第五章化工工艺流程设计

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1、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 （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,己内酰胺生产工艺,(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 + H2O CO2 + H2 水洗 CO2 + H2O H2CO3 碱洗 CO2 + NaOH Na2CO3 + H2O,(3) 确定操作条件。 ）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：EB Sty + H2 +H 采用二段反应，

2、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,E1,E2,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=

3、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 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

4、，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,b 液位控制,C 两个液相的界面控制(液-液分离）,d塔压调节,(5) 确定过程的综合平衡 (6) 确定三废治理方法。 (7) 制定安全生产措施。 (8) 其他实际要求（清洗、冷凝 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

5、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 （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

6、、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：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）,（二）分离过程的合成 分离方案数,1分离方法选择 探试规则：根据过去

7、的经验和研究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,（2）尽量避免极端的过程条件 （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

8、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

9、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（持液量少，停留时间短） （3）发泡系统 （4）腐蚀性介质,例 环氧

10、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,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。,C3H6,Cl2,水,反应器,反应器,反应器

11、,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：,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

12、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

13、）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 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。,正己烷,浓硫酸,正己烷蒸汽,反应式 环己酮肟,浓硫酸,己内

14、酰胺 -H,M01,V02,V03,P01,P02,P03,R01,R02,E01,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 熟化反应器,正己烷蒸汽,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 = 0.9m

15、m。 (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,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,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. 阀门和管件的表示方法 （参建教材P2-8) 截止阀 球阀 调节阀 针形阀 取样阀 异径管,1. 4. 仪表控制点的表示方法 （ 1） 控制点 （ 2） 参量代号（物理量：温度、压力、液位 组成分析） （ 3） 功能代号（Z或I: 指示，C：控制）,PI 302,TI 302,F