堵祖蔭

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

化工過程技術(shù)開發(fā)和化工工藝流程設(shè)計(jì)系列講座（四）

化工工藝流程設(shè)計(jì)

堵祖蔭

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

編者按作者長期從事石油化工的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和技術(shù)開發(fā)實(shí)踐，對乙烯工藝、化工熱力學(xué)、化工流程模擬、化工裝置能耗計(jì)算等有較深的造詣，是乙烯、輕烴生產(chǎn)領(lǐng)域設(shè)計(jì)和技術(shù)開發(fā)的資深專家。系列講座敘述了化工過程技術(shù)開發(fā)的基本程序：機(jī)會研究、小試、概念設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)、中間試驗(yàn)、工藝設(shè)計(jì)包各階段的目的、任務(wù)和內(nèi)容，化工工藝開發(fā)放大和化工工藝流程設(shè)計(jì)。文章強(qiáng)調(diào)各開發(fā)程序的評估工作是保證化工技術(shù)開發(fā)過程沿著正確、健康方向以完成工業(yè)化進(jìn)程的重要環(huán)節(jié)，特別是概念設(shè)計(jì)，是從工程設(shè)計(jì)的視角對小試進(jìn)行評估，是指導(dǎo)中試設(shè)計(jì)的重要文件，也是工程公司和研究單位重要的合作和溝通平臺。該文具有廣泛的可讀性，也請各位同行討論并提出意見和建議，講座共分四篇，本刊已刊登第（一）、（二）、（三）講，本期刊登第（四）講。

敘述了化工工藝流程設(shè)計(jì)的工藝基礎(chǔ)、主要內(nèi)容和工藝流程設(shè)計(jì)過程舉例，并對工藝流程設(shè)計(jì)在化工過程技術(shù)開發(fā)中的地位和作用進(jìn)行了評述。

化工過程技術(shù)開發(fā)；化工工藝流程設(shè)計(jì)；工藝方框流程圖；工藝流程草圖；工藝流程圖

1 化工工藝流程設(shè)計(jì)的工藝基礎(chǔ)

1.1 化工生產(chǎn)過程的基本模式

化工生產(chǎn)基本模式如圖1所示，由原料預(yù)處理、主化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)品分離、提純等主要工序組成。

圖1 化工生產(chǎn)過程基本模式Fig.1 Basic model of chemical process

在這個基本模式中，原料預(yù)處理過程根據(jù)原料的品質(zhì)情況設(shè)立，主化學(xué)反應(yīng)過程是整個生產(chǎn)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，它決定了產(chǎn)品分離、提純過程的工藝生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)模，而產(chǎn)品分離、提純過程往往是整個生產(chǎn)過程的主要部分，它的投資和能耗均占整個生產(chǎn)過程的一半以上。

此外，在原料預(yù)處理和分離、提純過程，為除去原料或產(chǎn)品中的雜質(zhì)，有時也會采用化學(xué)反應(yīng)的手段，但它不是整個生產(chǎn)的主化學(xué)反應(yīng)。

1.2 化工工藝流程設(shè)計(jì)

化工工藝流程設(shè)計(jì)是化工過程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和核心，化工工藝流程設(shè)計(jì)是應(yīng)用描述化學(xué)反應(yīng)和傳遞的化學(xué)工程學(xué)，憑籍化學(xué)和化工的經(jīng)驗(yàn)和知識，運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法，對化工系統(tǒng)進(jìn)行過程分析、模擬和過程綜合，通過物料衡算和能量衡算選擇合適的單元設(shè)備，確立各設(shè)備之間的最優(yōu)聯(lián)絡(luò)方式和操作條件，以最少的物耗和能耗，達(dá)到系統(tǒng)投資最少、成本最低和最小的環(huán)境污染，安全地生產(chǎn)出一定要求的產(chǎn)品，總體上達(dá)到技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)化，獲得可持續(xù)發(fā)展的最大效益。

1.3 化工工藝流程設(shè)計(jì)的基本方法

化工工藝流程的設(shè)計(jì)過程就是不斷進(jìn)行過程工程分析和綜合的過程。

過程工程綜合可以歸結(jié)為多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃問題，可以用多目標(biāo)非線性規(guī)劃法對一個系統(tǒng)，如熱量交換網(wǎng)絡(luò)（HEN）、質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)（MEN）和分離序列綜合等，進(jìn)行目標(biāo)整體優(yōu)化計(jì)算，但對于多系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化過程綜合，經(jīng)驗(yàn)的直觀推斷法仍是經(jīng)常使用的過程綜合法。

（1）過程工程綜合的直觀推斷法。

有經(jīng)驗(yàn)的工藝工程師可憑他們在化工和化學(xué)方面的經(jīng)驗(yàn)和知識，以及擁有的設(shè)計(jì)資源組織若干化工工藝流程的設(shè)計(jì)方案，把一些顯然不合理的方案排除出去，并將相對合理方案不斷加以優(yōu)化和完整。人們在廣泛的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和對過程深刻理解基礎(chǔ)上，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)規(guī)則稱作直觀推斷法。

采用該方法可比較簡單地綜合出一個或幾個合理的工藝方案，但不能保證方案的絕對最優(yōu)化。

（2）化工工藝流程設(shè)計(jì)過程中的過程綜合分析和優(yōu)化。

化工工藝流程設(shè)計(jì)是一個過程分析、過程綜合和過程優(yōu)化不斷循環(huán)深化的過程，它的流程見圖2。

1.4 化工單元操作和節(jié)能技術(shù)

（1）在化工生產(chǎn)中，化工單元操作是化工生產(chǎn)過程基礎(chǔ)，化工過程是圍繞核心反應(yīng)組織的，其上游為原料的預(yù)處理，以滿足化學(xué)反應(yīng)工藝條件為目標(biāo)；下游為產(chǎn)品（生成物）的后處理，通過分離、提純等手段，以達(dá)到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為主要目的。除化學(xué)反應(yīng)器外，化工過程主要通過按一定順序用工藝管道連接起來的眾多的各種化工單元操作來進(jìn)行，以完成過程的質(zhì)量交換和熱量傳遞，它們有：

● 傳質(zhì)分離（蒸餾、吸收、吸附、蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥及萃取（液－液、液－固））絕大多數(shù)的情況下是平衡分離，也有少部分速度控制分離；

● 機(jī)械分離（過濾、離心、沉降、浮選）、電磁分離與混合（攪拌與混合）；

● 傳熱（換熱器、加熱爐等直接接觸式換熱設(shè)備）；

● 流體輸送與壓縮（泵、壓縮機(jī)）。

采用高效、節(jié)能的化工操作單元至關(guān)重要，它關(guān)系到過程的物耗、能耗和工程投資高低。

各單元操作過程中內(nèi)容豐富的工藝和設(shè)備的節(jié)能技術(shù)，仍是不容忽視的節(jié)能技術(shù)。

化工分離過程的能耗約占整個化工過程能耗的40 ％～70 ％，而蒸餾過程能耗占整個化工分離過程能耗的80 ％～90 ％左右，因此蒸餾節(jié)能技術(shù)更不容忽視。

（2）化工單元操作間耦合集成優(yōu)化。

局部過程集成是將兩個不同過程進(jìn)行集成優(yōu)化，耦合形成更有利經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的新技術(shù)，如反應(yīng)與反應(yīng)耦合，分離與分離耦合，反應(yīng)與再生耦合，吸熱與放熱耦合等類型。如常見的反應(yīng)與分離的耦合形式有反應(yīng)精餾、催化精餾、反應(yīng)吸附、反應(yīng)結(jié)晶，膜反應(yīng)等。

上述耦合工藝，在化工生產(chǎn)過程作為一項(xiàng)改進(jìn)工藝、節(jié)約能耗的過程工程有效手段，得到了廣泛的運(yùn)用。

圖2 化工工藝流程設(shè)計(jì)過程中的過程分析、綜合和優(yōu)化的關(guān)系Fig.2 Relationship between process analysis，integration and optimization in chemical process fl ow design

1.5 化工過程系統(tǒng)能量集成和節(jié)能

化工過程系統(tǒng)能量集成和節(jié)能詳見《化工工藝設(shè)計(jì)手冊（第五版）》第12章。

2 化工工藝流程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

（1）通過工藝方框流程圖、工藝流程草圖、工藝流程圖各階段，完成工藝流程的設(shè)計(jì)。

（2）流程模擬計(jì)算和物料衡算與能量衡算。

（3）設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)和選型。

（4）確定主要控制方案。

（5）確定三廢治理和綜合利用方案。

（6）工藝安全分析。

3 化工工藝流程設(shè)計(jì)舉例

3.1 1×105t/a異丁烯裝置分離和產(chǎn)品精制工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件

生產(chǎn)能力： 1×105t/a聚合級異丁烯

產(chǎn)品規(guī)格： 異丁烯含量＞99.7 ％

反應(yīng)流出物：溫度400℃壓力0.1MPa

反應(yīng)物組成見表1。

表1 異丁烷脫氫反應(yīng)器流出物組成Tab.1 Ef fl uent composition of isobutene dehydrogenation reactor

3.2 工藝基礎(chǔ)分析

（1）反應(yīng)物主要由輕烴（C1～C4）組成，并含有少量的有機(jī)含氧化合物。

（2）工藝分離主要分為兩大部分：

一是反應(yīng)物脫丙烷過程。高溫反應(yīng)物經(jīng)過熱回收及水淬冷后至常溫，然后經(jīng)過壓縮進(jìn)入脫丙烷過程，分離利用各組分沸點(diǎn)差，可分為油吸收法和深冷法（本文以深冷法為例）；二是C4餾分中分離異丁烯及產(chǎn)品精制過程。本案例中，C4餾分中有7個組分，還有C2和C3餾分，它們的沸點(diǎn)見表2。

表2 反應(yīng)產(chǎn)物各組分沸點(diǎn)一覽Tab.2 Boil point of reaction product compositions

① 采用常規(guī)蒸餾的方法，先分出異丁烷餾分，再分出異丁烯-丁烯-1餾分，其他C4餾分作為副產(chǎn)品送出。

異丁烷/異丁烯與丁烯-1/正丁烯分離難度和丙烯/丙烷分離相當(dāng)。

② 異丁烯/丁烯-1分離：二者沸點(diǎn)差僅為0.6℃，無法用常規(guī)蒸餾進(jìn)行分離，需采用催化精餾法或MTBE法得到異丁烯合格產(chǎn)品。

3.3 工藝方框流程圖（Process Block Diagram -PBD）

依據(jù)工藝基礎(chǔ)分析提出工藝方框流程圖見圖3。

工藝方框流程圖表示裝置的主要操作單元和主要物料的流向，它將一個化學(xué)物理加工過程的輪廓表達(dá)出來，以供初步確定工藝原則方案之用。

3.3.1 工藝流程草圖（Process Flow Sketch -PFS）

它是一個半圖解式的工藝流程圖，它實(shí)際上是工藝方塊流程圖的一種變體和深入，仍帶有示意性質(zhì)，是設(shè)計(jì)開始時供工藝方案討論常用的工藝流程圖，又可稱為工藝流程草圖。

3.3.2 工藝模擬流程圖（ Process Simulation Flow Diagram-PSFD），它是在工藝流程草圖（PFS）基礎(chǔ)上建立起來為工藝流程模擬計(jì)算的工藝流程圖，是工藝流程模擬計(jì)算的結(jié)果和工藝流程設(shè)計(jì)的中間產(chǎn)品，它隨著工藝流程設(shè)計(jì)的發(fā)展而不斷深化和優(yōu)化：

（1）工藝主流程不斷深化和優(yōu)化。

（2）主要設(shè)備名稱、型式和關(guān)鍵的技術(shù)數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)工藝過程原料，過程產(chǎn)物和產(chǎn)品的加熱與冷卻要求，進(jìn)行熱交換網(wǎng)絡(luò)和其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工藝?yán)鋬鰤嚎s的工藝流程設(shè)計(jì)。

（4）設(shè)置物料輸送和氣體加壓設(shè)備。

PSFD是工藝流程圖（Process Flow Diagram-PFD）設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。

3.3.3 工藝流程圖

在工藝流程模擬完成以后，工藝模擬流程圖要變換發(fā)展成工藝流程圖，它應(yīng)表示工藝設(shè)備、工藝和公用物料的名稱、編號和操作條件、工業(yè)爐、換熱器的熱負(fù)荷，主要工藝控制聯(lián)鎖以及物流數(shù)據(jù)表，是圖形（PFD）和表格（物流數(shù)據(jù)表）相結(jié)合的形式，在它的基礎(chǔ)上完成工藝沒備一覽表和主要控制、連鎖方案，使工藝流程定量化、定型化和工程化。它是工藝流程設(shè)計(jì)，也是過程設(shè)計(jì)最重要的基礎(chǔ)文件，對一個新工藝來說，它的完成表示著工藝技術(shù)開發(fā)已具備走向完成的基礎(chǔ)條件。

圖3 工藝方框流程Fig.3 Process block diagram

3.4 化工工藝流程設(shè)計(jì)和技術(shù)開發(fā)

以創(chuàng)新思維、高標(biāo)準(zhǔn)做好化工工藝流程設(shè)計(jì)，推進(jìn)化工過程技術(shù)開發(fā)。化工工藝流程設(shè)計(jì)就是化工過程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和核心。PFD、物流數(shù)據(jù)表以及設(shè)備一覽表是構(gòu)成工藝流程設(shè)計(jì)的三大要素，從它們出發(fā)，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)備工藝設(shè)計(jì)和工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以完成工藝設(shè)計(jì)包。

化工生產(chǎn)過程以主化學(xué)反應(yīng)為中心，新的化學(xué)反應(yīng)工藝和新的觸媒都會引起化工過程重大進(jìn)展。一般情況下，它源自專業(yè)研究單位、高等院校和企業(yè)的技術(shù)開發(fā)部門。而工程公司在反應(yīng)器、反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)過程的原料預(yù)處理和產(chǎn)品分離、精制過程的工藝技術(shù)開發(fā)與工藝技術(shù)開發(fā)成果的集成——化工工藝流程設(shè)計(jì)中起十分重要的作用。

同時，工程公司應(yīng)充分利用概念設(shè)計(jì)這個重要的評估、交流溝通平臺，對小試（特別是反應(yīng)過程）的完善和決定中試的技術(shù)方案并最終完成工藝設(shè)計(jì)包起重要作用。

工程公司應(yīng)充分發(fā)揮在化工過程的各物理過程單元操作（各種傳質(zhì)分離、機(jī)械分離、加熱、冷卻、泵、壓縮機(jī)等）的選定和設(shè)計(jì)，以及對于化工生產(chǎn)的過程集成、流程模擬和熱集成、各種節(jié)能技術(shù)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和資源的技術(shù)優(yōu)勢，對化工過程進(jìn)行進(jìn)一步的完善和優(yōu)化。

化工工藝流程設(shè)計(jì)是工藝包設(shè)計(jì)的核心和基礎(chǔ)，而工藝設(shè)計(jì)包是工程設(shè)計(jì)的輸入，它們是工程公司在創(chuàng)新與技術(shù)開發(fā)能力最重要的體現(xiàn)，也是其核心競爭力的關(guān)鍵所在。

更為詳盡的探討可查閱相關(guān)文獻(xiàn)[1]～[8]。

[1]吳德榮. 化工工藝設(shè)計(jì)手冊，上冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

[2]黃英，王艷麗. 化工過程開發(fā)與設(shè)計(jì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3]馮霄. 化工節(jié)能原理與技術(shù)[M]. 第三版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[4]雷志剛，代成娜.化工節(jié)能技術(shù)原理與技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[5]李鑫鋼. 蒸餾過程節(jié)能與強(qiáng)化技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[6]平田光穗. 實(shí)用化工節(jié)能技術(shù)[M]. 梁源修，譯. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988.

[7]Smith. R. 化工過程設(shè)計(jì)（Chemical Process Design）[M]. 王保國，譯. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[8]倪進(jìn)方. 化工過程設(shè)計(jì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

封一介紹

上海天祥·健臺制藥機(jī)械有限公司

上海天祥·健臺制藥機(jī)械有限公司前身為創(chuàng)建于1938年的上海天祥華記鐵工廠，是中國第一家從事制藥機(jī)械生產(chǎn)的企業(yè)。新中國成立后成為上海第一制藥機(jī)械廠；1992年，與新加坡健臺機(jī)械有限公司合資組建上海天祥·健臺制藥機(jī)械有限公司。

具有70多年歷史的上海天祥·健臺制藥機(jī)械有限公司，在壓片機(jī)市場保有量為全國第一，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷歐美、東南亞及中東地區(qū)。作為天祥·健臺制藥機(jī)械有限公司的第一大股東——華太企業(yè)集團(tuán)，是長期專注于自動化和數(shù)字控制技術(shù)的高科技企業(yè)，為實(shí)現(xiàn)制藥機(jī)械數(shù)字化控制，以及符合cGMP和FDA要求提供了強(qiáng)有力的保證。公司擁有安裝三軸光柵的門式、大中型立式、大型臥式等各類加工中心，為加工制造壓片機(jī)提供了可靠的保證。憑借強(qiáng)大的技術(shù)和品牌優(yōu)勢，公司累計(jì)獲得發(fā)明專利2項(xiàng)，實(shí)用新型和外觀設(shè)計(jì)專利30多項(xiàng)；并負(fù)責(zé)起草多項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 30748—2014 旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)（包括低速、中速和高速壓片機(jī)）、GB/T 28671—2012 制藥裝備GMP驗(yàn)證導(dǎo)則、JB/T 20080.1—2006 高速壓片沖模（T系列）尺寸與片形、JB/T 20080.3—2007 高速壓片沖模檢測、JB/T 20015—2013 濕法混合制粒機(jī)等。

作為制藥機(jī)械行業(yè)的主力軍，上海天祥·健臺制藥機(jī)械有限公司在粉碎、混和、制粒、干燥、壓片、吸塵等固態(tài)制劑方面，為客戶提供整體解決方案，公司設(shè)有專業(yè)的制劑工藝研究室，為產(chǎn)品開發(fā)和用戶服務(wù)提供了技術(shù)支持。

上海天祥·健臺制藥機(jī)械有限公司在中國創(chuàng)造了多項(xiàng)行業(yè)第一：

● 1960年開發(fā)成功中國第一臺、擁有完全自主產(chǎn)權(quán)的旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)——ZP 33沖旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)。

● 上世紀(jì)80年代末，從國外引進(jìn)高速旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)的技術(shù)，由此開發(fā)成功中國第一臺高速旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)——GZPK 37型高速旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)。

● 1997年開發(fā)成功中國第一臺、擁有完全自主產(chǎn)權(quán)的GZPK 100系列高速旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)。

● 2001年開發(fā)成功中國第一臺、擁有完全自主產(chǎn)權(quán)的ZPW 20旋轉(zhuǎn)式包芯壓片機(jī)。

● 2009年開發(fā)成功中國第一臺、擁有完全自主產(chǎn)權(quán)、轉(zhuǎn)臺可移、無手輪操作、具有國際先進(jìn)水平的GZPK 2000系列高速旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)。

● 2011年開發(fā)成功中國第一臺、擁有完全自主產(chǎn)權(quán)、轉(zhuǎn)臺可移、無手輪操作、具有國際先進(jìn)水平的雙出料GZPK 4500系列高速旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)。

● 2001年，高速旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)在中國制藥機(jī)械行業(yè)中第一個通過美國UL認(rèn)證。

● 2003年，壓片機(jī)產(chǎn)品在中國制藥機(jī)械行業(yè)中第一個通過歐盟CE認(rèn)證。

公司不僅在制藥行業(yè)，而且在食品、電池、電子、化工、磁性材料等行業(yè)中享有較高的市場份額和良好聲譽(yù)。公司力求不斷創(chuàng)新，挑戰(zhàn)尖端技術(shù)，竭誠為用戶創(chuàng)造價(jià)值是我們的核心理念。我們將以客戶價(jià)值為核心，提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、優(yōu)異的服務(wù)，以我們的真誠贏得客戶的信賴。

（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

堵祖蔭（1937—），男，教授級高級工程師，長期從事石油化工規(guī)劃、設(shè)計(jì)和技術(shù)開發(fā)工作。