化工設(shè)計(jì) 第五章

化工設(shè)計(jì)第五章第1頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一要求（1）確定整個(gè)流程的組成例如合成氨生產(chǎn)工藝造氣變換銅洗合成煤或油水蒸氣己內(nèi)酰胺生產(chǎn)工藝加氫氧化羥胺肟化重排苯H2O2H2硝酸第2頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(2)確定各個(gè)過(guò)程或工序的組成例如合成氨工藝中的變換工段變換反應(yīng)：CO+H2OCO2+H2水洗CO2+H2OH2CO3堿洗CO2+NaOHNa2CO3+H2O變換反應(yīng)水洗堿洗H2,N2,COCO2及少量惰性氣體第3頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(3)確定操作條件。

?、。┓磻?yīng)器操作參數(shù)的確定

1）溫度

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

b考慮反應(yīng)的選擇性（按主付反應(yīng)活化能的大?。┤?/p>

APAS如果E1為主反應(yīng)的活化能，且E1﹥E2則高溫有利于主反應(yīng)

E1E2第4頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

c溫度的限制條件（材質(zhì)和催化劑的要求）

2）壓力

a反應(yīng)速度

b反應(yīng)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(chǎn)生氣液兩相）

3）組成

a某一反應(yīng)物要求很高的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化率100%，采取CO過(guò)量

b產(chǎn)物與反應(yīng)物分離困難如C6H6（苯）+H2→C6H12（環(huán)己烷）第5頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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

c反應(yīng)的濃度效應(yīng)（濃度對(duì)主付反應(yīng)速率的影響）

d分離循環(huán)費(fèi)用

4）反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率

a轉(zhuǎn)化率和所需反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

b各種轉(zhuǎn)化率下的產(chǎn)品分布

c反應(yīng)系統(tǒng)和分離系統(tǒng)的設(shè)備價(jià)格ⅱ）精餾塔工藝參數(shù)的確定

1）塔壓（實(shí)質(zhì)上是塔頂塔釜溫度選取的問(wèn)題）第6頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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(duì)于P﹥1.6MPa時(shí)，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(duì)于價(jià)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(duì)于產(chǎn)品純度極高的精密精餾，取較大R/Rmin值（因?yàn)?/p>

R/Rmin較小，塔板數(shù)急劇增加）

3）產(chǎn)品純度和回收率（正確選定產(chǎn)品的純度有重大的經(jīng)濟(jì)意義）第7頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(4)確定控制方案。

a離心泵的流量控制FRCPIFRCPI第8頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

b液位控制溢流控制液面LIC出料控制液面LICFC進(jìn)料控制液面第9頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

C兩個(gè)液相的界面控制(液-液分離）LICLIC臥式容器界面控制第10頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一d塔壓調(diào)節(jié)PIC第11頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

(5)確定過(guò)程的綜合平衡

(6)確定三廢治理方法。

(7)制定安全生產(chǎn)措施。

(8)其他實(shí)際要求（清洗、冷凝

水回用、副產(chǎn)物的利用等）。第12頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二化工過(guò)程合成方法（一）反應(yīng)過(guò)程的合成首先確定過(guò)程性質(zhì)和輸入、輸出條件。性質(zhì)：連續(xù)或間歇（產(chǎn)量、市場(chǎng)需求、操作上特殊要求）輸入條件：進(jìn)口的原料是否需經(jīng)預(yù)處理（根據(jù)雜質(zhì)的毒性、反應(yīng)性、量）輸出：確定目的產(chǎn)品和流股數(shù)（反應(yīng)產(chǎn)品有6個(gè)去向：主產(chǎn)品、聯(lián)產(chǎn)或副產(chǎn)品、低價(jià)值的燃料、排空、循環(huán)、有害物去三廢處理）第13頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例乙苯反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)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(lèi)副產(chǎn)物中，除雜環(huán)化合物在高溫下聚合，其他副產(chǎn)物的生成都為可逆反應(yīng)。乙烷、乙烯→放空或排至燃料氣管網(wǎng)苯、甲苯→循環(huán)乙苯→主產(chǎn)品（出反應(yīng)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(chǎn)品第14頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一反應(yīng)器的選型1反應(yīng)器的分類(lèi)形狀：管式、釜式、塔式換熱方式：等溫、絕熱、非等溫非絕熱反應(yīng)物系的相態(tài)：均相、非均相（氣固、氣液、氣液固）2反應(yīng)器選型的方法形態(tài)分析法：對(duì)一個(gè)問(wèn)題的各個(gè)部分的所有可能方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，用邏輯結(jié)構(gòu)代替隨機(jī)的想法，從而篩選出最佳方案。過(guò)程分為二步分支：找出所有可供選擇的方案。收斂：根據(jù)若干判據(jù)對(duì)各個(gè)供選擇的方案進(jìn)行淘汰。第15頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3反應(yīng)器選型判據(jù)：反應(yīng)器類(lèi)型（即反應(yīng)介質(zhì)的相態(tài)，此為最簡(jiǎn)單、首先使用的判據(jù)）催化劑失活速度由反應(yīng)的濃度效應(yīng)決定的混合要求由反應(yīng)的熱負(fù)荷和溫度效應(yīng)決定熱量傳遞和溫度控制要求相際傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的相對(duì)速度主要工藝參數(shù)選擇（略）ABC判據(jù)問(wèn)題結(jié)論第16頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（二）分離過(guò)程的合成分離方案數(shù)ABCABCABABCBCABCABCABBCABCABCABCABCABCABCACBABCACB第17頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1分離方法選擇探試規(guī)則：根據(jù)過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和研究對(duì)象的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行半定量分析所得的結(jié)論。根據(jù)探試規(guī)則得出的結(jié)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(shè)計(jì)速度。幾個(gè)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?jǐn)?shù)的比分離因子：兩個(gè)組分分配系數(shù)的比例質(zhì)量分離劑和能量分離劑：加到分離單元，對(duì)所需要的分離做出貢獻(xiàn)的組分次序表：進(jìn)料各組分按照分配系數(shù)遞減的次序所排列的表關(guān)鍵組分：決定分離要求的兩個(gè)組分第18頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(guò)程分子性質(zhì)受影響的分離過(guò)程分子量精餾、蒸發(fā)分子形狀吸附、結(jié)晶分子體積吸附偶極距、極性萃取、吸附分子電負(fù)荷電除法、電除霧化學(xué)活性化學(xué)吸收、反應(yīng)精餾（2）盡量避免極端的過(guò)程條件（3）當(dāng)分離過(guò)程需要多個(gè)分離級(jí)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇平衡分離過(guò)程而不選擇速度控制過(guò)程。第19頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（4）當(dāng)分離因子相同時(shí)，選擇能量分離劑而不選擇質(zhì)量分離劑（5）在選擇分離方案時(shí)首先考慮采用精餾，精餾具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

a精餾是一個(gè)使用能量分離劑的平衡過(guò)程

b系統(tǒng)內(nèi)不含固體物料，操作方便

c有成熟的理論和實(shí)踐

d處理產(chǎn)品數(shù)量的范圍寬

e常常只需要能位等級(jí)很低的分離劑例：正丁烯、異丁烯混合物欲分離成純物質(zhì)，試根據(jù)分子性質(zhì)選擇分離方法解：由于正丁烯與異丁烯為同分異構(gòu)體，分子體積、偶極距和極性差別很小，預(yù)計(jì)精餾、萃取、吸收等過(guò)程都不能有效將該混合物分離，只能根據(jù)反應(yīng)活性的差別進(jìn)行分離。利用水與異丁烯反應(yīng)的特點(diǎn)進(jìn)行分離。第20頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2分離序列的確定探試合成法、調(diào)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(yīng)把關(guān)鍵組分的相對(duì)揮發(fā)度最接近于1的最困難分離放在最后。

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

c應(yīng)首先把混合物分成分子數(shù)接近的兩股流。

d對(duì)于回收率要求高的分離應(yīng)放在最后。

e對(duì)于容易造成系統(tǒng)腐蝕或結(jié)焦的組分應(yīng)首先除去，以降低后續(xù)設(shè)備的材質(zhì)要求，保持穩(wěn)定操作。第21頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3塔型的選擇板式塔的適用場(chǎng)合：（1）大直徑（2）液體負(fù)荷特別?。ㄅ菡炙?）臟的物系，須定期清理（4）有多股側(cè)線(xiàn)進(jìn)出料（5）反應(yīng)精餾，需要一定的停留時(shí)間填料塔的適用場(chǎng)合（1）要求低阻力（2）熱敏物質(zhì)（持液量少，停留時(shí)間短）（3）發(fā)泡系統(tǒng)（4）腐蝕性介質(zhì)第22頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例環(huán)氧丙烷過(guò)程概念設(shè)計(jì)1過(guò)程簡(jiǎn)介主反應(yīng)

Cl2+H2O→HCl+HClOHClO+C3H6→ClC3H6OH副反應(yīng)

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

2ClC3H6OH+Ca(OH)2→CaCl2+H2O+2C3H6O第23頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氣體循環(huán)壓縮機(jī)反應(yīng)器溶氯器氯氣丙烯出料放空2現(xiàn)有生產(chǎn)裝置情況第24頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3過(guò)程分析和試驗(yàn)（1）二氯丙烷由氯氣與丙烯在氣相中直接反應(yīng)的產(chǎn)物（2）二氯異丙基醚是串聯(lián)副產(chǎn)物要抑制付反應(yīng)，提高反應(yīng)的選擇性，須阻止氯氣與丙烯接觸，降低主產(chǎn)品氯丙醇的濃度。第25頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一C3H6Cl2水反應(yīng)器反應(yīng)器反應(yīng)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26頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5對(duì)小試數(shù)據(jù)的初步評(píng)價(jià)已知條件（1）氣相法丙烯選擇性86%

液相法---------------94%（2）皂化反應(yīng)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(jìn)料組成C3H699.5%C3H80.5%（6）循環(huán)比（循環(huán)氣比丙烯進(jìn)料）7.5（7）丙烯價(jià)格3900元/噸（8）氯價(jià)格800元/噸（9）電價(jià)格0.65元/kw.h第27頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一以100kmol丙烯進(jìn)料計(jì)，可對(duì)兩種工藝的可變成本進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：氣相法液相法單耗單價(jià)費(fèi)用單耗單價(jià)費(fèi)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(jì)4806.34223.2對(duì)多數(shù)化工產(chǎn)品，可變成本占生產(chǎn)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(chǎn)成本低10%以上，經(jīng)濟(jì)上占優(yōu)勢(shì)。第28頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6流程和工藝參數(shù)的改進(jìn)概念設(shè)計(jì)的任務(wù)之二，考察小試數(shù)據(jù)是否齊全，流程、工藝參數(shù)是否可改進(jìn)。（1）壓力：加壓，利于溶氯（2）溫度：提溫對(duì)反應(yīng)無(wú)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(qiáng)傳質(zhì)。（4）溶氯填料塔改為噴射溶氯，降低造價(jià)。（5）加壓下溶氯試驗(yàn)（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(bǔ)充試驗(yàn)）（6）材質(zhì)試驗(yàn)（尤其溫度對(duì)腐蝕的影響）第29頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一7中試裝置設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)任務(wù)之三，研究有無(wú)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(wèn)題和取得的數(shù)據(jù)。（1）必要性氣體分布器孔徑增大，傳質(zhì)情況發(fā)生變化新材料（氟塑料）、新設(shè)備（噴射溶氯）試驗(yàn)（2）中試裝置的地點(diǎn)（3）中試裝置的流程（可用單個(gè)循環(huán)反應(yīng)間歇操作）（4）中試規(guī)模第30頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三.工藝流程圖設(shè)計(jì)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(diǎn)的工藝流程圖。第31頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（1）將各設(shè)備的簡(jiǎn)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(xiàn)，管件、閥件、 儀表控制點(diǎn)等符號(hào)（3）注寫(xiě)設(shè)備位號(hào)及名稱(chēng)。（4）注寫(xiě)代號(hào)、符號(hào)及其他標(biāo)注的說(shuō)明（5）填寫(xiě)標(biāo)題欄，注寫(xiě)圖名、圖號(hào)。第32頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一環(huán)己酮肟溶解槽環(huán)己酮肟中間槽重排反應(yīng)器熟化反應(yīng)器正己烷濃硫酸正己烷蒸汽反應(yīng)式環(huán)己酮肟濃硫酸己內(nèi)酰胺-H第33頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一M01V02V03P01P02P03R01R02E01

V02P01M01V03P02R01E01P03R02環(huán)己酮肟中間槽環(huán)己酮肟進(jìn)料泵混合器環(huán)己酮肟溶解槽循環(huán)泵反應(yīng)器冷卻器循環(huán)泵熟化反應(yīng)器第34頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

V02P01M01V03P02R01E01P03R02環(huán)己酮肟中間槽環(huán)己酮肟進(jìn)料泵混合器環(huán)己酮肟溶解槽循環(huán)泵反應(yīng)器冷卻器循環(huán)泵熟化反應(yīng)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(tuán)R03第35頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

01

02

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04

05

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(nèi)酰胺60.0016.01149.130.78副產(chǎn)0.030.030.030.0011.893.1716.253.15六氫苯甲酰胺0.340.090.340.07合計(jì)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36頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四.

設(shè)備、管道及其他部件的表示方法

1.

設(shè)備的表示方法(1)設(shè)備的形態(tài)：設(shè)備簡(jiǎn)單的外形輪廓。(2)設(shè)備的線(xiàn)條：b/3細(xì)線(xiàn)，b=0.9mm。(3)設(shè)備的大小：相對(duì)比例。(4)設(shè)備的位置：相對(duì)高度。(5)設(shè)備的簡(jiǎn)化處理。第37頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.

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38頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一管道的標(biāo)注方法PL-T1301-80-B2A-H保溫等級(jí)管道等級(jí)公稱(chēng)直徑管段代號(hào)介質(zhì)代號(hào)第39頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一