第二章工艺流程设计

化工设计DesignofChemicalEngineering1第二章工艺流程设计•工艺流程设计概述•工艺流程图•化工典型设备的自控流程化工设计DesignofChemicalEngineering2学习目的和要求：★目的：用图解形式来表达整个生产工艺过程.★要求：熟悉工艺流程选择的原则及其设计方法；掌握工艺流程图包括的内容：比例与图幅、设备的表示方法、管道的表示方法、阀门与管件的表示方法、仪表控制点的表示方法；掌握工艺流程图、设备图的绘制方法及阅读。化工设计DesignofChemicalEngineering3§2-1工艺流程设计概述•工艺流程设计的原则•工艺流程选择的任务•生产方法和工艺流程设计的步骤•工艺流程设计的方法化工设计DesignofChemicalEngineering4工艺流程设计和车间布置设计是决定整个车间基本面貌的关键性步骤，工艺流程设计是工艺设计的核心；工艺流程设计是在确定原料路线和工艺技术路线的基础上进行的；所谓工艺技术路线就是把原料加工成产品的方法。其内容包括：工艺流程、生产方法、工艺设备、技术方案。化工设计DesignofChemicalEngineering52.1.1生产方法和工艺流程选择的原则现代化工的“三大支柱”：化工工艺、自动控制、材料，决定了化工装置的先进性、可靠性、经济性和可行性.化工设计DesignofChemicalEngineering6例1：美国20世纪50年代为了搞“继电器接点电路合成研究”，曾联合几家实验室研究了5年、耗资50万美元，完成后发表成果时，才发现该项目早已被其他人完成；例2：二十世纪80年代，上海某保温瓶厂研究以镁代银涂层，花了十年时间才试验成功，然而国外早在1930年就有该项目的专利报道。1．先进性先进性是指在化工设计过程中技术上的先进程度和经济上的合理可行。2.1.1生产方法和工艺流程选择的原则化工设计DesignofChemicalEngineering72．可靠性可靠性主要是指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。应当坚持一切经过试验的原则，不允许把未来的生产工厂当作试验工厂来进行设计。另外，要考虑原料供给的可靠性，对于一个建设项目，必须保证在其服务期限内有足够的、稳定的原料来源。2.1.1生产方法和工艺流程选择的原则化工设计DesignofChemicalEngineering8①中国人民的消费水平及各种化工产品的消费趋势；⑥资金筹措和外汇贮备情况。③中国化工生产所用的化工原材料及设备用金属材料的供应情况；②中国化工机械设备及电气仪表的制造能力；④中国环境保护的有关规定和化工生产中三废排放情况；⑤劳动就业与化工生产自动化水平的关系；3．合理性化工设计DesignofChemicalEngineering92.1.2生产方法和工艺流程设计的步骤3•(1)搜集资料，调查研究路线的发展情况与动向等）（技术路线特点、工艺参数、原材料和公用工程单耗、产品质量、三废治理以及各种技术化工设计DesignofChemicalEngineering10①国内外各种生产方法及工艺流程，生产现状与发展规划；②原料来源、产品特点及应用情况；③试验研究技术报告；④综合利用及三废处理情况；⑤生产技术的先进程度（水平），生产连续化、自动化程度；⑥安全技术、劳动保护与卫生措施；⑦生产设备的大型化及制造、运输情况；⑧基本建设投资和产品生产成本，车间（装置）占地面积；⑨水、电、汽、燃料的用量及供应，主要基建材料的用量及供应；⑩厂址、地质、水文、气象等资料，工厂环境与周围的情况。资料收集与整理的内容主要包括以下几个方面：化工设计DesignofChemicalEngineering11(2)落实设备—设备类型与制造厂商(3)全面对比—对调研结果进行全面分析对比（分为三种类型：国内已有定型产品；需要进口；国内需重新设计制造）化工设计DesignofChemicalEngineering12全面分析对比的主要内容：⑤建设费用及产品成本；③生产能力及工艺技术情况；②产品的质量指标及产品规格情况；①几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；④原材料、能量消耗情况；⑥三废的产生及治理情况；⑦安全生产与劳动保护措施;⑧其他特殊情况化工设计DesignofChemicalEngineering132.1.3工艺流程设计的任务2．绘制工艺流程图1．确定生产流程中各个生产过程的具体内容、(5)合理利用原料及能量；顺序和组合方式(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；(7)制定安全生产措施。(6)制定三废的治理方法；7化工设计DesignofChemicalEngineering14(1)确定整个流程的组成例如合成氨生产工艺：己内酰胺生产工艺：化工设计DesignofChemicalEngineering15(2)确定各个过程或工序的组成例如:合成氨工艺中的变换工段：碱洗：CO2+NaOH→Na2CO3+H2O变换反应：CO+H2O→CO2+H2水洗：CO2+H2OH2CO3化工设计DesignofChemicalEngineering16(3)确定操作条件1）温度；2）压力；3）组成；4）反应的转化率ⅱ）精馏塔工艺参数的确定ⅰ）反应器操作参数的确定1）塔压(实质上是塔顶塔釜温度选取的问题)；2）回流比；3）产品纯度和回收率；化工设计DesignofChemicalEngineering17化工设计DesignofChemicalEngineering18化工设计DesignofChemicalEngineering19化工设计DesignofChemicalEngineering20化工设计DesignofChemicalEngineering21(4)确定控制方案a离心泵的流量控制化工设计DesignofChemicalEngineering22b液位控制化工设计DesignofChemicalEngineering23c两个液相的界面控制(液-液分离）d塔压调节化工设计DesignofChemicalEngineering24◆工艺流程的四个重要部分：1432.1.4工艺流程设计的方法2原料预处理三废处理产物后处理反应过程◆其他相关措施及设计化工设计DesignofChemicalEngineering25(1).反应过程的合成连续或间歇（产量、市场需求、操作上特殊要求）3)能量供给、移出方式2)输入、输出条件首先确定过程的操作方式和输入、输出条件：输出：确定目的产品和流股数（反应产品有6个去向：主产品、联产或副产品、低价值的燃料、排空、循环、有害物去三废处理）输入条件：进口的原料是否需经预处理（根据杂质的毒性、反应性、量）1)操作方式：化工设计DesignofChemicalEngineering26例乙苯反应器内的反应如下：乙烯+苯→乙苯乙苯+乙烯→二乙苯二乙苯+苯→乙苯二乙苯+乙烯→三乙苯三乙苯+苯→乙苯，二乙苯乙苯、二乙苯→甲苯、二甲苯、正丁苯、异丙苯、杂环化合物化工设计DesignofChemicalEngineering274)反应器的选型：形状：管式、釜式、塔式换热方式：等温、绝热、非等温非绝热反应物系的相态：均相、非均相（气固、气液、气液固）反应器的分类反应器选型的判据反应器类型（即反应介质的相态，此为最简单、首先使用的判据）；催化剂失活速度；由反应的浓度效应决定的混合要求；由反应的热负荷和温度效应决定热量传递和温度控制要求；相际传质和化学反应的相对速度。化工设计DesignofChemicalEngineering28(2)原料预处理过程纯化预热（冷）汽化干燥粉碎筛分提纯精制混合配制压缩化工设计DesignofChemicalEngineering29(3)产物后处理产品处理(作为下一工序原料进行筛选、包装、灌装、计量、贮存、输送等)副产物处理（设计制备、包装、贮运等）未反应物循环利用(返回反应过程或加工成副产物)产物处理(分离净化)化工设计DesignofChemicalEngineering30例2-1用混酸硝化氯苯制备混合硝基氯苯已知原始数据：混酸组成(摩尔分数,下同)为HNO347%、H2SO449%、H2O4%；氯苯与混酸中HNO3的摩尔比为1:1.1;硝化温度80℃;硝化时间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%。试用方案比较的方法，确定硝化及后处理工艺流程。化工设计DesignofChemicalEngineering31配酸釜冷却水水连续分离器粗硝基物去精制硫酸氯苯硝化釜冷却水水蒸汽硝酸分离废酸出售A、硝化-分离工艺方案化工设计DesignofChemicalEngineering32配酸釜冷却水水连续分离器粗硝基物去精制硫酸氯苯萃取罐硝化釜冷却水水蒸汽硝酸萃取废酸出售B、硝化-分离-萃取工艺方案化工设计DesignofChemicalEngineering33配酸釜冷却水回收硫酸冷却水冷凝器接真空水蒸汽浓缩釜接收罐补充硫酸去水处理连续分离器粗硝基物去精制氯苯萃取罐硝化釜冷却水水蒸汽硝酸回收氯苯C、硝化-分离-萃取-浓缩工艺方案34例2-2生物柴油原理CH2OCOR1CHOCOR2+3CH3OHCH2OCOR3CH2OHCHOH+CH2OHCH3OCOR1CH3OCOR2CH3OCOR3催化剂酯交换法反应机理：35生物柴油的制造:•植物油与甲醇（乙醇）酯交换制得棉籽油、棕榈油、椰子油、菜籽油、野生植物油以及海藻等•化学法–液碱催化–固体碱催化–二段催化•酶催化3637lurgi公司醇解工艺：38连续脱甘油工艺（CDProcess）：化工设计DesignofChemicalEngineering39(4).三废处理•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•所含有害物质在排放前应该达到排放标准；•三废：废气、废液、废渣;《化学工业职业标准·化工三废处理工》《工业三废（废水、废气、废物）相关法律法规条文释义与违法处理程序、标准及案例分析实务全书》《工业三废处理新工艺新技术与检测控制标准规范及环境影响评价实用手册》《工厂与环境--三废的弊害与治理》《国外石油化工三废》化工设计DesignofChemicalEngineering40(5).其他相关措施及设计：确定公用工程的配套措施确定操作条件和控制方案制定切实可靠的安全生产措施保温、防腐的设计化工设计DesignofChemicalEngineering41(1）过程简介主反应:Cl2+H2O→HCl+HClOHClO+C3H6→ClC3H6OH副反应:C3H6+Cl2→C3H6Cl2ClC3H6OH+C3H6+Cl2→HCl+(C3H6Cl)2O（二氯异丙基醚)皂化反应:2ClC3H6OH+Ca(OH)2→CaCl2+H2O+2C3H6O例:环氧丙烷过程概念设计化工设计DesignofChemicalEngineering42(2）现有生产装置情况化工设计DesignofChemicalEngineering431)二氯丙烷由氯气与丙烯在气相中直接反应的产物2)二氯异丙基醚是串联副产物要抑制副反应，提高反应的选择性，须阻止氯气与丙烯接触，降低主产品氯丙醇的浓度。(3）过程分析和试验化工设计DesignofChemicalEngineering44(4）小试流程化工设计DesignofChemicalEngineering45已知条件:1）气相法丙烯选择性86%液相法----------94%;2）皂化反应选择性99%;3）精馏塔PO回收率99.5%;4）循环气组成C3H630%,C3H870%;5）丙烯进料组成C3H699.5%C3H80.5%;6）循环比（循环气比丙烯进料）7.5;7）丙烯价格3900元/吨;8）氯价格800元/吨;9）电价格0.65元/kw.h。(5)对小试数据的初步评