第二章工艺流程设计 上课

化工设计第二章工艺流程设计Chart2Processflowdesign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——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。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。实验室与工业化制混酸对比2.1生产方法和工艺流程的确定2.2工艺流程设计2.3工艺流程图2.4典型设计的自控流程2.5工艺流程图计算机绘制软件2.1生产方法和工艺流程的确定

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、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。二、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2.2工艺流程设计一、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:(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。绘制各设计阶段的工艺流程图——图解的形式表示生产过程。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工艺流程设计时须以反应过程为中心。(1)反应过程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。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。(2)原料预处理过程

(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-萃取方案实例比较方案的比较举例在产品精制中，粗品常先用溶剂溶解，然后加入活性炭脱色，最后再滤除活性炭等固体杂质。假设溶剂为低沸点易挥发溶剂，试确定适宜的过滤流程。解：首先选定过滤速度和溶剂收率为方案比较的评判标准。

常压过滤方案

方案一：常压过滤

真空抽滤方案

方案二：真空过滤方案三：真空过滤—冷凝真空抽滤-冷凝方案

方案四：加压过滤加压过滤方案

常压过滤方案

采用常压过滤方案虽可滤除活性炭等固体杂质，但过滤速度较慢，因而不宜采用。

方案一：常压过滤

真空抽滤方案

方案二：真空过滤

该方案采用真空抽滤方式，过滤速度明显加快，从而克服了方案I过滤速度较慢的缺陷，但由于出口未设置冷凝器，因而易造成大量低沸点溶剂的挥发损失，使溶剂的收率下降，故该方案不太合理。方案三：真空过滤—冷凝真空抽滤-冷凝方案

同方案II相比，该方案在出口设置了冷凝器，以回收低沸点溶剂，从而减少了溶剂的挥发损失，提高了溶剂的收率，因而较为合理。

方案四：加压过滤加压过滤方案

该方案是在压滤器上部通入压缩空气或氮气，即采用加压过滤方式，过滤速度快，且溶剂的挥发损失很少，因而最为合理。2.3工艺流程图

一、流程图的分类和用途1.方框流程图（blockflowsheet）

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。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。

工艺流程框图的画法采用由左至右或从上到下展开式。在绘图技术上，不要求精工细作，要少花时间。但是在考虑技术路线问题上，则不能马虎，要多花时间，多加研究。图3-2

阿司匹林的生产工艺流程框图

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。2.工艺流程草图（simplifiedflowsheet）

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。

《化工设计》2.3工艺流程图第二章工艺流程设计

3.工艺物料流程图（processflowsheet）PFD

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。氯苯硝化的物料流程图

物料流程图序号物料名称流量/kg

h-1HNO3H2SO4H2O氯苯硝基氯苯总计1补充硫酸

2.40.2

2.62硝酸230

4.7

234.73回收废酸

237.614.7

252.34配制混酸23024019.6

489.65萃取氯苯

403.418.7422.16硝酸损失2.3

2.37硝化液

909.48粗硝基苯

2.40.26.1569.3578.09分离废酸5.2237.682.9

5.7331.410氯苯

416.8

416.811萃取废酸

237.684.44.1

326.112浓缩蒸汽

73.813冷凝液

73.814废水

69.7

69.715回收氯苯

4.1

4.1物料流量表《化工设计》2.3工艺流程图第二章工艺流程设计

图2-2M/DBT工艺物料流程图4.带控制点工艺流程图（processandcontrolflowsheet）

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。5.管道仪表流程图（pipingandinstrumentdiagram）——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。6三维流程图将工厂的设备、软件按其建成时的情况用等轴角测图表示，这种表达方式十分清晰，对于各个设备在空间所处的位置及它们之间的相互关系都表达的一目了然二、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。（1）比例PID图不按比例绘制，一般设备（机器）图例只取相对比例。允许实际尺寸相对过大的设备（机器）比例适当缩小，实际尺寸过小的设备（机器）比例可适当放大。可以相对示意出各设备位置的高低。整个图面要协调、美观。（2）图幅

采用A0图幅，横幅绘制，数量不限，流程简单者可用A1。（3）图线和字体

PID图中工艺物料管道用粗实线，辅助管道用中粗线，其它用细实线。图中的设备（机器）用中线条，阀门、管件和管道附件都用细实线绘制。粗实线:0.6～0.9mm；中粗线：0.3～0.5mm;细实线:0.15～0.25mm图面上书写的字体应为长仿宋体或者（至少）写成正楷体（签名除外），并要以国家正式公布的简化字为标准，不准任意简化、杜撰。文字书写必须做到字体端正、笔划清楚，排列整齐，间隔均匀，粗细均匀。2.设备的表示方法(1)设备的画法图例：参照附录1，按比例用中线条绘制。相对位置：设备间高低和楼面高低相对位置，一般按实际比例绘制。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。对需要隔热的设备（机器）要在其相应部位画出一段隔热层图例，必要时注出其隔热等级有伴热者要在相应部位画出一段伴热管，必要时可注出伴热类型和介质代号地下或半地下设备（机器）在图上要表示出一段相关的地面设备（机器）的支承和底（裙）座可不表示(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（中实线）相同设备尾号设备顺序号主项代号设备分类序号设备名称代号序号设备名称代号1塔T7火炬、烟囱S2泵P8换热器E3压缩机、鼓风机C9起重机L4反应器R10搅拌器M5容器(储槽、储罐)V11称量设备W6工业炉F12其他设备X常用设备代号3.管道的画法及标注

①一般应画出⑴全部工艺管道

⑵与工艺有关的一段辅助管道。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线条绘制。常用管道图例见p35表2-3。③管道的交叉与转弯④放气、排液、液封⑤管道图纸连接：一般将其端点引至图的左方或右方，以空心箭头标出物流方向。管道及仪表流程图中管道、管件阀门及管道附件图例

HG20519-2009(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。分段注明管道号（管段号）、管径、管道等级及隔热管道号和管径为一组，用一短横线隔开；管道等级和隔热为另一组，用一短横线隔开，两组间留适当的空隙。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。

PA工艺空气PG工艺气体PGL气液两相流工艺物料PGS气固两相流工艺物料PL工艺液体PLS液固两相流工艺物料PS工艺固体PW工艺水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：三个参数组成阿拉伯数字由1开始④隔热或隔声代号——按隔热及隔声功能类型的不同，以大写英文字母作为代号，见下表：4.管件和阀门的图形符号

竖管上的阀门在图上的高低位置应大致符合实际高度。p38表2-8#阀门的图例尺寸一般为长6mm,宽3mm或长8mm,宽4mm5.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、文字代号两部分。(1)图形符号

仪表的图形符号为直径约10mm的细线圆；图例见p46表2-11所示。

(2)字母代号——表示被测变量和仪表功能p44表2-9

如：PI字母第一字母后继字母字母第一字母后继字母被测变量或初始变量修饰词功能被测变量或初始变量修饰词功能ABCDEFGHIJKLM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差比扫描报警供选用控制检出元件玻璃指示自动.手动操作指示灯NOPQRSTUVWXYZ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积分.积算安全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。仪表位号仪表位号的组成被测变量字母代号功能字母代号PRC—301序号工段代号仪表位号的标注方式就地安装的压力指示仪表PRC

301集中仪表盘面安装的压力记录控制仪表

PI6036.首页图每个单独装置（装置包括若干个工序）编制一份首页图，适用于该装置的工艺管道仪表流程图和辅助物料、公用物料管道仪表流程图。p47图2-7中药提取工艺流程2.4典型设备的自控流程2.4.1化工工艺流程的经验设计1容器（1）接口

设备与管线、管线与管线连接

①管接头：用于φ38以下的管线

②法兰:任何尺寸的管线#容器的物料进口处不一定设切断阀#容器相接的空气、蒸汽、水等公用工程管线在靠近设备处应设切断阀，并在切断阀前设止回阀#输送高黏度液体时管线要向容器倾斜①含空气、惰性气体及少量水蒸汽的放空管线应在容器顶部②非致命气体(如热气体)的放空管线应延伸到室外,其终点应超过附近建筑物高度③危险性气体,应引到火炬或收集系统进一步处理④放空管的顶端要采用防雨弯头或防雨帽等,见图⑤放空管直径＞物料进口管最大直径(2)放空

密闭容器通常情况

下应设放空管线放空管的形式(3)溢流管&处理液体开口容器或低压容器需配置一个溢流接口&溢流接口管的最高位置必须低于容器顶部

&对封闭、有盖容器或微负压容器，其溢流管须装液相Ｕ型管密封装置(4)放净大多数容器、Ｕ型管底部应设放净阀，供放净用。放净管道的去处应注明。（5）下降腿（插入管）容器设置下降腿的主要作用：①减少液体进入容器产生气泡②可燃液体，减少静电的产生③有利于反应液体充分混合④真空系统保持一定液封高度，防止空气进入（６）折角管进料管可以折角管代替下降腿，减少静电效应。（7）传热设施①夹套：是比较简单的一种容器换热设施。夹套中可以用水（冷却）水蒸气（加热），两者可以交替使用。但公用工程的管道上必须设置放空口和放净阀。②内部盘管：一般用于带有搅拌容器的内部以便改善热传递。可以单独使用，也可以作为夹套的补充。要注意直径的选择，与搅拌浆之间有足够的回流空间。③伴热设施：为了保持储罐的温度或防止冻结，需要储罐伴热。可以用电热带缠绕在容器上的方式；也可以蒸汽管缠绕伴热。2换热器(1)介质走向:一般情况:①冷物料:下进上出

②蒸汽从上部进,冷凝水从下部排出,排出口设置疏水阀

③易结垢和有腐蚀性的介质走管程

④温度高或压力高的介质走管程

⑤制冷剂或低温冷媒走管程

⑥如有悬浮固体,则物流从顶部进入向下流动,以防固体积累

(2)放空:∵液体T升高，使溶解的气体逸出，P增大，K传下降，∴液体应低点进入高点离开。且壳程最高点处设置放空系统。若换热器阀门关闭后，因热膨胀或液体蒸发而压力增高的部位设安全阀。(3)冲溅防护：为了保护管子和内部构件，防止进入壳体的高速流体的冲蚀磨损，在进口处设置冲溅防护装置，如安装挡板或扩充管等。3泵和压缩机(1)离心泵

①入口、出口均需设置切断阀；②∵一般不能自吸∴启动前必须灌泵，吸入端安装单向阀．泵出口安装止回阀，以防止泵未启动时物流的倒流。③为了防止杂物进入泵体损坏叶轮，应泵入口处设置过滤器，安装在泵吸入口和入口切断阀之间。④止回阀上方应装一个泄压阀以便于止回阀拆卸前的泄压。为了节省安装空间，可以在止回阀和切断阀之间装一个泄压环。泵体和泵切断阀前后的管线应安装放净阀。⑤泵出口处安装压力表。⑥有时在出口管路上安装循环管路，以维持泵的最小流量。小流量旁通管路上不装阀门，只装限流孔板。⑦输送处于闪蒸状态液体时为了防止蒸汽进入泵体发生气蚀，应设平衡管线，平衡管线接入吸入罐的气相段。小流量旁通管线平衡管线塔是容器的一种，对容器设计的很多要求也使用于塔设计，但也有与容器不同的要求（1）多进料口、多出料每个进、出料口要设阀门，直接安装在管子上，以便于调节（2）塔顶流程

①全凝和分凝流程

a

塔顶产品在后继加工:

气态使用则采用分凝流程液态使用采用全凝流程b、采用全凝器时蒸汽至少冷凝到T泡点；

C、分凝器在理论上相当于一块理论板。4塔②回流流程a、自流式回流：#

冷凝器装在塔顶附近台架上，靠足够台架高度来获得

回流和采出需要的位差#适合于冷凝器体积和质量不大的情况#设置液封管以防止气相倒流#塔顶蒸汽流出线一般不设置阀门#为避免塔被超压损坏，塔顶常设安全阀b强制回流：回流液用泵打循环冷凝器固定在地面的某一高度的台架上保证冷凝器与泵入口之间的位差足够大，以避免汽蚀现象发生②间接加热的塔釜流程介绍最常用六种间接加热流程（3）塔底流程①加热方式a直接加热:把直接蒸汽通入到塔釜液中仅使用于塔釜液为稀水溶液的情况b间接加热:通过再沸器用蒸汽间接加热塔釜液（a）卧式蒸发器：釜液:壳程沸腾可得80%的蒸发率

∴操作弹性较大#当加压时釜液