第二章工艺流程设计.docx
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第二章工艺流程设计
第二章 工艺流程设计
工艺流程设计是化工设计中非常重要的环节，它通过工艺流程图的形式，形象地反映了化工生产由原料进入到产品输出的过程，其中包括物料和能量的变化，物料的流向以及生产中所经历的工艺过程和使用的设备仪表。
工艺流程图集中地概括了整个生产过程的全貌。
工艺流程设计是工艺设计的核心。
在整个设计中，设备选型、工艺计算、设备布置等工作都与工艺流程有直接关系。
只有流程确定后，其他各项工作才能开展，工艺流程设计涉及各个方面，而各个方面的变化又反过来影响工艺流程设计，甚至使流程发生较大的变化。
因此，工艺流程设计动手最早，而往往又结束最晚。
本章主要介绍生产方法和工艺流程的选择，工艺流程设计，工艺流程图绘制，典型设备的自控流程四个内容。
第一节 生产方法和工艺流程的选择
生产同一化工产品可以采用不同原料，经过不同生产路线而制得，即使采用同一原料，也可采用不同生产路线，同一生产路线中也可以采用不同的工艺流程。
选择生产路线也就是选择生产方法，这一步是决定设计质量的关键，必须认真对待。
如果某产品只有一种生产方法，就无须选择；若有几种不同的生产方法，就应逐个进行分析研究，通过各方面比较，从中筛选一个最好的方法，作为下一步工艺流程设计的依据。
由于我们接触到的大多数是已有生产路线的工艺流程设计，因此，本节只对上述内容作简要介绍。
一、生产方法和工艺流程选择的原则
在选择生产方法和工艺流程时，应考虑以下一些原则。
1．先进性
先进性主要指技术上的先进和经济上的合理可行，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，能量消耗少和回收利用好的生产方法。
2．可靠性
可靠性是指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。
如果采用的技术不成熟，就会影响工厂正常生产，甚至不能投产，造成极大的浪费。
因此，对于尚在试验阶段的新技术、新工艺、新设备应慎重对待。
要防止只考虑新的一面，而忽视不成熟、不稳妥的一面。
应坚持一切经过试验的原则，不允许把未来的生产厂当作试验工厂来进行设计。
另外，对生产工艺流程的改革也应采取积极而又慎重的态度，不能有侥幸心理。
3．结合国情
中国是一个发展中的社会主义国家。
在进行工厂设计时，不能单纯从技术观点考虑问题，应从中国的具体情况出发考虑各种具体问题。
上述三项原则必须在技术路线和工艺流程选择中全面衡量，综合考虑。
一种技术的应用有长处，也有短处。
设计人员必须采取全面分析对比的方法，并根据建设项目的具体要求，选择其中不仅对现在有利，而且对将来也有利的工艺技术，竭力发挥有利的一面，设法减少不利的因素。
比较时要仔细领会设计任务书提出的各项原则要求，要对收集到的资料进行加工整理，提炼出能够反映本质的、突出主要优缺点的数据材料，作为比较的依据。
要经过全面分析、反复对比后选出优点较多、符合国情、切实可行的技术路线和工艺流程。
总的目标是使未来的化工厂的产品质量、生产成本以及建厂难易等主要指标达到比较理想的水平。
二、生产方法和工艺流程确定的步骤
确定生产方法，选择工艺流程一般要经过三个阶段。
1．搜集资料，调查研究
这是确定生产方法和选择工艺流程的准备阶段。
在此阶段，要根据建设项目的产品方案及生产规模，有计划、有目的地搜集国内外同类型生产厂的有关资料，包括技术路线特点、工艺参数、原材料和公用工程单耗、产品质量、三废治理以及各种技术路线的发展情况与动向等技术经济资料。
掌握国内外化工技术经济的资料，仅靠设计人员自己搜集是不够的，还应取得技术信息部门的配合，有时还要向咨询部门提出咨询。
2．落实设备
设备是完成生产过程的重要条件，是确定技术路线和工艺流程时必然要涉及到的因素。
在搜集资料过程中，必须对设备予以足够重视。
对各种生产方法中所用的设备，分清国内已有定型产品的、需要进口的及国内需重新设计制造的三种类型，并对设计制造单位的技术力量、加工条件、材料供应及设计、制造的进度加以了解。
3.全面对比
全面分析对比的内容很多，主要比较下列几项：
①几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；
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。
第二节 工艺流程设计
一、流程设计的任务
当生产工艺路线选定之后，即可进行流程设计。
它和车间布置设计是决定整个车间（装置）基本面貌的关键性的步骤，对设备设计和管路设计等单项设计也起着决定性的作用。
流程设计的主要任务包括两个方面：
一是确定生产流程中各个生产过程的具体内容、顺序和组合方式，达到由原料制得所需产品的目的；二是绘制工艺流程图，要求以图解的形式表示生产过程中，当原料经过各个单元操作过程制得产品时，物料和能量发生的变化及其流向，以及采用了哪些化工过程和设备，再进一步通过图解形式表示出化工管道流程和计量控制流程。
为了使设计出来的工艺流程能够实现优质、高产、低消耗和安全生产，应按步骤逐步解决以下问题。
（1）确定整个流程的组成。
工艺流程反映了由原料制得产品的全过程。
应确定采用多少生产过程或工序来构成全过程，确定每个单元过程的具体任务（即物料通过时要发生什么物理变化、化学变化以及能量变化），以及每个生产过程或工序之间如何连接。
（2）确定每个过程或工序的组成。
应采用多少和由哪些设备来完成这一生产过程，以及各种设备之间应如何连接，弄明确每台设备的作用和它的主要工艺参数。
（3）确定操作条件。
为了使每个过程、每台设备正确地起到预定作用，应当确定整个生产工序或每台设备的各个不同部位要达到和保持的操作条件。
（4）控制方案的确定。
为了正确实现并保持各生产工序和每台设备本身的操作条件，及实现各生产过程之间、各设备之间的正确联系，需要确定正确控制方案，选用合适的控制仪表。
（5）合理利用原料及能量。
计算出整个装置的技术经济指标应当合理地确定各个生产过程的效率，得出全装置的最佳总收率，同时要合理地做好能量回收与综合利用，降低能耗。
据此确定水、电、蒸汽和燃料的消耗。
（6）制定三废的治理方法。
除了产品和副产品外，对全流程中所排出的三废要尽量综合利用，对于那些暂时无法回收利用的，则须进行妥善处理。
（7）制定安全生产措施。
应当对设计出来的化工装置在开车、停车、长期运转以及检修过程中，可能存在哪些不安全因素进行认真分析，再遵照国家的各项有关规定，结合以往的经验教训，制订出切实可靠的安全措施，例如设置安全阀、阻火器和事故贮槽等。
二、工艺流程设计方法
首先要看所选定的生产方法是正在生产或曾经运行过的成熟工艺还是待开发的新工艺。
前者是可以参考借鉴而需要局部改进或局部采用新技术新工艺的问题。
后者须针对新开发技术，在设计上称为概念设计。
不论哪种情况一般都是将一个工艺流程分为四个重要部分，即原料预处理过程、反应过程、产物的后处理（分离净化）和三废的处理过程。
一般的工作方法如下。
（1）以反应过程为中心。
根据反应过程的特点、产品要求、物料特性、基本工艺条件来决定采用反应器类型及决定采用连续操作，还是间歇性操作。
有些产品不适合连续化操作，如同一生产装置生产多品种或多牌号产品时，用间歇操作，更为方便。
另外，物料反应过程是否需外供能量或移出热量，都要在反应装置上增加相应的适当措施。
如果反应需要在催化剂存在下进行，就须考虑催化反应的方式和催化剂的选择。
一般说确定主反应过程的装置，往往都有文献、资料可供参考，或有中试结果。
现有工业化装置可以借鉴、参考，因此并不复杂。
（2）原料预处理过程。
在主反应装置已经确定之后，根据反应特点，必然对原料提出要求，如纯度、温度、压力以及加料方式等。
这就应根据需要采取预热（冷）、汽化、干燥、粉碎筛分、提纯精制、混合、配制、压缩等措施。
这些操作过程就需要相应的化工单元操作，加以组合。
通常不是一台两台设备或简单过程完成的。
原料预处理的化工操作过程是根据原料性质、处理方法而选取不同的装置及不同的输送方式，从而可能设计出不同的流程。
（3）产物的后处理。
根据反应原料的特性和产品的质量要求，以及反应过程的特点，实际反应过程可能会出现下列情况。
①除了获得目的产物外，由于存在副反应，还生成了副产物。
②由于反应时间等条件的限制或受反应平衡的限制，以及为使反应尽可能完全而有过剩组分。
③原料中含有的杂质往往不是反应需要的，在原料的预处理中并未除净，因而在反应中将会带入产物中，或者杂质参与反应而生成无用且有害的物质。
④产物的集聚状态要求，也增加了后处理过程。
某些反应过程是多相的，而最终产物是固态的。
除上述原因外，还有其他各种各样原因，相应地要采用各种不同措施进行处理。
因此用于产物的净化、分离的化工单元操作过程，往往是整个工艺过程中最复杂、最关键的部分，有时是制约整个工艺生产能否进行的关键环节，即保证产品质量的极为重要的步骤。
因此，如何安排每一个分离净化的设备或装置以及操作步骤，它们之间如何连通，有否达到预期的净化效果和能力等，都是必须认真考虑的。
（4）产品的后处理。
经过前述分离净化后达到合格的目的产品，有些是下一工序的原料，可加工成其他产品；有些可直接作为商品，往往还须进行后处理工作，如筛选、包装、灌装、计量、贮存、输送等过程。
（5）未反应原料的循环或利用以及副产物的处理。
由于反应不是全部，剩余组分在产物处理中被分离出来，一般应循环回到反应设备中继续参与反应。
（6）确定“三废”排出物的处理措施。
在生产过程中，不得不排放的各种废气、废液和废渣，应尽量综合利用，变废为宝，加以回收。
无法回收的应妥善处理。
“三废”中如含有有害物质，在排放前应该达到排放标准。
因此在化工开发和工程设计中必须研究和设计治理方案和流程，要做到“三废”治理与环境保护工程、“三废”治理工艺与主产品工艺同时设计、同时施工，而且同时投产运行。
按照国家有关规定，如果污染问题不解决，是不允许投产的。
（7）确定公用工程的配套措施。
在生产工艺流程中必须使用的工艺用水（包括作为原料的软水、冷却水、溶剂用水以及洗涤用水等）、蒸汽（原料用汽、加热用汽、动力用汽及其他用汽等）、压缩空气、氮气等以及冷冻、真空都是工艺中要考虑的配套设施。
至于生产用电、上下水、空调、采暖通气都是应与其他专业密切配合的。
（8）确定操作条件和控制方案。
一个完善的工艺设计除了工艺流程等以外，还应把投产后的操作条件确定下来，这也是设计要求。
这些条件包括整个流程中各个单元设备的物料流量（投料量）、组成、温度压力等，并且提出控制方案（与仪表控制专业密切配合）以确保能稳定地生产出合格产品来。
（9）制定切实可靠的安全生产措施。
在工艺设计中要考虑到开停车、长期运转和检修过程中可能存在各种不安全因素，根据生产过程中物料性质和生产特点，在工艺流程和装置中，除设备材质和结构的安全措施外，在流程中应在适宜部位上设置事故槽、安全阀、放空管、安全水封、防爆板、阻水栓等以保证安全生产。
（10）保温、防腐的设计。
这是在工艺流程设计中的最后一项工作，也是施工安装时最后一道工序。
流程中应根据介质的温度、特性和状态以及周围环境状况决定管道和设备是否需要保温和防腐。
三、工艺流程设计的基本方法——方案比较
一个优秀的工程设计只有在多种方案的比较中才能产生。
进行方案比较首先要明确判据，工程上常用的判据有产物收率、原材料单耗、能量单耗、产品成本、工程投资等。
此外，也要考虑环保、安全、占地面积等因素。
进行方案比较的基本前提是保持原始信息不变。
这里应强调指出，过程的操作参数如温度、压力、流速、流量等原始信息，设计者是不能变更的。
设计者只能采用各种工程手段和方法，保证实现工艺规定的操作参数。
工业生产中，一个过程往往可以有多种方法来实现，例如液固混合物的分离，可以用离心、沉降、压缩和真空过滤等方法；含湿固体的干燥，可以用气流、双锥、滚筒、箱式、沸腾等干燥方法，这些也都需要进行方案比较，因地制宜地选择一种最佳工程方案。
第三节 工艺流程图
一、工艺流程图概述
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，即是工艺流程图。
化工工艺图中，属于工艺流程图性质的图样有若干种，它们都用来表达工艺生产流程。
由于它们的要求各不相同，所以在内容、重点和深度方面也不一致，但这些图样之间是有密切联系的。
工艺流程图一般有如下几种。
1．全厂总工艺流程图或物料平衡图
总工艺流程图是在炼油化工厂设计中，为总说明部分提供的全厂流程图样。
对综合性化工厂则称全厂物料平衡图。
图上各车间（工段）用细实线画成长方框来示意。
流程线只画出主要物料，用粗实线表示。
流程方向用箭头画在流程线上。
图上还注明了车间名称，各车间原料、半成品和成品的名称、平衡数据和来源、去向等。
2．物料流程图
物料流程图是在全厂总工艺流程图基础上，分别表达各车间内部工艺物料流程的图样。
在流程上标注出各物料的组分、流量以及设备特性数据等。
3．工艺管道及仪表流程图
工艺管道及仪表流程图是以物料流程图为依据，内容较为详细的一种工艺流程图。
在管线和设备上画出配置的某些阀门、管件、自控仪表等的有关符号。
二、工艺流程草图
工艺流程草图亦称方案流程图、流程示意图、流程简图，是用来表达整个工厂或车间生产流程的图样。
它是设计开始时供工艺方案讨论常用的流程图，亦是工艺流程图设计的依据。
当生产方法确定以后，就可以开始设计绘制流程草图。
因为它只是为将要进行的物料衡算和部分设备计算和能量衡算服务的，并不编入设计文件中，所以绘制时不需在绘图技术上多花费时间，而要把主要精力用于工艺技术问题上。
在绘制流程草图时尚未进行定量计算，因而它只是定性地标出由原料转化成产品的变化，流向顺序以及生产中采用的各种化工单元及设备。
生产工艺流程草图一般由物料流程、图例和设备一览表等三个部分组成。
1．物料流程
（1）设备示意图。
图中的设备只画出大致轮廓和示意结构，甚至画一个方框代替也可以。
设备的相对位置高低也不要求准确，备用设备在流程草图中一般省略不画。
但设备一般都要编号，并在图纸空白处按编号顺序集中列出设备名称。
（2）流程管线及流向箭头。
流程草图中应画出全部物料管线和一部分动力管线（如水、蒸汽、压缩空气和真空等）。
物料管线用粗实线画出，动力管线用中粗实线画出。
在管线上用箭头表示物料的流向。
（3）文字注解
①在流程图的下方或图纸的其他空白处列出各设备的编号和名称。
②在管线的上方或右方用文字注明物料的名称。
③在流程线的起始和终了处注明物料的名称来源及去向。
2．图例
图例中只须标出管线图例。
阀门、仪表等无须标出。
3．设备一览表
设备一览表也只包括序号、位号、设备名称和备注，有时可省略设备一览表和图框。
工艺流程草图是一种示意性的从左至右的展开图。
三、工艺管道及仪表流程图
工艺管道及仪表流程图又称施工流程图或带控制点的工艺流程图。
与之配套的尚有辅助管道及仪表流程图、公用系统管道及仪表流程图。
它是由工艺人员和自控人员合作进行绘制的，在初步设计和施工图设计中都要提供这种图样。
工艺管道及仪表流程图是在工艺流程草图和物料流程图的基础上绘制的，它是设备布置和管道布置设计的依据，并可供施工、安装、生产操作时参考。
（一）比例与图幅
工艺管道及仪表流程图可以车间（装置）或工段（分区或工序）为主项进行绘制，原则上一个主项绘一张图解，如图2-4所示即以一个工段为主项绘制的图样。
若流程复杂，一个主项也可以分成数张（或分系统）绘制但仍算一张图样，且需使用同一个图号，但要注明各是该图号图纸总张数的第几张。
必要时也可适当缩小比例进行绘制。
（1）比例。
图上的设备图形及其高低间相对位置大致按1:
100或1:
200的比例进行绘制，流程简单时也有用1:
50的比例。
整个图形因展开等种种关系，实际上并不全按比例绘制，因此在标题栏中的“比例”一栏，不予注明。
（2）图幅。
由于图样采用展开图形式，图形多呈长条形，因而以前的图纸幅面常采用标准幅面加长的规格。
加长后的长度以方便阅读为宜。
近年来，考虑到图样绘读使用和底图档案保管的方便，有关标准已有统一规定，一般均采用A1图幅，特别简单的可采用A2图幅，且不宜加长或加宽。
（二）设备的表示方法
1.设备的画法
（1）图形。
化工设备在图上一般按比例用细实线（b/3）绘制，画出能够显示形状特征的主要轮廓。
（2）相对位置。
设备间的高低和楼面高低的相对位置，一般也按比例绘制。
低于地面的需相应画在地平线以下，尽可能地符合实际安装情况。
对于有位差要求的设备，还要注明其限定尺寸。
（3）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。
只画出一套时，被省略部分的系统，则需用细双点划线绘出矩形框表示。
框内注明设备的位号、名称，并绘出引至该套系统（或设备）的一段支管。
2.设备的标注
（1）标注的内容。
设备在图上应标注位号及名称。
（2）标注的方式。
设备的位号、名称一般标注在相应设备的图形上方或下方，即在图纸的上端及下端两处，各设备在横向之间的标注方式应基本排成一行。
（三）管道的表示方法
图上一般应画出所有工艺物料和辅助物料（如蒸汽、冷却水、冷冻盐水等）的管道。
当辅助管道系统比较简单时，可将其总管绘制在流程图的上方，其支管则下引至有关设备；当辅助管道系统比较复杂时，待工艺管道布置设计完成后，另绘辅助管道及仪表流程图予以补充，此时流程图上只绘出与设备相连接位置的一段辅助管道（有时包括操作所需要的阀口等），如图2-4所示。
图上各支管与总管连接的先后位置应与管道布置图一致。
公用管道比较复杂的系统，通常还需另绘公用系统管道及仪表流程图。
1．管道的画法
管道画法的原则规定可参阅国家标准和化工行业有关规定。
2.管道的标注
每段管道上都票有相应的标注，一般横向管线标注在管线的上方，竖向管线则标注在管线的左方；若标注位置不够时，可将标注中的部分内容移至管线下方或右方。
不得已时，也可用指引线引出标注。
标注内容应包括三个组成部分：
即管道号、管径和管道等级。
当未采用管道等级及与之配套的材料选用表时，管道标注中的公制管需注外径×厚度；对隔热（或隔音）的管道，则将隔热（隔音）代号注在管径之后。
（四）阀门与管件的表示方法
在管道上需要用细实线画出全部阀门和部分管件（如视镜、阻火器、异径接头、盲板、下水漏斗等）的符号。
（五）仪表控制点的表示方法
工艺生产流程中的仪表及控制点应该在有关管道上，并大致按安装位置用代号、符号给以表示。
字母代号和阿拉伯数字编号组合起来，就组成了仪表的位号。
（1）图形符号
（2）字母代号表示被测变量和仪表功能的字母代号。
（3）仪表位号在检测控制系统中，一个回路中的每一个仪表（或元件）都应标注仪表位号。
在管道及仪表流程图中，标注仪表位号一的方法是将字母代号填写在圆圈的上半部分，数字编号填写在圆圈的下半部分。
第四节 典型设备的自控流程
本节介绍常用的化工典型设备（泵、换热器、反应釜、蒸馏塔）的自控流程。
一、泵
1．离心泵
离心泵的流量调节一般是采用出口节流的方法，但也可以使用旁路调节方法，旁路调节耗费能量，但调节阀的尺寸比直接节流的小是它的优点。
在离心泵设有分支路时，即一台泵要分送几支并联管路时，可采用分支调节方案。
2．容积式泵（往复泵、齿轮泵、螺杆泵和旋涡泵等）
当流量减小时容积式泵的压力急剧上升，因此不能在容积式泵的出口管道上直接安装节流装置来调节流量，通常采用旁路调节或改变转速、改变冲程大小来调节流程。
3．真空泵
真空泵可采用吸入支路调节和吸入管阻力调节的方案。
二、换热器
换热器的温度控制方案。
（1）调节换热介质流量，用流体1的流量作调节参数来控制流体2的出口温度。
（2）调节传热面积，适用于蒸汽冷凝换热器，调节阀装在凝液管路上。
（3）分流调节，在用工艺流体作载热体回收热量时或冷却水流量不允许改变时，两个流量都不能调节。
此时可利用三通阀使其中一个流体走分路，使部分流体走旁路。
三、反应釜
人工手动控制的间歇反应器的PI流程比较简单。
加料、反应和出料皆由人工操作控制，主要控制指标是反应温度（压力）和反应时间。
自动控制的间歇反应器的PI流程要复杂得多，控制质量和劳动生产率都要高得多。
1．进出料管道
釜顶左部为各种原料及试压氮气等进料管道，水和单体自动计量手动遥控进料。
在进料总管中部串联一切断阀（球阀），进料完毕后关闭球阀，各管道就形成二道切断阀的密封。
安全阀前不能有阀，故它装在切断阀与进口之间。
2.轴封系统
搅拌轴的密封是釜式反应器的关键问题之一，机械密封是可高而先进的动密封结构，为了保障它的正常工作必须配有液封与冷却系统。
密封液罐旁为搅拌电机的运转电流的指示、记录和过载报警回路。
3．温度控制
间歇反应的温度控制是分阶段周期性变化的，热负荷也随着反应时间而变化，这都造成温度控制的困难。
为此，设置了热水升温、工业水或冷冻水冷却共三套系统。
循环水量大则进出口温差小和传热系数高（流速快），使釜内各点的温度更为均匀，水的流量大还能减少对象的容量滞后。
水量恒定可以减少冷却水流量变化这个干扰因素，这些都有助于调节质量的提高。
四、蒸馏塔
蒸馏是化工厂应用极为广泛的传质过程。
以下将简单讨论蒸馏塔的基本控制方案及管道仪表流程实例。
（一）蒸馏塔的基本控制方案
蒸馏塔的控制方案很多，但基本形式通常只有两种。
（1）按精馏段指标控制取精馏段某点成分或温度为被调参数，而以回流量坛、馏出液量D或塔内蒸气量VB作为调节参数。
（2）按提馏段指标控制当对釜液的成分要求较之对馏出液为高时，例如塔底为主要产品时，常用此方案。
如对塔顶和塔底产品的质量要求相近，又是液相进料，也往往采用此方案。
（二）塔顶的流程与调节方案
前面所讲的只是原则性的控制方案，具体的方案可按塔顶、塔底及进料系统分别考虑。
塔顶方案的基本要求是：
把出塔蒸气的绝大部分冷凝下来，把不凝性气体排走；调节LR和D的流量和保持塔内压力稳定。
（三）塔底的流程与调节方案
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