化工设计 第二章 工艺流程设计1

第二章工艺流程设计主讲：代伟化工原料单元操作产品化工原料：一种或几种单元操作：物理或化学，单元设备，用管道将这些单元设备连接起来，便于物料从一个单元设备进到另一个单元设备。为了使物料便于控制，要在设备和管道的相应位置安装一些测量、输送、显示和控制元件。这些设备、连接管路和相应的控制元件一起就组成了化工工艺流程。例：氢氧化钠（电解食盐水）配食盐水是生产的第一步，如果在实验室配制如图1。若这个过程形成工业化过程，则如图2。盐图1中间储槽排污盐液泵冷凝水蒸汽盐冷水计量罐图2主要内容工艺流程及设计概述1工艺流程图2化工设备典型自控流程3流程的组织与分析4第一节工艺流程设计概述一、生产工艺流程选择的原则1．先进性技术上的先进和经济上的合理可行2．可靠性所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。3．结合国情不能单纯从技术观点考虑问题，应从国情出发考虑各种具体问题。全面衡量、综合考虑、全面分析、反复对比后选出优点较多、符合国情、切实可行的技术路线和工艺流程。二、生产工艺流程确定的步骤确定生产工艺流程一般要经过三个阶段。1.搜集资料，调查研究2.落实设备3.全面对比全面分析对比的内容很多，主要比较下列几项：①几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；②产品的质量情况；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其他特殊情况。例：碳酸二甲酯中文名称碳酸二甲酯（碳酸甲酯）结构式外观与性状无色液体，有芳香气味危险标记7（易燃液体）主要用途用作溶剂，用于有机合成CH3-、CH3O-、-CO-、CH3O-CO-等官能团，化学活性高。重要的有机合成中间体。羰基化、甲基化、甲氧基化和羰基甲基化等有机反应。聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、甲胺基甲酸萘酯（西维因）、苯甲醚、呋喃唑酮等。酸二甲酯（DMC）的工艺：光气法；酯交换法；甲醇和二氧化碳直接合成法；尿素醇解法。1.光气法光气法是最早的DMC合成方法，反应分两步进行，氯甲酸甲酯为中间产物。233COClCHOHClCOOCHHCl3332()ClCOOCHCHOHCHOCOHCl23322()2COClCHOHCHOCOHCl总反应：2.酯交换法碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯与甲醇酯交换反应生产碳酸二甲酯。碳酸乙烯酯：环氧乙烷与二氧化碳合成。碳酸丙烯酯：环氧丙烷与二氧化碳合成。OOORcatOR+CO2heatOOOR+CH3OHcatOHOHR+CH3OCOCH3O3.甲醇与CO2反应直接合成法二氧化碳与甲醇直接合成DMC，反应式为：优点：在合成化学、碳资源利用和环境保护方面均具有重大意义。缺点：该反应属于平衡反应，平衡偏向左侧，因此，如何提高转化率是研究关键。4.尿素醇解法优点：该反应采用液相合成工艺在高压釜内进行，具有原料廉价易得、工艺简单、操作条件温和、并且避免其它路线需要分离甲醇－DMC－水的复杂体系的特点。缺点：目前该方法存在着平衡转化率低、均相催化剂难以分离回收等问题。所以此法目前仍处于研究探索阶段。第二节工艺流程设计一、流程设计的任务一是确定流程各生产过程的具体内容、顺序和组合方式；二是绘制工艺流程图.按步骤逐步解决以下问题:(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工艺流程四部分:原料预处理、反应、产物后处理（分离净化）和三废处理。一般的工作方法:(1)以反应过程为中心;(2)原料预处理过程;(3)产物的后处理;副产物过剩组分杂质产物的集聚产物包括三、工艺流程设计方案比较比较判断依据：产物收率，原材料单耗，能量消耗，产品成本，工程投资，环保，安全，占地面积等。比较前提：操作参数温度，压力，流速，流量等原始信息（保障产品生产）－－不可变更。通过工程手段。三、工艺流程设计的基本方法——方案比较苯加氢生产环己烷生产工艺流程设计设计任务环己烷合成过程设计环己烷如（纯度99.9%）X吨/年环己烷是用于生产环己醇、环己酮和己二酸的原料，也可用作有机溶剂等。设计项目：产品名称：产品规格：生产能力：产品用途：●环己酮进一步生产己内酰胺、聚酰胺6纤维（尼龙6)●尼龙6具有广泛用途.民用：可纯纺和混纺作衣料、针织品、地毯等；工业：作轮胎的帘子线、帐篷、绳索、降落伞等。生产方式的选择粗汽油中约含5~15%的环己烷，其65.6~85.3℃馏分，主要含环己烷及甲基环戊烷。在80℃及三氯化铝催化剂存在下，甲基环戊烷异构化为环己烷：CH3AlCl380oC20~30分钟,+3H2Ni150~250oC,23~53大气压以镍为催化剂，于150～250℃和23～53大气压，苯加氢生成环己烷：本设计采用苯加氢法再经过一系列分离操作，最后可得纯度为95%以上的环己烷。此法生产环己烷产率接近100%，且产品纯度很高，是目前生产环己烷的主要方法。苯加氢法：石油馏分分离法：流程（原料、产品）比重0.78~0.79g/cm3;芳烃含量≤0.1（wt%）;非挥发物≤10mg/kg;凝固点≥6.0℃;总硫≤2mg/kg;环烷烃≤1000mg/kg;甲基环己烷≤300；正烷烃(C7或C7以上)≤50mg/kg反应系统分离系统尾气（H2,N2,CH4)环己烷氢气（H2,N2,CH4)苯工艺流程方框图原料质量要求：产品规格氢气：H2O50ppmCO10ppmCO210ppmS0.2ppm苯：H2O50ppmS1ppm反应系统设计◆环己烷产量：X吨/年；◆苯进料量：Ykmol/h；◆氢气进料量：氢：X1kmol/h，氮：X2kmol/h,甲烷：X3kmol/h；◆苯进料条件：3500KPa,40℃,液相；◆氢气进料条件：2910KPa,65℃,气相+3H2+2.135x105KJ/Kmol反应方程式反应条件产量与进料☆体积缩小、产生大量热的平衡反应☆低温、高压有利于生成环己烷反应在两串联的反应器中进行。前者鼓泡床反应器，有利于利用均相催化剂进行液相苯加氢反应；后者固定床反应器，有利于利用LD143催化剂进行气相苯加氢反应。由于为强放热反应，反应器型式的选择应考虑有利于散热。◇氢/苯（摩尔比）：3.46,氢气过量以使苯100%转化为环己烷;◇主反应器：温度180~200℃，压力2.68Mpa，苯转化率≥95%;◇后反应器:温度190~231℃，压力2.60Mpa.催化剂规格：外观为黑色均匀液体含镍量≥1.6%（wt）转化率(10小时)≥99.5%选择性(10小时)≥99.8%LD143催化剂：均相催化剂(Zieglar-Natta金属络合物)：规格：外观球形Ф2～4mm组成载有镍的氧化铝含镍量≥14.35%(wt)表观密度0.87g/cm3抗碎强度≥10kg孔容0.45±0.06cm3/g比表面223（210±23）m2/g应用：主反应器鼓泡床应用：后反应器固定床分离系统设计分离次序原则组分氢氮甲烷环己烷流量（kmol/h）32.8628.28218.78671.441沸点（℃）-252.8-195.8-161.580.7闪蒸脱轻组分塔脱重组分塔重组分杂质反应物料轻组分杂质氢气氮气甲烷环己烷分离条件的确定分离流程反应产物的流量和沸点★流量最大的组分先分离★轻组分先分离★分离困难的组分最后分离★等摩尔分割优先★根据反应产物各组分浓度和沸点，脱轻组分塔和脱重组分塔采用常压操作，泡点进料。根据分离精度要求，分析塔板数，塔内温度和压力分布，回流比，塔顶和塔底产品流率，塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷。苯加氢合成环己烷工艺流程图苯氢气环己烷尾气低温水循环水蒸汽锅炉给水1.苯进料泵2.氢气压缩机3.主反应器4.环己烷循环泵5.锅炉给水换热器6.汽包7.后反应器8.锅炉给水预热器9.中温冷却器10.第一分离器11.第二分离器12.尾气换热器13.低温冷却器122345678910111213(1)(2)(4)(5)(8)(26)(9)(3)(27)(6)(23)(24)(7)(11)(12)(16)(15)(17)(13)(14)(18)(19)(20)(21)(22)(25)(10)第三节工艺流程图2.1工艺流程图（工程语言）定义是一种示意性的图样，它以形象的图形、符号、代号表示出化工设备、管路附件和仪表自控等，用于表达生产过程中物料的流动顺序和生产操作顺序。工艺流程图的分类：1.方框流程图3.带控制点工艺流程图4.设备布置图2.工艺物料流程图5.管路布置图化工工艺流程图（管段图，管架图，管件图）1.方框流程图：在工艺路线选定后，工艺流程进行概念性设计时完成的一种流程图，不编入设计文件。环节（工作、活动、工艺环节、加工环节、子程序等）检测点或决策点开始/停止时序（先后顺序、流向）方框流程图的部分图形与符号示例2.工艺物料流程图（简称物流图）：反映物料和热量衡算结果，使设计流程化。列入初步设计阶段的设计文件。A.图形设备的示意图和流程线。B.标注设备的位号，名称及特性数据等。C.物料平衡表物料代号，物料名称，组分，流量，压力，温度，状态及来源去向等。D.标题栏包括图名，图号，设计阶段等3.带控制点工艺流程图：列入初步设计阶段的设计文件4.工艺流程草（简）图：是一个半图解式的工艺流程图，带有示意的性质，不列入设计文件。5.管道和仪表布置图：反映工艺流程设计，设备设计，管道布置设计，自控仪表设计综合成果。列入施工图设计阶段的设计文件中。氨水中和法脱硫的工艺流程P24氨水中和法脱硫也就是利用氨水脱除半水煤气中的硫化氢气体。利用PPt实现流程演示过程：半水煤气经风机送至脱硫塔底部，硫化氢被顶部来的氨水吸收，净化后的半水煤气从塔顶排出。吸收硫化氢后的氨水经富液泵送至再生塔顶部，从塔底吹入空气，将氨水中的硫化氢解析出来从塔顶放空。再生后的氨水送到脱硫塔循环使用。半水煤气氨水返回氨水中和法脱硫的工艺流程半水煤气氨水返回氨水中和法脱硫的工艺流程半水煤气氨水返回氨水中和法脱硫的工艺流程