化工工艺设计基础(gai)

化工工艺设计基础

主讲教师：绪论化学工业是以天然物质或其他物质为原料或材料，利用这些物质的性质或形态的变化，或利用这些物质的组合，生产对人类生活很有价值的物质或物体的一种工业,它是国民经济中的一个重要的支柱。

随着化学工业的发展，对化工的研究、设计、施工、生产的要求更高。在这种形势下，培养一支优秀的设计队伍是十分必要的。

作为化学工程与工艺专业的学生，学习并掌握《化工工艺设计》的知识是非常必要的。课程的特点系统地介绍由一个化学反应或过程设计出一个生产流程，使设想变成一条生产线或一个工业化工厂的全过程。将学过的化工原理、物理化学、化工热力学、反应工程、分离工程、化工工艺学和化工制图等方面的知识运用到实践中，了解化工工艺过程的六个阶段，原料储存、进料准备、反应器、产品分离、产品精制、产品储存工艺流程的合理性、先进性、可靠性和经济可行性。通过学生之间的相互协作，完成某一产品生产的工艺流程设计。“化工工艺设计”是一门综合性的学科，是目前高校工科或理科应用化学专业中一门专业课，它涉及面广。在设计过程中，既要用到基础知识(高等数学、化学、制图、物理化学)，又要用到化工方面的专业知识（化工原理、化工机械基础、化学反应工程、化工热力学、化工仪表及自动化）。因此，“化工设计”是基础知识与专业知识密切结合的产物。学习的内容

1、化工厂概况2、化工设计项目可行性研究3、工艺流程设计4、控制过程5、物料衡算和热量衡算6、化工设备的设计及选型7、设备布置设计8、管道布置设计9、工程经济分析与评价化工设计的概念

化工设计是根据一个化学反应或过程设计出一个生产流程，并研究流程的合理性、先进性、可靠性和经济的可行性，再根据工艺流程及条件选择合适的生产设备、管道和仪表等，进行合理的工厂布局设计以满足生产的要求，同时化工工艺专业与有关非专业密切合作，最终使工厂建成投产，这种设计的全过程称为“化工设计”。化工厂简介

化工行业范围很广，化肥厂、石油化工厂、有机原料厂、农药厂、橡胶厂、塑料厂、纤维厂、染料厂、日用化工厂、精细化工厂等种类繁多的化工厂。

一、化工厂的分类：◆按产品的名称分类◆按生产规模分类◆按生产方式分类

◆按生产技术的先进程度分类

二、化工厂的结构

人、财、物、产、供、销等六方面是化工厂的重要组成部分。由生产部门、行政部门、辅助部门组成。三、化工厂包括的专业技术

▲化学工程与工艺▲设备▲自动控制▲给排水▲电气、土建、采暖通风等四、化工生产的特点▲工艺流程复杂▲操作状态变化大▲流体输送多▲具有腐蚀性▲具有毒性▲易燃、易爆▲非标设备多

设计中应努力做到1、符合国家的经济政策和技术政策，合理运用国家的财富和资源；2、工艺上可靠，经济上合理；

3、尽可能吸收最新科技成果，力求技术先进，经济效益更大；4、不造成环境污染；

5、符合国家工业安全与卫生要求。第1章

化工设计概述

1．1基本建设程序

一个工程项目从设想到建设投产，这一阶段称为基本建设阶段，可分为三个时期：

●投资决策前时期

●投资时期

●生产时期

建设前期各项准备工作项目建议书初步可行性研究详细可行性研究投资超过一定初步决策额度的项目

工程评估最终决策

计划任务书

初步设计施工图设计中国现行的基本建设程序

1．2项目设计种类一、新建项目设计*

包括新产品设计和采用新工艺或新技术的产品设计。二、重复建设项目设计由于市场需要或设备老化，有些产品需要再建生产装置，由于新建厂的具体条件与原厂不同，即使产品的规模、规格及工艺完全相同，也需要由工程设计部门进行设计。三、已有装置的改造设计由于旧的生产装置，使得产品的质量或产量不能满足客户要求，或者技术原因、原材料和能耗过高缺乏市场竞争力或环保的原因，必须对已有的装置进行改造，这类设计可由本企业设计部门或工程设计部门进行设计*新建项目设计：一个新产品或新工艺从开发到生产要进行两大类设计。第一类：概念设计，中试设计、基础设计。发生在新技术开发阶段，由研究单位的工程开发部门负责进行。第二类：工程设计，包括可行性研究、初步设计、施工图设计。是由设计单位负责进行。1．2．1概念设计

是工程研究的一个环节，它是在应用研究进行到一定阶段后，按未来的工业生产规模进行的假想的设计。内容：根据提供的概念和数据，确定流程和工艺条件，主要设备的形式和材质，及三废处理措施等。1．2．2中试设计解决小试不能解决的问题。验证基础研究得到的规律。考察从小试到中试的放大效应。补充不能再小试中作的课题。进行新设备、新材料、新仪器、新控制方案的试验。1．2．3基础设计

是一个完整的技术文件，是整个开发过程的研究成果。一般应在研究内容全部完成并通过鉴定后进行。内容：包括新建装置的一切要点。工程设计人员能够根据基础设计完成一个能顺利投产，达到一定产品和质量的指标的生产装置。（1）

设计依据；（2）

工艺流程说明；（3）带控制点工艺流程图；（4）物料平衡、热量平衡图（5）设备一览表；（6）工程设计的要求；（7）设备布置建议图；（8）操作规程；（9）装置三废的排放点，排放量,主要成分及处理方法；（10）自控设计说明；（11）消耗定额；（12）有关技术资料，物性参数等；（13）安全技术与劳动保护说明。

第二类工程设计是我们要学习的主要内容。

根据原化学工业部《化工设计管理标准》（1992）关于“设计工作基本程序”的规定，化工设计单位在化工基本建设过程中根据建设单位的委托，进行以下工作：

1．3设计程序

接受任务

编制项目建议书预可行性研究厂址选择

技术考察可行性研究报告复查厂址初步设计提出初勘要求

设备采购施工图设计提出详勘要求

施工配合试车、考核工程总结、设计回访

项目后评价

1．3．1项目建议书项目建议书的内容：（1）项目建设的目的和意义，即项目提出的背景和依据，投资的必要性和意义；（2）市场初步预测；（3）产品方案和拟建规模；（4）工艺技术初步方案（原料路线、生产方法和技术来源）；（5）原材料、燃料和动力的供应；（6）建厂条件和厂址初步方案；（7）公用工程和辅助设施初步方案；（8）环境保护；（9）工厂组织和劳动定员估算；（10）项目实施初步规划；（11）投资估算和资金筹措方案；（12）经济效益和社会效益的初步评价；（13）结论与建议。

详细内容参见

《化工建设项目建议书内容和深度的规定》投资额批准权限国务院：2亿元以上；省（相当于省一级）政府：5000万元以下。1．3．2厂址选择

厂址选择的一般要求：（1）厂址应当靠近主要原材料供应地区或产品销售地区；（2）厂址应有较好的交通运输条件。水路、铁路和公路是大多数企业常用的运输途径，应当注意当地的运费高低及现有的铁路线路。应该尽量考虑靠近铁路枢纽以及利用河流、运河、湖泊或海洋进行运输的可能性，公路运输可用作铁路运输和水运的补充；（3）化工厂使用大量的水，用于产生蒸汽、冷却、洗涤、有时还用作原料。因此，厂址必须靠近水量充足和水质良好的水源。靠近大的河流或湖泊最好，如无条件，也可考虑使用深井，这需要以厂址的水文地质资料作为依据；（4）最好靠近热电站以获得大量蒸汽和电力；

（5）厂址最好选在已有居民的附近地区，离城市不远或靠近已建成投产的其他企业，这样可以利用城市或原有企业的各种设施；（6）应在居民区的下风向和江河下游，但又不受其他企业的烟气的影响的地方建厂，窝风的盆地不宜建厂；（7）厂址面积与外形应适应工厂总平面布置，并有发展余地，一般要求平坦，稍能向外倾斜，有一定坡度，利于排水；（8）尽量不占或少占农田；（9）化工厂排出的污水应尽量予以处理，达到国家规定的排放标准。（10）化工厂的废渣，要有适当的洼地堆放或填埋；（11）厂址应不受洪水淹没，地下水位置最好在4m以下或低于地下建筑物的深度；（12）厂址尽量不选在7级以上的地震区，9级以上不能建厂；（13）化工厂的高层建筑物及地下管道较多，在下沉性Ⅱ级以上大孔性黄土上不宜建厂（西北、华北地区应注意）；（14）地质情况要好，地耐力一般要求在147KPa（1.5kg/cm2）以上，若小于98Kpa(1.0kg/cm2)则不宜建厂；（15）在具有喀斯特地貌的地区（广西壮族自治区应注意），土崩地段和地下有淤泥或流沙处不宜建厂；（16）

有用矿藏的上部地面不宜建厂。1．3．3可行性研究报告

可行性研究报告的内容：（1）总论：包括项目名称、主办单位名称、企业性质及法人、可行性研究的依据、可行性研究的主要内容和论据、评价的结论性意见、存在问题和建议等，并附上主要技术经济指标表；（2）需求预测：包括国内外需求情况预测和产品的价格分析；（3）产品的生产方案及生产规模；（4）工艺技术方案，工艺技术方案的选择、物料平衡和消耗定量、主要设备的选择、工艺和设备拟采用标准化的情况等内容；（5）原材料、燃料及水电汽的来源与供应；（6）建厂条件和厂址选择布局方案；（7）公用工程和辅助设施方案，包括总图运输、给排水、供电及电讯、供热、贮运设施、维修设施、土建、人防设施、生活福利设施等项；（8）节能；（9）环境保护及劳动保护、工业卫生；（10）工厂组织，劳动定员和人员培训；（11）项目实施规划；（12）投资估算和资金筹措；（13）财务、经济效益评价；（14）结论：综合评价和研究报告的结论、存在问题及建议等内容。

1．3．4初步设计

初步设计是根据已批准的可行性研究报告，确定全厂性的设计原则、设计标准、设计方案和重大的技术问题。初步设计文件有：设计说明书和说明书的附图、附表

、工艺流程图、物料平衡图。初步设计说明书内容：（1）总论；（2）技术经济：基础经济数据，经济分析，附表；（3）总图运输：厂址选择，总平面布置，工厂运输，工厂

防护设施，排渣场，防护，绿化；（4）化工工艺：原材料及产品的主要技术规格，装置危险性物料表，生产流程叙述，原材料、动力（水、电、汽）消耗定额及消耗量，成本估算，车间定员，管道材料等（表格：设备一览表，综合材料表；图纸：带控制点的工艺流程图，物料流程图，设备布置图）；

（5）空压站，氮氧站，冷冻站；（6）外部工艺，供热管线；（7）设备（含工业炉）：设备技术特征，主要设备总图；（8）自动控制全厂自动化水平，信号及联锁，环境特征及仪表选型，复杂控制系统，动力供应等；（9）供电：电源状况、负荷等级及供电要求，主要用电设备材料选择，总变电所及高压配电所、照明、接地、接零及防静电、车间配电、防雷等；（10）电信；（11）土建：气象、地震等自然条件资料、地方材料、施工安装条件等，建筑设计、结构设计、对地区性特殊问题的设计考虑，对施工的特殊要求、对建筑物内高、大、重的设备安装要求的说明等；（12）给水排水：自然条件资料（气象资料、水文地质资料等）；给水水源及输水管道，给水处理，厂区给水，厂区排水，污水处理场，定员等；

（13）供热；

（14）采暖通风及空气调节；（15）维修（机修、仪修、建修）；（16）中央化验室；（17）消防；（18）环境保护及综合利用：设计采用的环保标准，主要污染源及主要污染物，设计中采取的环保措施及简要处理工艺流程，绿化概况，其他环保措施，环境监测体制，环保投资概算，环保管理机械及定员等；（19）劳动安全及工业卫生；（20）节能：主要耗能装置能耗状况，主要节能措施，节能效益等；（21）概算。

1．3．5施工图设计

施工图设计是把初步设计中确定的设计原则和设计方案，根据建筑施工，设备制造及安装工程的需要进一步具体化。施工图设计内容：工艺设计说明（1）工艺修改说明：说明对前段设计的修改变动；（2）设备安装说明：主要大型设备中吊装，建筑预留孔，安装前设备可放位置；（3）设备的防腐，脱脂，除污的要求和设备外壁的防锈，涂色要求以及试压试漏和清洗的要求；（4）设备安装需进一步落实的问题；（5）管路安装说明；（6）管路的防腐、涂色、脱脂和除污要求及管路的试压、试漏和清洗的要求；（7）管路安装需统一说明的的问题；（8）施工时应注意的安全问题和应采取的安全措施；（9）设备和管路安装所采用的标准规范和其他说明事项；1．4项目组织及设计机构

负责本专业的技术问题，设计进度各专业负责人各专业设计人项目经理工程秘书（负责收发存档文件、资料、交往）负责项目进度、投资控制、各专业协调设计机构1．5车间工艺设计的主要内容

化工厂的总体是由各个车间或界区设计所构成，步骤如下：任务书确定流程方案物料衡算能量衡算设备工艺计算及选型工艺流程图设计设备布置设计管道设计概算、经济分析编写设计文件工艺人员主要任务（1）工艺专业人员应进行的主要计算

物料平衡计算、能量平衡计算、设备工艺计算、管路计算等。（2）工艺专业人员绘制的主要图物料平衡图、工艺流程图（简图、带控制点的）、设备布置图、管路布置图、车间布置图等。（3）编写设计说明书（原料消耗表、能量消耗表、设备一览表、三废排放表、概（预）算书等）。2工艺流程设计

PipingandInstrumentationDiagram

概述：工艺流程设计是在确定的原料路线及技术路线基础上进行的。2.1工艺流程设计的意义及任务意义：决定工厂的效益。任务：（1）确定采用多少生产过程（或多或少工序）来构成由原料制得产品的全过程，以及每个生产过程（或工序）之间如何连接；（2）确定每个生产过程（或工序）的具体任务，即物料通过该生产过程发生什么物理变化、化学变化和能量变化；（3）确定由什么设备来完成每一个生产过程以及各设备的操作条件；（4）确定控制方案、选用合适的控制仪表；（5）确定三废治理和综合利用方案；（6）确定安全生产措施；2．2工艺路线的选择

2．2．1工艺路线和工艺流程选择的原则在选择工艺路线(生产方法）和工艺流程时，应考虑以下一些原则。（一）先进性（1）技术上可行，产品质量合格；（2）生产能力大小，经济上合理；（3）原料的纯度及来源；（4）公用工程中的水源及电供应、及单耗；（5）三废治理和环境保护；（6）安全生产；（7）符合国家有关的政策及法规；（8）建厂投资、占地情况、投资回收期等。（二）可靠性可靠性是指所选择的工艺路线是否成熟可靠。（三）符合国情,因地制宜。

化工工艺流程设计应考虑：（1）消费水平及消费趋势；（2）化工机械设备及电气仪表的制造能力；（3）化工原材料及设备用金属材料的供应情况；（4）环境保护的有关规定和化工生产中三废排放情况；（5）劳动就业与化工生产自动化水平的关系；（6）资金筹措和外汇储备情况。2．2．2工艺路线确定的步骤

（一）搜集资料，调查研究（1）国内外生产情况，各种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；（6）生产技术是否先进，生产连续化、自动化程度；（7）设备的大型化及制造、运输情况；（8）基本建设投资、产品成本、占地面积；（9）水、电、气、燃料的用量及供应，主要基建材料的用量及供应；（10）厂址、地质、水文、气象等资料；（11）车间（装置）环境与周围的情况。（二）落实关键设备（三）技术、经济、安全等方面的比较（1）几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；（2）生产能力及产品的规格；（3）原材料、能量消耗情况；（4）建设费用及产品成本；（5）三废的产生及治理情况；（6）建厂投资及回收年限；（四）对选定的方法做适当的修改根据以上原则确立工艺路线，再进行工艺流程设计。

2．3工艺流程的设计

2.3.1工艺流程设计原则（1）尽可能选择先进设备、先进生产方法及成熟工艺技术，以保证产品质量；（2）提高生产效率，经济效益高；（3）就地取材，降低原材料、水、电、气及燃料消耗；（4）整个系统必须是可操作、可控、充分预计不安全因素，确保生产稳定；（5）生产过程尽可能采用机械化、自动化，实现稳产、高产。2.3.2工艺流程设计应该考虑的问题2.3.2.1从工艺设计角度应满足的要求：（1）尽量采用能使物料、能量及设备高利用率的连续过程。判定连续、间歇：①

产量：大于5000吨/年（连续）。②

市场需求：季节性、周期性。(间歇)③

操作需要：反应速度慢，物料含固体颗粒，固体易结晶析出，堵塞管道设备。(间歇)（2）反应物在设备中的停留时间即要短又要使之反应完全。（3）选择新技术、新工艺：选直接法代替多步法，选原料易得路线代替多原料路线，选低能耗代替高能耗方案，选接近常温常压代替高温高压，选污染废料少的代替污染严重的等等。但也要综合考虑。（4）选大型单系列或少系列优于多系列，且便于实现微机控制。2.3.2.2经济效益和环保安全考虑应满足要求：（1）选用小而有效的设备，降低能耗，降低投资；（2）总图运输便利，利用当地资源；（3）三废治理措施。间歇操作：取7200小时/年连续操作：取8000小时/年（1）概念设计阶段的工艺流程设计①工艺路线的流程化原料储存→进料准备→反应器→产品分离→产品精制→产品储存将该六个过程详细研究，具体到每个过程需要哪些单元操作并加以组合，各个单元操作需要的装备、设备、机械，以及他们的运行参数和次序，物料在化工单元操作中的“流水线”关系，以保证获得达标的产品，这个将工艺过程具体化的设计过程，为工艺路线的流程化。2.3.3工艺流程设计的步骤例如，以盐酸和甲醇合成氯甲烷工艺，原料储存和预处理，②工艺流程的进一步丰富和完善③工艺流程的简化④制定流程各装置的的操作条件和控制方案⑤工艺流程方案的比较（2）初步设计阶段的工艺流程设计①初步设计的内容◆流程能力、操作弹性和设备设计◆工艺操作条件的确定和流程细节安排◆操作单元装置的衔接和辅助装置的的完善◆确定操作控制过程中各参数控制点②初步设计阶段工艺流程设计要求◆确定出一个内容具体、量化了的、设备有基本尺寸的工艺流程◆完成初步设计阶段的工艺流程图（3）施工图设计阶段的工艺流程设计

管道及仪表流程图（PID）的主要内容和深度：①绘出工艺设备一览表中所有设备，并标注其位号；②绘出和标注全部工艺管道及与工艺有关的一段辅助或公用系统管道，包括管道上的阀门、管件、附件，并注明其编号；③绘出和标注全部检测仪表、调节控制系统、分析取样系统；④成套设备（或机组）的供货范围；⑤特殊的设计要求，如设备间的最小相对高差、阀门的特殊位置、管线的坡度等，必要时须有详图表示；⑥设备和管道的隔热类型工艺管道是指用于正常操作的物料管道、工艺排放系统管道、开停车用的临时必要的管道。

2.4工艺流程图的绘制

2.4.1方框流程图和工艺流程简图即每个单元操作用细实线矩形框表示，框内注明主要操作条件，同时用物流将各方框按一定顺序连接起来。工艺流程简（草）图

将框图各个工序过程换为设备示意图，并完善为工艺流程简（草）图，由物料流程、图例、必要的文字说明组成。2.4.2工艺流程图2.4.2.1作用及内容（1）作用：它是用来表达一个工厂，一个车间、一个工段的物料工艺流程的图样。表达了一个装置的物流及控制。是报批文件，是施工图设计依据。（2）内容：它是由物料流程及控制、图例、设备一览表等组成。要画出工艺设备、工艺物料、管线及阀门，并表示出主要控制系统。2.4.2.2流程图绘制方法（一）图纸尺寸及线条要求（1）图幅：A1横幅绘制，数量不限，流程简单可用A2加长，也可用A3。

A3420X297A2594X420A1840X594A01189X841（2）一般各种设备图例按相对比例进行绘制，如设备过高（如蒸馏塔）、过大（如大型贮槽）或过小（如泵），则设备外形可以适当缩小或放大，使图面视觉美观。（3）线条要求。a.主要物料管道用粗实线（0.9-1.2mm）表示，b.辅助物料管道用中粗实线（0.5-0.7mm）表示。c.设备、附件及地平线用细实线（0.15-0.3mm）表示。d.一般情况下，流程图上不标尺寸，如有其尺寸线用细实线表示。c.仪表引出线及连接线用细实线表示。（二）设备绘制方法（1）常用设备的外形画法如图，有些设备外形在设计规定中没有图例，可绘出其象征性的简单外形，以表明该设备的特征。（2）设备的支脚、支架、基础和平台不表示。（3）设备布置自左至右，要求图面饱满匀称，清晰整齐。（4）相同设备并联，只画一台，其余用细实线方框表示，方框内注明位号。若有几套相同设备并联，每套设备内部管道连接均相同，则可只画一套，其他的几套设备位号、名称均写在这一套的设备上如：

R***ABC

反应器（5）设备位号编制为：R101AR——设备分类代号1——车间或工段代号01——设备顺序号ABC—相同设备尾号

位号和名称用粗实线分开，位号写在上面,名称在下面。（6）设备位号应与初步设计一致，若施工图设计中设备有所增加，则位号应按顺序增补，如有取消，原有设备位号不再使用。（三）物料管道和辅助管道绘制方法（1）管道、管件及管道附件图例及常用阀门图例如图（2）固体物料用粗虚线表示并写出物料名称。（3）与设备相连的辅助管道只绘制一段支管，并注明代号、编号及管道规格。（4）表示控制仪表.（5）各种管道的标注方法。

（6）两个设备相距较远时，其物料管道仍要连通，不能用文字表示。管道或接至另一张流程图上的管道，可在管道断开处用箭头注明至某设备管道的图号。

（四）图纸名称主标题栏名称：

×××吨/年×××车间××工段工艺管道及仪表流程图（五）辅助管道及仪表系统图(1)辅助管道包括蒸汽、冷凝水、给排水、压缩空气、真空等系统，每一种管道系统绘制一张系统图。（2）设备以细实线画矩形框表示，框内标注设备位号及设备名称或管道代号。

主标题栏中图纸名称：

×××吨/年×××车间××工段蒸汽管道及仪表流程图（六）物料代号（1）介质（物料）英语名称的第一字母大写表示：如空气(air)“A”；（2）以分子式为代号，如硫酸为“H2SO4”；（3）采用国际通用代号，如聚氯乙烯为“PVC”等表示。化工物料常用代号如表常用物料代号PG-----工艺气体V-----放空PA-----工艺空气VA-----真空PL-----工艺液体GS-----高压蒸汽PS-----工艺固体LS-----低压蒸汽PGL----气液两相工艺物料SC-----冷凝水PGS----气固两相工艺物料DR-----排污PLS----液固两相工艺物料CWS-----循环上水

…CWR-----循环下水常用的设备代号：T----塔E-----换热器R------反应器V----容器C-----压缩机、风机P----泵F----工业炉（七）自控及仪表表示常用的仪表控制代号字母被测变量功能字母功能A分析报警C调节F流量Q累计L液位信号Z连锁P压力试验点H高位报警T温度传递HH极高位报警I电流指示L低为报警R记录LL极低位报警仪表位号，如：PI-801P——被测变量字母代号I——功能字母代号8——工段号01——序号(相同被测参数可连续编号)表示方法：

就地指示集中控制温度调节温度指示调节TC201TIC2012.4.2.3基本要求(一)物料流程图（PFD）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、管线表示物流方向，标注工艺设备的位号和名称。用表格形式表示出各物流股的温度、压力、流量、组分含量百分比。（1）设备外形不必精确，甚至可用简化绘制（2）物流管线①用带箭头的粗实线，箭头尽可能标在设备的进出口或拐弯处。②进出装置（车间）界区的管线用接续标志标明。③图上要标出各物流点的编号（见图2.14）菱形框边长尺寸为8-10mm。④图纸续接管道，放在流程图下端且设备位号上端⑤辅助物料和公用物料连接管只绘出与设备相连接的一小段管，以箭头表示进出流向，注明物料名称或用介质代号表示。（二）带控制点的工艺流程图（1）用图例表示出全部工艺设备。（2）表示工艺物料和辅助管道的流向及工艺物料管道上的阀门（用图例表示）。（3）以图例表示出控制回路、仪表的参数、功能、仪表位号和控制方法。（4）标注全部设备的位号和名称。（5）表示全部管道的管道代号、管径、材料、保温等。2.4.2.3阅图步骤及方法（1）了解流程图的画法及图例（2）掌握设备的数量、名称及编号（3）了解工艺介质及工艺管线安装流程线（先看主物料，后看辅助物料）。4物料衡算、能量衡算及物料平衡图

4．1物料衡算4.1.1物料衡算的意义：一切化学工程的开发与放大都是以物料衡算为基础的。物料衡算也是物质守恒定律的一种表现形式，通过物料衡算可以确定设备容量、数量及主要尺寸。在工艺计算中物料恒算是先导，接着进行能量算，在此基础上进行设备的工艺的计算。4.1.2物料衡算的分类第一类：化学生产过程中的总物料平衡第二类：单台设备的物料平衡

内容：设备进出口物料各组分的名称、重量、成分、比重、体积等。

4.1.3物料衡算的步骤（1）画出物料衡算方框示意图

（2）写出化学反应的方程式（主副反应）（3）明确计算对象，哪些是已知的，那些是要求的，他们之间有什么关系通过计算得到生产能力、纯度、收率等。（4）计算基准：（选择正确的计算基准可以化简计算、视具体情况进行分析）。①

时间基准连续生产：以1段时间间隔为基准。

间歇生产：以批处理量为基准。②

质量基准液、固相：一定质量的原料或产品作为

计算基准。单一化合物：用物质质量（mol）为基准

③

体积基准气体物料选用体积基准,应将实际体积换算为标准状态下的体积（标准体积1000kg=22.4m3）,用m3表示（对于气体而言，体积分数=摩尔分数）。（5）选择理化数据，工艺常数以及工艺计算所必要数据。（6）列出物料衡算的数学模型，进行求解计算。（7）列出衡算表格：

输入：

序号

物料名称

100%物料重kg工业品物料重

kg比重

体积

备注

输出：序号

物料名称100%物料重

kg反应混合物组成%比重

体积

备注

（8）原料消耗综合表：（物料恒算计算结束后，经各种系数转换，最后得出原料消耗综合表和排除物综合表）。

序号

物料名称

单位

纯度

每吨产品消耗定额（吨）

每年消耗量（吨）

备注

工业品

100%工业品

100%4.1.4物料衡算模型

总物料衡算：

----(4-1)

组份的物料衡算：

----(4-2)

组成的约束条件：

-----(4-3)I=1,2,3,……Nc

式中：j---1.2.3……Nc组份序号NI---进入的流股NT---物质流股的总数Fi---第I个流股流率4.1.5混合器和分离器物料衡算

4.1.5.1简单混合

物料组份的衡算：

总物料衡算：

j=1.2……Nc

例4-1石油分馏过程中，重石脑油从组份塔中出来后,去脱硫塔脱硫，出来后再与来自催化的重石脑油混合，然后进入重整器。求混合重油的流率及组成。

解：按物料衡算步骤进行。

1．画物料衡算示意图：如图

2．用虚线画出系统边界

3.选择计算基准：

200molA(1,2均可)

4.列衡算式总物料衡算：=300mol

200*0.6+100*0.5=解得：F3=300mol=56.7%=43.3%

5.列出物料衡算表格

输入输出成份重油A重油B混合油组成流率组成流率组成流率MOL%MOL/minMOL%MOL/minMOL%

MOL/min

C660120505056.7170C84080505043.71304.1.5.2简单分离总物料衡算：

物料组份的衡算：

例4-2有一精馏塔，其进料组成和塔顶馏出物组成如图图中F1、F2、F3分别表示进料、塔顶馏出物和塔釜排出液的摩尔流量。塔釜排出液含丙烷1%（moL），试完成该精馏塔的物料衡算。解：计算基准取100kmoL/h进料即F1=100kmoL/h。作丙烷平衡得0.5F2+0.01F3=0.2*100作总质量平衡得F2+F3=100解得F2=38.8kmoL/h，F3=61.2kmoL/h，因此，塔顶馏出物各组分的流量为：丙烷38.8×0.5=19.4kmoL/h异丁烷38.8×0.43=16.684kmoL/h异戊烷38.8×0.06=2.33kmoL/h正戊烷38.8×0.01=0.388kmoL/h塔釜排出液中各组分的流量为：丙烷100×0.2-19.4=0.6kmoL/h异丁烷100×0.2-16.684=3.316kmoL/h异戊烷100×0.2-2.33=17.67kmoL/h正戊烷100×0.4-0.388=39.61kmoL/h因此得到物料平衡表（以100kmoL/h进料为基准）。

4.1.6具有化学反应的物料衡算：对于化学反应V1A+V2B+V3C<=>V4D+V5E其物料衡算通式：Vj—第j组分的计量系数，反应物组份为负值，产物为正值。Nc---组分数目Mj---第j组分的分子量。例题4-3在催化剂作用下，甲醇和空气氧化制取甲醛，为保证甲醛有足够的转化率，在进料中，空气过量50%，甲醛转化率可达75%,试写出物料衡算表.解：CH3OH+0.5O2→HCHO+H2O1．画示意图：2．100kmol/h甲醇进料为计算基准3．化学反应：甲醇V1=-1氧V2=-0.5甲醛V3=1水V4=14．列物料衡算数学模型：5．求解列表生成：75kmolHCHO

剩余：25kmolCH3OHO2用量：37.5kmolCH3OHO2

惰性组分HCHO

H2OCH3OH+0.5O2→HCHO+H2O1，按化学计量式计算需求kmol/h

100501001002.过量50%空气试剂kmol/h

10075282.1=75/0.21-753．对甲醇转化率75%时的转化物质kmol/h

产生物质kmol/h

未转化物质kmol/h

752537.537.5282.175754.总计kmol/h

引入气体引出气体100257537.5282.1282.175755.引出气体组成分析mol%0.050.080.570.150.156.引入气体总量

457.1kmol/h

7.引出气体总量

494.6kmol/h

4.1.7吸收过程的物料衡算例4-4：有一流股为50kmol/h,含有15%（mol）CO2和5%H2O，将气流送入吸收塔，用新鲜水吸收CO2，吸收后的气体中含1%CO2，3%H2O，新鲜水的流率是500kmol/h试求出口流股的组成与流率。解题：1.画示意图。

惰性气体流率：50（1-0.15-0.05）=40kmol/h惰性气体组成：80%2．引出气体：惰性气体在引出气体中的组成为：96%惰性气体在引出气体中的流率为：40kmol/h(总流率=40/0.96=41.67)CO2在引出气体中的流率=41.67X0.01=0.42kmol/hH2O在引出气体中的流率=41.67X0.03=1.25kmol/h3.引出液流股：CO2流率：50x0.15-0.42=7.08kmol/hH2O流率：500+50x0.05-1.25=501.25kmol/hCO2组成：7.08/(501.25+7.08)=1.4%(mol)H2O组成：501.25/(501.25+7.08)=98.6(mol)4.画物料平衡图4.2能量衡算4.2.1能量衡算的意义:能量衡算的意义：能耗是衡量化工技术水平的主要指标之一。能量衡算是提高能量利用率，降低能耗的主要依据，是确定工艺流程的依据。能量种类：热能、电能、化学能、辐射能、机械能、磁能等。但在化工生产中常用的能量衡是热量衡算。4.2.2能量衡算解决的问题1）充分利用余热，采用有效措施，使总能耗降至最低。2）确定各单元过程所需的热量或冷量及其传递速率（蒸发、蒸馏、冷凝）。3）确保反应所需的放热速率或供热速率

※所有热量衡算都是在物料衡算基础上进行的。4.2.3热量衡算的步骤（1）划分系统。（2）画出流程方框简图。（3）写化学方程式。（4）求解方程组。4.2.4能量衡算的基本方程式热量衡算是能量守恒定律的应用。连续流动系统的总能量衡算式是

Q+W=ΔH+gΔZ+Δu2/2式中：W—环境对体系所作的功。接受外功为“+”，向外作功为“-”；ΔH—单位质量流体的焓变；gΔZ--单位质量流体的位能变化；Δu2/2--单位质量流体的动能变化；Q--单位质量流体所吸收的热或放出的热，吸热为“+”，放热“-”。在进行设备的热量衡算时，位能（gΔZ）、动能（Δu2/2）、外功（W）等项相对较小，可忽略不计，因此流动系统总能量衡算式可简化为

Q=ΔH（4-5）在热量衡算中，进入系统加热量与离开系统的热量应平衡。即

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6

（4-7）式中：Q1—所处理的物料带到设备中去的热量（KJ）；Q2—由加热剂（或冷却剂）传给设备的热量或加热与冷却物料所需的热量（KJ），加热为“+”，冷却为“-”；Q3—过程的热效应（KJ），放热为“-”，吸热为“+”；Q4—反应产物由设备中带出的热量（KJ）；Q5—消耗在加热设备各个部件上的热量（KJ）；Q6—设备向四周散失的热量（KJ）；4.2.5热量计算中各种热量的说明（1）计算基准，可取任何温度，对有反应的过程，一般25℃作为基准。（2）物料的显热可用焓值或比热容进行计算，在化工计算中常用恒热压热容Cp，由于比热容是温度的函数，常用幂次方程式表示，因此其计算式可表示为：

(4-8)式中：n—物料的摩尔流量（mol）；

Cp—物料比热容（KJ/mol•℃）,T—温度（℃），T2为物料温度，T1为基准温度。（3）热负荷的计算Q2，对于间歇操作，各段时间操作情况不一样，应分段做热量平衡，求出各不同时间的Q2，然后得到最大需要量。（4）过程热效应Q3，包括过程的状态热（相变化产生的热）和化学反应热。相变化一般可由手册查得。（5）设备加热所需热量Q5，在稳定操作过程中不出现，在间歇操作的升温降温阶段也有设备的升温降温热产生，可用下式计算：

(4-9)式中：G—设备各部件重量（kg）；Cp—各部件热容（KJ/kg•℃）；t2—设备各部件加热后温度；t1—设备各部件加热前温度。设备加热前的温度t2可取为室温，加热终了时的温度取加热剂一侧（高温th）与被处理物料一侧（低温te）温度的算术平均值：t2=(th+te)/2。（6）设备向四周散失的热量Q6可由下式算得：（4-10）式中：F—设备散热表面积m2；aT--散热表面向四周围介质的联合给热系数W/m2•℃；tw—散热表面的温度（有隔热层时应为绝热层外表）℃；t—周围介质温度℃；τ—散热持续的时间s。联合给热系数是对流和辐射两种给热系数的综合，可由经验公式求取。一般绝热层外表温度取50℃。a)绝热层外空气自然对流当tw<150℃时：平壁隔热层外

αT=3.4+0.06(tw-t)(4-11)管或圆筒壁隔热

αT=8.1-0.045(tw-t)(4-12)b)空气沿粗糙面强制对流u≤5m/s时，αT=5.3+3.6u(4-13）u>5m/s时，αT=6.7u0.78(4-14)4.2.6热量衡算举例例4-5化工生产中常以煤或重油为燃料，在锅炉内燃烧产生蒸汽。试计算锅炉中：（1）燃煤锅炉中，每吨煤燃烧产生的蒸汽量；（2）燃油锅炉中，每吨重油燃烧产生的蒸汽量。解：手册中查得

Q煤=23012KJ/kg；Q重油=33472KJ/kg由热量平衡可知：Q煤=n蒸汽ΔH蒸汽，即n蒸汽=Q煤/ΔH蒸汽当P=1.3Mpa，饱和水蒸汽H蒸汽=1976.70KJ/kg，锅炉效率按60%计。每吨煤的产蒸汽量：n蒸汽=Q煤/ΔH蒸汽=23012×60%/1976.7=6.98t/t煤每吨重油的产蒸汽量：n蒸汽=Q重油/ΔH蒸汽=33472×60%/1976.7=10.16t/t重油例4-6图示，在0.2Mpa、500℃下含苯蒸汽的物流通过两个换热器（换热器1、换热器2）后被冷却至200℃。其中在换热器2中锅炉给水由75℃、5Mpa被加热至饱和，由气液分离器出来的饱和水在换热器1中加热至沸腾。如果通过换热器1的水量为通过换热器2水量的12倍，求换热器1所产生的蒸汽量和每摩尔工艺物流所产生的蒸汽量。解：根据对本过程分析，其计算顺序为：总过程→热交换器2→热交换器1→气液分离器能量衡算能量衡算能量衡算物料、能量衡算（1）物料衡算方程总平衡F1=F5分离器平衡F3=F5+F6混合器平衡F3=F4+F2=F6+F1实际上总平衡式为分离器与混合器平衡式的总和。基准，选物流F7为100mol/ha)总平衡F1[hv(饱和，5Mpa)-hL(75℃,5Mpa)]=F7[hv(500℃,0.2Mpa)-hv(200℃,0.2Mpa)]Cpv(苯)=18.587-1.174×10-2T+1.275×10-3T2-2.080×10-6T3+1.053×10-9T4

b)换热器2的平衡F1[hv(饱和，5Mpa)-hL(75℃,5Mpa)]=F7[hv(500℃,0.2Mpa)-hv(200℃,0.2Mpa)]先用值估计T，即：160.9(T-473.15)=16.31×103

即T=574.5K然后以此作为初值，用下式作迭代计算。

T=473.15+1/18.587[1.631×104+1/2(0.117×10-1)(T2-473.152)-1/3(0.1275×10-2)(T3-473.15)+1/4(0.208×10-5)(T4-473.154)-1/5(0.10510-8)(T5-473.155)迭代计算结果如下：因此得到换热器1和换热器2间（即F8处）苯物流的温度为586.61K(313.46℃)。迭代次数

0

1

2

3

4

5

T/K574.5674.98586.02586.58586.65586.61c)换热器1的平衡F7[hv(500℃,0.2Mpa)-hv(313.46℃,0.2Mpa)]=12F1[h混(饱和，5Mpa)-hL(饱和,5Mpa)]=1154.5+100×31.96/12×1.95=12.91kJ/kg设水蒸汽质量百分比为w，则：1291.5=2794.2w+1154.5(1-w)即：w=0.08334d)气液分离器的物料平衡核算F3=F6+F5=12F1+F1=13×1.95=25.337kg/hF5hv(饱和，5Mpa)+F6hL(饱和，5Mpa)=F3h混，3(饱和，5Mpa)13×1.95h混，3=1.95hv(饱和，5Mpa)+12×1.95hL(饱和，5Mpa)h混，3=1/13hv+12/13hL

=whv+(1-w)hLw=0.07692F5中蒸汽量为：w×F3=0.07692×25.377=1.95kg/h=0.0195kg/mol（工业气）4.3物料平衡图

4.3.1意义与作用：是原则流程，是所有工程开发与设计的重要依据。4.3.2物料平衡图的内容及画图步骤：1）画出所有组成、流率、相态有变化的流股及相关设备。物料流向用粗线，设备用细实线。2）相关设备上的辅助管线（公用工程）示意性画出。3）给每个流股编号。4）将所有的各单元设备的物料衡算结果汇成一张图5）在图下方标注各流股的有关数据。（简单图可直接标在管线上）如图：

物流编号1压力MPa温度℃流量常压80560kg/d序号物料名称流量沸点组成1醋酸2甲苯5化工设备的设计与选型

化工设备动设备—在外力作用下作功。如泵、压缩机、制冷机、离心机等。静设备—无需外力作用。如塔、反应釜、贮罐、换热器等。标准设备，成批成系列生产。非标准设备是根据工艺要求，通过工艺计算及机械计算而设计，然后提供给有关工厂制造。5.1化工设备工艺设计的内容

（1）确定设备类型，与工艺流程设计相结合。（2）确定设备材质，根据操作条件（介质的性质、温度、压力），与设备设计专业人员共同完成。（3）确定设备的设计参数，根据工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、设备的工艺计算工作得到。不同设备有不同的设计参数。a.

换热器：热负荷Q，换热面积F，冷热载体的流量、温度和压力。b.

泵：流量、扬程、轴功率、允许吸上高度。c.

风机：风量、风压。d.

吸收塔：气体的流量、组成、压力、温度，吸收剂的种类、流量、温度压力，塔径、塔高、塔板类型、塔板数，填料种类、规格、填料高度、每段填料的高度和段数。e.

精馏塔：进塔物料、塔顶和塔釜产品的流量、组成、温度、塔操作压力、塔径、塔板类型和塔板数，填料种类、规格、填料总高度，每段填料的高度和段数，进料位置、灵敏板位置，塔顶冷凝器的热负荷及冷却介质的种类、流量、温度和压力。f.反应器：类型、进出口物料的流量、组成、温度和压力、主要尺寸，催化剂的种类、规格、数量和性能参数。

（4）确定标准设备（即定型设备）的型号或牌号，并确定台数。标准设备是一些加工厂成批、成系列生产的设备，能直接订货或购买的现成的设备。化工行业专用标准设备如冷冻机、除尘设备、过滤机、离心机和搅拌器等。（5）非标设备，由工艺专业的设计人员向设备专业提供设计条件和草图、明确设备的形式、材质、基本设计参数、管口、维修、安装、支撑及其它要求（如防爆口、人孔、手孔、仪表接口等）。（6）编制工艺设备一览表（表5-1），作为设计说明书的组成部分提供给有关部门进行设计审查。（7）工艺设备的施工图纸完成后，与化工设备的专业设计人员进行会签。5.2化工物料输送设备

（1）泵

是液体物料输送设备；（2）风机和压缩机是气体物料输送、压缩、制冷设备。（3）给料机械设备、气流输送设备是固体物料输送设备。5.2.1液体输送设备5.2.1.1概况泵是液体输送的主要设备。（1）泵的结构分类：叶片式和容积式。叶片叶片式泵的工作原理：由泵内的叶片在旋转时产生的离心力作用，将液体吸入和压出。容积式泵的工作原理：由泵的活塞或转子在往复或旋转运动中产生挤压作用将液体吸入和压出。叶片结构分类：离心泵（屏蔽泵、管道泵、自吸泵、无堵塞泵）、轴流泵和旋涡泵。容积泵：往复泵（活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、计量泵）和转子泵（齿轮泵、螺杆泵、滑片泵、罗茨泵）。（2）泵的用途：水泵、油泵、泥浆泵、砂泵、耐腐蚀泵、冷凝液泵、液下泵等。5.2.1.2技术指标

（1）型号：IH50-32-160AIH—泵的型号代号；

50—泵吸入口直径mm；

32—泵排出口直径mm；

160—叶轮名义直径mm；

A--轮直径第一次切割。

（2）扬程：泵的技术指标中扬程指介质为清水，密度1000kg/m3，粘度1mPa·s，无固体杂质。（3）流量：泵在单位时间内抽吸或排送液体的体积数称为流量，m3/h或L/s。离心泵的流量与扬程有关，而容积式泵流量与扬程无关。（4）功率与效率：泵样本中所给出的功率与效率都为清水试验所得。5.2.1.3泵的选用A、化工用泵的要求因为化工用泵所输送的液体性质和一般泵不同，另外化工装置还有要求长期连续运行的特点，所以除操作方便、运行可靠、性能良好和维修方便等的要求外，在不同的情况下还有不同的要求。（1）输送易燃、易爆、易挥发、有毒和有腐蚀性及贵重的介质，要求密封性能可靠，只能微漏甚至完全无泄漏。应选磁力驱动泵或屏蔽泵。

屏蔽泵：流量L=1.0~600m3/h扬程150m转速2900rmp工作温度-120~100度工作压力2.5MPa磁力驱动泵流量：45m3/h扬程：200m转速：2900rmp工作温度：220度工作压力：2.5MPa（2）输送腐蚀性介质时，应选用耐腐蚀泵。振动小，噪音低，效率更高，运行平稳。

工作压力2.0Mpa，工作温度可达175℃。

可输送悬浮物，颗粒小于3mm，含固量小于5%的液体。根据介质的特性和温度范围，选择不同材质的泵及过流部件。过流部件有非金属和金属。非金属：聚氯乙烯、玻璃钢、聚丙烯、氟塑料、石墨、陶瓷、搪玻璃等。金属：不锈钢、高合金钢、钛及其合金等。一般情况，非金属泵的耐腐蚀性能优于金属泵，但非金属泵的耐温、耐压性能比金属泵差，非金属耐腐蚀泵常用于流量不大且温度和使用压力较低的场合。（3）输送易气化液体，易气化液体指沸点低的液体，如液态烃、液态氧、液态氢等，这些介质的温度通常为-30~-160℃，选低温泵。（4）输送粘性液体要根据粘度的大小选泵（5）输送含气液体，要求泵输送液体中的允许含气量极限为：离心泵〈5%旋涡泵5%~20%容积式泵5%~20%。

多级离心泵G型锅炉给水泵，供输送清水及物理化学性质类似于水的液体之用。

水泵扬程：46~576米时流量：6~55米/小时，最高温度低于110多级离心泵DL立式多级离心泵，效率高，性能范围广，在结构上采用了立式，分段形式，泵的吸入口在下方，出水口在上方。可根据实际情况，出水段可旋转90～180～270等四个方向。（6）输送含固体颗粒的液体，固体颗粒的存在使泵的扬程、效率降低。离心泵输送液体时允许的最大含固率（质量分数）为：水泥60%~65%，硫胺30%~40%，碳化钙、石灰乳50%~60%，盐35%，挥发性灰粉（油渣）55%。（7）输送高温介质时应选用热油泵。（8）要求低流量、高扬程时，可选用多级泵。

计量泵齿轮润滑泵主要用于各种机械设备中的润滑系统中输送润滑油，适用于输送粘度在10。E（75C.S.t）以下，温度在300℃以下的具有润滑性的油料。不锈钢齿轮泵，可输送无润滑性的油料、饮料、低腐蚀性的液体。配用铜齿轮可输送低闪点液体，如汽油、苯等。隔膜泵是目前国内最新颖的一种泵类。对于各种腐蚀性液体、带颗粒、高粘度、易挥发、易燃、易爆、剧毒的液体、陶瓷釉浆、果浆、胶水、油轮仓底油回收、临时倒罐等液体均能予以抽光吸尽。自吸泵自吸及排污于一身，即可象一般清水自吸泵那样不需安底阀，不需引灌水、又可抽吸含有大颗固体块、长纤维的污物、沉淀物、废矿杂质、粪便处理及一切工程污水和胶质液体，完全减轻工人的劳动强度，而且使用、移动、安装方便，性能稳定。（材质：铸铁、不锈钢）喷射泵水力喷射泵是一种具有抽真空、冷凝、排水功能，其工作原理是利用一定压力水流通过对称均布成一定倾斜度的喷咀喷出，聚合在一个焦点上，由于喷射水流速度较高。

单.双螺杆式容积回转泵。罗茨泵组的抽速由250到32000米3/小时，可以分为两极泵组和多级泵组，极限真空度可达10-4mbar，乃至更高。。隔膜泵5.2.2气体输送、压缩设备5.2.2.1通风机（风机）A、种类：轴流风机和离心风机。轴流风机排送量大，但风压小，仅用于通风换气，不能用于输送气体。轴流风机离心风机

离心式通风机根据所产生的压头分为：（1）低压离心通风机：P≤1Kpa；（2）中压离心通风机：P=1~3Kpa；（3）高压离心通风机：P=3~15Kpa；B、型号：9-19N07.1-A9-19—型号代号；N0