第三章 工藝路線

上章回顧思考：可行性研究報告與設(shè)計任務(wù)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(shè)計工藝路線——通常指生產(chǎn)方法?？捎貌煌稀⒉煌a(chǎn)方法、不同工藝流程生產(chǎn)同一產(chǎn)品。化工設(shè)計中遇到的大多數(shù)是已有工藝路線的工藝流程設(shè)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?qū)⑽锪限D(zhuǎn)換和能量轉(zhuǎn)換所需的功能單元有機(jī)組合起來，則構(gòu)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(jìn)性指技術(shù)上先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)上合理可行，具體包括基建投資、產(chǎn)品成本、消耗定額和勞動生產(chǎn)率等方面內(nèi)容，應(yīng)選擇物料損耗小、循環(huán)量少、能耗少和回收利用好的生產(chǎn)方法。

2.可靠性指所選擇的生產(chǎn)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(shù)、新工藝、新設(shè)備應(yīng)慎重對待。3.結(jié)合國情——中國是發(fā)展中國家(1)消費水平及各種化工產(chǎn)品的消費趨勢；(2)化工機(jī)械設(shè)備及電氣儀表的制造能力；(3)化工原材料及設(shè)備所用金屬材料供應(yīng)情況；(4)中國環(huán)境保護(hù)的有關(guān)規(guī)定和三廢排放情況；(5)勞動就業(yè)與化工生產(chǎn)自動化水平的關(guān)系；(6)資金籌措與外匯貯備情況。在生產(chǎn)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(diào)查研究搜集國內(nèi)外同類生產(chǎn)廠的相關(guān)資料：工藝路線特點、工藝參數(shù)、投資情況、生產(chǎn)運營情況；設(shè)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(chǎn)品質(zhì)量、三廢治理；安全和勞動保護(hù)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(shè)備二、工藝路線和工藝流程確定的步驟設(shè)備類型國內(nèi)已有定型產(chǎn)品需進(jìn)口設(shè)備需重新設(shè)計制造設(shè)計制造單位技術(shù)力量加工條件材料供應(yīng)設(shè)計、制造進(jìn)度3.全面分析對比①幾種工藝路線在國內(nèi)外采用的情況及發(fā)展趨勢；②產(chǎn)品的質(zhì)量情況；③生產(chǎn)能力及產(chǎn)品規(guī)格；④原材料、能量消耗情況；⑤建設(shè)費用及產(chǎn)品成本；⑥三廢的產(chǎn)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(chǎn)從原料到產(chǎn)品的過程，概括了整個生產(chǎn)過程的全貌。意義：是設(shè)計的核心，工藝流程設(shè)計決定了整個建設(shè)的先進(jìn)性、合理性、總投資等。三、工藝流程設(shè)計協(xié)作：工藝流程設(shè)計涉及到工藝計算、設(shè)備選型及設(shè)計、設(shè)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(shè)計中的變化又會影響到流程圖。工藝流程設(shè)計開始最早而結(jié)束最晚。任務(wù)：工藝流程設(shè)計應(yīng)解決以下問題

（1）確定采用多少工序構(gòu)成生產(chǎn)全過程，各工序間如何連接（2）各工序具體任務(wù)（3）由什么設(shè)備來完成該工序任務(wù)，設(shè)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(chǎn)措施（8）不同階段流程圖三、工藝流程設(shè)計3.2工藝路線的確定工藝流程組成：原料預(yù)處理、反應(yīng)、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(biāo)準(zhǔn)）重點部分輔助部分3.2.1原料路線選擇3.2.2反應(yīng)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(chǎn)品能否滿足需要

原料的當(dāng)?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(yīng)條件、收率

原料路線的不同將導(dǎo)致不同的工藝流程、不同的化工設(shè)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(shù)方案和投資、成本、利潤、生態(tài)平衡、環(huán)境保護(hù)，對經(jīng)濟(jì)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。可有兩種工藝方案：

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(dāng)?shù)鼗蚋浇?/p>

經(jīng)濟(jì)性，不同原料有不同的經(jīng)濟(jì)效益

資源利用合理①CH4、CH3OH比較：只要當(dāng)?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(chǎn)中第一方案中副產(chǎn)物較多：有CH2Cl2、CHCl3、CCl4，通過控制CH4與Cl2的比例適當(dāng)降低CHCl3、CCl4的含量，但CH2Cl2量較大且與目的產(chǎn)物分離困難。第二方案產(chǎn)物單一，分離簡便，產(chǎn)品純凈。最終選擇方案二。3.2.2反應(yīng)路線選擇

將原料加工為產(chǎn)品時，反應(yīng)是最關(guān)鍵的步驟。反應(yīng)路線決定了生產(chǎn)方法、工藝流程、工藝設(shè)備、技術(shù)方案等，要在各種可能的工藝路線中經(jīng)過分析比較，確定一條效果最好的路線。工藝技術(shù)路線的選擇影響到投資、成本、質(zhì)量、勞動條件、環(huán)保，因而決定了經(jīng)濟(jì)效益。例題方案2：以CH3OH、HCl為原料的合成路線，反應(yīng)方式有以下幾種：①CH3OH(l)+HCl(l)→(催化劑溶液)(釜式反應(yīng)器)液-液反應(yīng)

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

原料CH3OH需增加汽化裝置③CH3OH(g)+HCl(g)→(催化劑溶液)(釜式反應(yīng)器)氣-液反應(yīng)原料CH3OH汽化裝置，HCl原料處理裝置，反應(yīng)器要求提高，設(shè)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(yīng)器)氣-固反應(yīng)原料CH3OH汽化裝置，HCl原料處理裝置，反應(yīng)器要求提高，技術(shù)不太成熟，單程轉(zhuǎn)化率低，增加催化劑回收工序反應(yīng)路線選擇原則（1）可靠性

生產(chǎn)工藝是否成熟，對新技術(shù)、新工藝應(yīng)慎重，應(yīng)流程順暢、生產(chǎn)安全、工藝穩(wěn)定、指標(biāo)穩(wěn)定。（2）先進(jìn)性剛剛工業(yè)化的技術(shù)，指標(biāo)先進(jìn)不成熟，有一定風(fēng)險。處于成長期的技術(shù)，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(shù)，可靠但不先進(jìn)，新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用構(gòu)成威脅，盡快建設(shè)盡快回收投資處于衰退期的技術(shù)，不宜采用。（3）適用性

當(dāng)時當(dāng)?shù)貙υ摷夹g(shù)的接受能力，該技術(shù)與相關(guān)技術(shù)體系匹配程度，與我國國情有關(guān)（4）經(jīng)濟(jì)性投產(chǎn)后可否取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，自身的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)多為一步反應(yīng)多步分離，混合物之所以能夠被分離是因為有性質(zhì)的差異。分離過程遵循的經(jīng)驗法則：如產(chǎn)物中夾帶粉塵，一般往往率先采取措施除去未反應(yīng)的原材料，盡早設(shè)法回收利用固體產(chǎn)物的脫水，一般放在最后一步液相產(chǎn)物混合物，通常最后精餾分離如夾帶雜質(zhì)中有酸霧、HCl、SO3等酸性氣體，應(yīng)盡早除去，以減少對后續(xù)裝置的腐蝕有毒的、量大的雜質(zhì)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(jié)晶等。利用何種方法，如何組合分離順序，一般是以實踐經(jīng)驗為主，參照有關(guān)工藝流程的文獻(xiàn)，以保證質(zhì)量、方便、節(jié)省設(shè)備為原則。例題合成一氯甲烷反應(yīng)：要求產(chǎn)物純度>99.2%，水分<1000ppm，因此對產(chǎn)物必須分離凈化。

首先分析產(chǎn)物成分。

然后依據(jù)分離經(jīng)驗原則，確定分離成分的順序。根據(jù)產(chǎn)物物理化學(xué)性質(zhì)（尤其注意沸點、熔點等物理性質(zhì)），確定分離方案。依據(jù)所學(xué)化工知識，確定分離的單元操作和分離設(shè)備。產(chǎn)物成分：反應(yīng)釜中有目的產(chǎn)物CH3Cl未反應(yīng)的原料CH3OH、HCl副產(chǎn)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(yīng)首先將其他成分與催化劑分離②其余成分中，CH3OH是原料應(yīng)盡早回收利用③其余成分中，HCl是酸性氣體應(yīng)盡早除去④其余成分中，H2O應(yīng)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(yīng)釜中，ZnCl2是無機(jī)鹽，可留在釜中。結(jié)論：加熱蒸發(fā)，將其余成分CH3Cl、CH3OH、HCl、H2O、CH3OCH3蒸出反應(yīng)釜。注意：ZnCl2水溶液應(yīng)保持一定濃度，水分蒸出不可太多。單元操作設(shè)備：帶夾套的反應(yīng)釜②蒸出產(chǎn)物中CH3OH的分離與回收利用分析：升溫蒸出反應(yīng)釜的產(chǎn)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(chǎn)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(jié)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(yīng)釜中，H2O為保證催化劑濃度也可直接返回反應(yīng)釜中，較少中間操作和設(shè)備。而且冷凝器的冷卻劑溫度在循環(huán)水的范圍內(nèi)，對于節(jié)能較為合理。單元操作設(shè)備：冷凝器③蒸出產(chǎn)物中酸性氣體HCl的去除分析：剩余產(chǎn)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)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(shè)備：水吸收塔串連堿吸收塔④蒸出產(chǎn)物中H2O應(yīng)在最后處理分析：剩余產(chǎn)物為CH3Cl、CH3OCH3、H2O(少許)，H2O應(yīng)在最后處理，應(yīng)先將CH3OCH3去除，將目的產(chǎn)物CH3Cl與H2O留下。根據(jù)CH3OCH3性質(zhì)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(jié)論：采用濃硫酸吸收分離CH3OCH3

單元操作設(shè)備：常壓吸收塔⑤蒸出產(chǎn)物中H2O的去除分析：剩余產(chǎn)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(chǎn)物中，或采用冷凍干燥等，這樣可得到產(chǎn)品CH3Cl。結(jié)論：氣固相吸附分離H2O

單元操作設(shè)備：串連吸附塔

化工產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)方案或工藝路線的確定，主要考慮的因素有：（1）技術(shù)上可行；（2）經(jīng)濟(jì)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(yīng)；（5）環(huán)境保護(hù)；（6）安全生產(chǎn)；（7）國家有關(guān)的政策及法規(guī)。若以上各因素中任意一項未達(dá)規(guī)定要求，均可否決此項目的建設(shè)，因此對每一因素均要仔細(xì)進(jìn)行評審，以免造成重大損失，這是建設(shè)單位及設(shè)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(jìn)行工藝流程設(shè)計。工藝流程設(shè)計是逐步深化的過程，先由框圖，逐步完成工業(yè)生產(chǎn)的實際流程圖。在確立了工藝路線之后，就可以委托設(shè)計部門進(jìn)行設(shè)計。3.3工藝流程的概念設(shè)計

工藝流程設(shè)計一般是圍繞反應(yīng)進(jìn)行的，反應(yīng)之前需要原料儲存、預(yù)處理，反應(yīng)之后需要產(chǎn)物分離、精制，一般流程設(shè)計可因此分為三大塊，六個單元組成。原料→原料儲存→原料預(yù)處理→反應(yīng)→分離→精制→儲存包裝→產(chǎn)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(shè)計3.3.1工藝路線流程化3.3.2工藝流程的進(jìn)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(wù)：將上述三大塊進(jìn)行詳細(xì)研究，確定各步所需單元操作，單元操作的具體設(shè)備，以保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)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(shè)計的中心。原料路線最終選擇為2：CH3OH+HCl→CH3Cl+H2O反應(yīng)路線最終選擇為3：CH3OH(g)+HCl(g)→(氣-液反應(yīng)，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(yīng)過程工藝流程設(shè)計一般是圍繞反應(yīng)進(jìn)行。工藝流程設(shè)計應(yīng)確定兩個原則：生產(chǎn)方式——連續(xù)操作或間歇操作

設(shè)備型式

——確定單元操作的具體設(shè)備分析：CHCl3是大宗化工產(chǎn)品，產(chǎn)量較大，采用連續(xù)生產(chǎn)方式。注意：一個流程中可部分連續(xù)部分間歇。氣液反應(yīng)可采用較為簡單的釜式反應(yīng)器（化工部有標(biāo)準(zhǔn)）；氣相進(jìn)料在液相中反應(yīng)，可采用鼓泡式反應(yīng)器，不需攪拌；反應(yīng)溫度135℃，釜式反應(yīng)器應(yīng)帶夾套，加熱源可采用低壓蒸汽；反應(yīng)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(yīng)器。2．原料預(yù)處理主反應(yīng)確定后，必然對原料及加入方式提出要求，如預(yù)熱、汽化、干燥、混合、計量配比等，也需要相應(yīng)的單元操作和具體設(shè)備，原料預(yù)處理是根據(jù)具體工藝選擇不同的流程、設(shè)備、生產(chǎn)方式等。分析：①進(jìn)入反應(yīng)器的反應(yīng)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(yīng)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(yīng)保持一定濃度。原料加入應(yīng)盡量不含水，甲醇不存在問題，原料純度應(yīng)為99％；鹽酸溶液采用汽提塔產(chǎn)生HCl氣體，汽提塔夾帶大量水，HCl氣體應(yīng)先除水再進(jìn)料，因此汽提塔后需設(shè)置一個干燥塔。③反應(yīng)原料應(yīng)計量。反應(yīng)中為保證某原料反應(yīng)完全，一般會使一個原料過量，但應(yīng)有嚴(yán)格的比例。所以應(yīng)有計量裝置，本項目進(jìn)料均為氣體，可采用質(zhì)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(jìn)入反應(yīng)釜，需設(shè)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(yīng)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(yīng)釜3．產(chǎn)物分離精制工藝路線確定中，產(chǎn)物分離順序已大致確定，但產(chǎn)物分離所用的單元操作和設(shè)備眾多，需要具體確定，這是工藝設(shè)計中較繁雜的工作，需有豐富的知識和實踐經(jīng)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(yīng)釜

其中水洗塔產(chǎn)生的廢水，含有少量HCl和CH3OH，作為廢水排放應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

↓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(yīng)釜中和池

↓

稀釋池

↓

排放

產(chǎn)品鋼瓶冷凝器壓縮機(jī)

生產(chǎn)過程產(chǎn)生的三廢，在處理適應(yīng)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(dǎo)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(jìn)一步豐富和完善以上所作工作雖多，但工藝設(shè)備很粗糙，還需加以充實、完善，在設(shè)計中以下問題還需考慮：①物料輸送設(shè)備：原料輸送進(jìn)廠區(qū)、設(shè)備中的輸送方式，流程中物料中轉(zhuǎn)、儲存設(shè)備，廢水排放裝置；②溶劑和未反應(yīng)原料的回收流程：溶劑和未反應(yīng)的原料（有些轉(zhuǎn)化率較低）有相應(yīng)的回收流程；③節(jié)能降耗：注意物料流向，可利用位差進(jìn)出料，注意熱能綜合利用。④操作彈性：考慮設(shè)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(yīng)急措施，分析取樣點設(shè)置，防火防爆。⑦生產(chǎn)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(jìn)一步豐富和完善3.3.3工藝流程的簡化工藝流程概念設(shè)計完成后，需反復(fù)比較、計算、改進(jìn)，這最能體現(xiàn)設(shè)計者的能力和水平。將以上流程進(jìn)一步簡化，可節(jié)省設(shè)備投資、管理維修費用等，因此一般流程應(yīng)盡可能簡化。

①以上流程中，產(chǎn)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(shè)備。

↓水冷凝器→水洗塔→冷凍堿洗塔→分子篩→壓縮機(jī)→冷凝器→鋼瓶→產(chǎn)品↑↓

↓廢水反應(yīng)釜

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