1、第五章第五章化工工艺流程设计化工工艺流程设计一一.工艺流程设计的目的和任务工艺流程设计的目的和任务目的：目的：用图解形式来表达整个生产工艺过程用图解形式来表达整个生产工艺过程 任务：任务：（1）确定生产工艺流程中各个过程的）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。具体内容、顺序和组织形式。（2）绘 制 工 艺 流 程 图。）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确定各个过程或工序的组成例如例如合成氨工艺中的变换工段合成氨工艺中
2、的变换工段变换反应：CO +H2O CO2 +H2水洗 CO2+H2O H2CO3碱洗 CO2 +NaOH Na2CO3 +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。确定操作条件。）反应器操作参数的确定 1）温度）温度 a 可逆反应的平衡（吸热或放热）如：EB Sty+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 A P A S 如果E1为主反应的活化能，且 E1E2 则高温有利于主反应 E1E2 c 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
3、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=353.1k C6H12: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）精馏塔工艺参数的确定）精馏塔工艺参数的确定1）塔压（实质上是塔
4、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P1.6MPa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(1.111.24)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正确选定产品的纯度有重大的经济意义）(4)确定控制方案。确定控制方案。a离心泵的流量控制离心泵的流量控制FRCPIFR
5、CPI b 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)确定过程的综合平衡确定过程的综合平衡(6)确定三废治理方法。确定三废治理方法。(7)制定安全生产措施。制定安全生产措施。(8)其他实际要求（清洗、冷凝其他实际要求（清洗、冷凝水回用、副产物的利用等）。水回用、副产物的利用等）。二化工过程合成方法（一）反应过程的合成首先确定过程性质和输入、输出条件。性质：连续或间歇（产量、市场需求、操作上特殊要求）输入条件：进口的原料是否需经预处理（根据杂质的毒性、反应性、量）输出：确定目的产品和流股数（
6、反应产品有6个去向：主产品、联产或副产品、低价值的燃料、排空、循环、有害物去三废处理）例 乙苯反应器内的反应如下 乙烯+苯乙苯 乙苯+乙烯二乙苯二乙苯+苯乙苯 二乙苯+乙烯三乙苯三乙苯+苯乙苯，二乙苯乙苯、二乙苯甲苯、二甲苯、正丁苯、异丙苯、杂环化合物各类副产物中，除杂环化合物在高温下聚合，其他副产物的生成都为可逆反应。乙烷、乙烯放空或排至燃料气管网苯、甲苯循环乙苯主产品（出反应器）二乙苯、三乙苯、异丙苯、正丁苯循环杂环化合物低值副产品反应器的选型1反应器的分类形状：管式、釜式、塔式换热方式：等温、绝热、非等温非绝热反应物系的相态：均相、非均相（气固、气液、气液固）2反应器选型的方法形态分析法
7、：对一个问题的各个部分的所有可能方案进行分析和评价，用逻辑结构代替随机的想法，从而筛选出最佳方案。过程分为二步 分支：找出所有可供选择的方案。收敛：根据若干判据对各个供选择的方案进行淘汰。3反应器选型判据：反应器类型（即反应介质的相态，此为最简单、首先使用的判据）催化剂失活速度由反应的浓度效应决定的混合要求由反应的热负荷和温度效应决定热量传递和温度控制要求相际传质和化学反应的相对速度主要工艺参数选择（略）ABC判据问题结论（二）分离过程的合成分离方案数ABCABCABABCBCABCABCABBCABCABCABCABCABCABCACBABCACB1分离方法选择探试规则：根据过去的经验和研究
8、对象的热力学性质进行半定量分析所得的结论。根据探试规则得出的结论不一定是最佳方案，但是它能大幅度减少可能的方案数，从而提高设计速度。几个名词定义：分配系数：在平衡状态下某组分在轻相与重相中分子分数的比分离因子：两个组分分配系数的比例质量分离剂和能量分离剂：加到分离单元，对所需要的分离做出贡献的组分次序表：进料各组分按照分配系数递减的次序所排列的表关键组分：决定分离要求的两个组分选择分离方法的探试规则：（1）选择具有大的分离因子的分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）尽量避免极端
9、的过程条件（3）当分离过程需要多个分离级时，应优先选择平衡分离过程而不选择速度控制过程。（4）当分离因子相同时，选择能量分离剂而不选择质量分离剂（5）在选择分离方案时首先考虑采用精馏，精馏具有如下的优点：a 精馏是一个使用能量分离剂的平衡过程 b 系统内不含固体物料，操作方便 c 有成熟的理论和实践 d 处理产品数量的范围宽 e 常常只需要能位等级很低的分离剂 例：正丁烯、异丁烯混合物欲分离成纯物质，试根据分子性质选择分离方法 解：由于正丁烯与异丁烯为同分异构体，分子体积、偶极距和极性差别很小，预计精馏、萃取、吸收等过程都不能有效将该混合物分离，只能根据反应活性的差别进行分离。利用水与异丁烯反
10、应的特点进行分离。2分离序列的确定探试合成法、调优合成法、最优化算法合成法探试法有以下几条原则：a 应把关键组分的相对挥发度最接近于1的最困难分离放在最后。b 根据汽液平衡常数的大小进行排列，把轻组分逐个脱除，即采取顺序流程。c 应首先把混合物分成分子数接近的两股流。d 对于回收率要求高的分离应放在最后。e 对于容易造成系统腐蚀或结焦的组分应首先除去，以降低后续设备的材质要求，保持稳定操作。3塔型的选择板式塔的适用场合：（1）大直径（2）液体负荷特别小（泡罩塔）（3）脏的物系，须定期清理（4）有多股侧线进出料（5）反应精馏，需要一定的停留时间填料塔的适用场合（1）要求低阻力（2）热敏物质（持液
11、量少，停留时间短）（3）发泡系统（4）腐蚀性介质例 环氧丙烷过程概念设计1过程简介主反应 Cl2+H2O HCl+HClO HClO+C3H6 ClC3H6OH副反应 C3H6+Cl2 C3H6Cl2 ClC3H6OH+C3H6+Cl2 HCl+(C3H6Cl)2O（二氯异丙基醚)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现有生产装置情况3 过程分析和试验（1）二氯丙烷由氯气与丙烯在气相中直接反应的产物（2）二氯异丙基醚是串联副产物要抑制付反应，提高反应的选择性，须阻止氯气与丙烯接触，降低主产品氯丙醇的浓度。C3H
12、6Cl2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5 对小试数据的初步评价已知条件（1）气相法丙烯选择性86%液相法-94%（2）皂化反应选择性99%（3）精馏塔PO回收率99.5%（4）循环气组成C3H6 30%,C3H8 70%（5）丙烯进料组成C3H6 99.5%C3H8 0.5%（6）循环比（循环气比丙烯进料）7.5（7）丙烯价格3900元/吨（8）氯价格800元/吨（9）电价格0.65元/kw.h以100kmol丙烯进料计，可对两种工艺的可变成本进行计算，结果如下：气相法液相法单耗单价费用单耗单价费用丙烯0.865639003376.60.7923900308
13、8.8氯气1.4488001158.41.3258001060电力417.40.65271.3116.70.6574.4合计4806.34223.2对多数化工产品，可变成本占生产成本80%左右，投资折旧约占10%，且两工艺的皂化工段相同，因此液相法比气相法总生产成本低10%以上，经济上占优势。6 流程和工艺参数的改进概念设计的任务之二，考察小试数据是否齐全，流程、工艺参数是否可改进。（1）压力：加压，利于溶氯（2）温度：提温对反应无利，但利于皂化，可省换热器（3）丙烯由并联改为串联，增强传质。（4）溶氯填料塔改为喷射溶氯，降低造价。（5）加压下溶氯试验（常压下氯丙醇、盐酸水溶液的氯溶解度偏差较
14、小，加压后可能偏差较大。需要研究人员补充试验）（6）材质试验（尤其温度对腐蚀的影响）7 中试装置设计概念设计任务之三，研究有无必要建立中试装置，确定中试的规模、范围及中试解决的问题和取得的数据。（1）必要性气体分布器孔径增大，传质情况发生变化新材料（氟塑料）、新设备（喷射溶氯）试验（2）中试装置的地点（3）中试装置的流程（可用单个循环反应间歇操作）（4）中试规模 三.工艺流程图设计的基本步骤 1.作工艺流程草图或示意图（方框图）。2.作工艺物料流程图（物料衡算图）。3.作带控制点的工艺流程图。（1）将各设备的简单形状按工艺流程顺 序展示在同 一平面上（2）配以连接主、辅线，管件、阀件、仪表控
15、制点等符号（3）注写设备位号及名称。（4）注写代号、符号及其他标注的说明（5）填写标题栏，注写图名、图号。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 -HM01V02V03P01P02P03R01R02E01 V02 P01 M01 V03 P02 R01 E01 P03 R02 环己酮肟中间槽 环己酮肟进料泵 混合器 环己酮肟溶解槽 循环泵 反应器 冷却器 循环泵 熟化反应器 V02 P01 M01 V03 P02 R01 E01 P03 R02 环己酮肟中间槽 环己酮肟进料泵 混合器 环己酮肟溶解槽 循环泵 反应器 冷却器 循环泵 熟
16、化反应器正己烷蒸汽P-03FICLICTICFICP-01P-02CWE01R02R01V03V02CWR07060102050304M0107正己烷正己烷蒸汽环己酮肟酸团R03 01 02 03 04 05 06Kg/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510.09
17、9.98510.084.9868.5118.2887.9818.16490.52100.00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.s4.350.26
18、0.873.10263.00.01物料平衡表四.设备、管道及其他部件的表示方法 1.设备的表示方法(1)设备的形态：设备简单的外形轮廓。(2)设备的线条：b/3细线，b=0.9mm。(3)设备的大小：相对比例。(4)设备的位置：相对高度。(5)设备的简化处理。2.管道的表示方法管道的表示方法 工艺物料管道 工艺物料埋地管道 辅料及公用管道 辅料及公用埋地管道 仪表管道 保温管道 电伴热管道 蒸汽伴热管道 夹套管道 管道的标注方法PL-T1301-80-B2A-H 保温等级 管道等级 公称直径 管段代号介质代号 管道等级说明：把管道按不同材质、压力、温度等要求分成不同等级，编入同一等级的管道使用
19、相同的材质、型号或形式的管子和附件，这样可以统一各种管道的设计要求，而且可以用最简洁的方式在图纸上表达各种必要的信息。规定各种不同等级管道所使用的管子及其附件的材质、型号或形式要求的表称为管道等级表。对于管道等级、保温等级各设计院规定不同。3.3.阀门和管件的表示方法阀门和管件的表示方法（参建教材P2-8)截止阀截止阀球阀球阀调节阀调节阀针形阀针形阀取样阀取样阀异径管异径管 1.4.4.仪表控制点的表示方法仪表控制点的表示方法（1）控制点控制点（2）参量代号参量代号（物理量：温度、压力、液位（物理量：温度、压力、液位组成分析）组成分析）（3）功能代号功能代号（Z或或I:指示，指示，C：控制）：控制）PI302TI302FIC302TI302 本章思考题 （1）化工工艺流程设计的主要任务是什么？（2）化工工艺流程设计中应注意和解决哪些问题？（3）试述工艺流程设计的工作步骤？
