工艺流程设计全解课件.ppt

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。,3.1 工艺路线的确定3.2 工艺流程设计3.3 工艺流程图3.4 典型设计的自控流程,3.1 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 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；其他特殊情况。,3.落实设备,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。,3.2 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。,(1)确定主反应装置,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。,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,实例比较,工业混合酸流程图,概念设计,工艺路线流程化工作方法(1)首先确定主反应过程；(2)根据反应要求，决定原料贮存方式,量,原料准备过程 和投料方式流程；(3)根据产品质量要求和反应过程实际，确定产物的分离、精制的过程；(4)产品的计量、包装或后处理工艺过程；(5)副产物处理的工艺过程；(6)“三废”排出物的综合治理流程；(7)确定动力使用和公用工程的配套。,举例说明工艺路线的流程化,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,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。,举例说明工艺路线的流程化,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,工艺流程设计,2.初步设计阶段工艺流程的设计 在概念设计的基础上，将流程深化，即深入细致地加以完善，对工艺流程和各操作单元。化工装置进行深入的量化设计，通过计算，对化工工艺流程进行逐步完善、拾遗补缺，全面系统地研究物料、能量、操作、控制，使各化工单元过程完整地衔接和匹配，能量得到充分利用。,3.3 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P32 图2-10 生产硫酸铜的方框流程框图,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。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、图例、必要的文字说明三部分组成。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。还要求附有图例，有的单位流程图上还有设备一览表。参见P33 图2-11 生产硫酸铜的工艺流程简图。,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。,生产硫酸铜的工艺流程草图,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、密度等参见表2.1物料平衡表。参见P36图2.16 煤气脱硫工序工艺物料流程图,工艺物料表,（2）物流变化和物流表 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。,V0104,乙苯贮槽,热量衡算的结果的表示,(2)设备标注 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。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，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。,（3）标题栏及其它 标题栏按图纸常规，注明图号，设计阶段等。,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P46图2-33 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。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。,常用设备符号,2.设备的表示方法(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。,3.管道的画法及标注,常用设备代号,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。常用管道图例见附录2表2-2或表2.5。,(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,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。,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。,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：00.6MPa；11.0MPa；21.6MPa；44.0MPa；66.4MPa；710.0MPa,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1002的不锈钢管，用保冷材料保冷。,管道使用温度范围代号,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表2.14所示。,(2)字母代号表示被测变量和仪表功能,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。,3.4 典型设备的自控流程3.4.1 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,3.4.2 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。,3.4.3 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：,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。,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。,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。,