化工工藝設計必備知識

1、化工工藝設計講座1. 概述1.1要建設一個化工廠，必須具有一批化工工藝專業(yè)技術(shù)人員，這批化工工藝專業(yè)技術(shù)人 員必須具備下列基本條件。掌握化工基本理論如化工熱力學、流體力學、傳熱、傳質(zhì)、化學反應動力學（化學反應工程）掌握化工工藝設計方法和技能工藝設計的任務、設計范圍、工藝設計人員職責?；せ纠碚摰膽茫ɑぴO計方法）。工藝設計基本程序（工藝設計技能）。工藝設計的成品文件（內(nèi)容及深度）。工藝設計的質(zhì)量保證程序。熟悉環(huán)保、安全、消防等方面的法規(guī)，如：HG20667-1986化工建設項目環(huán)境保護設計規(guī)定SH3024-95石油化工企業(yè)環(huán)境保護設計規(guī)范HG20571-95化工企業(yè)安全衛(wèi)生設計規(guī)定SH30

2、47-93石油化工企業(yè)職業(yè)安全衛(wèi)生設計規(guī)范GBJ16-87（2001 版）建筑設計防火規(guī)范GB50160-92（1999 版）石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范GB50058-92爆炸和危險性環(huán)境電力裝置設計規(guī)范一定的工作經(jīng)驗1.2化工建設項目階段1.2.1建設項目階段的劃分以工程公司為主體，通常分為三個階段項目前期項目建議書 T批準后即為立項可行性研究報告 T批準后即可展開工程設計工程設計按國內(nèi)審批要求分為：初步設計T批準后建設單位即可開工。施工圖設計按國際常規(guī)做法分為：工藝設計基礎設計詳細設計施工、安裝、試車、性能考核及國家驗收 （驗收后工廠投入正常運行）1.2.2 建設項目階段的劃分以建設單位為主

3、體，通常分為四個階段項目前期工程設計工程建設工廠投入生產(chǎn)2. 工藝設計的內(nèi)容和深度2.1工藝設計的文件包括三大內(nèi)容：文字說明（工藝說明）圖紙表格2.1.1文字說明（工藝說明）工藝設計的范圍。設計基礎：生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品方案、原料，催化劑，化學品，公用工程燃料規(guī)格、產(chǎn)品及副產(chǎn)品規(guī)格。工藝流程說明：生產(chǎn)方法、化學原理、工藝流程敘述。原料、催化劑、化學品及燃料消耗定額及消耗量。公用工程（包括水、電、汽、脫鹽水、冷凍、工藝空氣、儀表空氣、氮氣）消耗定額及消耗量。三廢排放：包括排放點、排放量、排放組成及建議處理方法 裝置定員安全備忘錄（另行成冊）技術(shù)風險備忘錄（通常為對內(nèi)使用，另行成冊）操作指南（通常為對內(nèi)

4、使用，另行成冊。供工藝系統(tǒng)、配管等專業(yè)使用）2.1.2 圖紙PFD是PID的設計依據(jù)，供基礎設計使用（通常分版次逐版深化）包括全部工藝設備、主要物料管道（表示出流向、物料號）、主要控制回路、聯(lián)鎖方案、加熱和冷卻介質(zhì)以及工藝空氣進出位置。建議設備布置圖：是總圖布置、裝置布置的依據(jù)，供基礎設計使用（通常為平面布置圖）。根據(jù)工藝流程的特點和要求進行布置。PCD通常是設計院內(nèi)部設計過程文件、最終體現(xiàn)在終版PFD中（通常由自控專業(yè)完成）。2.1.3 表格物料平衡表：包括物流組成、溫度、壓力、狀態(tài)、流量、密度、焓值、粘度等理 化常數(shù)（熱負荷表示在此表中或PFD圖上）。工藝設備數(shù)據(jù)表：根據(jù)設備形式不同、作用

5、不同以及介質(zhì)不同可分為容器、塔器、 換熱器、工業(yè)爐、機泵、攪拌器的等。工藝設備數(shù)據(jù)表需表示出設備位號、介質(zhì) 名稱、操作壓力、設計壓力、操作溫度、設計溫度、材質(zhì)、傳動機構(gòu)、外形尺寸、 特征尺寸及特殊要求。（各設計院均有各種規(guī)定的表格）。工藝設備表取樣點匯總表裝置界區(qū)條件表：通常由工藝系統(tǒng)專業(yè)來完善并最終發(fā)表（包括原材料、公用工程、產(chǎn)品、副產(chǎn)品、進出界區(qū)條件等）。2.2補充說明：化工工藝專業(yè)尚需參加前期工作，主要前期工作有:項目建議書；可行性報告編制工作。項目報價書；投標書、技術(shù)文件編制工作。引進項目：包括詢價書、投標書的評標、合同技術(shù)附件談判。大中型聯(lián)合裝置總體規(guī)劃設計。3. 工藝設計方法（化工

6、基本理論的應用）3.1工藝路線的選擇原料來源經(jīng)濟效益和社會效益（生產(chǎn)成本）環(huán)境保護其它，如操作條件、安全、消防、投資、工藝先進性，可行性，合理性。3.2工藝流程方案優(yōu)化“洋蔥頭”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）設計的有序和分層性質(zhì)。反應流程優(yōu)化見表-742（ P-544）反應流程優(yōu)化需要考慮的問題較多，問題復雜。如反應動力學、反應收率、催化 劑特性、反應歷程、反應途徑。反應器的最優(yōu)操作條件有如何保證反應溫度、反應壓力、混合要求、換熱要求、 各物料配比、給定條件下的生產(chǎn)成本等等。精餾流程的優(yōu)化 精餾流程如需要分離 R個組份，就需要有 R-1個精餾塔。精餾優(yōu)化需要考慮：那種組份為主產(chǎn)品，那種組份

7、為付產(chǎn)品。產(chǎn)品的規(guī)格要求。精餾流程的優(yōu)化法 1）:試探法，主要規(guī)則如下：優(yōu)先使用普通精餾。盡量避免減壓操作和使用冷量。產(chǎn)品數(shù)應最少。腐蝕性、危險性的組份應優(yōu)先分出。難分離的組分最后分出。最大量組份應優(yōu)先分出。塔頂、塔釜產(chǎn)物最好等摩爾分離。精餾流程的優(yōu)化法2）：調(diào)優(yōu)法精餾流程的優(yōu)化法3）：數(shù)學規(guī)劃法蒸發(fā)流程的優(yōu)化1）單效、雙效、三效蒸發(fā)。2 ）熱泵蒸發(fā)、膜式蒸發(fā)。3）多級閃蒸。4） 強制循環(huán)蒸發(fā)、自然循環(huán)蒸發(fā)、。結(jié)合蒸發(fā)器的類型（標準、懸框、列文、強制循環(huán)蒸發(fā)器）進行選擇。3.3工藝設備的選擇反應器：1） 連續(xù)1）均相1）活塞流（管式）2） 半連續(xù)2）非均相2）全混釜（攪拌釜）3）間歇以上反應器

8、的選擇要根據(jù)物料性質(zhì)、穩(wěn)定性、反應復雜性、產(chǎn)品規(guī)模、反應時間、溫 度、壓力等因素綜合考慮。不同類型的反應器在工業(yè)生產(chǎn)中的應用情況見P-547。氣液相反應器及固相反應器的使用情況見 P-548。固體催化反應器的使用情況見表7.4.3-3（P-548）。氣液傳質(zhì)設備：1） 板式塔：泡罩、浮閥、篩板等。板式塔塔板流體流向分布類型可分為U形流, 單溢流，雙溢流等2）填料塔：a拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)等填料。b散堆、規(guī)整填料。c實體填料、絲網(wǎng)填料。以上傳質(zhì)設備的選擇要根據(jù)分離難易程度、壓降大小、真空（熱敏性物料）、物料性質(zhì)、投資情況、腐蝕情況、物料清潔情況、安全要求、彈性大小、發(fā)泡等情況選擇。（見P-54

9、9）傳熱設備：按功能分：冷卻器、冷凝器、加熱器、換熱器、再沸器、蒸汽發(fā)生器、過熱器、 廢熱鍋爐等。按結(jié)構(gòu)型式分：采用二物流換熱的換熱器從結(jié)構(gòu)上分有以下5種型式：A. 管殼式（固定管板式、浮頭式、填料函式、U型管式）B. 板式（板翅式、螺旋板式、傘板式、波紋板式）C. 管式（空冷器、套管式、噴淋管式、箱管式）D. 液膜式（升降膜式、刮板薄膜式、離心薄膜式）E. 其它型式（板殼式、熱管式）以上型式換熱器的選擇依據(jù)是：A固定管板式換熱器固定管板式換熱器即兩端管板和殼體連接成一體，由于殼程不易檢修和清洗，因 此選用固定管板式換熱器時，殼方流體應是較清潔且不易結(jié)垢的物料；兩流體溫差較 大（大于60 C

10、）時應考慮熱補償，兩流體溫差不易大于120 C。B.浮頭式換熱器該換熱器殼程易清洗，但內(nèi)墊片易滲漏，適用于需要補償熱膨脹的換熱器，兩流體溫差大于120 C。C.U 型管式換熱器 該換熱器制造、安裝方便，造價較低，管程耐高壓，但結(jié)構(gòu)不緊湊。適用于高溫 和高壓的場合，且管內(nèi)流體必須潔凈。D板式換熱器板翅式：緊湊、效率高、可多股物料同時換熱。 使用溫度不大于150 C。螺旋板式：可用于帶顆粒物料，物位利用好。不易檢修。傘板式：制造簡單、緊湊、易清洗，使用溫度不大于150 C,使用壓力不大于0.12MPa。波紋板式：緊湊、效率高、易清洗，使用溫度不大于150 C,使用壓力不大于0.15MPa。E. 空

11、冷器的選擇依據(jù)a. 空氣入口溫度（即設計溫度）低于 38C。b. 熱流體的出口溫度高于 5065C,并允許有一定的波動范圍（35 C）。c. 對數(shù)平均溫差大于 40 C。d. 流體接近溫度（即熱流體的出口溫度與冷流體入口溫度之差）至少大于15C。2e. 管內(nèi)給熱系數(shù)小于 2325.6W/（m .K）。4.工藝設計工作程序項目經(jīng)理項目建議書可研報告裝置平面圖專利及專有技術(shù)資料 工藝設計，基礎設計數(shù)據(jù) 開工報告有關(guān)會議紀要合同文件自控條件工藝控制聯(lián)鎖報警電氣條件危險區(qū)劃分特殊電氣要求電氣聯(lián)鎖報警總圖條件 建議布置圖設備條件工藝設備數(shù)據(jù)表分析化驗條件取樣條件表取樣點匯總表配管條件操作原則安全規(guī)程指南

12、三廢排放一覽表公用工程條件表消防條件電信條件采暖、通風、空調(diào)條件建、構(gòu)筑物特性條件化_接受設一消化資料展開提出相完成工基礎設計設計工計條件確定設計，工藝關(guān)設計藝設計、詳細設完工工基礎設計條件成品文計跟蹤服報告藝J件務工藝路線產(chǎn)品方案設計規(guī)模年操作時間操作彈性原料、催化劑規(guī)格 產(chǎn)品和付產(chǎn)品規(guī)格 公用工程規(guī)格界區(qū)條件確定工藝流程方案安全生產(chǎn)工藝計算：物料、職業(yè)衛(wèi)生能量、設備物性數(shù)據(jù)FI文字說明設備表工藝設備數(shù)據(jù)表建議布置圖原料、公用工程消耗確定公用系統(tǒng)方案UFD 三廢排放量及建議處理方法 安全分析危險區(qū)劃分初版PID（A版）工藝說明書圖紙PFDS物料平衡表建議布置圖表格設備表工藝設備數(shù)據(jù)表界區(qū)條件

13、表 取樣點匯總表5.設備設計壓力和設計溫度的確定5.1壓力:正常操作（工作）壓力最高工作壓力設計壓力的選取見表 761“設備設計壓力一覽表”（P-561 ）。5.2溫度：正常操作溫度最高操作溫度設計溫度的選取見表 7.6.2 “設備設計溫度選取表”（P-562）。6. 過程控制方案的確定6.1過程控制方案確定的原則保證裝置運行的平穩(wěn)、生產(chǎn)安全、控制簡單適用。用單回路簡單控制系統(tǒng)可以解決的，決不要用復雜的控制系統(tǒng)。6.2過程控制的分類壓力溫度流量物位化學成分和物性數(shù)據(jù)6.3選用控制儀表的要求準確可靠靈敏度高反應迅速滯后小使用維護方便價格便宜6.4典型化工單元的控制方案6.4.1反應反應控制的要求

14、達到規(guī)定的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品濃度。處理量平穩(wěn)。當出現(xiàn)不正常工況時，能報警、聯(lián)鎖或自動選擇性調(diào)節(jié)系統(tǒng)。反應控制方案以反應轉(zhuǎn)化率為控制變量見圖7.7.3-1（ P-564 ）。以反應工藝狀態(tài)變量為控制對象見圖7.732（ P-565）。6.4.2精餾精餾是常見的液液分離方法，精餾控制主要目的是達到規(guī)定的分離要求。主要變 量有進料量、組成、溫度、操作壓力、冷卻和加熱介質(zhì)、壓力及溫度的變換。精餾控 制可分為：按精餾段指標的控制方案 見圖 7.7.3-3 （ P-566 ）。按提餾段指標的控制方案 見圖 7.7.3-4 （ P-567 ）。 塔頂壓力控制方案 見圖 7.7.3-5 （ P-568）。真空度控制

15、方案 見圖 7.7.3-6 （P-569 ）。 其它控制方案 見圖 7.7.3-7 （ P-569 ）。6.4.3 傳熱設備控制載體的流量 見圖 7.7.3-8 （P-570 ）?？刂苽鳠崦娣e 見圖 7.7.3-9 （ P-570 ）。 控制載體的氣化溫度 見圖 7.7.3-10 （P-571 ）。工藝介質(zhì)旁路控制 見圖 7.7.3-11 （P-571 ）。6.4.4 流體輸送設備 離心泵控制方案 見圖 7.7.3-12 （P-572 ）。 改變轉(zhuǎn)速的控制方案 見圖 7.7.3-13 （P-572 ）。往復泵 （ 位移式旋轉(zhuǎn)泵 ）的控制方案 見圖 7.7.3-14 （P-572）。7. 能耗計

16、算 目前人類面臨的共同任務是保護資源、減少環(huán)境污染、維護生態(tài)平衡、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā) 展?；どa(chǎn)中傳熱過程是經(jīng)常的發(fā)生的事，因此合理使用能源，節(jié)約能源消耗是每個化 工工藝設計人員應盡的職責。過程能量分析的常用方法有：夾點分析法和三環(huán)節(jié)能量分析法7.1 夾點分析法 將需要優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡用冷、熱流復合線表示在溫焓圖（ T-H 圖）上，熱流復合線位于 冷流上方，冷、熱流體的復合線中間垂直距離最短處稱為夾點，其溫差厶Tmin稱為夾點溫差。夾點分析法應遵循三個原則：盡量避免有熱流體通過夾點夾點上方避免引入公用設施冷卻物流夾點下方避免引入公用設施加熱物流7.2三環(huán)節(jié)能量分析法重點研究熱能在化工裝置的利用，從下述三個環(huán)節(jié)出發(fā)：能量轉(zhuǎn)換能量利用能量回收夾點分析法和三環(huán)節(jié)能量分析法實際應用可參考有關(guān)文獻資料。8. 與工藝設計相關(guān)的基本知識與工藝設計相關(guān)的基本知識包括消防、勞動安全衛(wèi)生、環(huán)境保護三個方面，必須遵守國家相關(guān)的標準、法規(guī)。8.1消防見P-5775918.2安全見P-5915948.3環(huán)保見P-594601廢氣廢水（廢液）廢