wěn)定生產(chǎn)而設立的過程(如緩沖、中間貯存)。

e、合理確定操作條件
如高壓反應過程，要求在原料貯罐到反應器間必須設立升壓過程和相應的壓縮機，而在反應器到產(chǎn)品間必須設立減壓過程和相應的設備。又如確定了反應器內(nèi)的操作溫度和允許波動范圍，就要相應地設立供熱或移熱設施及手段(如夾套內(nèi)泠管等)，同時建立自動調劑溫度的控制系統(tǒng)。

f、考慮流程的彈性和進行設備設計
即全流程設計要考慮綜合生產(chǎn)能力的彈性:應估計全年生產(chǎn)的不均衡性,各過程間所選設備的操作周期及其不均衡性,還要考慮因生產(chǎn)管理和外部條件等因素可能產(chǎn)生負荷的波動,這些均通過調研和參加生產(chǎn)實踐來確定彈性的適宜幅度。對設備的余度的考慮:原則上既不超過又不少于設計負荷,并且盡可能使各臺設備的能力一致,以避免由于設備能力不平衡而造成浪費。在考慮了全裝置的彈性和各設備的余度以后,就可進行設備選型和設計計算了。

g、確定控制系統(tǒng)
要根據(jù)各過程間是如何連接的、各過程又靠什么操作手段來實現(xiàn)的等等來確定它們的控制系統(tǒng)。要考慮正常生產(chǎn)、開停車和檢修所需的各個過程的連接方法,此外還要增補遺漏的管線、閥門、過濾密封系統(tǒng),以及采樣、放凈、排空、連通設施,逐步完善控制系統(tǒng)。
注意：在這個過程中，與自控專業(yè)共同商定控制水平,進而設計全流程的控制系統(tǒng)和儀表系統(tǒng),畫在流程圖上，完成PID。

h、逐步完善和簡化所設計的流程
要從各方面著手來逐步完善和簡化：考慮到開停車和事故處理等問題，因而設置事故貯槽，增加備用設備以利于必要時可以切換使用。有時需設置自動往聚合設備內(nèi)加終止劑的裝置。
盡量簡化對水汽泠凍系統(tǒng)的要求，盡可能采用單一系統(tǒng)。當裝置本身需要用到幾種不同壓力的蒸汽時，應當盡可能簡化或統(tǒng)一對蒸汽壓力的要求。
盡量減少物料循環(huán)量，在切實可行的基礎上采用新技術，提高單程轉化率以及簡化流程等等。

③全面分析，對比比較
 
應當盡量從實際可能出發(fā)，多搞一些流程設計方案，然后進行全面的綜合比較，從中找出最優(yōu)的方案作為流程設計的成果。

工藝流程設計方法


首先要看所確定的生產(chǎn)方法是正在生產(chǎn)或曾經(jīng)運行過的成熟工藝，還是待開發(fā)的新工藝。前者是可以參考借鑒但需要局部改進或局部采用新技術、新工藝的問題；后者須針對新技術開發(fā)進行概念設計。

以反應過程為核心，以方案比較作決定
1、定反應器
根據(jù)反應過程的特點、產(chǎn)品要求、物料特性、基本工藝條件來決定采用反應器類型及決定采用連續(xù)操作，還是間歇性操作。
有些產(chǎn)品不適合連續(xù)化操作，如同一生產(chǎn)裝置生產(chǎn)多品種或多牌號產(chǎn)品時，用間歇操作，更為方便。
物料反應過程是否需外供能量或移出熱量，都要在反應裝置上增加相應的適當措施。
如果反應需要在催化劑存在下進行，就須考慮催化反應的方式和催化劑的選擇。
一般說確定主反應過程的裝置，往往都有文獻、資料可供參考，或有中試結果?，F(xiàn)有工業(yè)化裝置可以借鑒、參考，因此并不復雜。

2、設計原料預處理過程
根據(jù)反應特點，必然對原料提出要求，如純度、溫度、壓力以及加料方式等，以保證反應過程的實現(xiàn)。
原料預處理過程：固體：粉碎、溶解---目數(shù)、濃度、純度液體：配制、混合---濃度、均一氣體：配比、壓縮---濃度、輸送
原料預處理過程可以牽涉到：粉碎、篩分、配制、混合、壓縮、提純等單元操作。這些操作過程主要根據(jù)原料的性質及處理方法選擇不同的裝置進行組合。因此，設計的工藝流程就有所不同。

3、設計產(chǎn)物的后處理過程
根據(jù)反應原料的特性和產(chǎn)品的質量要求，以及反應過程的特點，實際反應過程可能會出現(xiàn)下列情況:
①除了獲得目的產(chǎn)物外，由于存在副反應，還生成了副產(chǎn)物。
②由于反應時間等條件的限制或受反應平衡的限制，以及為使反應盡可能完全而有過剩組分。
③原料中含有的雜質往往不是反應需要的，在原料的預處理中并未除凈，因而在反應中將會帶入產(chǎn)物中，或者雜質參與反應而生成無用且有害的物質。
④產(chǎn)物的集聚狀態(tài)要求，也增加了后處理過程。某些反應過程是多相的，而最終產(chǎn)物是固態(tài)的。
因此用于產(chǎn)物的凈化、分離的化工單元操作過程，往往是整個工藝過程中最復雜、最關鍵的部分。
產(chǎn)品分離包括：固液分離---過濾、離心液液分離---蒸發(fā)、精餾、萃取氣液分離---吸收
產(chǎn)品分離牽涉到的單元過程：過濾、離心、蒸發(fā)、精餾、萃取、吸收等單元操作過程。這些單元操作過程，同樣應根據(jù)被分離產(chǎn)物的特征，設計與之相適應的單元過程。
產(chǎn)品精制：對產(chǎn)物進一步純化，以滿足產(chǎn)品的質量要求。液體---精餾、濃縮、結晶固體---重結晶氣體---吸收
產(chǎn)品精制牽涉到的單元過程：精餾、濃縮、結晶、重結晶等單元操作過程。這些單元操作過程，同樣應根據(jù)產(chǎn)品的質量要求，設計與之相適應的單元過程。

4、設計產(chǎn)品的后處理過程
經(jīng)精制后的產(chǎn)物，成為最終的產(chǎn)品還需要干燥、包裝、儲運等過程。  固體---干燥、包裝 液體---灌裝氣體---灌裝
儲運包裝過程牽涉到的單元操作過程有：干燥、計量、包裝等過程，應根據(jù)產(chǎn)品的特性進行設計工藝過程。

5、設計未反應原料的循環(huán)或利用以及副產(chǎn)物的處理
由于反應不是全部，剩余組分在產(chǎn)物處理中被分離出來，一般應循環(huán)回到反應設備中繼續(xù)參與反應。

6、確定“三廢”排出物的處理措施
在生產(chǎn)過程中，不得不排放的各種廢氣、廢液和廢渣，應盡量綜合利用，變廢為寶，加以回收。無法回收的應妥善處理?！叭龔U”中如含有有害物質，在排放前應該達到排放標準。
因此在化工開發(fā)和工程設計中必須研究和設計治理方案和流程，要做到“三廢”治理與環(huán)境保護工程、“三廢”治理工藝與主產(chǎn)品工藝同時設計、同時施工，而且同時投產(chǎn)運行。按照國家有關規(guī)定，如果污染問題不解決，是不允許投產(chǎn)的。

7、確定公用工程的配套措施
在生產(chǎn)工藝流程中必須使用的工藝用水(包括作為原料的軟水、冷卻水、溶劑用水以及洗滌用水等)、蒸汽(原料用汽、加熱用汽、動力用汽及其他用汽等)、壓縮空氣、氮氣等以及冷凍、真空都是工藝中要考慮的配套設施。
至于生產(chǎn)用電、上下水、空調、采暖通氣都是應與其他專業(yè)密切配合的。

8、確定操作條件和控制方案
一個完善的工藝設計除了工藝流程等以外，還應把投產(chǎn)后的操作條件確定下來，這也是設計要求。
這些條件包括整個流程中各個單元設備的物料流量(投料量)、組成、溫度壓力等，并且提出控制方案(與儀表控制專業(yè)密切配合)以確保能穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格產(chǎn)品來。

9、制定切實可靠的安全生產(chǎn)措施
在工藝設計中要考慮到開停車、長期運轉和檢修過程中可能存在各種不安全因素，根據(jù)生產(chǎn)過程中物料性質和生產(chǎn)特點，在工藝流程和裝置中，除設備材質和結構的安全措施外，在流程中應在適宜部位上設置事故槽、安全閥、放空管、安全水封、防爆板、阻水栓等以保證安全生產(chǎn)。

10、保溫、防腐的設計
這是在工藝流程設計中的最后一項工作，也是施工安裝時最后一道工序。
流程中應根據(jù)介質的溫度、特性和狀態(tài)以及周圍環(huán)境狀況決定管道和設備是否需要保溫和防腐。

以方案比較作決定
工業(yè)生產(chǎn)中，一個過程往往可以有多種方法來實現(xiàn)，例如液固混合物的分離，可以用離心、沉降、壓縮和真空過濾等方法；含濕固體的干燥，可以用氣流、雙錐、滾筒、箱式、沸騰等干燥方法，這些也都需要進行方案比較，因地制宜地選擇一種最佳工程方案。

一個優(yōu)秀的工程設計要在多種方案的比較中才能產(chǎn)生。進行方案比較首先要明確判據(jù)，工程上常用的判據(jù)有產(chǎn)物收率、原材料單耗、能量單耗、產(chǎn)品成本、工程投資等。此外，也要考慮環(huán)保、安全、占地面積等因素。

進行方案比較的基本前提是保持原始信息不變。過程操作參數(shù)如溫度、壓力、流速、流量等原始信息，設計者是不能變更的。設計者只能采用各種工程手段和方法，保證實現(xiàn)工藝規(guī)定的操作參數(shù)。

生產(chǎn)工藝流程設計牽涉面很廣，其目的是把各個生產(chǎn)過程按一定的順序和要求有機地組合起來，進而繪出生產(chǎn)工藝流程圖來知道設備的安裝和指導生產(chǎn)操作。生產(chǎn)工藝流程的設計需要經(jīng)歷生產(chǎn)工藝流程示意圖、生產(chǎn)工藝流程草圖、帶控制點的生產(chǎn)流程圖三個階段。

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