化工过程分析及流程设计.ppt

第二讲,化工过程分析及流程设计,第一节 化工过程结构分析,按照生产方式可以将工业领域分为两大类： （1）过程工业（process industry）也称流程工业，是指通过物理变化和化学变化进行的生产工业过程，其特点是连续性。如石化、电力、冶金、造纸、医药、食品等工业。,过程工业与离散工业,（2）离散工业（discrete industry） 离散工业的产品往往由多个零件经过一系列并不连续的工序的加工最终装配而成。加工此类产品的企业可以称为离散制造型企业。例如火箭、飞机、武器装备、船舶、电子设备、机床、汽车等制造业，都属于离散制造型企业。,年产1000吨茶皂素生产线流程框图,化学工业是典型的过程工业,以糖蜜为原料无水酒精生产流程框图,化工产品千千万万，工艺各有不同，流程有长有短如何进行分析和归纳？ 要进行工艺过程设计，首先要对化工生产过程进行分析，从个性问题中寻找共性，是化学工程师必备的基本素质。 化学工程学的本质：单元操作、三传一反、多尺度化学工程就是归纳总结的最好例证。,提 纯 （1）保证：平衡转化率，反应速率； （2）催化剂对毒物的要求,分 离 （1）未反应原料的回收； （2）副反应产物分离，产品提纯,核心,例 以乙醇为原料生产乙酸,乙醇乙醛乙酸 尝试以化学反应为中心（起点）组织流程,C2H5OH + O2 CH3CHO + H2O 反应条件：气固相催化放热反应； 反应温度：550580； 催化剂为银，网状或不规则状； 反应转化率约为6070%； 过程中有副反应。,Ag,第一步反应:,根据以上条件，我们要考虑: 原料乙醇需要气化并加热到接近反应温度; 解决氧气的供应与配比问题； 控制副反应的发生； 反应后产物的分离及未反应原料的回收； 乙醇、乙醛、水、副产物 能量高效利用。,思考： 每个单元的作用？ 为什么通过这个流程可以达到由原料乙醇转变为产品乙醛的目的？ 不这样做可以吗？,原料酒精,配料,蒸发,氧化反应 Ag催化剂,冷却,吸收,精馏浓缩,乙醛+水+酒精,酒精+水 82（V）,乙醛+水+酒精+N2,浓乙醛,水,水,空气,酒精+水+空气,过热,N2,1.配料罐 2. 料泵 3.酒精蒸发器 4.过热器 5.阻火器 6.氧化炉(带余热锅炉) 7.汽包 8.软水换热器 9.酒精换热器 10.水冷凝器 11.盐水冷凝器 12.吸收塔 13.稀乙醛贮罐 14.稀乙醛泵 15.废水换热器 16.预热器 17.乙醛精馏塔 18.冷凝器 19.回收酒精塔 20. 冷凝器,配料、蒸发工段,反应、冷却工段,吸收工段,乙醛提纯、酒精回收工段,CH3CHO + O2 CH3COOH 反应条件：放热反应； 催化剂为醋酸锰； 反应温度：6080； 反应转化率与氧气的供应有关； 存在副反应。,第二步反应,醋酸锰,根据以上数据，我们考虑： 反应体系：气相/液相； 反应压力； 反应物浓度配比，醛/氧配比； 反应温度的控制，反应热的移出； 催化剂的回收利用； 副反应产物的处理，产品的提纯。,思考： 每个单元的作用？ 反应II是气/液/（固）反应，应采用什么形式的设备？ 怎样保证空气按比例进行反应器参与反应？,在化工加工过程中，一般原料不能一步转化为产品，需要将总的转化过程分解为一系列独立的操作步骤，这些步骤包括反应、分离、混合、加热、冷却、压力改变等。然后将这些步骤相互连接起来，以实现总的转变。 表示这些步骤的图形就称为加工流程图。 这种加工过程称为过程工业。化学工业基本都是过程工业。,连续过程（Continuous process）,连续与间歇过程,连续过程中每个装置都每天运行24小时，每周运行7天，几乎全年都在基本不变的稳定条件下运行，直到为了检修而停车。 连续过程一般固定产品，生产操作是在给定设备中以固定的顺序进行的。,连续过程是在同一时段，不同的空间进行不同的操作。,间歇过程（Batch process）,与连续过程相反，间歇过程常常是多产品或多目的生产，生产操作的形式多样化。间歇过程可能有并联操作，也可能有串联操作，一般几套装置（有时是所有装置）都设计成经常地开车和停车。在一个正常的间歇操作循环中，各种设备充注了物料，在规定的周期内完成各自预期的功能，然后停车、放料、清理，直到重复开始下一个周期。间歇操作的另一个特性是常常可以在单一容器内完成几项操作。,间歇过程是在一个空间，不同的时段从事不同的操作。,换热器 混合器,两种过程的比较,连续过程 由于其操作稳定、生产能力大而日益在化工过程中占主导地位。在连续过程中，由于过程中的物流是连续流动的，因此整个过程中的存料量较小，也就意味着设备的尺寸较小，节省了设备的投资。由于操作是在稳定状态下进行的，因此生产效率较高，生产能力较大，例如，连续型反应器可以在转化率高的操作条件下运行。另外，由于连续操作属于稳态过程，因此理论上研究比较容易，也便于自动控制；而且由于过程中物料存量少，安全性也相应提高。 但相对于间歇过程而言，连续过程对设备的可靠性要求高。一些易损设备，如压缩机、泵等必须安装备用件。,间歇或半连续过程 在精细化工、生物化工、医药、食品等工业中作为主要过程存在。 它的一个显著特点，就是具有生产的灵活性，对于同一系列的生产设备，可利用它按市场需要生产多品种产品，那些高附加值、低产量或生产过程复杂、生产周期长，特别是有固相中间体的产品，最适合采用间歇过程生产。 从生产的发展趋势来预测，在现在或将来，间歇过程都将与连续过程长期并存下去。,两种过程的组合,许多间歇过程中含有一台或多台连续操作的设备。例如，在一个流程中，经常把几台间歇反应器的产物暂时存储起来，作为中间产物再送入一组连续操作的蒸馏塔内。或者，把各种少量生成的副产物累积起来，达到足够量时，再用一台间歇式蒸馏塔来分离产品。又如，固定床吸附过程，采用两床或多床将间歇过程变为“连续”过程。,固定床吸附干燥流程图,选择原则 （1）产率 生产能力大于4500吨/年的生产装置采用连续过程，否则采用间歇过程。 （2）市场需求 短期的，季节性产品适用间歇生产。 （3） 操作 反应速度问题,（1）过程的选择 在化学工艺流程中，要想使原料通过该过程生产出合格产品，需要将一个一个操作单元“艺术地”连接在一起，形成基本的操作工艺过程。 选择什么样的单元，怎样将它们连接起来，怎样表示这个过程？是本章要解决的问题。,1. 工艺流程的组织,第二节 化工过程的构建,（2）过程的条件 浓度、温度、压力、相态、停留时间的确定。考虑技术和经济两个方面如中间储罐的尺寸的确定。 （3）过程的结构 在基本流程的基础上，如何对过程进行优化，物料是否有再循环？能量如何回收利用？ （4）其它条件的选择 可操作性，安全性，易控制性。,在化工过程中，原料通常不能一步转化为产品，需要将总的转化过程分解为一系列独立的操作步骤，这些步骤包括反应、分离、混合、加热、冷却、压力改变等。然后将这些步骤相互连接起来，以实现总的转变。,尝试以化学反应为中心（起点）组织流程,含一个化学反应的工艺过程:,化学反应：,其中C为目标产品，D和E为副产品或杂质。,考虑了未反应原料循环的工艺过程:,化学工艺流程模型：,例2：化工过程设计 以反应器为核心开始设计。,反应器将原料转变为产品和副产品,需要用分离系统来分离产品和循环利用未反应的原料,采用不同的分离系统会改变工艺过程,思考： 1. 如果DE要进一步分离，该如何组织流程？ 2. 如果循环AB与进料AB比例不一致，该如何处理？,增加了热集成的工艺过程（1）,AB,增加了热集成的工艺过程（2）,2. 物料衡算与能量衡算,在工艺流程确定后，需利用物理与化学的基本定律，对化工过程单元及系统的物料与能量平衡进行定量的计算，该过程称为物料衡算与能量衡算。 通过计算，从中找出主副产品的生成量，废物的排出量，确定原材料的消耗量，确定各物流的流量、组成和状态，确定每一设备内物质转换与能量传递的速度，从而为确定操作方式、设备选型以及设备尺寸、管路设计与公用工程的设计提供依据。,丙酮吸收流程例：,通过衡算，可以确定流程中各个位置的技术参数。,第三节 化工过程的表示方法,化工过程用化工工艺流程图表示。 化工工艺流程图是按工艺过程顺序将设备和工艺流程管线自左至右地展示在同一平面上的示意图。一般含有如下内容：设备的简单图形；管道、阀门、管件、仪表控制点等图形符号；设备位号及名称、管道编号、物料走向、仪表控制点代号、图例说明和标题栏等。 化工工艺流程图一般以工艺装置的主项（工段或工序）为单元绘制，也可以装置（车间）为单元绘制。,根据工艺设计的不同阶段，化工工艺流程图可分为方框流程图、工艺流程简图、工艺物料流程图（PFD）和带控制点的工艺流程图（PID）。这几种图要求不同，其内容和表达的重点也不同，但它们之问有着密不可分的联系。 它们之问的差别，主要反映在图样所表示的内容详尽与否。通常， 在项目建议书上，采用方框流程图或工艺流程简图； 在初步设计阶段，采用工艺流程简图或PFD； 在工艺计算阶段，绘制PFD ； 在施工图设计阶段绘制PID 。,方框流程图也称为流程框图，是工艺路线选择确定之后，对工艺流程进行概念性设计时完成的一种流程图。对于工程技术人员，是进一步设计的参考；对于投资者，可以大概了解工艺的走向。,1. 方框流程图（ block flowsheet）,燃料乙醇脱水工段讨论框图,2. 工艺流程简图 （simplified flowsheet）,在方框图的基础上，将各个工序过程换成设备示意图，进一步修改、完善，可得到工艺流程简图。主要供化工工艺计算和设备订货及计算使用。 从该图上可以看出必须对哪些生产工序、步骤和关键设备进行计算，不至于混乱、遗漏和重复。,3. 工艺物料流程图 （Process Flowsheet Diagram, PFD）,在完成工艺计算即物料与能量衡算后，应绘制工艺物料流程图PFD，简称物流图。 PFD表达了一个生产工艺过程中的关键设备，关键节点的物料性质（如温度、压力）、流量及组成等。,4. 带控制点的工艺流程图 （Piping and Instrument Diagram, PID）,带控制点的工艺流程图有时也被称为管道及仪表流程图。它表示出全部设备、物料管道、辅助管道、阀门、自动控制点等，是工艺设计中最详细、也是最终的施工图样。,第四节 工艺流程图的绘制,化工工艺流程图是用图示的方法把化工生产的工艺流程和所需的设备、管道、阀门、管件、管道附件及仪表控制点表示出来的一种图样，是设备布置和管道布置设计的依据，也是施工、操作、运行及检修的指南，是化工工艺设计的主要内容。 在化工厂的建设过程中，无论是设计、施工，还是设备的制造、安装，或是生产过程中的试车、检修、技术改造，均离不开化工图样。,化工制图是专门研究化工图样的绘制和阅读的一门科学。 在化工制图中一般采用机械制图的国家标准。 绘制化工工艺流程图是化工制图的内容之一，因此，国家机械制图标准对化工制图的约束，在绘制化工工艺流程图同样有效。但由于化工工艺流程图的特殊性，原化工部对化工工艺流程图制定了一套行业标准HG20591.*-92.标准对图样幅画、标题栏等作了说明，并规定了设备图形、线型、阀门管件图线、图例等的表达方式，设备、管线、仪表等的标注形式等。 本节以PID图的绘制为例说明工艺流程的设计过程。,1. 图样幅画,图样幅画又称图纸幅画，国家标准对机械制图的图样幅画的基本规定，是采用A0至A5号图样幅画。,图框线用粗实线绘制，周边各部分尺寸均按照上表中的规定。 无论装订与否，均应画出图框线和标题栏。 需装订的图样横幅格式如下图所示：,不需要装订的图样横幅格式如下图所示：,化工工艺流程图的图样幅画仍采用国家标准对图样幅画的规定，但根据流程图的特点，有一些特殊的规定： 一般化工工艺流程图采用标准中A1规格的图样幅画，横幅绘制。 对流程简单者可以采用A2规格的图样幅画。,乙醇蒸馏工段PID图,对生产流程过长，在绘制流程图时可以采用标准幅面加长的格式。每次加长为图样宽度的1/4倍。也可以采用分段分张的流程图格式。,酒精发酵工段PID图,在流程图中，设备（机器）一般只取相对比例。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）比例适当放大。 要示意出各设备间的相对高低。,2. 比例,在化工制图中，图样比例仍采用国家标准GB/T 14690-93技术制图比例的规定。对某些局部放大图、斜视图、剖视图等，其比例与主视图不同时，应在图样中该图的上方单独进行比例标注。,3. 字体,化工工艺流程图的字体应该按技术制图字体GB/T 14691-93的有关规定，做到字体端正、笔画清楚、排列整齐、间隔均匀，并要求采用长仿宋矢量字体。代号、符号要符合有关标准规定,（1）汉字输出时一般采用正体，并采用国家正式公布的简化汉字方案。 （2）字体高度由图样幅面大小确定。字体大小分为1.8，2.5，3.5，5，7，10，14，20八种字号 （3）规定字体的最小字距、行距，以及间隔线、基准线与书写字体间的最小距离。 （4）标点符号应正确使用，除省略号、破折号为两个字位外，其余均为一个字位。 （5）小数点输出时，应占一个字位，并位于中间靠下处。 （6）各计量单位、名称应符合中华人民共和国法定计量单位的规定。,4. 图线,图线指图线的基本线型和基本线型的变形。GB/T17450-98技术制图图线对图线有详细的说明。 在化工制图中的图线应采用国家标准规定的各种图线。图线分为粗、细两种，粗线宽度b在0.52mm之间选择，细线宽度约为（1/22/3）b。 绘图时根据清晰、醒目、按图形大小和复杂程度选择图线宽度。但在同一图样中，同类图线的宽度和类型应一致。,在实际绘制过程中对图线有如下几点要求： （1）虚线、点划线、双点划线的线段长度及间隔应均匀分布。 （2）点划线和双点划线的首末端应是线段而不是点。 （3）圆的中心线在圆心处为线段的交点，且中心线两端超出圆轮廓线25mm。 （4）在较小图形上绘制点划线或双点划线有困难时，可以用细实线代替。,5. 标题栏,标题栏：标题栏位于图框右下角，其格式在GB/T 10609.1-93技术制图标题栏中有详细的规定。 在一般情况下，每张图纸的右下角都要有标题栏，用于说明设备的名称及设计等内容。,6. 设备的表示方法和标注,（1）设备的表示方法：化工设备与机器的图形表示方法在原化工部HG20519.34-92标准中已作了规定。在标准中未规定的设备、机器图形可以根据其实际外形和内部结构特征绘制，只取相对大小，不按照实物比例绘制。 化工工艺流程图中各设备、机器的位置应便于管道连接和标注，其相互间物料关系密切者的相对高低位置要与设备实际布置相吻合。,对于需隔热的设备和机器要在其相应部位画出一段隔热层图例，必要时标注出其隔热等级； 管道有伴热的也要在相应的部位画出一段伴热管，必要时可标注出伴热类型和介质代号。 地下或半地下的设备、机器在化工工艺流程图上要表示出一段相关的地面。 设备、机器的支承和底座可不表示。,以下摘录标准中的部分图例,（2）设备的标注 设备一般在两个地方标注： 一是在设备的上方或下方标注，要求排列整齐，并尽可能正对设备。标注形式如分式，在位号的上方（分子）标注设备位号，在位号的下方（分母）标注设备名称。 二是在设备内或其近旁进行标注，仅标注设备位号，不标注设备名称。,设备位号由设备分类代号、车间或工段号、设备序号和相同设备序号组成。对于同一设备，在不同设计阶段必须是同一位号。原化工部标准HG20519.35-92对设备位号编制有规定，如图所示。,设备标注格式,分馏塔顶油气冷凝冷却器,7. 管道的表示方法和标注,（1）管道的表示方法 在化工工艺流程图中是用线段表示管道的，常称为管线。在原化工部HG20592.28-92和HG20519.32-92标准中对管道的图例、线型及线宽做出了规定，图例如下表所示。,在每根管线上都要以箭头表示其物料流向。图中管线与其他图纸有关时，一般应将其端点绘制在图的左方或右方，并在左方或者右方的管线上用空心箭头标出物料的流向（入或出），空心箭头内注明其连接图纸的图号或序号，在其附近注明来或去的设备位号或管道号。空心箭头画法如下图所示。,空心箭头,在化工工艺流程图中管线的绘制应成正交模式，即管线画成水平或垂直线段，管线相交和拐弯均画成直角。 在管线交叉时，应该将一根管线断开，如下图所示。 应该尽量避免管线穿过设备。,交叉管线标记,（2）管线标注 管线标注是用一组符号标注管道的性能特征。这组符号包括物料代号、工段号、管段序号和管道尺寸等，如下图所示。 物料代号、工段号和管段序号这三个单元称为管道号（或管段号）。,管线标注格式,按原化工部HG20519.36-92标准中规定的物料代号如下表所示。,管道外径和壁厚构成管道尺寸，管道尺寸以mm为单位，只标注数字，不标注单位。 在管道尺寸后应标注管道材料代号，管道材料代号如下表所示。,管道等级代号和隔热隔音代号可分别参见原化工部HG2