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1、化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)第五节第五节 工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法以反应过程为核心以反应过程为核心, ,以方案比较作决定以方案比较作决定定反应器定反应器: :根据反应过程的特点、产品要求、物料特性、根据反应过程的特点、产品要求、物料特性、基本工艺条件来决定采用反应器
2、类型及决定采用连续操基本工艺条件来决定采用反应器类型及决定采用连续操作，还是间歇性操作。作，还是间歇性操作。 有些产品不适合连续化操作，如同一生产装置生产多品有些产品不适合连续化操作，如同一生产装置生产多品种或多牌号产品时，用间歇操作，更为方便。种或多牌号产品时，用间歇操作，更为方便。2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤1.以反应过程为中心以反应过程为中心化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)物料反应过程是否需外供能量或移出热量，都要在反应装置物料反应过程是否需外供能量或移出热量，都要在反应装置上增加相应的适当措施。上增加相应的适当措施。如果反
3、应需要在催化剂存在下进行，就须考虑催化反应的方如果反应需要在催化剂存在下进行，就须考虑催化反应的方式和催化剂的选择。式和催化剂的选择。一般说确定主反应过程的装置，往往都有文献、资料可供参一般说确定主反应过程的装置，往往都有文献、资料可供参考，或有中试结果。现有工业化装置可以借鉴、参考，因此考，或有中试结果。现有工业化装置可以借鉴、参考，因此并不复杂。并不复杂。2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法 根据反应特点，必
4、然对原料提出要求，如纯度、温度、根据反应特点，必然对原料提出要求，如纯度、温度、压力以及加料方式等。这就应根据需要采取预热（冷）、压力以及加料方式等。这就应根据需要采取预热（冷）、汽化、干燥、粉碎筛分、提纯精制、混合、配制、压缩汽化、干燥、粉碎筛分、提纯精制、混合、配制、压缩等措施。这些操作过程就需要相应的化工单元操作，加等措施。这些操作过程就需要相应的化工单元操作，加以组合。通常不是一台两台设备或简单过程完成的。以组合。通常不是一台两台设备或简单过程完成的。p 原料预处理的化工操作过程是根据原料性质、处理方法原料预处理的化工操作过程是根据原料性质、处理方法而选取不同的装置及不同的输送方式，从
5、而可能设计出而选取不同的装置及不同的输送方式，从而可能设计出不同的流程。不同的流程。2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤(2) 设计原料预处理过程设计原料预处理过程化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)根据反应原料的特性和产品的质量要求，以及反应过程的根据反应原料的特性和产品的质量要求，以及反应过程的特点，实际反应过程可能会出现下列情况特点，实际反应过程可能会出现下列情况: :（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法 除了获得目的产物外，由于存在副反应，还生成了副产除了获得目的产物外，由于存在副反应，还生成了副产物。物。 由于反应时间等
6、条件的限制或受反应平衡的限制，以及由于反应时间等条件的限制或受反应平衡的限制，以及为使反应尽可能完全而有过剩组分。为使反应尽可能完全而有过剩组分。2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤(3)(3)设计产物的后处理过程设计产物的后处理过程化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)原料中含有的杂质往往不是反应需要的，在原料的预原料中含有的杂质往往不是反应需要的，在原料的预处理中并未除净，因而在反应中将会带入产物中，或者处理中并未除净，因而在反应中将会带入产物中，或者杂质参与反应而生成无用且有害的物质。杂质参与反应而生成无用且有害的物质。产物的集聚状态要求
7、，也增加了后处理过程。某些反产物的集聚状态要求，也增加了后处理过程。某些反应过程是多相的，而最终产物是固态的。应过程是多相的，而最终产物是固态的。因此用于产物的净化、分离的化工单元操作过程，往因此用于产物的净化、分离的化工单元操作过程，往往是整个工艺过程中最复杂、最关键的部分往是整个工艺过程中最复杂、最关键的部分. . （一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法(5) (5) 设计未反应原料的循环或利用以及副产物的处理
8、设计未反应原料的循环或利用以及副产物的处理2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤(4) (4) 设计产品的后处理过程设计产品的后处理过程经过前述分离净化后达到合格的目的产品，有些是下一工经过前述分离净化后达到合格的目的产品，有些是下一工序的原料，可加工成其他产品；有些可直接作为商品，往序的原料，可加工成其他产品；有些可直接作为商品，往往还须进行后处理工作，如筛选、包装、灌装、计量、贮往还须进行后处理工作，如筛选、包装、灌装、计量、贮存、输送等过程。存、输送等过程。由于反应不是全部，剩余组分在产物处理中被分离出来，由于反应不是全部，剩余组分在产物处理中被分离出来，一般应循环回到反应设
9、备中继续参与反应。一般应循环回到反应设备中继续参与反应。化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法p 因此在化工开发和工程设计中必须研究和设计治理方案和流因此在化工开发和工程设计中必须研究和设计治理方案和流程，要做到程，要做到“三废三废”治理与环境保护工程、治理与环境保护工程、“三废三废”治理工治理工艺与主产品工艺同时设计、同时施工，而且同时投产运行。艺与主产品工艺同时设计、同时施工，而且同时投产运行。按照国家有关规定，如果污染问题不解决，是不允许投产的。按照国家有关规定，如果污染问题不解决，是不允许投产的。2-5
10、工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤(6) (6) 确定确定“三废三废”排出物的处理措施排出物的处理措施在生产过程中，不得不排放的各种废气、废液和废渣，应尽在生产过程中，不得不排放的各种废气、废液和废渣，应尽量综合利用，变废为宝，加以回收。无法回收的应妥善处理。量综合利用，变废为宝，加以回收。无法回收的应妥善处理。“三废三废”中如含有有害物质，在排放前应该达到排放标准。中如含有有害物质，在排放前应该达到排放标准。化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（二）工艺流程设计的基本方法（二）工艺流程设计的基本方法 在生产工艺流程中必须使用的工艺用水（包括作为
11、原料在生产工艺流程中必须使用的工艺用水（包括作为原料的软水、冷却水、溶剂用水以及洗涤用水等）、蒸汽的软水、冷却水、溶剂用水以及洗涤用水等）、蒸汽（原料用汽、加热用汽、动力用汽及其他用汽等）、压（原料用汽、加热用汽、动力用汽及其他用汽等）、压缩空气、氮气等以及冷冻、真空都是工艺中要考虑的配缩空气、氮气等以及冷冻、真空都是工艺中要考虑的配套设施。套设施。p 至于生产用电、上下水、空调、采暖通气都是应与其他至于生产用电、上下水、空调、采暖通气都是应与其他专业密切配合的专业密切配合的. .2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤(7) (7) 确定公用工程的配套措施确定公用工程的配套措施化工
12、工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法 一个完善的工艺设计除了工艺流程等以外，还应把投产后一个完善的工艺设计除了工艺流程等以外，还应把投产后的操作条件确定下来，这也是设计要求。的操作条件确定下来，这也是设计要求。p 这些条件包括整个流程中各个单元设备的物料流量（投料这些条件包括整个流程中各个单元设备的物料流量（投料量）、组成、温度压力等，并且提出控制方案（与仪表控量）、组成、温度压力等，并且提出控制方案（与仪表控制专业密切配合）以确保能稳定地生产出合格产品来。制专业密切配合）以确保能稳定地生产出合格产品来。2-5工
13、艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤(8) (8) 确定操作条件和控制方案确定操作条件和控制方案化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法 在工艺设计中要考虑到开停车、长期运转和检修过程中可能在工艺设计中要考虑到开停车、长期运转和检修过程中可能存在各种不安全因素，根据生产过程中物料性质和生产特点，存在各种不安全因素，根据生产过程中物料性质和生产特点，在工艺流程和装置中，除设备材质和结构的安全措施外，在在工艺流程和装置中，除设备材质和结构的安全措施外，在流程中应在适宜部位上设置事故槽、安全阀、放空管、安全流程中
14、应在适宜部位上设置事故槽、安全阀、放空管、安全水封、防爆板、阻水栓等以保证安全生产。水封、防爆板、阻水栓等以保证安全生产。2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤(9) (9) 制定切实可靠的安全生产措施制定切实可靠的安全生产措施化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法 这是在工艺流程设计中的最后一项工作，也是施工安装这是在工艺流程设计中的最后一项工作，也是施工安装时最后一道工序。时最后一道工序。p 流程中应根据介质的温度、特性和状态以及周围环境状流程中应根据介质的温度、特性和状态以及周围环境状况决定管
15、道和设备是否需要保温和防腐。况决定管道和设备是否需要保温和防腐。2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤(10) (10) 保温、防腐的设计保温、防腐的设计化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法 一个优秀的工程设计只有在多种方案的比较中才能产生。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明确判据，工程上常用的判据有产物进行方案比较首先要明确判据，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。收率、原材料单耗、能量单耗、产品成本、工程投资等。此外，也要
16、考虑环保、安全、占地面积等因素。此外，也要考虑环保、安全、占地面积等因素。2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤2.2.以方案比较作决定以方案比较作决定化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）工艺流程设计的方法（一）工艺流程设计的方法2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤进行方案比较的基本前提是保持原始信息不变。这里应强进行方案比较的基本前提是保持原始信息不变。这里应强调指出，过程的操作参数如温度、压力、流速、流量等原调指出，过程的操作参数如温度、压力、流速、流量等原始信息，设计者是不能变更的。设计者只能采用各种工程始信息，设计者
17、是不能变更的。设计者只能采用各种工程手段和方法，保证实现工艺规定的操作参数。手段和方法，保证实现工艺规定的操作参数。工业生产中，一个过程往往可以有多种方法来实现，例如工业生产中，一个过程往往可以有多种方法来实现，例如液固混合物的分离，可以用离心、沉降、压缩和真空过滤液固混合物的分离，可以用离心、沉降、压缩和真空过滤等方法；含湿固体的干燥，可以用气流、双锥、滚筒、箱等方法；含湿固体的干燥，可以用气流、双锥、滚筒、箱式、沸腾等干燥方法，这些也都需要进行方案比较，因地式、沸腾等干燥方法，这些也都需要进行方案比较，因地制宜地选择一种最佳工程方案。制宜地选择一种最佳工程方案。 化工工艺设计化工工艺设计(
18、Chemical Process Design)（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤1.1.搜集资料，调查研究搜集资料，调查研究 2.2.确定生产线数目确定生产线数目3.3.确定操作方式确定操作方式4.4.确定主要生产过程确定主要生产过程5.5.确定辅助过程确定辅助过程6.合理确定操作条件合理确定操作条件7.考虑流程的弹性和进行设备设计考虑流程的弹性和进行设备设计8.确定控制系统确定控制系统9.逐步完善和简化所设计的流程逐步完善和简化所设计的流程10.对多种流程设计方案进行比较对多种流程设计方案进行比较,选出最优方案选出最优方案2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤化工
19、工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤p 掌握国内外化工技术经济的资料，仅靠设计人员自己搜掌握国内外化工技术经济的资料，仅靠设计人员自己搜集是不够的，还应取得技术信息部门的配合，有时还要集是不够的，还应取得技术信息部门的配合，有时还要向咨询部门提出咨询。向咨询部门提出咨询。3-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤搜集资料，调查研究搜集资料，调查研究要根据建设项目的产品方案及生产规模，有计划、有目的地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、工搜
20、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种技术路线的发展情况与动向等技术经济资料化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤 大型装置与相同生产能力的数个小型装置相比大型装置与相同生产能力的数个小型装置相比 优点：节约建设投资，占地少，自动化程度高等优点：节约建设投资，占地少，自动化程度高等 缺点：附属设备贵，大都无备用设备，出故障只好停车缺点：附属设备贵，大
21、都无备用设备，出故障只好停车p 因此对于生产规模较大，涉及到是否实施大型化时需仔细因此对于生产规模较大，涉及到是否实施大型化时需仔细分析比较分析比较2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤确定生产线数目确定生产线数目化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤 先抓住全流程的核心先抓住全流程的核心-反应过程反应过程, ,从它入手来逐步建立从它入手来逐步建立与之相应的生产过程与之相应的生产过程 即原料即原料预处理过程预处理过程反应过程反应过程产物后处理产物后处理2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步
22、骤确定操作方式确定操作方式尽量采用连续化操作方式尽量采用连续化操作方式有时也采用间歇与连续联合操作化方式有时也采用间歇与连续联合操作化方式有些过程采用间歇操作反而更有利些，如用蒸馏釜处理有些过程采用间歇操作反而更有利些，如用蒸馏釜处理精馏塔塔釜的高沸点残液精馏塔塔釜的高沸点残液确定主要生产过程确定主要生产过程化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤5 5确定辅助过程确定辅助过程降低能耗降低能耗, ,提高能量利用率的过程提高能量利用率的过程. .如反应热、位能、静压
23、如反应热、位能、静压能等的利用能等的利用三废处理过程三废处理过程为稳定生产而设立的过程为稳定生产而设立的过程( (如缓冲如缓冲、中间贮存中间贮存) )化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design) 如高压反应过程如高压反应过程, ,要求在原料贮罐到反应器间必须设立升要求在原料贮罐到反应器间必须设立升压过程和相应的压缩机压过程和相应的压缩机, ,而在反应器到产品间必须设立减而在反应器到产品间必须设立减压过程和相应的设备压过程和相应的设备 又如确定了反应器内的操作温度和允许波动范围又如确定了反应器内的操作温度和允许波动范围, ,就要相就要相应地设立供热或移热设施及手段应
24、地设立供热或移热设施及手段( (如夹套内泠管等如夹套内泠管等),),同时同时建立自动调剂温度的控制系统建立自动调剂温度的控制系统. .6 6合理确定操作条件合理确定操作条件（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤 即全流程设计要考虑综合生产能力的弹性即全流程设计要考虑综合生产能力的弹性: : 应估计全年生产的不均衡性应估计全年生产的不均衡性, ,个过程间所选设备的操作个过程间所选设备的操作周期及其不均衡性周期及其不均
25、衡性, ,还要考虑因生产管理和外部条件等还要考虑因生产管理和外部条件等因素可能产生负荷的波动因素可能产生负荷的波动, ,这些均通过调研和参加生产这些均通过调研和参加生产实践来确定弹性的适宜幅度实践来确定弹性的适宜幅度. .2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤7 7考虑流程的弹性和进行设备设计考虑流程的弹性和进行设备设计化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)原则上既不超过又不少于设计负荷原则上既不超过又不少于设计负荷, ,并且尽可能使各台设并且尽可能使各台设备的能力一致备的能力一致, ,以避免由于设备能力不平衡而造成浪费以避免由于设备能力不平衡而
26、造成浪费. .在考虑了全装置的弹性和各设备的余度以后在考虑了全装置的弹性和各设备的余度以后, ,就可进行设就可进行设备选型和设计计算了备选型和设计计算了. .（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤对设备的余度的考虑对设备的余度的考虑: :化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤 要根据各过程间是如何连接的、各过程又靠什么操作手段要根据各过程间是如何连接的、各过程又靠什么操作手段来实现的等等来确定它们的控制系统来实现的等等来确定它们的控制系统. . 要考虑
27、正常生产、开停车和检修所需的各个过程的连接方要考虑正常生产、开停车和检修所需的各个过程的连接方法法, ,此外还要增补遗漏的管线此外还要增补遗漏的管线、阀门阀门、过滤密封系统过滤密封系统, ,以及以及采样采样、放净放净、排空排空、连通设施连通设施, ,逐步完善控制系统逐步完善控制系统. .p 注意注意: :在这个过程中在这个过程中, ,与自控专业共同商定控制水平与自控专业共同商定控制水平, ,进而设进而设计全流程的控制系统和仪表系统计全流程的控制系统和仪表系统, ,画在流程图上画在流程图上, ,完成完成PID.PID.2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤8 8确定控制系统确定控制系
28、统化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤9 9逐步完善和简化所设计的流程逐步完善和简化所设计的流程要从各方面着手来逐步完善和简化要从各方面着手来逐步完善和简化考虑到开停车和事故处理等问题考虑到开停车和事故处理等问题, ,因而设置事故贮糟因而设置事故贮糟, ,增加备增加备用设备以利于必要时可以切换使用用设备以利于必要时可以切换使用. .有时需设置自动往聚合设有时需设置自动往聚合设备内加终止剂的装置备内加终止剂的装置. .尽量简化对水汽泠冻系统的要求尽量简化对水汽泠
29、冻系统的要求, ,尽可能采用单一系统尽可能采用单一系统. .当装当装置本身需要用到几种不同压力的蒸汽时置本身需要用到几种不同压力的蒸汽时, ,应当尽可能简化或统应当尽可能简化或统一对蒸汽压力的要求一对蒸汽压力的要求化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（二）工艺流程设计的步骤（二）工艺流程设计的步骤应当尽量从实际可能出发应当尽量从实际可能出发, ,多搞一些流程设计方案多搞一些流程设计方案, ,然后进行然后进行全面的综合比较全面的综合比较, ,从中找出最优的方案作为流程设计的成果从中找出最优的方案作为流程设计的成果. .2-5工艺流程设计方法与步骤工艺流程设计方法与步骤 尽量减少物料循环量尽量减少物料循环量. .在切实可行的基础上采用新技术在切实可行的基础上采用新技术, ,提高单程转化率以及简化流程等等提高单程转化率以及简化流程等等. .1010对多种流程设计方案进行比较对多种流程设计方案进行比较, ,选出最优方案选出最优方案