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化工工藝流程設計基礎知識，化工人必知！

發(fā)布時間：2019-12-21 10:06
工藝流程設計是工藝設計的核心。

             

工藝流程設計的成品通過圖解形式（形象、具體）地表示——工藝流程圖，它反映了化工生產(chǎn)由原料到產(chǎn)品的全部過程既物料和能量的變化，物料的流向以及生產(chǎn)中所經(jīng)歷的工藝過程和使用的設備儀表。

                       

工藝流程圖集中地概括了整個生產(chǎn)過程的全貌。生產(chǎn)同一化工產(chǎn)品可以采用不同原料，經(jīng)過不同生產(chǎn)路線而制得，即使采用同一原料，也可采用不同生產(chǎn)路線，同一生產(chǎn)路線中也可以采用不同的工藝流程。

               

選擇生產(chǎn)路線也就是選擇生產(chǎn)方法，這是決定設計質量的關鍵。如果某產(chǎn)品只有一種生產(chǎn)方法，就無須選擇；若有幾種不同的生產(chǎn)方法，就應逐個進行分析研究，通過各方面比較篩選一個最好的生產(chǎn)方法，作為下一步工藝流程設計的依據(jù)。

生產(chǎn)方法和工藝流程選擇的原則


可靠性:
流程是否通暢、生產(chǎn)是否安全、工藝是否穩(wěn)定、消耗定額、生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質量和三廢排放是否達到預定指標。


適用性：
和具體環(huán)境、資源和技術的接收能力相適應


技術的合理性：
技術的生命周期：投入期、成長期、成熟期和衰退期,所選技術應處于成長期


先進性:
技術上的先進和經(jīng)濟上的合理可行,應選擇物料損耗小、循環(huán)量少，能量消耗少和回收利用好的生產(chǎn)方法 。


原料路線的選擇


 一個工業(yè)項目的產(chǎn)品可以從幾種原料取，首先遇到的問題就是選擇哪種原料。
（1）可靠性：必須保證在其服務期限內有足夠的、穩(wěn)定的原料來源。
例如若是礦石原料，要看它的儲藏量、品位和開采量。
凡以經(jīng)過加工的原材料和部件作為原料的工業(yè)項目，最好與供應部門達成協(xié)議，以保證供應的可靠性。


（2）經(jīng)濟性：在產(chǎn)品成本中，原料價格是一個重要因素。即要對各種原料投入后對單位成本的影響進行詳細的分析。


原料價格受其供求關系變化的影響很大，要根據(jù)供求關系對將來的價格進行預測。


（3）合理性：這主要是指對資源的綜合利用是否合理。


 例如煤、石油和天然氣為主要起始原料的合理利用問題：在選擇原料路線時，適當提高化工用煤的比例；油改煤，以節(jié)約石油消耗是合理的。


工藝技術路線的選擇


采用一定的原材料生產(chǎn)某種產(chǎn)品，可能有多種生產(chǎn)方法，每種生產(chǎn)方法所使用的生產(chǎn)設備、生產(chǎn)工具和工藝制造過程各不相同，也就是說，有不同的工藝技術路線。


每種工藝技術路線的投資費用和日常操作費用也不相同。把幾種不同的工藝技術路線進行技術和經(jīng)濟比較，挑選出最適合的加以采用，就叫做工藝技術路線的選擇，簡稱技術路線選擇。


                                                                                         工藝流程設計的內容

化工工藝一般工藝流程：

（一）確定整個工藝流程的組成


確定流程中各生產(chǎn)過程的具體內容、順序和組合方式，是工藝流程設計的基本任務。可用設備之間的位置關系和物料流向來表示。

（二）確定各個過程或工序的組成


應采用多少和由哪些設備來完成這一生產(chǎn)過程，以及各種設備之間應如何連接，弄明確每臺設備的作用和它的主要工藝參數(shù)。
例如：合成氨工藝中的變換工段

確定載能介質的技術規(guī)格和流向
常用的載能介質：水、水蒸汽、冷凍鹽水、空氣(真空或壓縮)。


（三）確定操作條件和控制方向


確定整個生產(chǎn)工序或每臺設備的各個不同部位要達到和保持的操作條件。


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1、反應器操作參數(shù)的確定


（1）溫度

（2）組成

（3)壓力


a、反應速度
b、反應物料的相態(tài)（如七項烴化和液相烴化）
c、后續(xù)分離要求（希望水冷后就產(chǎn)生氣液兩相）


（4）反應的轉化率


a、準化率和所需反應時間的關系
b、各種轉化率下的產(chǎn)品分布
c、反應系統(tǒng)和分離系統(tǒng)的設備價格


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2、精餾塔工藝參數(shù)的確定


（1)塔壓(實質上是塔頂塔釜溫度選取的問題）
a、盡量避免真空操作（增加真空泵和塔徑）
b、常壓下能用普通冷卻水冷卻，就不宜采取加壓
c、對于＞1.6MPa時，究竟采用低壓冷凍還是高壓冷卻，需要做方案比較。


（2）回流比


a、對于價格高昂的公用工程，取常規(guī)R/Rmin(1.11~1.24)的范圍低限。
b、若回收的冷量或熱量可利用，取常規(guī)R/Rmin的高限。
c、對于產(chǎn)品純度極高的精密精餾，取較大R/Rmin值（因為取常規(guī)R/Rmin較小，塔板數(shù)會急劇增加）


（3）產(chǎn)品純度和回收率
正確選擇產(chǎn)品的純度有重大的經(jīng)濟意義。


（四）確定控制方案


確保各生產(chǎn)工序和每臺設備本身的操作條件，及實現(xiàn)各生產(chǎn)過程之間、各設備之間的正確聯(lián)系，需要確定正確控制方案，選用合適的控制儀表。

a、離心泵的流量控制

b、液位控制

c、兩個液相的界面控制（液—液分離）

d、塔壓調節(jié)

（五）確定安全技術措施


設置相應的預防和應急措施，如阻火器、報警裝置、爆破片、安全閥、安全水封、放空管、溢流管、泄水裝置、防靜電裝置、防雷裝置和事故貯槽等。


（六）原料與能量的合理利用；


計算并確定各個生產(chǎn)過程的效率，得出全裝置的最佳總收率，同時合理地做好能量回收與綜合利用，降低能耗以確定水、電、蒸汽和燃料的消耗


（七）制定“三廢”處理方案；


對全流程中所排出的三廢要盡量綜合利用，對于暫時無法回收利用的，則須進行妥善處理


化工工藝流程設計任務和步驟

（一）工藝流程圖的設計任務


工藝流程設計和車間布置設計是決定整個車間（裝置）基本面貌的關鍵性的步驟，對設備設計和管路設計等單項設計也起著決定性的作用。


流程設計的主要任務包括兩個方面：


一是確定生產(chǎn)流程中全部生產(chǎn)過程的具體內容、順序和組合方式，達到由原料制得所需產(chǎn)品的目的；


二是繪制工藝流程圖，要求以圖解的形式表示生產(chǎn)過程中，當原料經(jīng)過各個單元操作過程制得產(chǎn)品時，物料和能量發(fā)生的變化及其流向，以及采用了哪些化工過程和設備，再進一步通過圖解形式表示出化工管道流程和計量控制流程。

工藝路線確定的步驟


1搜集資料，調查研究


要根據(jù)建設項目的產(chǎn)品方案及生產(chǎn)規(guī)模，有計劃、有目的地搜集國內外同類型生產(chǎn)廠的有關資料，包括技術路線特點、工藝參數(shù)、原材料和公用工程單耗、產(chǎn)品質量、三廢治理以及各種技術路線的發(fā)展情況與動向等技術經(jīng)濟資料。


掌握國內外化工技術經(jīng)濟的資料，僅靠設計人員自己搜集是不夠的，還應取得技術信息部門的配合，有時還要向咨詢部門提出咨詢。

搜集設計資料的原則和步驟


（1）資料的完整性    
  全面的、完整的資料數(shù)據(jù)能夠反映客觀事物的全過程，才能用于設計。
（2）資料的正確性  
    正確的資料數(shù)據(jù)具有再現(xiàn)性，能反映客觀事物的本質規(guī)律，才能用于設計。
（3）資料的適用性  
    科學技術都是有條件依據(jù)的，搜集資料要嚴格注意資料的適用條件。
（4）資料的恰當性   
   資料年代的差異會造成技術上的不同，在整理、分析資料時應注意資料恰當性，不可盲目一味追求先進性，要綜合考慮整個設計的技術水平與建設項目的投資總額。

2確定方案，落實設備

 設備是完成生產(chǎn)過程的重要條件，是確定技術與工藝流程的時必然要涉及到的因素，因此要足夠重視。


①確定生產(chǎn)線數(shù)目


大型裝置與相同生產(chǎn)能力的數(shù)個小型裝置相比優(yōu)點：節(jié)約建設投資，占地少，自動化程度高等；缺點：附屬設備貴，大都無備用設備，出故障只好停車；


若以單生產(chǎn)線的大型裝置與生產(chǎn)能力相同的雙生產(chǎn)線小型裝置相比，開工率高時，則大型裝置的經(jīng)濟效益好。假如開工率不足或生產(chǎn)負荷常變化，尤其是幾種牌號的產(chǎn)品經(jīng)常換產(chǎn)時，則雙線小裝置的經(jīng)濟效益好。


因此對于生產(chǎn)規(guī)模較大，涉及到是否實施大型化時需仔細分析比較。


②確定操作方式


盡量采用連續(xù)化操作方式。有時也采用間歇與連續(xù)聯(lián)合操作化方式。有些過程采用間歇操作反而更有利些，如用蒸餾釜處理精餾塔塔釜的高沸點殘液。


③確定主要生產(chǎn)過程


先抓住全流程的核心---反應過程,從它入手來逐步建立與之相應的生產(chǎn)過程。
即原料→預處理過程→反應過程→產(chǎn)物后處理。


④確定輔助過程


降低能耗，提高能量利用率的過程。如反應熱、位能、靜壓能等的利用。
三廢處理過程。
為穩(wěn)定生產(chǎn)而設立的過程(如緩沖、中間貯存)。


⑤合理確定操作條件


如高壓反應過程，要求在原料貯罐到反應器間必須設立升壓過程和相應的壓縮機，而在反應器到產(chǎn)品間必須設立減壓過程和相應的設備。


又如確定了反應器內的操作溫度和允許波動范圍，就要相應地設立供熱或移熱設施及手段(如夾套內泠管等)，同時建立自動調劑溫度的控制系統(tǒng)。


⑥考慮流程的彈性和進行設備設計


即全流程設計要考慮綜合生產(chǎn)能力的彈性:應估計全年生產(chǎn)的不均衡性,各過程間所選設備的操作周期及其不均衡性,還要考慮因生產(chǎn)管理和外部條件等因素可能產(chǎn)生負荷的波動,這些均通過調研和參加生產(chǎn)實踐來確定彈性的適宜幅度。


對設備的余度的考慮:原則上既不超過又不少于設計負荷,并且盡可能使各臺設備的能力一致,以避免由于設備能力不平衡而造成浪費。


在考慮了全裝置的彈性和各設備的余度以后,就可進行設備選型和設計計算了。


⑦確定控制系統(tǒng)


要根據(jù)各過程間是如何連接的、各過程又靠什么操作手段來實現(xiàn)的等等來確定它們的控制系統(tǒng)。


要考慮正常生產(chǎn)、開停車和檢修所需的各個過程的連接方法,此外還要增補遺漏的管線、閥門、過濾密封系統(tǒng),以及采樣、放凈、排空、連通設施,逐步完善控制系統(tǒng)。


注意:在這個過程中，與自控專業(yè)共同商定控制水平,進而設計全流程的控制系統(tǒng)和儀表系統(tǒng),畫在流程圖上，完成PID。


⑧逐步完善和簡化所設計的流程
要從各方面著手來逐步完善和簡化：考慮到開停車和事故處理等問題，因而設置事故貯槽，增加備用設備以利于必要時可以切換使用。有時需設置自動往聚合設備內加終止劑的裝置。


盡量簡化對水汽泠凍系統(tǒng)的要求，盡可能采用單一系統(tǒng)。當裝置本身需要用到幾種不同壓力的蒸汽時，應當盡可能簡化或統(tǒng)一對蒸汽壓力的要求。


盡量減少物料循環(huán)量，在切實可行的基礎上采用新技術，提高單程轉化率以及簡化流程等等。

3全面分析，對比比較

應當盡量從實際可能出發(fā)，多搞一些流程設計方案，然后進行全面的綜合比較，從中找出最優(yōu)的方案作為流程設計的成果。


工藝流程設計方法

首先要看所確定的生產(chǎn)方法是正在生產(chǎn)或曾經(jīng)運行過的成熟工藝，還是待開發(fā)的新工藝。前者是可以參考借鑒但需要局部改進或局部采用新技術、新工藝的問題；后者須針對新技術開發(fā)進行概念設計。

1、以反應過程為核心，以方案比較作決定


(1)定反應器:
根據(jù)反應過程的特點、產(chǎn)品要求、物料特性、基本工藝條件來決定采用反應器類型及決定采用連續(xù)操作，還是間歇性操作。
有些產(chǎn)品不適合連續(xù)化操作，如同一生產(chǎn)裝置生產(chǎn)多品種或多牌號產(chǎn)品時，用間歇操作，更為方便。
物料反應過程是否需外供能量或移出熱量，都要在反應裝置上增加相應的適當措施。
如果反應需要在催化劑存在下進行，就須考慮催化反應的方式和催化劑的選擇。
一般說確定主反應過程的裝置，往往都有文獻、資料可供參考，或有中試結果?，F(xiàn)有工業(yè)化裝置可以借鑒、參考，因此并不復雜。


(2) 設計原料預處理過程


 根據(jù)反應特點，必然對原料提出要求，如純度、溫度、壓力以及加料方式等，以保證反應過程的實現(xiàn)。


原料預處理過程：
  固體：粉碎、溶解---目數(shù)、濃度、純度
  液體：配制、混合---濃度、均一
  氣體：配比、壓縮---濃度、輸送


原料預處理過程可以牽涉到：粉碎、篩分、配制、混合、壓縮、提純等單元操作。這些操作過程主要根據(jù)原料的性質及處理方法選擇不同的裝置進行組合。因此，設計的工藝流程就有所不同。


(3)設計產(chǎn)物的后處理過程


根據(jù)反應原料的特性和產(chǎn)品的質量要求，以及反應過程的特點，實際反應過程可能會出現(xiàn)下列情況:
①除了獲得目的產(chǎn)物外，由于存在副反應，還生成了副產(chǎn)物。
②由于反應時間等條件的限制或受反應平衡的限制，以及為使反應盡可能完全而有過剩組分。
③原料中含有的雜質往往不是反應需要的，在原料的預處理中并未除凈，因而在反應中將會帶入產(chǎn)物中，或者雜質參與反應而生成無用且有害的物質。
④產(chǎn)物的集聚狀態(tài)要求，也增加了后處理過程。某些反應過程是多相的，而最終產(chǎn)物是固態(tài)的。


因此用于產(chǎn)物的凈化、分離的化工單元操作過程，往往是整個工藝過程中最復雜、最關鍵的部分。
產(chǎn)品分離包括：
 固液分離---過濾、離心
 液液分離---蒸發(fā)、精餾、萃取
 氣液分離---吸收


 產(chǎn)品分離牽涉到的單元過程：
過濾、離心、蒸發(fā)、精餾、萃取、吸收等單元操作過程。這些單元操作過程，同樣應根據(jù)被分離產(chǎn)物的特征，設計與之相適應的單元過程。


產(chǎn)品精制：
對產(chǎn)物進一步純化，以滿足產(chǎn)品的質量要求。
液體---精餾、濃縮、結晶
固體---重結晶
氣體---吸收


產(chǎn)品精制牽涉到的單元過程：
精餾、濃縮、結晶、重結晶等單元操作過程。這些單元操作過程，同樣應根據(jù)產(chǎn)品的質量要求，設計與之相適應的單元過程。


(4)設計產(chǎn)品的后處理過程


經(jīng)精制后的產(chǎn)物，成為最終的產(chǎn)品還需要干燥、包裝、儲運等過程。
  固體---干燥、包裝
  液體---灌裝
  氣體---灌裝


儲運包裝過程牽涉到的單元操作過程有：
干燥、計量、包裝等過程，應根據(jù)產(chǎn)品的特性進行設計工藝過程。


(5)設計未反應原料的循環(huán)或利用以及副產(chǎn)物的處理
由于反應不是全部，剩余組分在產(chǎn)物處理中被分離出來，一般應循環(huán)回到反應設備中繼續(xù)參與反應。 


 確定“三廢”排出物的處理措施
在生產(chǎn)過程中，不得不排放的各種廢氣、廢液和廢渣，應盡量綜合利用，變廢為寶，加以回收。無法回收的應妥善處理。“三廢”中如含有有害物質，在排放前應該達到排放標準。
因此在化工開發(fā)和工程設計中必須研究和設計治理方案和流程，要做到“三廢”治理與環(huán)境保護工程、“三廢”治理工藝與主產(chǎn)品工藝同時設計、同時施工，而且同時投產(chǎn)運行。按照國家有關規(guī)定，如果污染問題不解決，是不允許投產(chǎn)的。 


(7) 確定公用工程的配套措施
在生產(chǎn)工藝流程中必須使用的工藝用水（包括作為原料的軟水、冷卻水、溶劑用水以及洗滌用水等）、蒸汽（原料用汽、加熱用汽、動力用汽及其他用汽等）、壓縮空氣、氮氣等以及冷凍、真空都是工藝中要考慮的配套設施。
至于生產(chǎn)用電、上下水、空調、采暖通氣都是應與其他專業(yè)密切配合的。


(8) 確定操作條件和控制方案
一個完善的工藝設計除了工藝流程等以外，還應把投產(chǎn)后的操作條件確定下來，這也是設計要求。
這些條件包括整個流程中各個單元設備的物料流量（投料量）、組成、溫度壓力等，并且提出控制方案（與儀表控制專業(yè)密切配合）以確保能穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格產(chǎn)品來。 


(9) 制定切實可靠的安全生產(chǎn)措施
在工藝設計中要考慮到開停車、長期運轉和檢修過程中可能存在各種不安全因素，根據(jù)生產(chǎn)過程中物料性質和生產(chǎn)特點，在工藝流程和裝置中，除設備材質和結構的安全措施外，在流程中應在適宜部位上設置事故槽、安全閥、放空管、安全水封、防爆板、阻水栓等以保證安全生產(chǎn)。 


(10) 保溫、防腐的設計
這是在工藝流程設計中的最后一項工作，也是施工安裝時最后一道工序。
流程中應根據(jù)介質的溫度、特性和狀態(tài)以及周圍環(huán)境狀況決定管道和設備是否需要保溫和防腐。 

2、以方案比較作決定


工業(yè)生產(chǎn)中，一個過程往往可以有多種方法來實現(xiàn)，例如液固混合物的分離，可以用離心、沉降、壓縮和真空過濾等方法；含濕固體的干燥，可以用氣流、雙錐、滾筒、箱式、沸騰等干燥方法，這些也都需要進行方案比較，因地制宜地選擇一種最佳工程方案。


一個優(yōu)秀的工程設計要在多種方案的比較中才能產(chǎn)生。進行方案比較首先要明確判據(jù)，工程上常用的判據(jù)有產(chǎn)物收率、原材料單耗、能量單耗、產(chǎn)品成本、工程投資等。此外，也要考慮環(huán)保、安全、占地面積等因素。


進行方案比較的基本前提是保持原始信息不變。過程操作參數(shù)如溫度、壓力、流速、流量等原始信息，設計者是不能變更的。設計者只能采用各種工程手段和方法，保證實現(xiàn)工藝規(guī)定的操作參數(shù)。

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