第2章工艺流程设计

设计前的准备车间布置设计设计任务书车间平面及立面布置图工艺方案设计物料衡算能量衡算设备工艺设计及选型控制方案的确定工艺流程方案图物料平衡图消耗定额及“三废”排放量能量消耗综合表定型设备一览表非定型设备条件表带控制点的工艺流程图概算、经济分析编写设计说明书概算书、投资表、材料表设计说明书化工工艺计算管道设计管道布置图第2章工艺流程设计北京理工大学化工与环境学院赵芸工艺流程设计的任务:•确定生产流程中各个过程的具体内容、顺序和组织方式、操作条件、控制方案，确定三废治理方案，确定安全生产措施，达到加工原料以制得所需产品的目的•在工艺流程设计的不同阶段，绘制不同的工艺流程图。内容•工艺路线的选择•工艺流程设计•工艺流程图的绘制•典型设备的控制方案2.1工艺路线的选择工艺路线：生产方法1.生产方法概述各种生产方法的工艺流程简述、主要化学反应过程和物理处理过程的设备、操作方法并配以主要工艺条件等内容2.生产方法的比较先进性、可靠性、经济效益、生产安全、环保、投资、关键设备等3.生产方法的确定权衡利弊、结合国情、因地制宜2.1.1工艺路线选择原则:•先进性：技术先进、经济合理生产能力，原辅材料和水电气等单耗，产品质量，劳动生产率，投资、占地面积、产品成本及投资回收期，三废治理，安全生产•可靠性：技术成熟程度具备工业化生产•结合国情，因地制宜2.1.2工艺路线选择工作步骤•搜集资料，调查研究•落实关键设备•对各种生产方法进行技术、经济、安全性等方面的全面比较•对选定生产方法做适当修改满足产品性能规格的要求，采用新技术和新工艺，选用的工艺路线必须具备工业化生产条件，对各项技术指标比较，考虑连续化问题，考虑装置大型化问题，三废处理，提高自动化水平，尽量利用计算机进行生产控制和管理2.2工艺流程设计2.2.1工艺流程设计原则：1.尽可能采用先进设备、先进生产方法及成熟的科学技术成就；2.充分利用原料，努力提高原料利用率，提高生产率，采用高效率的设备，降低原料消耗及水、电、汽消耗，降低生产成本、投资和操作费用；3.确保安全生产，以保证人身和设备的安全，充分预计生产故障，以便及时处理，保证生产的稳定性；4.尽量减少三废排放量，有完善的三废治理措施，以减少或消除对环境的污染，并做好三废的回收和综合利用；5.生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产、高产。2.2.2工艺流程设计解决的问题：1.确定整个流程的组成工序，每个单元过程的任务，工序之间如何连接；2.确定每个过程或工序的组成设备形式及数量，设备之间连接，设备作用；3.确定操作条件4.确定控制方案控制仪表，采样、放净、排空等设施；5.合理利用原料及能量，计算整个装置的技术经济指标确定水、电、蒸汽和燃料消耗6.确定三废治理方法7.制定安全生产措施开车、停车、长期运转、检修不安全因素设置安全间、阻火器、事故槽等三废处理工业废水处理：化学处理法：生成沉淀，降低离子浓度活性污泥处理法：生物氧化法，将有机物分解氧化为稳定的无机物（二氧化碳和水）酸碱中和法：碱性废水：利用工厂废酸，烟道气中的CO2酸性废水：石灰石、白云石、石灰煅烧处理法：既有有机物质、又有无机成分的酸性废水工业废气的回收处理H2S(用石灰水吸收),SO2（NH4HSO335%和(NH4)2SO310%配成的溶液吸收）副产物的综合利用2.2.3工艺流程设计内容：1操作方式间歇、连续、半连续2操作顺序3设备选型经济技术效果、安全、操作方便、能源提供4物料输送泵、压力、真空、位差5压力及真空系统的操作控制控制点、平衡管、液封等6作出工艺流程示意图并进行工艺流程叙述7列出需用设备表（流程号、名称及备注）2.2.4工艺流程设计步骤•首先进行概念设计：根据反应式或一个过程设计出方框流程图，在流程框图的基础上进一步以设备形式定性地表示出各个过程的单元生产路线以及各物流的流向，逐步修改完善设计出工艺流程草图。•工艺流程草图：设备示意图、设备流程号、主要物料及主要动力的流程管线及流向箭头以及必要的文字注解；•工艺流程草图进一步修改完善设计出初步设计阶段的工艺流程图，经物料计算后，设计出工艺物料流程图。•设备计算结束时，开始绘制初步设计阶段的管道及仪表流程图；•当车间设计结束，进一步修改流程图后才能最后画出正式的施工图设计阶段的管道及仪表流程图。•工艺流程设计：由浅入深、由定性到定量、分阶段进行设计。2.2.4.1 概念设计阶段工艺流程设计•将工艺路线流程化，完善流程，进行多方案比较，最后选择一种最佳方案。•1.工艺路线的流程化典型化工工艺流程：原料贮存原料预处理反应产品分离产品精制包装原料产品•原料贮存：保证生产需要。•液体、气体原料：贮罐•固体：料仓、料场•原料预处理：•反应对原料性质及规格有一定要求：纯度、温度、压力、加料方式分子筛脱水塔液相丙烯脱氧塔•反应：核心•将预处理后的原料放至反应器中，按照一定工艺操作条件制得所需产品。•同时副产物生成•产品分离：•将产品、副产品与未反应的原料分离。•转化率低，经分离后未反应的物料再循环返回反应器进一步转化以提高收率。精馏塔•产品精制：合格产品，满足用户要求•包装和运输：•气体：钢瓶装运•液体：桶或散装槽类（汽车槽车、火车槽车、槽船）•固体：袋型包装、纸桶、金属桶工艺路线流程化的方法•确定主反应过程连续操作间歇操作•根据反应要求，决定原料准备过程和投料方式•根据产品质量要求和实际情况，确定产物净化分离的过程•产品的计量、包装或后处理工艺过程•副产物处理的工艺过程•三废排出物的综合治理流程•确定动力使用和公用工程的配套2. 工艺流程的进一步丰富和完善•完善充实物料的输送装置•提高原材料的转化率和利用率•充分利用溶剂和未转化的物料•尽量节省能量•产品的净化过程力求完善，尽量满足各种要求•考虑设备之间的衔接和配套，并使操作富有弹性•考虑三废的综合利用•考虑开车、停车、维修、分析测试、安装、事故等方面的问题2.2.4.1 概念设计阶段工艺流程设计3. 工艺流程的简化•采用先进技术，使主反应适应性增强，原料处理简化；•采用先进技术和先进装置，灵活运用化工单元操作，使产物分离净化流程简化•使公用工程和能源动力消耗归一和简化•制定流程中各装置的操作条件和控制方案•工艺流程方案比较2.2.4.1 概念设计阶段工艺流程设计2.2.4.2 初步设计阶段工艺流程设计•在概念设计基础上，将流程深化，即对工艺流程和各单元操作深入细致地加以完善。•量化设计1. 初步设计内容•流程能力、操作弹性和设备设计生产能力，年工作日和生产时间、维修时间、保养维护时间，有一定操作弹性；设备设计时，当某些化工装置尚不适应大型化，考虑平行的两条或多条反应线。•工艺操作条件的确定和流程细节安排•操作单元装置的衔接和辅助装置的完善•确定操作控制过程中各参数控制点2.初步设计阶段工艺流程设计要求•确定出内容具体、量化的、设备有基本尺寸的工艺流程•完成初步设计阶段的工艺流程图:工艺流程图工艺物料流程图管道及仪表流程图2.2.4.2 施工图设计阶段工艺流程设计•以初步设计阶段的工艺流程为基础，进一步为设备、管道、仪表、电气、公用工程等工程的施工安装提供指导性设计文件。•在初步设计方案的基础上，完善管道和仪表的设计，各种物料、公用工程、全部设备、管道、管件、阀门、全部控制点、检测点、自动控制系统装置及其管道、阀门设计。•管道及仪表流程图。施工的依据。管道及仪表流程图内容:•绘出工艺设备一览表中所列全部设备,并标注其位号;•绘出和标注全部工艺管道以及与工艺有关的一段辅助或公用系统管道,包括阀门、管件和管道附件；•绘出和标注全部检测仪表、调节控制系统、分析取样系统；•成套设备的供货范围；•特殊设计要求：液封高度、管线坡向和坡度….；•设备和管道的隔热类型。2.3 工艺流程图的绘制•用图解的形式表达生产过程:用统一的图形,线条,和必要的文字说明表达工艺流程中的设备,管线,物料性质,流向.•设计阶段:方框流程图,工艺流程草图,工艺物料流程图,管道及仪表流程图.2.3.1方框流程图和工艺流程草图方框流程图(block flowsheet)概念设计阶段反应过滤结晶离心硫酸氧化铜滤液产品母液生产硫酸铜的方框流程图生产硫酸铜的工艺流程草图2.3.1方框流程图和工艺流程草图工艺流程草图(simplified flowsheet)定性标出物料由原料转化成产品时的变化，流程顺序及生产中采用的各种化工过程与设备。概念设计阶段供化工工艺计算和设备订货使用生产硫酸铜的工艺流程草图2.3.2工艺物料流程图（工艺流程图）(processflowsheet diagram, PFD)物料衡算和能量衡算完成后反映化工计算的成果，使设计流程定量化内容：设备图形、物流管线、物料平衡表和标题栏初步设计阶段提交设计主管部门和投资决策者审查煤气脱硫工序工艺物料流程图硫酸镁法制取浓硝酸物料流程图设备表示方法：•设备图形按设备外形绘制，不必精确，简化绘制•细实线•标注设备位号及名称设备位号：设备代号及设备编号设备代号：英文单词的第一个字母设备编号：四位数字，前两位表示设备所在工段（车间），后两位表示同类设备的顺序编号如R0318A设备类型代号设备类型代号贮罐塔器反应器换热器工业炉压缩机、风机VTRESC泵起重设备过滤机称量设备火炬PLMWF常用设备代号如R0318A物流管线表示方法•设备之间流程线用带箭头的粗实线表示，箭头尽量标注在设备的进出口处或拐弯处•进出装置（车间）界区的管道用管道的界区接续标志来标明，连接管线上或下方标明自（或去）的装置名称和接续界区的管道号•标出各物流点的编号物流管线表示方法•在装置界区内部，每张图纸进出的物流管线的始端或终端，连接32mm*45mm或20mm*30mm的长方框，框内依次注明介质的名称、来自何处或去向何处的设备位号、衔接的图号长方框放在流程图下端且设备位号上方•辅助物料和公用物料连接管只绘出与设备相连接的一小段管，箭头表示进出流向，注明物料名称或用介质代号表示工艺数据的表示•温度、压力、流量、换热量、物流点号物料平衡表序号组分分子式分子量物流点编号物流点编号物料名称物料名称kg/hwt%Kmol/hmol%kg/hwt%kmol/hmol%1234-合计1温度2压力3密度4黏度2.3.3 管道及仪表流程图piping and instrument diagram, PID•设备计算结束、控制方案确定后•表示出全部工艺设备、物料管道、阀件、设备辅助管道及工艺和自控的图例、符号管道及仪表流程图内容•图形：将生产过程中全部设备的简单形状按工艺流程次序，展示在同一平面上，配以连接的主辅管线及管件、阀门、仪表控制点符号•标注：设备位号及名称，管段编号、控制点代号、必要的尺寸、数据•图例：代、符号及其他标注的说明•标题栏、修改栏：注写设计项目、设计阶段、图号等，便于图纸统一管理。注写版次修改说明。管道及仪表流程图示例管道及仪表流程图示例绘制的规定及要求•比例、图幅、字高•图中字号、字体高度应符合表中规定。汉字高度不宜小于2.5mm书写内容推荐字号（mm）图标中的图号及视图符号7工程名称5图纸中的文字说明及轴线号5图纸中的数字及字母3、3.5图名7表格中的文字5表格中的文字（格子小于6mm时）3.5设备画法、相对位置及标注画法•设备图形用细实线画出•设备图形外形和主要轮廓接近实物，显示设备主要特征•隔热设备：一段隔热层图例，伴热管•设备排列顺序符合实际生产过程，按主要物料流向从左到右画出设备画法、相对位置及标注•相对位置位差要求：绝对比例其他：相对高度•标注位号及名称引出线法P0301A中间泵管道表示方法•管道画法线形规定：粗线0.9‐1.2mm           主要工艺物料管道中粗线0.5‐0.7mm辅助物料管道细实线0.15‐0.3mm仪表管道平行线间距大于1.5mm类别图线宽度/mm备注O.9～1.2O.5～0.7O.15～O.3工艺管道及仪表流程图主物料管线其它物料管线其它辅助管道及仪表流程图公用系统管道及仪表流程图辅助管道总管公用系统管道总管支管其它设备布置图设备管