化工设计上课用

,第二章工艺流程设计,化工设计,第二章工艺流程设计,化工设计,化工设计,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工艺流程图计算机绘制软件简介,本章重点难点：工艺流程的选择原则和设计方法；工艺流程图的类型及其绘制方法；设备、管道、阀门与管件、自控方案的表示方法。,第二章工艺流程设计,化工设计,2.1生产方法和工艺流程的选择,教学内容：理解生产方法和工艺流程选择的原则和生产方法和工艺流程确定的步骤和内容。重点和难点：重点掌握生产方法和工艺流程确定的步骤。,第一节生产方法和工艺流程的选择,化工设计,一、生产方法和工艺流程选择的原则在选择生产方法和工艺流程时，应该着重考虑以下三项原则：1.先进性(技术上先进，经济上合理）2.可靠性3.合理性(结合国情，因地制宜),2.1生产方法和工艺流程的选择,2.1生产方法和工艺流程的选择,化工设计,二、生产方法和工艺流程确定的步骤确定生产方法和工艺流程时，通常要经过下列几个阶段：1.资料搜集与项目调研；2.生产设备类型与制造厂商调研；3.对调研结果进行全面分析对比。,2.1生产方法和工艺流程的选择,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。,（）满足产品性能规格的要求。（）尽量采用先进生产技术。（）选用的工艺路线必须具备工业化生产的条件。（）对各项技术经济指标进行比较。（）操作连续化问题。（）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。,在对生产方法进行论证时应注意的问题,化工设计,第二节工艺流程设计,教学内容：理解工艺流程设计的任务和工艺流程的设计方法。重点和难点：重点掌握工艺流程设计的步骤和内容，以及反应过程、原料预处理过程、产物的分离净化过程设计应考虑的问题。难点是综合运用所学知识，以反应过程为核心，根据反应过程的特点，提出对原料预处理过程、产物的分离净化过程的的要求，组织工艺流程。,2.2工艺流程设计,化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。,工艺流程设计的任务主要包括两个方面：（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。,2-2工艺流程设计,一、工艺流程设计的主要任务,化工设计,为使设计出来的工艺流程能够实现优质、高产、低消耗和安全生产，按下列步骤逐步进行设计:（1）确定整个流程的组成；（2）确定每个过程或工序的组成；（3）确定工艺操作条件；（4）控制方案的确定；（5）原料与能量的合理利用；（6）制定“三废”处理方案；（7）制定安全生产措施。,2.2工艺流程设计,化工设计,工艺流程设计方法，首先要看所确定的生产方法是正在生产或曾经运行过的成熟工艺，还是待开发的新工艺。前者是可以参考借鉴但需要局部改进或局部采用新技术、新工艺的问题；后者须针对新技术开发进行概念设计。工艺流程分为四大部分：原料预处理过程、反应过程、产物的后处理（分离净化）过程和“三废”的处理过程。,2.2工艺流程设计,二、工艺流程设计的方法p26,化工设计,（1）以反应过程为中心（2）原料预处理过程（3）产物的分离净化（4）产品的后处理（5）未反应原料的循环与利用（6）确定“三废”排出物的处理措施（7）确定公用工程的配套措施（8）确定操作条件和制定控制方案（9）制定切实可靠的安全生产措施（10）保温、防腐的设计,2.2工艺流程设计,工艺流程设计主要应考虑如下几个方面的问题：,(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。(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。,工艺流程设计的原则,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,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。,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,产品,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。,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,化工设计,第三节工艺流程图p28,教学内容：理解工艺流程图的种类和表达内容和管道仪表流程图的设备、管道、管件、阀门和仪表控制点的表达方法。了解首页图的编制内容。重点和难点：重点掌握管道仪表流程图的设备、管道、管件、阀门和仪表控制点的表达内容和方法，以及管道标注内容和方法。难点是如何确定管道等级，以及管道标注内容和表示方法。,2.3工艺流程图,化工设计,2.3工艺流程图,2.3工艺流程图,一、工艺流程图的种类,工艺流程草图工艺物料流程图带控制点的工艺流程图工艺管道仪表流程图,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。可以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）方框流程图和工艺流程草图,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。它是设计开始时供工艺方案讨论常用的流程图，是工艺流程图设计的依据。,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,1.方框流程图绘制,生产聚甲醛的方框流程图,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(物流管线及流向箭头)、图例、设备一览表三部分组成。,（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,化工设计,2.3工艺流程图,化工设计,工艺物料流程图是在物料衡算和热量衡算完成后绘制，是以图形与表格相结合的形式来反映物料衡算和热量衡算的结果。绘制内容图形标注内容设备一览表物料表,2.3工艺流程图,（二）工艺物料流程图p29,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。,（1）设备图形和流程线,常用设备符号,工艺设备图例,P35-39,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（也可用P30表示方法）,（2）物流管线表示方法,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(kgh)、质量百分数、摩尔流量(kmolh)。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。,（3）物流变化和物流表,例1：物流表图,V0104,乙苯贮槽,物流表图例,例2：物流表图,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。,(4)设备标注,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（P32），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。例：M/DBT（苄基甲苯和二苄基甲苯）工艺物料流程图,化工设计,2.3工艺流程图,图2-2M/DBT工艺物料流程图,例1：物料流程图（P30）,化工设计,带控制点的工艺流程图是一个工程项目工程设计的一个指导性文件，也是各专业开展设计的依据之一。带控制点的工艺流程图应画出所有工艺设备、工艺物料管线、辅助物料管线、主要阀门，以及工艺参数(温度、压力、流量、液位、物料组成、浓度等)的测量点，并表示出自动控制的方案。,2.3工艺流程图,（三）带控制点的工艺流程图,化工设计,管道仪表流程图(PI图)是借助统一规定的图形符号和文字代号，用图示的方法把建立化工工艺装置所需的全部设备、仪表、管道及主要管件，按其各自的功能，为满足工艺要求和安全、经济目的而组合起来，以起到描述工艺装置结构和功能的作用。PI图在基础工程设计阶段应绘制A版PI图(初版)、B版PI图(内审版)、C版PI图(用户版)及D版PI图(确认版)；在详细工程设计阶段应绘制E版PI图(详1版)、F版PI图(详2版)、G版PI图(施工版)。,2.3工艺流程图,（四）工艺管道及仪表流程图,化工设计,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”HG/T20519-2009和“管道仪表流程图设计规定”HG20559-93的有关规定进行绘制。,2.3工艺流程图,二、管道仪表流程图(PI图)p31,（一）通用设计规定,1.图纸规格与图幅2.线条与比例3.文字与字母的标注4.工艺管道仪表流程图5.备注栏、详图和表格6.图面布置,化工设计,1.图形化工设备在图上一般可不按比例、用中线条、按HG/T20519.2-2009规定的设备、机器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、机器的图例可参见P35教材表2-2，其他设备可参照画出。并用单实线画出机器设备上所有的接口(包括人孔、手孔、卸料口及排液口、放空口和化表接口等)。,2.3工艺流程图,（二）设备的表示方法,化工设计,（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；,2.3工艺流程图,2.设备的标注,标注方式如图。水平线一般以粗实线，线宽0.6mm。标注式样如下：P0301A中间泵编号由4个单元组成。（a）设备分类代号；（b）主项代号（设备所在工段或装置编号）；（c）同工序内同类设备顺序号；（d）相同设备的数量尾号。,（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。,化工设计,1管道的画法管道应按管道仪表流程图管道和管件图形符号HG20559.3-93规定的图形符号绘制。(1)线型规定(2)管道的交叉与转弯(3)放气、排液及液封(4)管道仪表流程图中的工艺物料管道一般采用左进右出的方式,2.3工艺流程图,（三）管道的表示方法,化工设计,2.管道的标注管道及仪表流程图的管道应标注的内容有四个部分，即管段号（由三个单元组成）、管径、管道等级和绝热（或隔声）代号，总称为管道组合号。水平管道宜平行标注在管道的上方，竖直管道宜平行标注在管道的左侧。在管道密集、无处标注的地方，可用细实线引至图纸空白处水平（竖直）标注。,2.3工艺流程图,(1)第1单元为物料代号。按HG/T20519.2-2009行业标准规定，物料代号通常按物料的名称和状态取其英文名词的字头组成。一般采用23个大写英文字母表示。常用（部分）物料代号，见p41表2-5。(2)第2单元为主项编号。按工程规定的主项编号填写。(3)第3单元为管道序号。相同类别的物料在同一主项内以流向先后为序，顺序编号。以上三个单元组成管段号。,化工设计,2.3工艺流程图,(4)第4单元为管道规格，一般标注公称直径，以mm为单位，只注数字，不注单位。(5)第5单元为管道等级。如A1A中：A管道的公称压力等级代号1管道材料等级顺序号A管道材质类别代号HG/T20519.6-2009规定的常用材质类别代号为：A铸铁、B碳钢、C普通低合金钢、D合金钢E不锈钢、F有色金属、G非金属、H衬里及内防腐(6)第6单元为绝热或隔声代号。,化工设计,2.3工艺流程图,化工设计,2.3工艺流程图,（四）阀门与管件的表示方法p43,化工设计,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。1仪表的功能标志仪表的功能标志由1个首位字母和1-3个后继字母组成，第一个字母表示被测变量，后继字母表示读出功能、输出功能。,2.3工艺流程图,（五）仪表控制点的表示方法,化工设计,2仪表位号仪表位号由仪表功能标志和仪表回路编号两部分组成，仪表回路编号可以用工序号加仪表顺序号组成。3仪表图形符号,2.3工艺流程图,例如：仪表、控制点的表示方法,集中仪表,就地仪表,LI,LI,0104,0104,参量代号,功能代号,顺序编号,检测、控制等仪表在图上用细实线圆(直径约10mm)表示，仪表的信号线均以细实线绘制。,仪表、控制点的图示与标注P46表2-12,化工设计,每个单独装置（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。根据标准HG/T20519.2-2009，首页图见P47教材图2-7。,2.3工艺流程图,（六）首页图,化工设计,第四节典型设备的自控方案,教学内容：理解泵类、压缩机、换热器、反应器及蒸馏塔的自控方案的内容和方法，以及自控设计条件的内容。重点和难点：重点掌握泵类、压缩机、换热器、反应器及蒸馏塔的自控方案。难点是如何确定操纵变量、主变量和副变量，以及控制方案的表达方法。参考p48,2.4典型设备的自控方案,化工设计,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2-8(a)。也可以使用旁路调节方法(见图2-8(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。,2.4典型设备的自控方案,2.4典型设备的自控方案,化工设计,2容积式泵容积式泵主要指往复泵、齿轮泵、螺杆泵和旋涡泵等，当流量减小时容积式泵的压力急剧上升，因此不能在容积式泵的出口管道上直接安装节流装置来调节流量，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。,2.4典型设备的自控方案,化工设计,2.4典型设备的自控方案,二、压缩机的自控方案,化工设计,(一)无相变时换热器的自控方案1控制载热体的流量,2.4典型设备的自控方案,三、换热器的自控方案,化工设计,2控制被控物料的流量,2.4典型设备的自控方案,化工设计,1加热器的温度控制方案（P50图2-14，图2-15）2冷却器的温度控制方案（P51图2-16）,2.4典型设备的自控方案,(二)有相变时的换热器控制方案,化工设计,(一)釜式反应器的温度自动控制1控制进料温度物料经过预热器（或冷却器）后进入反应釜，通过改变进入预热器（或冷却器）的热剂量（或冷剂量）改变进入反应釜的物料温度，从而达到控制釜内物料温度的目的（见教材P51图2-17(a)）。2控制传热量用改变载热体流量来调节反应釜内物料温度，见教材P51图2-17(b)。,2.4典型设备的自控方案,四、反应器的自控方案,化工设计,3串级控制当反应釜滞后现象较严重时或控温要求较高时，应改单回路控制为串级控制。,2.4典型设备的自控方案,化工设计,(二)固定床反应器的温度控制,2.4典型设备的自控方案,化工设计,五、蒸馏塔的控制方案,2.4典型设备的自控方案,(a)提馏段控制方案(b)精馏段控制方案图2-19蒸馏塔原则控制方案,化工设计,在物料衡算已经修订、流程图和设备布置图基本完成后提交。自控设计条件内容：管道仪表流程草图、设备布置图和自控设计条件表。,2.4典型设备的自控方案,六、自控设计条件,化工设计,第五节工艺流程图计算机绘制软件,教学内容：运用多媒体手段演示用PIDCAD绘制工艺流程图