第2章 工艺流程设计

内蒙古科技大学化学与化工学院化学工程与工艺专业课程化工设计任课教师：张建内蒙古科技大学化学与化工学院化工厂设计的内容与程序1工艺流程设计2物料衡算和能量衡算3设备的工艺设计及化工设备图4车间布置设计5管道布置设计6内蒙古科技大学化学与化工学院非工艺专业基本知识7工程设计概算8毕业设计9内蒙古科技大学化学与化工学院第二章工艺流程设计工艺流程设计是化工设计中非常重要的环节；是工艺设计的核心。工艺流程图集中地概括了整个生产过程的全貌。本章主要介绍生产方法和工艺流程的选择，工艺流程设计，工艺流程图绘制，典型设备的自控流程四个内容。内蒙古科技大学化学与化工学院第一节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选择合理的生产路线（方法），决定最终设计质量的优劣。一、生产方法和工艺流程选择的原则1.先进性—先进性主要指技术上的先进和经济上的合理可行。2.可靠性—可靠性是指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。3.合理性合理性是指在进行化工厂设计时，应该结合我国国情，从实际情况出发，考虑各种问题，即宏观上的合理性。上述三项原则必须在技术路线和工艺流程选择中全面衡量，综合考虑。总的目标是使未来的化工厂的产品质量、生产成本以及建厂难易等主要指标达到比较理想的水平。内蒙古科技大学化学与化工学院二、生产方法和工艺流程确定的步骤1.搜集资料，调查研究根据建设项目的产品方案及生产规模，有计划、有目的地搜集国内外同类型生产厂的有关资料。2.落实设备国内已有定型产品、需要进口产品、国内需重新设计制造的产品三种类型。3.全面对比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安全生产与劳动保护；⑧其他特殊情况。第一节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内蒙古科技大学化学与化工学院工艺流程设计是工艺设计的核心一、工艺流程设计的任务1.流程设计的主要任务包括两个方面：一是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；二是绘制工艺流程图。2.按步骤逐步解决以下7个方面的问题。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。第二节工艺流程设计第二节工艺流程设计内蒙古科技大学化学与化工学院二、工艺流程设计的方法1.正在生产或曾经运行过的成熟工艺可以参考借鉴而需要局部改进或局部采用新技术新工艺的问题。2.待开发的新工艺针对新开发技术，在设计上称为概念设计。3.工艺流程分为四个重要部分原料预处理过程、反应过程、产物的后处理（分离净化）和三废的处理过程。第二节工艺流程设计第二节工艺流程设计内蒙古科技大学化学与化工学院★★工艺流程设计主要考虑的问题(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。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。考虑催化反应的方式和催化剂的选择。(2)原料预处理过程根据反应特点，对原料提出要求，如纯度、温度、压力以及加料方式等；根据需要采取预热（冷）、汽化、干燥、粉碎筛分、提纯精制、混合、配制、压缩等措施。第二节工艺流程设计第二节工艺流程设计内蒙古科技大学化学与化工学院(3)产物的后处理获得目的产物，还生成副产物；有过剩组分；原料杂质带入产物中，杂质参与反应生成无用且有害的物质；反应过程是多相的，最终产物是固态的；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，有时是制约整个工艺生产能否进行的关键环节，是保证产品质量的重要步骤。(4)产品的后处理筛选、包装、灌装、计量、贮存、输送等过程。第二节工艺流程设计第二节工艺流程设计内蒙古科技大学化学与化工学院(5)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；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。第二节工艺流程设计第二节工艺流程设计内蒙古科技大学化学与化工学院(7)确定公用工程的配套措施；(8)确定操作条件和控制方案；(9)制定切实可靠的安全生产措施；(10)保温、防腐的设计。三、工艺流程设计的基本方法——方案比较一个优秀的工程设计只有在多种方案的比较中才能产生；进行方案比较的基本前提是保持原始信息不变（温度、压力、流速、流量等）；一个过程往往可以有多种方法来实现，选择一种最佳工程方案。第二节工艺流程设计第二节工艺流程设计内蒙古科技大学化学与化工学院第二节工艺流程设计第二节工艺流程设计例2-1混酸硝化氯苯制备混合硝基氯苯硝基物层送精制硝化分层废酸层混酸萃取分层氯苯氯苯混合料萃取废酸出售方案2硝化—分层—萃取混酸氯苯硝化分层硝基物层送精制废酸层出售硫酸未反应的硝酸硝基氯苯方案1硝化—分层内蒙古科技大学化学与化工学院第三节工艺流程图第三节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，即是工艺流程图。一、工艺流程图概述1.全厂总工艺流程图或物料平衡图总工艺流程图是在炼油化工厂设计中，为总说明部分提供的全厂流程图样。对综合性化工厂则称全厂物料平衡图。2.物料流程图物料流程图是在全厂总工艺流程图基础上，分别表达各车间内部工艺物料流程的图样。流程上标注出各物料的组分、流量以及设备特性数据等。内蒙古科技大学化学与化工学院第三节工艺流程图第三节工艺流程图内蒙古科技大学化学与化工学院第三节工艺流程图第三节工艺流程图3.工艺管道及仪表流程图工艺管道及仪表流程图是以物料流程图为依据，内容较为详细的一种工艺流程图。二、工艺流程草图工艺流程草图亦称方案流程图、流程示意图、流程简图，是用来表达整个工厂或车间生产流程的图样。生产工艺流程草图一般由物料流程、图例和设备一览表等三个部分组成。1.物料流程★设备示意图★流程管线及流向箭头★文字注解。2.图例(表2-1)内蒙古科技大学化学与化工学院第三节工艺流程图第三节工艺流程图3.设备一览表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；7一除尘塔内蒙古科技大学化学与化工学院第三节工艺流程图第三节工艺流程图三、工艺管道及仪表流程图管道仪表流程图(PI图)应依据“化工工艺设计施工图内容和深度统一规定”HG20519-92和“管道仪表流程图设计规定”HG20559-93的有关规定进行绘制。（一）通用设计规定1.图纸规格与图幅管道仪表流程图的图纸应采用标准规格，并带有设计单位名称的统一标题栏。图幅应采用0号(A0)标准尺寸图纸，也可用1号(Al)标准尺寸图纸。2.线条与比例3.文字与字母的标注4.图面布置内蒙古科技大学化学与化工学院第三节工艺流程图第三节工艺流程图（二）设备的表示方法1.图形化工设备在图上一般可不按比例、用中线条、按HG20519.31规定的设备和机械的图例画出能够显示设备形状特征的主要轮廓，并表示出设备类别特征以及内部、外部构件(内、外构件亦用中线条)。常用设备和机械的图形画法，可参见表2-2，其他设备可参照画出。2.设备的标注（1）标注的内容工艺管道仪表流程图上应标注设备位号及名称。（2）设备的位号每台设备均有相应的位号;设备位号由两部分组成，前部分用大写英文字母表示设备类别;后部分用阿拉内蒙古科技大学化学与化工学院第三节工艺流程图第三节工艺流程图伯数字表示设备所在位置(工序)及同类设备的顺序，一般数字为3-4位。例如，图2-3中的“J101”，由三部分组成：J为设备类别代号。（3）标注的方式PI图上通常要表示两处设备位号，第一处设备位号表示在设备旁，在设备位号线上部注写设备位号，不注设备名称；第二处位号表示在设备相对应位置的图纸上方或下方，在位号线上部注写设备位号，在位号线下部注写设备名称。（三）管道的表示方法1.管道的画法内蒙古科技大学化学与化工学院第三节工艺流程图第三节工艺流程图2.管道的标注（四）阀门与管件的表示方法内蒙古科技大学化学与化工学院（五）仪表控制点的表示方法管道仪表流程图上要以规定的图形符号和文字代号，表示出在设备、机械、管道和仪表站上的全部仪表。第三节工艺流程图第三节工艺流程图表2-11仪表安装位置的图形符号内蒙古科技大学化学与化工学院（六）首页图每个独立装置（装置包括若干个工序）编制一份首页图，适用于该装置的工艺管道仪表流程图和辅助物料、公用物料管道仪表流程图。首页图的图纸编号方法与装置内管道仪表流程图相同，位于图号首位；图纸规格应与装置内管道仪表流程图一致，张数不限。第三节工艺流程图第三节工艺流程图内蒙古科技大学化学与化工学院计算机实现自动化控制。自动化程度较高是现代化工的最大特点之一。化工典型设备（泵、换热器、反应釜、蒸馏塔）。一、泵类的自控方案1.离心泵离心泵的流量调节一般是采用出口节流的方法，如图2-7(a)。也可以使用旁路调节方法(见图2-7(b))，旁路调节耗费能量，其优点是调节阀的尺寸比直接节流的小。第四节典型设备自控方案第四节典型设备自控方案内蒙古科技大学化学与化工学院第四节典型设备自控方案第四节典型设备自控方案(a)控制泵的出口阀门开度(b)控制泵的出口旁路2.容积式泵主要指往复泵、齿轮泵、螺杆泵和旋涡泵等，流量减小压力急剧上升，不能采用节流控制。工程上通常采用旁路调节或改变转速，改变冲程大小来调节流量。内蒙古科技大学化学与化工学院第四节典型设备自控方案第四节典型设备自控方案图2-8往复泵的控制方案主要指往复泵、齿轮泵、螺杆泵和旋涡泵等，流量减小压力急剧上升，不能采用节流控制。工程上通常采用旁路调节或改变转速，改变冲程大小来调节流量。内蒙古科技大学化学与化工学院二、压缩机的自控方案第四节典型设备自控方案第四节典型设备自控方案图2-9压缩机分程控制方案图2-10压缩机旁路控制方案对压缩比很大的多段压缩机，从出口直接旁路回到入口会造成控制阀前后压力差太大，功率损耗很大。此时，可在中间某一段安装控制阀，使其回到入口端。内蒙古科技大学化学与化工学院三、换热器的自控方案（一）无相变时换热器的自控方案1.载热体流量控制方案用载热体的流量作为操作变量。（1）载热体入口压力平稳，且负荷变化不大，采用单回路控制方案；（2）载热体入口压力波动较大时，采用串级控制；（3）载热体是换热物料，其流量不允许调节，采用旁路控制。第四节典型设备自控方案第四节典型设备自控方案内蒙古科技大学化学与化工学院2.被控物料流量控制方案被控物料流量作为系统操纵变量。第四节典型设备自控方案第四节典型设备自控方案(a)改变被控物料流量(b)改变物料旁路流量2-12控制被控物料流量的控制方案内蒙古科技大学化学与化工学院（二）有相变时换热器的自控方案1.加热器的温度控制方案被加热物料的出口温度作为被控变量。（1）蒸汽的流量直接控制方案。第四节典型设备自控方案第四节典型设备自控方案内蒙古科技大学化学与化工学院（2）换热器的有效换热面积控制方案。第四节典型设备自控方案第四节典型设备自控方案内蒙古科技大学化学与化工学院2.冷却器的温度控制方案——以液氨冷却剂为例（1）用冷却剂的流量控制；（2）用温度-液位串级控制；（3）用冷却剂的汽化压力控制第四节典型设备自控方案第四节典型设备自控方案内蒙古科技大学化学与化工学院四、反应器的自控方案1.釜式反应器的温度自控第四节典型设备自控方案第四节典型设备自控方案内蒙古科技大学化学与化工学院第四节典型设备自控方案第四节典型设备自控方案内蒙古科技大学化学与化工学院2.固定床反应器的温度自控第四节典型设备自控方案第四