化工工艺设计的要点探析

摘要：化工工艺的概念、特点及分类进行阐述，并分析化工工艺设计中工艺物料、工艺路线、反应装置、管道方面的安全问题及其控制，并提出通过降低能源消耗量、积极改善生产环境、工艺设计理论研究与实践协调发展等途径提高化工工艺生产的高效运转，促进化工工业的良性发展。

关键词：化工工艺 设计 发展

中图分类号：TQ015 文献标识码：A

一、化工工艺设计理论概述

众所周知，在整个项目设计过程中，设备布置、工艺流程和管道布置是化工工艺设计的3个重要方面。化工工艺设计的主要内容是通过工艺计算绘制工艺流程图，提供给设备专业绘制设备图纸的相关参数，并提出工艺控制方面的参数供自控专业仪表选型，然后工艺专业根据工艺流程图完成初步的设备布置图，最后由管道专业结合设备布置图进行管道配管并完成最终的管道布置图纸。

化工工艺设计要紧跟时展，同时将理论和实际有机结合起来，只有这样才能发挥其巨大的功效。化工工艺设计包括不同的种类，主要有概念设计、中试设计、基础设计、初步设计和施工图设计等。这些不同种类的设计在化工工艺的实践中都发挥着重要的作用。化工工艺设计过程中往往存在如下问题：设计的基础资料不完整，数据的可靠性和完整性不如常规装置；化工工艺设备种类繁多，规格特殊，对设备的设计和选用都提出了特殊要求；化工工艺设计工作量大，管道设计要作特殊考虑；设计周期短，为尽快占领市场，化工工艺设计往往边开发边设计，边建设边更改设计；规模大小不一，为节约投资，某些设计不可能完全按照规定去做。这些特点无疑会造成化工工艺设计的安全隐患，对化工设计的安全有很大的影响，也是引发化工工艺设计安全问题的重要因素，也越来越受到人们的重视。

二、化工工艺设计与路线选择

1工艺过程开发程序

化工生产是由预处理、化学反应或物理化学加工等生产环节组成，不同加工工艺可以得到相同产品。这种多方案性源于科学技术，深刻地蕴含着经济的盈亏、社会效益的大小与环境保护的优劣。而开发研究就是在基础应用研究及各种科技信息的基础上，开展新技术的工艺条件、技术规范、工程放大、技术经济评价等方面的研究，以取得化工生产装置的设计、建设等所需数据与资料，为实现新技术在工业中的应用提供技术服务。开发研究的最终成果是基础设计，而基础设计是工程设计的主要依据。化工过程开发的步骤，并没有固定的模式。化学工业新产品开发的基本步骤可用图1表示。

图1过程工业产品开发的基本步骤

由图1可见，有三次可行性研究将开发的全过程分割成四个阶段。第一阶段的内容是商品信息研究和实验性研究。第二阶段的内容包括小试和概念设计。第三阶段包括模型试验、中试和基础设计等内容。第四阶段的内容为工程设计和施工。

2工艺路线选择

在化工生产中，同一产品，有时可以用不同的原料加工而成，如乙醇可以用发酵法制取，也可以用乙烯水合法制取；一氯甲烷可以由甲烷(天然气)氯化的方法获得，也可以用甲醇和HCL制取。同一种原料，经过不同的加工，又可以得到不同的产品。即使采用同一种原料和相同的工艺过程，而工艺条件不同，也可以得到不同的产品。原料路线、工艺路线和产品品种的多样性使得在工艺路线的选择与设计方案的确定时，需要考虑多方面的因素。在准备投资建造一套生产装置时，装置的生产能力一旦确定后，如何确定与装置投资及产品生产成本密切相关的工艺路线及工艺设计条件，使装置的总体经济效益达到最佳化是十分重要的。

2.1原料与原料路线的确定

原料是化工产品生产的基础，原料既直接影响到产品的合成工艺路线，又会带来有关原料的资源、储存、运输、供应、价格、毒性、安全生产等一系列相关问题。采用不同的原料与规格直接影响到产物的生产能力、技术水平、质量、成本、反应条件与反应装置、资金的投入与回收等问题。在化工产品的总成本中，因为原料费用所占的比例较大(国内一般占60％~70％)，所以选择合理的原料路线十分重要。选择原料路线必须考虑和满足产品生产的生存和发展的需要。

2.2工艺路线的选择

2.2.1通过对科技文献的调查、分析、比较，确定合理的工艺路线：进行有关产品工艺路线的选择需要通过文献调研来完成。联机文献检索具有及时性和全面性的特点，可以大大缩短调查时间，是有效的调查手段。根据调查所得到的信息，必要时再通过实验补充一些数据，进行工艺设计。通过文献专利的调查可以掌握一般的技术动向，也可以掌握现有的工艺技术和不久的将来可能实现的工艺技术。在具体的工艺设计过程中，应结合本企业的实际情况，综合分析，有所创新。

2.2.2技术上可行、经济上合理：技术上可行是指项目建设投资后，能生产出产品，且质量指标、产量、运转的可靠性及安全性等既先进又符合国家标准。经济上合理指生产的产品具有经济效益，这样工厂才能正常运转。对有些特殊的产品，为了保证国家需要和人民的利益，主要考虑社会效益或环境效益，而经济效益相对较少，这种项目也需要建设，但其只能占工厂建设的一定比例，是工厂可以承受的，不影响工厂整个生产。以甲醛工业生产现状及工艺路线比较为例，甲醛几乎都是采用甲醇空气氧化的方法制取。按所用催化剂类型，甲醛工业生产方法分为两类：a.铁、钼催化剂法：用Fe2O3，MoO3作催化剂，还常加入铬和钴的氧化物作助催化剂，甲醇与过量空气混合，经净化，预热，在320~380℃下反应生成甲醛。b.银催化剂法：用银丝网或铺成薄层的银粒为催化剂，控制甲醇过量，反应温度约为600~720℃。

2.2.3甲醛工艺路线的比较：

a.采用铁、钼催化剂法工艺路线的甲醛装置生产能力较大，甲醇转化率高于银催化剂法，可达95％~99％。甲醇单耗低，不需蒸馏装置，可以生产高浓度甲醛，甲醛成品中含醇量低，催化剂使用寿命长，但是铁、钼催化剂法生产一次性投资大，电耗高。

b.银催化剂法工艺简单，投资省，调节能力强。产品中甲醇含量少，尾气中含氢，可以燃烧，但是甲醇的转化率低，单耗高，催化剂寿命短，对甲醇纯度要求高。甲醛成品中甲醇含量高，只能生产低浓度甲醛。银催化剂法在爆炸上限操作，原料混合气中甲醇浓度较高，设备负荷大，因而建厂投资较低。但由于银催化剂法在600℃以上高温反应，催化剂银晶粒容易长大，加上银催化剂对毒物(FeS)极为敏感，因而催化剂寿命短。铁、钼催化剂活性高、寿命长，对毒物不敏感，单耗低；产品甲醛浓度高，含醇低，特别适用于作树脂、聚甲醛、脲醛及医药的原料。虽然铁、铜催化剂法工艺路线一次投资大，但是可以生产高浓度甲醛，在制取甲醛的下游产品时可以直接利用，不必浓缩，免去了稀醛浓缩增加的设备及动力消耗费用，以及对生产中产生的大量含酵废水的处理而花费的各项费用。就总体效益来讲，直接生产浓甲醛比先生产稀甲醛然后再把稀甲醛浓缩成浓甲醛，无论从投资费用来讲还是从环境污染与治理来讲都合理得多。因此，发展高浓度甲醛生产是我国甲醛工业发展的必由之路，也是加深甲醛下游产品开发的前提，通过上述的调查与分析后再进行工艺路线的选择就很容易了。

3 促进化工工艺设计良性发展的建议

3.1 化工工艺设计要注重降低能源消耗量

能源成本是化工生产总成本中的一个重要的组成部分，采用先进的技术手段降低能源消耗量是化工工艺设计和研究的重要方面。首先要选用先进的生产技术及最优化的工艺流程，从源头上控制能源的消耗，其次在工艺设计上要求流程简练、设备选型合理、布置紧凑、能量利用合理，同时还应尽可能采取物物换热设计，实现能量的分级使用和回收，以节约能源的消耗，根据工艺参数选择最佳的流程和最适宜的管径，降低流体输送阻力损失，降低能耗。

3.2 积极改善生产环境

当前化工污染问题不可忽视，解决污染问题就要减少污染源并对废物进行回收利用。从工艺过程上要减少污染就必须重视现有装置的更新和污染物的终端处理两个问题。针对这两种情况就要不断提高化学反应和能源分离效率，提高能源利用率、减少能源转化率在生产过程中的损失，这不仅能增加产业效益而且能减少处理废物时的费用；积极应用HEN分析方法不断改进和更新装置，节约用水，并对废水进行再次回收利用，最大限度的节约水资源。

3.3 工艺设计理论研究与实践协调发展

当前工艺设计应用亟待拓展，这就需要将研究开发与设计建设联系起来综合发展，并积极开发新的工艺设计方式。新的工艺设计方式应该是开发一个带有能量平衡流程、热力学软件包及研究容器设备的一个简单经济模型，摒弃传统方式过于程序化且生产效率较低的发展方式。新的发展方式应更重视推测和估算，目的是将试验计划尽快涉及到工艺的关键技术和相关经济问题，并通过专门的试验成果不断更新工艺发展的模型。总之化工工艺设计要将理论和实践结合并与时代的最新发展技术相接轨从而发挥其巨大功效。

三、结束语

许多人将能源成本作为生产总成本中一个重要的构成部分,但是一般并非如此。分离需解决的重点是能量消耗大和基建投资高两个方面。降低能耗及其相关投资的课题研究常常颇为见效,例如应用超临界流体于许多大型分离装置。当前的研究表明,一些系统的能源费用可以低于许多常用的技术,诸如蒸馏、恒沸蒸馏和萃取。能耗的降低是工艺工程设计和研究的重要内容。HEN 分析提供了一个简单的手段,使整个过程中的热流变为可视的,从而弄清各种不同物流和热流可以进行热交换,以减少对加热和致冷的能量需要。通过HEN 分析可以达到最小的能量利用和交换器数量。HEN 分析已经用于一些工艺过程设计软件包,可在新装置设计中应用,也可在现有装置的改进中应用。在分离范围内,许多研究工作都在寻找替代蒸馏的方法以达到节能的目的。但这方面的效果不很大,因为要改变就要花费基建投资,这常常难以与节能所降低的成本平衡;另一方面,蒸馏也有不少改进技术既可节能又省投资。蒸馏塔的串联是节能的主要措施,串联中将一塔的顶端汽流作为另一塔的热源,这种操作与多重蒸发类似,但是应用中需要完善解决工艺过程的控制问题,包括工艺控制技术和实时组份传感器等,同时需要重视这种串联塔的关停问题。