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                      化工工藝流程設計基礎知識

                      發表時間:2020-03-02瀏覽次數:0次

                      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,它反映了化工生產由原料到產品的全部過程既物料和能量的變化,物料的流向以及生產中所經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過程的全貌。生產同一化工產品可以采用不同原料,經過不同生產路線而制得,即使采用同一原料,也可采用不同生產路線,同一生產路線中也可以采用不同的工藝流程。


                      選擇生產路線也就是選擇生產方法,這是決定設計質量的關鍵。如果某產品只有一種生產方法,就無須選擇;若有幾種不同的生產方法,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方法,作為下一步工藝流程設計的依據。


                      生產方法和工藝流程選擇的原則


                      可靠性:

                      流程是否通暢、生產是否安全、工藝是否穩定、消耗定額、生產能力、產品質量和三廢排放是否達到預定指標。


                      適用性:

                      和具體環境、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:

                      技術上的先進和經濟上的合理可行,應選擇物料損耗小、循環量少,能量消耗少和回收利用好的生產方法 。


                      原料路線的選擇


                       一個工業項目的產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。


                      凡以經過加工的原材料和部件作為原料的工業項目,最好與供應部門達成協議,以保證供應的可靠性。


                      (2)經濟性:


                      在產品成本中,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某種產品,可能有多種生產方法,每種生產方法所使用的生產設備、生產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。


                      精餾塔工藝參數的確定


                      (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R/Rmin的高限。

                      c、對于產品純度極高的精密精餾,取較大R/Rmin值(因為取常規R/Rmin較小,塔板數會急劇增加)


                      (3)產品純度和回收率


                      正確選擇產品的純度有重大的經濟意義。


                      首先要看所確定的生產方法是正在生產或曾經運行過的成熟工藝,還是待開發的新工藝。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:


                      根據反應過程的特點、產品要求、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操作,還是間歇性操作。


                      有些產品不適合連續化操作,如同一生產裝置生產多品種或多牌號產品時,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有工業化裝置可以借鑒、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。


                      原料預處理過程:

                      固體:粉碎、溶解---目數、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)設計產物的后處理過程


                      根據反應原料的特性和產品的質量要求,以及反應過程的特點,實際反應過程可能會出現下列情況:


                      ①除了獲得目的產物外,由于存在副反應,還生成了副產物。

                      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物中,或者雜質參與反應而生成無用且有害的物質。

                      ④產物的集聚狀態要求,也增加了后處理過程。某些反應過程是多相的,而最終產物是固態的。


                      因此用于產物的凈化、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。


                      產品分離包括:

                      固液分離---過濾、離心

                      液液分離---蒸發、精餾、萃取

                      氣液分離---吸收


                      產品分離牽涉到的單元過程:

                      過濾、離心、蒸發、精餾、萃取、吸收等單元操作過程。這些單元操作過程,同樣應根據被分離產物的特征,設計與之相適應的單元過程。


                      產品精制:

                      對產物進一步純化,以滿足產品的質量要求。

                      液體---精餾、濃縮、結晶

                      固體---重結晶

                      氣體---吸收


                      產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,同樣應根據產品的質量要求,設計與之相適應的單元過程。


                      (4)設計產品的后處理過程


                      經精制后的產物,成為最終的產品還需要干燥、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,應根據產品的特性進行設計工藝過程。


                      (5)設計未反應原料的循環或利用以及副產物的處理


                      由于反應不是全部,剩余組分在產物處理中被分離出來,一般應循環回到反應設備中繼續參與反應。 


                      (6)確定“三廢”排出物的處理措施


                      在生產過程中,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?!叭龔U”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”治理與環境保護工程、“三廢”治理工藝與主產品工藝同時設計、同時施工,而且同時投產運行。按照國家有關規定,如果污染問題不解決,是不允許投產的。 


                      (7) 確定公用工程的配套措施


                      在生產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。


                      至于生產用電、上下水、空調、采暖通氣都是應與其他專業密切配合的。


                      (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(與儀表控制專業密切配合)以確保能穩定地生產出合格產品來。 


                      (9) 制定切實可靠的安全生產措施


                      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,根據生產過程中物料性質和生產特點,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。 


                      (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。


                      流程中應根據介質的溫度、特性和狀態以及周圍環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


                      工業生產中,一個過程往往可以有多種方法來實現,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。


                      一個優秀的工程設計要在多種方案的比較中才能產生。進行方案比較首先要明確判據,工程上常用的判據有產物收率、原材料單耗、能量單耗、產品成本、工程投資等。此外,也要考慮環保、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,保證實現工藝規定的操作參數。


                      生產工藝流程設計牽涉面很廣,其目的是把各個生產過程按一定的順序和要求有機地組合起來,進而繪出生產工藝流程圖來知道設備的安裝和指導生產操作。生產工藝流程的設計需要經歷生產工藝流程示意圖、生產工藝流程草圖、帶控制點的生產流程圖三個階段。

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