化工設計 第五章

化工設計第五章第一頁，共四十四頁，2022年，8月28日要求（1）確定整個流程的組成例如合成氨生產工藝造氣變換銅洗合成煤或油水蒸氣己內酰胺生產工藝加氫氧化羥胺肟化重排苯H2O2H2硝酸第二頁，共四十四頁，2022年，8月28日(2)確定各個過程或工序的組成例如合成氨工藝中的變換工段變換反應：CO+H2OCO2+H2水洗CO2+H2OH2CO3堿洗CO2+NaOHNa2CO3+H2O變換反應水洗堿洗H2,N2,COCO2及少量惰性氣體第三頁，共四十四頁，2022年，8月28日(3)確定操作條件。

?、。┓磻鞑僮鲄?shù)的確定

1）溫度

a可逆反應的平衡（吸熱或放熱）如：EBSty+H2+△H采用二段反應，溫度序列為先低后高

b考慮反應的選擇性（按主付反應活化能的大?。┤?/p>

APAS如果E1為主反應的活化能，且E1﹥E2則高溫有利于主反應

E1E2第四頁，共四十四頁，2022年，8月28日

c溫度的限制條件（材質和催化劑的要求）

2）壓力

a反應速度

b反應物料的相態(tài)（如氣相烴化和液相烴化）

c后續(xù)分離的要求（希望水冷后就產生氣液兩相）

3）組成

a某一反應物要求很高的轉化率例如CO+Cl2→COCl（光氣）二異氰酸酯的原料要求不含氯，Cl2的轉化率100%，采取CO過量

b產物與反應物分離困難如C6H6（苯）+H2→C6H12（環(huán)己烷）第五頁，共四十四頁，2022年，8月28日

C6H6:Tb=353.1kC6H12:Tb=353.9k苯與環(huán)己烷很難分離，因此采取氫氣過量，苯完全反應。

c反應的濃度效應（濃度對主付反應速率的影響）

d分離循環(huán)費用

4）反應的轉化率

a轉化率和所需反應時間的關系

b各種轉化率下的產品分布

c反應系統(tǒng)和分離系統(tǒng)的設備價格ⅱ）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）第六頁，共四十四頁，2022年，8月28日

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P﹥1.6MPa時，究竟采用低壓冷凍，還是高壓冷卻，需作方案比較。

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對于產品純度極高的精密精餾，取較大R/Rmin值（因為

R/Rmin較小，塔板數(shù)急劇增加）

3）產品純度和回收率（正確選定產品的純度有重大的經濟意義）第七頁，共四十四頁，2022年，8月28日(4)確定控制方案。

a離心泵的流量控制FRCPIFRCPI第八頁，共四十四頁，2022年，8月28日

b液位控制溢流控制液面LIC出料控制液面LICFC進料控制液面第九頁，共四十四頁，2022年，8月28日

C兩個液相的界面控制(液-液分離）LICLIC臥式容器界面控制第十頁，共四十四頁，2022年，8月28日d塔壓調節(jié)PIC第十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日

(5)確定過程的綜合平衡

(6)確定三廢治理方法。

(7)制定安全生產措施。

(8)其他實際要求（清洗、冷凝

水回用、副產物的利用等）。第十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日二化工過程合成方法（一）反應過程的合成首先確定過程性質和輸入、輸出條件。性質：連續(xù)或間歇（產量、市場需求、操作上特殊要求）輸入條件：進口的原料是否需經預處理（根據雜質的毒性、反應性、量）輸出：確定目的產品和流股數(shù)（反應產品有6個去向：主產品、聯(lián)產或副產品、低價值的燃料、排空、循環(huán)、有害物去三廢處理）第十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日例乙苯反應器內的反應如下乙烯+苯→乙苯乙苯+乙烯→二乙苯二乙苯+苯→乙苯二乙苯+乙烯→三乙苯三乙苯+苯→乙苯，二乙苯乙苯、二乙苯→甲苯、二甲苯、正丁苯、異丙苯、雜環(huán)化合物各類副產物中，除雜環(huán)化合物在高溫下聚合，其他副產物的生成都為可逆反應。乙烷、乙烯→放空或排至燃料氣管網苯、甲苯→循環(huán)乙苯→主產品（出反應器）二乙苯、三乙苯、異丙苯、正丁苯→循環(huán)雜環(huán)化合物→低值副產品第十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日反應器的選型1反應器的分類形狀：管式、釜式、塔式換熱方式：等溫、絕熱、非等溫非絕熱反應物系的相態(tài)：均相、非均相（氣固、氣液、氣液固）2反應器選型的方法形態(tài)分析法：對一個問題的各個部分的所有可能方案進行分析和評價，用邏輯結構代替隨機的想法，從而篩選出最佳方案。過程分為二步分支：找出所有可供選擇的方案。收斂：根據若干判據對各個供選擇的方案進行淘汰。第十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日3反應器選型判據：反應器類型（即反應介質的相態(tài)，此為最簡單、首先使用的判據）催化劑失活速度由反應的濃度效應決定的混合要求由反應的熱負荷和溫度效應決定熱量傳遞和溫度控制要求相際傳質和化學反應的相對速度主要工藝參數(shù)選擇（略）ABC判據問題結論第十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日（二）分離過程的合成分離方案數(shù)ABCABCABABCBCABCABCABBCABCABCABCABCABCABCACBABCACB第十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日1分離方法選擇探試規(guī)則：根據過去的經驗和研究對象的熱力學性質進行半定量分析所得的結論。根據探試規(guī)則得出的結論不一定是最佳方案，但是它能大幅度減少可能的方案數(shù)，從而提高設計速度。幾個名詞定義：分配系數(shù)：在平衡狀態(tài)下某組分在輕相與重相中分子分數(shù)的比分離因子：兩個組分分配系數(shù)的比例質量分離劑和能量分離劑：加到分離單元，對所需要的分離做出貢獻的組分次序表：進料各組分按照分配系數(shù)遞減的次序所排列的表關鍵組分：決定分離要求的兩個組分第十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日選擇分離方法的探試規(guī)則：（1）選擇具有大的分離因子的分離過程分子性質受影響的分離過程分子量精餾、蒸發(fā)分子形狀吸附、結晶分子體積吸附偶極距、極性萃取、吸附分子電負荷電除法、電除霧化學活性化學吸收、反應精餾（2）盡量避免極端的過程條件（3）當分離過程需要多個分離級時，應優(yōu)先選擇平衡分離過程而不選擇速度控制過程。第十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日（4）當分離因子相同時，選擇能量分離劑而不選擇質量分離劑（5）在選擇分離方案時首先考慮采用精餾，精餾具有如下的優(yōu)點：

a精餾是一個使用能量分離劑的平衡過程

b系統(tǒng)內不含固體物料，操作方便

c有成熟的理論和實踐

d處理產品數(shù)量的范圍寬

e常常只需要能位等級很低的分離劑例：正丁烯、異丁烯混合物欲分離成純物質，試根據分子性質選擇分離方法解：由于正丁烯與異丁烯為同分異構體，分子體積、偶極距和極性差別很小，預計精餾、萃取、吸收等過程都不能有效將該混合物分離，只能根據反應活性的差別進行分離。利用水與異丁烯反應的特點進行分離。第二十頁，共四十四頁，2022年，8月28日2分離序列的確定探試合成法、調優(yōu)合成法、最優(yōu)化算法合成法探試法有以下幾條原則：

a應把關鍵組分的相對揮發(fā)度最接近于1的最困難分離放在最后。

b根據汽液平衡常數(shù)的大小進行排列，把輕組分逐個脫除，即采取順序流程。

c應首先把混合物分成分子數(shù)接近的兩股流。

d對于回收率要求高的分離應放在最后。

e對于容易造成系統(tǒng)腐蝕或結焦的組分應首先除去，以降低后續(xù)設備的材質要求，保持穩(wěn)定操作。第二十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日3塔型的選擇板式塔的適用場合：（1）大直徑（2）液體負荷特別?。ㄅ菡炙?）臟的物系，須定期清理（4）有多股側線進出料（5）反應精餾，需要一定的停留時間填料塔的適用場合（1）要求低阻力（2）熱敏物質（持液量少，停留時間短）（3）發(fā)泡系統(tǒng)（4）腐蝕性介質第二十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日例環(huán)氧丙烷過程概念設計1過程簡介主反應

Cl2+H2O→HCl+HClOHClO+C3H6→ClC3H6OH副反應

C3H6+Cl2→C3H6Cl2ClC3H6OH+C3H6+Cl2→HCl+(C3H6Cl)2O（二氯異丙基醚)皂化反應

2ClC3H6OH+Ca(OH)2→CaCl2+H2O+2C3H6O第二十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日氣體循環(huán)壓縮機反應器溶氯器氯氣丙烯出料放空2現(xiàn)有生產裝置情況第二十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日3過程分析和試驗（1）二氯丙烷由氯氣與丙烯在氣相中直接反應的產物（2）二氯異丙基醚是串聯(lián)副產物要抑制付反應，提高反應的選擇性，須阻止氯氣與丙烯接觸，降低主產品氯丙醇的濃度。第二十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日C3H6Cl2水反應器反應器反應器循環(huán)泵循環(huán)泵循環(huán)泵出料放空放空放空4小試流程第二十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日5對小試數(shù)據的初步評價已知條件（1）氣相法丙烯選擇性86%

液相法---------------94%（2）皂化反應選擇性99%（3）精餾塔PO回收率99.5%（4）循環(huán)氣組成C3H630%,C3H870%（5）丙烯進料組成C3H699.5%C3H80.5%（6）循環(huán)比（循環(huán)氣比丙烯進料）7.5（7）丙烯價格3900元/噸（8）氯價格800元/噸（9）電價格0.65元/kw.h第二十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日以100kmol丙烯進料計，可對兩種工藝的可變成本進行計算，結果如下：氣相法液相法單耗單價費用單耗單價費用丙烯0.865639003376.60.79239003088.8氯氣1.4488001158.41.3258001060電力417.40.65271.3116.70.6574.4合計4806.34223.2對多數(shù)化工產品，可變成本占生產成本80%左右，投資折舊約占10%，且兩工藝的皂化工段相同，因此液相法比氣相法總生產成本低10%以上，經濟上占優(yōu)勢。第二十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日6流程和工藝參數(shù)的改進概念設計的任務之二，考察小試數(shù)據是否齊全，流程、工藝參數(shù)是否可改進。（1）壓力：加壓，利于溶氯（2）溫度：提溫對反應無利，但利于皂化，可省換熱器（3）丙烯由并聯(lián)改為串聯(lián)，增強傳質。（4）溶氯填料塔改為噴射溶氯，降低造價。（5）加壓下溶氯試驗（常壓下氯丙醇、鹽酸水溶液的氯溶解度偏差較小，加壓后可能偏差較大。需要研究人員補充試驗）（6）材質試驗（尤其溫度對腐蝕的影響）第二十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日7中試裝置設計概念設計任務之三，研究有無必要建立中試裝置，確定中試的規(guī)模、范圍及中試解決的問題和取得的數(shù)據。（1）必要性氣體分布器孔徑增大，傳質情況發(fā)生變化新材料（氟塑料）、新設備（噴射溶氯）試驗（2）中試裝置的地點（3）中試裝置的流程（可用單個循環(huán)反應間歇操作）（4）中試規(guī)模第三十頁，共四十四頁，2022年，8月28日三.工藝流程圖設計的基本步驟

1.作工藝流程草圖或示意圖（方框圖）。

2.

作工藝物料流程圖（物料衡算圖）。

3.作帶控制點的工藝流程圖。第三十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日（1）將各設備的簡單形狀按工藝流程順 序展示在同一平面上（2）配以連接主、輔線，管件、閥件、 儀表控制點等符號（3）注寫設備位號及名稱。（4）注寫代號、符號及其他標注的說明（5）填寫標題欄，注寫圖名、圖號。第三十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日環(huán)己酮肟溶解槽環(huán)己酮肟中間槽重排反應器熟化反應器正己烷濃硫酸正己烷蒸汽反應式環(huán)己酮肟濃硫酸己內酰胺-H第三十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日M01V02V03P01P02P03R01R02E01

V02P01M01V03P02R01E01P03R02環(huán)己酮肟中間槽環(huán)己酮肟進料泵混合器環(huán)己酮肟溶解槽循環(huán)泵反應器冷卻器循環(huán)泵熟化反應器第三十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日

V02P01M01V03P02R01E01P03R02環(huán)己酮肟中間槽環(huán)己酮肟進料泵混合器環(huán)己酮肟溶解槽循環(huán)泵反應器冷卻器循環(huán)泵熟化反應器正己烷蒸汽P-03FICLICTICFICP-01P-02CWE01R02R01V03V02CWR07060102050304M0107正己烷正己烷蒸汽環(huán)己酮肟酸團R03第三十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日

01

02

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06Kg/h%wtKg/h%wtKg/h%wtKg/h%wtKg/h%wtKg/h%wt環(huán)己酮肟90.0099.9790.0015.0六氫苯甲酸0.100.020.100.0286.7123.1185.8317.720.020.00苯甲酸0.040.010.040.01三氧化硫41.6711.1241.268.52硫酸105.728.21104.6621.60亞硝基硫酸正己烷510.099.98510.084.9868.5118.2887.9818.16490.52100.00己內酰胺60.0016.01149.130.78副產0.030.030.030.0011.893.1716.253.15六氫苯甲酰胺0.340.090.340.07合計90.03100.0510.10100.0600.1100.0374.8100.0484.46100.0490.5100.0溫度℃9837.039.3071.071.071.0熱容kj/kg/c2.152.302.312.012.541.86密度kg/cm3966.1648.0668.51061.01270.0粘度mpa.s4.350.260.873.10263.00.01物料平衡表第三十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日四.

設備、管道及其他部件的表示方法

1.

設備的表示方法(1)設備的形態(tài)：設備簡單的外形輪廓。(2)設備的線條：b/3細線，b=0.9mm。(3)設備的大?。合鄬Ρ壤?。(4)設備的位置：相對高度。(5)設備的簡化處理。第三十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日2.

管道的表示方法

工藝物料管道工藝物料埋地管道輔料及公用管道輔料及公用埋地管道儀表管道保溫管道電伴熱管道蒸汽伴熱管道夾套管道第三十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日管道的標注方法PL-T1301-80-B2A-H保溫等級管道等級公稱直徑管段代號介質代號第三十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日