第三章 工藝路線

上章回顧思考：可行性研究報告與設計任務書的區(qū)別？第三章工藝路線3.1工藝路線和工藝流程的選擇

3.2工藝路線的確定3.3工藝流程的概念設計工藝路線——通常指生產方法。可用不同原料、不同生產方法、不同工藝流程生產同一產品。化工設計中遇到的大多數(shù)是已有工藝路線的工藝流程設計。3.1工藝路線和工藝流程的選擇工藝流程——按照物料加工順序將物料轉換和能量轉換所需的功能單元有機組合起來，則構成工藝流程。一、工藝路線和工藝流程的選擇原則3.1工藝路線和工藝流程的選擇1.先進性指技術上先進和經濟上合理可行，具體包括基建投資、產品成本、消耗定額和勞動生產率等方面內容，應選擇物料損耗小、循環(huán)量少、能耗少和回收利用好的生產方法。

2.可靠性指所選擇的生產方法和工藝流程是否成熟可靠。對于尚在試驗階段的新技術、新工藝、新設備應慎重對待。3.結合國情——中國是發(fā)展中國家(1)消費水平及各種化工產品的消費趨勢；(2)化工機械設備及電氣儀表的制造能力；(3)化工原材料及設備所用金屬材料供應情況；(4)中國環(huán)境保護的有關規(guī)定和三廢排放情況；(5)勞動就業(yè)與化工生產自動化水平的關系；(6)資金籌措與外匯貯備情況。在生產方法和工藝流程論證中需全面衡量，綜合考慮三項原則

一、工藝路線和工藝流程的選擇原則1.搜集資料，調查研究搜集國內外同類生產廠的相關資料：工藝路線特點、工藝參數(shù)、投資情況、生產運營情況；設備制造的難易程度及維修保養(yǎng)要求；原材料和公用工程單耗、產品質量、三廢治理；安全和勞動保護措施；各種工藝路線的發(fā)展情況與動向等。二、工藝路線和工藝流程確定的步驟2.落實設備二、工藝路線和工藝流程確定的步驟設備類型國內已有定型產品需進口設備需重新設計制造設計制造單位技術力量加工條件材料供應設計、制造進度3.全面分析對比①幾種工藝路線在國內外采用的情況及發(fā)展趨勢；②產品的質量情況；③生產能力及產品規(guī)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其他特殊情況。二、工藝路線和工藝流程確定的步驟3.1工藝路線和工藝流程的選擇目的：以圖的形式反映化工生產從原料到產品的過程，概括了整個生產過程的全貌。意義：是設計的核心，工藝流程設計決定了整個建設的先進性、合理性、總投資等。三、工藝流程設計協(xié)作：工藝流程設計涉及到工藝計算、設備選型及設計、設備布置等，流程圖確定后其他非工藝專業(yè)才能開始工作，而非工藝專業(yè)設計中的變化又會影響到流程圖。工藝流程設計開始最早而結束最晚。任務：工藝流程設計應解決以下問題

（1）確定采用多少工序構成生產全過程，各工序間如何連接（2）各工序具體任務（3）由什么設備來完成該工序任務，設備操作條件（4）控制方案，選擇儀表（5）公用工程及配套措施（6）三廢治理方案（7）安全生產措施（8）不同階段流程圖三、工藝流程設計3.2工藝路線的確定工藝流程組成：原料預處理、反應、分離公用工程（循環(huán)水、電、蒸汽、真空、壓縮空氣）三廢治理（符合排污標準）重點部分輔助部分3.2.1原料路線選擇3.2.2反應路線選擇3.2.3分離路線選擇3.2工藝路線的確定3.2.1原料路線選擇

考慮問題：不同原料路線的主副產品能否滿足需要

原料的當?shù)刭Y源

原料運輸

不同原料路線的工藝流程

不同原料路線的反應條件、收率

原料路線的不同將導致不同的工藝流程、不同的化工設備、不同的操作條件、不同的分離方案、不同的自控條件、不同的安全條件、不同的三廢治理方案、不同的公用工程方案，也就是影響到項目的技術方案和投資、成本、利潤、生態(tài)平衡、環(huán)境保護，對經濟效益、社會效益均有影響。例題合成一氯甲烷，要求純度>99.2%，水分<1000ppm?？捎袃煞N工藝方案：

CH4+Cl2→CH3Cl+HCl

CH3OH+HCl→CH3Cl+H2O選擇原則：原料來源的可靠性，落實供貨渠道

盡可能選擇當?shù)鼗蚋浇?/p>

經濟性，不同原料有不同的經濟效益

資源利用合理①CH4、CH3OH比較：只要當?shù)赜凶銐虻奶烊粴赓Y源，第一方案好些。有天然氣的地方一般有甲醇化工廠，二者來源不成問題，但甲醇價格比天然氣高，天然氣較好。②Cl2、HCl比較：原料來源相似，均由氯堿廠提供。若依靠外運，Cl2是液氯鋼瓶包裝運輸，HCl或鹽酸運輸成本較高，二者相比Cl2方案好些。③但生產中第一方案中副產物較多：有CH2Cl2、CHCl3、CCl4，通過控制CH4與Cl2的比例適當降低CHCl3、CCl4的含量，但CH2Cl2量較大且與目的產物分離困難。第二方案產物單一，分離簡便，產品純凈。最終選擇方案二。3.2.2反應路線選擇

將原料加工為產品時，反應是最關鍵的步驟。反應路線決定了生產方法、工藝流程、工藝設備、技術方案等，要在各種可能的工藝路線中經過分析比較，確定一條效果最好的路線。工藝技術路線的選擇影響到投資、成本、質量、勞動條件、環(huán)保，因而決定了經濟效益。例題方案2：以CH3OH、HCl為原料的合成路線，反應方式有以下幾種：①CH3OH(l)+HCl(l)→(催化劑溶液)(釜式反應器)液-液反應

原料處理簡單、反應條件溫和、勞動生產率低、自控程度低②CH3OH(g)+HCl(l)→(催化劑溶液)(釜式反應器)半液-液反應

原料CH3OH需增加汽化裝置③CH3OH(g)+HCl(g)→(催化劑溶液)(釜式反應器)氣-液反應原料CH3OH汽化裝置，HCl原料處理裝置，反應器要求提高，設備利用率高，材料消耗下降，自控水平提高④CH3OH(g)+HCl(g)→(固體催化劑表面)(固定床反應器)氣-固反應原料CH3OH汽化裝置，HCl原料處理裝置，反應器要求提高，技術不太成熟，單程轉化率低，增加催化劑回收工序反應路線選擇原則（1）可靠性

生產工藝是否成熟，對新技術、新工藝應慎重，應流程順暢、生產安全、工藝穩(wěn)定、指標穩(wěn)定。（2）先進性剛剛工業(yè)化的技術，指標先進不成熟，有一定風險。處于成長期的技術，成功把握較大，一段時間有效益，穩(wěn)定，最理想。處于成熟期的技術，可靠但不先進，新技術開發(fā)應用構成威脅，盡快建設盡快回收投資處于衰退期的技術，不宜采用。（3）適用性

當時當?shù)貙υ摷夹g的接受能力，該技術與相關技術體系匹配程度，與我國國情有關（4）經濟性投產后可否取得良好的經濟效益，自身的經濟承受能力最終選擇第三種合成方案。3.2.3分離路線選擇

一般化工生產多為一步反應多步分離，混合物之所以能夠被分離是因為有性質的差異。分離過程遵循的經驗法則：如產物中夾帶粉塵，一般往往率先采取措施除去未反應的原材料，盡早設法回收利用固體產物的脫水，一般放在最后一步液相產物混合物，通常最后精餾分離如夾帶雜質中有酸霧、HCl、SO3等酸性氣體，應盡早除去，以減少對后續(xù)裝置的腐蝕有毒的、量大的雜質先除去分離方法：如沉降、過濾、蒸發(fā)、吸收、冷凍、精餾、干燥、洗滌、萃取、結晶等。利用何種方法，如何組合分離順序，一般是以實踐經驗為主，參照有關工藝流程的文獻，以保證質量、方便、節(jié)省設備為原則。例題合成一氯甲烷反應：要求產物純度>99.2%，水分<1000ppm，因此對產物必須分離凈化。

首先分析產物成分。

然后依據(jù)分離經驗原則，確定分離成分的順序。根據(jù)產物物理化學性質（尤其注意沸點、熔點等物理性質），確定分離方案。依據(jù)所學化工知識，確定分離的單元操作和分離設備。產物成分：反應釜中有目的產物CH3Cl未反應的原料CH3OH、HCl副產物H2O、CH3OCH3

催化劑ZnCl2水溶液

分離順序：①催化劑ZnCl2水溶液可循環(huán)使用，應首先將其他成分與催化劑分離②其余成分中，CH3OH是原料應盡早回收利用③其余成分中，HCl是酸性氣體應盡早除去④其余成分中，H2O應在最后處理分離方案①催化劑ZnCl2水溶液與其他成分的分離分析：以上成分中，CH3Cl、CH3OH、HCl、H2O、CH3OCH3沸點較低，升溫可蒸出反應釜中，ZnCl2是無機鹽，可留在釜中。結論：加熱蒸發(fā)，將其余成分CH3Cl、CH3OH、HCl、H2O、CH3OCH3蒸出反應釜。注意：ZnCl2水溶液應保持一定濃度，水分蒸出不可太多。單元操作設備：帶夾套的反應釜②蒸出產物中CH3OH的分離與回收利用分析：升溫蒸出反應釜的產物有HCl(tb=?84.8℃)、CH3OCH3(tb=?24.9℃)、CH3Cl(tb=?24.2℃)、CH3OH(tb=68℃)、H2O(tb=100℃)可以看出CH3Cl與CH3OH、H2O有較大沸點差，產物蒸出后再采用降溫冷凝的方法，可將CH3OH、H2O冷凝后分離出。結論：降溫冷凝，將高沸點的CH3OH、H2O冷凝后分離，其余低沸點成分繼續(xù)保持氣相。

注意：CH3OH是原料，冷凝后可直接返回反應釜中，H2O為保證催化劑濃度也可直接返回反應釜中，較少中間操作和設備。而且冷凝器的冷卻劑溫度在循環(huán)水的范圍內，對于節(jié)能較為合理。單元操作設備：冷凝器③蒸出產物中酸性氣體HCl的去除分析：剩余產物為CH3Cl、HCl、CH3OCH3、CH3OH(少許)、H2O(少許)，HCl的去除可考慮采用吸收操作。吸收分為水吸收和堿液吸收，用水吸收可生成副產物鹽酸稀溶液自用或賣掉，同時水吸收時也將剩余的CH3OH吸收干凈。堿液吸收可完全去除HCl。結論：采用吸收操作分離HCl注意：水吸收會將新成分水帶入其余產物中，但因為原成分中就有水，再帶入新成分水無影響。單元操作設備：水吸收塔串連堿吸收塔④蒸出產物中H2O應在最后處理分析：剩余產物為CH3Cl、CH3OCH3、H2O(少許)，H2O應在最后處理，應先將CH3OCH3去除，將目的產物CH3Cl與H2O留下。根據(jù)CH3OCH3性質可考慮用濃硫酸吸收，同時濃硫酸吸收時也將吸收部分H2O。

結論：采用濃硫酸吸收分離CH3OCH3

單元操作設備：常壓吸收塔⑤蒸出產物中H2O的去除分析：剩余產物為CH3Cl、H2O，水的去除可以考慮各種方法，如使用干燥劑固體NaOH、無水CaCl2、硅膠、分子篩，采用氣固相吸附分離不會有新成分帶入產物中，或采用冷凍干燥等，這樣可得到產品CH3Cl。結論：氣固相吸附分離H2O

單元操作設備：串連吸附塔

化工產品生產的技術方案或工藝路線的確定，主要考慮的因素有：（1）技術上可行；（2）經濟上合理；（3）原料的純度及來源；（4）公用工程中的水源及電力供應；（5）環(huán)境保護；（6）安全生產；（7）國家有關的政策及法規(guī)。若以上各因素中任意一項未達規(guī)定要求，均可否決此項目的建設，因此對每一因素均要仔細進行評審，以免造成重大損失，這是建設單位及設計單位必須慎重考慮的。根據(jù)以上原則確立工藝路線，再進行工藝流程設計。工藝流程設計是逐步深化的過程，先由框圖，逐步完成工業(yè)生產的實際流程圖。在確立了工藝路線之后，就可以委托設計部門進行設計。3.3工藝流程的概念設計

工藝流程設計一般是圍繞反應進行的，反應之前需要原料儲存、預處理，反應之后需要產物分離、精制，一般流程設計可因此分為三大塊，六個單元組成。原料→原料儲存→原料預處理→反應→分離→精制→儲存包裝→產品三廢治理和公用工程（水、電、氣、冷凍）的配套。3.3工藝流程的概念設計3.3.1工藝路線流程化3.3.2工藝流程的進一步豐富和完善3.3.3工藝流程的簡化3.3.4工藝流程草圖3.3.1工藝路線流程化

任務：將上述三大塊進行詳細研究，確定各步所需單元操作，單元操作的具體設備，以保證產品的產量和質量，這樣就將工藝過程具體化了，稱為工藝路線的流程化，這是概念設計的中心。原料路線最終選擇為2：CH3OH+HCl→CH3Cl+H2O反應路線最終選擇為3：CH3OH(g)+HCl(g)→(氣-液反應，135℃）分離路線最終選擇為：加熱蒸發(fā)、冷凝、水吸收、堿吸收、濃硫酸吸收、吸附1．首先確定主反應過程工藝流程設計一般是圍繞反應進行。工藝流程設計應確定兩個原則：生產方式——連續(xù)操作或間歇操作

設備型式

——確定單元操作的具體設備分析：CHCl3是大宗化工產品，產量較大，采用連續(xù)生產方式。注意：一個流程中可部分連續(xù)部分間歇。氣液反應可采用較為簡單的釜式反應器（化工部有標準）；氣相進料在液相中反應，可采用鼓泡式反應器，不需攪拌；反應溫度135℃，釜式反應器應帶夾套，加熱源可采用低壓蒸汽；反應溫度不高、壓力不高，原料HCl有腐蝕性，可采用搪玻璃釜式反應器。2．原料預處理主反應確定后，必然對原料及加入方式提出要求，如預熱、汽化、干燥、混合、計量配比等，也需要相應的單元操作和具體設備，原料預處理是根據(jù)具體工藝選擇不同的流程、設備、生產方式等。分析：①進入反應器的反應原料CH3OH、HCl均為氣體，而買來的原料鹽酸溶液、甲醇均為液體。因此要有相應的汽化裝置，甲醇可采用汽化器，汽化時可采用蒸汽加熱。鹽酸溶液可采用HCl汽提塔，采用蒸汽加熱。②催化劑應保持一定濃度。原料加入應盡量不含水，甲醇不存在問題，原料純度應為99％；鹽酸溶液采用汽提塔產生HCl氣體，汽提塔夾帶大量水，HCl氣體應先除水再進料，因此汽提塔后需設置一個干燥塔。③反應原料應計量。反應中為保證某原料反應完全，一般會使一個原料過量，但應有嚴格的比例。所以應有計量裝置，本項目進料均為氣體，可采用質量流量計計量，原料比為CH3OH：HCl=1：1~1.05(mol)。④原料氣為混合氣進入反應釜，需設氣體混合器。⑤甲醇沸點較高，為防止加料過程冷凝，甲醇汽化后的運輸?shù)妊b置應保溫。工藝流程用框圖表示：

濃鹽酸→儲槽→HCl汽提塔→干燥塔

氣柜→計量↓甲醇→儲槽→計量槽→汽化器→計量→噴嘴→混合器→

反應釜3．產物分離精制工藝路線確定中，產物分離順序已大致確定，但產物分離所用的單元操作和設備眾多，需要具體確定，這是工藝設計中較繁雜的工作，需有豐富的知識和實踐經驗。根據(jù)上面確定的分離方案，用框圖表示為

↓水

↓堿液

↓濃硫酸冷凝器→水洗塔→堿洗塔→濃硫酸吸收塔分子篩塔硅膠塔固堿塔

反應釜

其中水洗塔產生的廢水，含有少量HCl和CH3OH，作為廢水排放應符合國家標準。

↓水

堿液↓

↓濃硫酸冷凝器→水洗塔→堿洗塔→濃硫酸吸收塔→固堿塔→硅膠塔→分子篩塔含酸廢水↓廢堿液↓

反應釜中和池

↓

稀釋池

↓

排放

產品鋼瓶冷凝器壓縮機

生產過程產生的三廢，在處理適應綜合治理、三廢收集、處理、運輸中避免造成二次污染。本例中水洗塔的含酸廢水可與堿洗塔的廢堿液中和、稀釋，然后排放。4．三廢治理5．公用工程配套動力電、循環(huán)水、加熱系統(tǒng)（蒸汽、導熱油、電加熱、融鹽、煙道氣）、壓縮空氣、冷凍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氮氣等。3.3.2工藝流程的進一步豐富和完善以上所作工作雖多，但工藝設備很粗糙，還需加以充實、完善，在設計中以下問題還需考慮：①物料輸送設備：原料輸送進廠區(qū)、設備中的輸送方式，流程中物料中轉、儲存設備，廢水排放裝置；②溶劑和未反應原料的回收流程：溶劑和未反應的原料（有些轉化率較低）有相應的回收流程；③節(jié)能降耗：注意物料流向，可利用位差進出料，注意熱能綜合利用。④操作彈性：考慮設備的配套、時間平衡，使操作富有彈性；⑤三廢綜合治理⑥開、停車、事故處理等應急措施，分析取樣點設置，防火防爆。⑦生產控制方案：確定控制水平，全自動、半自動、手動等，具體控制措施。3.3.2工藝流程的進一步豐富和完善3.3.3工藝流程的簡化工藝流程概念設計完成后，需反復比較、計算、改進，這最能體現(xiàn)設計者的能力和水平。將以上流程進一步簡化，可節(jié)省設備投資、管理維修費用等，因此一般流程應盡可能簡化。

①以上流程中，產品分離精制有水洗、堿洗、濃硫酸干燥、硅膠、固堿、分子篩等方法，將以上繁雜工藝簡化很有意義。將除水流程改為冷凍除水+分子篩，可滿足除水、CH3OH、CH3OCH3的工藝條件，簡化干燥過程。將堿洗除去HCl改為冷凍堿洗，即可完全去除HCl又可與冷凍除水并為一個操作，節(jié)省設備。

↓水冷凝器→水洗塔→冷凍堿洗塔→分子篩→壓縮機→冷凝器→鋼瓶→產品↑↓

↓廢水反應釜

為控制水洗塔的含酸廢水量，可設計一個帶再沸器的HCl吸收塔，生產副產物稀鹽酸。②原料預處理的混合，可簡化為兩股氣體計量后直