化工设计--第二章-1--2013综述

第二章 工艺流程设计 Chart 2 Process flow design 工艺流程设计的重要性： 工艺流程设计是化工工艺设计的核心。 工艺流程设计和车间布置设计决定整个装置的基本面貌； 工艺流程设计与设备的设计选型与布置，工艺计算和管路设计密 切相关。 工艺流程设计的过程： 工艺流程设计开始于可行性研究，完善于初步设计、扩大初步设 计和施工图设计各个阶段。 工艺流程设计贯穿于整个设计过程中，是由浅入深、由定性而定 量逐步分阶段地进行的。 工艺流程设计： 通过工艺流程图的形式，形象的反应了化工生产从原料进入到 产品输出过程 包括物料和能量的变化，物料的流向以及生产中所经历的工艺过程 和使用的设备仪表 工艺流程图概括了整个生产过程的全貌 2.1 生产方法和工艺流程的选择 2.2 工艺流程设计 2.3 工艺流程图 2.4 典型设备的自控方案 2.5工艺流程图计算机绘制软件 重点： 原料路线的选择；工艺流程选择及设计；工艺流程 图的类型。 难点： 典型设备的自控方案。 在化工产品成本中，原料费用一般占有相 当高的比例（如6070），不同原料自然 会有不同的工艺路线，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。 补充：原料路线的选择 l原料来源的可靠性 l化工生产过程大部分是连续生产，进行正常生产 的基本条件是原料的稳定供应。 l在选择原料时，必须考虑资源的储藏量是否丰富 ，开采和运输条件如何 l如果所用的原料是其它企业的产品时，则应考虑 该企业的发展前景，它是否能保证本企业的需要 原料路线的选择原则是什么？ l尽可能选择当地或附近的原料 l既可确保来源，又能减少运输费用和货运量。 l经济性 l经济性是指采用不同的原料路线所造成的经济效果，而 不能只看原料本身价格的高低。 在选择原料时，必须考虑该种原料是否符合技术要求 。 所选择的原料路线最好是没有副产物或副产物较少的 。 l 资源利用的合理性 l从整体利益出发，根据国家的资源政策合理利用资源 l也要努力开拓低品位矿产资源合理利用的方法。 当几种原料在原则上都符合以上要求时， 以选择投资少、成本较低，而劳动生产率较高的原料为宜。 举例：煤、石油和天然气是化学工业特别是有机化学 工业的基础矿产资源。上世纪三、四十年代以后，化 工生产逐渐由以煤为基础转为以石油为基础。 知道为什么吗 ？ 答案：就是由于石油是液态原料，开采和运输都 比较方便和经济，从性质上说含氢量较高，更宜 于用来生产有机化工原料，使生产经济性明显地 优于原来的煤化工生产。 技术可行性 经济合理性 供需可能性 工艺路线通常指生产方法。 可以用不同原料、不同生产方法，不同工艺流程生产同一产品。 化工设计中遇到的大多数是已有工艺路线的工艺流程设计。 工艺技术路线选择 在各种可能的工艺技术路线中，经过比较确定一条效果最好的 工艺技术路线为拟建项目采用。 此项工作是项目可行性研究工作的核心。 2.1 工艺路线的确定 一、确定工艺路线应考虑的因素 技术可行性实验室研究项目的工程化 经济合理性经济效益、社会效益和环境效益 原料的纯度及来源如矿石的品位等 公用工程中的水源及电力供应缺水地区 环境保护三废的产生和处理 安全生产从设备上、技术上、管理上保障安全 符合国家相关政策法规 以上各项一票否决，必须对各项仔细审查，以免造成重大损失。 二、工艺路线选择的原则 1. 先进性 指技术上先进和经济上合理可行，具体包括基建投资、产品成 本、消耗定额和劳动生产率等方面的内容，应选择物料损耗小、循环 量少，能耗少和回收利用好的生产方法。 2. 可靠性 指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。对于尚在试验阶 段的新技术、新工艺、新设备应慎重对待。 可靠性是工艺技术路线选择的首要原则。 在选择工艺技术路线时，应考虑获得此生产方法的技术资料是否有困难、特 殊设备的设计和加工制造是否可能，以及该种生产方法是否成熟等，决不能 把没有通过严格的科学鉴定的试验性工艺技术应用到生产性企业中。 如何判断工艺技术路线的可靠性？ 主要从流程是否通畅、生产是否安全， 工艺是否稳定，消耗定额、生产能力、产品 质量和三废排放能否稳定可靠地达到预定指 标来判断。 如何开展可靠性的评价？ 在可行性研究中，可以通过对已投产的同 类项目进行现场考察，并搜集较长时间的实际 生产数据来进行判断，不可只凭文献报道的资 料、数据或口说无凭的介绍来决定。 第一节 生产方法和工艺流程的选择 3. 合理性 结合国情中国是发展中国家 在工厂设计时不仅要从技术观点考虑，也应结合中国具体国情： (1) 中国人的消费水平及各种化工产品的消费趋势； (2) 中国化工机械设备及电气仪表的制造能力； (3) 中国化工生产所用的原材料设备所用金属材料供应情况； (4) 中国环境保护的有关规定和三废排放情况； (5) 劳动就业与化工生产自动化关系； (6) 资金筹措与外汇贮备情况。 在生产方法和工艺流程论证中需全面衡量，综合考虑三项原则。 技术上先进、经济上合理 三、工艺路线确定的步骤 1. 搜集资料，调查研究 搜集国内外同类生产厂的相关资料： 工艺路线的特点、投资情况、生产运营情况； 设备制造的难易程度及维修保养要求； 原材料和公用工程单耗、产品质量、三废治理； 安全和劳动保护措施等。 2. 原料路线的选择 根据当地资源情况，原料的运输情况，不同原料引发出来的反 应条件、转化率；不同原料主、副反应的产品是否满足需要等决定 原料路线。 几种工艺路线在国内外的采用情况及发展趋势； 产品的质量指标及产品规格情况； 生产能力及产品规格； 原材料、能量消耗情况； 建设费用及产品成本； 三废的产生及治理情况； 安全生产与劳动保护措施； 其他特殊情况。 3. 落实设备 4. 全面对比 确定工艺流程和生产方法 工艺流程设计在确定原料路线和工艺路线基础上，使操作过程和 选用设备型 式具体化的过程。 工艺流程设计成果工艺流程设计图。 2.2 工艺流程设计 工艺流程也称加工流程或生产过程，是按原材料投入到成品生产 顺序，连续地通过设备或管道进行的加工过程。 一、工艺流程设计的任务 确定生产流程中各生产过程的具体内容、顺序和组合方式由原 料制成产品； 绘制各设计阶段的工艺流程图图解的形式表示生产过程。 工艺流程设计应解决的问题： (1) 确定整个流程的组成； (2) 确定每个过程或工序的组成； (3) 确定操作条件；(4) 控制方案的确定； (5) 合理利用原料及能量； (6) 制定三废的治理方法。 (7) 制定安全生产措施。 二、工艺流程设计方法从工艺角度进行流程设计 一般工艺流程部分为四个重要部分，即：原料预处理、反应过程、 产物的后处理(分离纯化)、三废处理。 原料 原料 贮存 进料 预处理 反 应 产品 分离 产品 精制 贮存 包装 产品 工艺流程设计须以反应过程为中心。 反应器类型及操作方式 (连续、间歇)反应的动力学特性、物料 特性、工艺条件 能量供给、移出方式反应器结构设计和辅助设施。 催化反应催化反应方式和催化剂的选择。 确定主反应装置，可参考文献、资料、中试结果或已工业化装置。 (2) 原料预处理过程 主反应对原料提出要求：如纯度、温度、压力以及加料方式等。 (1) 确定主反应装置 (3) 产物后处理 副反应的发生乙烯裂解反应物 受反应时间或化学平衡限制，产物中存在过剩组分如合成 NH3、尿素过程中，过量H2、NH3 有害杂质净化合成气的脱硫、脱碳 产物中有复杂的聚集状态，也增加了后处理过程。 预热(冷) 汽化 干燥 粉碎筛分 提纯精制 混合 配制 压缩等 根据原料性质、处理方法不同可 选不同的装置及输送方式。 如连续催化重整装置的原料预处 理过程：泵送、换热、加热炉加 热、预加氢、预脱砷和预分馏等 。 (4) 三废处理 三废：废气、废液、废渣 所含有害物质在排放前应该达到排放标准相关政策法规! 尽量综合利用，变废为宝； 污染问题不解决，不允许投产。 (5) 其他相关措施及设计 确定公用工程的配套措施动力电、水、蒸汽、压缩空气、冷 冻、电热、氮气等。 确定操作条件和控制方案控制方案和控制仪表。 制定安全生产措施对开车、停车、长期运转及检修中，可能 存在的不安全因素进行分析，制订切实可靠的安全措施。 保温、防腐的设计对需要保温、防腐的设备进行设计。 化工设计电子课件 三、工艺流程设计的基本方法 方案比较 基本前提 原始信息不变 温度 压力 流量 流速 判断依据 产品收率 原材料单耗 能量单耗 产品成本 工程投资 环保、安全 、占地面积 等 化工设计电子课件 硝化 分层 混酸 氯苯 废酸 层 出售 硝基 物层 送精制 硫酸 未反应硝酸 硝基氯苯 硝化 分层 混酸 废酸 层 出售 硝基 物层 送精制 萃取 分层 氯苯混合 料 萃取废 酸层 图1. 硝化-分层方案 图2. 硝化-分层-萃取方案 已知混酸组成：HNO3为47%，H2SO4为49%，H2O为4%。氯苯与混酸中的 HNO3的摩尔分数为1:1.1。硝化温度为80，硝化时间为3h，硝化废酸 中含硝酸1.6%，含混合硝基氯苯为获得混合硝基氯苯量的1%。 实例比较：用混酸硝化氯氯苯，制备备混合硝基氯氯苯。 2.3 工艺流程图 一、流程图的分类和用途 1. 方框流程图（block flowsheet） 根据选定工艺路线，对工艺流程进行概念性设计时完成的流程图，不 编入设计文件，多用于项目建议书、可行性研究报告等。 一般用方框、文字表示一个单元，用箭头表示物流方向，表示化学加 工过程的轮廓。 工艺流程图把各个生产单元按照一定的目的要求，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。 不同设计阶段流程图的内容、重点和深度也有所不同。 定性标出由原料转化成产品的变化、流向以及所采用的各种化工单 元及设备，供设计开始时工艺方案讨论。 2. 工艺流程草图（simplified flowsheet） 设计初始阶段用来表达整个工厂或车间生产流程的图样，不编入设计 文件。 图2-1 脱硫系统工艺方案流程图 1一罗茨鼓风机；2一脱硫塔；3一氨水槽；4-1、4-2一氨水泵； 5一空气鼓风机；6一再生塔；7一除尘塔 物料流程：全部物料和一部分动力 的流程管线，其流向用箭头表示，并 加以必要的文字说明（如原料自贮糟 来，废水去下水道等）。 图例： 图例中只须标出管线图例 。阀门、仪表等无须标出。其位置一 般在图纸的右上方。 设备一览表：设备一览表的作用一 般是表示出工艺流程图中所有设备的 名称、数量、规格和材料等，其位置 一般在图纸的右下方、图签的上部， 由下往上写。 3. 工艺物料流程图（process flowsheet） 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 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设计档案资料。 工艺物料流程图中： 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；用箭 头表示物流方向，标注工艺设备位号和名称； 用表格表示出各物流的T、p、Vs、组成；在有热量变化的设备 旁，标出热量计算值。 物料表包括物料名称、质量流量、质量分数、摩尔流量和摩尔分 率。有时还列出物料的某些参数如温度、压力、密度等。 完成设备设计计算，确定控制方案，即可绘制初步设计阶段带控制点 工艺流程图。并作为设计成果编入初步设计阶段的设计文件中。 在带控制点的工艺流程图中： (1) 用图例