第五章化工工艺流程设计

第五章

化工工艺流程设计

一.

工艺流程设计的目的和任务

目的：用图解形式来表达整个生产工艺过程

任务：（1）确定生产工艺流程中各个过程的具体内容、顺序和组织形式。（2）绘制工艺流程图。

要求（1）确定整个流程的组成例如合成氨生产工艺造气变换铜洗合成煤或油水蒸气己内酰胺生产工艺加氢氧化羟胺肟化重排苯H2O2H2硝酸(2)确定各个过程或工序的组成例如合成氨工艺中的变换工段变换反应：CO+H2OCO2+H2水洗CO2+H2OH2CO3碱洗CO2+NaOHNa2CO3+H2O变换反应水洗碱洗H2,N2,COCO2及少量惰性气体(3)确定操作条件。ⅰⅰ）反应器操作参数的确定

1）温度a可逆反应的平衡（吸热或放热）如：EBSty+H2+△H采用二段反应，温度序列为先低后高

b考虑反应的选择性（按主付反应活化能的大小）如APAS如果E1为主反应的活化能，且E1﹥E2则高温有利于主反应

E1E2c温度的限制条件（材质和催化剂的要求）2）压力a反应速度b反应物料的相态（如气相烃化和液相烃化）c后续分离的要求（希望水冷后就产生气液两相）3）组成a某一反应物要求很高的转化率例如CO+Cl2→COCl（光气）二异氰酸酯的原料要求不含氯，Cl2的转化率100%，采取CO过量b产物与反应物分离困难如C6H6（苯）+H2→C6H12（环己烷）C6H6:Tb=353.1kC6H12:Tb=353.9k苯与环己烷很难分离，因此采取氢气过量，苯完全反应。c反应的浓度效应（浓度对主付反应速率的影响）d分离循环费用4）反应的转化率a转化率和所需反应时间的关系b各种转化率下的产品分布c反应系统和分离系统的设备价格ⅱ）精馏塔工艺参数的确定

1）塔压（实质上是塔顶塔釜温度选取的问题）a尽量避免真空操作（增加真空泵和塔径）b常压下能用普通冷却水冷却，就不宜采取加压c对于P﹥1.6MPa时，究竟采用低压冷冻，还是高压冷却，需作方案比较。

2）回流比a对于价格高昂的公用工程，取常规R/Rmin(1.11～1.24)的范围低限。b若回收的冷量或热量可利用，取常规R/Rmin的高限。c对于产品纯度极高的精密精馏，取较大R/Rmin值（因为R/Rmin较小，塔板数急剧增加）3）产品纯度和回收率（正确选定产品的纯度有重大的经济意义）(4)确定控制方案。a离心泵的流量控制FRCPIFRCPIb液位控制溢流控制液面LIC出料控制液面LICFC进料控制液面C两个液相的界面控制(液-液分离）LICLIC卧式容器界面控制d塔压调节PIC(5)确定定过程的综合合平衡(6)确定定三废治理方方法。(7)制定定安全生产措措施。(8)其他他实际要求（（清洗、冷凝凝水水回回用、副产物物的利用等））。二化工过程合合成方法（一）反应过过程的合成首先确定过程程性质和输入入、输出条件件。性质：连续或或间歇（产量量、市场需求求、操作上特特殊要求）输入条件：进进口的原料是是否需经预处处理（根据杂杂质的毒性、、反应性、量量）输出：确定目目的产品和流流股数（反应产品有有6个去向：：主产品、联联产或副产品品、低价值的的燃料、排空空、循环、有有害物去三废废处理）例乙苯反应应器内的反应应如下乙烯+苯→乙乙苯乙乙苯+乙乙烯→二乙苯苯二乙苯+苯→→乙苯二二乙苯+乙烯→三乙乙苯三乙苯+苯→→乙苯，二乙乙苯乙苯、二乙苯苯→甲苯、二二甲苯、正丁丁苯、异丙苯苯、杂环化合合物各类副产物中中，除杂环化化合物在高温温下聚合，其其他副产物的的生成都为可可逆反应。乙烷、乙烯→→放空或排至至燃料气管网网苯、甲苯→循循环乙苯→主产品品（出反应器器）二乙苯、三乙乙苯、异丙苯苯、正丁苯→→循环杂环化合物→→低值副产品品反应器的选型型1反应器的分分类形状：管式、、釜式、塔式式换热方式：等等温、绝热、、非等温非绝绝热反应物系的相相态：均相、、非均相（气气固、气液、、气液固）2反应器选型型的方法形态分析法：：对一个问题题的各个部分分的所有可能能方案进行分分析和评价，，用逻辑结构构代替随机的的想法，从而而筛选出最佳佳方案。过程分为二步步分支：找出所所有可供选择择的方案。收敛：根据若若干判据对各各个供选择的的方案进行淘淘汰。3反应器选型型判据：反应器类型（（即反应介质质的相态，此此为最简单、、首先使用的的判据）催化剂失活速速度由反应的浓度度效应决定的的混合要求由反应的热负负荷和温度效效应决定热量量传递和温度度控制要求相际传质和化化学反应的相相对速度主要工艺参数数选择（略））ABC判据问题结论（二）分离过过程的合成分离方案数ABCABCABABCBCABCABCABBCABCABCABCABCABCABCACBABCACB1分离方法选选择探试规则：根根据过去的经经验和研究对对象的热力学学性质进行半半定量分析所所得的结论。。根据探试规则则得出的结论论不一定是最最佳方案，但但是它能大幅幅度减少可能能的方案数，，从而提高设设计速度。几个名词定义义：分配系数：在平衡状态下下某组分在轻轻相与重相中中分子分数的的比分离因子：两个组分分配配系数的比例例质量分离剂和和能量分离剂剂：加到分离单单元，对所需需要的分离做做出贡献的组组分次序表：进料各组分按按照分配系数数递减的次序序所排列的表表关键组分：决定分离要求求的两个组分分选择分离方法法的探试规则则：（1）选择具具有大的分离离因子的分离离过程分子性质受影响的分离过程分子量精馏、蒸发分子形状吸附、结晶分子体积吸附偶极距、极性萃取、吸附分子电负荷电除法、电除雾化学活性化学吸收、反应精馏（2）尽量避避免极端的过过程条件（3）当分离离过程需要多多个分离级时时，应优先选选择平衡分离离过程而不选选择速度控制制过程。（4）当分离离因子相同时时，选择能量量分离剂而不不选择质量分分离剂（5）在选择择分离方案时时首先考虑采采用精馏，精精馏具有如下下的优点：a精馏是一一个使用能量量分离剂的平平衡过程b系统内不不含固体物料料，操作方便便c有成熟的的理论和实践践d处理产品品数量的范围围宽e常常只需需要能位等级级很低的分离离剂例：正丁丁烯、异丁烯烯混合物欲分分离成纯物质质，试根据分分子性质选择择分离方法解：由于正丁丁烯与异丁烯烯为同分异构构体，分子体体积、偶极距距和极性差别别很小，预计计精馏、萃取取、吸收等过过程都不能有有效将该混合合物分离，只只能根据反应应活性的差别别进行分离。。利用水与异异丁烯反应的的特点进行分分离。2分离序列的的确定探试合成法、、调优合成法法、最优化算算法合成法探试法有以下下几条原则：：a应把关键键组分的相对对挥发度最接接近于1的最最困难分离放放在最后。b根据汽液液平衡常数的的大小进行排排列，把轻组组分逐个脱除除，即采取顺顺序流程。c应首先把把混合物分成成分子数接近近的两股流。。d对于回收收率要求高的的分离应放在在最后。e对于容易易造成系统腐腐蚀或结焦的的组分应首先先除去，以降降低后续设备备的材质要求求，保持稳定定操作。3塔型的选择择板式塔的适用用场合：（1）大直径径（2）液体负负荷特别小（（泡罩塔）（3）脏的物物系，须定期期清理（4）有多股股侧线进出料料（5）反应精精馏，需要一一定的停留时时间填料塔的适用用场合（1）要求低低阻力（2）热敏物物质（持液量量少，停留时时间短）（3）发泡系系统（4）腐蚀性性介质例环氧丙烷烷过程概念设设计1过程简介主反应Cl2+H2O→HCl+HClOHClO+C3H6→ClC3H6OH副反应C3H6+Cl2→C3H6Cl2ClC3H6OH+C3H6+Cl2→HCl+(C3H6Cl)2O（二氯异丙基基醚)皂化反应2ClC3H6OH+Ca(OH)2→CaCl2+H2O+2C3H6O气体循环压缩机反应器溶氯器氯气丙烯出料放空2现有生产装装置情况3过程分析析和试验（1）二氯丙丙烷由氯气与与丙烯在气相相中直接反应应的产物（2）二氯异异丙基醚是串串联副产物要抑制付反应应，提高反应应的选择性，，须阻止氯气气与丙烯接触触，降低主产产品氯丙醇的的浓度。C3H6Cl2水反应器反应器反应器循环泵循环泵循环泵出料放空放空放空4小试流程程5对小试数数据的初步评评价已知条件（1）气相法法丙烯选择性性86%液相法---------------94%（2）皂化反反应选择性99%（3）精馏塔塔PO回收率率99.5%（4）循环气气组成C3H630%,C3H870%（5）丙烯进进料组成C3H699.5%C3H80.5%（6）循环比比（循环气比比丙烯进料））7.5（7）丙烯价价格3900元/吨（8）氯价格格800元/吨（9）电价格格0.65元元/kw.h以100kmol丙烯进进料计，可对对两种工艺的的可变成本进进行计算，结结果如下：气相法液相法单耗单价费用单耗单价费用丙烯0.865639003376.60.79239003088.8氯气1.4488001158.41.3258001060电力417.40.65271.3116.70.6574.4合计4806.34223.2对多数化工产产品，可变成成本占生产成成本80%左左右，投资折折旧约占10%，且两工工艺的皂化工工段相同，因因此液相法比比气相法总生生产成本低10%以上，，经济上占优优势。6流程和工工艺参数的改改进概念设计的任任务之二，考考察小试数据据是否齐全，，流程、工艺艺参数是否可可改进。（1）压力：：加加压，利于溶溶氯（2）温度：：提温对对反应无利，，但利于皂化化，可省换热热器（3）丙烯由由并联改为串串联，增强传传质。（4）溶氯填填料塔改为喷喷射溶氯，降降低造价。（5）加压下下溶氯试验（（常压下氯丙丙醇、盐酸水水溶液的氯溶溶解度偏差较较小，加压后后可能偏差较较大。需要研研究人员补充充试验）（6）材质试试验（尤其温温度对腐蚀的的影响）7中试装置置设计概念设计任务务之三，研究究有无必要建建立中试装置置，确定中试试的规模、范范围及中试解解决的问题和和取得的数据据。（1）必要性性气体分布器孔孔径增大，传传质情况发生生变化新材料（氟塑塑料）、新设设备（喷射溶溶氯）试验（2）中试装装置的地点（3）中试装装置的流程（（可用单个循循环反应间歇歇操作）（4）中试规规模三.工艺艺流程图设计计的基本步骤骤1.作工工艺流程草图图或示意图（（方框图）。。2.作工艺物料流流程图（物料料衡算图）。。3.作带带控制点的工工艺流程图。。（1）将各设设备的简单形形状按工艺流流程顺序序展示在在同一平面面上（2）配以连连接主、辅线线，管件、阀阀件、 仪表表控制点等等符号（3）注写设设备位号及名名称。（4）注写代代号、符号及及其他标注的的说明（5）填写标标题栏，注写写图名、图号号。环己酮肟溶解槽环己酮肟中间槽重排反应器熟化反应器正己烷浓硫酸正己烷蒸汽反应式环己酮肟浓硫酸己内酰胺-HM01V02V03P01P02P03R01R02E01V02P01M01V03P02R01E01P03R02环己酮肟中中间槽环环己酮肟肟进料泵混混合器器环环己酮肟溶溶解槽循循环泵泵反反应器冷冷却器器循环环泵熟熟化反应器器V02P01M01V03P02R01E01P03R02环己酮肟中中间槽环环己酮肟肟进料泵混混合器器环环己酮肟溶溶解槽循循环泵泵反反应器冷冷却器器循环环泵熟熟化反应器器正己烷蒸汽汽P-03FICLICTICFICP-01P-02CWE01R02R01V03V02CWR07060102050304M0107正己烷正己烷蒸汽环己酮肟酸团R03010203040506Kg/h%wtKg/h%wtKg/h%wtKg/h%wtKg/h%wtKg/h%wt环己酮肟90.0099.9790.0015.0六氢苯甲酸0.100.020.100.0286.7123.1185.8317.720.020.00苯甲酸0.040.010.040.01三氧化硫41.6711.1241.268.52硫酸105.728.21104.6621.60亚硝基硫酸正己烷510.099.98510.084.9868.5118.2887.9818.16490.52100.00己内酰胺60.0016.01149.130.78副产0.030.030.030.0011.893.1716.253.15六氢苯甲酰胺0.340.090.340.07合计90.03100.0510.10100.0600.1100.0374.8100.0484.46100.0490.5100.0温度℃9837.039.3071.071.071.0热容kj/kg/c2.152.302.312.012.541.86密度kg/cm3966.1648.0668.51061.01270.0粘度mpa.s4.350.260.873.10263.00.01物料平衡表表四.设备、管道道及其他部部件的表示示方法1.设设备备的表示方方法(1)设设备的形态态：设备简简单的外形形轮廓。(2)设设备的线条条：b/3