第二章工艺流程设计

第2章工艺流程设计主要内容生产方法和工艺流程的选择工艺流程设计工艺流程图

生产路线选定之后，即可进行工艺流程设计。它和车间布置设计是决定整个车间（装置）基本面貌的关键性步骤，对设备设计和管路设计等单项设计也起着决定性的作用。

工艺流程设计的任务

一是确定生产流程中各个生产过程的具体内容，顺序和组合方式，由原料制成产品。二是绘制工艺流程图，以图解的形式表示生产过程，当原料经过各个单元操作过程制得产品时物料和能量发生的变化及其流向，以及采用哪些化工过程和设备，再进一步通过图解形式表示出化工管道流程和计量控制流程。

流程设计包括两个方面：2.1生产方法和工艺流程的选择

一、生产方法和工艺流程选择的原则1．先进性2．可靠性3．结合国情二、生产方法和工艺流程确定的步骤1．搜集资料，调查研究2．落实设备3.全面对比（分为三种类型：国内已有定型产品；需要进口；国内需重新设计制造）（技术路线特点、工艺参数、原材料和公用工程单耗、产品质量、三废治理以及各种技术路线的发展情况与动向等）4.对选定的生产方法作适当修改全面分析对比的主要内容：①几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；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；二、生产方法和工艺流程确定的步骤1．搜集资料，调查研究2．落实设备3.全面对比（分为三种类型：国内已有定型产品；需要进口；国内需重新设计制造）（技术路线特点、工艺参数、原材料和公用工程单耗、产品质量、三废治理以及各种技术路线的发展情况与动向等）4.对选定的生产方法作适当修改具体的技术问题：（1）满足产品性能规格。（2）采用新技术和新工艺。（原料，耗能，温度压强，污染程度）（3）工艺路线必须具备工业化生产的条件。（4）各项技术经济指标进行比较。（5）连续化问题（6）装置大型化。（7）治理“三废”。（8）提高自动化水平，尽量利用计算机进行生产控制和管理。年产8万吨甲烷氯化物项目甲烷氯化物是包括一氯甲烷（氯甲烷）、二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）、四氯化碳四种C1氯烃氯产品的总称。除可作溶剂、脱脂（漆）剂、萃取剂、气雾剂、致冷剂、灭火剂、麻醉剂等以外，甲烷氯化物还是生产医药、农药、有机硅和有机氟系列产品等的原料。生产方法氯甲烷的生产方法较多，包括甲烷氯化法、甲醇氯化法、光氯化法、氧氯化法等。工艺路线甲醇氢氯化可分为气—固相催化法、气—液相非催化法和气—液相催化法三种。①气—固相催化法气固相催化法是以甲醇和氯化氢为原料，在固体催化剂硅胶或三氧化二铝作用下，反应温度在250~300℃下生成一氯甲烷和水。甲醇的单程转化率为98.5%，选择性为99.8%。该法的优点是适合于大规模生产，甲醇的有效利用率较高；缺点是反应器制造技术较复杂，对原料中的水含量控制较严格，设备投资较大，不适合中小规模生产。

②气—液相非催化法气液相非催化法由美国DuPont公司开发成功，即在温度120℃、压力1.06MPa下，液体甲醇和氯化氢反应生成一氯甲烷和水。甲醇的单程转化率不高，需分离后进一步反应。该法的优点是适合于大规模生产，甲醇经进一步反应后，总转化率较高，产品纯度高，甲醇单耗低；缺点是对设备材质要求较高，不适合中小规模生产。③气—液相催化法气液相催化法是以甲醇和氯化氢为原料，在液相催化剂75%ZnCl2溶液作用下，反应温度在140~150℃下反应生成一氯甲烷和水。该法的优点是工艺流程简单，反应条件缓和，适合于小规模生产；缺点是消耗定额较高，有一定腐蚀。2.2工艺流程的设计

工艺流程设计是工艺设计的核心，它通过工艺流程图的形式，形象地反映化工生产由原料输入到产品输出的过程，其中包括物料和能量发生的变化，物料的流向以及生产中所经历的工艺过程和使用的设备仪表等。2.2.1工艺流程设计的原则1.保证产品质量。2.提高原料利用率，降低原料消耗。3.确保安全生产。4.确定三废的治理措施。5.生产过程尽量机械化和自动化。2.2.2工艺流程设计要解决问题：

(1)确定整个流程的组成。(2)确定各个过程或工序的组成(3)确定操作条件。(4)确定控制方案。(5)合理利用原料及能量(6)确定三废治理方法。制定安全生产措施。2.2.2工艺流程设计要解决问题：

（1）确定整个流程的组成。例如合成氨生产工艺天然气xkmol蒸汽一段转化炉二段转化炉CO变换CO2脱除甲烷化空气ykmol合成氨原料气CO2(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(3)确定操作条件。反应器操作参数的确定1）温度2）压力3）组成4）反应的转化率(6)确定三废治理方法。(5)合理利用原料及能量确定公用工程的配套措施确定操作条件和控制方案制定切实可靠的安全生产措施保温、防腐的设计(7)制定安全生产措施。(4)确定控制方案。2.2.3工艺流程设计的步骤实验室研究与工业生产的比较工业混合酸流程图2.2.3工艺流程设计步骤工艺流程设计一开始，首先进行概念设计或方案设计，设计出工艺流程草图，经物料计算后，再设计出工艺物料流程图，当设备计算结束时，开始绘制初步设计的管道及仪表流程图，只有当车间设计结束，进一步修改流程图后才能最后画出正式的施工图阶段的管道及仪表流程图。2.2.3.1概念设计阶段工艺流程设计一、概念设计概念设计的主要内容是将工艺路线的流程化，然后完善流程，进行方案比较，选择一最佳方案。1.工艺路线的流程化概念设计一个典型工艺过程分为六个重要部分，即原料贮存,预处理、反应、产品分离、净化、贮存包装。还要考虑”三废”处理及公用工程、配套设施。原料贮存原料预处理反应产品分离产品精制贮存包装原料产品1.工艺路线的流程化将这六个过程详细地加以研究，具体化到各个过程需要哪些化工单元操作加以组合，各化工单元操作又需要什么样的装备、设备、机械，这些单元操作的运行参数以及它们的运行次序，物料在化工单元操作中的“流水线”关系，以保证获得预期质量和数量的产品，这个将工艺过程具体化的设计过程，称为工艺路线的流程化。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。

例1.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简化完善工艺流程

为了控制水洗塔生成废酸水的量，可以设计一个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。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简化后的流程示意图

2.2.3.2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。

2.初步设计阶段工艺流程的设计对工艺流程的方案设计，要从下列几个方面加以完善设计：

(a)流程能力、操作弹性和设备设计。

(b)工艺操作条件的确定和流程细节安排。

(c)操作单元装置的衔接和辅助装置的完善。

(d)确定操作控制过程中各参数控制点。

3.施工图设计阶段工艺流程设计在初步设计方案的基础上，完善管道和仪表的设计，各种物料、公用工程、全部设备、管道、管件、阀门、全部的控制点、检测点、自动控制系统装置及其管道、阀门设计。作为安装施工指导的工艺流程设计，最终表现为绘制“管道及仪表流程图”(简称PID图)。2.2.3.2工艺流程设计的基本方法——方案比较§2.3工艺流程图工艺流程图：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。一、工艺流程图概述2.3.1方框流程图和工艺流程简图2.3.1.1方框流程图(blockflow

sheet)

方框流程图是在工艺路线选择确定之后，工艺流程进行概念设计时完成的一种流程图。其主要作用是：定性地表明原料变成产品的路线和顺序，以及应用的过程及设备。将主要工艺步骤或单元操作，用一方框表示，注明方框名称和主要操作条件，同时用主要的物流将各方框连接起来。

工艺路线选择确定之后，对工艺流程进行概念设计时完成的一种流程图。特点：1：不编入设计文件，规则不严格。2：扼要的将一个化学加工过程的轮廓表达出来。见图p32:2-10一、方框流程图(BlockFlowsheet)

绘制要求：矩形框用细实线，用粗实线加箭头表示出主要物流方向，并加上必要的文字注释。

反应过滤结晶离心硫酸氧化铜母液滤液产品生产硫酸铜的方框流程图

生产聚甲醛的方框流程图

特点：⑴方案流程图、流程示意图、流程简图，供工艺方案的讨论，是工艺流程图设计的依据。⑵为物料衡算、部分设备计算和能量衡算服务，不编入设计文件。⑶示意性的从左至右的展开图。⑷定性地标出原料转化成产品的变化，流向顺序以及生产中采用的各种化工单元及设备。2.3.1.2、工艺流程草图

1.物料流程

2.图例(管线图例)3.设备一览表（只包括序号、位号、设备名称和备注）

(有时可省略设备一览表和图框)工艺流程草图包括内容：

物料流程设备示意图

设备只画出大致轮廓和示意结构，设备的相对位置高低不要求准确，备用设备一般省略不画。但设备一般都要编号，并集中列出设备名称。

流程管线（全部物料管线和一部分动力管线）及流向箭头文字注解①在流程图的下方或图纸的其他空白处列出各设备的编号和名称。②在管线的上方或右方用文字注明物料的名称。③在流程线的起始和终了处注明物料的名称来源及去向。

(方案流程图、流程示意图、流程简图)示意性的从左至右的展开图。1.物料流程2.图例只需标出管线图例，阀门、仪表等无须标出。3.设备一览表只包括序号、位号、设备名称和备注。有时可省略设备一览表和图例2.3.1.2、工艺流程草图生产硫酸铜的工艺流程草图

2.3.2工艺流程图分类：全厂总工艺流程图或物料平衡图工艺物料流程图工艺管道及仪表流程图工艺流程图分类：车间（工段）：流程线（带箭头）：车间名称，各车间原料、半成品和成品的名称、平衡数据和来源、去向等全厂总工艺流程图或物料平衡图长方框、细实线粗实线20万吨/年磷酸一铵全厂物料平衡图2.3.2工艺物料流程图的绘制工艺物料流程图(processflowsheetdiagramPFD)简称物流图主要内容：A：设备简单的外型图、名称及位号。B：主要工艺条件，物料平衡表（对物料发生变化的设备，要从物料管线上引线列表表示：物料组分名称、物料量（kg/h)、质量%、kmol(kmol/h)、以及mol%

等，每项均应标出其总和数。C：标题栏。设备图形和流程线

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。

(1)设备的表示方法常用设备符号工艺设备图例

工艺设备图例设备标注

①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。

②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。（2）物流管线表示方法a.流程线用带箭头的粗实线表示b.进出装置用接续标志标明

（2）物流管线表示方法c.用细实线菱形框(边长8～10mm)标出各物流点的编号

（2）物流管线表示方法

d.界区内部，图纸进出管线的始终端用32x45长方框并注明介质名称，去向等。反应气体来自R0201见图8413-9-40-0320e.辅助物料和公用物料连接管只绘制与设备相连接的一小段管。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(kg／h)、质量百分数、摩尔流量(kmol／h)。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。

（3）工艺数据的表示表示出主要工艺数据：温度，压力，流量等。名称kg/hwt%kmol/hmol%1乙苯173.598.31.63097.22甲苯1.01.70.0192.8合计174.51001.649100V0104乙苯贮槽物流表图例热量衡算的结果的表示物料平衡表序号组分分子式分子量物流点编号物流点编号物料名称物料名称kg/hwt%Kgmol/hmol%kg/hwt%kgmol/hmol%12合计1温度2压力3密度4黏度（4）物料平衡表

甲醇氧化生产甲醛在列管式固定床催化反应器中进行，原料气是甲醇与空气(氧气，氮气，水蒸汽）的混合气体，混合气中空气与甲醇的摩尔比13.28：1，原料气预热到210℃后进入列管式固定床催化反应器的管内，在催化剂作用下发生的反应及相应的反应热为已知CH3OH的转化率为100%，甲醛的收率为88.9%，其余进行副反应（2）（3），副反应（2）（3）按3：1（mol比）消耗甲醇，反应器列管间用道生作为热载体，道生在管间气化吸收反应放出的热量使反应温度大致维持在300℃，反应器热损失是反应器向外界放出的总热量的5%。已知各有关气体物质的平均热熔数据如下，表中热熔的单位是kJ/(kmol·K）。

道生的比热容为3.477kJ/(kg·K)，道生进入反应器的温度为180℃,于290℃气化，在290℃的汽化热为269℃kJ/kg，试做反应器的热衡算，求道生循环量。CH3OHO2N2H2OHCHOCOCO225℃-210℃25℃-300℃52.5530.1330.5929.2029.5434.1834.6440.2929.7142.17工艺物料流程图在全厂总工艺流程图上，表达各车间的内部工艺物料流程的图样，流程上标注出各物料的组分、流量及设备特性数据。2.3.2工艺流程图分类：全厂总工艺流程图或物料平衡图工艺物料流程图工艺管道及仪表流程图20万吨/年磷酸一铵全厂物料平衡图2.3.3工艺管道及仪表流程图以物料流程图为依据，内容较为详细的一种工艺流程图。应表示出全部工艺设备、物料管道、阀件、设备的辅助管道以及工艺和自控的图例、符号等。包括：（1）图形。将设备的简单形状按工艺流程次序，展示在同一平面上，配以连接的主辅管线及管件、阀门、仪表控制点符号等。包括：（2）标注。注写设备位号及名称、管段编号、控制点代号、必要的尺寸、数据等。包括：（3）图例。代号、符号及其它标注的注明。包括：（4）标题栏。注明图名、图号、设计阶段。2.3.3.2流程图的绘制方法及阅读比例与图幅设备的表示方法（画法和标注）管道的表示方法（画法和标注）阀门与管件的表示方法（符号）仪表控制点表示方法（符号、标注、功能仪表图例）1、比例、图幅和字高（1）比例。

实际上并不全按比例绘制，标题栏中的“比例”一栏，不予注明。（2）图幅。一般采用A1图幅，特别简单的可采用A2图