化工工艺流程设计

堵祖荫

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

化工过程技术开发和化工工艺流程设计系列讲座（四）

化工工艺流程设计

堵祖荫

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

编者按作者长期从事石油化工的规划、设计和技术开发实践，对乙烯工艺、化工热力学、化工流程模拟、化工装置能耗计算等有较深的造诣，是乙烯、轻烃生产领域设计和技术开发的资深专家。系列讲座叙述了化工过程技术开发的基本程序：机会研究、小试、概念设计、模型试验、中间试验、工艺设计包各阶段的目的、任务和内容，化工工艺开发放大和化工工艺流程设计。文章强调各开发程序的评估工作是保证化工技术开发过程沿着正确、健康方向以完成工业化进程的重要环节，特别是概念设计，是从工程设计的视角对小试进行评估，是指导中试设计的重要文件，也是工程公司和研究单位重要的合作和沟通平台。该文具有广泛的可读性，也请各位同行讨论并提出意见和建议，讲座共分四篇，本刊已刊登第（一）、（二）、（三）讲，本期刊登第（四）讲。

叙述了化工工艺流程设计的工艺基础、主要内容和工艺流程设计过程举例，并对工艺流程设计在化工过程技术开发中的地位和作用进行了评述。

化工过程技术开发；化工工艺流程设计；工艺方框流程图；工艺流程草图；工艺流程图

1 化工工艺流程设计的工艺基础

1.1 化工生产过程的基本模式

化工生产基本模式如图1所示，由原料预处理、主化学反应和产品分离、提纯等主要工序组成。

图1 化工生产过程基本模式Fig.1 Basic model of chemical process

在这个基本模式中，原料预处理过程根据原料的品质情况设立，主化学反应过程是整个生产的关键和基础，它决定了产品分离、提纯过程的工艺生产技术和规模，而产品分离、提纯过程往往是整个生产过程的主要部分，它的投资和能耗均占整个生产过程的一半以上。

此外，在原料预处理和分离、提纯过程，为除去原料或产品中的杂质，有时也会采用化学反应的手段，但它不是整个生产的主化学反应。

1.2 化工工艺流程设计

化工工艺流程设计是化工过程设计的基础和核心，化工工艺流程设计是应用描述化学反应和传递的化学工程学，凭籍化学和化工的经验和知识，运用系统工程的方法，对化工系统进行过程分析、模拟和过程综合，通过物料衡算和能量衡算选择合适的单元设备，确立各设备之间的最优联络方式和操作条件，以最少的物耗和能耗，达到系统投资最少、成本最低和最小的环境污染，安全地生产出一定要求的产品，总体上达到技术上和经济上最优化，获得可持续发展的最大效益。

1.3 化工工艺流程设计的基本方法

化工工艺流程的设计过程就是不断进行过程工程分析和综合的过程。

过程工程综合可以归结为多目标混合整数规划问题，可以用多目标非线性规划法对一个系统，如热量交换网络（HEN）、质量交换网络（MEN）和分离序列综合等，进行目标整体优化计算，但对于多系统多目标优化过程综合，经验的直观推断法仍是经常使用的过程综合法。

（1）过程工程综合的直观推断法。

有经验的工艺工程师可凭他们在化工和化学方面的经验和知识，以及拥有的设计资源组织若干化工工艺流程的设计方案，把一些显然不合理的方案排除出去，并将相对合理方案不断加以优化和完整。人们在广泛的工程实践经验和对过程深刻理解基础上，总结出经验规则称作直观推断法。

采用该方法可比较简单地综合出一个或几个合理的工艺方案，但不能保证方案的绝对最优化。

（2）化工工艺流程设计过程中的过程综合分析和优化。

化工工艺流程设计是一个过程分析、过程综合和过程优化不断循环深化的过程，它的流程见图2。

1.4 化工单元操作和节能技术

（1）在化工生产中，化工单元操作是化工生产过程基础，化工过程是围绕核心反应组织的，其上游为原料的预处理，以满足化学反应工艺条件为目标；下游为产品（生成物）的后处理，通过分离、提纯等手段，以达到产品标准为主要目的。除化学反应器外，化工过程主要通过按一定顺序用工艺管道连接起来的众多的各种化工单元操作来进行，以完成过程的质量交换和热量传递，它们有：

● 传质分离（蒸馏、吸收、吸附、蒸发、结晶、干燥及萃取（液－液、液－固））绝大多数的情况下是平衡分离，也有少部分速度控制分离；

● 机械分离（过滤、离心、沉降、浮选）、电磁分离与混合（搅拌与混合）；

● 传热（换热器、加热炉等直接接触式换热设备）；

● 流体输送与压缩（泵、压缩机）。

采用高效、节能的化工操作单元至关重要，它关系到过程的物耗、能耗和工程投资高低。

各单元操作过程中内容丰富的工艺和设备的节能技术，仍是不容忽视的节能技术。

化工分离过程的能耗约占整个化工过程能耗的40 ％～70 ％，而蒸馏过程能耗占整个化工分离过程能耗的80 ％～90 ％左右，因此蒸馏节能技术更不容忽视。

（2）化工单元操作间耦合集成优化。

局部过程集成是将两个不同过程进行集成优化，耦合形成更有利经济和环境的新技术，如反应与反应耦合，分离与分离耦合，反应与再生耦合，吸热与放热耦合等类型。如常见的反应与分离的耦合形式有反应精馏、催化精馏、反应吸附、反应结晶，膜反应等。

上述耦合工艺，在化工生产过程作为一项改进工艺、节约能耗的过程工程有效手段，得到了广泛的运用。

图2 化工工艺流程设计过程中的过程分析、综合和优化的关系Fig.2 Relationship between process analysis，integration and optimization in chemical process fl ow design

1.5 化工过程系统能量集成和节能

化工过程系统能量集成和节能详见《化工工艺设计手册（第五版）》第12章。

2 化工工艺流程设计的主要内容

（1）通过工艺方框流程图、工艺流程草图、工艺流程图各阶段，完成工艺流程的设计。

（2）流程模拟计算和物料衡算与能量衡算。

（3）设备的工艺设计和选型。

（4）确定主要控制方案。

（5）确定三废治理和综合利用方案。

（6）工艺安全分析。

3 化工工艺流程设计举例

3.1 1×105t/a异丁烯装置分离和产品精制工艺设计基础条件

生产能力： 1×105t/a聚合级异丁烯

产品规格： 异丁烯含量＞99.7 ％

反应流出物：温度400℃压力0.1MPa

反应物组成见表1。

表1 异丁烷脱氢反应器流出物组成Tab.1 Ef fl uent composition of isobutene dehydrogenation reactor

3.2 工艺基础分析

（1）反应物主要由轻烃（C1～C4）组成，并含有少量的有机含氧化合物。

（2）工艺分离主要分为两大部分：

一是反应物脱丙烷过程。高温反应物经过热回收及水淬冷后至常温，然后经过压缩进入脱丙烷过程，分离利用各组分沸点差，可分为油吸收法和深冷法（本文以深冷法为例）；二是C4馏分中分离异丁烯及产品精制过程。本案例中，C4馏分中有7个组分，还有C2和C3馏分，它们的沸点见表2。

表2 反应产物各组分沸点一览Tab.2 Boil point of reaction product compositions

① 采用常规蒸馏的方法，先分出异丁烷馏分，再分出异丁烯-丁烯-1馏分，其他C4馏分作为副产品送出。

异丁烷/异丁烯与丁烯-1/正丁烯分离难度和丙烯/丙烷分离相当。

② 异丁烯/丁烯-1分离：二者沸点差仅为0.6℃，无法用常规蒸馏进行分离，需采用催化精馏法或MTBE法得到异丁烯合格产品。

3.3 工艺方框流程图（Process Block Diagram -PBD）

依据工艺基础分析提出工艺方框流程图见图3。

工艺方框流程图表示装置的主要操作单元和主要物料的流向，它将一个化学物理加工过程的轮廓表达出来，以供初步确定工艺原则方案之用。

3.3.1 工艺流程草图（Process Flow Sketch -PFS）

它是一个半图解式的工艺流程图，它实际上是工艺方块流程图的一种变体和深入，仍带有示意性质，是设计开始时供工艺方案讨论常用的工艺流程图，又可称为工艺流程草图。

3.3.2 工艺模拟流程图（ Process Simulation Flow Diagram-PSFD），它是在工艺流程草图（PFS）基础上建立起来为工艺流程模拟计算的工艺流程图，是工艺流程模拟计算的结果和工艺流程设计的中间产品，它随着工艺流程设计的发展而不断深化和优化：

（1）工艺主流程不断深化和优化。

（2）主要设备名称、型式和关键的技术数据。

（3）根据工艺过程原料，过程产物和产品的加热与冷却要求，进行热交换网络和其网络内工艺冷冻压缩的工艺流程设计。

（4）设置物料输送和气体加压设备。

PSFD是工艺流程图（Process Flow Diagram-PFD）设计的基础和出发点。

3.3.3 工艺流程图

在工艺流程模拟完成以后，工艺模拟流程图要变换发展成工艺流程图，它应表示工艺设备、工艺和公用物料的名称、编号和操作条件、工业炉、换热器的热负荷，主要工艺控制联锁以及物流数据表，是图形（PFD）和表格（物流数据表）相结合的形式，在它的基础上完成工艺没备一览表和主要控制、连锁方案，使工艺流程定量化、定型化和工程化。它是工艺流程设计，也是过程设计最重要的基础文件，对一个新工艺来说，它的完成表示着工艺技术开发已具备走向完成的基础条件。

图3 工艺方框流程Fig.3 Process block diagram

3.4 化工工艺流程设计和技术开发

以创新思维、高标准做好化工工艺流程设计，推进化工过程技术开发。化工工艺流程设计就是化工过程设计的基础和核心。PFD、物流数据表以及设备一览表是构成工艺流程设计的三大要素，从它们出发，进而进行设备工艺设计和工艺系统设计，以完成工艺设计包。

化工生产过程以主化学反应为中心，新的化学反应工艺和新的触媒都会引起化工过程重大进展。一般情况下，它源自专业研究单位、高等院校和企业的技术开发部门。而工程公司在反应器、反应系统设计以及生产过程的原料预处理和产品分离、精制过程的工艺技术开发与工艺技术开发成果的集成——化工工艺流程设计中起十分重要的作用。

同时，工程公司应充分利用概念设计这个重要的评估、交流沟通平台，对小试（特别是反应过程）的完善和决定中试的技术方案并最终完成工艺设计包起重要作用。

工程公司应充分发挥在化工过程的各物理过程单元操作（各种传质分离、机械分离、加热、冷却、泵、压缩机等）的选定和设计，以及对于化工生产的过程集成、流程模拟和热集成、各种节能技术的设计经验和资源的技术优势，对化工过程进行进一步的完善和优化。

化工工艺流程设计是工艺包设计的核心和基础，而工艺设计包是工程设计的输入，它们是工程公司在创新与技术开发能力最重要的体现，也是其核心竞争力的关键所在。

更为详尽的探讨可查阅相关文献[1]～[8]。

[1]吴德荣. 化工工艺设计手册，上册[M]. 北京：化学工业出版社，2017.

[2]黄英，王艳丽. 化工过程开发与设计[M]. 北京：化学工业出版社，2008.

[3]冯霄. 化工节能原理与技术[M]. 第三版. 北京：化学工业出版社，2003.

[4]雷志刚，代成娜.化工节能技术原理与技术[M]. 北京：化学工业出版社，2011.

[5]李鑫钢. 蒸馏过程节能与强化技术[M]. 北京：化学工业出版社，2009.

[6]平田光穗. 实用化工节能技术[M]. 梁源修，译. 北京：化学工业出版社，1988.

[7]Smith. R. 化工过程设计（Chemical Process Design）[M]. 王保国，译. 北京：化学工业出版社，2002.

[8]倪进方. 化工过程设计[M]. 北京：化学工业出版社，1999.

封一介绍

上海天祥·健台制药机械有限公司

上海天祥·健台制药机械有限公司前身为创建于1938年的上海天祥华记铁工厂，是中国第一家从事制药机械生产的企业。新中国成立后成为上海第一制药机械厂；1992年，与新加坡健台机械有限公司合资组建上海天祥·健台制药机械有限公司。

具有70多年历史的上海天祥·健台制药机械有限公司，在压片机市场保有量为全国第一，产品远销欧美、东南亚及中东地区。作为天祥·健台制药机械有限公司的第一大股东——华太企业集团，是长期专注于自动化和数字控制技术的高科技企业，为实现制药机械数字化控制，以及符合cGMP和FDA要求提供了强有力的保证。公司拥有安装三轴光栅的门式、大中型立式、大型卧式等各类加工中心，为加工制造压片机提供了可靠的保证。凭借强大的技术和品牌优势，公司累计获得发明专利2项，实用新型和外观设计专利30多项；并负责起草多项国家标准和行业标准：GB/T 30748—2014 旋转式压片机（包括低速、中速和高速压片机）、GB/T 28671—2012 制药装备GMP验证导则、JB/T 20080.1—2006 高速压片冲模（T系列）尺寸与片形、JB/T 20080.3—2007 高速压片冲模检测、JB/T 20015—2013 湿法混合制粒机等。

作为制药机械行业的主力军，上海天祥·健台制药机械有限公司在粉碎、混和、制粒、干燥、压片、吸尘等固态制剂方面，为客户提供整体解决方案，公司设有专业的制剂工艺研究室，为产品开发和用户服务提供了技术支持。

上海天祥·健台制药机械有限公司在中国创造了多项行业第一：

● 1960年开发成功中国第一台、拥有完全自主产权的旋转式压片机——ZP 33冲旋转式压片机。

● 上世纪80年代末，从国外引进高速旋转式压片机的技术，由此开发成功中国第一台高速旋转式压片机——GZPK 37型高速旋转式压片机。

● 1997年开发成功中国第一台、拥有完全自主产权的GZPK 100系列高速旋转式压片机。

● 2001年开发成功中国第一台、拥有完全自主产权的ZPW 20旋转式包芯压片机。

● 2009年开发成功中国第一台、拥有完全自主产权、转台可移、无手轮操作、具有国际先进水平的GZPK 2000系列高速旋转式压片机。

● 2011年开发成功中国第一台、拥有完全自主产权、转台可移、无手轮操作、具有国际先进水平的双出料GZPK 4500系列高速旋转式压片机。

● 2001年，高速旋转式压片机在中国制药机械行业中第一个通过美国UL认证。

● 2003年，压片机产品在中国制药机械行业中第一个通过欧盟CE认证。

公司不仅在制药行业，而且在食品、电池、电子、化工、磁性材料等行业中享有较高的市场份额和良好声誉。公司力求不断创新，挑战尖端技术，竭诚为用户创造价值是我们的核心理念。我们将以客户价值为核心，提供优质的产品、优异的服务，以我们的真诚赢得客户的信赖。

（天祥）

Procedure Design of Chemical Process

Du Zuyin
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

The basis and main content in procedure design for chemical process were stated in this article, and the examples were also demonstrated. Then the function and priority of procedure design in the development of chemical process technology were evaluated.

development of chemical process technology; procedure design for chemical process; process block diagram; process fl ow sketch; process fl ow diagram

TQ 021

：A

：2095-817X（2017）04-0001-005

2016-02-14

堵祖荫（1937—），男，教授级高级工程师，长期从事石油化工规划、设计和技术开发工作。