化工设计概论第二章

第二章工艺流程设计本章主要内容：1）工艺路线选择。2）工艺流程的设计。例如：举例说明工艺路线的流程化简化后的流程示意图第二节工艺路线选择一、选择原则（1）先进性(技术上先进，经济上合理）。（2）可靠性。（3）结合国情，因地制宜。第二节工艺路线选择二、工作步骤1、全面收集拟定产品在国内外的各种生产方法资料。2、研究关键设备。3、对各种生产方法进行技术、经济、安全等方面的要求。4、对选定生产方法做适当的修改。要收集的主要资料内容•各国生产情况、各种生产方法及其工艺流程。•原料来源及成品应用情况。•实验研究报告。•原料、中间产品、产品和副产品的规格和性质。•安全技术和劳动保护措施。•综合利用及三废处理•生产技术是否先进、生产机械化、自动化程度。•装备大型化与制造、运输情况。•基本建设投资、产品成本、占地面积。•水、电、汽、水文、气象等方面的资料。•车间环境与周围的情况。第二节工艺路线选择在对生产方法进行论证时应注意的问题（１）满足产品性能规格的要求。（２）尽量采用先进生产技术。（３）选用的工艺路线必须具备工业化生产的条件。（４）对各项技术经济指标进行比较。（５）操作连续化问题。（６）装置大型化。（7）治理三废，消除污染。（8）提高自动化水平，尽量利用计算机进行生产控制和管理。第三节工艺流程的设计工艺流程设计是工艺设计的核心，它通过工艺流程图的形式，形象地反映化工生产由原料输入到产品输出的过程，其中包括物料和能量发生的变化，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等。第三节工艺流程的设计工艺流程设计的主要任务（1）确定生产流程中各个过程的具体内容，顺序和组织方式，操作条件，控制方案，确定“三废”治理方案，确定安全生产措施，达到加工原料以制得所需产品的目的。（2）在工艺流程设计的不同阶段，绘制不同的工艺流程图。第三节工艺流程的设计工艺流程设计的原则(1)尽可能采用先进设备、先进生产方法及成熟的科学技术成就，以保证产品质量。(2)充分利用原料，努力提高原料利用率，提高生产率，采用高效率的设备，降低原材料消耗及水电汽消耗，降低产品的生产成本，降低投资和操作费用，以便获得最佳的经济效益。第三节工艺流程设计工艺流程设计的原则(3)确保安全生产，以保证人身和设备的安全，充分预计生产的故障，以便即时处理，保证生产的稳定性。(4)尽量减少三废排放量，有完善的三废治理措施，以减少或消除对环境的污染，并做好三废的回收和综合利用。(5)生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产、高产。第三节工艺流程设计工艺流程设计中应注意和解决的问题(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，计算出整个装置的技术经济指标。(6)确定三废治理方法。(7)制定安全生产措施。第三节工艺流程的设计实验技术和实际生产中之间存在巨大差距，需要设计人员必须具备工业化生产的概念。如在实验室配制硫酸和硝酸的混合酸过程。工业混合酸流程图第三节工艺流程的设计工艺流程设计方法：（1）参考现有的图纸或资料,进行改进完善。（2）根据现有的生产装置进行工艺流程设计。（3）根据实验室的实验装置，进行生产工艺流程设计。（4）由概念设计做起，由一个反应式开始进行工艺设计。该设计主要适合实验流程的设计。第三节工艺流程的设计工艺流程设计步骤工艺流程设计一开始，首先进行概念设计或方案设计，设计出工艺流程草图，经物料计算后，再设计出工艺物料流程图，当设备计算结束时，开始绘制初步设计的管道及仪表流程图，只有当车间设计结束，进一步修改流程图后才能最后画出正式的施工图阶段的管道及仪表流程图。第三节工艺流程设计一、概念设计概念设计的主要内容是将工艺路线的流程化，然后完善流程，进行方案比较，选择一最佳方案。第三节工艺流程设计一、概念设计一个典型工艺过程分为六个重要部分，即原料贮存,预处理、反应、产品分离、净化、贮存包装。还要考虑”三废”处理及公用工程、配套设施。原料贮存原料预处理反应产品分离产品精制贮存包装原料产品一、概念设计1.工艺路线的流程化将这六个过程详细地加以研究，具体化到各个过程需要哪些化工单元操作加以组合，各化工单元操作又需要什么样的装备、设备、机械，这些单元操作的运行参数以及它们的运行次序，物料在化工单元操作中的“流水线”关系，以保证获得预期质量和数量的产品，这个将工艺过程具体化的设计过程，称为工艺路线的流程化。一、概念设计工艺路线流程化工作方法(1)首先确定主反应过程；(2)根据反应要求，决定原料贮存方式,量,原料准备过程和投料方式流程；(3)根据产品质量要求和反应过程实际，确定产物的分离、精制的过程；(4)产品的计量、包装或后处理工艺过程；(5)副产物处理的工艺过程；(6)“三废”排出物的综合治理流程；(7)确定动力使用和公用工程的配套。举例说明工艺路线的流程化例1.以HCl和CH3OH合成CH3Cl为例，假如我们已经选择了“气一液相”合成CH3Cl，主反应是：举例说明工艺路线的流程化举例说明工艺路线的流程化举例说明工艺路线的流程化简化完善工艺流程为了控制水洗塔生成废酸水的量，可以设计一个带有再沸器的HCl吸收塔，充分吸收HCl，制成稀盐酸，再将夹有微量水份和甲醇的CH3Cl经冷冻除水、脱醇。原料预处理流程可以简化为不必混合，直接进入反应釜。简化后的流程框图。简化后的工艺流程简图甲醇盐酸压缩机冷冻塔冷凝器脱酸塔冷凝器反应釜汽化釜计量槽盐酸冷凝器产品钢瓶汽提塔催化剂举例说明工艺路线的流程化简化后的流程示意图工艺流程设计2.初步设计阶段工艺流程的设计在概念设计的基础上，将流程深化，即深入细致地加以完善，对工艺流程和各操作单元。化工装置进行深入的量化设计，通过计算，对化工工艺流程进行逐步完善、拾遗补缺，全面系统地研究物料、能量、操作、控制，使各化工单元过程完整地衔接和匹配，能量得到充分利用。工艺流程设计2.初步设计阶段工艺流程的设计对工艺流程的方案设计，要从下列几个方面加以完善设计：(a)流程能力、操作弹性和设备设计。(b)工艺操作条件的确定和流程细节安排。(c)操作单元装置的衔接和辅助装置的完善。(d)确定操作控制过程中各参数控制点。工艺流程设计3.施工图设计阶段工艺流程设计在初步设计方案的基础上，完善管道和仪表的设计，各种物料、公用工程、全部设备、管道、管件、阀门、全部的控制点、检测点、自动控制系统装置及其管道、阀门设计。作为安装施工指导的工艺流程设计，最终表现为绘制“管道及仪表流程图”(简称PID图)。工艺流程设计工艺流程简图设计练习1）设计一将98%浓硫酸稀释成30%的稀硫酸的工艺流程简图。2）设计一气液吸收流程，要求在两个吸收塔中，对吸收液来说既能串联也能并联操作。第四节工艺流程图的绘制1、方框流程图和工艺流程草图2、工艺物料流程图3、管道及仪表流程图一、方框流程图和工艺流程草图1、方框流程图(BlockFlowsheet)方框流程图是在工艺路线选择确定之后，工艺流程进行概念设计时完成的一种流程图。其主要作用是：定性地表明原料变成产品的路线和顺序，以及应用的过程及设备。将主要工艺步骤或单元操作，用一方框表示，注明方框名称和主要操作条件，同时用主要的物流将各方框连接起来。一、方框流程图(BlockFlowsheet)绘制要求：矩形框用细实线，用粗实线加箭头表示出主要物流方向，并加上必要的文字注释。反应过滤结晶离心硫酸氧化铜母液滤液产品生产硫酸铜的方框流程图生产聚甲醛的方框流程图一、方框流程图和工艺流程草图2、工艺流程草图在方框图流程图的基础上，将各个工序过程换成设备示意图，进一步修改、完善可得到工艺流程草图。生产工艺流程草图一般由物料流程、图例、必要的文字说明三部分组成。2、工艺流程草图1.要画出主要设备示意外形设备用细实线画出外形、形状不要求准确，用线条和箭头表示主要物料管线和流向，物料线用粗实线绘制。至于管件、阀门等一般不标出。2.还要求附有图例，有的单位流程图上还有设备一览表。生产硫酸铜的工艺流程草图二、工艺物料流程图的绘制工艺物料流程图(processflowsheetdiagramPFD)简称物流图主要内容：A：设备简单的外型图、名称及位号。B：主要工艺条件，物料平衡表（对物料发生变化的设备，要从物料管线上引线列表表示：物料组分名称、物料量（kg/h)、质量%、kmol(kmol/h)、以及mol%等，每项均应标出其总和数。C：标题栏。二、工艺物料流程图的绘制（1）设备图形和流程线设备图形按设备外形绘制，此设备的外形不必精确，常采用标准规定的设备表示方法，简化绘制。设备之间用流程线连接起来，设备外形用细实线，设备之间的流程线用粗实线表示。在图上要标注设备位号及名称。常用设备符号工艺设备图例工艺设备图例工艺设备图例工艺设备图例二、工艺物料流程图的绘制（2）物流管线表示方法a.流程线用带箭头的粗实线表示b.进出装置用接续标志标明二、工艺物料流程图的绘制（2）物流管线表示方法c.用细实线菱形框(边长8～10mm)标出各物流点的编号二、工艺物料流程图的绘制（2）物流管线表示方法d.界区内部，图纸进出管线的始终端用32x45长方框并注明介质名称，去向等。反应气体来自R0201见图8413-9-40-0320二、工艺物料流程图的绘制（3）工艺数据的表示表示出主要工艺数据：温度，压力，流量等。（4）物料平衡表序号组分分子式分子量物流点编号物流点编号物料名称物料名称kg/hwt%Kgmol/hmol%kg/hwt%kgmol/hmol%12合计1温度2压力3密度4黏度二、工艺物料流程图的绘制（2）物流变化和物流表对于物料发生变化的设备，要从物料管线上画一个引出线，并于引出线端用列表的形式表示物料的组成、名称、质量流量(kg／h)、质量百分数、摩尔流量(kmol／h)。物料的某些工艺参数，例如物料温度、压力等可在流程线旁注明。物流表图例二、工艺物料流程图的绘制名称kg/hwt%kmol/hmol%1乙苯173.598.31.63097.22甲苯1.01.70.0192.8合计174.51001.649100V0104乙苯贮槽物流表图例热量衡算的结果的表示二、工艺物料流程图的绘制(2)设备标注①标注的内容设备在图上应标注位号及名称。设备位号在整个车间(装置)内不得重复，施工图设计与初步设计中的编号应该一致，不要混乱。如果施工图设计中设备有增减，则位号应按顺序补充或取消(即保留空号)。设备的名称也应前后一致。二、工艺物料流程图的绘制(2)设备标注②标注的方式设备的位号、名称一般标注在相应设备的图形上方或下方，各设备在横向之间的标注方式应排成一行；若在同一高度方向出现两个以上设备图形时，则可按设备的相对位置将某些设备的标注放在另一设备标注的下方。二、工艺物料流程图的绘制（3）标题栏及其它标题栏按图纸常规，注明图号，设计阶段等。物料流程图作业1.绘制一张以98%硫酸为原料，生产2000kg/a30%硫酸的物料流程图。三、管道及仪表流程图(PID)pipingandinstrumentdiagram作用：为设备布置、管道布置设计提供依据；为设备布置、管道布置及仪表控制等施工安装提供依据；它是施工安装的指导性文件。要求：表示出全部工艺设备、物料管路、阀件、设备的辅助管路以及工艺和自控仪表的图例、符号等。三、管道及仪表流程图主要内容：设备图形、管线、控制点和必要数据、图例、标题栏等。(1)图形将生产过程中的全部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（4）标题栏管道及仪表流程图绘制的规定及要求(1)比例与图幅管道及仪表流程图不按比例绘制，因此标题栏中“比例”一栏不予注明。一般设备（机器）图例只取相对比例，允许实际尺寸过大的设备（机器）比例适当缩小，实际尺寸过小的设备（机器）比例可适当放大。在图的下方画一条细实线作为地平线，可以相对示意出设备位置的高低。如有必要还可以将各层楼面的高度