2.2　工艺流程设计

2.2.1　一般的工厂工艺流程

一个典型的工艺流程一般可由多个单元组成，如图2-1所示。图中所示的各单元在生产过程中的作用，产品不同会有一些的变化。

（1）原料贮存

原料贮存要保证原料的供应与生产的需求相适应。在一般的生产中，贮存量主要根据原料来源、运输方法（如空运、海运、铁路运输及公路运输）、原料的物理化学性质（如液体、固体、易燃易爆等）以及运输所需要的时间决定，一般要求贮存量为几天至三个月。对自己企业可以供应的，通常除在生产产品处有贮存量外，在车间也要有一定贮存量作为缓冲。

（2）原料加工与提纯

若原料纯度不符合要求，需要进行处理。有的原料纯度不高，通常要经过分离、提纯；有些原料需要溶解或熔融后进料；固体原料往往需要破碎、磨粉及筛分。

（3）化学反应

反应是高分子合成生产的心脏。将原料放置反应器中，按照一定的工艺操作条件，得到合格的产品。反应过程中，也难免生成一些副产物或不希望获得的化合物。

（4）产品分离及提纯

反应结束后，需要将产品、副产物与未反应的物料进行分离。如果转化率低，经分离后物料可再循环返回反应器进一步转化以提高收率。在此阶段，可得到副产品。

一般产品需要经过提纯使之成为合格产品，以满足用户的要求。如果所得到的副产品具有经济价值，也可以经提纯后出售。

（5）包装和运输

液体一般用桶或散装槽类（如汽车槽车、火车槽车或槽船）装运。固体可用袋型包装（纸袋、塑料袋）、纸桶、金属桶等装运。产品贮存量取决于产品的性质和市场情况。

一个工艺过程除了上述的各单元外，还需要有公用工程（水、电、气）及其他附属设施（消防设施、辅助生产设施、办公室及化验室等）的配合。

初学设计的人们对工艺流程设计不够重视，认为只要画图就可以了，其实这是对流程图的作用和意义的认知太低了。工艺流程设计和车间布置设计是决定整个车间（装置）基本面貌的关键设计，对设备设计和管路设计等单项设计也起着决定性的作用。当生产工艺路线选定之后，留给流程设计上的任务很重且很复杂。

在设计流程时，为了能够实现优质、高产、低消耗和安全生产，首先要考虑操作方式，是连续操作还是间歇操作。

按照一般的规律，连续操作比较经济合理。这是因为连续操作具有如下的优点。

①设备紧凑，费用省，可减少基本建设投资及维修费用。

②由于操作稳定，易于自动控制，可使操作高度机械化、自动化，减少手工劳动，提高生产效率。

③减少开车、停车次数，使产品均匀，有利于产品质量的提高，减少对能源的浪费。

间歇操作在工业上并不完全被遗弃，因其具有如下的优势。

①易于更换产品品种，产品多样，适应经常变化的市场。

②由于数据不全或其他技术问题，连续操作设备尚未成熟时，间歇操作设备研究成本较低，容易得到可靠的工艺数据。

③设备利用率高，同一设备可进行几个产品的生产。

在不少情况下，采用连续和间歇的联合操作。如在高分子材料成型加工过程中，工程中的大多数采用连续操作，少数为间歇操作，中间采用缓冲贮罐衔接，这在技术和经济上也较合理。

当操作方式确定后，还要考虑下列问题。

①必需的工业化生产概念　如液体物料的混合，在实验室里只要将几种物料人工倒进烧杯里搅匀即可。但简单的混合过程在高分子材料加工生产并不简单，因为要考虑到一系列的问题，如首先要有混合槽，为使混合均匀还需要均化器、调配罐，有时需要在一定的温度下操作，还需要考虑到将混合好的物料输送到指定贮罐内等。

②辅助流程　根据生产方法，确定了主要生产过程及设备，还需要根据主要生产过程及设备进一步确定配合主要生产过程所需的辅助过程及设备。如合成聚酯时，乙二醇回收系统中，除了要考虑蒸馏塔本身外，尚需考虑进料方式（泵送还是靠液位差送），进料是否需要预热，塔底残液的排除与贮存，塔顶蒸汽的冷凝及回流分布，塔顶冷凝下来的甲醇、水分和乙二醇的贮存等。

③重力流程　重力流程是指借助两个相邻设备在空间位置上的差异，使物料借自身重力作用流到下面设备的流程。设备的相对高低位置对连续操作程度、动力消耗、厂房展开 、劳动生产效率等都有直接和间接关系。设计流程时，尽可能采用重力流程。但也要考虑车间布置和厂房建筑的合理性。因此，在保证工艺流程合理的原则下，应适当减少厂房的层数，减少建筑费用。

④在设计流程时，应了解设备中的压力差　从压力高的设备向压力低的设备中自然流动。从减压设备中出料时，必须采取相应措施，例如采用相应高度的液封等。

⑤物料输送方式的考虑。（具体见后）

⑥产品的包装　有些产品是下一工序的原料，有些可直接作为商品。作为商品的产品需包装后进行销售，根据产品聚集状态及物料性质选择不同的包装方式，如对气体进行计量灌装，液体进行桶装或槽车，固体包装堆放。因此，需要筛选、包装、计量、贮存、输送等过程。

⑦“三废”排出物的处理　在生产过程中，不得不排放的各种废气、废液和废渣，应尽量综合利用，变废为宝，加以回收。无法回收的应妥善处理。“三废”中如含有有害物质，在排放前应该达到排放标准。因此，在化工开发和工程设计中必须研究和设计治理方案和流程，要做到“三废”治理与环境保护工程、“三废”治理工艺与主产品工艺同时设计，同时施工，而且同时投产运行。按照国家有关规定，如果污染问题不解决，是不允许投产的。

⑧公用工程的配套　在生产工艺流程中必须使用的工艺用水（包括作为原料的软水、冷却水、溶解用水以及洗涤用水等）、蒸汽（原料用汽、加热用汽、动力用汽及其他用汽等）、压缩空气、氮气等以及冷冻、真空都是工艺中要考虑的配套设施。至于生产用电、上下水、空调、采暖通气都是应与其他专业密切配合的。

⑨操作条件和控制　一个完善的工艺设计除了工艺流程以外，还应把投产后的操作条件确定下来，这也是设计要求。这些条件包括整个流程中各个单元设备的物料流量（投料量）、组成、温度和压力等，并且提出控制方案（与仪表控制专业密切配合），以确保能稳定地生产出合格产品来。

安全生产　在工艺设计中要考虑到开停车、长期运转和检修过程中可能存在各种不安全因素。根据生产过程中物料性质和生产特点，在工艺流程和装置中，除设备材质和结构的安全措施保障外，在流程中应在适宜部位上设置事故槽、安全阀、放空管、安全水封、防爆板、阻火栓等以保证安全生产。

2.2.2　工艺流程图

工艺流程图就是把各个生产单元按照一定的目的和要求，有机地组合在一起，形成一个完整的生产工艺过程，并用图形描绘出来，展示出各设备之间的种种关系。当生产方法确定后，即可开始进行工艺流程图的设计。

由于生产工艺流程非常复杂，各方面都有牵连。因此，它不可能一气呵成，它贯穿于整个设计过程，需要由浅入深，由定性到定量，逐步分阶段进行。不同设计阶段流程图的内容、重点和深度也有所不同。

（1）方框流程图

方框流程图是在工艺路线选择确定之后，工艺流程进行概念设计时完成的一种流程图，将主要工艺步骤或单元操作，用一方框表示，方框内注明名称和主要操作条件，同时用主要的物流线将各方框连接起来。方框流程图的主要作用是：定性地表明原料变成产品的路线和顺序，以及应用的过程及设备。

方框流程图绘制要求：用细实线绘制矩形框，用粗实线加箭头表示出主要物流方向，并加上必要的文字注释。如图2-2所示。

（2）工艺物料流程图

完成物料衡算和热量衡算后，以图形与表格的形式反映物料衡算和热量衡算的结果，即绘制工艺物料流程图。如图2-3所示。

工艺物料流程图列入初步设计阶段的设计文件，为设计审查提供资料；也作为生产操作和技术改造的参考资料，归入设计档案资料。

工艺物料流程图是在物料计算前设计，它只是定性地标出物料由原料变成产品的来龙去脉（路线）、采用的各种加工过程及设备，一般应包括物料流程、图例、设备一览表等内容。

工艺物料流程图绘制要求如下。

①采用常用图例表示出主要工艺设备及部分关键的辅助设备。由于在此阶段尚未进行物料计算和设备设计，不可能按比例画出设备示意图，只需按照设备的大致几何形状画出，甚至方块图也可，而且设备的相对高低位置也不要求精确。设备示意图用细实线绘出。

②用粗实线及箭头表示物料的流动方向，动力（水、汽、压缩空气、真空等）的一部分流程管线用中粗线及箭头表示。

③标注工艺设备位号和名称。

④用表格列出各物料的物料名称、质量流量、质量分数、摩尔流量和摩尔分率。

⑤标示出主要工艺数据，如温度、压力和流量等。

⑥在有热量变化的设备旁，标出热量计算值。

⑦图例　只要求标出管线图例。至于阀门、仪表等无需标出。

⑧设备一栏表　包括序号、流程号、设备名称和备注。

⑨标题栏。

工艺物料流程图由左至右展开，先物料流程，再图例。最后设备一览表。在绘图技术上，不要求精工细作，但是技术路线上不能马虎，要多花时间，仔细研究。

（3）生产工艺流程草图

当生产工艺物料流程图设计结束后，要着手物料计算。物料计算的结果会有：原料、半成品、成品、副产品、与物料计算有关的废水和废物等的规格、重量和体积等数据。根据这些数据就可以开始设备设计。设备设计可以分为二个阶段。当第一阶段设备设计完成后，即可进行生产工艺流程草图的设计。

第一阶段的设备设计一般包括：计算和选定贮存设备的容积，选定定型设备和标准设备及其台套数，确定非定型设备的形式、台数和主要尺寸等。

通常能量计算和第二阶段的设备设计要着重解决化工过程的技术问题（如过滤面积、传热面积、干燥面积、蒸馏塔塔板数等）以及加热剂和冷却剂用量等。至此所有设备的主要技术参数与台套数均已经知晓。于是据此修改和补充生产工艺流程草图，得出正式的生产工艺流程图。

生产工艺流程草图的内容与工艺物料流程图是不同的。前者是定量的，后者是定性的。生产工艺流程草图一般包括物料流程、图例、设备一览表、图签、图框等内容。

1）物料流程

①厂房各层地平线及标高；

②设备示意图。须按比例画出设备外形尺寸、设备进出管口位置等；

③设备流程号；

④物料及动力管线及流动方向；

⑤必要的设备及管件。如，管道过滤器、冷凝水排除器、管线上的主要阀门等；

⑥必要的计量-控制仪表。如，转子流量计、玻璃计量管、温度表、压力表、真空表等；

⑦必要的文字注解。标出物料的名称、来源及去向、设备的编号和名称等。如废水去下水道、半成品去向。

2）图例

图例是将物料流程中画出的有关管线、阀门、设备附件、计量-控制仪表等图形用文字予以对照。各种管线、阀门、附件、仪表的图例见表2-8。在施工图设计阶段图例要更加详细。

3）设备一览表

设备一览表的作用是表示物料流程中所有设备和名称、数量、规格、材料等。设备一览表列在图签上部，由下往上写。它包括序号、位号、设备名称、设备规格、设备数量、设备材料和备注。

4）图签及标题栏

图签的作用是表明图名、设计单位、设计制图审核人员签名、图纸比例尺（见表2-1）、图号等。列在流程图右下角。

5）图框

图框是指图纸上限定绘图区域的线框。图纸上必须用粗实线画出图框。图框格式有留装订边和不留装订边两种（如图2-4、图2-5，表2-1所示），但同一产品图样只能采用一种格式。

当设备设计和生产流程草图设计结束后，便可着手车间布置设计。在进行车间布置设计时，可能会发现生产工艺流程草图设计中某些设备的空间位置不合适，或个别的设备形式和主要尺寸确定不当，此时可做部分修整，最后得出工艺管道及仪表流程图，作为正式的设计成品。

（4）工艺管道及仪表流程图

工艺管道及仪表流程图，又称施工流程图或带控制点的工艺流程图，与之配套的还有辅助管道及仪表流程图、公用系统管道及仪表流程图。它是由工艺人员和自控人员合作进行绘制的，在初步设计和施工图设计中都要提供这种图样。

工艺管道及仪表流程图是在工艺物料流程图和生产工艺流程草图基础上绘制的。在完成设备设计计算，确定控制方案后，即可绘制，作为设计成果编入初步设段的设计文件中。

工艺管道及仪表流程图是工程项目设计的一个指导性文件，是设备布置和管道布置设计的依据，并可供施工、安装、生产操作时参考。所以工艺管道及仪表流程图中要包括所有机械设备、仪表控制点、阀门、重要管件等。

工艺管道及仪表流程图绘制要求：工艺管道及仪表流程图与工艺流程草图的内容要完全相同，但在绘图技术上要求精工细作，要绘出全部设备示意图、设备位号、名称、接管口；标出管道代号、管道流程线、管道规格、阀门和仪表控制点（测温、测压、流量、自控及分析点）；必要的说明及阀门、管件、仪表控制点的图例。