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1、第五章第五章 化工工艺流程图设计化工设计的核心内容是化工工艺设计。工艺设计决定了整个设计的概貌，是所有设计的基础。除了工艺设计以外，还有与之配套的非工艺设计（如总图运输、公用工程、土建、仪表及控制等），这些非工艺设计以工艺设计为依据，再按各专业要求进行。工艺设计一般包括以下内容：（1）工艺流程组织设计；（2）物料及能量衡算；（3）设备工艺工艺计算和选型、对于标准设备如泵、压缩机等在物料及能量衡算的基础上选型。当没有标准设备可供选择时，由设计人员根据要求进行设计；（4）设备的平面和立面布置；（5）管路设计。从化工过程分析可知，化学加工过程是将一种或几种化工原料，经过一系列物理的和化学的单元操作，
2、最终获得产品。这一系列的单元操作必须在相应的单元设备里进行。用管道将这些单元设备连接起来，以便于物料从一个单元设备进到另一个单元设备。为了使物料便于控制，要在设备和管道的相应位置安装一些测量、显示和控制元件。这些设备、连接的管道和相应的控制元件一起就组成了化工工艺流程。以下用一个简单的例子来说明如何形成一个工艺流程。氢氧化钠是用途广泛的化工产品，一般通过电解食盐水获得。配制盐水是生产的第一步图4-1 化盐工序流程图如果在实验室配制，则如图4-1a所示。烧杯中加入一定量的水，用天平称取一定量的粗盐，倒入烧杯，用玻璃棒搅拌，溶解，静置一段时间后，杂质下沉在杯底，然后将上层清液倒入另一个烧杯待用，杂
3、质弃去。若将这个过程形成工业过程，则如图4-1b所示。第一节 工艺流程设计图的分类工艺设计应根据不同的目的和不同的实际阶段进行，工艺设计的结果是提供各种不同类型的工艺流程图。按国内惯例，工艺流程图一般分为以下几类：工艺流程示意图、工艺物料平衡图、三维流程图和管道仪表流程图。一、工艺流程示意图工艺流程示意图也称方块流程图，通常是用来向决策机构、高级管理部门提供该工艺过程的快速说明，如可行性研究报告中所提供的就是流程示意图。工艺过程的总体概念用方块流程图按不同的部分表示，每个方块根据不同的详略要求，可以是整个工艺流程的一个部分（如图4-2所示），也可以是一个操作单元（如图4-3所示）。图4-2 M
4、gO再生工厂的方块流程图在图4-2中，用某一燃煤发电厂烟气脱硫后的氧化镁再生的工艺过程来说明。来自发电厂的烟气，含有大量的煤灰粉尘以及SO2等。通过除尘器先将其中的煤灰粉尘除去，再通过化学方法将SO2除去。二氧化硫和氧化镁溶液进行反应，生成亚硫酸镁，经浓缩和干燥后，再通过煅烧，释放出SO2，SO2气体送硫酸车间进一步制成硫酸。煅烧后的亚硫酸镁成为氧化镁，再循环使用。整个脱硫过程实际上包括了几个工艺过程，每一个工艺过程又可以用方块流程图加以说明，直至方块图将每一步操作都表示出来。图4-3就是图4-2中的600部分。流程示意图一般用细实线矩形框表示，流程线只画出主要物流，用粗实线表示，流程方向用箭
5、头画在流程线上，并加上其他必要注释等。流程示意图中的方块，除了标注操作名称外，有时还要注上部分号码，这些号码可以与以后的工艺流程示意图上的相关物流编号相互参考。编制流程示意图基本上没有什么严格而明确的规定，其格式可以由简单到复杂。但不管形式如何，该图的功能是说明某一已确定的工艺过程所包含的每一个主要工艺步骤。最简单也是最常用的格式是一系列的长方块，每一个方块加上标记或文字即将代表了工艺过程中的一步或一段。流程示意图从表面上看虽然比较简单，但是它却能扼要地将一个化学加工过程的轮廓表达出来。一个化工过程或化工产品的生产大致需要经历几个反应过程，需要哪些单元操作来处理原料和分离成品，是否有副产物，如
6、何处理，有无循环结构等，这些在流程示意图中都要表达出来。图4-3 废水处理的方块流程图（图4-2中的600部分）二、工艺物料平衡图 工艺物料平衡图即工艺物料流程图简称PFD（Process Flow Diagram），它表达了一个生产工艺过程中的关键设备或主要设备，或一些关键节点的物料性质（如温度、压力）、流量和组成。通过物料平衡图，可以对整个生产工艺过程和与该工艺有关的基础资料有一个根本性的了解。图中应表示该工艺中各单元操作的主要设备，设备之间用带有流向的箭头连接起来表示主要物流通过的工艺过程或进行循环的途径。在适当的节点，如设备的进出口、管路的分叉点或汇合点等处，要标出物流按质量、物质的量
7、或容积为基础的流率。重要的物理参数，如温度、压力、相对密度和粘度等都要应在必要处标示出来，如图4-4所示。能量平衡应表示为在每一个换热设备附近注明换热负荷并在发生物态变化的地方表明汽化或熔融热。还必须在任何单元中发生化学反应的地方注明吸热或放热的反应热量。对重要的泵、压缩机或鼓风机应注明大概的轴功率，如图4-5所示。所有的物料平衡资料应当按照作为该工艺基础的中间实验数据或文献研究结果来确定或计算，各种物理参数则从中间实验工作或工艺手册中获得，能量平衡数据则从物料平衡、有关物理参数及工艺数据中，经计算而来。在编制物料平衡图之前，必须分析该工艺，并对所需要的、使反应物转化为产品的所有的主要设备加以
8、仔细考虑。这些主要设备也就是各种单元操作（如反应、分馏、蒸发、吸收、换热、干燥、除湿等类似步骤）在其中进行的装置，通常化学变化或重要的物理变化就在其中进行。至于储罐、中间罐、搅拌器、过滤网等部件，一般在物料平衡图中可以省去。三、三维流程图三维流程图是将工厂的设备、管件按其建成时的情况用等轴角测图表示，如图4-6所示。这种表达方式十分清晰，对于各个设备在空间所处的位置以及它们之间的相互关系都表达得一目了然，是对未来的操作人员和管理人员进行培训的有效工具。但是这种形式的图编制起来费用很高。需要在达到一定的阶段并对整个工程有了比较详尽的设计后才能进行。四、管道仪表流程图管道仪表流程图简称PID（Pi
9、ping and Instrumentation Diagram），有时又称带控制点生产工艺流程图。它是设计文件中最重要、最基础的文件。PID应表示出全部工艺设备、物料管路、阀件、设备的辅助管路和控制仪表图例、符号等。除了正常生产操作所需的设备、管路、管件和控制系统外，还要考虑非稳定状况的操作和控制，例如开车、停车、出现意外时的检测、报警、控制以及仪表和连锁系统的切断处理等操作手段都要在PID上表示出来，以确保生产的安全、稳定。除此之外，公用工程管线也要在图上表示出来（如图4-7所示）。管道仪表流程图又分为工艺管道仪表流程图和公用工程管道仪表流程图。其中公用工程管道仪表流程图又可分为公用工程（
10、如锅炉、空气分离、压缩空气、循环水系统等）发生管道仪表流程图和公用工程分配管道仪表流程图。第二节 工艺流程设计主要流程及辅助流程一、工艺流程图的产生管道仪表流程图（PID）目前在国内没有统一的称谓，有的称为带控制点的生产工艺流程图，也有的称为工艺管道及仪表流程图，还有的称为工艺施工流程图。无论叫什么名称，PID图设计是化工工艺设计中最重要的工作。PID图是工厂设计、施工安装最基本依据，对工厂管道设计中一切要求，大到整个生产过程中所有的设备、管线（包括主要管线和辅助管线），小到每一个阀门和法兰，都要在管道仪表流程图中表示清楚。管道仪表流程图的设计基础是工艺物料平衡图。在此基础上，管道仪表流程图从
11、不完善到完善，最终形成可以用施工的基础图纸。管道仪表流程图的设计，必须在充分研究工艺过程的基础上，待工艺流程完全确定后才能开始，否则容易造成大返工，从而导致人力和物力的浪费。国内管道仪表流程图的设计过程因设计单位而异，但都大同小异，一般要经过初步条件版、内部审核版、用户批准版、设计版、施工版和竣工版等几个阶段，是从各个设计阶段将一个工艺流程从原则流程到实际操作流程的演进过程。今年来，随着计算机辅助设计的发展，在管道仪表流程图的设计过程中，计算机的应用也日渐增多，并经历了三个发展阶段。第一阶段是利用计算机来完成管道仪表流程图的绘制。第二阶段是直接利用计算机进行管道仪表流程图的设计，这样既可提高设
12、计质量，也可节省设计时间，同时还可以利用计算机校核图纸间的衔接。第三阶段是利用计算机辅助设计系统来绘图。它除了具有第二阶段的各项功能外，还可以在制图的同时，得到管道仪表流程图的设备一览表、管线表、仪表一览表、阀门一览表、管件一览表和特殊管路附件表等。由于这些表是计算机根据管道仪表流程图图面而显示统计得到的，不会存在人工制表时的差错，为减少设计工时、提高工程设计质量创造了良好的条件。二、工艺流程的经验设计（一）确定操作方式1连续式：进出物料连续不断地流过装置。特点：适合大型化工艺过程，能耗低，处理能力大。操作稳定，易控制。2间歇式：物料一次投入，操作结束时将产品取出，过程中系统不与外界交换物质。
13、适合：a、处理量小的贵重产品时，市场需求不稳定；b、反应速度慢、物料停留时间长的生产；c、连续操作技术尚未成熟的生产。例4-1：海水提浓制新鲜水。间歇式连续式间歇式设备简单，但要解决盐的运送问题。连续式设备复杂，操作稳定，产量大。（二）主要工艺管线设计在工艺流程的设计中，有些来自于生产实践的细节必须加以考虑。工艺管线设计原则：1安全第一、操作方便。2除满足正常生产要求外，还应适应开、停工和事故处理地需求。要设开口装料、循环，停工时压油、扫线、放空不合格产品的回炼、事故旁道线。工艺管道设计的具体要求：1油品进入工厂罐区的温度（从安全和减少油品损失角度考虑）2凡由于停水、停电该操作附近起火，可能使
14、压力升高造成事故的地方一般应设安全阀（液化气罐、压缩机出口、反应器等）3当串料可能引起爆炸着火或重要产品质量的地方，为防止阀门内漏引起不良后果，可采取两种措施：对间歇操作的管线设8字盲板。对连续操作的管线按如图方式设双阀。不通料时关闭隔断阀，打开检查阀；需通料时，打开隔断阀，关闭检查阀。4不允许流体倒流的地方可装上止回阀，即单向阀。如催化主风管线，装置停工时不允许催化剂倒流入主风管线内。离心泵进出口压差较大时，液体倒流可能引起危险在泵出口装止回阀，但仅防突然倒流，不防渗漏。5对压力相差悬殊的系统，高压通向低压的管线应加节流阀或旁路小阀，以免开阀过快而不安全。下面分别进行讨论。1容器（1）接口设
15、备与管线、管线与管线之间的连接，可以采用管接头或法兰连接。管接头一般用于38以下的连接，而法兰可用于任何尺寸的连接。低压容器由于器壁较薄，使用小尺寸（50以下）的法兰连接得不很稳固，接点应使用大小头（变径）法兰。容器的物料进口处不一定设切断阀，与容器相接的空气、蒸汽、水等公用工程管线，在靠近容器管口处应设切断阀，并在切断阀前设止回阀。输送熔融物、浆液和高粘度介质的管线要向收料容器倾斜。（2）放空（见图4-8）为处理事故和停工检修的需要，装置内油品短时间内应能完全放空（利用本身压力或泵）。其放空地点根据油品性质和温度决定。（1）热油经冷却后，送往适当的工厂油罐或排往紧急放空系统，催化油泵冷却器（尽量供正常操作冷却器而不设专门的放空冷却器，）图4-8 放空管道示意图（2）冷油和液化气直接送往相应的工厂油罐。不允许将液化气排入下水道，以免其沿着下水道流窜各处，引起事故。（3）气体直接排往管网或其他安全地点（4）在调节阀的上流隔断阀与调节阀之间设Dg1520放空线低点放空需离地面有一定高度减压，与排凝区别。一般设备放空口径见表4-1。表4-1 一般设备放空口径设备直径 m5液体放空口管径Dg25405080100气体放空口管径Dg2025
