化工工藝設(shè)計(jì)必備知識(shí)

1、化工工藝設(shè)計(jì)講座1. 概述1.1要建設(shè)一個(gè)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(xué)、流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（化學(xué)反應(yīng)工程）掌握化工工藝設(shè)計(jì)方法和技能工藝設(shè)計(jì)的任務(wù)、設(shè)計(jì)范圍、工藝設(shè)計(jì)人員職責(zé)。化工基本理論的應(yīng)用（化工設(shè)計(jì)方法）。工藝設(shè)計(jì)基本程序（工藝設(shè)計(jì)技能）。工藝設(shè)計(jì)的成品文件（內(nèi)容及深度）。工藝設(shè)計(jì)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(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)定SH3024-95石油化工企業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范HG20571-95化工企業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計(jì)規(guī)定SH30

2、47-93石油化工企業(yè)職業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計(jì)規(guī)范GBJ16-87（2001 版）建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范GB50160-92（1999 版）石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范GB50058-92爆炸和危險(xiǎn)性環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范一定的工作經(jīng)驗(yàn)1.2化工建設(shè)項(xiàng)目階段1.2.1建設(shè)項(xiàng)目階段的劃分以工程公司為主體，通常分為三個(gè)階段項(xiàng)目前期項(xiàng)目建議書 T批準(zhǔn)后即為立項(xiàng)可行性研究報(bào)告 T批準(zhǔn)后即可展開(kāi)工程設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)按國(guó)內(nèi)審批要求分為：初步設(shè)計(jì)T批準(zhǔn)后建設(shè)單位即可開(kāi)工。施工圖設(shè)計(jì)按國(guó)際常規(guī)做法分為：工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)施工、安裝、試車、性能考核及國(guó)家驗(yàn)收 （驗(yàn)收后工廠投入正常運(yùn)行）1.2.2 建設(shè)項(xiàng)目階段的劃分以建設(shè)單位為主

3、體，通常分為四個(gè)階段項(xiàng)目前期工程設(shè)計(jì)工程建設(shè)工廠投入生產(chǎn)2. 工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容和深度2.1工藝設(shè)計(jì)的文件包括三大內(nèi)容：文字說(shuō)明（工藝說(shuō)明）圖紙表格2.1.1文字說(shuō)明（工藝說(shuō)明）工藝設(shè)計(jì)的范圍。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品方案、原料，催化劑，化學(xué)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(shuō)明：生產(chǎn)方法、化學(xué)原理、工藝流程敘述。原料、催化劑、化學(xué)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?dú)猓┫亩~及消耗量。三廢排放：包括排放點(diǎn)、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(cè)）技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)備忘錄（通常為對(duì)內(nèi)使用，另行成冊(cè)）操作指南（通常為對(duì)內(nèi)

4、使用，另行成冊(cè)。供工藝系統(tǒng)、配管等專業(yè)使用）2.1.2 圖紙PFD是PID的設(shè)計(jì)依據(jù)，供基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用（通常分版次逐版深化）包括全部工藝設(shè)備、主要物料管道（表示出流向、物料號(hào)）、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(jìn)出位置。建議設(shè)備布置圖：是總圖布置、裝置布置的依據(jù)，供基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用（通常為平面布置圖）。根據(jù)工藝流程的特點(diǎn)和要求進(jìn)行布置。PCD通常是設(shè)計(jì)院內(nèi)部設(shè)計(jì)過(guò)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(fù)荷表示在此表中或PFD圖上）。工藝設(shè)備數(shù)據(jù)表：根據(jù)設(shè)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(jī)泵、攪拌器的等。工藝設(shè)備數(shù)據(jù)表需表示出設(shè)備位號(hào)、介質(zhì) 名稱、操作壓力、設(shè)計(jì)壓力、操作溫度、設(shè)計(jì)溫度、材質(zhì)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、外形尺寸、 特征尺寸及特殊要求。（各設(shè)計(jì)院均有各種規(guī)定的表格）。工藝設(shè)備表取樣點(diǎn)匯總表裝置界區(qū)條件表：通常由工藝系統(tǒng)專業(yè)來(lái)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(jìn)出界區(qū)條件等）。2.2補(bǔ)充說(shuō)明：化工工藝專業(yè)尚需參加前期工作，主要前期工作有:項(xiàng)目建議書；可行性報(bào)告編制工作。項(xiàng)目報(bào)價(jià)書；投標(biāo)書、技術(shù)文件編制工作。引進(jìn)項(xiàng)目：包括詢價(jià)書、投標(biāo)書的評(píng)標(biāo)、合同技術(shù)附件談判。大中型聯(lián)合裝置總體規(guī)劃設(shè)計(jì)。3. 工藝設(shè)計(jì)方法（化工

6、基本理論的應(yīng)用）3.1工藝路線的選擇原料來(lái)源經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益（生產(chǎn)成本）環(huán)境保護(hù)其它，如操作條件、安全、消防、投資、工藝先進(jìn)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(shè)計(jì)的有序和分層性質(zhì)。反應(yīng)流程優(yōu)化見(jiàn)表-742（ P-544）反應(yīng)流程優(yōu)化需要考慮的問(wèn)題較多，問(wèn)題復(fù)雜。如反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)收率、催化 劑特性、反應(yīng)歷程、反應(yīng)途徑。反應(yīng)器的最優(yōu)操作條件有如何保證反應(yīng)溫度、反應(yīng)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(gè)組份，就需要有 R-1個(gè)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(yīng)最少。腐蝕性、危險(xiǎn)性的組份應(yīng)優(yōu)先分出。難分離的組分最后分出。最大量組份應(yīng)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(xué)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(jí)閃蒸。4） 強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)、懸框、列文、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器）進(jìn)行選擇。3.3工藝設(shè)備的選擇反應(yīng)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(yīng)器

8、的選擇要根據(jù)物料性質(zhì)、穩(wěn)定性、反應(yīng)復(fù)雜性、產(chǎn)品規(guī)模、反應(yīng)時(shí)間、溫 度、壓力等因素綜合考慮。不同類型的反應(yīng)器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用情況見(jiàn)P-547。氣液相反應(yīng)器及固相反應(yīng)器的使用情況見(jiàn) P-548。固體催化反應(yīng)器的使用情況見(jiàn)表7.4.3-3（P-548）。氣液傳質(zhì)設(shè)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(shí)體填料、絲網(wǎng)填料。以上傳質(zhì)設(shè)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(jiàn)P-54

9、9）傳熱設(shè)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(guò)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(shí)，殼方流體應(yīng)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(shí)應(yīng)考慮熱補(bǔ)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(bǔ)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(jià)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(chǎng)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(shí)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(jiǎn)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(shè)計(jì)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(dòng)范圍（35 C）。c. 對(duì)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(shè)計(jì)工作程序項(xiàng)目經(jīng)理項(xiàng)目建議書可研報(bào)告裝置平面圖專利及專有技術(shù)資料 工藝設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 開(kāi)工報(bào)告有關(guān)會(huì)議紀(jì)要合同文件自控條件工藝控制聯(lián)鎖報(bào)警電氣條件危險(xiǎn)區(qū)劃分特殊電氣要求電氣聯(lián)鎖報(bào)警總圖條件 建議布置圖設(shè)備條件工藝設(shè)備數(shù)據(jù)表分析化驗(yàn)條件取樣條件表取樣點(diǎn)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(fēng)、空調(diào)條件建、構(gòu)筑物特性條件化_接受設(shè)一消化資料展開(kāi)提出相完成工基礎(chǔ)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)工計(jì)條件確定設(shè)計(jì)，工藝關(guān)設(shè)計(jì)藝設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)完工工基礎(chǔ)設(shè)計(jì)條件成品文計(jì)跟蹤服報(bào)告藝J件務(wù)工藝路線產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)規(guī)模年操作時(shí)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(jì)算：物料、職業(yè)衛(wèi)生能量、設(shè)備物性數(shù)據(jù)FI文字說(shuō)明設(shè)備表工藝設(shè)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(xiǎn)區(qū)劃分初版PID（A版）工藝說(shuō)明書圖紙PFDS物料平衡表建議布置圖表格設(shè)備表工藝設(shè)備數(shù)據(jù)表界區(qū)條件

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

14、達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品濃度。處理量平穩(wěn)。當(dāng)出現(xiàn)不正常工況時(shí)，能報(bào)警、聯(lián)鎖或自動(dòng)選擇性調(diào)節(jié)系統(tǒng)。反應(yīng)控制方案以反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為控制變量見(jiàn)圖7.7.3-1（ P-564 ）。以反應(yīng)工藝狀態(tài)變量為控制對(duì)象見(jiàn)圖7.732（ P-565）。6.4.2精餾精餾是常見(jiàn)的液液分離方法，精餾控制主要目的是達(dá)到規(guī)定的分離要求。主要變 量有進(jìn)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(biāo)的控制方案 見(jiàn)圖 7.7.3-3 （ P-566 ）。按提餾段指標(biāo)的控制方案 見(jiàn)圖 7.7.3-4 （ P-567 ）。 塔頂壓力控制方案 見(jiàn)圖 7.7.3-5 （ P-568）。真空度控制

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

16、算 目前人類面臨的共同任務(wù)是保護(hù)資源、減少環(huán)境污染、維護(hù)生態(tài)平衡、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā) 展?；どa(chǎn)中傳熱過(guò)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(gè)化 工工藝設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡的職責(zé)。過(guò)程能量分析的常用方法有：夾點(diǎn)分析法和三環(huán)節(jié)能量分析法7.1 夾點(diǎn)分析法 將需要優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)用冷、熱流復(fù)合線表示在溫焓圖（ T-H 圖）上，熱流復(fù)合線位于 冷流上方，冷、熱流體的復(fù)合線中間垂直距離最短處稱為夾點(diǎn)，其溫差厶Tmin稱為夾點(diǎn)溫差。夾點(diǎn)分析法應(yīng)遵循三個(gè)原則：盡量避免有熱流體通過(guò)夾點(diǎn)夾點(diǎn)上方避免引入公用設(shè)施冷卻物流夾點(diǎn)下方避免引入公用設(shè)施加熱物流7.2三環(huán)節(jié)能量分析法重點(diǎn)研究熱能在化工裝置的利用，從下述三個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)：能量轉(zhuǎn)換能量利用能量回收夾點(diǎn)分析法和三環(huán)節(jié)能量分析法實(shí)際應(yīng)用可參考有關(guān)文獻(xiàn)資料。8. 與工藝設(shè)計(jì)相關(guān)的基本知識(shí)與工藝設(shè)計(jì)相關(guān)的基本知識(shí)包括消防、勞動(dòng)安全衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)三個(gè)方面，必須遵守國(guó)家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)。8.1消防見(jiàn)P-5775918.2安全見(jiàn)P-5915948.3環(huán)保見(jiàn)P-594601廢氣廢水（廢液）廢