化工设计 教案(全面).doc

第一章 化工厂设计的内容与程序第一节 化工设计的种类化工设计可根据项目性质分类，也可按设计性质分类。 一、根据项目性质分类（一）新建项目设计新建项目设计包括新产品设计和采用新工艺或新技术的产品的设计。这类设计往往由开发研究单位提供基础设计，然后由工程研究部门根据建厂地区的实际情况作出工程设计。（二）重复建设项目设计由于市场需要，有些产品需要再建生产装置，由于新建厂的具体条件与原厂不同，即算是产品的规模、规格及工艺完全相同，还是需要由工程设计部门进行设计。（三）已有装置的改造设计一些老的生产装置其产品质量和产量均不能满足客户要求，或者由于技术原因，原材料和能量消耗过高而缺乏竞争能力，必须对老装置进行改造，其中包括去掉影响产品产量和质量的“瓶颈”，优化生产过程操作控制，以及提高能量的综合利用率和局部的工艺或设备改造更新等。这类设计往往由生产企业的设计部门进行。二、根据设计性质分类（一）新技术开发过程中的设计(1)概念设计。基础研究结束后，应进行概念设计。概念设计的规模应是工业化时的最佳规模。概念设计是从工程角度出发进行的一种假想设计，其作法可参照常规的工程设计方法和步骤，设计工艺流程，进行全系统的物料衡算、热量衡算和设备工艺计算，确定工艺操作条件及主要设备的型式和材质，进行参数的灵敏度和生产安全分析，确定三废治理措施，计算基建投资、产品成本等主要技术经济指标。(2)中试设计。按照现代技术开发的观点，中试的主要目的是验证模型和数据，即概念设计中的一些结果和设想通过中试来验证。(3)基础设计。基础设计是新技术开发的最终成果，它是工程设计的依据。基础设计有些类似于我国的技术设计，但又有很大的差别。与技术设计不同的是基础设计除了一般的工艺条件外，还包括了大量的化学工程方面的数据，特别是反应工程方面的数据，以及利用这些数据进行设计计算的结果。（二）工程设计根据工程的重要性、技术的复杂性和技术的成熟程度及计划任务书的规定，工程设计可分为三段设计、两段设计和一段设计。重要的大型企业和使用较复杂的技术时，为了保证设计质量，可以按初步设计、扩大初步设计及施工图设计三个阶段进行。一般技术比较成熟的大中型工厂或车间的设计，可按扩大初步设计和施工图设计两个阶段的设计。技术上比较简单、规模较小的工厂或车间的设计，可直接进行施工图设计，即一个阶段的设计。1初步设计根据设计任务书，对设计对象进行全面的研究，寻求在技术上可能、经济上合理的最符合要求的设计方案。主要是确定全厂性的设计原则、标准和方案，水、电、汽的供应方式和用量，关键设备的选型及产品成本、项目投资等重大技术经济问题。编制初步设计书，其内容和深度能使对方了解设计方案、投资和基本出处为准。2扩大初步设计根据已批准的初步设计，解决初步设计中的主要技术问题，使之明确、细化。编制准确度能满足控制投资或报价使用的工程概算。3.施工图设计根据已批准的扩大初步设计，结合建厂地区条件，在满足安全、进度及控制投资等前提下开展施工图设计，其成品是详细的施工图纸和必要的文字说明及工程预算书。第二节 化工厂设计的工作程序一般的化工设计的工作程序是以基础设计为依据提出项目建议书，经上级主管部门认可后写出可行性研究报告，上级批准后，编写设计任务书，进行扩大初步设计，后者经上级主管部门认可后进行施工图设计。一、项目建议书项目建议书是进行可行性研究和编制设计任务书的依据，应包括下列内容。1.项目建设目的和意义，即项目提出的背景和依据，投资的必要性及经济意义；2.产品需求初步预测；3.产品方案和拟建规模；4.工艺技术方案（原料路线、生产方法和技术来源）；5.资源、主要原材料、燃料和动力的供应；6.建厂条件和厂址初步方案；7.环境保护；8.工厂组织和劳动定员估算；9.项目实施规划设想；10.投资估算和资金筹措设想；11.经济效益和社会效益的初步估算。二、可行性研究可行性研究是以拟建项目进行全面分析及多方面比较，对其是否应该建设及如何建设作出论证和评价，为上级机关投资决策和编制、审批设计任务书提供可靠的依据。根据原化工部对“可行性研究报告”的有关规定，可行性研究报告的内容如下。1.总论。包括项目名称、进行可行性研究的单位、技术负责人、可行性研究的依据、可行性研究的主要内容和论据、评价的结论性意见、存在问题和建议等，并附上主要技术经济指标表。2.需求预测。包括国内外需求情况预测和产品的价格分析。3.产品的生产方案及生产规模。4.工艺技术方案包括工艺技术方案的选择、物料平衡和消耗定额、主要设备的选择、工艺和设备拟采用标准化的情况等内容。5.原材料、燃料及水电汽的来源与供应。6.建厂条件和厂址选择布局方案。7.公用工程和辅助设施方案8.环境保护及安全卫生。9.工厂组织、劳动定员和人员培训。10.项目实施规划。11.投资估算和资金筹措。12.经济效益评价及社会效益评价。13.结论包括综合评价和研究报告的结论等内容。三、编制设计任务书可行性研究呈报给上级主管部门，当被上级主管部门认可后，便可编写设计任务书以作为设计项目的依据。设计任务书的内容主要包括：1.项目设计的目的和依据；2.生产规模、产品方案、生产方法或工艺原则；3.矿产资源、水文地质、原材料、燃料、动力、供水、运输等协作条件；4.资源综合利用、环境保护、三废治理的要求；5.厂址与占地面积和城市规划的关系；6.防空、防震等的要求；7.建设工期与进度计划；8.投资控制数；9.劳动定员及组织管理制度；10.经济效益、资金来源、投资回收年限。五、施工图设计施工图设计的任务是根据扩大初步设计审批意见，解决扩大初步设计阶段待定的各项问题，并以它作为施工单位编制施工组织设计、编制施工预算和进行施工的依据。施工图设计的主要工作内容是在扩大初步设计的基础上，完善流程图设计和车间布置设计，进而完成管道配置设计和设备、管路的保温及防腐设计。其中工艺专业方面的主要内容包括：工艺图纸目录、工艺流程图、设备布置图、设备一览表、非定型设备制造图、设备安装图、管道布置图、管架管件图、设备管口方位图、设备和管路保温及防腐设计等；非工艺专业方面有土建施工图、供水、供电、给排水、自控仪表线路安装图等。六、设计代表工作在扩大初步设计与施工图设计两个阶段，有大量的各专业人才参加，到设计文件编制完毕，工作转入了基本建设和试车阶段的时候，就只需少量的各专业设计代表参加了。各专业设计代表的任务就是参加基本建设的现场施工和安装（必要时修正设计），建成化工装置后要参加试车运转工作，使装置达到设计所规定的各项指标要求。当设计工作全面结束，且试车成功后，应做工程总结，积累经验，以利于设计质量的不断提高。第三节 化工车间（装置）工艺设计的程序及设计内容化工车间（装置）设计是化工厂设计的最基本的内容，也是初学者必须首先掌握的。因此，本节着重介绍化工车间（装置）工艺设计内容和程序。下面按工作程序介绍车间工艺设计的内容。一、设计准备工作（l）一熟悉设计任务书。全面深入地正确领会设计任务书提出什么要求，又提供了什么情况，这都是设计的依据，必须熟记、贯彻实施。（2）了解化工设计以及工艺设计包括哪些内容，其方法步骤如何。参照设计进度订出个人工作计划。（3）查阅文献资料。按照设计要求，主要查阅与工艺路线、工艺流程和重点设备有关的文献资料，并摘录笔记。此外，还应对资料数据加工处理，对文献资料数据的适用范围和精确程度应有足够的估计。（4）收集第一手资料。深入生产与试验现场调查研究，尽可能广泛地收集齐全可靠的原始数据并进行整理，这对搞好整个设计来说是一项很重要的基础工作。二、方案设计这个阶段的任务是确定生产方法和生产流程，它们是整个工艺设计的基础。要求运用所掌握的各种资料，根据有关的基本理论进行不同生产方法和生产流程的对比分析。这个阶段的工作可以培养分析、归纳和理论联系实际的能力。三、化工计算化工计算包括工艺设计中的物料衡算、能量衡算以及设备选型和计算三个内容。要完成的任务是在这三项计算的基础上绘制物料流程图、主要设备图和带控制点工艺流程图。经验表明，在化工计算阶段会用到大量的基本理论、基本概念和基本技能（数据处理、计算技能、绘图能力等）。四、车间布置设计这是工艺人员的主要设计任务之一，它也是决定车间面貌的又一个重要设计项目。布置设计的主要任务是确定整个工艺流程中的全部设备在平面上和空间中的正确的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构型式。当化工计算结束，绘出工艺流程图之后就可以进行车间布置设计，完成之后要绘制平面与立面的车间布置图。设计方法除了常用的摆纸块法之外现在广泛采用模型设计的方法。五、化工管路设计管路配置设计的任务是确定装置的全部管线、阀件、管件及各种管架的位置，以满足工艺生产的要求。应注意节约管材，便于操作、检查和安装检修，而且做到整齐美观。六、提供设计条件设计条件内容包括总图、土建、外管、非定型设备、自控、电气、电讯、电加热、采暖通风、空调、给排水、工业炉等非工艺专业的设计条件。设计条件是各专业据以进行具体设计工作的依据，因此提好设计条件是确保设计质量的重要一环。为了正确贯彻执行各项方针政策和已定的设计方案，保证设计质量，工艺专业设计人员应认真负责地编制各专业的设计条件，并确保其完整性和正确性。七、编制概算书及编制设计文件概算书是在初步设计阶段编制的车间投资的大概计算，作为银行对基本建设单位贷款的依据。概算主要提供了车间建筑、设备及安装工程费用。经济是否合理是衡量一项工程设计质量的重要标志。编制概算可以帮助判断和促进设计的经济合理性。初步设计阶段与施工图设计阶段的设计工作完成后都要编制设计文件。它是设计成果的汇总，是进行下一步工作的依据，内容包括设计说明书、附图（流程图、布置图、设备图等）和附表（设备一览表、材料汇总表等）。以上仅是车间工艺设计的大体内容，叙述的顺序就是一般的设计工作程序，实际设计过程中，这些工作内容往往是交错进行的。第四节 国家和行业的基本设计政策和规范决定一个具体的化工过程，除考虑其技术上的可行性外，还必须符合国家的政治、经济政策方针。诸如资源、环境、能源、劳动保护、工业布局等因素，并使之获得最佳的经济效益，同时，化工设计 还必须遵循国家和行业的设计规范和相关的政策、法规。其中主要的例举如下：1、化工企业总图运输设计规范 HG/T 2064919982、工矿企业总平面设计规范 GB 5018719933、石油化工工艺装置布置设计通则 SH3011-20004、石油化工给水排水管道设计图例 SH 3089-19985、石油化工管道器材标准（合订本1996年）SH 3401-34106、石油化工管道布置设计通则 SH3012-20007、石油化工企业给水排水系统设计规范 SH3015-2003 第五节 设计文件工艺专业人员在扩大初步设计阶段和施工图设计阶段应编制说明书和说明书的附图、附表等设计文件。其中车间工艺设计文件是最基本的和最常碰到的，因此，本课程着重介绍车间工艺专业设计文件的内容和格式。一、扩大初步设计文件扩大初步设计的设计文件应包括以下两部分内容：设计说明书和说明书的附图、附表。化工厂（车间）初步设计说明书内容和编写要求，根据设计的范围（整个工厂，一个车间或一套装置）、规模的大小和主管部门的要求而不同，对炼油、化工厂的初步设计的内容和编写要求，化学工业部曾有文件规定。对于一个装置或一个车间，其初步设计说明书的内容如下。（一）设计依据（1）文件，如计划任务书以及其他批文等。（2）技术资料，如中试试验报告、调查报告等。（二）设计指导思想和设计原则（1）设计所遵循的具体方针政策和指导思想。（2）总括各专业的设计原则，如工艺路线的选择、设备的选型和材质选用、自控水平等原则。（三）产品方案产品名称和性质；产品质量规格；产品规模（吨年）；副产品数量（吨年）；产品包装方式。（四）生产方法和工艺流程(1)生产方法。扼要说明设计所采用的原料路线和工艺路线。(2)化学反应方程式。写出方程式，注明化学反应名称、主要操作条件。(3)工艺流程工艺划分简图，用方块图表示。带控制点工艺流程图和流程简述。带控制点工艺流程图应表示出全部工艺设备、物料管线、阀件、设备的辅助管路以及工艺和自控仪表图例、符号。（五）车间（装置）组成和生产制度(1)车间（装置）组成。(2)生产制度，年工作日、操作班制，间歇或连续生产。（六）原料、中间产品的主要技术规格(1)原料、辅助原料的主要技术规格。(2）中间产品及成品的主要技术规格。（七）工艺计算1.物料计算（1）物料计算的基础数据。（2）物料计算结果以物料平衡图表示，计量单位用小时(h)（连续操作）或每批投料量Kg或M3（分批操作），采用的计量单位在一个项目内要统一。2.主要工艺设备的选型、化工计算和材料选择(1)基础数据来源包括物料及热量计算数据、主要化工数据等。(2)主要工艺设备的工艺计算按流程编号为序进行编写。3.般工艺设备以表格形式分类表示计算和选择结果。工艺设备一览表按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制。4.工艺用的水、蒸汽、冷冻用量。5.分批操作的设备要排列工艺操作时间表和动力负荷曲线。（八）主要原料、动力消耗定额及消耗量（九）生产控制分析（十）仪表和自动控制（十一）技术保安、防火及工业卫生（十二）车间布置（十三）公用工程（十四）“三废”治理及综合利用（十五）车间维修（十六）土建（十七）车间装置定员（十八）概算（十九）技术经济1.投资 2.产品成本（二十）存在问题及建议（二十一）扩大初步设计中必要的附表及附图附表：工艺设备一览表、自控仪表一览表、公用工程设备材料表附图：带控制点工艺流程图、车间布置图（平面图及剖面图）、关键设备总图、建筑平面、立面、剖面图二、施工图文件的编制(一)施工图设计文件目录编制各主项施工图设计时，应编写主项图纸总目录、非定型设备图纸目录和工艺图纸目录。(二)工艺施工图设计文件(1)工艺设计说明。工艺设计说明可根据需要按下列各项内容编写。(2)带控制点工艺流程图（施工流程图）。带控制点工艺流程图应表示出全部工艺设备和物料管路、阀件等，进出设备的辅助管线和工艺及自动仪表的图例、符号。(3)辅助管路系统图。辅助管路系统图应表示出系统的全部管路。一般在带控制点工艺流程图左上方绘制，如辅助管路系统复杂时，可单独绘制。(4)首页图。当某一个设计项目（装置）范围较大（如除主要生产厂房或构筑物外，附有生活室、控制室、分析室或有较多的室外其他生产和辅助生产部分），设备布置和管路安装图需分别绘制首页图。(5)设备布置图。设备布置图包括平面图与剖面图，其内容应表示出全部工艺设备的安装位置和安装标高，以及建筑物、构筑物、操作台等。(6)设备一览表。根据设备订货分类的要求，分别作出非定型设备表、定型设备表等。(7)管路布置图。管路布置图包括管路布置平面图和剖面图，其内容表示出全部管路、管件和阀件及其在空间的位置，简单的设备轮廓线及建、构筑物外形。(8)配管设计模型。作模型设计时，可用配管设计模型代替管路布置图。(9)管段图。管段图表示一段管道在空间的位置的图形，也叫做空视图或单线图。(10)管架和非标准管件图。(11)管段表。当绘制管段图时，可不单独绘制管段表，其相应内容可填入管段图的附表中去。(12)管架表。(13)综合材料表综合材料表应按以下三类材料进行编制。(14)管口方位图。管口方位图应表示出全部管口、吊耳、支脚及地脚螺栓的方位，并标注管口编号、管口和管径名称。对塔还要表示出地脚螺栓、吊柱、直爬梯和降液管位置。(15)换热器条件图。第二章 工艺流程设计工艺流程设计是化工设计中非常重要的环节，它通过工艺流程图的形式，形象地反映了化工生产由原料进入到产品输出的过程，其中包括物料和能量的变化，物料的流向以及生产中所经历的工艺过程和使用的设备仪表。工艺流程图集中地概括了整个生产过程的全貌。工艺流程设计是工艺设计的核心。在整个设计中，设备选型、工艺计算、设备布置等工作都与工艺流程有直接关系。只有流程确定后，其他各项工作才能开展，工艺流程设计涉及各个方面，而各个方面的变化又反过来影响工艺流程设计，甚至使流程发生较大的变化。因此，工艺流程设计动手最早，而往往又结束最晚。本章主要介绍生产方法和工艺流程的选择，工艺流程设计，工艺流程图绘制，典型设备的自控流程四个内容。第一节 生产方法和工艺流程的选择生产同一化工产品可以采用不同原料，经过不同生产路线而制得，即使采用同一原料，也可采用不同生产路线，同一生产路线中也可以采用不同的工艺流程。选择生产路线也就是选择生产方法，这一步是决定设计质量的关键，必须认真对待。如果某产品只有一种生产方法，就无须选择；若有几种不同的生产方法，就应逐个进行分析研究，通过各方面比较，从中筛选一个最好的方法，作为下一步工艺流程设计的依据。由于我们接触到的大多数是已有生产路线的工艺流程设计，因此，本节只对上述内容作简要介绍。一、生产方法和工艺流程选择的原则在选择生产方法和工艺流程时，应考虑以下一些原则。1先进性先进性主要指技术上的先进和经济上的合理可行，具体包括基建投资、产品成本、消耗定额和劳动生产率等方面的内容，应选择物料损耗小、循环量少，能量消耗少和回收利用好的生产方法。2可靠性可靠性是指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。如果采用的技术不成熟，就会影响工厂正常生产，甚至不能投产，造成极大的浪费。因此，对于尚在试验阶段的新技术、新工艺、新设备应慎重对待。要防止只考虑新的一面，而忽视不成熟、不稳妥的一面。应坚持一切经过试验的原则，不允许把未来的生产厂当作试验工厂来进行设计。另外，对生产工艺流程的改革也应采取积极而又慎重的态度，不能有侥幸心理。3结合国情中国是一个发展中的社会主义国家。在进行工厂设计时，不能单纯从技术观点考虑问题，应从中国的具体情况出发考虑各种具体问题。上述三项原则必须在技术路线和工艺流程选择中全面衡量，综合考虑。一种技术的应用有长处，也有短处。设计人员必须采取全面分析对比的方法，并根据建设项目的具体要求，选择其中不仅对现在有利，而且对将来也有利的工艺技术，竭力发挥有利的一面，设法减少不利的因素。比较时要仔细领会设计任务书提出的各项原则要求，要对收集到的资料进行加工整理，提炼出能够反映本质的、突出主要优缺点的数据材料，作为比较的依据。要经过全面分析、反复对比后选出优点较多、符合国情、切实可行的技术路线和工艺流程。总的目标是使未来的化工厂的产品质量、生产成本以及建厂难易等主要指标达到比较理想的水平。二、生产方法和工艺流程确定的步骤确定生产方法，选择工艺流程一般要经过三个阶段。1搜集资料，调查研究这是确定生产方法和选择工艺流程的准备阶段。在此阶段，要根据建设项目的产品方案及生产规模，有计划、有目的地搜集国内外同类型生产厂的有关资料，包括技术路线特点、工艺参数、原材料和公用工程单耗、产品质量、三废治理以及各种技术路线的发展情况与动向等技术经济资料。掌握国内外化工技术经济的资料，仅靠设计人员自己搜集是不够的，还应取得技术信息部门的配合，有时还要向咨询部门提出咨询。2落实设备设备是完成生产过程的重要条件，是确定技术路线和工艺流程时必然要涉及到的因素。在搜集资料过程中，必须对设备予以足够重视。对各种生产方法中所用的设备，分清国内已有定型产品的、需要进口的及国内需重新设计制造的三种类型，并对设计制造单位的技术力量、加工条件、材料供应及设计、制造的进度加以了解。3.全面对比全面分析对比的内容很多，主要比较下列几项：几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；产品的质量情况；生产能力及产品规格；原材料、能量消耗情况；建设费用及产品成本；三废的产生及治理情况；其他特殊情况。第二节 工艺流程设计一、流程设计的任务当生产工艺路线选定之后，即可进行流程设计。它和车间布置设计是决定整个车间（装置）基本面貌的关键性的步骤，对设备设计和管路设计等单项设计也起着决定性的作用。流程设计的主要任务包括两个方面：一是确定生产流程中各个生产过程的具体内容、顺序和组合方式，达到由原料制得所需产品的目的；二是绘制工艺流程图，要求以图解的形式表示生产过程中，当原料经过各个单元操作过程制得产品时，物料和能量发生的变化及其流向，以及采用了哪些化工过程和设备，再进一步通过图解形式表示出化工管道流程和计量控制流程。为了使设计出来的工艺流程能够实现优质、高产、低消耗和安全生产，应按步骤逐步解决以下问题。(1) 确定整个流程的组成。工艺流程反映了由原料制得产品的全过程。应确定采用多少生产过程或工序来构成全过程，确定每个单元过程的具体任务（即物料通过时要发生什么物理变化、化学变化以及能量变化），以及每个生产过程或工序之间如何连接。(2) 确定每个过程或工序的组成。应采用多少和由哪些设备来完成这一生产过程，以及各种设备之间应如何连接，弄明确每台设备的作用和它的主要工艺参数。(3) 确定操作条件。为了使每个过程、每台设备正确地起到预定作用，应当确定整个生产工序或每台设备的各个不同部位要达到和保持的操作条件。(4) 控制方案的确定。为了正确实现并保持各生产工序和每台设备本身的操作条件，及实现各生产过程之间、各设备之间的正确联系，需要确定正确控制方案，选用合适的控制仪表。(5) 合理利用原料及能量。计算出整个装置的技术经济指标应当合理地确定各个生产过程的效率，得出全装置的最佳总收率，同时要合理地做好能量回收与综合利用，降低能耗。据此确定水、电、蒸汽和燃料的消耗。(6) 制定三废的治理方法。除了产品和副产品外，对全流程中所排出的三废要尽量综合利用，对于那些暂时无法回收利用的，则须进行妥善处理。(7) 制定安全生产措施。应当对设计出来的化工装置在开车、停车、长期运转以及检修过程中，可能存在哪些不安全因素进行认真分析，再遵照国家的各项有关规定，结合以往的经验教训，制订出切实可靠的安全措施，例如设置安全阀、阻火器和事故贮槽等。二、工艺流程设计方法首先要看所选定的生产方法是正在生产或曾经运行过的成熟工艺还是待开发的新工艺。前者是可以参考借鉴而需要局部改进或局部采用新技术新工艺的问题。后者须针对新开发技术，在设计上称为概念设计。不论哪种情况一般都是将一个工艺流程分为四个重要部分，即原料预处理过程、反应过程、产物的后处理（分离净化）和三废的处理过程。一般的工作方法如下。(1) 以反应过程为中心。根据反应过程的特点、产品要求、物料特性、基本工艺条件来决定采用反应器类型及决定采用连续操作，还是间歇性操作。有些产品不适合连续化操作，如同一生产装置生产多品种或多牌号产品时，用间歇操作，更为方便。另外，物料反应过程是否需外供能量或移出热量，都要在反应装置上增加相应的适当措施。如果反应需要在催化剂存在下进行，就须考虑催化反应的方式和催化剂的选择。一般说确定主反应过程的装置，往往都有文献、资料可供参考，或有中试结果。现有工业化装置可以借鉴、参考，因此并不复杂。(2) 原料预处理过程。在主反应装置已经确定之后，根据反应特点，必然对原料提出要求，如纯度、温度、压力以及加料方式等。这就应根据需要采取预热（冷）、汽化、干燥、粉碎筛分、提纯精制、混合、配制、压缩等措施。这些操作过程就需要相应的化工单元操作，加以组合。通常不是一台两台设备或简单过程完成的。原料预处理的化工操作过程是根据原料性质、处理方法而选取不同的装置及不同的输送方式，从而可能设计出不同的流程。(3)产物的后处理。根据反应原料的特性和产品的质量要求，以及反应过程的特点，实际反应过程可能会出现下列情况。除了获得目的产物外，由于存在副反应，还生成了副产物。由于反应时间等条件的限制或受反应平衡的限制，以及为使反应尽可能完全而有过剩组分。原料中含有的杂质往往不是反应需要的，在原料的预处理中并未除净，因而在反应中将会带入产物中，或者杂质参与反应而生成无用且有害的物质。产物的集聚状态要求，也增加了后处理过程。某些反应过程是多相的，而最终产物是固态的。除上述原因外，还有其他各种各样原因，相应地要采用各种不同措施进行处理。因此用于产物的净化、分离的化工单元操作过程，往往是整个工艺过程中最复杂、最关键的部分，有时是制约整个工艺生产能否进行的关键环节，即保证产品质量的极为重要的步骤。因此，如何安排每一个分离净化的设备或装置以及操作步骤，它们之间如何连通，有否达到预期的净化效果和能力等，都是必须认真考虑的。(4) 产品的后处理。经过前述分离净化后达到合格的目的产品，有些是下一工序的原料，可加工成其他产品；有些可直接作为商品，往往还须进行后处理工作，如筛选、包装、灌装、计量、贮存、输送等过程。(5) 未反应原料的循环或利用以及副产物的处理。由于反应不是全部，剩余组分在产物处理中被分离出来，一般应循环回到反应设备中继续参与反应。(6) 确定“三废”排出物的处理措施。在生产过程中，不得不排放的各种废气、废液和废渣，应尽量综合利用，变废为宝，加以回收。无法回收的应妥善处理。“三废”中如含有有害物质，在排放前应该达到排放标准。因此在化工开发和工程设计中必须研究和设计治理方案和流程，要做到“三废”治理与环境保护工程、“三废”治理工艺与主产品工艺同时设计、同时施工，而且同时投产运行。按照国家有关规定，如果污染问题不解决，是不允许投产的。(7) 确定公用工程的配套措施。在生产工艺流程中必须使用的工艺用水（包括作为原料的软水、冷却水、溶剂用水以及洗涤用水等）、蒸汽（原料用汽、加热用汽、动力用汽及其他用汽等）、压缩空气、氮气等以及冷冻、真空都是工艺中要考虑的配套设施。至于生产用电、上下水、空调、采暖通气都是应与其他专业密切配合的。(8) 确定操作条件和控制方案。一个完善的工艺设计除了工艺流程等以外，还应把投产后的操作条件确定下来，这也是设计要求。这些条件包括整个流程中各个单元设备的物料流量（投料量）、组成、温度压力等，并且提出控制方案（与仪表控制专业密切配合）以确保能稳定地生产出合格产品来。(9) 制定切实可靠的安全生产措施。在工艺设计中要考虑到开停车、长期运转和检修过程中可能存在各种不安全因素，根据生产过程中物料性质和生产特点，在工艺流程和装置中，除设备材质和结构的安全措施外，在流程中应在适宜部位上设置事故槽、安全阀、放空管、安全水封、防爆板、阻水栓等以保证安全生产。(10) 保温、防腐的设计。这是在工艺流程设计中的最后一项工作，也是施工安装时最后一道工序。流程中应根据介质的温度、特性和状态以及周围环境状况决定管道和设备是否需要保温和防腐。三、工艺流程设计的基本方法方案比较一个优秀的工程设计只有在多种方案的比较中才能产生。进行方案比较首先要明确判据，工程上常用的判据有产物收率、原材料单耗、能量单耗、产品成本、工程投资等。此外，也要考虑环保、安全、占地面积等因素。进行方案比较的基本前提是保持原始信息不变。这里应强调指出，过程的操作参数如温度、压力、流速、流量等原始信息，设计者是不能变更的。设计者只能采用各种工程手段和方法，保证实现工艺规定的操作参数。工业生产中，一个过程往往可以有多种方法来实现，例如液固混合物的分离，可以用离心、沉降、压缩和真空过滤等方法；含湿固体的干燥，可以用气流、双锥、滚筒、箱式、沸腾等干燥方法，这些也都需要进行方案比较，因地制宜地选择一种最佳工程方案。第三节 工艺流程图一、工艺流程图概述把各个生产单元按照一定的目的要求，有机地组合在一起，形成一个完整的生产工艺过程，并用图形描绘出来，即是工艺流程图。化工工艺图中，属于工艺流程图性质的图样有若干种，它们都用来表达工艺生产流程。由于它们的要求各不相同，所以在内容、重点和深度方面也不一致，但这些图样之间是有密切联系的。工艺流程图一般有如下几种。1全厂总工艺流程图或物料平衡图总工艺流程图是在炼油化工厂设计中，为总说明部分提供的全厂流程图样。对综合性化工厂则称全厂物料平衡图。图上各车间（工段）用细实线画成长方框来示意。流程线只画出主要物料，用粗实线表示。流程方向用箭头画在流程线上。图上还注明了车间名称，各车间原料、半成品和成品的名称、平衡数据和来源、去向等。2物料流程图物料流程图是在全厂总工艺流程图基础上，分别表达各车间内部工艺物料流程的图样。在流程上标注出各物料的组分、流量以及设备特性数据等。3工艺管道及仪表流程图工艺管道及仪表流程图是以物料流程图为依据，内容较为详细的一种工艺流程图。在管线和设备上画出配置的某些阀门、管件、自控仪表等的有关符号。二、工艺流程草图工艺流程草图亦称方案流程图、流程示意图、流程简图，是用来表达整个工厂或车间生产流程的图样。它是设计开始时供工艺方案讨论常用的流程图，亦是工艺流程图设计的依据。当生产方法确定以后，就可以开始设计绘制流程草图。因为它只是为将要进行的物料衡算和部分设备计算和能量衡算服务的，并不编入设计文件中，所以绘制时不需在绘图技术上多花费时间，而要把主要精力用于工艺技术问题上。在绘制流程草图时尚未进行定量计算，因而它只是定性地标出由原料转化成产品的变化，流向顺序以及生产中采用的各种化工单元及设备。生产工艺流程草图一般由物料流程、图例和设备一览表等三个部分组成。1物料流程(1) 设备示意图。图中的设备只画出大致轮廓和示意结构，甚至画一个方框代替也可以。设备的相对位置高低也不要求准确，备用设备在流程草图中一般省略不画。但设备一般都要编号，并在图纸空白处按编号顺序集中列出设备名称。(2) 流程管线及流向箭头。流程草图中应画出全部物料管线和一部分动力管线（如水、蒸汽、压缩空气和真空等）。物料管线用粗实线画出，动力管线用中粗实线画出。在管线上用箭头表示物料的流向。(3) 文字注解在流程图的下方或图纸的其他空白处列出各设备的编号和名称。在管线的上方或右方用文字注明物料的名称。在流程线的起始和终了处注明物料的名称来源及去向。2图例图例中只须标出管线图例。阀门、仪表等无须标出。3设备一览表设备一览表也只包括序号、位号、设备名称和备注，有时可省略设备一览表和图框。工艺流程草图是一种示意性的从左至右的展开图。三、工艺管道及仪表流程图工艺管道及仪表流程图又称施工流程图或带控制点的工艺流程图。与之配套的尚有辅助管道及仪表流程图、公用系统管道及仪表流程图。它是由工艺人员和自控人员合作进行绘制的，在初步设计和施工图设计中都要提供这种图样。工艺管道及仪表流程图是在工艺流程草图和物料流程图的基础上绘制的，它是设备布置和管道布置设计的依据，并可供施工、安装、生产操作时参考。（一）比例与图幅工艺管道及仪表流程图可以车间（装置）或工段（分区或工序）为主项进行绘制，原则上一个主项绘一张图解，如图2-4所示即以一个工段为主项绘制的图样。若流程复杂，一个主项也可以分成数张（或分系统）绘制但仍算一张图样，且需使用同一个图号，但要注明各是该图号图纸总张数的第几张。必要时也可适当缩小比例进行绘制。(1) 比例。图上的设备图形及其高低间相对位置大致按1:100或1:200的比例进行绘制，流程简单时也有用1:50的比例。整个图形因展开等种种关系，实际上并不全按比例绘制，因此在标题栏中的“比例”一栏，不予注明。(2) 图幅。由于图样采用展开图形式，图形多呈长条形，因而以前的图纸幅面常采用标准幅面加长的规格。加长后的长度以方便阅读为宜。近年来，考虑到图样绘读使用和底图档案保管的方便，有关标准已有统一规定，一般均采用A1图幅，特别简单的可采用A2图幅，且不宜加长或加宽。（二）设备的表示方法1.设备的画法(1)图形。化工设备在图上一般按比例用细实线（b/3）绘制，画出能够显示形状特征的主要轮廓。(2)相对位置。设备间的高低和楼面高低的相对位置，一般也按比例绘制。低于地面的需相应画在地平线以下，尽可能地符合实际安装情况。对于有位差要求的设备，还要注明其限定尺寸。(3)相同系统（或设备）的处理。两个或两个以上相同的系统（或设备），一般应全部画出。只画出一套时，被省略部分的系统，则需用细双点划线绘出矩形框表示。框内注明设备的位号、名称，并绘出引至该套系统（或设备）的一段支管。2.设备的标注(1)标注的内容。设备在图上应标注位号及名称。(2)标注的方式。设备的位号、名称一般标注在相应设备的图形上方或下方，即在图纸的上端及下端两处，各设备在横向之间的标注方式应基本排成一行。（三）管道的表示方法图上一般应画出所有工艺物料和辅助物料（如蒸汽、冷却水、冷冻盐水等）的管道。当辅助管道系统比较简单时，可将其总管绘制在流程图的上方，其支管则下引至有关设备；当辅助管道系统比较复杂时，待工艺管道布置设计完成后，另绘辅助管道及仪表流程图予以补充，此时流程图上只绘出与设备相连接位置的一段辅助管道（有时包括操作所需要的阀口等），如图2-4所示。图上各支管与总管连接的先后位置应与管道布置图一致。公用管道比较复杂的系统，通常还需另绘公用系统管道及仪表流程图。1管道的画法管道画法的原则规定可参阅国家标准和化工行业有关规定。2.管道的标注每段管道上都票有相应的标注，一般横向管线标注在管线的上方，竖向管线则标注在管线的左方；若标注位置不够时，可将标注中的部分内容移至管线下方或右方。不得已时，也可用指引线引出标注。标注内容应包括三个组成部分：即管道号、管径和管道等级。当未采用管道等级及与之配套的材料选用表时，管道标注中的公制管需注外径厚度；对隔热（或隔音）的管道，则将隔热（隔音）代号注在管径之后。（四）阀门与管件的表示方法 (1)图形符号(2)字母代号表示被测变量和仪表功能的字母代号。(3)仪表位号在检测控制系统中，一个回路中的每一个仪表（或元件）都应标注仪表位号。在管道及仪表流程图中，标注仪表位号一的方法是将字母代号填写在圆圈的上半部分，数字编号填写在圆圈的下半部分。第四节 典型设备的自控流程本节介绍常用的化工典型设备（泵、换热器、反应釜、蒸馏塔）的自控流程。一、泵1离心泵离心泵的流量调节一般是采用出口节流的方法，但也可以使用旁路调节方法，旁路调节耗费能量，但调节阀的尺寸比直接节流的小是它的优点。在离心泵设有分支路时，即一台泵要分送几支并联管路时，可采用分支调节方案。2容积式泵（往复泵、齿轮泵、螺杆泵和旋涡泵等）当流量减小时容积式泵的压力急剧上升，因此不能在容积式泵的出口管道上直接安装节流装置来调节流量，通常采用旁路调节或改变转速、改变冲程大小来调节流程。3真空泵真空泵可采用吸入支路调节和吸入管阻力调节的方案。二、换热器换热器的温度控制方案。(1)调节换热介质流量，用流体1的流量作调节参数来控制流体2的出口温度。(2)调节传热面积，适用于蒸汽冷凝换热器，调节阀装在凝液管路上。(3)分流调节，在用工艺流体作载热体回收热量时或冷却水流量不允许改变时，两个流量都不能调节。此时可利用三通阀使其中一个流体走分路，使部分流体走旁路。三、反应釜人工手动控制的间歇反应器的PI流程比较简单。加料、反应和出料皆由人工操作控制，主要控制指标是反应温度（压力）和反应时间。自动控制的间歇反应器的PI流程要复杂得多，控制质量和劳动生产率都要高得多。1进出料管道釜顶左部为各种原料及试压氮气等进料管道，水和单体自动计量手动遥控进料。在进料总管中部串联一切断阀（球阀），进料完毕后关闭球阀，各管道就形成二道切断阀的密封。安全阀前不能有阀，故它装在切断阀与进口之间。2.轴封系统搅拌轴的密封是釜式反应器的关键问题之一，机械密封是可高而先进的动密封结构，为了保障它的正常工作必须配有液封与冷却系统。密封液罐旁为搅拌电机的运转电流的指示、记录和过载报警回路。3温度控制间歇反应的温度控制是分阶段周期性变化的，热负荷也随着反应时间而变化，这都造成温度控制的困难。为此，设置了热水升温、工业水或冷冻水冷却共三套系统。循环水量大则进出口温差小和传热系数高（流速快），使釜内各点的温度更为均匀，水的流量大还能减少对象的容量滞后。水量恒定可以减少冷却水流量变化这个干扰因素，这些都有助于调节质量的提高。四、蒸馏塔蒸馏是化工厂应用极为广泛的传质过程。以下将简单讨论蒸馏塔的基本控制方案及管道仪表流程实例。（一）蒸馏塔的基本控制方案蒸馏塔的控制方案很多，但基本形式通常只有两种。(1)按精馏段指标控制取精馏段某点成分或温度为被调参数，而以回流量坛、馏出液量D或塔内蒸气量VB作为调节参数。(2)按提馏段指标控制当对釜液的成分要求较之对馏出液为高时，例如塔底为主要产品时，常用此方案。如对塔顶和塔底产品的质量要求相近，又是液相进料，也往往采用此方案。（二）塔顶的流程与调节方案前面所讲的只是原则性的控制方案，具体的方案可按塔顶、塔底及进料系统分别考虑。塔顶方案的基本要求是：把出塔蒸气的绝大部分冷凝下来，把不凝性气体排走；调节LR和D的流量和保持塔内压力稳定。（三）塔底的流程与调节方案第三章 化工计算第一节 化工过程及过程参数化工计算主要是应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。在进行计算时，必须熟悉有关化工过程的一些术语及基础知识。例如，对合成氨或环氧乙烷生产过程作物料衡算和能量衡算，则首先需要了解有关合成氨或环氧乙烷生产的基本原理、生产方法和工艺流程，然后，才能以示意图的形式表示出整个化工过程的主要设备及全部进、出物流，并选定所需温度、压力或物料组成等条件，再逐一进行计算。由此可见，必须具有化工过程方面的基础知识，才能进行物料和能量衡算。主要内容包括：l 化工过程；l 化工工艺流程；l 化工过程开发；l 化工过程基本参数温度、压力、流量、化学组成等基本概念。11 化工过程所谓化工过程，是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。化工过程中的各种设备所进行的主要操作可归纳为下列几类：1.化学反应；2.分离或提纯，3.改变温度，4.改变压力，5.混合等。各类操作的作用简述如下。1、化学反应。化学反应是整个化工过程的核心。一种化学反应是否能在工业上付诸实现取决于许多因素，如平衡收率（即反应系统达到平衡状态时，加入的原料转化为产品的数量）、反应速度、控制或减少副反应的可能性等。2、分离或提纯。化工生产中的分离过程就是将两种或两种以上组分的混合物分成纯的或比较纯的组分。由于生产中的化学反应过程常常存在副反应、反应不完全或使用溶剂等方面原因，使原料经反应后得到的产物往往不是一种纯的产物，而是几种组分的混合物，必须经分离或提纯后，才能成为较纯的产品。分离过程通常只是一种物理过程，不发生化学反应。它是利用物质在相变化过程中某些物理性质（如沸点、熔点、溶解度等）的差异来进行的。如蒸馏是基于不同组分挥发度或沸点的不同；结晶是基于熔点或溶解度的不同；溶剂萃取是基于一种物质在两种互不相溶的液体中溶解度的不同等。3、改变温度。化学反应速度和收率、物质的相态变化（如蒸气的冷凝、液体的气化或凝固、固体的熔化等）以及物质的其他物理性质变化（如粘度、溶解度、表面张力等）等均与温度有密切的关系，改变温度可调节以上各性质达到所需的要求。物质的加热都要消耗能量。所以，回收热量使热量充分利用，是化工厂提高经济效益的一个重要措施。例如，要将原科加热到反应温度则需要热量。而反应器排出的是热的产物，此部分热量可回收利用，这就可以把原料先与热的反应产物进行换热，回收部分热量，然后再将其加热到反应温度。4、改变压力。化学反应的反应物或生成物中如有气体时，改变压力对平衡收率有影响。例如，合成氨反应N23H22NH3，压力增高，氨的平衡产率就增加。除此之外物质的相态变化，如蒸气冷凝或液体气化等与压力亦有密切关系。当用泵或压缩机输送流体时，压力用于克服设备和管线中的阻力。5、混合。混合是与分离相反的一个过程。在化工生产中，常常需要将两种或两种以上物质混合在一起。通常，混合不消耗能量，只有为了加速混合使用搅拌器时，才消耗少量能量。化工过程中的每一个设备进行上述一种或几种操作。设计化工过程，就是设计以上一系列操作，将其适当地、合理地组合起来，以改变原料的化学和物理性质，使之能够生产合格的产品。把完成这些操作的设备串连组合起来，就成为一个化工过程。通常，发现一种新的化学反应使之实施于生产或开发一个新的化工过程，从技术角度来考察，它主要决定于下述三类因素：（1）化学工艺因素反应体系本性、温度、压力、组成、催化剂等操作条件以及体系的反应速度、转化率、循环比等。（2）化学工程因素体系的物性、相态、热性质、传递性质、传热传质方式、物料（流体及固体）输送、反应技术、分离技术等。（3）机械设备、仪表及控制手段设备材料、制造、贮运、安装、维修、检测、备品备件、正常操作及事故处理等。应该指出，在决定化工过程时，上述诸因素是密切相关的，其中不少因素还是互相矛盾和制约的。需要对过程进行分析实行最优化，其中包括很多单个过程的最优化，最后使过程的总费用为最低。但是，决定一个具体的化工过程，除考虑其技术上的可行性外，还必须符合国家的政治、经济政策方针。诸如资源、环境、能源、劳动保护、工业布局等因素，并使之获得最佳的经济效益。12 化工工艺流程化工过程常用流程图来表示。所谓流程图，就是把生产过程中物料经过的设备按其形状画出示意图，并画出各设备之间的主要物料管线及其流向。简化的流程图可以用方框来表示设备或设备组，称方框流程图。在工艺流程设计中，还有其他类型的流程图，如表明物料量的物料流程图、以装置为单元的装置流程图、以管线为主的管线流程图以及带测量仪表控制点的流程图等。工艺流程图能简明、扼要的表明化工产品的生产工序，看来一目了然。从工艺流程图可以初步了解生产方法、生产过程以及各主要物料的来龙去脉。在解物料和能量衡算题时，也需要用图来表示各设备之间的物料关系。因此，学会用流程图来表达化工过程，对工程技术人员是一项基本训练。13 化工过程开发化工过程开发是指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装置的全部过程。化工过程开发，首先是决定子化学反应的可能性、转化率及反应速度是否具有工业价值，产物分离的难易程度以及机械、设备、材料是否可行。当然，最终取决于是否有经济效益。化工过程开发的第一步就是要设计一个流程图。由于化学反应或产物的分离可用不同的方法来完成，因此，设计流程时，必须选择一个安全、可靠、经挤效益高的最佳方案。14 过程参数在化工生产过程中，能影响过程运行和状态的物理量，如温度、压力、流量及物料的百分组成或浓度等，在指定条件下它的数值恒定，条件改变其数值也随之变化，这些物理量称为过程参数。这些参数也常作为控制生产过程的主要指标。进行化工计算时，上述参数是基本数据，可以直接测定。对一些不易直接测定的参数，可找出与容易测定的参数之间的关系，通过计算求得，有时也可以根据经验数据选定。主要介绍温度、压力、流量及物料的百分组成或浓度等参数的基本概念及计算方法。第二节 化工基础数据在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可少地要用到有关化合物的物性数据。例如，进行化工过程物料与能量衡算时，需要用到密度或比容、沸点、蒸汽压、烩、热容及生成热等等的物性数据；设计一个反应器时，则需要知道化学反应热的数据；计算传热过程时，需要导热系数的数据等等。这些数据习惯上称为“化工基础数据”，它是由物料本身的物理化学性质所决定的。因此，又被称作“物化数据”或“物性数据”。化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据大致归纳成以下几类：(1) 基本物性数据如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。(2 )热力学物性数据如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。(3) 化学反应和热化学数据如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。(4) 传递参数如粘度、扩散系数、导热系数等。通常这些数据可用下列方法得到：1、查手册或文献资料有关常用物质的物性数据，前人已系统地进行归纳总结，从表格或图的形式表示。这些致据可从有关的化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。2、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参数。3、用实验直接测定。以上三种数据来源，从手册或文献中查得数据最方便，但往往有时数据不够完整，有时也会出现一些错误。用一些理论的、半经验的和经验的公式估算，也是一种简便的方法。当手册或文献中无法查得时，可以进行估算。直接用实验测定得到的数据最可靠，只是实验比较费时间又花钱。但是，如果查不到有关数据，而用公式估算得到的结果精度又不够时，则必须用实验进行测定。近年来，随着电子计算机的迅速发展，应用计算机储存、检索和推算物性数据日益增多。一些大型化工企业、研究部门和高等院校都相应建立了物性数据库，以便于通过计算机自动检索或估算所要求的数据，而不必自行查找或计算，大大节省了时间和精力。第三节 物料衡算物料衡算是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一，它是能量衡算的基础。一般在物料衡算之后，才能计算所需要提供或移走的能量。通常，物料衡算有两种情况，一种是对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，因为核反应能量变化非常大，此定律不适用）。31 物料衡算式1、化工过程的类