第三章 工艺路线

上章回顾思考：可行性研究报告与设计任务书的区别？第三章工艺路线3.1工艺路线和工艺流程的选择

3.2工艺路线的确定3.3工艺流程的概念设计工艺路线——通常指生产方法。可用不同原料、不同生产方法、不同工艺流程生产同一产品。化工设计中遇到的大多数是已有工艺路线的工艺流程设计。3.1工艺路线和工艺流程的选择工艺流程——按照物料加工顺序将物料转换和能量转换所需的功能单元有机组合起来，则构成工艺流程。一、工艺路线和工艺流程的选择原则3.1工艺路线和工艺流程的选择1.先进性指技术上先进和经济上合理可行，具体包括基建投资、产品成本、消耗定额和劳动生产率等方面内容，应选择物料损耗小、循环量少、能耗少和回收利用好的生产方法。

2.可靠性指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。对于尚在试验阶段的新技术、新工艺、新设备应慎重对待。3.结合国情——中国是发展中国家(1)消费水平及各种化工产品的消费趋势；(2)化工机械设备及电气仪表的制造能力；(3)化工原材料及设备所用金属材料供应情况；(4)中国环境保护的有关规定和三废排放情况；(5)劳动就业与化工生产自动化水平的关系；(6)资金筹措与外汇贮备情况。在生产方法和工艺流程论证中需全面衡量，综合考虑三项原则

一、工艺路线和工艺流程的选择原则1.搜集资料，调查研究搜集国内外同类生产厂的相关资料：工艺路线特点、工艺参数、投资情况、生产运营情况；设备制造的难易程度及维修保养要求；原材料和公用工程单耗、产品质量、三废治理；安全和劳动保护措施；各种工艺路线的发展情况与动向等。二、工艺路线和工艺流程确定的步骤2.落实设备二、工艺路线和工艺流程确定的步骤设备类型国内已有定型产品需进口设备需重新设计制造设计制造单位技术力量加工条件材料供应设计、制造进度3.全面分析对比①几种工艺路线在国内外采用的情况及发展趋势；②产品的质量情况；③生产能力及产品规格；④原材料、能量消耗情况；⑤建设费用及产品成本；⑥三废的产生及治理情况；⑦其他特殊情况。二、工艺路线和工艺流程确定的步骤3.1工艺路线和工艺流程的选择目的：以图的形式反映化工生产从原料到产品的过程，概括了整个生产过程的全貌。意义：是设计的核心，工艺流程设计决定了整个建设的先进性、合理性、总投资等。三、工艺流程设计协作：工艺流程设计涉及到工艺计算、设备选型及设计、设备布置等，流程图确定后其他非工艺专业才能开始工作，而非工艺专业设计中的变化又会影响到流程图。工艺流程设计开始最早而结束最晚。任务：工艺流程设计应解决以下问题

（1）确定采用多少工序构成生产全过程，各工序间如何连接（2）各工序具体任务（3）由什么设备来完成该工序任务，设备操作条件（4）控制方案，选择仪表（5）公用工程及配套措施（6）三废治理方案（7）安全生产措施（8）不同阶段流程图三、工艺流程设计3.2工艺路线的确定工艺流程组成：原料预处理、反应、分离公用工程（循环水、电、蒸汽、真空、压缩空气）三废治理（符合排污标准）重点部分辅助部分3.2.1原料路线选择3.2.2反应路线选择3.2.3分离路线选择3.2工艺路线的确定3.2.1原料路线选择

考虑问题：不同原料路线的主副产品能否满足需要

原料的当地资源

原料运输

不同原料路线的工艺流程

不同原料路线的反应条件、收率

原料路线的不同将导致不同的工艺流程、不同的化工设备、不同的操作条件、不同的分离方案、不同的自控条件、不同的安全条件、不同的三废治理方案、不同的公用工程方案，也就是影响到项目的技术方案和投资、成本、利润、生态平衡、环境保护，对经济效益、社会效益均有影响。例题合成一氯甲烷，要求纯度>99.2%，水分<1000ppm。可有两种工艺方案：

CH4+Cl2→CH3Cl+HCl

CH3OH+HCl→CH3Cl+H2O选择原则：原料来源的可靠性，落实供货渠道

尽可能选择当地或附近原料

经济性，不同原料有不同的经济效益

资源利用合理①CH4、CH3OH比较：只要当地有足够的天然气资源，第一方案好些。有天然气的地方一般有甲醇化工厂，二者来源不成问题，但甲醇价格比天然气高，天然气较好。②Cl2、HCl比较：原料来源相似，均由氯碱厂提供。若依靠外运，Cl2是液氯钢瓶包装运输，HCl或盐酸运输成本较高，二者相比Cl2方案好些。③但生产中第一方案中副产物较多：有CH2Cl2、CHCl3、CCl4，通过控制CH4与Cl2的比例适当降低CHCl3、CCl4的含量，但CH2Cl2量较大且与目的产物分离困难。第二方案产物单一，分离简便，产品纯净。最终选择方案二。3.2.2反应路线选择

将原料加工为产品时，反应是最关键的步骤。反应路线决定了生产方法、工艺流程、工艺设备、技术方案等，要在各种可能的工艺路线中经过分析比较，确定一条效果最好的路线。工艺技术路线的选择影响到投资、成本、质量、劳动条件、环保，因而决定了经济效益。例题方案2：以CH3OH、HCl为原料的合成路线，反应方式有以下几种：①CH3OH(l)+HCl(l)→(催化剂溶液)(釜式反应器)液-液反应

原料处理简单、反应条件温和、劳动生产率低、自控程度低②CH3OH(g)+HCl(l)→(催化剂溶液)(釜式反应器)半液-液反应

原料CH3OH需增加汽化装置③CH3OH(g)+HCl(g)→(催化剂溶液)(釜式反应器)气-液反应原料CH3OH汽化装置，HCl原料处理装置，反应器要求提高，设备利用率高，材料消耗下降，自控水平提高④CH3OH(g)+HCl(g)→(固体催化剂表面)(固定床反应器)气-固反应原料CH3OH汽化装置，HCl原料处理装置，反应器要求提高，技术不太成熟，单程转化率低，增加催化剂回收工序反应路线选择原则（1）可靠性

生产工艺是否成熟，对新技术、新工艺应慎重，应流程顺畅、生产安全、工艺稳定、指标稳定。（2）先进性刚刚工业化的技术，指标先进不成熟，有一定风险。处于成长期的技术，成功把握较大，一段时间有效益，稳定，最理想。处于成熟期的技术，可靠但不先进，新技术开发应用构成威胁，尽快建设尽快回收投资处于衰退期的技术，不宜采用。（3）适用性

当时当地对该技术的接受能力，该技术与相关技术体系匹配程度，与我国国情有关（4）经济性投产后可否取得良好的经济效益，自身的经济承受能力最终选择第三种合成方案。3.2.3分离路线选择

一般化工生产多为一步反应多步分离，混合物之所以能够被分离是因为有性质的差异。分离过程遵循的经验法则：如产物中夹带粉尘，一般往往率先采取措施除去未反应的原材料，尽早设法回收利用固体产物的脱水，一般放在最后一步液相产物混合物，通常最后精馏分离如夹带杂质中有酸雾、HCl、SO3等酸性气体，应尽早除去，以减少对后续装置的腐蚀有毒的、量大的杂质先除去分离方法：如沉降、过滤、蒸发、吸收、冷冻、精馏、干燥、洗涤、萃取、结晶等。利用何种方法，如何组合分离顺序，一般是以实践经验为主，参照有关工艺流程的文献，以保证质量、方便、节省设备为原则。例题合成一氯甲烷反应：要求产物纯度>99.2%，水分<1000ppm，因此对产物必须分离净化。

首先分析产物成分。

然后依据分离经验原则，确定分离成分的顺序。根据产物物理化学性质（尤其注意沸点、熔点等物理性质），确定分离方案。依据所学化工知识，确定分离的单元操作和分离设备。产物成分：反应釜中有目的产物CH3Cl未反应的原料CH3OH、HCl副产物H2O、CH3OCH3

催化剂ZnCl2水溶液

分离顺序：①催化剂ZnCl2水溶液可循环使用，应首先将其他成分与催化剂分离②其余成分中，CH3OH是原料应尽早回收利用③其余成分中，HCl是酸性气体应尽早除去④其余成分中，H2O应在最后处理分离方案①催化剂ZnCl2水溶液与其他成分的分离分析：以上成分中，CH3Cl、CH3OH、HCl、H2O、CH3OCH3沸点较低，升温可蒸出反应釜中，ZnCl2是无机盐，可留在釜中。结论：加热蒸发，将其余成分CH3Cl、CH3OH、HCl、H2O、CH3OCH3蒸出反应釜。注意：ZnCl2水溶液应保持一定浓度，水分蒸出不可太多。单元操作设备：带夹套的反应釜②蒸出产物中CH3OH的分离与回收利用分析：升温蒸出反应釜的产物有HCl(tb=−84.8℃)、CH3OCH3(tb=−24.9℃)、CH3Cl(tb=−24.2℃)、CH3OH(tb=68℃)、H2O(tb=100℃)可以看出CH3Cl与CH3OH、H2O有较大沸点差，产物蒸出后再采用降温冷凝的方法，可将CH3OH、H2O冷凝后分离出。结论：降温冷凝，将高沸点的CH3OH、H2O冷凝后分离，其余低沸点成分继续保持气相。

注意：CH3OH是原料，冷凝后可直接返回反应釜中，H2O为保证催化剂浓度也可直接返回反应釜中，较少中间操作和设备。而且冷凝器的冷却剂温度在循环水的范围内，对于节能较为合理。单元操作设备：冷凝器③蒸出产物中酸性气体HCl的去除分析：剩余产物为CH3Cl、HCl、CH3OCH3、CH3OH(少许)、H2O(少许)，HCl的去除可考虑采用吸收操作。吸收分为水吸收和碱液吸收，用水吸收可生成副产物盐酸稀溶液自用或卖掉，同时水吸收时也将剩余的CH3OH吸收干净。碱液吸收可完全去除HCl。结论：采用吸收操作分离HCl注意：水吸收会将新成分水带入其余产物中，但因为原成分中就有水，再带入新成分水无影响。单元操作设备：水吸收塔串连碱吸收塔④蒸出产物中H2O应在最后处理分析：剩余产物为CH3Cl、CH3OCH3、H2O(少许)，H2O应在最后处理，应先将CH3OCH3去除，将目的产物CH3Cl与H2O留下。根据CH3OCH3性质可考虑用浓硫酸吸收，同时浓硫酸吸收时也将吸收部分H2O。

结论：采用浓硫酸吸收分离CH3OCH3

单元操作设备：常压吸收塔⑤蒸出产物中H2O的去除分析：剩余产物为CH3Cl、H2O，水的去除可以考虑各种方法，如使用干燥剂固体NaOH、无水CaCl2、硅胶、分子筛，采用气固相吸附分离不会有新成分带入产物中，或采用冷冻干燥等，这样可得到产品CH3Cl。结论：气固相吸附分离H2O

单元操作设备：串连吸附塔

化工产品生产的技术方案或工艺路线的确定，主要考虑的因素有：（1）技术上可行；（2）经济上合理；（3）原料的纯度及来源；（4）公用工程中的水源及电力供应；（5）环境保护；（6）安全生产；（7）国家有关的政策及法规。若以上各因素中任意一项未达规定要求，均可否决此项目的建设，因此对每一因素均要仔细进行评审，以免造成重大损失，这是建设单位及设计单位必须慎重考虑的。根据以上原则确立工艺路线，再进行工艺流程设计。工艺流程设计是逐步深化的过程，先由框图，逐步完成工业生产的实际流程图。在确立了工艺路线之后，就可以委托设计部门进行设计。3.3工艺流程的概念设计

工艺流程设计一般是围绕反应进行的，反应之前需要原料储存、预处理，反应之后需要产物分离、精制，一般流程设计可因此分为三大块，六个单元组成。原料→原料储存→原料预处理→反应→分离→精制→储存包装→产品三废治理和公用工程（水、电、气、冷冻）的配套。3.3工艺流程的概念设计3.3.1工艺路线流程化3.3.2工艺流程的进一步丰富和完善3.3.3工艺流程的简化3.3.4工艺流程草图3.3.1工艺路线流程化

任务：将上述三大块进行详细研究，确定各步所需单元操作，单元操作的具体设备，以保证产品的产量和质量，这样就将工艺过程具体化了，称为工艺路线的流程化，这是概念设计的中心。原料路线最终选择为2：CH3OH+HCl→CH3Cl+H2O反应路线最终选择为3：CH3OH(g)+HCl(g)→(气-液反应，135℃）分离路线最终选择为：加热蒸发、冷凝、水吸收、碱吸收、浓硫酸吸收、吸附1．首先确定主反应过程工艺流程设计一般是围绕反应进行。工艺流程设计应确定两个原则：生产方式——连续操作或间歇操作

设备型式

——确定单元操作的具体设备分析：CHCl3是大宗化工产品，产量较大，采用连续生产方式。注意：一个流程中可部分连续部分间歇。气液反应可采用较为简单的釜式反应器（化工部有标准）；气相进料在液相中反应，可采用鼓泡式反应器，不需搅拌；反应温度135℃，釜式反应器应带夹套，加热源可采用低压蒸汽；反应温度不高、压力不高，原料HCl有腐蚀性，可采用搪玻璃釜式反应器。2．原料预处理主反应确定后，必然对原料及加入方式提出要求，如预热、汽化、干燥、混合、计量配比等，也需要相应的单元操作和具体设备，原料预处理是根据具体工艺选择不同的流程、设备、生产方式等。分析：①进入反应器的反应原料CH3OH、HCl均为气体，而买来的原料盐酸溶液、甲醇均为液体。因此要有相应的汽化装置，甲醇可采用汽化器，汽化时可采用蒸汽加热。盐酸溶液可采用HCl汽提塔，采用蒸汽加热。②催化剂应保持一定浓度。原料加入应尽量不含水，甲醇不存在问题，原料纯度应为99％；盐酸溶液采用汽提塔产生HCl气体，汽提塔夹带大量水，HCl气体应先除水再进料，因此汽提塔后需设置一个干燥塔。③反应原料应计量。反应中为保证某原料反应完全，一般会使一个原料过量，但应有严格的比例。所以应有计量装置，本项目进料均为气体，可采用质量流量计计量，原料比为CH3OH：HCl=1：1~1.05(mol)。④原料气为混合气进入反应釜，需设气体混合器。⑤甲醇沸点较高，为防止加料过程冷凝，甲醇汽化后的运输等装置应保温。工艺流程用框图表示：

浓盐酸→储槽→HCl汽提塔→干燥塔

气柜→计量↓甲醇→储槽→计量槽→汽化器→计量→喷嘴→混合器→

反应釜3．产物分离精制工艺路线确定中，产物分离顺序已大致确定，但产物分离所用的单元操作和设备众多，需要具体确定，这是工艺设计中较繁杂的工作，需有丰富的知识和实践经验。根据上面确定的分离方案，用框图表示为

↓水

↓碱液

↓浓硫酸冷凝器→水洗塔→碱洗塔→浓硫酸吸收塔分子筛塔硅胶塔固碱塔

反应釜

其中水洗塔产生的废水，含有少量HCl和CH3OH，作为废水排放应符合国家标准。

↓水

碱液↓

↓浓硫酸冷凝器→水洗塔→碱洗塔→浓硫酸吸收塔→固碱塔→硅胶塔→分子筛塔含酸废水↓废碱液↓

反应釜中和池

↓

稀释池

↓

排放

产品钢瓶冷凝器压缩机

生产过程产生的三废，在处理适应综合治理、三废收集、处理、运输中避免造成二次污染。本例中水洗塔的含酸废水可与碱洗塔的废碱液中和、稀释，然后排放。4．三废治理5．公用工程配套动力电、循环水、加热系统（蒸汽、导热油、电加热、融盐、烟道气）、压缩空气、冷冻系统、真空系统、氮气等。3.3.2工艺流程的进一步丰富和完善以上所作工作虽多，但工艺设备很粗糙，还需加以充实、完善，在设计中以下问题还需考虑：①物料输送设备：原料输送进厂区、设备中的输送方式，流程中物料中转、储存设备，废水排放装置；②溶剂和未反应原料的回收流程：溶剂和未反应的原料（有些转化率较低）有相应的回收流程；③节能降耗：注意物料流向，可利用位差进出料，注意热能综合利用。④操作弹性：考虑设备的配套、时间平衡，使操作富有弹性；⑤三废综合治理⑥开、停车、事故处理等应急措施，分析取样点设置，防火防爆。⑦生产控制方案：确定控制水平，全自动、半自动、手动等，具体控制措施。3.3.2工艺流程的进一步丰富和完善3.3.3工艺流程的简化工艺流程概念设计完成后，需反复比较、计算、改进，这最能体现设计者的能力和水平。将以上流程进一步简化，可节省设备投资、管理维修费用等，因此一般流程应尽可能简化。

①以上流程中，产品分离精制有水洗、碱洗、浓硫酸干燥、硅胶、固碱、分子筛等方法，将以上繁杂工艺简化很有意义。将除水流程改为冷冻除水+分子筛，可满足除水、CH3OH、CH3OCH3的工艺条件，简化干燥过程。将碱洗除去HCl改为冷冻碱洗，即可完全去除HCl又可与冷冻除水并为一个操作，节省设备。

↓水冷凝器→水洗塔→冷冻碱洗塔→分子筛→压缩机→冷凝器→钢瓶→产品↑↓

↓废水反应釜

为控制水洗塔的含酸废水量，可设计一个带再沸器的HCl吸收塔，生产副产物稀盐酸。②原料预处理的混合，可简化为两股气体计量后直