高分子工程設(shè)計-第2章-工藝流程設(shè)計

工藝流程設(shè)計是高分子工程設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，它通過工藝流程圖的形式，形象地反映了聚合物合成生產(chǎn)裝置由原料進入到產(chǎn)品輸出的整個生產(chǎn)過程(物料和能量變化;物料流向;產(chǎn)品生產(chǎn)所經(jīng)歷的工藝過程及使用的設(shè)備儀表)。工藝流程設(shè)計是整個設(shè)計的核心,設(shè)備選型、工藝計算、設(shè)備布置等工作都與工藝流程有直接關(guān)系(只有確定工藝流程后才能展開其它作，它涉及各個方面，各方面的變化又影響工藝流程設(shè)計)。本章主要介紹工藝路線的選擇、工藝流程設(shè)計、工藝參數(shù)的選擇、典型設(shè)備的自控流程和工藝流程圖繪制五個內(nèi)容。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology§2.1工藝路線的選擇2.1.1高分子合成工藝路線

工藝路線也就是生產(chǎn)方法（productiontechnique）,是指使用何種原料、根據(jù)何種原理、選擇何種實施方法、通過何種操作過程實現(xiàn)從原料變?yōu)楫a(chǎn)品的方法(引進國外技術(shù)新建工廠;大型生產(chǎn)裝置的擴建;選用國內(nèi)開發(fā)成功的技術(shù)建廠;國內(nèi)成熟工藝技術(shù)的擴建、搬遷或改變生產(chǎn)技術(shù)路線),無論是何種類型均具有多樣性。原料不同

例如:生產(chǎn)尼龍6可用己內(nèi)酰胺()開環(huán)聚合或ω-氨基己酸(NH2(CH2)5COOH)縮聚；PET可先用對苯二甲酸二甲酯（DMT）和乙二醇(EG)酯交換反應(yīng)或?qū)Ρ蕉姿幔≒TA）和EG直接酯化得對苯二甲酸乙二醇酯（BHET）,然后進行縮聚。聚合機理不同

聚合反應(yīng)分為連鎖聚合和逐步聚合，表2-1為這兩種反應(yīng)機理的比較。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

表2-1兩種聚合機理的比較

有時,同一單體可由不同聚合機理進行聚合,如己內(nèi)酰胺以堿作催化劑時屬陰離子開環(huán)聚合,用水或酸作催化劑時屬逐步聚合。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

實施方法不同

同一個反應(yīng)體系可采用不同的工業(yè)實施方法。常見的聚合工業(yè)實施方法比較見表2-2。

表2-2常見聚合工業(yè)實施方法高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology操作過程不同

同一個反應(yīng)體系可采用不同的操作過程。常見的操作過程比較見表2-3。

表2-3常見的操作過程

選擇生產(chǎn)方法是決定設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵一步，如果產(chǎn)品只有一種生產(chǎn)方法，無須選擇；如果產(chǎn)品有幾種生產(chǎn)方法，就需逐個進行分析研究、比較、篩選，作為工藝流程設(shè)計的依據(jù)。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

工業(yè)生產(chǎn)過程控制目標(biāo)參數(shù)有產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、生產(chǎn)的安全性、可靠性、經(jīng)濟效益等,這些目標(biāo)參數(shù)通常也是比較、選擇、確定高分子合成工藝路線的依據(jù)或原則。2.1.2高分子合成工藝路線選擇原則滿足產(chǎn)品的性能指標(biāo)要求

不同的聚合工藝路線生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量不同,產(chǎn)品性能也有很大的差異。選擇工藝路線時,必須首先考慮該工藝路線生產(chǎn)出的產(chǎn)品性能能否滿足設(shè)計任務(wù)書中產(chǎn)品質(zhì)量要求。例如:1.在工業(yè)生產(chǎn)中,要得到高粘度PET,為什么用PTA而不用DMT為原料制備?2.LDPE和HDPE分子鏈結(jié)構(gòu)、性能和用途有什么不同?3.對于自由基聚合而言,四種常見實施方法生產(chǎn)的聚合物性能有什么區(qū)別,生產(chǎn)工藝有什么不同?高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

生產(chǎn)上的可靠性

指所選擇的工藝路線是否成熟可靠,投料生產(chǎn)后達到預(yù)期目標(biāo)的把握程度有多大。技術(shù)上的先進性

應(yīng)充分利用先進技術(shù)、工藝、設(shè)備,提高整套生產(chǎn)裝置的技術(shù)水平和經(jīng)濟效益。

經(jīng)濟上的合理性

選定適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟指標(biāo)(如投資建設(shè)費、生產(chǎn)操作費、投資能力、投資回收期、市場需求等)進行綜合比較以求最低成本和最大經(jīng)濟效益。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

生產(chǎn)裝置大型化

生產(chǎn)規(guī)模越大,投資費用占產(chǎn)品成本比例越低,而且大規(guī)模連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)裝置還具有占地面積少、布局緊湊、節(jié)約能源、勞動生產(chǎn)率高、操作過程及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、便于計算機系統(tǒng)控制和管理等優(yōu)點。清潔生產(chǎn)、注重可持續(xù)發(fā)展

工業(yè)生產(chǎn)中,”清潔生產(chǎn)”技術(shù)關(guān)鍵是從生產(chǎn)的源頭控制污染物的產(chǎn)生并全程控制污染。(減少污染來源;再循環(huán)利用;后處理;排放)符合國情

消費水平及消費趨勢;化工機械設(shè)備及電器儀表的制造能力;化工原料及設(shè)備用金屬材料的供應(yīng)情況;環(huán)境保護的有關(guān)規(guī)定和化工生產(chǎn)中三廢排放情況;勞動就業(yè)與化工生產(chǎn)自動化水平的關(guān)系;資金籌措和外匯儲備情況。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology2.1.3高分子合成工藝路線選擇主要步驟收集資料、調(diào)查研究

根據(jù)建設(shè)項目的產(chǎn)品方案及生產(chǎn)規(guī)模，全面搜集國內(nèi)外同類型生產(chǎn)廠的有關(guān)資料，包括技術(shù)路線及特點、工藝參數(shù)、原材料和公用工程單耗、產(chǎn)品質(zhì)量、三廢治理以及各種技術(shù)路線的發(fā)展情況與動向等。

具體而言:

國內(nèi)外生產(chǎn)情況，各種生產(chǎn)方法及工藝流程;原料來源及產(chǎn)品應(yīng)用情況;試驗研究報告;安全技術(shù)及勞動保護措施;綜合利用及三廢處理;生產(chǎn)技術(shù)是否先進，生產(chǎn)連續(xù)化、自動化程度;設(shè)備的大型化及制造、運輸情況;基本建設(shè)投資、產(chǎn)品成本、占地面積;水、電、氣、燃料的用量及供應(yīng)，主要基建材料的用量及供應(yīng);廠址、地質(zhì)、水文、氣象等資料;車間（裝置）環(huán)境與周圍的情況高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology分析與比較

全面分析對比的內(nèi)容很多，主要有：①幾種技術(shù)路線在國內(nèi)外采用的情況及發(fā)展趨勢；②產(chǎn)品的質(zhì)量情況；③生產(chǎn)能力及產(chǎn)品規(guī)格；④原材料、能量消耗情況；⑤建設(shè)費用及產(chǎn)品成本；⑥三廢的產(chǎn)生及治理情況；⑦其他特殊情況。得出不同工藝路線各項經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)的比較結(jié)果,掌握不同工藝路線的特點。

篩選與確定

將不同工藝路線的對比分析結(jié)果與本項目設(shè)計任務(wù)書相結(jié)合,根據(jù)建廠實際條件提出一個或幾個工藝路線方案,然后匯集相關(guān)專業(yè)專家及上級領(lǐng)導(dǎo)進行綜合論證與評定,確定最終工藝路線。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology§2.2工藝流程設(shè)計

工藝流程是指在整個生產(chǎn)過程中各種物料在各個工序及各個設(shè)備之間的流動過程及變化情況,或是指整個生產(chǎn)過程中各個工序和各個設(shè)備的任務(wù)以及它們之間的相互聯(lián)系。工藝流程設(shè)計是繼工藝路線選定之后,同車間布置設(shè)計決定整個車間（裝置）基本面貌的關(guān)鍵步驟，對設(shè)備設(shè)計和管路設(shè)計等單項設(shè)計也起著決定性作用,是將所選定工藝路線具體化的過程,是整個設(shè)計工作的核心,最終均以工藝流程圖形式體現(xiàn)。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology2.2.1工藝流程設(shè)計的主要原則實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)的基本要求實現(xiàn)工藝路線的基本要求資源的合理利用

滿足開、停車的需要

滿足安全生產(chǎn)及處理意外事故的需要

滿足”三廢”處理的需要

適當(dāng)留有發(fā)展余地高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology2.2.2工藝流程設(shè)計的主要任務(wù)及步驟①確定流程各生產(chǎn)過程的具體內(nèi)容、順序和組合方式②

繪制工藝流程圖主要任務(wù)主要步驟①選定主工藝流程,畫出工藝流程方案圖②選擇工藝參數(shù)以圖解形式表示生產(chǎn)過程(包括物料經(jīng)過各個單元操作過程流向及物料和能量變化情況，所涉及的化工過程和設(shè)備及其化工管道流程和計量控制流程)

高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology③確定控制方案④畫出工藝流程草圖⑤

配合物料衡算,畫出物料流程圖(PFD)⑥進行其它項目的設(shè)計(化工計算、設(shè)備機械設(shè)計、車間布置設(shè)計和管道設(shè)計等)⑦

畫出工藝管道及儀表流程圖(PID)⑧

“三廢”處理及其它輔助設(shè)計工藝流程的設(shè)計高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology2.2.3主工藝流程的確定

主工藝流程特指由原料變?yōu)楫a(chǎn)品這股物流和與之直接相關(guān)的物流在整個生產(chǎn)裝置中流動過程及變化情況①確定整個生產(chǎn)裝置由幾條生產(chǎn)線組成②確定整個過程由哪些工序組成確定主工藝流程的主要內(nèi)容③確定各個工序由哪些設(shè)備組成④確定各生產(chǎn)線、各工序間的交叉點⑤

確定各設(shè)備的操作條件⑥確定控制方案⑦對”三廢”處理過程及其它輔助過程提出工藝設(shè)計要求高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

首先根據(jù)反應(yīng)過程的特點、產(chǎn)品性能要求、物料特性、選定的基本工藝條件來選定反應(yīng)器的型式和數(shù)量,確定反應(yīng)器之間的連接方式,然后以反應(yīng)器為中心提出向外展開設(shè)計的條件和要求。②原料的預(yù)處理過程

實際生產(chǎn)中,一般根據(jù)需要采取預(yù)熱（冷）、汽化、干燥、粉碎篩分、提純精制、混合、配制、壓縮等化工單元操作對原料進行預(yù)處理。通常,原料預(yù)處理的化工操作過程是根據(jù)原料性質(zhì)、處理方法而選取不同的裝置及不同的輸送方式，從而可能設(shè)計出不同的流程。①以反應(yīng)過程為中心確定主工藝流程的工作方法高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology③

產(chǎn)物后處理過程

根據(jù)從反應(yīng)工序流出物料的組成和性質(zhì)以及設(shè)計任務(wù)對產(chǎn)品性能質(zhì)量指標(biāo)要求,對產(chǎn)物進行副產(chǎn)物處理、未反應(yīng)物分離與回收、溶劑或分散介質(zhì)分離與回收以及產(chǎn)物聚集態(tài)處理等,對應(yīng)用于產(chǎn)物凈化、分離設(shè)備類型、連接方式及操作仍然是整個工藝流程設(shè)計關(guān)鍵④產(chǎn)品后處理過程

聚合反應(yīng)后的最終產(chǎn)品在出廠前一般必須經(jīng)過檢驗、計量、包裝、儲存、運輸?shù)冗^程,這些過程一般比較簡單或有成套定型設(shè)備可供參考選擇,一般不是本設(shè)計的重點。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

工藝流程設(shè)計是一個由核心到一般、由局部到整體的設(shè)計過程。在工藝流程設(shè)計過程中,還應(yīng)以滿足生產(chǎn)任務(wù)、能源綜合利用、環(huán)保要求及經(jīng)濟效益為目標(biāo)函數(shù),對整個工藝流程設(shè)計進行全面地、系統(tǒng)地優(yōu)化組合與設(shè)計。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology工藝配方

引發(fā)劑或催化劑與單體的比例、共聚時各單體的投料比例、溶液聚合時單體的濃度、懸浮或乳液聚合時分散介質(zhì)與單體的比例、分散穩(wěn)定劑或乳化劑與單體的比例等。§2.3工藝參數(shù)的選擇2.3.1工藝參數(shù)

工藝參數(shù)是指物料狀態(tài)及物料變化程度的參數(shù)。控制物料進入設(shè)備的狀態(tài)及在設(shè)備中的變化程度,既是生產(chǎn)裝置能否正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵,也是生產(chǎn)裝置設(shè)計的依據(jù)。配比、組成、濃度、溫度、壓力、轉(zhuǎn)化率和體積等化學(xué)反應(yīng)、溫度變化、相態(tài)變化、濃度組成變化、質(zhì)量變化、流量變化、動能變化、位能變化和靜壓能變化等。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology反應(yīng)控制條件反應(yīng)終點產(chǎn)品指標(biāo)加料方式、操作過程等

反應(yīng)過程工藝參數(shù)的確定依據(jù)2.3.2反應(yīng)過程工藝參數(shù)的確定反應(yīng)溫度及變化、反應(yīng)壓力及變化、反應(yīng)時間或停留時間、物料流量等。單體轉(zhuǎn)化率、相對分子量及其分布、共聚組成及分布、顆粒大小及其分布等。①基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)②物料衡算結(jié)果③

基礎(chǔ)動力學(xué)模型(微觀動力學(xué)模型)④混合、流動模型、傳質(zhì)、傳熱模型⑤

反應(yīng)器操作方程高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

反應(yīng)過程工藝參數(shù)的選擇原則①預(yù)期的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)②預(yù)期的產(chǎn)量③經(jīng)濟效益④生產(chǎn)過程的安全性、穩(wěn)定性、生產(chǎn)過程是否容易操作、容易控制

假設(shè)反應(yīng)在小試裝置中的變化規(guī)律與大規(guī)模工業(yè)化規(guī)律相似,可在小試裝置上模擬工業(yè)裝置進行小試實驗,研究反應(yīng)規(guī)律,確定反應(yīng)工藝參數(shù),然后將該工藝過程在工業(yè)裝置上實施。

反應(yīng)過程工藝參數(shù)的確定方法①相似模擬法高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology②逐級經(jīng)驗放大法

小試結(jié)果通常不能完全模擬大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的實際情況,為了將小試科研成果開發(fā)設(shè)計成工業(yè)生產(chǎn)裝置,一般是建設(shè)一系列中間規(guī)模的實驗裝置(中試裝置),將小試結(jié)果逐級放大到中試裝置上進行實驗,研究生產(chǎn)規(guī)模變化對反應(yīng)過程的影響以確定實際工業(yè)生產(chǎn)的工藝參數(shù)。

首先建立一個能夠反映實際生產(chǎn)過程的綜合數(shù)學(xué)模型,然后通過計算機上求解該數(shù)學(xué)模型,模擬實際生產(chǎn)過程,如圖2-1所示。③

數(shù)學(xué)模擬法高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖2-1數(shù)學(xué)模擬過程

計算機模擬理論研究放大設(shè)計生產(chǎn)控制反應(yīng)機理熱模數(shù)據(jù)冷模數(shù)據(jù)微觀動力學(xué)模型反應(yīng)器傳遞模型流動、傳遞理論綜合數(shù)學(xué)模型高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnologya)將反應(yīng)器中發(fā)生的變化分解為化學(xué)反應(yīng)過程與物理過程;b)模仿工業(yè)裝置的反應(yīng)過程,建立小試裝置(熱模實驗裝置),研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律,建立微觀反應(yīng)動力學(xué)模型,根據(jù)熱模實驗數(shù)據(jù)確定微觀反應(yīng)動力學(xué)模型中的參數(shù);c)模仿工業(yè)裝置的流動及傳遞過程,建立冷模實驗裝置,在沒有化學(xué)反應(yīng)的條件下研究反應(yīng)器中物料的流動、混合、傳熱、傳質(zhì)規(guī)律,建立傳遞模型,通過冷模實驗數(shù)據(jù)確定傳遞模型中的參數(shù);d)通過物料及能量衡算將傳遞模型與反應(yīng)動力學(xué)模型結(jié)合起來,同反應(yīng)器操作方程建立數(shù)學(xué)模型;⑤通過計算機上求解該數(shù)學(xué)模型,模擬實際生產(chǎn)過程,確定最佳工藝參數(shù)。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

綜合數(shù)學(xué)模型用于大規(guī)模工業(yè)裝置設(shè)計之前要經(jīng)過一步或幾步中試規(guī)模實驗,檢驗綜合數(shù)學(xué)模型的可靠性，并進一步修正綜合數(shù)學(xué)模型,從而確保工程設(shè)計的可靠性。確定工藝參數(shù)的關(guān)鍵是所建立的數(shù)學(xué)模型能否很好地、全面地反映生產(chǎn)過程的本質(zhì)。④改進數(shù)學(xué)模擬法高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology§2.4典型設(shè)備的控制方案

聚合反應(yīng)生產(chǎn)過程中,除了使用一些典型設(shè)備如泵、換熱器、蒸餾塔、干燥設(shè)備等外,還有一個核心設(shè)備為反應(yīng)器。這些設(shè)備的控制方案是實現(xiàn)預(yù)定工藝過程及工藝參數(shù)的重要保證,特別是反應(yīng)器的控制方案會隨反應(yīng)體系特性和操作條件不同而不同。2.4.1泵的控制

離心泵.swf

當(dāng)流體輸送設(shè)備是離心泵時,管路中的流體流量通常采用直接流量調(diào)節(jié)和旁路流量調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)方式,此外還有分支流動控制方案,如圖2-2所示。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖2-2離心泵流量調(diào)節(jié)(a)直接流量調(diào)節(jié)(b)旁路流量調(diào)節(jié)(c)泵的分支流動控制方案高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology容積式泵（往復(fù)泵、齒輪泵、螺桿泵和旋渦泵等）

當(dāng)流量減小時,容積式泵的壓力急劇上升，通常采用旁路調(diào)節(jié)或改變轉(zhuǎn)速、改變沖程大小來調(diào)節(jié)流程,而不能采用直接流量調(diào)節(jié)，如圖2-3所示。真空泵

真空泵可采用吸入支路調(diào)節(jié)和吸入管阻力調(diào)節(jié)的方案,見圖2-4。圖2-3旁路調(diào)節(jié)圖2-4真空泵流量調(diào)節(jié)(a)真空管吸入支路調(diào)節(jié)(b)真空管吸入管阻力調(diào)節(jié)高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology2.4.2換熱器的控制（動畫）

列管式換熱器化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的傳熱設(shè)備,其主要控制參數(shù)是物料出口溫度,一般采用載熱體流量的調(diào)節(jié)來控制,此外還可調(diào)節(jié)傳熱面積(僅適用于蒸汽冷凝換熱器)和分流調(diào)節(jié)來控制,如圖2-5所示。圖2-5換熱器控制方案(a)換熱介質(zhì)流量調(diào)節(jié)方案(b)傳熱面積調(diào)節(jié)方案(c)分流調(diào)節(jié)方案高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology2.4.3反應(yīng)器的控制

反應(yīng)溫度的控制

反應(yīng)溫度的控制主要是通過與外界進行熱量交換來實現(xiàn)的,不同的聚合反應(yīng)器中,聚合反應(yīng)機理不同、操作方式不同、溫度控制要求不同、傳熱介質(zhì)、傳熱方向及控制特點不同。⑴常見的傳熱方式及傳熱介質(zhì)①電加熱

安全、無污染、控制過程簡單,但費用較高。②冷卻及加熱介質(zhì)

表2-4和2-5分別為常見冷卻介質(zhì)及使用溫度范圍和常見加熱介質(zhì)及使用溫度范圍。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology表2-4常見冷卻介質(zhì)及使用溫度圍表2-5常見加熱介質(zhì)及使用溫度范圍高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology⑵

典型反應(yīng)溫度控制方案①電加熱控制

通過調(diào)節(jié)加熱電壓改變加熱功率來控制反應(yīng)溫度,一般用于實驗室裝置或小規(guī)模工業(yè)裝置。②一次循環(huán)控制

通過調(diào)節(jié)傳熱介質(zhì)的流量來控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度,這種控制方式比較簡單靈活適用于反應(yīng)器連續(xù)操作時的溫度控制,如圖2-6所示。傳熱介質(zhì)可以為液相(流動方向一般為下進上出)也可為氣相(流動方向一般為上進下出)。圖2-6一次循環(huán)控制高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology③二次循環(huán)控制

通過調(diào)節(jié)一次循環(huán)(大循環(huán))傳熱介質(zhì)的流量來改變二次循環(huán)(小循環(huán))中傳熱介質(zhì)的溫度,從而控制反應(yīng)器內(nèi)溫度,如圖2-7所示。圖2-7二次循環(huán)控制高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology④反應(yīng)液外循環(huán)控制

將反應(yīng)器中的物料導(dǎo)出,在外置換熱熱交換后再送回反應(yīng)器中,如圖2-8所示。這種控制方式加熱、撤熱迅速、物料溫度改變較快,由于在換熱器中物料溫度變化5～10℃且無攪拌,因此此控制方式不適宜對溫度控制嚴(yán)格的反應(yīng)體系和高粘流體、懸浮聚合及乳液聚合。圖2-8反應(yīng)液外循環(huán)控制高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology⑤汽化冷凝控制

單體、溶劑、分散介質(zhì)等小分子化合物汽化后從反應(yīng)器上部進入一個冷凝器,在冷凝器中冷凝后又回到反應(yīng)器中,如圖2-9所示。這種控制方式是靠小分子化合物汽化帶走大量的熱,撤熱迅速適合連鎖聚合反應(yīng)。圖2-9汽化冷凝控制高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology⑥分程控制

當(dāng)一個控制點的參數(shù)變化范圍比較大時,不同范圍需用不同的方法調(diào)節(jié),通常根據(jù)控制器輸出值的范圍分別控制兩個或兩個以上的調(diào)節(jié)閥,這種控制方式常用于間歇操作過程,圖2-10為氯乙烯懸浮聚合間歇操作溫度控制方案示意圖。圖2-10氯乙烯懸浮聚合間歇操作溫度控制方案示意圖高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

反應(yīng)壓力的控制

聚合反應(yīng)器中的壓力控制隨著反應(yīng)體系性質(zhì)的變化差別很大,對應(yīng)的壓力控制方案也不同。

①正壓控制

通過調(diào)節(jié)上升氣體的流量來控制,適合于一般的溶液聚合、懸浮聚合和乳液聚合,如圖2-11(a)所示。②負壓控制

通過調(diào)節(jié)真空泵抽氣量控制反應(yīng)器內(nèi)真空度,如圖2-11(b)所示通過關(guān)閉緩沖罐上放空閥門控制反應(yīng)器壓力,如圖2-11(c)所示圖2-11(d)為間歇縮聚時反應(yīng)器壓力控制方案。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖2-11常見聚合反應(yīng)壓力控制方案示意圖高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

反應(yīng)器液位的控制

反應(yīng)器間歇操作時,反應(yīng)器中的液位是通過每批加料量來決定的,一種是進料時打開進料泵,物料到達預(yù)定的液位時關(guān)閉進料泵,如圖2-12(a)所示。另一種是通過簡單的溢流裝置控制每批進料量相同,如圖2-12(b)所示。

反應(yīng)器連續(xù)操作時,反應(yīng)器中的液位高度是一個重要的控制參數(shù),它與物料流量共同決定物料在反應(yīng)器中的有效反應(yīng)體積,從而確定物料在反應(yīng)器中的平均停留時間,一種是出料流量一定,調(diào)節(jié)進料管路上的閥門,調(diào)節(jié)進料流量來控制反應(yīng)器中液位高度,如圖2-12(C)所示一種是進料流量一定,調(diào)節(jié)出料管路上的閥門,調(diào)節(jié)出料流量來控制反應(yīng)器中液位高度,如圖2-12(d)所示。另一種是通過調(diào)節(jié)容積泵的流量來控制反應(yīng)器中的液位高度,如圖2-12(e)所示高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖2-12常見聚合反應(yīng)器液位控制方案示意圖高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

圖2-13為氯乙烯聚合釜的管道儀表流程

圖2-13氯乙烯聚合釜的管道儀表流程高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology2.4.4報警、切斷和連鎖報警

控制參數(shù)值超出控制范圍但短時間內(nèi)不至于引起生產(chǎn)事故,且操作工人有時間采取措施解決事故的情況下采用聲或光等方式報警。切斷

對于不立即采取措施可能會產(chǎn)生安全事故的情況要設(shè)置自動切斷系統(tǒng)。聯(lián)鎖

一般是指兩個或多個設(shè)備按固定程序執(zhí)行的控制方式。對于生產(chǎn)裝置的開停車過程、間歇操作過程或發(fā)生意外時可部分采用這種控制方式。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology§2.5工藝流程圖的繪制

化工工藝圖紙大致分為工藝流程圖、設(shè)備工藝條件圖、車間及廠房布置圖、管道布置圖等,它不僅是工藝流程設(shè)計最終結(jié)果的一種表達形式,而且是非工藝專業(yè)設(shè)計、設(shè)備制造、安裝、調(diào)試以及指導(dǎo)生產(chǎn)的重要依據(jù),是設(shè)計文件的重要組成部分。圖紙的基本組成2.5.1化工工藝圖紙繪制的基本知識

一般工程制圖紙大致由圖、圖例、圖框、標(biāo)題欄、明細表、技術(shù)說明等組成,如圖2-14所示。圖2-14一般圖紙布局高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖紙幅面

圖紙幅面應(yīng)遵循國家標(biāo)準(zhǔn)《技術(shù)制圖圖紙幅面及格式》(GB/T14689-93)的規(guī)定,優(yōu)先選用A0～A4幅面,如圖2-15和表2-6所示。圖2-15圖紙幅面表2-6圖紙幅面尺寸高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖形比例

圖形比例應(yīng)遵循國家標(biāo)準(zhǔn)《技術(shù)制圖比例》(GB/T14690-93)的規(guī)定,在標(biāo)題欄中注明,若局部放大圖、剖視圖、剖面圖等應(yīng)在視圖上方標(biāo)注比例如圖2-16所示。文字的格式

圖紙中的漢字、字母、數(shù)字的書寫格式要統(tǒng)一、大小要適當(dāng)圖2-16圖形比例高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology方案流程圖

在方案流程圖中可用方框圖表示出各工序、各主要設(shè)備間的組成關(guān)系。方案流程圖大致體現(xiàn)所選工藝過程即可,是在工藝流程設(shè)計全面展開之間繪制,它為工藝方案討論和工藝流程設(shè)計服務(wù)。

工藝流程圖是以圖形、符號、代號、文字說明等表示化工設(shè)備、管道、管件及閥門、自控儀表等內(nèi)容及相互關(guān)系來說明物料在化工生產(chǎn)裝置中的流向、變化及工藝控制的示意性圖紙。按設(shè)計階段的順序大致分為方案流程圖、工藝流程草圖、物料流程圖、工藝流程圖(PFD)、管道儀表流程圖(PID)等。其中,前三個圖通常不作為正式的設(shè)計文件。2.5.2非正式工藝流程圖高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology工藝流程草圖(工藝流程示意圖)

工藝流程草圖定性描述主物料流經(jīng)的設(shè)備及流向,由設(shè)備示意圖、物料管線和文字注釋組成,可簡捷明了地繪制,不必畫出圖框、標(biāo)題欄,也可沒有明細表和圖例等,它是在工藝流程設(shè)計不斷展開過程中逐步畫出的,主要是為展開化工計算服務(wù)的。①設(shè)備示意圖

將主物料流程中的主要設(shè)備按物料流經(jīng)順序自左至右依次繪制。此階段只需細實線畫出設(shè)備大致的外型輪廓,不必嚴(yán)格按比例繪制,設(shè)備之間用物料管線連接。高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology③

文字注釋

對設(shè)備進行注釋,在各設(shè)備輪廓內(nèi)或附近注明設(shè)備的代號及名稱;對流入、流出系統(tǒng)中各股物料標(biāo)明名稱、來源或去向。圖2-17為PTA直接酯化縮聚連續(xù)操作工藝流程草圖;圖2-18為丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作工藝流程草圖②物料管線

用帶箭頭的粗實線畫出全部主物料管線,用帶箭頭的中粗實線畫出重要輔助物料管線如水、水蒸氣、壓縮空氣和真空等高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖2-17PTA直接酯化縮聚連續(xù)操作工藝流程草圖高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖2-18丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作工藝流程草圖高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology物料流程圖

它是以圖形及表格的形式表示整個生產(chǎn)工藝過程中物料的數(shù)量平衡關(guān)系、各股物料的狀態(tài)參數(shù)和性能參數(shù)。它是在物料及熱量衡算完成后繪制的,它也可以在工藝流程草圖的基礎(chǔ)上繪制,只需再定義一個與物料平衡表相對應(yīng)的物料號。物料號放在相應(yīng)的物料管線的菱形框中或物料管線的上方(左側(cè)),物料的流量及各種參數(shù)在物料平衡表中給出。通常,在工藝流程圖管線上標(biāo)明物料號,用工藝流程圖代替物料流程圖編入設(shè)計文件。圖2-19為丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作物料平衡關(guān)系示意圖,圖2-20為PTA直接酯化縮聚連續(xù)操作主反應(yīng)器物料平衡關(guān)系示意圖高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖2-19丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作物料平衡關(guān)系示意圖圖2-20PTA直接酯化縮聚連續(xù)操作主反應(yīng)器物料平衡關(guān)系示意圖高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology2.5.3正式工藝流程圖2.5.3.1工藝流程圖

工藝流程圖內(nèi)容包括整個工藝流程、主要控制方案、操作參數(shù)和設(shè)備參數(shù)等,它是重要的設(shè)計及操作技術(shù)資料,是要編入設(shè)計文件中的,主要是在擴大初步設(shè)計階段完成,是施工圖設(shè)計階段的主要依據(jù),圖紙主要內(nèi)容有物料流程示意圖、圖例、注釋、標(biāo)題欄、設(shè)備一覽表等。物料流程示意圖的主要內(nèi)容及畫法⑴設(shè)備的畫法①按主物料流經(jīng)順序自左向右依次繪制,備用設(shè)備不必畫,多條相同生產(chǎn)線只需畫一條生產(chǎn)線即可高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology②用細實線按比例畫出各設(shè)備外型輪廓及主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)特征、換熱器的管程及殼程的折流擋板等,泵、壓縮機等設(shè)備不按比例繪制。常見設(shè)備的畫法如表2-7所示。表2-7常見設(shè)備的畫法高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology③PFD應(yīng)在設(shè)備一覽表中標(biāo)注出設(shè)備的外型尺寸。④

注明設(shè)備名稱及位號,設(shè)備分類代號可參考表2-8,標(biāo)注方法可參考圖2-21。表2-8設(shè)備分類代號圖2-21設(shè)備名稱及位號標(biāo)注方法高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology⑵物料管線的表示方法①

用帶流向的粗實線作為物料管線表示物流及流向。②每一物流定義一個與物料平衡表相應(yīng)的物流號放在菱形框或矩形框中,也可寫在物料管線的上方或左側(cè)。對于關(guān)鍵的操作點還應(yīng)當(dāng)表示出該物流點的溫度或壓力。③物料管線間以及物料管線與控制儀表間的交叉需要斷開繪制。如主物料管線連接、輔助物料管線斷開;斷開水平線或斷開垂直線;物料管線連接、控制儀表連線斷開等如圖2-22所示。圖2-22物料管線的畫法高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology④

工藝流程圖的物料管線上要畫出主要的閥門和管件,常見閥門及管件的圖形符號如表2-9所示。表2-9常見閥門及管件的圖形符號高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology⑤當(dāng)一張圖不能完全表示出整個流程時,可在適當(dāng)部位斷開繪制成多張工藝流程圖,多張圖紙中的物料管線的進出點用尖方框表示,并說明物料來或去的流程圖號及來或去的設(shè)備位號,如圖2-23所示。⑶

控制方案表示方法

在流程圖中應(yīng)表示出主要設(shè)備的控制方案?？刂品桨傅闹饕獌?nèi)容有檢測點、檢測控制參數(shù)、儀表功能、調(diào)節(jié)閥門、執(zhí)行機構(gòu)、儀表安裝位置等,它是通過儀表圖形符號、調(diào)節(jié)閥門及執(zhí)行機構(gòu)圖形符號、儀表連線等表示出來的。圖2-23多張圖紙中的物料管線的進出點表示方法高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology①儀表圖形符號應(yīng)表示出儀表安裝位置、檢測控制參數(shù)、儀表功能等內(nèi)容,它由儀表安裝位置圖形符號和儀表位號組成,表2-10為常見儀表安裝位置圖形符號,圖2-24為儀表圖形符號的畫法。表2-1常見儀表安裝位置圖形符號高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

圖2-24中,儀表符號由字母和數(shù)字組成,第一字母表示檢測參數(shù),第二及其以后字母表示該參數(shù)所需的儀表功能,如表2-11所示為常用檢測控制參數(shù)代號及儀表功能代號。前兩位為儀表所在工序序號,后面數(shù)字為儀表序號圖2-24儀表圖形符號的畫法表2-11常用檢測控制參數(shù)代號及儀表功能代號高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology②各種調(diào)節(jié)閥門通常需配置執(zhí)行機構(gòu),一般畫在物料管線上,執(zhí)行機構(gòu)畫在閥門上。以閘閥為例的執(zhí)行機構(gòu)圖形符號如表2-12所示。③儀表連線用于表示檢測點、調(diào)節(jié)閥門及控制儀表間的相互關(guān)系。表2-12執(zhí)行機構(gòu)圖形符號高分子工程設(shè)計DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖例及注釋

工藝圖紙中所涉及大量的設(shè)備、物料管線、管件及閥門、自控儀表等圖形符號等在整個工程設(shè)計中必須保持一致,還必須用圖例說明各種圖形符號表示的具體內(nèi)容,無法用圖形方式表明的設(shè)計數(shù)據(jù)及要求等可