.,工藝流程設(shè)計,.,工藝流程設(shè)計是化工廠設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，它通過工藝流程圖的形式，形象地反映了化工生產(chǎn)從原料到成品（產(chǎn)品）的整個生產(chǎn)過程，其中包括物料及其理化特性的變化，物料的流向以及生產(chǎn)中所經(jīng)歷的過程和使用的設(shè)備、儀器和儀表。工藝流程設(shè)計工藝流程設(shè)計用圖表示就稱之為“工藝流程圖”可以說：工藝流程圖集中地概括了整個生產(chǎn)過程的全貌。,.,工藝流程設(shè)計是工藝設(shè)計的核心。在整個設(shè)計中，設(shè)備選型、工藝計算、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備布置等工作都與工藝流程有直接關(guān)系。只有流程確定后，其他各項工作才能開展；工藝流程設(shè)計涉及各個方面，而各個方面的變化又反過來影響工藝流程設(shè)計，甚至使流程發(fā)生較大的變化。因此，工藝流程設(shè)計動手最早，而往往不是最早結(jié)束。,.,第一節(jié)生產(chǎn)方法和工藝流程的選擇,針對不同的原料特性和不同的產(chǎn)品（成品）需求，可能存在多種生產(chǎn)方法；同一種生產(chǎn)方法，又存在更多種工藝流程可供選擇。生產(chǎn)方法和工藝流程的選擇是決定整個工藝設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵。,.,在很多情況下，生產(chǎn)同一產(chǎn)品（成品）可以采用不同原料，經(jīng)過不同生產(chǎn)工藝路線而制得；而同一原料，也可采用不同生產(chǎn)工藝路線，制成不同產(chǎn)品（成品）；而且同一生產(chǎn)工藝路線中也可以采用不同的設(shè)備配置。因此生產(chǎn)方法和工藝流程的選擇必須經(jīng)過慎重、精細和科學(xué)的，而且可能是多次反復(fù)的：分析對比論證修訂,.,一、生產(chǎn)方法和工藝流程選擇的原則,在選擇生產(chǎn)方法和工藝流程時，應(yīng)考慮以下幾個大方面的原則。1先進性和科學(xué)性主要指技術(shù)上的先進和經(jīng)濟上的合理可行，具體包括原料特性、產(chǎn)品（成品）品種與規(guī)格、基建投資、產(chǎn)品成本、消耗定額和勞動生產(chǎn)率等方面的內(nèi)容，應(yīng)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。,.,2.可靠性和可發(fā)展性可靠性是指所選擇的生產(chǎn)方法和工藝流程是否成熟可靠。同時必須充分考慮項目的可持續(xù)發(fā)展。如果采用的技術(shù)不成熟，就會影響工廠正常生產(chǎn)，甚至不能投產(chǎn)，造成極大的投資浪費。對于尚在試驗階段的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備應(yīng)慎重對待。應(yīng)堅持一切經(jīng)過試驗的原則，不允許把未來的生產(chǎn)廠當(dāng)作試驗工廠來進行設(shè)計。另外，對生產(chǎn)工藝流程的改革也應(yīng)采取積極而又慎重的態(tài)度，不能有僥幸心理。,.,3適用性和靈活性首先，必須結(jié)合國情。中國是一個發(fā)展中的社會主義國家，在進行工廠設(shè)計時，不能單純從技術(shù)觀點或者科學(xué)觀點考慮問題，應(yīng)從具體情況出發(fā)綜合考慮各種具體問題。其次，必須在針對特定原料和產(chǎn)品（成品）具有良好的適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，具備良好的適應(yīng)性和靈活性。,.,4政策性和規(guī)劃性古人云：“順者昌，逆者亡”“識時務(wù)者俊杰”相關(guān)法律、法令、法規(guī)；國家政策、規(guī)劃、布局；行業(yè)政策、規(guī)劃、布局；地方政策、規(guī)劃、布局。,.,二、生產(chǎn)方法和工藝流程確定的步驟,確定生產(chǎn)方法，選擇工藝流程一般要經(jīng)過三個階段。1搜集資料，調(diào)查研究這是確定生產(chǎn)方法和選擇工藝流程的準(zhǔn)備階段。在此階段，要根據(jù)建設(shè)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(guān)資料，包括技術(shù)路線特點、工藝參數(shù)、原材料和公用工程單耗、產(chǎn)品質(zhì)量、三廢治理以及各種技術(shù)路線的發(fā)展情況與動向等技術(shù)經(jīng)濟資料。,.,具體收集的內(nèi)容主要有以下幾個方面。國內(nèi)外生產(chǎn)情況，各種生產(chǎn)方法及工藝程；原料來源及產(chǎn)品應(yīng)用情況；試驗研究報告、學(xué)術(shù)論文、技術(shù)專利；安全技術(shù)及勞動保護措施；綜合利用及三廢處理；,.,生產(chǎn)技術(shù)是否先進（擬采用生產(chǎn)技術(shù)的水平）；設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和定型化及其制造、運輸情況、自動化程度；基本建設(shè)投資、產(chǎn)品成本、占地面積；水、電、汽、燃料的用量及供應(yīng)，主要基建材料的用量及供應(yīng)；廠址、地質(zhì)、水文、氣象等資料；車間(裝置)環(huán)境與周圍的情況。等等,.,2落實設(shè)備設(shè)備是完成生產(chǎn)過程的重要條件，是確定技術(shù)路線和工藝流程時必然要涉及到的因素。在搜集資料過程中，必須對設(shè)備予以足夠重視。對各種生產(chǎn)方法中所用的設(shè)備，分清國內(nèi)已有定型產(chǎn)品的、需要進口的及國內(nèi)需重新設(shè)計制造的三種類型，并對設(shè)計制造單位的技術(shù)力量、加工條件、材料供應(yīng)及設(shè)計、制造的進度加以了解。,.,3全面對比全面分析對比的內(nèi)容很多，主要比較下列幾項：幾種技術(shù)路線在國內(nèi)外采用的情況及發(fā)展趨勢；產(chǎn)品的質(zhì)量情況；生產(chǎn)能力及產(chǎn)品規(guī)格；原材料、能量消耗情況；,.,建設(shè)費用及產(chǎn)品成本；三廢的產(chǎn)生及治理情況；行業(yè)背景、政策背景等支撐狀況；其他特殊情況。,.,應(yīng)注意的若干具體問題1、連續(xù)化問題2、裝置大型化問題3、化工過程及其設(shè)備的確定問題進料方式,預(yù)熱方式,加熱方式,殘液儲藏排放,塔頂冷凝回流。4、設(shè)備的空間定位問題5、物料輸送方式問題6、產(chǎn)品品種規(guī)格對工藝流程的影響。,.,第二節(jié)流程組織（過程合成）,4.1流程組織概述化工過程的典型流程框圖,.,一流程組織,1原料貯存原料貯存是指保證原料的供應(yīng)與生產(chǎn)的需求相適應(yīng)。在化工生產(chǎn)中，貯存量主要根據(jù)原料的來源、運輸方法、原料的物理化學(xué)性質(zhì)以及運輸所需的時間來決定。,.,2原料預(yù)處理階段：以物理方法為主，但不排除化學(xué)方法。可能要用到一些分離的單元操作?？赡軤可娴健叭龔U”處理?？赡苡懈碑a(chǎn)品產(chǎn)出。他是根據(jù)原料性質(zhì)、處理方法而選擇不同的裝置及不同的輸送方式，從而設(shè)計出不同的流程。,.,3反應(yīng)合成階段：可能是多步反應(yīng)組成的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（多個反應(yīng)器）。多個反應(yīng)器之間可能穿插著分離單元操作。主反應(yīng)過程反應(yīng)裝置的設(shè)計和選擇，是工業(yè)生產(chǎn)過程中的核心部分，也是工藝是否成功的關(guān)鍵所在。因此，在設(shè)計中除可參考借鑒有關(guān)數(shù)據(jù)外，建設(shè)單位必須提供反應(yīng)裝置的完整設(shè)計數(shù)據(jù)。4產(chǎn)物分離階段：可能要用到多種單元操作。重視“三廢”處理技術(shù)問題。重視回收。,.,5產(chǎn)物的后處理過程原因反應(yīng)中存在的副產(chǎn)物需借助于后處理過程分離。分離并合理利用未反應(yīng)的組分。由產(chǎn)物的后處理過程進一步除去雜質(zhì)。產(chǎn)物的集聚狀態(tài)要求，也增加了后處理過程。,.,二、什么是流程組織,1、流程組織的定義權(quán)衡技術(shù)與經(jīng)濟、安全、工程等方面的因素，在過程開發(fā)實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家化工生產(chǎn)過程的實際經(jīng)驗，將某個化工過程的原料準(zhǔn)備、反應(yīng)合成、產(chǎn)物分離三個階段的有關(guān)單元操作有機地組合在一起，形成一個較優(yōu)的工藝流程。2、流程組織的結(jié)果畫出一個詳細的流程草圖（包含所有的工藝流股），并根據(jù)過程開發(fā)實驗的結(jié)果，確定流程中的合適的已知設(shè)計條件。流程組織是化工工藝設(shè)計的“龍頭”。,.,3、流程組織的依據(jù)過程開發(fā)實驗結(jié)果；化工專家的實踐經(jīng)驗。,.,三、流程組織的幾個基本原則,1、重視過程開發(fā)實驗結(jié)果（根本出發(fā)點）；2、盡量確保工程中運用的工藝技術(shù)和設(shè)備的成熟性；3、要考慮工程放大的影響；4、組織流程時，應(yīng)考慮流程的可操作性，盡量增大流程（尤其是關(guān)鍵設(shè)備）的操作彈性；5、重視流程的運行安全問題；6、從經(jīng)濟角度，節(jié)省流程的固定投資，減少流程的操作費用；7、重視副產(chǎn)品回收，同步考慮環(huán)保因素；,.,四、流程組織的具體任務(wù),流程組織的具體任務(wù)1、原料的預(yù)處理；2、反應(yīng)途徑的合成與挑選；3、專用地址分配；4、分離技術(shù)的選擇；5、分離順序的選擇；6、能量集成與管理(熱交換網(wǎng)絡(luò))；,.,1原料路線的選擇：,化學(xué)原料的多元化：原料路線，就是制造產(chǎn)品選用什么作為原料。對于很多產(chǎn)品來說，可以用不同的原料生產(chǎn)相同產(chǎn)品。原料路線在項目決策中的作用：不同的原料路線要求不同的工藝流程，不同的設(shè)備，不同的操作條件，不同的產(chǎn)品精制要求。影響到廠址的選擇。對生態(tài)平衡，環(huán)境保護也有很大影響。,.,原料路線的選擇原則原料來源的可靠性原料數(shù)量和質(zhì)量的穩(wěn)定可靠供應(yīng)是進行生產(chǎn)的基本條件。盡可能選擇當(dāng)?shù)鼗蚋浇脑霞纯纱_保來源，又能減少運輸費用和貨運量。經(jīng)濟型采用不同的原料路線所造成的經(jīng)濟效果，不能單單只看原料本身的價格。資源利用的合理,.,原料預(yù)處理的目的從有利于反應(yīng)的角度提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；提高或控制反應(yīng)速度；提高反應(yīng)的選擇性率，等等。從有利于反應(yīng)后產(chǎn)物分離的角度,.,原料預(yù)處理的幾種通常形式：、原料的預(yù)熱、預(yù)冷、加壓處理；、原料的純度處理；-有時包括色級處理；減輕雜質(zhì)毒化催化劑；聚合度要求等等。、幾種反應(yīng)原料的預(yù)混合處理；、原料的相轉(zhuǎn)換處理；、固體原料的顆粒粒度大小處理；進行組織流程，考慮原料預(yù)處理的方法，要站在全流程角度，從進廠原料現(xiàn)狀、反應(yīng)對原料的要求、反應(yīng)后產(chǎn)物的分離等方面因素綜合考慮。只要技術(shù)可行，經(jīng)濟合理，可以考慮采用一些分離單元操作，甚至化學(xué)手段，來進行原料預(yù)處理。,.,2反應(yīng)途徑的合成,反應(yīng)途徑：從原料到產(chǎn)品的多步反應(yīng)組成的反應(yīng)順序（序列）。反應(yīng)途徑的合成：構(gòu)造從原料到產(chǎn)品的反應(yīng)途徑。挑選反應(yīng)途徑：從AC，化學(xué)家在實驗室發(fā)明提出來多個反應(yīng)途徑，化學(xué)工程師則站在工程實際應(yīng)用的角度，從這些眾多的反應(yīng)途徑中挑選一條或幾條進行工程設(shè)計并投入商業(yè)運行?；瘜W(xué)家：從事反應(yīng)途徑的合成；化學(xué)工程師：挑選反應(yīng)途徑。,.,反應(yīng)途徑的合成與挑選是流程組織的“核心”。其對整個流程生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品成本一般都有決定性的影響。挑選合適的反應(yīng)途徑，是從源頭治理污染的最好方法。,.,那么，作為一個化學(xué)工程師，挑選反應(yīng)途徑時，應(yīng)該考慮哪些因素？,反應(yīng)步驟長短；副反應(yīng)數(shù)量；反應(yīng)速度及轉(zhuǎn)化率、選擇性率等；反應(yīng)條件要求；產(chǎn)物分離難易；環(huán)保、安全、健康情況；投資及成本的高低；產(chǎn)品質(zhì)量情況；原料來源難易；在安全、環(huán)保、健康的前提下，技術(shù)上可行，以經(jīng)濟上合理為最高目標(biāo)來挑選。,.,例如：一氯癸烷（一氯代十烷）工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)途徑挑選問題。有以下三種反應(yīng)途徑可供挑選：1、C10H22Cl2C10H21ClHCl伴隨副反應(yīng)：C10H21ClCl2C10H20Cl2HCl2、C10H20HClC10H21Cl3、C10H21OHHClC10H21ClH2O結(jié)論：從原料成本、來源角度挑選反應(yīng)途徑1來進行工業(yè)生產(chǎn)。,.,專用地址分配（專用地址確定）,流程組織專用地址分配的含義：在流程組織大框架已經(jīng)確定的情況下，對有關(guān)流股的走向、流股之間的配比（流量調(diào)配），以及操作單元的拆分、合并等問題進行綜合的考慮。,.,例：硫燃燒為二氧化硫為了保證燃燒溫度但又要保護噴舌而不能使溫度過高，必須與原料氧一起導(dǎo)入冷的惰性氣體，以稀釋氧氣并帶走熱量。,.,途徑1以空氣為原料直接輸入反應(yīng)器，即以氮氣為惰性氣體，途徑2以二氧化硫為惰性氣體，原料空氣在進入反應(yīng)器前預(yù)處理，分離出氮氣，產(chǎn)品二氧化硫需部分返回作為惰性氣體使用。,.,4分離技術(shù)與分離順序的選擇,分離是化工流程中必不可少的重要組成部分，往往對化工產(chǎn)品的質(zhì)量起關(guān)鍵性的決定作用。在流程組織的反應(yīng)途徑確定后，就必須針對該反應(yīng)途徑產(chǎn)生的混合物（產(chǎn)物、副反應(yīng)產(chǎn)物、未轉(zhuǎn)化完全的關(guān)鍵反應(yīng)物、過量的非關(guān)鍵組份反應(yīng)物、溶劑、催化劑等混合在一起），選擇分離技術(shù)和分離順序?qū)υ摶旌衔镞M行處理。,.,分離操作的目的：1、提高產(chǎn)品（包括副產(chǎn)品）的質(zhì)量；2、回收未反應(yīng)完全的反應(yīng)物（包括溶劑、催化劑等）；3、滿足環(huán)境保護的要求；化工產(chǎn)品的競爭：關(guān)鍵是產(chǎn)品質(zhì)量與成本。,.,關(guān)于分離的單元操作技術(shù)：傳統(tǒng)的包括：精餾、萃取、吸收、吸附、過濾、干燥、離子交換、蒸發(fā)、結(jié)晶、層析、電泳、滲透等等。相繼出現(xiàn)的新分離方法包括：膜分離、離子交換色譜、超臨界萃取等等。,.,分離技術(shù)的發(fā)展趨勢新的單元分離技術(shù)已有單元操作技術(shù)的耦合（如吸附精餾、反應(yīng)結(jié)晶、萃取結(jié)晶、精餾結(jié)晶、膜反應(yīng)等等）,.,在選擇分離技術(shù)手段時，應(yīng)該對一些分離技術(shù)的基本要點有一些認識，這些基本要點包括：利用什么性質(zhì)進行分離；處理能力及純度極限；能耗、分離成本、投資大小,.,針對反應(yīng)完后的混合物分離，其分離技術(shù)的選擇主要原則如下：一、分離技術(shù)的選擇基本原則1、以待處理物系的各組份的性質(zhì)為根本出發(fā)點，來挑選分離技術(shù)。例如：組份之間沸點差大，可考慮精餾；組份之間在某種溶劑中分配系數(shù)相差較大，可考慮萃?。蝗芙舛炔?、熔點差結(jié)晶；對熱穩(wěn)定性差低溫單元操作技術(shù)，等等。2、充分考慮分離過程的投資、成本等經(jīng)濟因素。即使在包含反應(yīng)的完整化工流程中，分離階段的投資也經(jīng)常占到全流程投資的50以上，分離成本經(jīng)常占到產(chǎn)品總成本的30以上。,.,3、根據(jù)待處理物系的處理量和分離純度要求，來挑選合適的分離技術(shù)。例如：離子交換處理能力，4mmol/g干樹脂，其處理摩爾濃度高的物系就可能不經(jīng)濟；傳統(tǒng)的吸收不可能得到高純的單一組份氣體，這是受到吸收分離技術(shù)本身分離極限的限制。注意：對流程中某些中間過程流股的分離，一般采用“得過且過”的原則。可采用一些較“低級”的分離技術(shù)，達到即滿足后續(xù)操作的要求，又可降低分離投資和產(chǎn)品成本的目的。,.,4、盡量采用技術(shù)、設(shè)備上成熟的分離技術(shù)，避免工程風(fēng)險。另外，應(yīng)該看到，對反應(yīng)后的混合物進行分離，通常情況下，只采用單一的某一種分離技術(shù)手段往往滿足不了分離目的。而是采用許多分離技術(shù)的“組合”來完成多組份分離目的。例如，從青霉素發(fā)酵液中，提取青霉素產(chǎn)品，分離流程同時采用了過濾、萃取、吸附脫色、離子交換、反應(yīng)萃取、蒸發(fā)結(jié)晶、干燥等多種分離技術(shù)。以上是所謂挑選分離技術(shù)的幾點基本原則。針對反應(yīng)完畢后混合物的分離，除了選擇分離技術(shù)手段外，還要同步考慮先分誰、后分誰的所謂分離順序問題。這點和分離技術(shù)的選擇也同樣重要。,.,二、分離順序確定的基本原則1、根據(jù)待處理物系的性質(zhì)，一般是容易分離的組份，可考慮先分離。“容易分離”使用傳統(tǒng)的成熟分離技術(shù)與設(shè)備、操作條件不復(fù)雜、分離過程能耗及物耗較低。從分離工程技術(shù)角度，一般而言，組份越多，相應(yīng)的分離難度越大。將容易分離的組份優(yōu)先分離，可減少后續(xù)分離的組份數(shù)目，從而減輕后續(xù)分離的難度。所以，從技術(shù)和經(jīng)濟角度，“容易分離的組份先分”是比較合理的選擇。,.,2、相分離可考慮優(yōu)先進行。固液分離：各種過濾方式；氣液分離：旋風(fēng)過濾、分氣包（塔、罐）方式；液液分離：萃取塔、傾析器、離心機等方式；一般而言