化工设计第2章工艺流程设计-修改

第二章工艺流程设计本章主要内容：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用AutoCADP&ID绘制工艺流程图一、生产方法和工艺流程选择的原则（1）先进性技术先进和经济上合理可行先进性评价包括：技术先进性、建设投资、生产成本、消耗定额及对环境的危害等方面（2）可靠性指生产方法和工艺流程是否成熟可靠。原料来源是否可靠。（3）合理性国家资源的合理利用、建厂地区的发展规划、“三废”处理是否可行等。第一节生产方法和工艺流程的选择综合考虑各方面因素，进行流程优化和技术经济分析。一个化学过程如何实现工程化？在技术上能够实现的前提下进行工程设计。二、生产方法和工艺流程确定的步骤（1）资料搜集与项目调研；①国内外生产方法及工艺流程；②原料来源及产品应用情况；③试验研究报告；④综合利用及三废处理；⑤生产技术的先进水平；⑥安全技术及劳动保护措施；⑦设备的大型化及制造、运输情况；⑧基本建设投资、产品成本、占地面积；⑨水、电、汽、燃料及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。（2）生产设备类型与制造厂商调研——设备是实现化工技术的关键，同时在投资中占很大比例。（3）对调研结果进行全面分析对比第二节工艺流程设计一、工艺流程设计的任务（流程组织或过程合成）按步骤逐步解决以下问题：（1）确定整个流程的组成；由哪些生产过程和单元过程构成？各个单元之间如何连接？流程组织：权衡技术与经济、安全、工程等方面的因素，在过程开发实验的基础上，结合化工生产过程的实际经验，将某个化工过程的原料准备、反应合成、产物分离三个阶段的有关单元操作有机地组合在一起，形成一个较优的工艺流程。以煤为原料生产合成氨为例：气化(造气)C、O2、H2OCO、H2、CO2CO变换CO+H2O=CO2+H2脱硫、脱碳除去混合气体中的H2S、CO2甲烷化除去混合气体中剩余的少量CO、CO2合成N2+H2=NH3?O2CCOH2CO2H2CO2N2H2空分H2S、CO2变换造气甲烷化脱硫脱碳分离合成氨原料循环气微量CO、CO2所以合成氨由以下生产过程组成：CNH3例如：脱硫和变换过程的顺序？要解决各个过程的生产方法、安排顺序问题煤气化工艺的改变及钴钼耐硫催化剂的使用，改变了合成氨工艺流程中变换和脱硫的顺序。中压气化，先变换，再脱硫，避免煤气热—冷—热的流程以及产生能量的损失。同时副产蒸汽。从而大大减少蒸汽耗量，取得显著的节能降耗效果。这也是研制新型变换催化剂的原因和动力之所在。例如：脱硫和变换过程的顺序如何组织？以CO变换制氢生产过程为例，将CO由42%-65%降低至0.4%以下：CO+H2O==CO2+H2+△H可逆放热反应过程组成：粗煤气除水→预热→配比水蒸气（过量）→反应→降温(回收反应热)→反应→降温(回收反应热)→…降温(回收多余水蒸气)→蒸汽冷凝液分离…催化剂（2）确定每个过程或工序的组成；每个过程又由许多单元过程组成。由哪些设备来完成？设备之间如何连接？设备主要工艺参数？原料预处理反应分离工艺流程设计的方法：流程组织（过程合成）化工过程的典型流程框图原料预处理阶段反应合成阶段产物分离阶段工艺流程设计即确定整个流程的组成，合理进行流程组织。原料预处理阶段：◆以物理方法为主，但不排除化学方法。◆可能要用到一些分离的单元操作。◆可能牵涉到“三废”处理。◆可能有副产品产出。反应合成阶段：◆可能是多步反应组成（多个反应器）。◆多个反应器之间可能穿插着分离单元操作。产物分离阶段：◆可能要用到多种单元操作。◆重视“三废”处理技术问题。◆重视回收。问题：在两个反应器之间为什么可能要用到分离操作？经济效益的重要来源之一。耐硫变换流程示意图（3）确定工艺操作条件；确定整个生产工序或每台设备要达到和保持的操作条件。温度、压力、浓度、液位、流量…容积、换热面积…？（4）控制方案的确定；如何维持以上操作条件，及实现各参数之间的联系？确定正确控制方案，选用合适的控制仪表。德士古（GE）水煤浆气化概略流程磨煤机煤浆泵气化炉锁斗蒸发热水塔旋风分离器混合器第二节工艺流程设计水洗塔合成气煤渣水酸气废渣烷基化苯，甲苯塔苯塔乙苯塔乙苯塔苯乙烯乙苯脱氢乙烯多烷基苯苯,甲苯苯乙烯苯重物质乙苯回流苯回流①②乙烯:苯=1:5560K,600kPa850K例3-4苯乙烯制取过程：反应器之间穿插着分离单元操作，未反应完的物料重新回到反应器。第二节工艺流程设计问题：流程组织得好不好，怎么来判断？产物收率、原材料单耗、能量单耗、产品成本、工程投资等。考虑环保、安全、占地面积等因素。化工领域包括相关领域的一些科技进步与发明，都可能对某个产品生产过程的流程组织带来显著的影响。流程模拟AspenPlus流程图绘制AutoCADP&ID流程组织的依据:过程开发实验结果；设计人员的实践经验。进行方案比较计算机辅助设计：（5）原料与能量的合理利用；计算并确定各个生产过程的效率，得出全装置的最佳总收率，同时合理地做好能量回收与综合利用，降低能耗以确定水、电、蒸汽和燃料的消耗（6）制定“三废”处理方案；对全流程中所排出的三废要尽量综合利用，对于暂时无法回收利用的，则须进行妥善处理。（7）制定安全生产措施。对设计出来的化工装置在开车、停车、长期运转以及检修过程中，可能存在哪些不安全因素进行认真分析，再遵照国家的各项有关规定，结合以往的经验教训，制订出切实可靠的安全措施。第二节工艺流程设计耐硫变换工艺流程方案设计：变换反应分段；根据变换炉进出口气体温度设计合理的换热流程。变换过程核心设备：变换炉其他重要设备：换热设备要考虑高温、高压，氢腐蚀等因素。各变换炉出口温度、变换率的确定CO+H2O==CO2+H2+△H图1变换炉平衡温度曲线、最适宜温度、操作线图第三节工艺流程图工艺物料流程图管道仪表流程图•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，即是工艺流程图。•工艺流程图中的主要线型：第三节工艺流程图辅助物料管线其他如工艺设备、阀门、管件、仪表为细实线工艺主物料管线原有管道蒸汽伴热管道电伴热管道保温管道第三节工艺流程图（一）按设计阶段不同分类方案（不计入设计文件）工艺流程简图（草图）（示意图）初步设计文件（基础设计）工艺物料流程图（PFD）管道仪表流程图（PID）施工图设计文件（详细工程设计）管道仪表流程图（PID最终版）一、工艺流程图的种类ProcessFlowDiagram（PFD）PipingandInstrumentationDiagram（PID或P&ID）1、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。它定性地标出由原料转化成产品的变化、流向顺序以及生产中采用的各种化工单元及设备。用于工艺方案讨论。脱硫系统工艺方案流程图第三节工艺流程图H2S约占总硫含量的90％半水煤气脱硫工艺流程说明：图2-1是合成氨工艺中原料气脱硫系统的工艺流程图。半水煤气自气柜用罗茨鼓风机1从底部鼓入脱硫塔2，稀氨水自氨水槽3用氨水泵4-1从脱硫塔顶部泵进入，用氨水吸收半水煤气中的硫化氢。由脱硫塔2底部出来的废氨水，经氨水泵4-2打入再生塔6的上部，用鼓风机5由再生塔下部向塔内吹进空气使废氨水解吸。解吸出来的硫化氢随空气流从塔顶排出（应该回收硫）。再生氨水则由再生塔底部排出，用氨水泵4-1送往脱硫塔循环使用。脱硫后的半水煤气经除尘塔7除尘后，去压缩工段进行压缩。2、工艺物料流程图(PFD)工艺物料流程图是把物料衡算和热量衡算的结果反映在流程图上。它是初步设计阶段最重要、最本质、最基础的图纸。苄基甲苯（MBT)和二苄基甲苯（DBT)物料流程图DBTDBT物料编号设备位号R-101a,b原料储槽B-101原料泵3、工艺管道仪表流程图(PID或P&ID)管道仪表流程图的内容•画出全部工艺设备、所有工艺物料管线、辅助物料管线、全部阀门，以及工艺参数(温度、压力、流量、液位、物料组成、浓度等)的测量和自动控制仪表的位置和功能代号。管道仪表流程图的作用•各专业开展设计的依据之一；•施工的依据；•生产管理、操作、维修和开停车的指导性文件。二、管道仪表流程图（PID）1版（详细设计1版）ForDetailEngineeringRev.12版（详细设计2版）ForDetailEngineeringRev.23版（施工版）ApprovedForConstruction工程版PID基础设计阶段：详细工程设计阶段：上述7版PID为常规PID开发过程，小型或成熟工艺至少完成三个版次。有些设计院划分为A、B、C、D、E、F、G版。2个设计阶段，7版次。A版（初步条件版）ApprovedForPlanningB版（内部审核版）IssueForReviewC版（用户批准版）IssueForApproval0版（设计版）ApprovedForDesign工艺版PID图样包括如下内容:(l）图形将各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、仪表控制点符号等。(2）标注注写设备位号及名称、管段编号、控制点代号、必要的尺寸、数据等。(3）图例（首页图）。代号、符号及其他标注的注明，有时还有设备位号的索引等。(4）标题栏注写图名、图号、设计阶段、设计单位等。第三节工艺流程图第三节工艺流程图管道仪表流程图(PID)设计规定：设计规范：HG20559-93《管道仪表流程图设计规定》施工图规范：HG/T20519-2009《化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》各设计院自己的设计规定（一）通用设计规定（1）图幅多采用A1图幅或A0图幅PID分主项绘制，主项较大时，一个主项的流程图一般分成数张绘制，每张图纸按顺序编写图号。（2）图线与比例流程图不要求比例，但设备大小相对比例要协调。名称图线线宽主要用途粗实线0.8～0.9主物料管道流程线中粗线0.4～0.5辅助物料管道线细实线0.15～0.25设备、阀门、管件轮廓线图线宽度推荐值第三节工艺流程图（3）文字与字母的标注字体大小7、5、3.5、3（4）图面布置1.设备图形（1）按规定图例画出设备外形轮廓和内部、外部结构特征简图（P35）；图例可参照HG-20519.2（2）设备之间的相对位置及管口位置：设备示意图之间的距离以布置流程线合理方便为原则；▲设备示意图之间的高低位置及设备上接管口的位置应符合实际情况；（3）设备保温及伴热：画出一段隔热层或伴热管示意。第三节工艺流程图（二）设备的表示方法绝热层伴热管▲设备接管口的位置应符合实际情况：对于图中换热器，管程流体？壳程流体？进出口位置？BBAABBAAA流体走壳程，B流体走管程。固定管板换热器：通过本课程的学习，了解一些化工设备的知识。只有了解设备才能正确画好流程图！双管程四管程分程隔板釜式换热器化工设备的结构特点共同特点：主体（外壳）是压力容器，内部装有各种强化传热、传质的构件。填料塔、板式塔如何画？列管式：反应同时换热固定床：气体通过静止的催化剂床层流化床：固体催化剂颗粒处于悬浮运动状态反应器：（1）标注内容：设备位号和名称设备位号的一致性：同一工程设计中同一设备在不同设计阶段的所有图样中，位号必须一致。不同的设计阶段设备增减时怎么办？施工图设计阶段取消设备则保留空号，增加设备则在该主项内按已存在的同类设备顺序号后依次编号。例：初步设计阶段：R101R102R103R104施工图设计阶段：R101空号R103R104施工图设计阶段：R101R102R105R103R1042、设备的标注第三节工艺流程图第二种编写方式（2）设备位号和名称的编写规则：（P39）PL精制塔给料泵P301a,bPL精制塔T301PL残液冷却器E303PL中间槽V0301P32-33流程图的设备位号和名称:第三节工艺流程图PL精制塔再沸器E302精PL泵P02PL精制塔顶冷凝器E301精PL储槽V302a,b设备位号——在主项内分类按顺序编写，不得重复。P－301a,bPL精制塔给料泵设备类