第二章 工艺流程设计

第二章工艺流程设计《化工设计》《化工设计》•本章主要内容：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简介•本章重点难点：工艺流程的选择原则和设计方法；工艺流程图的类型及其绘制方法；设备、管道、阀门与管件、自控方案的表示方法。第二章工艺流程设计《化工设计》•一、生产方法和工艺流程选择的原则在选择生产方法和工艺流程时，应该着重考虑以下三项原则：•1.先进性•2.可靠性•3.合理性（结合国情）2.1生产方法和工艺流程的选择第一节生产方法和工艺流程的选择二、生产方法和工艺流程确定的步骤。1.搜集资料，项目调研车间布置、非工艺专业资料、及其他与建设项目有关的资料工艺资料生产方式基础资料其他资料地形、气象、水文、地址、人文地理、原料燃料、动力、交通、施工条件生产方式及其工艺流程---原料路线、操作规程、控制指标、主要设备等物料衡算、热量衡算、设备计算搜集设计资料的原则和步骤（1）资料的完整性全面的、完整的资料数据能够反映客观事物的全过程，才能用于设计。（2）资料的正确性正确的资料数据具有再现性，能反映客观事物的本质规律，才能用于设计。（3）资料的适用性科学技术都是有条件依据的，搜集资料要严格注意资料的适用条件。（4）资料的恰当性资料年代的差异会造成技术上的不同，在整理、分析资料时应注意资料恰当性，不可盲目一味追求先进性，要综合考虑整个设计的技术水平与建设项目的投资总额。2.确定方案，落实设备设备是完成生产过程的重要条件，是确定技术与工艺流程的时必然要涉及到的因素，因此要足够重视。分析各种工艺路线所使用的设备已有定型设备国内设计制造国外进口3.全面分析，对比比较各种工艺路线国内外采用情况及发展趋势产品质量比较生产能力及产品规格原材料及能量消耗建设费用及产品成本三废的产生与治理其他特殊的情况异丁烯Isobutylene分子筛吸附法硫酸萃取法树脂水合脱水法临氢异构反应精馏法MTBE法醋酸酯化分离法易控制、纯度高、能耗低异丁烯的提纯工艺方案选择流程复杂产生大量废酸设备腐蚀严重甲基丙烯氰法产品纯度高设备紧凑未实现工业化一步氧化法工艺流程长收率底设备腐蚀严重原料费用低两步氧化法工艺流程短基建费用低产品收率高绿色环保直接甲基化法异丁烯合成MMA工艺方案选择《化工设计》•一、工艺流程设计的任务1.确定生产流程中各个生产过程的具体内容、顺序和组合方式。2.绘制工艺流程图2.2工艺流程设计第二节工艺流程设计《化工设计》•为使设计出来的工艺流程能够实现优质、高产、低消耗和安全生产，按下列步骤逐步进行设计:（1）确定整个流程的组成；（2）确定每个过程或工序的组成；（3）确定工艺操作条件；（4）控制方案的确定；（5）原料与能量的合理利用；（6）制定“三废”处理方案；（7）制定安全生产措施。2.2工艺流程设计第二节工艺流程设计《化工设计》•二、工艺流程设计的方法•工艺流程设计方法，首先要看所确定的生产方法是正在生产或曾经运行过的成熟工艺，还是待开发的新工艺。前者是可以参考借鉴但需要局部改进或局部采用新技术、新工艺的问题；后者须针对新技术开发进行概念设计。•工艺流程分为四大部分：原料预处理过程、反应过程、产物的后处理（分离净化）过程和“三废”的处理过程。2.2工艺流程设计第二节工艺流程设计•化工工艺的一般流程原料贮存原料预处理反应或提取产品分离产品精制贮存包装液.气.固及易燃.易爆.腐蚀.剧毒等粉碎.稀释.混合.输送条件催化剂.反应条件或提取条件分离方式及分离工艺条件精制的方式与工艺条件干燥方式与干燥工艺条件包装.贮存《化工设计》•工艺流程设计主要应考虑如下几个方面的问题：（1）以反应过程为中心（2）原料预处理过程（3）产物的分离净化（4）产品的后处理（5）未反应原料的循环与利用（6）确定“三废”排出物的处理措施（7）确定公用工程的配套措施（8）确定操作条件和制定控制方案（9）制定切实可靠的安全生产措施（10）保温、防腐的设计2.2工艺流程设计(1)以反应过程为中心根据反应过程的特点、产品要求、物料特性、基本工艺条件来决定采用反应器类型及决定采用连续操作，还是间歇性操作。有些产品不适合连续化操作，如同一生产装置生产多品种或多牌号产品时，用间歇操作，更为方便。物料反应过程是否需外供能量或移出热量，都要在反应装置上增加相应的适当措施。如果反应需要在催化剂存在下进行，就须考虑催化反应的方式和催化剂的选择。一般说确定主反应过程的装置，往往都有文献、资料可供参考，或有中试结果。现有工业化装置可以借鉴、参考，因此并不复杂。(2)设计原料预处理过程根据反应特点，必然对原料提出要求，如纯度、温度、压力以及加料方式等，以保证反应过程的实现。原料预处理过程：固体：粉碎、溶解---目数、浓度、纯度液体：配制、混合---浓度、均一气体：配比、压缩---浓度、输送原料预处理过程可以牵涉到：粉碎、筛分、配制、混合、压缩、提纯等单元操作。这些操作过程主要根据原料的性质及处理方法选择不同的装置进行组合。因此，设计的工艺流程就有所不同。(3)设计产物的后处理过程根据反应原料的特性和产品的质量要求，以及反应过程的特点，实际反应过程可能会出现下列情况:①除了获得目的产物外，由于存在副反应，还生成了副产物。②由于反应时间等条件的限制或受反应平衡的限制，以及为使反应尽可能完全而有过剩组分。③原料中含有的杂质往往不是反应需要的，在原料的预处理中并未除净，因而在反应中将会带入产物中，或者杂质参与反应而生成无用且有害的物质。④产物的集聚状态要求，也增加了后处理过程。某些反应过程是多相的，而最终产物是固态的。因此用于产物的净化、分离的化工单元操作过程，往往是整个工艺过程中最复杂、最关键的部分。产品分离固液分离---过滤、离心液液分离---蒸发、精馏、萃取气液分离---吸收产品分离牵涉到的单元过程：过滤、离心、蒸发、精馏、萃取、吸收等单元操作过程。这些单元操作过程，同样应根据被分离产物的特征，设计与之相适应的单元过程。产品精制对产物进一步纯化，以满足产品的质量要求。液体---精馏、浓缩、结晶固体---重结晶气体---吸收产品精制牵涉到的单元过程：精馏、浓缩、结晶、重结晶等单元操作过程。这些单元操作过程，同样应根据产品的质量要求，设计与之相适应的单元过程。(4)设计产品的后处理过程经精制后的产物，成为最终的产品还需要干燥、包装、储运等过程。固体---干燥、包装液体---灌装气体---灌装储运包装过程牵涉到的单元操作过程有：干燥、计量、包装等过程，应根据产品的特性进行设计工艺过程。(5)设计未反应原料的循环或利用以及副产物的处理由于反应不是全部，剩余组分在产物处理中被分离出来，一般应循环回到反应设备中继续参与反应。(6)确定“三废”排出物的处理措施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。(7)确定公用工程的配套措施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、溶剂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。(8)确定操作条件和控制方案一个完善的工艺设计除了工艺流程等以外，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。(9)制定切实可靠的安全生产措施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、阻水栓等以保证安全生产。(10)保温、防腐的设计这是在工艺流程设计中的最后一项工作，也是施工安装时最后一道工序。流程中应根据介质的温度、特性和状态以及周围环境状况决定管道和设备是否需要保温和防腐。工艺流程设计实例——乙烯制卤乙烯（1）生产方法的选择反应路线一：乙炔的氢卤化反应路线二：从乙烯卤化制得二卤乙烷，再热解反应路线三：从乙烯氧卤化制得二卤乙烷，再热解反应路线四：乙烯卤化平衡法反应路线总反应式毛利（元/Kg)1C2H2+HCl=C2H3Cl-0.022C2H4+Cl2=C2H3Cl+HCl0.943C2H4+HCl＋0.5O2=C2H3Cl+H2O0.244C2H4+Cl2＋0.5O2=C2H3Cl+H2O0.65由上表可选择第二反应路线，其工艺流程如下:第一步:HClClHCClHCClHCClHCMPaCMPaC326.2,50024224215.0,90242第二步:转化率98%转化率65%(2)其工艺过程简述为：（3）混合物的分离HCl、C2H4Cl2和C2H3Cl的沸点物质正常沸点／0C压力下沸点／0C0.48MPa1.2MPa2.6MPaHCl-84.8-51.7-26.20C2H3Cl-13.833.170.5110C2H4Cl283.7146193242由上述沸点可知，混合物中各物质沸点甚大，用蒸馏法实现分离．其分离方案可用两个串联的蒸馏塔组成。（4）温度、压力和相的变化乙烯制氯乙烯过程单元组合的流程（5）选择适合的设备来实现温度、压力和相的变化《化工设计》第三节工艺流程图•教学内容：理解工艺流程图的种类和表达内容和管道仪表流程图的设备、管道、管件、阀门和仪表控制点的表达方法。了解首页图的编制内容。•重点和难点：重点掌握管道仪表流程图的设备、管道、管件、阀门和仪表控制点的表达内容和方法，以及管道标注内容和方法。2.3工艺流程图《化工设计》一、工艺流程图的种类（一）工艺流程草图工艺流程草图又称方案流程图或流程示意图，是用来表达整个工厂或车间生产流程的图样。它是设计开始时供工艺方案讨论常用的流程图，是工艺流程图设计的依据。•绘制内容*设备示意图*物流管线及流向箭头*必要的文字注释2.3工艺流程图《化工设计》2.3工艺流程图《化工设计》•（二）工艺物料流程图工艺物料流程图是在物料衡算和热量衡算完成后绘制，是以图形与表格相结合的形式来反映物料衡算和热量衡算的结果。•绘制内容*图形*标注内容*设备一览表*物料表2.3工艺流程图《化工设计》2.3工艺流程图图2-2M/DBT工艺物料流程图《化工设计》•（三）带控制点的工艺流程图•带控制点的工艺流程图是一个工程项目工程设计的一个指导性文件，也是各专业开展设计的依据之一。•带控制点的工艺流程图应画出所有工艺设备、工艺物料管线、辅助物料管线、主要阀门，以及工艺参数(温度、压力、流量、液位、物料组成、浓度等)的测量点，并表示出自动控制的方案。2.3工艺流程图《化工设计》（四）管道仪表流程图管道仪表流程图(PI图)是借助统一规定的图形符号和文字代号，用图示的方法把建立化工工艺装置所需的全部设备、仪表、管道及主要管件，按其各自的功能，为满足工艺要求和安全、经济目的而组合起来，以起到描述工艺装置结构和功能的作用。PI图在基础工程设计阶段应绘制A版PI图(初版)、B版PI图(内审版)、C版PI图(用户版)及D版PI图(确认版)；在详细工程设计阶段应绘制E版PI图(详1版)、F版PI图(详2版)、G版PI图(施工版)。2.3工艺流程图第二章工艺流程设计《化工设计》•二、管道仪表流程图(PI图)•管道仪表流程图(PI图)应依据“化工工艺设计施工图内容和深度统一规定”HG/T20519-