生物工程工厂设计3工艺流程设计

第三章工艺流程设计,第一节概述,生产工艺设计是总体设计的主导，它起着贯穿全过程并且组织协调各专业设计的作用，其它配套设计必须根据生产工艺提出的要求来进行设计，而工艺流程设计又是工艺设计中最重要的设计。按照产品的工艺技术成熟程度，分为两类：生产工艺流程设计试验工艺流程设计本章主要讨论生产工艺流程设计。,工艺流程设计,通过工艺流程图的形式，形象地反映由原料进入系统到产品输出的全过程，包括：（1）物料和能量的变化（2）物料的流向（3）产品生产所经历的工艺过程和使用的设备仪表,一、工艺流程设计的作用,工艺流程设计是在确定生产方法的基础上进行的，并贯穿于整个工艺设计始终。在工艺设计中，工艺流程设计最先开始，最后结束。设计人员在设计工艺流程时，要做到认真仔细，反复推敲，努力设计出技术上先进可靠、经济上合理可行的工艺流程。,二、工艺流程设计的任务,1、选择生产方法，确定由原料到成品的各个生产过程的具体内容、顺序和组合方式，即生产过程中物料和能量发生的变化及流向，应用的生物反应或化工过程及设备。2、绘制工艺流程图。,工艺流程图:,通过图解和必要的文字说明将原料变成产品（包括三废处理）的全部过程表示出来的图纸。工艺流程图不仅是工艺设计各部分的设计基础，也是操作运行及检修的指南。,第二节生产方法的选择和工艺流程的设计原则,一、生产方法的选择二、工艺流程的设计原则,一、生产方法的选择,生产方法即工艺路线的选择，是生物工厂设计的关键。,同一种产品的生产，可以采用不同的生产方法，不同原料，不同的生产线，不同的工艺流程。因此，选择生产方法是决定设计质量的关键一步，必须认真对待。如果产品只有一种生产方法，无须选择；如果产品有几种生产方法，就需逐个进行分析研究、比较、筛选。,选择生产方法的主要依据如下：,1、原料来源、种类和性质2、产品的质量和规格3、生产规模4、技术水平5、建厂地区的自然环境6、经济合理性,生产方法的选择原则,生产方法的选择原则应突出以下三点：1、技术上先进性：就是技术上的先进和经济上的合理可行。具体包括：基建投资、产品成本、消耗定额和劳动生产率等方面的内容，应选择物料损耗小、循环量少，能量消耗小和回收利用好的生产方法。,2、经济可靠性：是指所选择的生产方法是否成熟可靠（不成熟的工艺技术，会造成极大的浪费）。因此，对于尚在试验阶段的新技术、新工艺、新设备应慎重对待，要防止只考虑新的一面，而忽略不成熟、不稳妥的一面，坚持一切经过试验的原则，不允许把未来的生产当作试验工厂进行设计。,3、结合国情：在工厂设计时不能单从技术观点考虑问题，应结合具体国情例如：（1）消费水平及产品的消费趋势；（2）设备及电气仪表的制造能力；（3）原料等供应情况；（4）环境保护的有关规定和三废排放情况；（5）劳动就业与生产自动化关系；（6）资金筹措等情况。以上三项原则必须在生产方法的选择中全面衡量、综合考虑。,具体收集的内容主要有以下几个方面：（1）国内外生产情况，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）安全技术及劳动保护措施；（5）综合利用及三废处理等等。,二、工艺流程的设计原则,1、保证产品质量：保证产品质量符合国家标准，外销产品还必须满足销售地区的质量要求。2、尽量采用成熟的、先进的技术和设备。努力提高原料利用率，提高劳动生产率，降低水、电、汽及其他能量消耗，降低生产成本，使工厂建成后能迅速投产，在短期内达到设计生产能力和产品质量要求，并做到生产稳定、安全、可靠。,3、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；对于无法回收利用的，则须进行妥善处理。4、确保安全生产，以保证人身和设备的安全。制定安全生产措施。5、生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产、高产。确定整个生产工序或每台设备的各个不同部位要达到和保持的操作条件，选用合适的控制仪表。6、提高设备利用率。确定每个过程或工序的组成，采用多少设备和由哪些设备来完成这一生产过程，以及各种设备之间应如何连接，并明确每台设备的作用和它的工艺参数。,第三节工艺流程的设计步骤,生产工艺流程设计在整个工艺设计中最先开始。在初步设计和施工图设计阶段，都要进行不同深度的工艺流程设计。随着工艺及其他专业设计的展开，通常都需要对初步设计的工艺流程设计进行局部修改。所以，生产工艺流程设计又是最后才完成。,工艺流程一般分为五个重要部分(processsteps)：,1、原料预处理生产方法确定之后，根据生产特点，对原料提出工艺条件要求，如纯度、温度、压力、加料方式等。2、反应过程根据生化过程的特点、产品的要求、物料特性、基本工艺条件来决定采用生化反应器类型和决定连续还是间歇性操作。,3、下游技术工艺过程根据生化反应特性和产品质量要求，某一具体产品的分离提取工艺与下列情况有关：（1）细内产物或胞外产物；（2）原料中产物和主要杂质浓度；（3）产物和主要杂质的物理化学特性及差异；（4）产品用途和质量标准；（5）废液的处理方式等。需采用不同措施进行处理，有时这些原因是制约生产的关键环节。,4、产品的后处理经过分离提取后的产品，有些是下一工序的原料，有些可作商品，还需要后处理，如筛分、包装、灌装、计量、贮存、输送。这些过程都需要有一定的工艺设计装置。5、物料的循环利用以及三废处理要根据特点、设计相应的单元操作过程。,工艺流程图的三个设计阶段,basicflowdiagram生产工艺流程示意图processflowdiagram（PFD）工艺流程（草）图process（piping）andinstrumentationdiagram（P&ID）带控制点的工艺流程图,工艺流程设计的基本方法,1、生产方法（工艺路线）的选择并确定生产规模2、确定工艺流程的组成和顺序首先将一个工艺流程划分为若干重要部分，以反应过程为中心组织工艺流程。,3、绘制工艺流程框图用方框、文字和箭头等形式定性表示出由原料变成产品的路线和顺序，绘制出工艺流程框图。4、绘制工艺流程示意图在框图的基础上，分析主要工艺设备，以图例、箭头和必要的文字说明定性表示出由原料变成产品的路线和顺序，绘制出工艺流程示意图,5、绘制工艺流程草图工艺流程示意图确定之后，即可绘制工艺流程草图。6、绘制物料流程图进行物料衡算和能量衡算后绘制物料流程图。定性转入定量。,7、绘制初步设计阶段带控制点的工艺流程图。进行设备设计、车间布置设计、管道的工艺计算以及仪表自控设计。绘制初步设计阶段带控制点的工艺流程图，并列出设备一览表。8、绘制施工图阶段带控制点的工艺流程图初步设计经审核批准后，按照初步设计的审核意见，对工艺流程图中设备、车间布置、管道、阀门、仪表等修改、完善和进一步的说明。可绘制出施工图阶段带控制点的工艺流程图。,一、生产工艺流程示意图,此图是在物料衡算前进行，最简单的一种定性图纸。其作用是定性表明原料变成产品的路线和顺序，以及应用的过程及设备，包括全部的单元操作和单元反应。工艺流程示意图可以用简单的设备流程图表示，甚至可用文字示意图表达。味精生产的工艺流程示意图。,生产工艺流程示意图绘制方法,1、物料名称下画一条等宽的粗实线；2、最终产品名称下加画一条等宽细实线；3、工序/设备名称外画细实线外框；4、工序/设备之间以水平/垂直粗实线连接；用箭头表示物料的走向。啤酒生产的工艺流程示意图。,在啤酒生产的二次煮出糖化法中，糊化锅中的物料为麦芽、大米和水，糖化锅中的物料为麦芽和水。麦芽和大米在糊化锅中与50温水混合，并升温煮沸糊化。与此同时，麦芽粉与温水在糖化锅中混合并以4555保温，时间在3090min。接着将糊化锅中已煮沸的糊化醪泵入糖化锅，使混合醪温达到糖化温度（6568），保温进行糖化。然后从糖化锅中取出部分醪液泵入糊化锅煮沸，再泵回糖化锅，使醪液升温至7578，静止l0min后进行过滤。,二次煮出糖化法，糊化锅中的物料为麦芽、大米和水，糖化锅中的物料为麦芽和水。麦芽和大米在糊化锅中与50温水混合，并升温煮沸糊化。与此同时，麦芽粉与温水在糖化锅中混合并以4555保温，时间在3090min。接着将糊化锅中已煮沸的糊化醪泵入糖化锅，使混合醪温达到糖化温度（6568），保温进行糖化。然后从糖化锅中取出部分醪液泵入糊化锅煮沸，再泵回糖化锅，使醪液升温至7578，静止l0min后进行过滤。,二、工艺流程草图的设计,生产工艺流程示意图（工艺流程草图）物料衡算设备设计（计量和贮存设备等容积型设备的尺寸和台数）专业设备和通用设备设计选型（包括水电汽计算）所有设备工艺流程草图（物料流程图）,三、工艺流程图的设计,工艺流程草图车间布置设计修改和完善设备的空间位置确认设计合理无误，绘制带控制点的工艺流程图。,需要指出的是，工艺流程示意图、工艺流程草图和带控制点的工艺流程图的设计不是单独进行的，必须同物料衡算、能量衡算、设备设计计算和选型以及车间布置设计等交叉进行。,第四节工艺流程图,本节在前面工艺流程设计的基础上，着重介绍工艺流程图的组成内容、各部分的绘制方法和标注要求，如工艺流程图中设备如何表示、物料管线如何绘制、仪器仪表如何表示等。,一、工艺流程草图,生产方法确定之后，可进行工艺流程草图的绘制，绘制依据是可行性研究报告中提出的工艺路线，绘制不需在绘图技术上花费时间，而把主要精力用在工艺技术问题上，它只是定性地标出由原料转变为产品的变化、流向顺序以及采用的各种生化过程及设备；工艺流程草图一般由物料流程、图例、标题栏三部分组成，是初步设计阶段的重要工艺流程图。,1）物料流程：设备示意图，可按设备大致几何形状画出（或用方块图表示），设备位置的相对高低不要求准确，但要标出设备名称及位号。物流管线及流向箭头，包括全部物料管线和部分辅助管线，如：水、气、压缩空气、冷淡盐水、真空等。必要的文字注释，包括设备名称、物料名称、物料流向等。,工艺设备位号的编法,每个工艺设备均应编一个位号，在流程图、设备布置图和管道布置图上标注位号时，应在位号下方画一条粗实线。,主项代号一般用两位数字组成，前一位数字表示装置（或车间）代号，后一位数字表示主项代号，在一般工程设计中，只用主项代号即可。装置或车间代号和主项代号有设计总负责人在开工报告中给定；设备顺序号常用两位数字01、02、10、11表示；相同设备的尾号用于区别同一位号的相同设备，用英文字母A、B、C、表示。,2）图例：需标出管线图例。阀门、仪表等可不必标出。3）标题栏：包括图名、图号、设计阶段等内容，以及设备一览表。在工艺流程草图中，所用线条遵循设备轮廓用细实线、物料管线用粗实线、辅助管线用中实线的基本原则，绘制技术不要求十分精确。,全图采用由左至右展开式绘制，先物料流程、再图例，最后设备一览表。设备一览表一般在图例下面，全图的布局如图所示。,工艺流程草图的绘图步骤,按工艺流程由左至右展开画出，具体步骤为：1.把各层楼面的地面线用双细线绘出，注上标高。2.根据设备所处的相对高度，自左至右用细实线画出各设备的外形轮廓有一定间距。3.物料管线用粗实线画出，用箭头标明流向。,4.水、汽、真空、压缩空气等动力管线用中实线绘出，并标出流向。5.用细实线画出设备和管道上主要的附件、计量和控制仪器以及主要的阀门等。6.标注设备流程号和辅助线。7.最后写上必要的文字说明。,二、物料流程图,物料流程图是在生产工艺流程草图的基础上，完成物料衡算和热量衡算后绘制的流程图。它是一种以图形与表格相结合的形式反映设计计算某些结果的图样；它即可用作提供审核的资料，又可作为进一步设计的依据。,物料流程图一般包括下列内容,图形：包括设备示意图形、各种仪表示意图及各种管线示意图形。标注：主要标注设备的位号、名称及特性数据，如流程中物料的组分、流量等。标题栏：包括图名、图号、设计阶段等内容。,物料经过设备产生变化时，则需标注物料变化前后各组分的名称、流量（如kg/h）、质量分数（%）和每项的总和等数据，具体项目可按实际需要酌量增减。常用的标注方式是在流程的起始部分和物料产生变化的设备后，匆匆流程线上用指引线引出后列表，该表的内容有物料名称、流量、百分含量等。指示线、表格线及设备皆细实线绘制。,当物料组分复杂、变化多，在图形部分列表有困难时，要从物料管线上标出物流号并在图的上方方或下方从左向右按流程顺序列表表示,物料流程图采用展开式，按工艺流程的次序从左至右绘出一系列图形，并配以物料流程线和必要的标注，物料流程图一般以车间为单位进行绘制。通常用加长A2或A3幅面的长边而得，图面过长也可分张绘制。图中一般只画出工艺物料的流程，物料线用粗实线，流动方向在流程线上以箭头表示。,物料流程图的绘图方法,三、带控制点的工艺流程图,带控制点的工艺流程图是表示全部工艺设备、物料管道、阀门、设备附件以及工艺和自控仪表的图例、符号等的一种工艺流程图，也称工艺控制流程图，是各设计阶段设计文件的必须的附件。,带控制点的工艺流程图一般分为初步设计阶段的带控制点的工艺流程图和施工图阶段带控制点的工艺流程图，施工图阶段带控制点的工艺流程图也称为管道及仪表流程图（P&ID图）。在不同的设计阶段，图样所表达的深度有所不同。,一）带控制点的工艺流程图基本要求,1、表示出生产过程中的全部工艺设备，包括设备图例、位号和名称。2、表示出生产过程中的全部工艺物料和载能介质的名称、技术规格及流向。3、表示出全部物料管道和各种辅助管道（如水、冷冻盐水、蒸汽、压缩空气及真空等管道）的代号、材质、管径及保温情况。,4.表示出生产过程中的全部工艺阀门以及视镜、管道过滤器、疏水器等附件，但无需绘出法兰、弯头、三通等一般管件。5.表示出生产过程中的全部仪表和控制方案，包括仪表的控制参数、功能、位号以及检测点和控制回路等。,二）带控制点的工艺流程图一般包括下列内容,1、图形2、标注3、图例4、标题栏,三）表示方法,1、比例与图幅原则：一个主项（车间、工序）绘一张流程图，复杂的可拆分为数张（一张图）。比例：可以1:100，1:200或1:50也可不按比例，标题栏不用注明。图幅：标准图纸加长,2、设备的画法,图形：设备按细实线画出主要轮廓相对位置：按高低绘出相同系统：,3、设备标注,标注内容：位号和名称。位号在整个车间不能重复标注方式：放在图形的上、下方，排成一行，同一高度，两个以上设备图形按相对位置放在另一设备下方或用引出线引出，注在空白处。,4、管道的表示方法：,应画出所有的工艺物料和辅助物料的管道，初步设计简单；施工图设计复杂；线形规定：工艺管道用粗实线（b=0.9mm）辅助管道用中实线（b=0.6mm）仪表管用细（虚）实线（b=0.3mm）,特别注意：管道应画直线不要画斜线！,5、管件与阀门的表示方法：,管道应用细实线画出全部阀门和部分管件（盲板，大小头、阻火器等），连接管件不画。,6、仪表控制点的表示方法：,在相关的管道上并大致按安装位置用代号、符号表示。符号规定：a.参量代号b.功能代号c.仪表控制点符号d.调节阀的符号：其图形符号用细实线绘制，由执行机构和阀体组成。,7.地面和楼面：地面线用细实线，也可不画。8.图例和索引：简单在右上角复杂单独列表,四）不同阶段的带