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第四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。工艺流程的合成是随着开发工作的不断深入而逐步完善的。愈到开发后期，工艺流程的设计就会愈加细密、全面和完善。流程也是化工工艺设计的基础。无论概念设计还是基础设计，通常都是先确定流程，然后才依据流程再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一、工艺流程的内容任何化学工业产品的生产，都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”，如图1所示。原料预处理化学反应分离与提纯产品废料循环图1化工生产工艺模式对于不同产品，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。用线条和箭头表示了各工艺步骤之间的连接以及物料运行的方向的流程图称为工艺方框流程图。用示意图形表示工艺设备的流程图称为工艺方案流程图。详细的工艺方案流程图还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，称为“带控制点的流程图”。这种流程图一般是在过程开发后期，进入到设计和建立生产装置时绘制的，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，除流程图外，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。二、流程合成设计应考虑的问题合成是将各个子系统组合为一个整体，即把不同功能的单元设备按一定方式连接起来，各单元设备之间的温度、压强、组成、相态等应衔接匹配，得到含有物料、能量、控制的工艺流程，完成由原料到产品的转化。工艺流程的开发过程称为化工系统或化工过程合成。过程合成的主要任务是：选择适当的单元设备，确定设备之间的最优连接方式和操作条件，用给定的原料生产出所需的产品，并使生产成本最低，过程安全可靠，环境污染最小。过程合成时，必须依据对象的特点，提出可供选择的方案，在评价标准的约束下进行分析和筛选，通过合成获得最优方案。合成工艺流程时应特别注意如下问题：1、技术的成熟程度技术的成熟程度是流程设计首先应考虑的问题。如果已有成熟的工艺技术和完整的技术资料，则应选择成熟的工艺技术进行项目的开发和建设。这样既保证了项目开发成功的可靠性，同时也可以缩短开发周期和节省开发费用。当采用成熟的工艺技术进行项目建设时，必须注意该项目实施的时间和空间条件，应对采用的工艺技术与实施的时间和空间条件差异作适当修改，以便使工艺技术方案能符合现有时间和空间条件的目的和要求。如果在开发中找不到成熟的工艺技术和可靠的技术资料时，也应尽可能找到工艺类型相近的成熟技术资料作参考，借鉴成熟技术的经验和教训，可以提高流程设计的准确程度。尤其是设备选型，可多采用已定型生产的标准设备，尽可能减少非标准型设备的设计。对于物料的分离与提纯，也应尽可能避免采用技术成熟程度差或分离速率慢的方法，以免这些操作步骤成为整个流程中物料运行的“瓶颈”。2、技术的先进性和可靠性的关系在技术开发中选择工艺技术路线往往较多考虑技术的先进性。因为先进的工艺技术体现了较高劳动生产力和较大经济效益。但先进的工艺技术的应用时间一般较短，由于未经充分地实践检验而不可避免地带来某些技术上的不可靠性。作为投资建设项目的流程设计，总希望少承担技术风险。但在保证可靠性的前提下，则应尽可能选择先进的工艺技术路线。如果先进性和可靠性二者不可兼得，则宁可选择可靠性大而先进性稍次些的工艺技术作为流程设计的基础。这样可以保证投资的安全可靠。3、流程的可操作性流程的可操作性是指流程中各种设备的配合是否合理，物料的运行是否畅通无阻，各种工艺条件是否容易控制和实现等。显然流程的可操作性，应当是设计流程时必须着重考虑的技术问题。在考虑流程的可操作性时，必然要涉及设备的可操作性。每一台设备的工艺条件都容易达到和容易控制而且性能稳定，即使在外界偶然因素的干扰下也能自动恢复到稳定状态。在此基础上才能考虑各设备间的合理配置和配合。此外，在考虑物料回收和热能综合利用方面，也应注意流程的可操作性，不要因为采用物料和热能的回收利用措施而影响流程的可操作性。流程的可操作性在工艺流程设计中目前还是一项难度较大的技术工作。高速运转设备，易受腐蚀设备，易结垢和被堵塞的设备，都会因容易损坏而降低了流程的可操作性。在流程设计时，还应考虑设置便于更换的备用设备，以便设备损坏时，能及时进行切换而保证流程的畅通。4、投资和操作费用在流程设计中考虑节省建设投资，首先体现在设备的选型上，应尽可能选用批量生产的定型标准设备，以及结构简单和造价低廉的设备。其次，在工艺技术路线方面，也应尽可能选用条件温和的工艺技术路线，以避免对设备的结构和材质提出过于苛刻的要求，同时也应避免对于厂房建筑提出特殊要求。从操作费用考虑，则应选择价廉易得的原料路线和低能耗的技术路线，而且希望操作条件温和、生产物料无毒、无腐蚀性和无爆炸性危险等，以降低原料消耗费用和能量消耗费用。5、安全在流程设计中应重视破坏性风险分析。这种分析通常是通过事故模拟试验的考察来进行的。从模拟试验中可以了解到事故发生的原因，产生的条件和后果，以及各种原因之间的内在关系。通过分析，可以确定所设计的流程需要承担的安全风险，找到防止危险的安全措施，并在流程设计中从设施上加以保证。6、环境和生态关于环境和生态主要考虑生产中“三废”排放对环境造成的污染和危害，应从流程设计中提出治理“三废”的措施，在建立生产装置时一并解决。第二节原料与工艺路线及操作方式一、分析与综合的基本概念分析与综合属于科学认识的思维加工方法之一。分析是把整体分解为部分，把复杂的事物分解为简单要素分别加以研究的一种思维方法。综合是在思想中把对象的各个部分、各个方面和各种影响因素结合起来考虑的一种思维方法。分析是一个由整体走向局部，由复杂走向简单的认识过程；综合则是一个由局部走向整体，由简单走向复杂，由抽象上升为具体，由一般进展到特殊的认识过程。分析是将一个已有的系统分开来研究，综合则是产生一个新的过程。二者相互作用，相互制约、相互促进。在化工过程开发中，分析过程是将原则流程图分解为若干子系统，子系统继续分解为若干操作单元，以确定每一个操作单元的输入、输出条件和设备；综合则是将分析得到的结果以一定的方式连接起来，构成一个完整的工艺流程，完成从原料到产品的转化。简单的说，分析确定操作单元的具体设备和工艺条件，综合确定总体结构。确定总体结构与选择单元设备是互相渗透、互相影响的，在开发中是一个交替进行，不断完善的过程。人们对化工过程的认识就是在分析-综合-再分析-在综合的过程中不断前进的。在化工过程开发中，涉及许多单元操作，有许许多多方案存在，采用分析与综合方法是为了产生比较合理的方案。二、比较方案筛选筛选是指按照一定的评价标准（技术、经济、环保、安全等）对可供选择的方案进行比较，逐步删除直至确定一个可行的方案。1、原料与工艺路线的选择一个新的化工生产过程，采用什么生产方法，即选用什么原料和工艺路线去获得预期的产品，对过程的技术经济指标有决定性的影响。在化工产品成本中，原料费用一般占有相当高的比例（60-70%），不同原料有不同的工艺路线，同一原料也会有好几种工艺路线，它们的技术经济指标也不相同。因此，必须通过对比，得出最佳方案。（1）原料路线的选择原料的选择必须考虑以下基本要求①技术可行性。选用的原料都必须首先满足预期的生产工艺并获得预期产品。②供需可能性。所用原料应有稳定可靠的来源，运输供应比较方便，能够满足企业当前生产和长远发展的需要。③经济合理性。原料价格应较低，以降低生产成本。同时也要考虑原料加工需要的投资和附加费用。④资源利用的合理性。从整体利益出发，根据国家的资源政策合理利用资源，并努力开拓合理利用资源的方法。例如：丙烯腈的合成，早期的合成路线是用乙炔和氰化氢在二氯化铜催化剂的水溶液中反应。C2H2+HCN→CH2=CHCN这条路线后来逐渐被丙烯氨氧化路线所取代。2CH2=CHCH3+2NH3+3O2→2CH2=CHCN+6H2O比较以上两条路线，首先是在生产成本上后者占优势，因为丙烯的价格比乙炔低很多，而氨的价格也比氰化氢低。其次该合成路线不用剧毒的氰化氢为原料。所以在丙烯腈的工业生产中后者逐渐取代前者而占绝对优势。（2）工艺路线的选择工艺路线和原料路线是紧密联系的。一般而言，工艺路线的核心是反应路线。因为确定了反应路线，反应的原料要求、反应操作条件、反应产品的组成和状态、原料和产品的分离精制要求也大体确定。选择工艺路线的基本原则仍然是原料供应的稳定性与经济合理性，技术的先进性和运行的可靠性，生产的安全性与对环境的无害性。选择工艺路线时，下列几点应该注意：尽量提高反应过程的原料利用率和目的产品的产率。避免出现过高或过低的温度和压力条件。避免过程中出现剧毒、高度敏感燃爆性或高度腐蚀性的物料。尽量缩短流程和减少生产环节。减少向环境中排放废物，实现物料在过程内部的闭合循环利用。研究多品种联合化生产的规律，实现多品种生产的产物与副产物的内部消化与互补。过程能量的充分利用，以降低能耗和单耗。催化反应耦合生产－丁内酯，2004糠醛1，4-丁二醇2-甲基呋喃丁内酯OCHOHOOH+OCH3OO++H2O-80.4kJ/mol反应条件：0.05MPa、200-230℃转化率：100％γ-丁内酯选择性96％2-甲基呋喃的选择性90％；提高10-15％江苏，张家港γ-丁内酯和2-甲基呋喃是重要的有机中间体，传统工艺采用1,4-丁二醇脱氢生产γ-丁内酯，且副产氢气，需加压回收或直接放空；采用糠醛加氢生产2-甲基呋喃，需制氢装置或购买氢气，增加了生产成本。中科院煤化所采用1,4-丁二醇脱氢与糠醛加氢耦合技术来合成γ-丁内酯及2-甲基呋喃，其原理是把加氢放热反应和脱氢吸热反应综合在一个反应器中，使得脱出的活性原子氢供给加氢反应，加氢反应释放的热量供给脱氢吸热反应，并且耦合过程产生的活拨原子氢可显著提高目的产物的选择性。耦合反应一套设备生产良种产品，使得反应流程简化，降低了生产成本。该技术的突出优势是：使反应成为原子经济反应，避免了氢气的消耗并提高了能量利用效率，大大降低了生产成本，是一个近零排放的绿色化工过程，对改造精细化工行业传统工艺具有重要的推广应用价值，相关技术获2005年国家技术发明二等奖。目前，该技术已成功应用于江苏七洲绿色化工公司和内蒙古伊化集团，与同等生产规模比较，降低了投资约45%，利润提高了约55%。（3）加工工艺选择工艺过程确定以后，进一步工作是选择加工工艺和确定具体的单元设备，实现所要求的功能。化学工程理论对各种单元操作进行了详细的阐述，为单元操作设备的选择与设计提供了基础，尽管如此，在选择单元操作设备工作中仍然会遇到许多困难。就单元操作理论成熟程度而言，流体输送、传热过程（换热器）、气液传质过程（塔设备）理论研究深入，工程放大比较可靠，相应的设计软件也发展较快。但是，非均相分离过程、热质传递同时存在的过程等理论研究还不够完善，设备种类很多，只有理论和实验研究相结合，才能做出恰当的选择。另外，新型分离技术发展很快，如膜分离、磁分离设备都已经进入工程应用阶段，加工工艺选择时应给予充分的考虑。（4）操作方式选择在流程设计之初，选择操作方式也是很重要的设计内容。A、生产规模从生产规模的大小考虑，一般生产能力大于4500t/a的生产装置，宜采用连续操作；而生产能力小于4500t/a的装置，则采用间歇操作的情况居多。这样的考虑除了产量小不