关于化工工艺的设计与合理路线的思考

薛亚东

摘要：化工工艺设计是化工生产的重要环节，关系到化工企业的安全生产和连续生产。本文分别就化工工艺设计理论概述、化工工艺设计的特征以及化工工艺设计与路线选择进行了探讨。

关键词：化工工艺；设计；路线

中图分类号：S611 文献标识码： A

一、化工工艺设计理论概述

从理论上分析，化工工艺设计分为不同的类别，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。它们在化工工艺的实践中分别发挥着不同的作用。理论上而言，工艺流程图是根据根据工艺计算绘制而成的，将其参数传给设备专业，将其有关控制方面的参数传给自控专业仪表进行选型，进而完成最初的设备布置图，交由管道部门进行管道配置，并制出管道布置图纸，这就是化工工艺设计的主要内容。在整个设计过程中，化工设计人员必须贯彻落实化工设计的基本原则和基本精神，尤其是在细节方面。不仅要做到符合设计的基本原则和基本精神，还要灵活运用到实际中，不对生产造成影响，最终达到安全、高效的生产运转。化工材料根据不同的危险程度，共分为五级，这是由化工产品自身的性质和数量所决定的，并以此危险程度来确定防火间距和防爆等级等内容。因此，化工生产中，安全永远是第一位。

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。

2、工艺路线选择

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。

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。

2.2.4环境保护

环境保护是建设化工必须重点审查的一项内容。我国目前对环境保护十分重视，设计时应防让新建的化工厂对周围环境产生污染，给国家和人民造成重大的经济损失，并影响人民的身体健康，为此对“三废”污染严重的工艺路线应避免采用。工厂排放物必须达到国家规定的相应标准，符合环境保护的规定。

2.2.5安全生产

安全生产是化工厂生产管理的重要内容。化学工业是一个易发生火灾和爆炸的行业，因此从设备上、技术上、管理上应对安全予以保证，严格制定规章制度、对工作人员进行安全培训是安全生产的重要措施。同样，对有毒化工产品或化工生产中产生的有毒气体、液体或固体，应采用相应的措施避免外泄，达到安全生产的目的。

三、化工工艺设计应注意的问题

1、管道设计压力和设计温度的确定

1.1 管道设计压力的原则

工作条件下管道温度组合中最苛刻条件下的压力和管系中可能碰见的工作压力，就是管道设计压力。该压力的设计原则是:

（1）管道设计压力不低于最大工作压力。

（2）装有安全泄放装置的管道其设计压力不得低于安全泄放装置的开启压力（或爆破压力）。

（3）所有与设备相连接的管道，其设计压力应不小于所连接设备的设计压力。

（4）输送制冷剂、液化气等沸点低的介质的管道，应按阀关闭或介质不流动时介质可能达到的最大饱和蒸汽压力作为设计压力。

（5）离心泵出口管道的设计压力应不小于泵的关闭压力。

（6）往复泵出口管道的设计压力应不小于泵出口安全泄放装置的设定压力。

（7）压缩机排出管道的设计压力应不小于安全泄放装置的设定压力和压缩机出口至安全泄放装置之间最大流量下的压降之和。

（8）装有安全控制装置的真空管道设计压力取最大压差的1.25 倍或0.1MPa 的较小值，并按外压条件进行设计；对于没有安全控制装置的真空管道，设计压力取0.1MPa。

1.2管道设计温度的原则

工作条件下，管道材料在相应设计压力下可能到达的温度，就是管道设计温度。在正常操作温度下，加上一定裕量就是工艺专业确定设计温度的确定方法，以下是裕量的取值原则。

（1）流体正常操作温度≤ 300℃时，裕量不小于30℃。

（2）流体正常操作温度>300℃时，裕量不小于15℃。

（3）流体温度低于0℃时，设计温度等于流体最低温度。

（4）室外管道应按当地冬季绝对最低气温。

1.3管道材料的选择

管道材料选择要求设计人员必须灵活运用工程学、材料学、腐蚀学等方面的知识定性定量综合判断。管道材料选择通常根据介质的特性（腐蚀性、毒性、燃烧性等）和操作条件（温度、压力等），按照既适用又经济的原则来考虑。

常用材料有鑄铁（灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁）、普通碳素钢、优质碳素钢、低合金钢、高合金钢、特种合金钢等。

2、阻火器的设计

2.1常见的阻火器种类

安全防备流体通过时火焰蔓延和传播的设备，就是阻火器。阻火器在化工工艺设计中可以按照使用途径进行分类，主要分为阻爆型和阻爆燃型阻火器。按照使用场所进行分类，主要分为管道阻火器和防空阻火器。按照结构进行分类，主要可以分为波纹型、液封型、版型、充填型、金属网型阻火器。

2.2 化工工艺设计中的阻火器设置

输送的混合气体如果具体爆轰或者爆燃性、气体具有自行分解导致爆炸引起火焰蔓延、连接明火设备减压后的管道，都必须在指定位置安装阻火器。

2.3化工工艺设计中的阻火器选用原则

化工工艺设计中的阻火器选择，要根据使用场所决定选择管道阻火器还是防空阻火器； 根据潜在点火源的方向和设置位置，决定使用单向阻火器还是双向阻火器；根据蒸汽的爆炸分级MESG或工艺气体，确定选择阻火元件的允许间隙要小于蒸汽的MESG值或工艺气体的M ESG值；要根据阻火器入口的火焰传播速度选择阻轰还是爆燃阻火器。

3、安全阀的设计

3.1安全阀的分类

诱导阀或弹簧作用控制的阀门，就是化工工艺设计中的安全阀。化工工艺设计中的安全阀按照安全阀的国标分类，可以分为带动力辅助装置式、直接荷载式、先导式、带补充再和式。按照阀片开启高度可以分为微启式和全启式。按照结构可以分为带散热片和不带散热片、带扳手和不带扳手、平衡和不平衡、封闭和不封闭弹簧式安全阀。按照平和内压方式不同还可以分为，先导式、弹簧式、杠杆式安全阀。

3.2 安全泄放装置（安全阀、爆破片装置）设置场所

（1）设计压力小于外部压力源的压力，出口可能被关断或堵塞的设备和管道系统；

（2）出口可能被关断的容积式泵和压缩机的出口管道；

（3）因冷却水或回流中断，或再沸器输入热量过多而引起超压的蒸馏塔顶的气相管道；

（4）因不凝气体积聚产生超压的设备和管道系统；

（5）加热炉出口管道中切断阀或调节阀的上游管道；

（6）因两端切断阀关闭，受环境温度、阳光照射或伴热影响面产生热膨胀或汽化的管道系统；

（7）放热反应可能失控的反应器出口处切断阀上游的管道系统；

（8）凝汽式汽轮机的蒸汽管道出口；

（9）蒸汽发生器等产汽设备的出口管道；

（10）低沸点液体（液化气等）容器的出口管。

3.3 安全阀压力的设定

化工工艺设计中，当只安装一个安全阀时，安全阀压力要在小于系统设计压力的前提下，不大于系统设计压力的20kPa和10%中的较大者；当安装多个安全阀时，必须保证有一个安全阀压力不大于系统设计压力，其余安全阀设计压力小于系统压力的5%，统设计压力的，且安全阀最大泄放压力均应不大于系统设计压力的30kPa或12% 中的较大者。为防止火灾事故发生而安装的安全泄放装置，且最大泄放压力应不大于系统设计压力的16%。

结束语

化工工艺设计是化工设计的核心，在整个设计中起主导作用。我们必须了解化工工艺设计的特点和现状，充分考虑化工工艺设计中容易出现的问题，重视安全危险问题和设备安装设计问题，保证化工工艺设计的安全性，保证化工工艺设计的完善性，从而更好地主导化工设计。

参考文献

[1]姚慧.化工工艺设计中的安全问题及控制[J].企业技术开发，2012.10. [2]魏国清，钟彦宇.关于化工工艺设计中的相关问题的探讨[J].经济技术协作信息，2012.18.