化工設(shè)計(jì)-分餾塔為例

魏耀東2014.7化學(xué)工業(yè)，化工工程，

化學(xué)設(shè)計(jì)，化工裝備

學(xué)--科學(xué)，工---工業(yè)。化學(xué)是屬于科學(xué)范圍，化工往往與技術(shù)有關(guān)。需要集成，考慮成本。

化工中的一些基本原理，其實(shí)是化工中應(yīng)用理論力學(xué)，流體力學(xué)，熱力學(xué)，傳熱學(xué)等科學(xué)問題的應(yīng)用。

化工中用到的反應(yīng)，是化學(xué)發(fā)現(xiàn)的，再應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中?；瘜W(xué)是探索，化工是用化學(xué)的方法生產(chǎn)出市場(chǎng)上需要產(chǎn)品的工業(yè)。如果化工是生產(chǎn)商店里的服裝賣的話，化學(xué)就是設(shè)計(jì)走T型臺(tái)的概念服裝?；瘜W(xué)與化工一、化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史、化學(xué)工業(yè)覆蓋的范圍及其在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系中的地位1、化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史化學(xué)工業(yè)歷經(jīng)了古代、近代、現(xiàn)代三個(gè)主要發(fā)展階段。化學(xué)工業(yè)發(fā)展階段①、古代化學(xué)工業(yè)：從數(shù)千年前人類陽光曬鹽、地下鹵水煮鹽開始，萌發(fā)了古老的化學(xué)工業(yè)。②、近代化學(xué)工業(yè)：從18世紀(jì)中葉，歐洲造紙、玻璃、肥皂的大規(guī)模生產(chǎn)開始，表明近代化學(xué)工業(yè)的形成。③、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)：上世紀(jì)40年代開始，隨著合成橡膠、石油煉制、合成纖維工業(yè)的迅速發(fā)展，隨著化工單元操作理論的日益成熟，在科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模二個(gè)層面上，揭示現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)開始形成。工業(yè)園區(qū)的模式運(yùn)行，公用工程，產(chǎn)品流通，三廢處理等。2、化學(xué)工業(yè)屬于過程工業(yè)型制造業(yè)（流程型制造業(yè)）現(xiàn)代制造業(yè)離散型制造業(yè)（例如汽車工業(yè)等）過程工業(yè)型制造業(yè)（又稱“流程型制造業(yè)”）（例如化學(xué)工業(yè)、冶金行業(yè)等）

流程型制造業(yè)一般是能耗大戶，也是排放的大戶。其節(jié)能、降耗、減排的任務(wù)十分艱巨。

例如：一個(gè)年產(chǎn)值不過僅10億元人民幣的合成原料藥制造企業(yè)，它每天的耗水量可高達(dá)5000立方米。

過程工業(yè)是以流程性物料為主要處理對(duì)象、完成一系列化學(xué)、物理過程，改變物質(zhì)的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的工業(yè)生產(chǎn)總稱。3、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)覆蓋的范圍

我國(guó)化學(xué)工業(yè)的分類與美國(guó)、歐盟關(guān)于化學(xué)工業(yè)的范疇有一些區(qū)別，但逐步在接軌，按美國(guó)、歐盟的化學(xué)工業(yè)年鑒，現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)覆蓋以下范圍：現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)石油化工（包括其衍生的有機(jī)化工）煤化工（包括其衍生的有機(jī)化工）無機(jī)化工精細(xì)化工及中間體化肥工業(yè)農(nóng)藥工業(yè)醫(yī)藥工業(yè)輕工（造紙、玻璃、塑料、合成橡膠等）染料、油墨、化妝品、清潔劑生物化工4、化學(xué)工業(yè)在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系中的地位

化學(xué)工業(yè)是所有高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支撐工業(yè)，如能源、電子、信息、生物、材料等領(lǐng)域，都離不開化學(xué)工業(yè)提供的物質(zhì)支撐。

化學(xué)工業(yè)絕不是所謂的“夕陽工業(yè)”、“夕陽產(chǎn)業(yè)”，它現(xiàn)在仍然正在平穩(wěn)高速的發(fā)展，將來必將持續(xù)快速發(fā)展。1990年～1999年，美國(guó)、歐盟化學(xué)工業(yè)的發(fā)展速度是其全部工業(yè)平均增長(zhǎng)速度的2.69倍。

美國(guó)化學(xué)工業(yè)的規(guī)模一直雄居世界化學(xué)工業(yè)總量的30％左右，是美國(guó)為數(shù)不多在國(guó)際貿(mào)易體系內(nèi)具有貿(mào)易順差的制造業(yè)之一。

在世界500強(qiáng)企業(yè)中，以化工為主或涉足化工領(lǐng)域的企業(yè)為數(shù)不少。世界500強(qiáng)中，很多是化學(xué)工業(yè)。Shell(2),Sinopec(3),CNPC(4),Exxonmobil(5),BP(6),Total(11),Chevron(12),others,DUPONT,BASF,DOW,ICI,Cnooc(中海油),CONOCOPHILLIPS，……二、化工過程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容1、化工設(shè)計(jì)、化工廠設(shè)計(jì)、化工過程設(shè)計(jì)、化工工藝設(shè)計(jì)四個(gè)名詞之間的聯(lián)系與區(qū)別

化工設(shè)計(jì)是泛稱，在不同場(chǎng)合可分別指稱化工廠設(shè)計(jì)、化工過程設(shè)計(jì)、化工工藝設(shè)計(jì)，其內(nèi)涵最廣，但意義不明確。化工廠設(shè)計(jì)化工過程設(shè)計(jì)（核心）化工廠房建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總圖設(shè)計(jì)，….等非工藝部分設(shè)計(jì)化工工藝設(shè)計(jì)（核心）公用工程設(shè)計(jì)、外管設(shè)計(jì)，…等化工過程設(shè)計(jì)是針對(duì)化工工藝設(shè)計(jì)的深入、配套與完善。2、化工過程設(shè)計(jì)的目標(biāo)及內(nèi)容

美國(guó)國(guó)家顧問團(tuán)在其“化學(xué)工程的新領(lǐng)域”著作中，簡(jiǎn)明闡述了化工過程設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)：

確定最佳流程及最佳操作條件，達(dá)到最優(yōu)投入產(chǎn)出比。在定量計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)，考慮安全、健康、環(huán)保的因素，確定出一個(gè)綜合的設(shè)計(jì)方案?；み^程設(shè)計(jì)的內(nèi)容：

其基本核心內(nèi)容是化工工藝設(shè)計(jì)，其附帶內(nèi)容是針對(duì)化工工藝設(shè)計(jì)，對(duì)它的配套部分如公用工程、外管設(shè)計(jì)等進(jìn)行深入設(shè)計(jì)和完善。3、化工過程設(shè)計(jì)的深化改革化工過程設(shè)計(jì)發(fā)展方向復(fù)雜大型化工廠的設(shè)計(jì)柔性化工廠的設(shè)計(jì)自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)與國(guó)際工程設(shè)計(jì)的接軌我國(guó)化工設(shè)計(jì)院，原來的專業(yè)部門進(jìn)行了相應(yīng)的改革調(diào)整。原來的工藝專業(yè)部工藝專業(yè)部（大部分為化學(xué)工程與工藝專業(yè)人員）工藝系統(tǒng)專業(yè)部（少量化學(xué)工程與工藝專業(yè)人員，大量其它輔助專業(yè)）工藝專業(yè)部：側(cè)重化工工藝設(shè)計(jì)工藝系統(tǒng)專業(yè)部：側(cè)重化工過程設(shè)計(jì)中除了化工工藝設(shè)計(jì)以外與工藝有關(guān)的內(nèi)容工藝專業(yè)部：側(cè)重出PID圖、PFD圖工藝系統(tǒng)專業(yè)部：側(cè)重出UID圖、UFD圖PID

（ProcessInstrumentDiagram）帶控制點(diǎn)的工藝儀表管道流程圖PFD

（ProcessFlowsheetDiagram）過程物料流程圖UID

（UtilityInstrumentDiagram）公用工程儀表管道流程圖UFD

（UtilityFlowsheetDiagram）公用工程物料流程圖其中，各種圖紙隨設(shè)計(jì)的深入，分成多個(gè)版本。

工藝專業(yè)部與工藝系統(tǒng)專業(yè)部之間，在設(shè)計(jì)工作過程中有許多需要交流的條件、文件（“條件表”），有發(fā)出條件的主導(dǎo)專業(yè)，有接收“條件表”的接收專業(yè)。我國(guó)化工設(shè)計(jì)院的專業(yè)種類化學(xué)工程與工藝化工機(jī)械自動(dòng)化及儀表總圖概預(yù)算（工程經(jīng)濟(jì)）建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、強(qiáng)弱電熱工、環(huán)境工程（環(huán)保）、工業(yè)爐三、計(jì)算機(jī)輔助化工過程設(shè)計(jì)

在20世紀(jì)20年代以前，化工過程設(shè)計(jì)幾乎沒有理論作指導(dǎo)，幾乎是完全憑經(jīng)驗(yàn)。

在20世紀(jì)20年代～60年代，化工過程設(shè)計(jì)已經(jīng)開始有化工單元操作理論作指導(dǎo)，可以定量計(jì)算設(shè)計(jì)，但幾乎完全憑手工計(jì)算與繪圖完成設(shè)計(jì)工作。

在20世紀(jì)60年代以后，計(jì)算機(jī)輔助化工過程設(shè)計(jì)得到了發(fā)展。

為什么直到20世紀(jì)60年代后，在化工設(shè)計(jì)領(lǐng)域開開始出現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助化工過程設(shè)計(jì)呢？計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展化工單元操作等理論的不斷成熟數(shù)學(xué)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助化工過程設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)（優(yōu)點(diǎn)）：①、設(shè)計(jì)工作效率高②、規(guī)范性好③、設(shè)計(jì)水平高（可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)）效率對(duì)比：一個(gè)年產(chǎn)30萬噸的乙烯的工程，如果全憑手工計(jì)算與繪圖，400個(gè)設(shè)計(jì)工程師要花費(fèi)近1年的時(shí)間，才能完成一個(gè)流程方案的設(shè)計(jì)。而借助計(jì)算機(jī)輔助化工過程設(shè)計(jì)系統(tǒng)，200個(gè)設(shè)計(jì)工程師花費(fèi)8個(gè)星期，就能完成一個(gè)流程方案。

后者的設(shè)計(jì)工作效率比前者高出10多倍。計(jì)算輔助化工過程設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的發(fā)展情況：第一代商品化軟件系統(tǒng)20世紀(jì)60年代，以美國(guó)各高校聯(lián)合開發(fā)的CHESS軟件系統(tǒng)為代表。Chem.Eng.SimulationSystem20世紀(jì)70年代初，以美國(guó)Monsanto公司牽頭開發(fā)的FLOWTRAN軟件系統(tǒng)代表。第二代商品化軟件系統(tǒng)FlowsheetTranslator第三代商品化軟件系統(tǒng)20世紀(jì)80年代，以ASPEN

和PROCESSII兩大軟件系統(tǒng)代表。AdvancedSystemforProcessEng.

我國(guó)最早由寰球、化工部八院等單位于上世紀(jì)90年代率先引進(jìn)ASPEN軟件系統(tǒng)?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)各設(shè)計(jì)院基本都已經(jīng)使用ASPEN或ProcessII軟件系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助化工過程設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助化工過程設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的發(fā)展方向（趨勢(shì)）：（1）、單元操作模塊的種類數(shù)；（2）、物性數(shù)據(jù)庫的大小及數(shù)據(jù)的估算方法；（3）、能處理的流股數(shù)量和組份數(shù)量；（4）、計(jì)算技術(shù)方法（求解方法）；（5）、能處理的流股相態(tài)；（氣、液、固、膠體、電解質(zhì)等）（6）、軟件系統(tǒng)的人性化界面及開放程度；（7）、流程圖形輸入及識(shí)別技術(shù)。等等四、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向、化學(xué)工程倫理學(xué)責(zé)任關(guān)懷制度1、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向人類發(fā)展化學(xué)工業(yè)的目的：

滿足人類對(duì)化學(xué)物質(zhì)（分子式、數(shù)量、質(zhì)量、多尺度形態(tài)）的不斷需求。這個(gè)目標(biāo)由化學(xué)家和化學(xué)工程師，在技術(shù)層面上共同完成。現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)發(fā)展方向新物質(zhì)經(jīng)濟(jì)合理的大批量高質(zhì)量柔性化綠色化多尺度其中：

化學(xué)工業(yè)綠色化的含義：以“減量化、再利用、資源化”為基本原則，也就是所謂的“3R”原則。（Reduce、Recycle、Resource）具體體現(xiàn)在：（1）、減少化工過程的能耗、物耗；（2）、減少有害物質(zhì)的使用或生成；（3）、減少廢棄物，并使廢棄物在系統(tǒng)類在利用；（4）、盡量將排放的廢棄物轉(zhuǎn)化為可用的再生資源；（5）、盡量延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期。ReduceRecycleResource2、化學(xué)工程倫理學(xué)及責(zé)任關(guān)懷制度

在化學(xué)工程領(lǐng)域?qū)嵤┳?cè)工程師制度，在化學(xué)工程師心目中樹立倫理學(xué)觀念，建立責(zé)任關(guān)懷制度。開始逐步成為國(guó)際化學(xué)工程領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展大趨勢(shì)。倫理學(xué)理念體現(xiàn)在：（1）、自覺維護(hù)化工過程的安全；（2）、自覺保護(hù)環(huán)境的意識(shí)；（3）、自覺節(jié)約資源的意識(shí)；（4）、對(duì)業(yè)主、化工廠操作人員、同事負(fù)責(zé)的精神。責(zé)任關(guān)懷制度的含義：（1）、提高對(duì)安全、健康、環(huán)保、資源的認(rèn)知和行動(dòng)；（2）、充分報(bào)道成績(jī)、行動(dòng)計(jì)劃，但不回避缺陷；（3）、與公眾溝通，并傾聽意見的日?；?。等等。機(jī)泵等供貨商初步資料初步設(shè)計(jì)方案論證業(yè)主條件首頁圖統(tǒng)一規(guī)定開工報(bào)告及協(xié)作進(jìn)度表基本確定PFD、PID、主要機(jī)泵、設(shè)備選型及設(shè)備布置圖設(shè)計(jì)成品入庫，條件歸檔科室抽取、修改、完善軸測(cè)圖與外專業(yè)相互會(huì)簽設(shè)備、土建、自控、機(jī)泵、材控、電氣、電信、給排水、消防、暖通、熱工、環(huán)保安全衛(wèi)生、外管依次提出各專業(yè)一次條件提防腐、保溫條件完成管道安裝材料表、管道命名表、管架表、地腳螺栓表、綜合材料表、設(shè)備表、施工圖說明及圖紙目錄接收自控的安裝條件及控制點(diǎn)位號(hào)提管機(jī)條件、管口方位圖、調(diào)節(jié)閥規(guī)格單、鋼平臺(tái)梯子條件三維建模，設(shè)計(jì)管道布置圖土建、設(shè)備、材料返回一次條件提出土建二次條件與外管核對(duì)接點(diǎn)條件完善PID，管架設(shè)計(jì)接收管機(jī)專業(yè)關(guān)于管架的意見化工設(shè)計(jì)流程連續(xù)精餾裝置的工藝流程操作目的：通過反復(fù)的部分汽化與部分冷凝，將混合液中沸點(diǎn)不同的各組分分離成產(chǎn)品。操作代價(jià)：消耗能量，塔底需要加熱使塔底液部分汽化；塔頂需要冷卻使塔頂組分冷凝；化工工藝接收設(shè)計(jì)條件消化資料確定設(shè)計(jì)基礎(chǔ)展開工藝設(shè)計(jì)提出相關(guān)設(shè)計(jì)條件完成工藝設(shè)計(jì)成品文件詳細(xì)設(shè)計(jì)跟蹤服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)完工報(bào)告工藝設(shè)計(jì)工作程序項(xiàng)目經(jīng)理應(yīng)提供的條件和資料：●項(xiàng)目建議書●可研報(bào)告●裝置平面圖●專利、專有技術(shù)資料●工藝設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)●開工報(bào)告●有關(guān)會(huì)議資料●合同文件接受設(shè)計(jì)條件：●采用的工藝路線及其依據(jù)，產(chǎn)品方案及裝置的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力、產(chǎn)品及副產(chǎn)品的數(shù)量、年操作時(shí)數(shù)及操作彈性?！裨牧稀⑤o助原料、催化劑、化學(xué)品的規(guī)格要求及界區(qū)條件。●產(chǎn)品、中間產(chǎn)品及副產(chǎn)品的規(guī)格（產(chǎn)品牌號(hào)、規(guī)格、性能等）?！窆霉こ痰母黜?xiàng)規(guī)格要求及界區(qū)條件（溫度、壓力等）。●其它設(shè)計(jì)條。消化資料確定設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：●確定工藝流程方案●工藝計(jì)算：物料、能量、設(shè)備工藝計(jì)算●PFD和初步的UFD●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●初步的安全分析，危險(xiǎn)區(qū)劃分●初版PID(A版)開展工藝設(shè)計(jì):

●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●三廢排放一覽表提出相關(guān)設(shè)計(jì)條件：

●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●安全生產(chǎn)、職業(yè)衛(wèi)生●物性數(shù)據(jù)●文字說明提出相關(guān)設(shè)計(jì)條件：

工藝說明書●圖紙(圖紙是工程語言)

PFD附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)條件表取樣點(diǎn)匯總表

完成工藝設(shè)計(jì)成品文件：

精餾塔概述37精餾塔的設(shè)計(jì)(化工設(shè)計(jì))系統(tǒng)、工藝，機(jī)械，土建，儀表，公用工程（汽水電）精餾塔的制造精餾塔的運(yùn)輸和安裝精餾塔儀表安裝和調(diào)試材料，制造工藝，零件，機(jī)加工，焊接，組裝，檢驗(yàn)，防腐運(yùn)輸，車具，吊裝，梯子平臺(tái)，接管，保溫，防腐，試壓控制方案，儀表選擇，安裝，布線，控制方法（PID），組裝,系統(tǒng)調(diào)試等1、新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)（技術(shù)開發(fā)）

2、重復(fù)建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)（成熟技術(shù)）3、已有裝置的改造設(shè)計(jì)（技術(shù)改進(jìn)）

公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)分離系統(tǒng)反應(yīng)系統(tǒng)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）

整個(gè)流程的組成；

每個(gè)過程或工序的組成；

工藝操作條件；三傳一反

主要操作參數(shù)的控制

主要設(shè)備，機(jī)器

控制點(diǎn)和控制方法。

一、分餾塔的工藝設(shè)計(jì)部分三、分餾塔的設(shè)計(jì)

工藝流程圖（PI，PFD，PID，PCD）

blockflowsheet

simplifiedflowsheet

processflowsheetdiagram.PFD

pipingandinstrumentdiagram,PID

processcontroldiagram,PCD

工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容（物料、能量、熱量、動(dòng)量平衡）

熱力學(xué)計(jì)算

溫度

壓力

組分

操作線

塔盤數(shù)

進(jìn)料位置

回流比

…

水力學(xué)計(jì)算

操作氣速

塔頂回流量

壓降

溫降

塔高

塔徑

…設(shè)計(jì)條件分餾塔為例說明材料

塔壁厚度，

封頭

支撐裙座

安全閥

吊柱

地腳螺栓

人孔

梯子平臺(tái)

塔盤

保溫

防火

…二、分餾塔的機(jī)械設(shè)計(jì)部分(理論力學(xué)，材料力學(xué)等)控制參數(shù)選擇

控制精度

流量控制

壓力控制

溫度控制

液位控制

簡(jiǎn)單控制

串級(jí)控制

儀表選擇信號(hào)傳輸

控制閥流量特性

PID參數(shù)整定

其他

…三、分餾塔的控制設(shè)計(jì)部分(控制理論，檢測(cè)儀表等)分餾塔總圖塔盤總圖布液管脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖乙烯生產(chǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖（PID）串級(jí)控制系統(tǒng)（副控制壓力，也可以是流量）提鎦段的串級(jí)控制系統(tǒng)壓力容器與流體機(jī)械

靜設(shè)備

反應(yīng)器，塔，換熱器，爐子，儲(chǔ)罐，管線，管線等。

動(dòng)設(shè)備

液體泵

氣體壓縮機(jī)活塞式，離心式，軸流式。

裝備部分-實(shí)體部分，投資的主體設(shè)計(jì)，制造，安裝，維護(hù)，管理煉油裝置-常減壓-裝置的布置煉油裝置-常減壓-資源共用（熱風(fēng)）煉油裝置-常