化工设计--第二章-1--2013

第二章工艺流程设计Chart2Processflowdesign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60％～70％），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原料来源的可靠性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。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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？尽可能选择当地或附近的原料既可确保来源，又能减少运输费用和货运量。经济性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。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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。①几种工艺路线在国内外的采用情况及发展趋势；②产品的质量指标及产品规格情况；③生产能力及产品规格；④原材料、能量消耗情况；⑤建设费用及产品成本；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。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。①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②能量供给、移出方式——反应器结构设计和辅助设施。③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：用混酸硝化氯苯，制备混合硝基氯苯。2.3工艺流程图一、流程图的分类和用途1.方框流程图（blockflowsheet）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（simplifiedflowsheet）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①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）。②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。③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（processflowsheet）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)用图例表示出全部工艺设备、工艺物料管道、辅助管道。(2)表示出工艺物料和辅助管道的流向及工艺物料管道上的阀门、异径管等管件，不画法兰、弯头、三通等一般管件。(3)表示出工艺参数（温度、压力、流量、液位、物料组成、浓度等）的测量点自动控制方案。4.带控制点工艺流程图（processandcontrolflowsheet）带控制点的工艺流程图初步设计阶段带控制点工艺流程图施工设计阶段带控制点工艺流程图也称管道及仪表流程图(PID图)(4)标注全部设备的位号和名称。(5)表示出全部管道的管道代号、管径、材料、保温等。5.管道仪表流程图（pipingandinstrumentdiagram）—施工阶段工艺流程图——PID图，PI图，☺PID图是以车间(装置)或工段为主项进行绘制，原则上一个车间或工段绘一张图，如流程复杂可分成数张，但仍算一张图，使用同一图号。☺所有工艺流程图不按精确比例绘制，一般设备(机器)图例只取相对比例。☺设备——名称、位号和参数；接管和连接形式；设备安装