第二章 工艺流程设计
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化工设计
Design of Chemical Engineering
17
化工设计
Design of Chemical Engineering
18
化工设计
Design of Chemical Engineering
19
化工设计
Design of Chemical Engineering
20
化工设计
Design of Chemical Engineering
(4) 确定控制方案
a 离心泵的流量控制
21
化工设计
Design of Chemical Engineering
b 液位控制
22
化工设计
Design of Chemical Engineering
c 两个液相的界面控制(液-液分离）
CO2 + NaOH→Na2CO3 + H2O
15
化工设计
Design of Chemical Engineering
(3) 确定操作条件
1）温度； 2）压力； 3）组成； 4）反应的转化率
ⅰ）反应器操作参数的确定
ⅱ）精馏塔工艺参数的确定
1）塔压(实质上是塔顶塔釜温度选取的问题)； 2）回流比； 3）产品纯度和回收率；
4) 反应器的选型：
反应器的分类
形状：管式、釜式、塔式 换热方式：等温、绝热、非等温非绝热 反应物系的相态：均相、非均相（气固、气液、气液固）
反应器选型的判据
反应器类型（即反应介质的相态，此为最简单、首先使用 的判据）； 催化剂失活速度； 由反应的浓度效应决定的混合要求； 由反应的热负荷和温度效应决定热量传递和温度控制要求； 相际传质和化学反应的相对速度。
3
化工设计
Design of Chemical Engineering
工艺流程设计和车间布置设计是决定整个车间 基本面貌的关键性步骤，工艺流程设计是工艺 设计的核心； 工艺流程设计是在确定原料路线和工艺技术路 线的基础上进行的； 所谓工艺技术路线就是把原料加工成产品的方 法。其内容包括：工艺流程、生产方法、工艺 设备、技术方案。
(2) 落实设备—设备类型与制造厂商
（分为三种类型：国内已有定型产品；需要进口； 国内需重新设计制造）
(3) 全面对比—对调研结果进行全面分析对比
11
化工设计
Design of Chemical Engineering
全面分析对比的主要内容：
①几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；
1．先进性 先进性是指在化工设计过程中技术上的先进程
度和经济上的合理可行。
例1：美国20世纪50年代为了搞“继电器接点电路合成研究”， 曾联合几家实验室研究了5 年、耗资50万美元，完成后发表 成果时，才发现该项目早已被其他人完成； 例2：二十世纪80年代，上海某保温瓶厂研究以镁代银涂层， 花了十年时间才试验成功，然而国外早在1930年就有该项目 的专利报道。
d 塔压调节
23
化工设计
Design of Chemical Engineering
2.1.4 工艺流程设计的方法 工艺流程的四个重要部分：
2 1 4
◆
原料预处理
反应过程 产物后处理
3
三废处理
◆
其他相关措施及设计
24
化工设计
Design of Chemical Engineering
(1).反应过程的合成
化工设计
41
Design of Chemical Engineering
(2）现有生产装置情况
42
化工设计
Design of Chemical Engineering
1．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 (1) 确定整个流程的组成；
7
(2) 确定每个过程或工序的组成； (3) 确定操作条件； (4) 控制方案的确定； (5) 合理利用原料及能量； (6) 制定三废的治理方法； (7) 制定安全生产措施。
2．绘制工艺流程图
化工设计
13
Design of Chemical Engineering
酯交换法反应机理：
CH2OCOR1
催化剂
CH2OH
CH3OCOR1
CHOCOR2 + 3CH3OH CH2OCOR3
CHOH + CH2OH
CH3OCOR2
CH3OCOR3
34
生物柴油的制造:
• 植物油与甲醇（乙醇）酯交换制得
棉籽油、棕榈油、椰子油、菜籽油、野生植 物油以及海藻等
• 化学法 –液碱催化 –固体碱催化 –二段催化 • 酶催化
9
化工设计
Design of Chemical Engineering
资料收集与整理的内容主要包括以下几个方面：
①国内外各种生产方法及工艺流程，生产现状与发展规划； ②原料来源、产品特点及应用情况；
③试验研究技术报告；
④综合利用及三废处理情况； ⑤生产技术的先进程度（水平），生产连续化、自动化程度；
27
化工设计ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Design of Chemical Engineering
(2) 原料预处理过程 纯化 预热（冷） 提纯精制
混合
配制
汽化
干燥
压缩
粉碎
筛分
28
化工设计
Design of Chemical Engineering
(3) 产物后处理
产物处理(分离净化) 产品处理(作为下一工序原料进行筛选、包装、灌装、
《工业三废（废水、废气、废物）相关法律 • 相关政策法规 法规条文释义与违法处理程序、标准及案例 分析实务全书》 《化学工业职业标准· 化工三废处理工》 《工厂与环境--三废的弊害与治理》
《国外石油化工三废 》
39
化工设计
Design of Chemical Engineering
(5). 其他相关措施及设计：
粗硝基物去精制
分离废酸出售
A、硝化-分离工艺方案
化工设计
31
Design of Chemical Engineering
硫酸 水
硝酸
粗硝基物去精制
配 酸 釜 冷却水
连 续 分 离 器 氯苯 水蒸汽
硝 化 釜 冷却水
萃 取 罐
萃取废酸出售
B、硝化-分离-萃取工艺方案
化工设计
32
Design of Chemical Engineering
的表示方法、管道的表示方法、阀门与管件的表 示方法、仪表控制点的表示方法；
掌握工艺流程图、设备图的绘制方法及阅读。
2
化工设计
Design of Chemical Engineering
§2-1 工艺流程设计概述
• 工艺流程设计的原则
• 工艺流程选择的任务
• 生产方法和工艺流程设计的步骤
• 工艺流程设计的方法
⑤劳动就业与化工生产自动化水平的关系； ⑥资金筹措和外汇贮备情况。
8
化工设计
Design of Chemical Engineering
2.1.2 生产方法和工艺流程设计的步骤 3 • (1) 搜集资料，调查研究 （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）
3)能量供给、移出方式
25
化工设计
Design of Chemical Engineering
例乙苯反应器内的反应如下：
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、 异丙苯、 杂环化合物
26
化工设计
Design of Chemical Engineering
确定公用工程的配套措施 确定操作条件和控制方案 制定切实可靠的安全生产措施 保温、防腐的设计
40
化工设计
Design of Chemical Engineering
例: 环氧丙烷过程概念设计 (1）过程简介 主反应: Cl2+ H2O →HCl+ HClO HClO+ C3H6→ClC3H6OH 副反应: C3H6+ Cl2→C3H6Cl2 ClC3H6OH + C3H6+ Cl2→HCl+ (C3H6Cl)2O （二氯异丙基醚) 皂化反应: 2ClC3H6OH + Ca(OH)2→CaCl2+H2O + 2C3H6O
计量、贮存、输送等)
未反应物循环利用(返回反应过程或加工成副产物)
副产物处理（设计制备、包装、贮运等）
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化工设计
Design of Chemical Engineering
例2-1 用混酸硝化氯苯制备混合硝基氯苯
已知原始数据：混酸组成(摩尔分数,下同)为HNO347%、 H2SO4 49%、H2O 4%；氯苯与混酸中HNO3的摩尔比为1:1.1;
4
化工设计
Design of Chemical Engineering
2.1.1 生产方法和工艺流程选择的原则
现代化工的“三大支柱”：化工工艺、自
动控制、材料，决定了化工装臵的先进性、
可靠性、经济性和可行性.
5
化工设计
Design of Chemical Engineering
2.1.1 生产方法和工艺流程选择的原则
②产品的质量指标及产品规格情况； ③生产能力及工艺技术情况； ④原材料、能量消耗情况； ⑤建设费用及产品成本；
⑥三废的产生及治理情况； ⑦安全生产与劳动保护措施; ⑧其他特殊情况
12
化工设计
Design of Chemical Engineering
2.1.3 工艺流程设计的任务
首先确定过程的操作方式和输入、输出条件： 1)操作方式：
连续或间歇（产量、市场需求、操作上特殊要求）
2)输入、输出条件
输入条件：进口的原料是否需经预处理（根据杂质的 毒性、反应性、量）
输出：确定目的产品和流股数 （反应产品有6个去向：主产品、联产或副产品、低价 值的燃料、排空、循环、有害物去三废处理）
(1) 确定整个流程的组成
例如 合成氨生产工艺：
己内酰胺生产工艺：
14
化工设计
Design of Chemical Engineering
(2) 确定各个过程或工序的组成
例如: 合成氨工艺中的变换工段：
变换反应：CO + H2O→CO2 + H2 水洗： CO2 + H2O H2CO3
碱洗：
补充硫酸 回收硫酸
硝酸
粗硝基物去精制
接真空
配 酸 釜 冷却水
连 续 分 离 器 氯苯 水蒸汽
冷凝器
冷却水
硝 化 釜 冷却水
萃 取 罐
水蒸汽
接 收 罐 浓 缩 釜 去水处理
回收氯苯
C、硝化-分离-萃取-浓缩工艺方案
化工设计
33
Design of Chemical Engineering
例2-2 生物柴油原理
6
化工设计
Design of Chemical Engineering
2.1.1 生产方法和工艺流程选择的原则
2．可靠性
可靠性主要是指所选择的生产方法和工艺流程 是否成熟可靠。 应当坚持一切经过试验的原则，不允许把未来 的生产工厂当作试验工厂来进行设计。
另外，要考虑原料供给的可靠性，对于一个建 设项目，必须保证在其服务期限内有足够的、稳 定的原料来源。
7
化工设计
Design of Chemical Engineering
3．合理性
①中国人民的消费水平及各种化工产品的消费趋势；
②中国化工机械设备及电气仪表的制造能力； ③中国化工生产所用的化工原材料及设备用金属 材料的供应情况； ④中国环境保护的有关规定和化工生产中三废排 放情况；
⑥安全技术、劳动保护与卫生措施；
⑦生产设备的大型化及制造、运输情况； ⑧基本建设投资和产品生产成本，车间（装臵）占地面积； ⑨水、电、汽、燃料的用量及供应，主要基建材料的用 量及供应； ⑩厂址、地质、水文、气象等资料，工厂环境与周围的情况。
10
化工设计
Design of Chemical Engineering
35
36
lurgi公司醇解工艺：
37
连续脱甘油工艺（CD Process）：
38
(4). 三废处理
• 三废：废气、废液、废渣;
• 所含有害物质在排放前应该达到排放标准；
• 尽量综合利用，变废为宝；污染问题不解决， 《工业三废处理新工艺新技术与检测控制标 准规范及环境影响评价实用手册》 不允许投产
第二章
工艺流程设计
•工艺流程设计概述 •工艺流程图 •化工典型设备的自控流程
1
化工设计
Design of Chemical Engineering
学习目的和要求：
★ 目的：
用图解形式来表达整个生产工艺过程. ★ 要求：
熟悉工艺流程选择的原则及其设计方法； 掌握工艺流程图包括的内容：比例与图幅、设备
硝化温度80℃;硝化时间3h;硝化废酸中含硝酸＜1.6%,含
混合硝基氯苯为获得混合硝基氯苯量的1%。试用方案比 较的方法，确定硝化及后处理工艺流程。
30
化工设计
Design of Chemical Engineering
硫酸 水
硝酸
配 酸 釜 冷却水 氯苯 水蒸汽 硝 化 釜 冷却水 连 续 分 离 器
化工设计
Design of Chemical Engineering
17
化工设计
Design of Chemical Engineering
18
化工设计
Design of Chemical Engineering
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化工设计
Design of Chemical Engineering
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化工设计
Design of Chemical Engineering
(4) 确定控制方案
a 离心泵的流量控制
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化工设计
Design of Chemical Engineering
b 液位控制
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化工设计
Design of Chemical Engineering
c 两个液相的界面控制(液-液分离）
CO2 + NaOH→Na2CO3 + H2O
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化工设计
Design of Chemical Engineering
(3) 确定操作条件
1）温度； 2）压力； 3）组成； 4）反应的转化率
ⅰ）反应器操作参数的确定
ⅱ）精馏塔工艺参数的确定
1）塔压(实质上是塔顶塔釜温度选取的问题)； 2）回流比； 3）产品纯度和回收率；
4) 反应器的选型：
反应器的分类
形状：管式、釜式、塔式 换热方式：等温、绝热、非等温非绝热 反应物系的相态：均相、非均相（气固、气液、气液固）
反应器选型的判据
反应器类型（即反应介质的相态，此为最简单、首先使用 的判据）； 催化剂失活速度； 由反应的浓度效应决定的混合要求； 由反应的热负荷和温度效应决定热量传递和温度控制要求； 相际传质和化学反应的相对速度。
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化工设计
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工艺流程设计和车间布置设计是决定整个车间 基本面貌的关键性步骤，工艺流程设计是工艺 设计的核心； 工艺流程设计是在确定原料路线和工艺技术路 线的基础上进行的； 所谓工艺技术路线就是把原料加工成产品的方 法。其内容包括：工艺流程、生产方法、工艺 设备、技术方案。
(2) 落实设备—设备类型与制造厂商
（分为三种类型：国内已有定型产品；需要进口； 国内需重新设计制造）
(3) 全面对比—对调研结果进行全面分析对比
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化工设计
Design of Chemical Engineering
全面分析对比的主要内容：
①几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；
1．先进性 先进性是指在化工设计过程中技术上的先进程
度和经济上的合理可行。
例1：美国20世纪50年代为了搞“继电器接点电路合成研究”， 曾联合几家实验室研究了5 年、耗资50万美元，完成后发表 成果时，才发现该项目早已被其他人完成； 例2：二十世纪80年代，上海某保温瓶厂研究以镁代银涂层， 花了十年时间才试验成功，然而国外早在1930年就有该项目 的专利报道。
d 塔压调节
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化工设计
Design of Chemical Engineering
2.1.4 工艺流程设计的方法 工艺流程的四个重要部分：
2 1 4
◆
原料预处理
反应过程 产物后处理
3
三废处理
◆
其他相关措施及设计
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化工设计
Design of Chemical Engineering
(1).反应过程的合成
化工设计
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(2）现有生产装置情况
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化工设计
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1．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 (1) 确定整个流程的组成；
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(2) 确定每个过程或工序的组成； (3) 确定操作条件； (4) 控制方案的确定； (5) 合理利用原料及能量； (6) 制定三废的治理方法； (7) 制定安全生产措施。
2．绘制工艺流程图
化工设计
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Design of Chemical Engineering
酯交换法反应机理：
CH2OCOR1
催化剂
CH2OH
CH3OCOR1
CHOCOR2 + 3CH3OH CH2OCOR3
CHOH + CH2OH
CH3OCOR2
CH3OCOR3
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生物柴油的制造:
• 植物油与甲醇（乙醇）酯交换制得
棉籽油、棕榈油、椰子油、菜籽油、野生植 物油以及海藻等
• 化学法 –液碱催化 –固体碱催化 –二段催化 • 酶催化
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化工设计
Design of Chemical Engineering
资料收集与整理的内容主要包括以下几个方面：
①国内外各种生产方法及工艺流程，生产现状与发展规划； ②原料来源、产品特点及应用情况；
③试验研究技术报告；
④综合利用及三废处理情况； ⑤生产技术的先进程度（水平），生产连续化、自动化程度；
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化工设计ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Design of Chemical Engineering
(2) 原料预处理过程 纯化 预热（冷） 提纯精制
混合
配制
汽化
干燥
压缩
粉碎
筛分
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化工设计
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(3) 产物后处理
产物处理(分离净化) 产品处理(作为下一工序原料进行筛选、包装、灌装、
《工业三废（废水、废气、废物）相关法律 • 相关政策法规 法规条文释义与违法处理程序、标准及案例 分析实务全书》 《化学工业职业标准· 化工三废处理工》 《工厂与环境--三废的弊害与治理》
《国外石油化工三废 》
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(5). 其他相关措施及设计：
粗硝基物去精制
分离废酸出售
A、硝化-分离工艺方案
化工设计
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Design of Chemical Engineering
硫酸 水
硝酸
粗硝基物去精制
配 酸 釜 冷却水
连 续 分 离 器 氯苯 水蒸汽
硝 化 釜 冷却水
萃 取 罐
萃取废酸出售
B、硝化-分离-萃取工艺方案
化工设计
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的表示方法、管道的表示方法、阀门与管件的表 示方法、仪表控制点的表示方法；
掌握工艺流程图、设备图的绘制方法及阅读。
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化工设计
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§2-1 工艺流程设计概述
• 工艺流程设计的原则
• 工艺流程选择的任务
• 生产方法和工艺流程设计的步骤
• 工艺流程设计的方法
⑤劳动就业与化工生产自动化水平的关系； ⑥资金筹措和外汇贮备情况。
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化工设计
Design of Chemical Engineering
2.1.2 生产方法和工艺流程设计的步骤 3 • (1) 搜集资料，调查研究 （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）
3)能量供给、移出方式
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化工设计
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例乙苯反应器内的反应如下：
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、 异丙苯、 杂环化合物
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确定公用工程的配套措施 确定操作条件和控制方案 制定切实可靠的安全生产措施 保温、防腐的设计
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化工设计
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例: 环氧丙烷过程概念设计 (1）过程简介 主反应: Cl2+ H2O →HCl+ HClO HClO+ C3H6→ClC3H6OH 副反应: C3H6+ Cl2→C3H6Cl2 ClC3H6OH + C3H6+ Cl2→HCl+ (C3H6Cl)2O （二氯异丙基醚) 皂化反应: 2ClC3H6OH + Ca(OH)2→CaCl2+H2O + 2C3H6O
计量、贮存、输送等)
未反应物循环利用(返回反应过程或加工成副产物)
副产物处理（设计制备、包装、贮运等）
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化工设计
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例2-1 用混酸硝化氯苯制备混合硝基氯苯
已知原始数据：混酸组成(摩尔分数,下同)为HNO347%、 H2SO4 49%、H2O 4%；氯苯与混酸中HNO3的摩尔比为1:1.1;
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化工设计
Design of Chemical Engineering
2.1.1 生产方法和工艺流程选择的原则
现代化工的“三大支柱”：化工工艺、自
动控制、材料，决定了化工装臵的先进性、
可靠性、经济性和可行性.
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化工设计
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2.1.1 生产方法和工艺流程选择的原则
②产品的质量指标及产品规格情况； ③生产能力及工艺技术情况； ④原材料、能量消耗情况； ⑤建设费用及产品成本；
⑥三废的产生及治理情况； ⑦安全生产与劳动保护措施; ⑧其他特殊情况
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化工设计
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2.1.3 工艺流程设计的任务
首先确定过程的操作方式和输入、输出条件： 1)操作方式：
连续或间歇（产量、市场需求、操作上特殊要求）
2)输入、输出条件
输入条件：进口的原料是否需经预处理（根据杂质的 毒性、反应性、量）
输出：确定目的产品和流股数 （反应产品有6个去向：主产品、联产或副产品、低价 值的燃料、排空、循环、有害物去三废处理）
(1) 确定整个流程的组成
例如 合成氨生产工艺：
己内酰胺生产工艺：
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化工设计
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(2) 确定各个过程或工序的组成
例如: 合成氨工艺中的变换工段：
变换反应：CO + H2O→CO2 + H2 水洗： CO2 + H2O H2CO3
碱洗：
补充硫酸 回收硫酸
硝酸
粗硝基物去精制
接真空
配 酸 釜 冷却水
连 续 分 离 器 氯苯 水蒸汽
冷凝器
冷却水
硝 化 釜 冷却水
萃 取 罐
水蒸汽
接 收 罐 浓 缩 釜 去水处理
回收氯苯
C、硝化-分离-萃取-浓缩工艺方案
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例2-2 生物柴油原理
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2.1.1 生产方法和工艺流程选择的原则
2．可靠性
可靠性主要是指所选择的生产方法和工艺流程 是否成熟可靠。 应当坚持一切经过试验的原则，不允许把未来 的生产工厂当作试验工厂来进行设计。
另外，要考虑原料供给的可靠性，对于一个建 设项目，必须保证在其服务期限内有足够的、稳 定的原料来源。
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化工设计
Design of Chemical Engineering
3．合理性
①中国人民的消费水平及各种化工产品的消费趋势；
②中国化工机械设备及电气仪表的制造能力； ③中国化工生产所用的化工原材料及设备用金属 材料的供应情况； ④中国环境保护的有关规定和化工生产中三废排 放情况；
⑥安全技术、劳动保护与卫生措施；
⑦生产设备的大型化及制造、运输情况； ⑧基本建设投资和产品生产成本，车间（装臵）占地面积； ⑨水、电、汽、燃料的用量及供应，主要基建材料的用 量及供应； ⑩厂址、地质、水文、气象等资料，工厂环境与周围的情况。
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化工设计
Design of Chemical Engineering
35
36
lurgi公司醇解工艺：
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连续脱甘油工艺（CD Process）：
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(4). 三废处理
• 三废：废气、废液、废渣;
• 所含有害物质在排放前应该达到排放标准；
• 尽量综合利用，变废为宝；污染问题不解决， 《工业三废处理新工艺新技术与检测控制标 准规范及环境影响评价实用手册》 不允许投产
第二章
工艺流程设计
•工艺流程设计概述 •工艺流程图 •化工典型设备的自控流程
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化工设计
Design of Chemical Engineering
学习目的和要求：
★ 目的：
用图解形式来表达整个生产工艺过程. ★ 要求：
熟悉工艺流程选择的原则及其设计方法； 掌握工艺流程图包括的内容：比例与图幅、设备
硝化温度80℃;硝化时间3h;硝化废酸中含硝酸＜1.6%,含
混合硝基氯苯为获得混合硝基氯苯量的1%。试用方案比 较的方法，确定硝化及后处理工艺流程。
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化工设计
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硫酸 水
硝酸
配 酸 釜 冷却水 氯苯 水蒸汽 硝 化 釜 冷却水 连 续 分 离 器