化工设计--第二章-1--2013.ppt

1、第二章 工艺流程设计,Chart 2 Process flow design,工艺流程设计的重要性：, 工艺流程设计是化工工艺设计的核心。, 工艺流程设计和车间布置设计决定整个装置的基本面貌；, 工艺流程设计与设备的设计选型与布置，工艺计算和管路设计密,切相关。,工艺流程设计的过程：, 工艺流程设计开始于可行性研究，完善于初步设计、扩大初步设,计和施工图设计各个阶段。, 工艺流程设计贯穿于整个设计过程中，是由浅入深、由定性而定,量逐步分阶段地进行的。,工艺流程设计：,通过工艺流程图的形式，形象的反应了化工生产从原料进入到 产品输出过程,包括物料和能量的变化，物料的流向以及生产中所经历的工艺过程

2、 和使用的设备仪表,工艺流程图概括了整个生产过程的全貌,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,重点： 原料路线的选择；工艺流程选择及设计；工艺流程图的类型。 难点： 典型设备的自控方案。,在化工产品成本中，原料费用一般占有相当高的比例（如6070），不同原料自然会有不同的工艺路线，同一原料也会有好几种工艺路线，它们的技术经济指标也不相同。因此必须通过对比，得出最佳方案。,补充：原料路线的选择,原料来源的可靠性 化工生产过程大部分是连续生产，进行正常生产的基本条件是原料的稳定供应。 在选择原料时，必

3、须考虑资源的储藏量是否丰富，开采和运输条件如何 如果所用的原料是其它企业的产品时，则应考虑该企业的发展前景，它是否能保证本企业的需要,原料路线的选择原则是什么？,尽可能选择当地或附近的原料 既可确保来源，又能减少运输费用和货运量。 经济性 经济性是指采用不同的原料路线所造成的经济效果，而不能只看原料本身价格的高低。 在选择原料时，必须考虑该种原料是否符合技术要求。 所选择的原料路线最好是没有副产物或副产物较少的。,资源利用的合理性 从整体利益出发，根据国家的资源政策合理利用资源 也要努力开拓低品位矿产资源合理利用的方法。,举例：煤、石油和天然气是化学工业特别是有机化学工业的基础矿产资源。上世纪

4、三、四十年代以后，化工生产逐渐由以煤为基础转为以石油为基础。,知道为什么吗？,答案：就是由于石油是液态原料，开采和运输都比较方便和经济，从性质上说含氢量较高，更宜于用来生产有机化工原料，使生产经济性明显地优于原来的煤化工生产。,技术可行性 经济合理性,供需可能性,工艺路线通常指生产方法。, 可以用不同原料、不同生产方法，不同工艺流程生产同一产品。, 化工设计中遇到的大多数是已有工艺路线的工艺流程设计。,工艺技术路线选择,在各种可能的工艺技术路线中，经过比较确定一条效果最好的 工艺技术路线为拟建项目采用。,此项工作是项目可行性研究工作的核心。,2.1 工艺路线的确定,一、确定工艺路线应考虑的因素

5、, 技术可行性实验室研究项目的工程化 经济合理性经济效益、社会效益和环境效益 原料的纯度及来源如矿石的品位等 公用工程中的水源及电力供应缺水地区 环境保护三废的产生和处理, 安全生产从设备上、技术上、管理上保障安全 符合国家相关政策法规 以上各项一票否决，必须对各项仔细审查，以免造成重大损失。,二、工艺路线选择的原则,1. 先进性,指技术上先进和经济上合理可行，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，能耗少和回收利用好的生产方法。,2. 可靠性 指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。对于尚在试验阶 段的新技术、新工艺、新设备应慎重对待。

6、,可靠性是工艺技术路线选择的首要原则。,在选择工艺技术路线时，应考虑获得此生产方法的技术资料是否有困难、特殊设备的设计和加工制造是否可能，以及该种生产方法是否成熟等，决不能把没有通过严格的科学鉴定的试验性工艺技术应用到生产性企业中。,如何判断工艺技术路线的可靠性？ 主要从流程是否通畅、生产是否安全，工艺是否稳定，消耗定额、生产能力、产品质量和三废排放能否稳定可靠地达到预定指标来判断。,如何开展可靠性的评价？ 在可行性研究中，可以通过对已投产的同类项目进行现场考察，并搜集较长时间的实际生产数据来进行判断，不可只凭文献报道的资料、数据或口说无凭的介绍来决定。,第一节 生产方法和工艺流程的选择,3.

7、 合理性 结合国情中国是发展中国家,在工厂设计时不仅要从技术观点考虑，也应结合中国具体国情：,(1) 中国人的消费水平及各种化工产品的消费趋势；,(2) 中国化工机械设备及电气仪表的制造能力；,(3) 中国化工生产所用的原材料设备所用金属材料供应情况；,(4) 中国环境保护的有关规定和三废排放情况；,(5) 劳动就业与化工生产自动化关系；,(6) 资金筹措与外汇贮备情况。,在生产方法和工艺流程论证中需全面衡量，综合考虑三项原则。,技术上先进、经济上合理,三、工艺路线确定的步骤,1. 搜集资料，调查研究,搜集国内外同类生产厂的相关资料：,工艺路线的特点、投资情况、生产运营情况；,设备制造的难易程

8、度及维修保养要求；,原材料和公用工程单耗、产品质量、三废治理；,安全和劳动保护措施等。,2. 原料路线的选择 根据当地资源情况，原料的运输情况，不同原料引发出来的反 应条件、转化率；不同原料主、副反应的产品是否满足需要等决定 原料路线。, 几种工艺路线在国内外的采用情况及发展趋势； 产品的质量指标及产品规格情况； 生产能力及产品规格； 原材料、能量消耗情况； 建设费用及产品成本； 三废的产生及治理情况； 安全生产与劳动保护措施； 其他特殊情况。,3. 落实设备,4. 全面对比,确定工艺流程和生产方法,工艺流程设计在确定原料路线和工艺路线基础上，使操作过程和选用设备型,式具体化的过程。,工艺流程

9、设计成果工艺流程设计图。,2.2 工艺流程设计,工艺流程也称加工流程或生产过程，是按原材料投入到成品生产,顺序，连续地通过设备或管道进行的加工过程。,一、工艺流程设计的任务, 确定生产流程中各生产过程的具体内容、顺序和组合方式由原,料制成产品；, 绘制各设计阶段的工艺流程图图解的形式表示生产过程。,工艺流程设计应解决的问题：,(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； (6) 制定三废的治理方法。,(7) 制定安全生产措施。,二、工艺流程设计方法从工艺角度进行流程设计, 一般工艺流程部分为四个

10、重要部分，即：原料预处理、反应过程、,产物的后处理(分离纯化)、三废处理。,原料,原料 贮存,进料 预处理,反 应,产品 分离,产品 精制,贮存 包装,产品, 工艺流程设计须以反应过程为中心。, 反应器类型及操作方式 (连续、间歇)反应的动力学特性、物料,特性、工艺条件, 能量供给、移出方式反应器结构设计和辅助设施。 催化反应催化反应方式和催化剂的选择。,确定主反应装置，可参考文献、资料、中试结果或已工业化装置。,(2) 原料预处理过程,主反应对原料提出要求：如纯度、温度、压力以及加料方式等。,(1) 确定主反应装置,(3) 产物后处理 副反应的发生乙烯裂解反应物 受反应时间或化学平衡限制，产

11、物中存在过剩组分如合成NH3、尿素过程中，过量H2、NH3 有害杂质净化合成气的脱硫、脱碳 产物中有复杂的聚集状态，也增加了后处理过程。,预热(冷) 汽化 干燥 粉碎筛分 提纯精制 混合 配制 压缩等,根据原料性质、处理方法不同可选不同的装置及输送方式。 如连续催化重整装置的原料预处理过程：泵送、换热、加热炉加热、预加氢、预脱砷和预分馏等。,(4) 三废处理,三废：废气、废液、废渣,所含有害物质在排放前应该达到排放标准相关政策法规!,尽量综合利用，变废为宝；,污染问题不解决，不允许投产。,(5) 其他相关措施及设计, 确定公用工程的配套措施动力电、水、蒸汽、压缩空气、冷,冻、电热、氮气等。,

12、确定操作条件和控制方案控制方案和控制仪表。, 制定安全生产措施对开车、停车、长期运转及检修中，可能,存在的不安全因素进行分析，制订切实可靠的安全措施。, 保温、防腐的设计对需要保温、防腐的设备进行设计。,三、工艺流程设计的基本方法 方案比较,环保、安全、占地面积等,已知混酸组成：HNO3为47%，H2SO4为49%，H2O为4%。氯苯与混酸中的HNO3的摩尔分数为1:1.1。硝化温度为80，硝化时间为3h，硝化废酸中含硝酸1.6%，含混合硝基氯苯为获得混合硝基氯苯量的1%。,实例比较：用混酸硝化氯苯，制备混合硝基氯苯。,2.3 工艺流程图,一、流程图的分类和用途,1. 方框流程图（block

13、flowsheet）, 根据选定工艺路线，对工艺流程进行概念性设计时完成的流程图，不,编入设计文件，多用于项目建议书、可行性研究报告等。, 一般用方框、文字表示一个单元，用箭头表示物流方向，表示化学加,工过程的轮廓。,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。,不同设计阶段流程图的内容、重点和深度也有所不同。,定性标出由原料转化成产品的变化、流向以及所采用的各种化工单,元及设备，供设计开始时工艺方案讨论。,2. 工艺流程草图（simplified flowsheet）,设计初始阶段用来表达整个工厂或车间生产流程的图样，不编入设

14、计,文件。,图2-1 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,物料流程：全部物料和一部分动力的流程管线，其流向用箭头表示，并加以必要的文字说明（如原料自贮糟来，废水去下水道等）。 图例： 图例中只须标出管线图例。阀门、仪表等无须标出。其位置一般在图纸的右上方。 设备一览表：设备一览表的作用一般是表示出工艺流程图中所有设备的名称、数量、规格和材料等，其位置一般在图纸的右下方、图签的上部，由下往上写。,3. 工艺物料流程图（process flowsheet）,完成物料衡算和热量衡算后，以图形与表格的形式反映

15、物料衡算和,热量衡算的结果，即绘制工艺物料流程图,工艺物料流程图列入初步设计阶段的设计文件，为设计审查提供资,料。也作为生产操作和技术改造的参考资料设计档案资料。,工艺物料流程图中：, 采用常用图例表示出主要工艺设备及部分关键的辅助设备；用箭,头表示物流方向，标注工艺设备位号和名称；, 用表格表示出各物流的T、p、Vs、组成；在有热量变化的设备,旁，标出热量计算值。, 物料表包括物料名称、质量流量、质量分数、摩尔流量和摩尔分,率。有时还列出物料的某些参数如温度、压力、密度等。, 完成设备设计计算，确定控制方案，即可绘制初步设计阶段带控制点 工艺流程图。并作为设计成果编入初步设计阶段的设计文件中

16、。 在带控制点的工艺流程图中： (1) 用图例表示出全部工艺设备、工艺物料管道、辅助管道。 (2) 表示出工艺物料和辅助管道的流向及工艺物料管道上的阀门、异 径管等管件，不画法兰、弯头、三通等一般管件。 (3) 表示出工艺参数（温度、压力、流量、液位、物料组成、浓度 等）的测量点自动控制方案。,4. 带控制点工艺流程图（process and control flowsheet）,带控制点的工艺流程图,初步设计阶段带控制点工艺流程图,施工设计阶段带控制点工艺流程图 也称管道及仪表流程图(PID图),(4) 标注全部设备的位号和名称。 (5) 表示出全部管道的管道代号、管径、材料、保温等。,5.

17、 管道仪表流程图（piping and instrument diagram）施工阶段,工艺流程图 PID图，PI图， PID图是以车间(装置)或工段为主项进行绘制，原则上一个车间或 工段绘一张图，如流程复杂可分成数张，但仍算一张图，使用同 一图号。 所有工艺流程图不按精确比例绘制，一般设备(机器)图例只取相对 比例。 设备名称、位号和参数；接管和连接形式；设备安装标高； 配管所有工艺、公用工程管线规格、取样点位置。 仪表与仪表配管包括调节阀、旁通阀、安全阀；仪表冲洗、 吹扫等。,各种不同版本，对应不同的深度 根据不同的情况减少版次,化工工艺设计施工图内容和深度统一规定 HG/T 20519-

18、2009,图纸规格和图幅： 一般采用0号标准图纸；也可用1号标准图纸； 但对于同一装置只能用一种规格的图纸 31！,线条和比例： 线条宽度推荐值如表2-1所示 31！,文字和字母的标注： 匀称、工整，采用工程字； 汉字高度；指数、分数、注脚尺寸的数字字体； 31！、34！,备注栏、详图和表格： 流程图的右侧，一般为备注栏、详图和表格的区域； 34！,图面布置： 顺流程从左至右排布，也顺应管道连接走向； 塔、反应器、储罐、换热器、加热炉； 泵、压缩机、鼓风机、振动机械、离心机、运输设备、称量设备； 没有安装高度的设备； 有安装高度的设备 34！,二、工艺流程图绘制内容及表示方法以PID图为例,1

19、. PID图的组成,(1) 设备图形及管线、管件：将各设备按工艺流程顺序，表示在同一,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：设备位号、名称，管道号、管径及管道等级，管段编号，,仪表控制点图形符号、字母代号、仪表位号，必要尺寸、数据 等。,(3) 图例：对流程图中所采用的代号、符号及其他标注的说明，有时,还有设备位号的索引等。,(4) 标题栏：注写图名、图号、设计项目、设计阶段等。,图2-4,图2-5,2. 设备的表示方法,(1) 设备的画法,图例：参照表2-2，按比例用细实线绘制。,相对位置：设备间高低和楼面高低相对位置，一般也按比例绘制。,相同系统(或设

20、备)的处理：两个或两个以上相同的系统(或设备)，一,般应全部画出。,(2) 设备的标注,标注的内容：设备在图上应标注位号及名称。,标注的方式：设备位号、名称一般标注在相应设备图形上方或下,方。,T- A,设备位号线 相同设备尾号 设备顺序号 主项代号/工序编号 设备分类,35！,P301A,常用设备代号,(1) 管道的画法,3. 管道的画法及标注,一般应画出所有工艺材料和辅助物料的管道。,主工艺物料管道用粗实线，辅助管线用中实线，仪表及信号传输管,线用细实线或细虚线绘制。,管道仪表流程图管道和管件图形符号 HG/T 20559.3-93,具体画法40！,本流程图与其他流程图连接的物料管道来自不

21、同图号的图纸上时，如图所示。框中写明连接图的图号【包括工序（主项）编号、文件类别号和文件顺序号（或图纸张号）】，上方则注明物料来向或去向的设备位号或管段号。,(2) 管道的标注,一般横向管道标注在管道上方，竖向管道（直管）标注在管道左边。,分段注明流体代号、管道代号、管径、管道等级及绝热（隔声）代号, 管道代号,管道号：物料代号+主项代号+管道分段顺序号（管段顺序号）,主项代号工段或工序代号，用一位或两位数字表示。,管道顺序号按工艺流程顺序用两位数字01，02等编号。,物料代号一般以物料的英文名称的首字母大写表示。, 管径,管径一般标注公称直径，公制管以mm单位，只标数字，DN25，,标注25

22、；英制管以英寸为单位，需标注英寸符号，如1/2、4等。, 管道等级,为简化管道及管件规格，使管道组成件标准化，将各种管道组成,件按公称压力、管道材料等级和管道材质三个参数适当分级。,如A1A： A 公称压力等级代号 1 管道材料等级顺序号，九个不同系列的管道材料等级； A 管道材质类别代号,41！,HG/T 20519.6-2009,AG用于ASME标准压力等级代号, 隔热代号管道的使用温度范围及隔热隔音功能类型，以英文字,母和数字或英文字母给以标注。,绝热及隔声代号,HG/T 20519.2-2009,4. 管件和阀门的图形符号,一般连接件，如法兰、三通、弯头、管接头等，若无特殊需要不,予画

23、出。竖管上的阀门在图上的高低位置应大致符合实际高度。,HG/T 20519.2-2009,43-44！,5. 仪表控制点,在相应管道大致安装位置标注仪表及控制点。,仪表控制点标注包括图形符号、字母代号和仪表位号三部分。,(1) 图形符号,仪表的图形符号为直径约10mm的细线圆；,执行器的图形符号由调节机构和执行机构两部分组合而成。,(2) 字母代号表示被测变量和仪表功能,过程测量与控制仪表的功能标志及图形符号 HG/T 20505-2000,被测变量和仪表功能的字母代号,(3) 仪表位号,仪表位号的方法是将字母代号填写在圆圈上半部分，数字编号填写,在圆圈下半部分。,第一个字母表示被测变量，后继

24、字母表示仪表的功能；数字编号表,示仪表的顺序号，可按车间或工段进行编号。,常用组合字母表 45！,仪表图形符号： 仪表安装位置的图形符号： 表2-11 46页！ 常规测量仪表图形符号： 表2-12,F I C 1 1 6,功能标志,回路编号,工序号,顺序号,(distributed control systems,简称DCS),又称为分散控制系统,首页图 每个单独装置（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。,47！,2.4 典型设备的自控流程,2.4.1 输送设备的自控流程,一、离心泵流量调节,离心泵基本流程包括：入口阀、出口阀、出

25、口处的止回阀、出口,压力表、泵体前后设放净阀。,1. 简单管路流量调节方式,(1) 直接节流法,优点：简单易行，普遍采用。,缺点：能耗大。,限制：不适宜于正常流量低于额,定流量30%以下的场合。,(2) 旁路调节,优点：调节阀直径小，可用于小流量调节。,缺点：使泵的总效率降低。,(3) 调节电机转速采用变频电机,2. 出口多分支管路流量调节,二、容积泵（往复泵、齿轮泵、螺杆泵和漩涡泵）, 禁止在出口管道上直接安装节,流装置来调节流量，原因：容积 泵流量减小，压力急剧上升。, 调节方法：旁路调节；改变转,速或改变冲程大小；, 图是旋涡泵的流量调节流程。,2.4.2 压缩机的自控方案 压缩机的控制

26、方案，常采用如图2-10所示的分程控制方案。即出口流量控制器操纵两个控制阀，吸入阀只能关至一定开度，若需要更小流量，则打开旁路调节阀，这样可以避免直接调节进口流量而导致入口端负压严重的缺陷。 图2-11所示的旁路控制方案，对压缩比很大的多段压缩机，会造成控制阀前后压差太大，功率损耗很大。 还可以调节原动机的转速来控制压缩机的流量。,图2-10 压缩机分程控制方案 图2-11压缩机旁路控制方案,2.4.3 管壳式换热器的自控流程,一、无相变的管壳式换热器,方法1：通过调节流体1的流量来控制流体2的出口温度。, (T1-T2)(t2-t1)，调节冷流体流量；, (T1-T2)(t2-t1)，调节热

27、流体流量；,3. 在冷、热流体流量均不允许改变可采用分流调节。,二、有相变的管壳式换热器,1. 蒸汽冷凝加热器,方法1：调节ps，改变蒸汽冷凝温度，调节加热器传热温差。,方法2：改变A，控制冷介质温度。利用冷凝水出口阀调节换热器中,的冷凝水量，设计中必须考虑留有设计裕量。,2. 再沸器调节加热介质流量,三、 加热炉,出炉温度控制：根据被加热介质出炉温度调节燃料量。,进料流量控制：进料在炉管中产生汽化或分解时，炉管压降随气化,率变化，应在进料前设流量调节器。,2.4.4 精馏塔的自控流程 一、精馏塔的基本控制方案,1. 按精馏段指标控制 在LR、D、VS及W四个变量中，一个为控制变量，一个保持恒

28、定，其余两个按回流罐和再沸器的液位调节器进行调节。 常用方案1：根据塔板温度控制LR，VS流量恒定，如右图a方案。 方案2：回流比很大时，一般用精馏段塔板温度控制D，保持VS流量恒定，见右图b方案。,适合于馏出液的纯度要求较之釜液为高的情况， 采用此方案； 控制方案：以精馏段温度为衡量质量的间接指标， 以改变回流量加热量为控制手段,2. 按提馏段指标控制,方案1：用提馏段塔板温度控制加,热蒸汽量，控制VS，保持LR恒 定，D和W都按物料平衡关系， 由液位调节器控制，如右图a方 案。目前应用最多的方案。,方案2：用提馏段塔板温度控制釜,液流量W，保持LR恒定，D由回 流罐的液位调节，蒸汽量由再沸

29、 器的液位调节，见右图b方案。 该方案当W较小时比较平稳。,适合于釜液的纯度要求较之馏出液为高的情况， 即塔底为主要产品时，采用此方案； 当液相进料，对塔顶和塔底产品的质量要求相近， 也采用此方案； 控制方案：以提馏段温度为衡量质量的间接指标， 以改变再沸器加热量为控制手段,二、蒸馏塔的具体控制方案,1. 塔顶压力控制,(1) 塔顶气体不冷凝时，用塔顶线调节阀；,(2) 部分冷凝时，在回注罐出口不凝气线设调节阀。,2. 精馏塔的温度控制,分馏塔顶温度：以塔顶冷凝回流量或塔顶循环回流量。 再沸器温度：热载体流量控制,3. 精馏塔流量控制：进料流量、回流量控制,4. 精馏塔液位,塔釜、回流罐、塔侧抽出斗、进料贮槽、成品贮槽液位控制