第六章 艺流程的合成与优化
第六章 工艺流程的合成与优化
工艺流程的合成与优化是化工过程开发的重要内 容，在化工过程开发中以各种形式收集的技术经济 信息，最后都要在流程的合成与优化中反映出来。 随着开发工作的深入，对工艺流程的设计也越来 越精细和完善。设计的步骤都是先确定流程，再依 流程进行各种详细地工艺计算」
工艺流程的合成与优化是化工过程开发的重要内 容，在化工过程开发中以各种形式收集的技术经济 信息，最后都要在流程的合成与优化中反映出来。 随着开发工作的深入，对工艺流程的设计也越来 越精细和完善。设计的步骤都是先确定流程，再依 流程进行各种详细地工艺计算
第一节 流程的内容和设计应考虑的问题 工艺流程的内容 任何化学工业产品的生产，都会有化学反 应过程，以及反应过程之前的物料预处理和反 应过程之后对物料的分离与提纯。这种以化学 反应为工艺核心，并连接反应前、后对物料进 行处理的工艺步骤，形成一个由原料到产品的 生产工艺程序，就称之为“工艺流程” 循 环 原料→预处理 化学反应 分离与提纯 图6-1化工生产工艺模式
第一节 流程的内容和设计应考虑的问题 一、工艺流程的内容 任何化学工业产品的生产，都会有化学反 应过程，以及反应过程之前的物料预处理和反 应过程之后对物料的分离与提纯。这种以化学 反应为工艺核心，并连接反应前、后对物料进 行处理的工艺步骤，形成一个由原料到产品的 生产工艺程序，就称之为“工艺流程
。对于不同产品，由于化学反应和物料在反应前、后的处理 方法和要求不同，而会有不同的工艺流程。即使生产同一 种产品，因生产原料和生产厂家环境条件的差异，也会有 不同的工艺流程。尽管各种产品生产的工艺流程的繁简程 度和组合方式各不相同；但以化学反应为核心，配合反应 前、后对物料进行处理这一结构顺序是不变的」 。例如：合成胶状聚丙酰胺的工艺路线是先由丙烯腈水合生 成丙烯酰胺，然后将丙烯酰胺聚合成聚丙酰胺 ·反应原理为： CN CH2=CH+H2O→CH2=CH -CNH 0 CONH2 CH2-CH-CNH2 CH2-CH
v 对于不同产品，由于化学反应和物料在反应前、后的处理 方法和要求不同，而会有不同的工艺流程。即使生产同一 种产品，因生产原料和生产厂家环境条件的差异，也会有 不同的工艺流程。尽管各种产品生产的工艺流程的繁简程 度和组合方式各不相同；但以化学反应为核心，配合反应 前、后对物料进行处理这一结构顺序是不变的。 v 例如：合成胶状聚丙酰胺的工艺路线是先由丙烯腈水合生 成丙烯酰胺，然后将丙烯酰胺聚合成聚丙酰胺。 • 反应原理为：
该流程的工艺步骤是：首先将铜铝合金粉碎成粒状 经过碱洗和水洗后作为水合反应催化剂，装入固定床形式 的反应器中5， 然后将原料丙烯腈（液）注入丙烯腈储槽1， 纯水注入水储槽2，按照生产要求的丙烯腈与水的原料配 比由比例泵3分别从丙烯腈储槽1和纯水储槽2抽出，混合 后送入预热器4提高物料温度，再连续进入水合反应器5， 控制反应温度在85-125℃进行水合反应。 从水合反应器5出来的物料为丙烯酰胺水溶液，其中含 有少量未反应的丙烯腈，将其送入精馏塔6中进行分离。 由塔顶出来的为丙烯腈和水，经过冷凝器7冷凝后，一并 送入储槽8，然后与纯水储槽2中的纯水混合，作为生产原 从精馏塔9出来的物料是丙烯酰胺溶液，放入储槽10， 再用泵11送至高位槽12，由高位槽12自动流入树脂交换柱 13, 出去阴离子杂质后，流入储槽14，在改储槽内配制成 策公爱胶获新聚窝震整心9的常藏送入录合鉴6
该流程的工艺步骤是：首先将铜铝合金粉碎成粒状， 经过碱洗和水洗后作为水合反应催化剂，装入固定床形式 的反应器中5，然后将原料丙烯腈（液）注入丙烯腈储槽1， 纯水注入水储槽2，按照生产要求的丙烯腈与水的原料配 比由比例泵3分别从丙烯腈储槽1和纯水储槽2抽出，混合 后送入预热器4提高物料温度，再连续进入水合反应器5， 控制反应温度在85125℃进行水合反应。 从水合反应器5出来的物料为丙烯酰胺水溶液，其中含 有少量未反应的丙烯腈，将其送入精馏塔6中进行分离。 由塔顶出来的为丙烯腈和水，经过冷凝器7冷凝后，一并 送入储槽8，然后与纯水储槽2中的纯水混合，作为生产原 料。 从精馏塔9出来的物料是丙烯酰胺溶液，放入储槽10， 再用泵11送至高位槽12，由高位槽12自动流入树脂交换柱 13，出去阴离子杂质后，流入储槽14，在改储槽内配制成 含丙烯酰胺单体摩尔分数x=8%9%的溶液，送入聚合釜16， 聚合成胶状的聚丙烯胺产品
引发剂 丙烯睛 纯水 成品包装 14LQ15 图6-2 合成胶状聚丙酰胺工艺流程 1,丙烯睛贮情：2，纯水贮槽：3，比例泵：4，预热器；5.水合反应器：6.精馏塔：7.冷餐器：8.贮槽 9,精馏签：10，贮槽：11.泵：12.高位槽：13.树脂交换柱：14，贮槽：15.系：16.聚合釜
从该流程图可以得到的信息： ·(1)该流程是以水合反应和聚合反应为核心来设 计的。为了保证水合反应的生产条件，在物料进 入水合反应器之前，进行了配料和预热，这就是 反映前的预处理。 ·对于水合反应后的物料，为了满足聚合反应要求， 进行了精馏和树脂交换两次净制，这些净制步骤 对于水合反应是后处理，对于聚合反应则是前处 理。由于聚合反应之前对物料进行了净制，当聚 合获得产品后，则不需做特殊的后处理。 。安排的中间储槽的作用主要是作为生产物料在连 续运行中的缓冲，以减少前后工序间的相互制约
v 从该流程图可以得到的信息： v （1）该流程是以水合反应和聚合反应为核心来设 计的。为了保证水合反应的生产条件，在物料进 入水合反应器之前，进行了配料和预热，这就是 反映前的预处理。 v 对于水合反应后的物料，为了满足聚合反应要求， 进行了精馏和树脂交换两次净制，这些净制步骤 对于水合反应是后处理，对于聚合反应则是前处 理。由于聚合反应之前对物料进行了净制，当聚 合获得产品后，则不需做特殊的后处理。 v 安排的中间储槽的作用主要是作为生产物料在连 续运行中的缓冲，以减少前后工序间的相互制约
(2)上图为用示意图表示工艺设备的流程图，这 种形式的流程图称为“工艺方案流程图”。可以 粗略的了解设备的构型，如水合反应表示成固定 床反应器形式，精馏塔为填料塔型式，聚合釜为 釜式反应器
v （2）上图为用示意图表示工艺设备的流程图，这 种形式的流程图称为“工艺方案流程图”。可以 粗略的了解设备的构型，如水合反应表示成固定 床反应器形式，精馏塔为填料塔型式，聚合釜为 釜式反应器
聚丙烯胺生产工艺方框流程图 预处理 后处理 丙烯睛 水合反应 精馏 聚合反应 →产品 预热 树脂交换 图6一3聚丙酰胺生产工艺方框流程图 。用线条和箭头表示了各工艺步骤和设备之间的连 接，以及物料运行的方向，这种衔接关系应与生 产装置上的主要物料管线基本相同。图中表明了 物料的流向，考虑了物料的回收利用和加热方法 等一些技术经济问题。作为表达工艺方案的图形， 比较简单直观
聚丙烯胺生产工艺方框流程图 v 用线条和箭头表示了各工艺步骤和设备之间的连 接，以及物料运行的方向，这种衔接关系应与生 产装置上的主要物料管线基本相同。图中表明了 物料的流向，考虑了物料的回收利用和加热方法 等一些技术经济问题。作为表达工艺方案的图形， 比较简单直观
详细的工艺方案流程图，还有要求注明生产过程的测 量与控制点的位置，设备连接部位和连接的方法以及设备 的详细型号规格的图形，称之为“带控制点的流程图” 带控制点的工艺流程图的内容虽然较为详细，但仍然是 种示意性质的展开图，与实际生产装置仍有较大差距。 带控制点的流程图一般是在化工过程开发后期进入到 设计和建立装置时绘制的，用以指导装置的安装和设备的 连接。 从工艺技术方案的完整性考虑，单纯的流程图还不是 一份完整的工艺技术方案。在流程图之外，还必须配合流 程说明书。流程说明书的内容一般包括工艺原理和工艺步 骤的说明，生产物料的规格和要求，工艺条件和控制的技 术要求，以及生产规模、产品规格和生产指标等等
详细的工艺方案流程图，还有要求注明生产过程的测 量与控制点的位置，设备连接部位和连接的方法以及设备 的详细型号规格的图形，称之为“带控制点的流程图”。 带控制点的工艺流程图的内容虽然较为详细，但仍然是一 种示意性质的展开图，与实际生产装置仍有较大差距。 带控制点的流程图一般是在化工过程开发后期进入到 设计和建立装置时绘制的，用以指导装置的安装和设备的 连接。 从工艺技术方案的完整性考虑，单纯的流程图还不是 一份完整的工艺技术方案。在流程图之外，还必须配合流 程说明书。流程说明书的内容一般包括工艺原理和工艺步 骤的说明，生产物料的规格和要求，工艺条件和控制的技 术要求，以及生产规模、产品规格和生产指标等等