【正文】 第二章 工藝流程設計 本章主要內容： 生產(chǎn)方法和工藝流程的選擇 工藝流程設計 工藝流程圖 典型設備的自控方案 用 AutoCAD PID繪制工藝流程圖 一、生產(chǎn)方法和工藝流程選擇的原則 （ 1）先進性 技術先進和經(jīng)濟上合理可行 先進性評價包括：技術先進性、建設投資、生產(chǎn)成本、消耗定額及對環(huán)境的危害等方面 （ 2）可靠性 指生產(chǎn)方法和工藝流程是否成熟可靠。原料來源是否可靠。 （ 3）合理性 國家資源的合理利用、建廠地區(qū)的發(fā)展規(guī)劃、“三廢”處理是否可行等。 第一節(jié) 生產(chǎn)方法和工藝流程的選擇 綜合考慮各方面因素，進行 流程優(yōu)化 和 技術經(jīng)濟分析 。 一個化學過程如何實現(xiàn)工程化？在技術上能夠實現(xiàn)的前提下進行 工程設計 。 二 、生產(chǎn)方法和工藝流程確定的步驟 （ 1） 資料搜集與項目調研 ； ① 國內外生產(chǎn)方法及工藝流程； ② 原料來源及產(chǎn)品應用情況； ③ 試驗研究報告； ④綜合利用及三廢處理； ⑤生產(chǎn)技術的先進水平； ⑥安全技術及勞動保護措施； ⑦ 設備的大型化及制造、運輸情況； ⑧ 基本建設投資、產(chǎn)品成本、占地面積； ⑨ 水、電、汽、燃料及主要基建材料的用量及供應； ⑩ 廠址、地質、水文、氣象等資料；工廠環(huán)境與周圍的情況。 （ 2） 生產(chǎn)設備類型與制造廠商調研 —— 設備是實現(xiàn)化工技術的關鍵，同時在投資中占很大比例。 （ 3） 對調研結果進行全面分析對比 第二節(jié) 工藝流程設計 一、工藝流程設計的任務 （流程組織或過程合成） 按步驟逐步解決以下問題： （ 1）確定整個流程的組成； 由哪些生產(chǎn)過程和單元過程構成？各個單元之間如何連接？ 流程組織： 權衡技術與經(jīng)濟、安全、工程等方面的因素，在過程開發(fā)實驗的基礎上，結合化工生產(chǎn)過程的實際經(jīng)驗，將某個化工過程的原料準備、反應合成、產(chǎn)物分離三個階段的有關單元操作有機地組合在一起，形成一個較優(yōu)的工藝流程。 以 煤 為原料生產(chǎn) 合成氨 為例： 氣化 (造氣 ) C、 O H2O CO、 H CO2 CO變換 CO + H2O = CO2 +H2 脫硫、脫碳 除去混合氣體中的 H2S、 CO2 甲烷化 除去混合氣體中剩余的少量 CO、 CO2 合成 N2+ H2 = NH3 ? O2 C CO H2 CO2 H2 CO2 N2 H2 空分 H2S、 CO2 變換 造氣 甲烷化 脫硫脫碳 分離 合成 氨 原料 循環(huán)氣 微量 CO、 CO2 所以合成氨由以下 生產(chǎn)過程 組成： C NH3 例如：脫硫和變換過程的順序？ 要解決各個過程的生產(chǎn)方法、安排順序問題 煤氣化工藝的改變及鈷鉬耐硫催化劑的使用，改變了合成氨工藝流程中變換和脫硫的順序。 中壓氣化，先變換，再脫硫 ，避免煤氣熱 — 冷 — 熱的流程以及產(chǎn)生能量的損失。 同時副產(chǎn)蒸汽。從而大大減少蒸汽耗量，取得顯著的節(jié)能降耗效果。 這也是研制新型變換催化劑的原因和動力之所在。 例如：脫硫和變換過程的順序如何組織？ 以 CO變換 制氫 生產(chǎn)過程 為例， 將 CO由 42%65%降低至 %以下： CO + H2O == CO2 +H2+△ H 可逆放熱反應 過程組成： 粗煤氣除水 → 預熱 → 配比水蒸氣（過量） → 反應 → 降溫 (回收反應熱 )→ 反應 → 降溫 (回收反應熱 )→ … 降溫 (回收多余水蒸氣 )→ 蒸汽冷凝液分離 … 催化劑 （ 2）確定每個過程或工序的組成； 每個 過程 又由許多 單元過程 組成。 由哪些設備來完成？設備之間如何連接？設備主要工藝參數(shù)？ 原料預處理 反應 分離 工藝流程設計的方法： 流程組織（過程合成） 化工過程的典型流程框圖 原料預處理階段 反應合成階段 產(chǎn)物分離階段 工藝流程設計即確定整個流程的組成，合理進行流程組織。 原料預處理階段： ?以物理方法為主，但不排除化學方法。 ?可能要用到一些分離的單元操作。 ?可能牽涉到“三廢”處理。 ?可能有副產(chǎn)品產(chǎn)出。 反應合成階段： ?可能是多步反應組成（多個反應器）。 ?多個反應器之間可能穿插著分離單元操作。 產(chǎn)物分離階段： ?可能要用到多種單元操作。 ?重視“三廢”處理技術問題。 ?重視回收。 問題： 在兩個反應器之間為什么可能要用到分離操作？ 經(jīng)濟效益的重要來源之一。 耐硫變換流程示意圖 （ 3）確定工藝操作條件； 確定整個生產(chǎn)工序或每臺設備要達到和保持的操作條件。 溫度、壓力、濃度、液位、流量 ? 容積、換熱面積 ? ？ （ 4）控制方案的確定； 如何維持以上操作條件，及實現(xiàn)各參數(shù)之間的聯(lián)系？確定正確控制方案，選用合適的控制儀表。 德士古（ GE）水煤漿氣化概略流程 磨煤機 煤漿泵 氣化爐 鎖斗 蒸發(fā)熱水塔 旋風分離器 混合器 第二節(jié) 工藝流程設計 水洗塔 合成氣 煤 渣水 酸氣 廢渣 烷基化 苯，甲苯塔 苯 塔 乙 苯 塔 乙 苯 塔 苯 乙 烯 乙苯 脫氫 乙烯 多烷基苯 苯 ,甲苯 苯乙烯 苯 重物質 乙苯回流 苯回流 ① ② 乙烯 :苯 =1:5 560K, 600kPa 850K 例 34 苯乙烯制取過程： 反應器之間穿插著分離單元操作，未反應完的物料重新回到反應器。 第二節(jié) 工藝流程設計 問題： 流程組織得好不好，怎么來判斷？ ?產(chǎn)物收率、原材料單耗、能量單耗、產(chǎn)品成本、工程投資等。 ?考慮環(huán)保、安全、占地面積等因素。 化工領域包括相關領域的一些科技進步與發(fā)明，都可能對某個產(chǎn)品生產(chǎn)過程的流程組織帶來顯著的影響。 ? 流程模擬 Aspen Plus ? 流程圖繪制 AutoCAD PID 流程組織的依據(jù) : ? 過程開發(fā)實驗結果； ? 設計人員的實踐經(jīng)驗。 進行方案比較 計算機輔助設計： （ 5）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 （ 6）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 。 （ 7）制定安全生產(chǎn)措施 。對設計出來的化工裝置在開車、停車、長期運轉以及檢修過程中，可能存在哪些 不安全因素 進行認真分析，再遵照國家的各項有關規(guī)定，結合以往的經(jīng)驗教訓，制訂出切實可靠的 安全措施 。 第二節(jié) 工藝流程設計 耐硫變換工藝流程方案設計： 變換反應分段； 根據(jù)變換爐進出口氣體溫度設計合理的換熱流程。 變換過程核心設備：變換爐其他重要設備：換熱設備 要考慮高溫、高壓，氫腐蝕等因素。 各變換爐出口溫度、變換率的確定 CO + H2O == CO2 +H2+△