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化工设计 第三章 工艺流程设计 Chart 3 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。 工艺路线的确定 工艺流程设计 工艺流程图 典型设计的自控流程 工艺路线的确定 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。 一、确定工艺路线应考虑的因素 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、工艺路线论证的原则 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。 3. 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。 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。 4. 全面对比 ① 几种工艺路线在国内外的采用情况及发展趋势； ② 产品的质量情况； ③ 生产能力及产品规格； ④ 原材料、能量消耗情况； ⑤ 建设费用及产品成本； ⑥ 三废的产生及治理情况； ⑦ 其他特殊情况。 3. 落实设备 设备类型 国内已有定型产品 需进口设备 需重新设计制造 设计制造单位 技术力量 加工条件 材料供应 设计、制造进度 工艺流程设计——在确定工艺路线基础上，使操作过程和选用设备型式具体化的过程。 工艺流程设计成果——工艺流程设计图。 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 (1) 确定主反应装置 ① 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 ② 能量供给、移出方式——反应器结构设计和辅助设施。 ③ 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。 工艺流程设计时须以反应过程为中心。 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。 (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 产物中有固体产品，也增加了后处理过程。 (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。 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 基本前提 原始信息不变 温度 压力 流量 流速 判断依据 产品收率 原材料单耗 能量单耗 产品成本 工程投资 硝化 分层 混酸 氯苯 废酸层 出售 硝基物层 送精制 硫酸 未反应硝酸 硝基氯苯 硝化 分层 混酸 废酸层 出售 硝基物层 送精制 萃取 分层 氯苯 混合料 萃取废酸层 图1. 硝化-分层方案 图2. 硝化-分层-萃取方案 实例比较 工艺流程图 一、流程图的分类和用途 1. 方框流程图（block 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。 参见P89 图4-62 三聚氰胺生产流程框图 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。 参见P92 图4-63 三聚氰胺生产流程简图。 2. 工艺流程简图（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，不编入设计文件。 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。 参见P92 图4-64 三聚氰胺生产物料流程图 4. 带控制点工艺流程图（process and control flowsheet） 完成设备设计计算，确定控制方案，即可绘制初步设段带控制点工艺流程图。并作为设计成果编入初步设段的设计文件中。 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) 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) 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。 参见P92 图4-65 反应工段带控制点的工艺流程图。 5. 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。 二、工艺流程图绘制内容及表示方法——以PID图为例 1. 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。 2. 设备的表示方法 (1) 设备的画法 图例：参照附录2表2-1，按比例用细实线（b/3）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 设备分类 3. 管道的画法及标注 X 其他设备 12 F 工业炉 6 W 称量设备 11 V 容器(储槽、储罐) 5 M 搅拌器 10 R 反应器 4 L 起重机 9 C 压缩机、鼓风机 3 E 换热器 8 P 泵 2 S 火炬、烟囱 7 T 塔 1 代号 设备名称 序号 代号 设备名称 序号 常用设备代号 ①一般应画出所有工艺材料和辅助物料的管道。 ②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。常用管道图例见附录2表2-2。 (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、管道等级及隔热 ① 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。 管道分段顺序号——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。 ② 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；英制管以英寸为单位，需标注英寸符号，如1/2、4等。 ③ 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管道的材质、压力和直径三个参数适当分级。如B2A：B— 管道材质代号 2—管道压力等级代号 A— 序号 管道材质代号：A—铸铁及硅铸铁；B—碳素钢；C—普通低合金钢 E—不锈耐酸钢；F—有色金属；G—非金属；H—衬里钢 管道压力等级代号：0—；1—；2—；4—；6—；7— ④ 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。如“G9”表示温度在－100℃~2℃的不锈钢管，用保冷材料保冷。 管道使用温度范围代号 不锈钢 不锈钢 不锈钢 不锈钢 不锈钢 -100~2 2~20 21~93 94~650 >650 G H J K L 碳钢或铁合金 碳钢或铁合金 碳钢或铁合金 碳钢或铁合金 碳钢或铁合金 碳钢或铁合金 -100~2 2~20 21~70 71~93 94~400 401~650 A B C D E F 管材 温度范围/℃ 代号 管材 温度范围/℃ 代号 采用保冷材料 采用保冷材料 采用保冷材料 采用保冷材料 根据表2-7 隔热(<21℃) 防止表面冷凝(<15℃) 保冷(>2℃) 保冷(>2℃) 加热保温 6 7 8 9 A-U 采用保温材料 采用保温材料 采用保温材料 采用保温材料 采用保温材料 热量控制 保温 人身防护 防火 隔热(>21℃) 1 2 3 4 5 备注 用途 类型 代号 备注 用途 类型 代号 管道隔热类型代号 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出。竖管上的阀门在图上的高低位置应大致符合实际高度。 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（b/3）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。 仪表、调节及执行机构图例见附录2表2-4所示。 (2) 字母代号——表示被测变量和仪表功能 供选用 节流孔 试验点 积分、积算 记录或打印 开关或联锁 传达（变送） 多功能 阀、挡板 套管 未分类 计算器 驱动器、执行器 积分.积算 安全 供选用 供选用 压力或真空 数量或件数 发射性 速度或频率 温度 多变量 粘度 质量或力 未分类 供选用 位置 N O P Q R S T U V W X Y Z 报警 供选用 控制 检出元件 玻璃 指示 自动.手动操作 指示灯 差比 扫描 分析 喷嘴火焰 电导率 密度 电压 流量 尺度 手动 电流 功率 时间或时间程序 物位 水分或湿度 A B C D E F G H I J K L M 功能 修饰词 被测变量或初始变量 功能 修饰词 被测变量或 初始变量 后继字母 第一字母 字 母 后继字母 第一字母 字母 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。 典型设备的自控流程 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4-4是旋涡泵的流量调节流程。 三、真空泵 1. 吸入支路调节方案 2. 吸入管阻力调节方案 3. 蒸气喷射泵——调节蒸汽流量来调节真空度 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。 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。 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，蒸汽量由再沸器的液位调节，见右图b方案。该方案当W较小时比较平稳。 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。 (3) 塔顶全凝时，塔顶压力控制方案如下： ① 常压塔：塔顶可不设压力控制系统，回流罐设一通大气的管道。 ② 减压塔：改变不凝性气体抽吸量；改变旁路吸入空气或惰性气体量。 ③加压塔 a.馏出物中不含或仅含微量不凝性体时： 冷凝器的冷剂量控制； 直接调节塔顶气相流量； 采用热旁路； 用冷凝器排液量与热旁路接合的方法。 b. 馏出物中含有少量不凝气：分程控制，首先用冷却水调节阀控制塔压，再打开放空阀，维持塔压。 c. 馏出物中含有较多不凝气：改变回流罐的气相排放量，适于进料流量、组分、塔釜加热蒸汽压力波动不大，且塔顶蒸汽流经冷凝器的阻力变化不大的条件。 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。