第三节　化工工艺流程设计方法

一、工艺流程设计的内容

工艺流程设计是化工设计中极其重要的环节，它通过工艺流程图的形式，形象地反映了化工生产由原料输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等。它集中概括了整个生产过程的全貌，也是工艺设计的核心。

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。只有工艺流程确定后，其他各项工作才能开展，工艺流程设计涉及各个方面，应及时根据各方面的反馈信息修改原先的工艺流程。因此工艺流程要在设计中不断修改完善，尽可能使过程在优化条件下操作。

所以在化工设计中工艺流程的设计总是最早开始，最晚结束。一个典型的化工工艺流程一般可由六个单元组成，如图1-1所示。

1.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性质、来源、运输、相态、安全性等，一般贮存量可为几天至几个月。本企业可以自己供应的，除了产品生产处有贮存外，还要有一定裕量作缓冲之用。

2.进料预处理过程

一般来说原料大多不符合要求，需要进行处理。根据反应特点，对原料提出如纯度、温度、压力以及加料方式等的要求，据此采取预热（冷）、汽化、干燥、粉碎、筛分、提纯、混合、配制、压缩等操作或加以组合。进料预处理的过程是根据原料性质、处理方法而选取不同的装置、不同的输送方式及连接方式，从而设计出多种不同的流程。

3.反应

反应是化工生产过程的核心。将原料按比例配好，送入反应器中，在适当的反应条件下，发生化学变化得到产品。根据反应过程的特点、产品要求、物料特性和基本工艺条件来确定采用的操作条件、反应器类型及采用的生产方式。比如，反应装置上热量的供给与移出，反应催化方式和催化剂的选择等方面，都要围绕反应过程来考虑。

4.产品的分离

在实际反应过程中，往往会出现一些副产物或不希望得到的杂质。反应结束后，将产品、副产品、杂质与未反应的原料分离，再分别加以利用。如果原料的转化率低，可将经分离后未反应的原料再循环返回反应器，再次参与反应以提高收率。例如，用氢气和氮气合成氨的过程，通过合成塔后，仍会有80%以上的氮气和氢气未参与反应，可以循环利用原料气。

将产物净化和分离的过程，往往是整个工艺过程中最复杂、最关键的部分，有时甚至成为影响整个工艺生产能否顺利进行的关键环节，是保证产品质量的极为重要的步骤。因此，必须认真考虑如何选择分离净化的设备装置，并确定它们之间的连接方式及操作步骤，以达到预期的净化效果。

5.精制

分离后的产品要进行精制，成为合格产品以提升其价值。这些合格的产品，有些是下一工序的原料，可进一步加工成其他产品；有些作为商品，通过包装、灌装、计量、贮存、输送等后处理工艺过程直接进入市场流通。同时，如果副产品具有经济价值，也可以同时精制，作为有价值的产品。

6.贮存和包装

贮存和包装过程包括气体产品的贮藏、装瓶，液体产品的罐区设置、装桶，甚至包括槽车的配备，以及固体产品的输送、包装和堆放等。液体一般用桶或散装槽类（如汽车槽车、火车槽车或槽船）容器装运。固体可用袋形包装（纸袋、塑料袋）、纸桶、金属桶等装运。产品贮存量取决于产品的性质和市场情况。

一个工艺过程除了上述的各单元外，还需要有公用工程（水、电、气）及其他附属设施（消防设施、辅助生产设施、办公室及化验室等）的配合。

工艺流程表示由原料到成品过程中物料和能量的流向及其变化。工艺流程的设计直接决定产品的质量、产量、成本、生产能力、操作条件等。工艺流程图是工艺设计的关键文件，它表示工艺过程选用设备的排列情况、物流的连接、物流的流量和组成、操作条件、公用工程以及生产过程中的控制方法。流程图是管道、仪表、设备设计和装置布置等专业的设计基础。流程图也还可用于拟订操作规程和培训工人。在装置开车及以后的运转过程中，流程图也是将操作性能与设计进行比较的基础。

二、工艺流程设计任务和步骤

（一）工艺流程设计的任务

当生产工艺方法选定之后，即可进行流程设计。它是决定整个车间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以下两个方面：

①确定生产流程中各个生产单元过程的具体内容和组合方式，达到由原料制取产品的目的；

②绘制工艺流程图，即以流程图的形式表达生产过程中物料在各单元中的流向，以及物料和能量在这些设备中发生的变化，同时表示设备的大致形式以及管路和自控方式。

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。应确定采用多少单元过程来构成，每个单元过程的具体任务，以及每个单元过程之间的连接方式。

（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，并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、每台设备起到准确的预定作用，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）确定控制方案　为了准确实现并保持各生产工序和每台设备本身的操作条件，实现各生产过程之间、各设备之间的准确联系，需要确定准确的控制方案，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，合理分配各个生产过程的最佳收益，合理做好能量回收与综合利用，降低能耗，同时确定水、电、蒸汽和燃料的消耗定额。

（6）制定三废的治理和环保方案　对全流程中所排出的三废要尽量综合利用，对于那些无法回收利用，需排放到环境中去的有害物质，要经过净化处理，达到排放标准后，才能排放，避免对环境产生污染。

（7）制定安全生产措施　对设计出来的化工装置在开车、停车、正常生产以及检修过程中，可能存在的不安全因素进行认真分析，按照国家有关规定，制定出切实可靠的安全措施，建立事故应急救援体系。

（二）工艺流程设计步骤

确定工艺流程一般要经过三个阶段。

1.搜集资料，调查研究

这是确定工艺流程的准备阶段。在此阶段，要根据建设项目的生产方案，有计划、有目的地搜集国内外该生产工艺技术的有关资料，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。掌握第一手资料，并进行比较选择。

具体搜集的内容主要有以下几个方面：

①基本建设投资、产品成本和占地面积；

②国内外生产情况、各种生产方法及工艺流程；

③原料来源及产品市场调查；

④设备的选型、制造和运输情况；

⑤安全技术及劳动保护措施；

⑥综合利用、节能减排及清洁生产；

⑦环境保护方法及措施；

⑧厂址、地质、水文、气象等资料；

⑨水、电、气、燃料的用量及供应；

⑩车间的生产环境。

2.全面分析对比

全面分析对比的内容主要有以下几项：

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其他需注意的情况。

3.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选取明确判据，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、工程投资等方面。此外，也要考虑环保、安全、占地面积等因素。

下面用氨合成工艺流程工程实例来阐述“方案比较”这一基本设计方法。

小合成氨厂的工艺流程虽然各不相同，但实现氨合成的几个基本原则是相同的，受化学平衡的限制，氨的单程合成率很低，因此氨分离后未反应的原料气返回合成塔循环利用。因而原则流程主要包含有：氨的合成，氨的分离，原料气的补充、惰性气体的放空、增压和循环。氨合成的原则流程如图1-2所示。

在图1-2中，经合成塔反应后的出口混合气进水冷器被水冷却，从水冷器出来后的气液混合物进入氨分离器，气液相在此一级分离。出口混合气由循环机增压，经增压后的气体进入冷交换器先预冷，然后去氨冷器，用液氨进一步冷却到更低温度，使气体中绝大部分氨气被冷凝下来，然后去冷交换器二次分离氨和回收冷量，同时补入新鲜气。经氨补气增压后的循环气体去合成塔再次反应，从而完成一个循环。

在上述一个氨合成循环过程中有：将氢气和氮气原料气补入循环系统；对未反应气体进行增压和循环；循环气预热和氨合成反应；反应热回收；氨的分离及惰性气体放空。工艺流程的设计关键在于上述几个步骤的合理组合。

通过对循环机、放空气和补充气的位置进行变化分别设置四种流程，以循环机为参照标准，它们的比较如图1-3～图1-6和表1-1所示。

通过比较可以看出流程D更合理些。

通过以上对循环机几种位置定性和定量的分析，可以看出循环机设在氨冷器后的D方案是一种最佳设计方案。

采取分析对比的方法，根据建设项目的具体要求，对搜集到的资料进行加工整理，提炼出能够反映本质、突出主要优缺点的数据材料，作为比较的依据，从中选择先进可靠的工艺技术，综合不同方案中的优点，在技术路线和工艺流程论证或选择中，全面衡量，综合考虑，确定最佳的生产工艺流程和方案。从而使我们设计的化工生产的产品质量、生产成本、经济效益等主要指标达到比较理想的水平。