1、1,第六章 化工生產(chǎn)工藝流程,第一節(jié) 概述 一、工藝流程的組成 二、工藝流程圖 第二節(jié) 工藝流程的配置 一、工藝流程配置的一般原則 二、工藝流程配置的方法,2,第六章 化工生產(chǎn)工藝流程,第三節(jié)工藝流程的分析、評價(jià)與優(yōu)化 一、技術(shù)的先進(jìn)性、適用性和可靠性 二、經(jīng)濟(jì)合理性 三、工業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)性 四、操作控制的安全性 第四節(jié)典型工藝流程解析 一、氨合成工藝流程解析 二、乙酸乙烯酯溶液聚合法生產(chǎn)聚乙酸乙烯酯工 藝流程解析,3,第一節(jié) 概述,一、工藝流程的組成 二、工藝流程圖,4,一、工藝流程的組成,化學(xué)工程： 運(yùn)用化學(xué)的方法或手段來研究工業(yè)制造過程，同時(shí)研究此制造（生產(chǎn)）過程的共同規(guī)律、摸索最佳的工藝

2、條件、解決規(guī)模放大和大型化生產(chǎn)中出現(xiàn)的諸多工程技術(shù)問題。,5,化工過程: 化工生產(chǎn)從原料到制成目的產(chǎn)物，經(jīng)過的一系列物理和化學(xué)加工處理步驟。 每個(gè)化工生產(chǎn)過程基本包括三個(gè)步驟： 包含原料的預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)物的分離及精制 化工過程是以化學(xué)反應(yīng)過程為中心。 工業(yè)生產(chǎn)中，制備產(chǎn)品氨包括以下步驟： 合格氮?dú)狻錃獾闹苽洌?氫氣和氮?dú)膺M(jìn)行化學(xué)反應(yīng)合成氨； 分離混合氣中的產(chǎn)品氨；,6,7,工藝流程：,從原料開始，物料流經(jīng)一系列由管道連結(jié)的設(shè) 備，經(jīng)過包括物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換的加工，最后得到預(yù) 期的產(chǎn)品，將實(shí)施這些轉(zhuǎn)換所需要的一系列功能單 元和設(shè)備有機(jī)組合的次序和方式，稱為工藝流程。,8,9,二、工藝流程圖,

3、從原料開始，物料流經(jīng)一系列由管道連結(jié)的設(shè) 備，經(jīng)過包括物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換的加工，最后得到預(yù) 期的產(chǎn)品，將實(shí)施這些轉(zhuǎn)換所需要的一系列功能單 元和設(shè)備有機(jī)組合的次序和方式，稱為工藝流程。 表示其工藝過程的圖形稱為工藝流程圖。,10,方框流程圖 最簡單、最粗略的流程圖。用方框代表車間、裝置或設(shè)備；方框之間用帶箭頭的直線進(jìn)行連接，直線代表車間、裝置或設(shè)備之間的管線連接，箭頭表示物料流向。 方框流程圖按照原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的順序，采用由左向右、由上而下的方式進(jìn)行展開。 圖6-2以重油為原料的合成氨方框流程圖,11,帶控點(diǎn)的工藝流程圖,一般包括生產(chǎn)裝置各層地平線及標(biāo)高、設(shè)備示意圖、 設(shè)備流程號、物料及動(dòng)力管線、主

4、要閥件和管道附件等。,12,第二節(jié) 工藝流程的配置,一、工藝流程配置的一般原則 二、工藝流程配置的方法,13,一、工藝流程配置的一般原則,工藝流程的配置要有化工生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)及工程知識，要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)； 運(yùn)用推論分析，從目標(biāo)出發(fā)，尋找實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的前提，將具有不同功能的單元進(jìn)行邏輯組合，形成一個(gè)具有整體功能的系統(tǒng)； 運(yùn)用功能分析來研究每個(gè)單元的基本功能和基本屬性，組成幾個(gè)可以比較的具有整體功能的流程方案以供選擇； 運(yùn)用形態(tài)分析對每種方案進(jìn)行精確的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和評價(jià)，擇優(yōu)汰劣，確定最優(yōu)方案。,14,一、工藝流程配置的一般原則,1.工藝路線技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)操作安全可靠、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理有利

5、； 2.反應(yīng)物料充分利用； 3.能量利用充分、合理、有效； 4.工藝流程連續(xù)化和自動(dòng)化； 5.單元操作適宜，設(shè)備選型合理； 6.安全措施得當(dāng)，三廢治理有效； 7.工藝流程的整體性優(yōu)化。,15,二、工藝流程配置的方法,原料預(yù)處理系統(tǒng) 原料的選擇和利用 化工廠原料的費(fèi)用一般占60-80； 盡可能選用價(jià)廉易得的原料； 盡可能提高原料的轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)的選擇性和目 的產(chǎn)物的收率。 原料的預(yù)處理 、,16,二、工藝流程配置的方法,2. 反應(yīng)系統(tǒng) 理想反應(yīng)器；適宜的反應(yīng)條件 輔助設(shè)備 3. 反應(yīng)產(chǎn)物的分離系統(tǒng) 將反應(yīng)生成的產(chǎn)物從反應(yīng)系統(tǒng)中分離出來，進(jìn)行精制、提純，從而得到目的產(chǎn)物，并將未反應(yīng)的原料、溶劑以及未

6、反應(yīng)的催化劑、反應(yīng)副產(chǎn)物等分離出來，盡可能實(shí)現(xiàn)原料、溶劑的循環(huán)使用。,17,二、工藝流程配置的方法,4. 能量綜合利用 首先，認(rèn)真研究換熱流程和方案，最大限度的分級回收熱能； 其次，注意設(shè)備位置的相對高低，充分利用位能輸送物料。 工藝流程中一般包括的設(shè)備： 見教材P102 圖6-4 化工工藝流程配置示意圖,18,二、工藝流程配置的方法,5. 主要設(shè)備的選擇 定型設(shè)備的選型 非定型設(shè)備的設(shè)計(jì) 選用設(shè)備的一般原則 確定設(shè)備的類型 確定設(shè)備的規(guī)格 A.泵；B.壓縮機(jī)；C.熱交換器； D.工業(yè)爐；E.儲(chǔ)槽； F.反應(yīng)器；G.塔器,19,5. 主要設(shè)備的選擇,反應(yīng)器的選擇 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)要求 熱量傳遞的要求

7、 質(zhì)量傳遞與流體動(dòng)力學(xué)過程的要求 工藝控制的要求 機(jī)械工程的要求 技術(shù)經(jīng)濟(jì)管理要求 選擇反應(yīng)器要從滿足工藝要求出發(fā)，并結(jié)合各類反應(yīng)器的性能和特點(diǎn)來確定。,20,第三節(jié) 工藝流程的分析、評價(jià)與優(yōu)化,一、技術(shù)的先進(jìn)性、適用性和可靠性 1.先進(jìn)性 2.適用性 3.可靠性,21,二、經(jīng)濟(jì)合理性,1.原料的優(yōu)化 2.能量的充分、有效、合理利用 充分利用工藝工程的能量； 按質(zhì)用能； 以能耗最小的原則配置流程； 3.設(shè)備的優(yōu)化 4. 勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高,22,三、工業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)性 四、操作控制的安全性,23,第四節(jié)典型工藝流程解析,一、氨合成工藝流程解析,24,一、氨合成工藝流程解析,1.反應(yīng)原理 這是一個(gè)可

8、逆放熱相摩爾數(shù)減少的反應(yīng)。 2.工藝條件 工藝條件的選擇要以氨合成反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析為依據(jù)，并結(jié)合催化劑的性能而定。,25,2.工藝條件,（1）壓力 從化學(xué)平衡和反應(yīng)速度的角度來看，較高的操作壓力是有利的。但壓力的高低直接影響到設(shè)備的投資、制造和合成氨功耗的大小。 生產(chǎn)上選擇操作壓力的主要依據(jù)是能耗以及包括能量消耗、原料費(fèi)用、設(shè)備投資在內(nèi)的綜合費(fèi)用，即取決于技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 目前國內(nèi)中、小型合成氛廠均采用20-32MPa壓力。,26,27,（2）溫度,氨合成反應(yīng)溫度決定于所使用的催化劑及合成塔的結(jié)構(gòu)。同其他的可逆放熱反應(yīng)一樣存在一個(gè)最適宜溫度Tm(或最佳溫度)的問題。,28,最適宜溫度隨氨

9、濃度增加而下降，隨壓力降低，情氣含量的增加而降低。同時(shí)，催化劑活性對最適宜溫度的影響也是顯著的。 催化劑床層的進(jìn)口溫度的低限由催化劑起始反應(yīng)溫度決定，床層熱點(diǎn)溫度的高限由催化劑的耐熱溫度決定。 因此合成反應(yīng)溫度一般控制在400-500，到生產(chǎn)后期，催化劑活性已經(jīng)下降，操作溫度應(yīng)相當(dāng)?shù)靥岣摺?29,（3）入塔氣體組成,合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、情氣含量和初始氨含量。 氫氮比 最適宜氫氮比與反應(yīng)偏離平衡的狀況有關(guān)。當(dāng)接近平衡時(shí)，氫氮比為3，可獲得最大平衡氨含量；當(dāng)遠(yuǎn)離平衡時(shí)，氫氮比為1最適宜。 生產(chǎn)實(shí)踐證明，最適宜的循環(huán)氫氮比應(yīng)略低于3，通常在2.5-2.9間，而對含鈷催化劑，該氫氮比在2.2

10、左右。 情氣含量 情氣的存在，無論從化學(xué)平衡、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)還是動(dòng)力消耗講，都是不利的。但要維持較低的情氣含量需要大量地排放循環(huán)氣，導(dǎo)致原料氣單耗增高。 生產(chǎn)中必須根據(jù)新鮮氣中惰性氣體含量、操作壓力、催化劑活性等綜合考慮。,30,初始氨含量 進(jìn)塔氨含量的高低，需綜合考慮氨冷凝的冷負(fù)荷和循環(huán)機(jī)的功耗。 通常操作壓力為25-30 MPa時(shí)采用一級氨冷，進(jìn)塔氨含量控制在3-4；而在20 MPa合成時(shí)采用二級氨冷，15MPa下合成時(shí)采用三級氨冷，此時(shí)進(jìn)塔氨含量可降至1.5-2.0。,31,空間速度,空間速度的大小，不僅與氨凈值(合成塔進(jìn)出口氨含量之差)、循環(huán)氣量、系統(tǒng)阻力降和催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度有關(guān)，而且還直接

11、影響到反應(yīng)熱的合理利用。 提高空間速度雖然增加催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度(指單位時(shí)間單位體積催化劑上生成氨的量)，但將導(dǎo)致出塔氣體中氨含量的下降。,32,3.流程配置,根據(jù)氨合成的工藝持點(diǎn)，工藝過程系采用循環(huán)流程。其中包括氨的合成、分離、氫氮原料氣的壓縮并補(bǔ)入循環(huán)系統(tǒng)，未反應(yīng)氣體補(bǔ)壓后循環(huán)利用、熱量的回收以及徘放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。 在工藝流程的設(shè)計(jì)中，要合理地配置上述各環(huán)節(jié)。重點(diǎn)是合理的確定循環(huán)壓縮機(jī)、新鮮原料氣的補(bǔ)入以及情氣放空的位置、氨分離的冷凝級數(shù)(冷凝法)、冷熱交換器的安排和熱能回收的方式等。,33,（1）合成回路的設(shè)計(jì) 由于化學(xué)平衡的制約，氨合成率很低，因而必須建立氨合成循環(huán)回路，以提高原料的利用率。 （2）原料氣的預(yù)處理,34,（3）氨合成塔 氨合成塔是整個(gè)合成氨生產(chǎn)工藝中最主要的設(shè)備。它必須適應(yīng)過程在接近最適宜溫度下操作，力求小的系統(tǒng)阻力降以減少循環(huán)氣的壓縮功耗，結(jié)構(gòu)上應(yīng)簡單可靠，滿足合成反應(yīng)高溫高壓操作的需要。 氨合成塔的結(jié)構(gòu)形式繁多。工業(yè)上，按降溫方式不同，可分為冷管冷卻型、冷激型和中間換熱型。一般而言，冷管冷卻型用于小型氨合成塔。冷激型具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易的持點(diǎn)。 中間換熱型氨合成塔是當(dāng)今世界的發(fā)展趨勢，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。近年來將傳統(tǒng)的塔內(nèi)氣流由軸向流動(dòng)改為徑向流動(dòng)以減小壓力降，降低壓縮功耗已受到了普遍重視。,35,（4）氨的分離 合成反應(yīng)后