第三節　化工工藝流程設計方法

一、工藝流程設計的內容

工藝流程設計是化工設計中極其重要的環節，它通過工藝流程圖的形式，形象地反映了化工生產由原料輸入到產品輸出的過程，其中包括物料和能量的變化，物料的流向以及生產中所經歷的工藝過程和使用的設備儀表等。它集中概括了整個生產過程的全貌，也是工藝設計的核心。

在整個設計中，設備選型、工藝計算、設備布置等工作都與工藝流程有直接關系。只有工藝流程確定后，其他各項工作才能開展，工藝流程設計涉及各個方面，應及時根據各方面的反饋信息修改原先的工藝流程。因此工藝流程要在設計中不斷修改完善，盡可能使過程在優化條件下操作。

所以在化工設計中工藝流程的設計總是最早開始，最晚結束。一個典型的化工工藝流程一般可由六個單元組成，如圖1-1所示。

1.原料貯存

原料貯存是指保證原料的供應與生產的需求相適應。在化工生產中，貯存量主要根據原料的性質、來源、運輸、相態、安全性等，一般貯存量可為幾天至幾個月。本企業可以自己供應的，除了產品生產處有貯存外，還要有一定裕量作緩沖之用。

2.進料預處理過程

一般來說原料大多不符合要求，需要進行處理。根據反應特點，對原料提出如純度、溫度、壓力以及加料方式等的要求，據此采取預熱（冷）、汽化、干燥、粉碎、篩分、提純、混合、配制、壓縮等操作或加以組合。進料預處理的過程是根據原料性質、處理方法而選取不同的裝置、不同的輸送方式及連接方式，從而設計出多種不同的流程。

3.反應

反應是化工生產過程的核心。將原料按比例配好，送入反應器中，在適當的反應條件下，發生化學變化得到產品。根據反應過程的特點、產品要求、物料特性和基本工藝條件來確定采用的操作條件、反應器類型及采用的生產方式。比如，反應裝置上熱量的供給與移出，反應催化方式和催化劑的選擇等方面，都要圍繞反應過程來考慮。

4.產品的分離

在實際反應過程中，往往會出現一些副產物或不希望得到的雜質。反應結束后，將產品、副產品、雜質與未反應的原料分離，再分別加以利用。如果原料的轉化率低，可將經分離后未反應的原料再循環返回反應器，再次參與反應以提高收率。例如，用氫氣和氮氣合成氨的過程，通過合成塔后，仍會有80%以上的氮氣和氫氣未參與反應，可以循環利用原料氣。

將產物凈化和分離的過程，往往是整個工藝過程中最復雜、最關鍵的部分，有時甚至成為影響整個工藝生產能否順利進行的關鍵環節，是保證產品質量的極為重要的步驟。因此，必須認真考慮如何選擇分離凈化的設備裝置，并確定它們之間的連接方式及操作步驟，以達到預期的凈化效果。

5.精制

分離后的產品要進行精制，成為合格產品以提升其價值。這些合格的產品，有些是下一工序的原料，可進一步加工成其他產品；有些作為商品，通過包裝、灌裝、計量、貯存、輸送等后處理工藝過程直接進入市場流通。同時，如果副產品具有經濟價值，也可以同時精制，作為有價值的產品。

6.貯存和包裝

貯存和包裝過程包括氣體產品的貯藏、裝瓶，液體產品的罐區設置、裝桶，甚至包括槽車的配備，以及固體產品的輸送、包裝和堆放等。液體一般用桶或散裝槽類（如汽車槽車、火車槽車或槽船）容器裝運。固體可用袋形包裝（紙袋、塑料袋）、紙桶、金屬桶等裝運。產品貯存量取決于產品的性質和市場情況。

一個工藝過程除了上述的各單元外，還需要有公用工程（水、電、氣）及其他附屬設施（消防設施、輔助生產設施、辦公室及化驗室等）的配合。

工藝流程表示由原料到成品過程中物料和能量的流向及其變化。工藝流程的設計直接決定產品的質量、產量、成本、生產能力、操作條件等。工藝流程圖是工藝設計的關鍵文件，它表示工藝過程選用設備的排列情況、物流的連接、物流的流量和組成、操作條件、公用工程以及生產過程中的控制方法。流程圖是管道、儀表、設備設計和裝置布置等專業的設計基礎。流程圖也還可用于擬訂操作規程和培訓工人。在裝置開車及以后的運轉過程中，流程圖也是將操作性能與設計進行比較的基礎。

二、工藝流程設計任務和步驟

（一）工藝流程設計的任務

當生產工藝方法選定之后，即可進行流程設計。它是決定整個車間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以下兩個方面：

①確定生產流程中各個生產單元過程的具體內容和組合方式，達到由原料制取產品的目的；

②繪制工藝流程圖，即以流程圖的形式表達生產過程中物料在各單元中的流向，以及物料和能量在這些設備中發生的變化，同時表示設備的大致形式以及管路和自控方式。

為了使設計出來的工藝流程能夠實現優質、高產、低消耗和安全生產，應按步驟逐步解決以下問題。

（1）確定整個流程的組成　工藝流程反映了由原料制得產品的全過程。應確定采用多少單元過程來構成，每個單元過程的具體任務，以及每個單元過程之間的連接方式。

（2）確定每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過程，以及各種設備之間應如何連接，并明確每臺設備的作用和它的主要工藝參數。

（3）確定操作條件　為了使每個過程、每臺設備起到準確的預定作用，應當確定整個生產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。

（4）確定控制方案　為了準確實現并保持各生產工序和每臺設備本身的操作條件，實現各生產過程之間、各設備之間的準確聯系，需要確定準確的控制方案，選用合適的控制儀表。

（5）合理利用原料及能量　計算出整個裝置的技術經濟指標，合理分配各個生產過程的最佳收益，合理做好能量回收與綜合利用，降低能耗，同時確定水、電、蒸汽和燃料的消耗定額。

（6）制定三廢的治理和環保方案　對全流程中所排出的三廢要盡量綜合利用，對于那些無法回收利用，需排放到環境中去的有害物質，要經過凈化處理，達到排放標準后，才能排放，避免對環境產生污染。

（7）制定安全生產措施　對設計出來的化工裝置在開車、停車、正常生產以及檢修過程中，可能存在的不安全因素進行認真分析，按照國家有關規定，制定出切實可靠的安全措施，建立事故應急救援體系。

（二）工藝流程設計步驟

確定工藝流程一般要經過三個階段。

1.搜集資料，調查研究

這是確定工藝流程的準備階段。在此階段，要根據建設項目的生產方案，有計劃、有目的地搜集國內外該生產工藝技術的有關資料，包括技術路線特點、工藝參數、原材料和公用工程單耗、產品質量、三廢治理以及各種技術路線的發展情況與動向等技術經濟資料。掌握第一手資料，并進行比較選擇。

具體搜集的內容主要有以下幾個方面：

①基本建設投資、產品成本和占地面積；

②國內外生產情況、各種生產方法及工藝流程；

③原料來源及產品市場調查；

④設備的選型、制造和運輸情況；

⑤安全技術及勞動保護措施；

⑥綜合利用、節能減排及清潔生產；

⑦環境保護方法及措施；

⑧廠址、地質、水文、氣象等資料；

⑨水、電、氣、燃料的用量及供應；

⑩車間的生產環境。

2.全面分析對比

全面分析對比的內容主要有以下幾項：

①幾種技術路線在國內外采用的情況及發展趨勢；

②產品的質量情況；

③生產能力及產品規格；

④原材料、能量消耗情況；

⑤建設費用及產品成本；

⑥三廢的產生及治理情況；

⑦其他需注意的情況。

3.方案比較

一個優秀的工程設計只有在多種方案的比較中才能產生。進行方案比較首先要選取明確判據，工程上常用的判據有產物收率、原材料單耗、能量單耗、產品成本、工程投資等方面。此外，也要考慮環保、安全、占地面積等因素。

下面用氨合成工藝流程工程實例來闡述“方案比較”這一基本設計方法。

小合成氨廠的工藝流程雖然各不相同，但實現氨合成的幾個基本原則是相同的，受化學平衡的限制，氨的單程合成率很低，因此氨分離后未反應的原料氣返回合成塔循環利用。因而原則流程主要包含有：氨的合成，氨的分離，原料氣的補充、惰性氣體的放空、增壓和循環。氨合成的原則流程如圖1-2所示。

在圖1-2中，經合成塔反應后的出口混合氣進水冷器被水冷卻，從水冷器出來后的氣液混合物進入氨分離器，氣液相在此一級分離。出口混合氣由循環機增壓，經增壓后的氣體進入冷交換器先預冷，然后去氨冷器，用液氨進一步冷卻到更低溫度，使氣體中絕大部分氨氣被冷凝下來，然后去冷交換器二次分離氨和回收冷量，同時補入新鮮氣。經氨補氣增壓后的循環氣體去合成塔再次反應，從而完成一個循環。

在上述一個氨合成循環過程中有：將氫氣和氮氣原料氣補入循環系統；對未反應氣體進行增壓和循環；循環氣預熱和氨合成反應；反應熱回收；氨的分離及惰性氣體放空。工藝流程的設計關鍵在于上述幾個步驟的合理組合。

通過對循環機、放空氣和補充氣的位置進行變化分別設置四種流程，以循環機為參照標準，它們的比較如圖1-3～圖1-6和表1-1所示。

通過比較可以看出流程D更合理些。

通過以上對循環機幾種位置定性和定量的分析，可以看出循環機設在氨冷器后的D方案是一種最佳設計方案。

采取分析對比的方法，根據建設項目的具體要求，對搜集到的資料進行加工整理，提煉出能夠反映本質、突出主要優缺點的數據材料，作為比較的依據，從中選擇先進可靠的工藝技術，綜合不同方案中的優點，在技術路線和工藝流程論證或選擇中，全面衡量，綜合考慮，確定最佳的生產工藝流程和方案。從而使我們設計的化工生產的產品質量、生產成本、經濟效益等主要指標達到比較理想的水平。