化工工艺流程设计

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化工工艺流程设计
化工工艺流程设计
❖ 工艺流程设计的原则和任务 ❖ 化工过程合成方法
➢ 反应过程的设计 ➢ 分离过程的设计 ➢ 换热过程的设计
❖ 工艺流程图设计的种类 ❖ 工艺流程图设计的绘制
工艺流程设计的原则
❖ 化工工艺技术路线:原料加工成为产品的方法, 包括生产工艺、生产方法、工艺设备和技术方案。
乙烯 + 苯 乙基苯 乙基苯 + 乙烯 二乙基苯 二乙基苯 + 苯 乙基苯 二乙基苯 + 乙烯 三乙基苯 三乙基苯 + 苯 乙基苯、二乙基苯。 乙苯、二乙苯 甲苯、二甲苯、正丙苯、异丙苯、杂环化合物
在各种副产物中,除杂环化合物在高温下易聚合,其它副 产物的生成反应都为可逆反应。
例题:乙烯和苯生成乙基苯
度较低的数据,所需开发和设计周期较短。
➢ 市场需求
• 有些产品的需求有很强的季节性 • 有些产品的生命周期很短 • 应设计成通用性较强的间歇操作装置,用同一套装置生产多种
产品。
➢ 操作上的特殊问题
• 反应速度极慢,以致间歇操作成为唯一可能的方案; • 当过程中有少量泥浆状物料时,若处理成连续过程,会由于流
杂环化合物
沸点K
169.45 184.55 353.15 383.75 409.35 412.25 432.35 425.55 454.25 456.45 491.15 537.15
➢ 化学热力学—研究反应过程中的能量转化和反应体系的 平衡性质;
➢ 化学动力学—研究反应物系的组成、温度等因素对反应 速率的影响。
❖ 对于催化反应过程尚需了解催化剂的物理和化学 性能;为了系统设计优化,尚需了解各个单元过 程设计都需要的共性数据。
反应过程的设计
首先确定过程性质和输入输出条件 ❖ 过程性质是指过程为连续或间歇 ❖ 输入输出条件:
❖全局过程集成
(Total Site Integration)
过程合成
化学 装置
全局过程集成 过程集成
换热 网络
公用 工程
化工过程合成方法
❖ 反应过程的设计 ❖ 分离过程的设计 ❖ 换热过程的设计
反应过程的设计
❖ 反应系统的设计是以正确认识所研究的特定反应 体系的主要特征为基础的
➢ 化学计量学—研究反应过程中存在哪些反应以及各组分 反应量之间的关系;
➢ 输入条件指装置进口的原料是否需经过预处理, ➢ 输出条件是指确定目的产品和流股数,由此确定反应
器进口有无循环物料。
反应过程的设计-过程性质
❖ 过程性质:连续或间歇 ➢ 产量
• 大于4500吨/年的生产装置常采用连续过程 • 小于4500吨/年的生产装置则采用间歇过程 • 间歇过程简单和操作弹性大,设计时可以采用较不详细或精确
苯 甲苯 乙基苯 二乙苯
❖ 苯、甲苯、丁苯、异丙苯、正丙苯:全部循环回 正丙苯
反应器,由于乙基苯的沸点介于这些副产品之间, 异丙苯
因此这些回收的原科和副产品要分离成高于和低 于乙基苯沸点的两个循环物料流;
❖ 三乙苯部分循环,部分随杂环化合物排出作为低 值产副品。
二乙基苯 丁苯
三乙基苯
❖ 杂环化合物:低值副产品。
速过低固体析出而堵塞管道或设备; • 某些反应过程非常容易结垢或结块,需要频繁地清理,这种情
况宜采用间歇式反应器。
反应过程的设计-输入条件
❖ 当原料中含有必须处理的杂质时,就要面临这样 的选择:把原料直接送入系统还是先进行原料的 预处理
➢ 如果进料杂质对催化剂是一种毒物,应先除去。
➢ 如果杂质是参与反应的物质,在一般情况下应先除去, 否则不仅消耗原材料,而且使产品组分数增多,分离过 程更为复杂。
❖ 选择的原则
➢ 可靠性
• 流程是否通畅、生产是否安全、工艺是否稳定、消耗定 额、生产能力、产品质量和三废排放是否达到预定指标
➢ 适用性:和具体环境、资源和技术的接收能力相适应 ➢ 技术的合理性
• 技术的生命周期:投入期、成长期、成熟期和衰退期 • 所选技术应处于成长期
➢ 经济性
工艺流程设计的任务
➢ 换热器网络(Heat Exchanger Network)
➢ 公用工程(Utility System)
换热 网络
公用 工程
节能的关键在于提高各个子系统用能的合理性和各子系统 间能量匹配的合理性。
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过程开发的三个层次
❖过程合成
(Process Synthesis)
❖过程集成
(Process Integration)
对于同一个去向的不同组分,应研究有无必要把它们分 离,要坚决避免把各个组分先分离再合并的做法。
例题:乙烯和苯生成乙基苯
已知原料乙烯的组成为乙烯99.9%,乙烷0.1%;原料苯的 组成为苯99.9%,甲苯0.1%。为了降低催化剂的失活速率和 抑制副反应,采用苯过量的方法。乙烯的转化率为99%~100 %。在反应器内发生下列反应:
1. 确定整个流程的组成 2. 确定各个生产过程或工序的具体任务 3. 确定每个生产过程选用的设备及设备操作条件 4. 确定控制方案及选用适合的控制仪表 5. 确定三废治理和综合利用的方案 6. 确定安全生产措施
化工过程合成方法
❖化工企业三个子系统
化学
➢ 化学装置(Chemical Plant)
装置
➢ 如果杂质是不参与反应的惰性物质,则应根据它与产品 和原料分离的难易程度决定原料是否预先处理。
➢ 如果杂质大量存在,即使与产品的分离较与原料的分离 容易,但由于影响反应系统的生产能力、热平衡和增加 系统阻力等问题,还应对各种影响作出粗略的估计后再 作出决定。
反应过程的设计-输出条件
出口物料包括所有反应的每一个产物、未转化的原料以及 随原料进入系统的杂质,反应器出口组分可能有六个去向: ❖ 主产品 ❖ 有价值的联产品或副产品 ❖ 价值较低的燃料 ❖ 循环 ❖ 排空 ❖ 有害物质去三废处理
❖ 乙烯:数量很少,而且乙烯沸点很低,回收成本
较大,因此作放空或排至燃料气管网处理; ❖ 乙烷:为由原料乙烯夹带至系统的惰性气,与乙
组分
烯情况相同,放空或排至燃料气管网;
乙烯
❖ 乙基苯:主产品;
乙烷
❖ 二乙基苯:数量不少,又是一个有用的产品,可 以将其作为副产品,但需和低于其沸点的丙苯和 高于其沸点的丁苯、三乙苯,杂环化合物等组分 分离,将增加较多投资和操作费用。因此除非市 场有迫切需求,-般将其返回反应器;
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