《化工工藝設(shè)計》講座(主講朱逸齋)

<化工工藝設(shè)計>講座主講：朱逸齋1概述1.1化工工藝設(shè)計人員必需具備的根本條件要建立一個化工廠，必需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)人員必需具備以下根本條件：

〔1〕掌握化工根本實際如化工熱力學(xué)、流膂力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反響動力學(xué)〔化學(xué)反響工程〕。

〔2〕掌握化工工藝設(shè)計方法和技藝●工藝設(shè)計的義務(wù)、設(shè)計范圍、工藝設(shè)計人員職責(zé)?！窕じ緦嶋H的運用〔化工設(shè)計方法〕?！窆に囋O(shè)計根本程序〔工藝設(shè)計技藝〕?！窆に囋O(shè)計的廢品文件〔內(nèi)容及深度〕?！窆に囋O(shè)計的質(zhì)量保證程序?！?〕熟習(xí)環(huán)保、平安、消防等方面的法規(guī)HG20667-1986化工建立工程環(huán)境維護設(shè)計規(guī)定SH3024-95 石油化工企業(yè)環(huán)境維護設(shè)計規(guī)范HG20571-95 化工企業(yè)平安衛(wèi)生設(shè)計規(guī)定SH3047-93 石油化工企業(yè)職業(yè)平安衛(wèi)生設(shè)計規(guī)范GBJ16-87(2001版) 建筑設(shè)計防火規(guī)范GB50160-92(1999版) 石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范GB50058-92 爆炸和危險性環(huán)境電力安裝設(shè)計規(guī)范〔4〕一定的任務(wù)閱歷1.2化工建立工程階段1.2.1建立工程階段的劃分以工程公司為主體，通常分為三個階段：〔1〕工程前期工程建議書→同意后即為立項可行性研討報告→同意后即可展開工程設(shè)計〔2〕工程設(shè)計按國內(nèi)審批要求分為： 初步設(shè)計→同意后建立單位即可開工。施工圖設(shè)計按國際常規(guī)做法分為： 工藝設(shè)計根底設(shè)計詳細(xì)設(shè)計〔3〕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轉(zhuǎn)〕

1.2.2建立工程階段的劃分以建立單位為主體，通常分為四個階段：〔1〕工程前期〔2〕工程設(shè)計〔3〕工程建立〔4〕工廠投入消費2.工藝設(shè)計的內(nèi)容和深度2.1工藝設(shè)計的文件包括三大內(nèi)容：〔1〕文字闡明〔工藝闡明〕〔2〕圖紙〔3〕表格2.1.1文字闡明〔工藝闡明〕●工藝設(shè)計的范圍●設(shè)計根底：消費規(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●工藝流程闡明：消費方法、化學(xué)原理、工藝流程表達(dá)●原料、催化劑、化學(xué)品及燃料耗費定額及耗費量●公用工程〔包括水、電、汽、脫鹽水、冷凍、工藝空氣、儀表空氣、氮氣〕耗費定額及耗費量●三廢排放：包括排放點、排放量、排放組成及建議處置方法●安裝定員●平安備忘錄〔另行成冊〕●技術(shù)風(fēng)險備忘錄〔通常為對內(nèi)運用，另行成冊〕●操作指南〔通常為對內(nèi)運用，另行成冊。供工藝系統(tǒng)、配管等專業(yè)運用〕2.1.2圖紙●PFD：是PID的設(shè)計根據(jù)，供根底設(shè)計運用〔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〕、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?！窠ㄗh設(shè)備布置圖：是總圖布置、安裝布置的根據(jù)，供根底設(shè)計運用〔通常為平面布置圖〕。根據(jù)工藝流程的特點和要求進(jìn)展布置?！馪CD：通常是設(shè)計院內(nèi)部設(shè)計過程文件、最終表達(dá)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、形狀、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〕?！窆に囋O(shè)備數(shù)據(jù)表：根據(jù)設(shè)備方式不同、作用不同以及介質(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(shè)備數(shù)據(jù)表需表示出設(shè)備位號、介質(zhì)稱號、操作壓力、設(shè)計壓力、操作溫度、設(shè)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(shè)計院均有各種規(guī)定的表格〕?！窆に囋O(shè)備表●取樣點匯總表●安裝界區(qū)條件表：通常由工藝系統(tǒng)專業(yè)來完善并最終發(fā)表〔包括原資料、公用工程、產(chǎn)品、副產(chǎn)品、進(jìn)出界區(qū)條件等〕。2.2補充闡明：化工工藝專業(yè)尚需參與前期任務(wù)，主要前期任務(wù)有：●工程建議書；可行性報告編制任務(wù)。●工程報價書；招標(biāo)書、技術(shù)文件編制任務(wù)。●引進(jìn)工程：包括詢價書、招標(biāo)書的評標(biāo)、合同技術(shù)附件談判。●大中型結(jié)合安裝總體規(guī)劃設(shè)計。3.工藝設(shè)計方法〔化工根本實際的運用〕3.1工藝道路的選擇●原料來源●經(jīng)濟效益和社會效益〔消費本錢〕●環(huán)境維護●其它，如操作條件、平安、消防、投資、工藝先進(jìn)性，可行性，合理性。公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)精餾系統(tǒng)反響系統(tǒng)反響系統(tǒng)精餾系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)公用工程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〕從圖中可以看出設(shè)計的中心是反響系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)?！把笫[頭〞模型強調(diào)過程開發(fā)和設(shè)計的有序和分層性質(zhì)。(1)反響流程優(yōu)化見表-7.4.2〔P-544〕反響流程優(yōu)化需求思索的問題較多，問題復(fù)雜。如反響動力學(xué)、反響收率、催化劑特性、反響歷程、反響途徑。反響器的最優(yōu)操作條件有如何保證反響溫度、反響壓力、混合要求、換熱要求、各物料配比、給定條件下的消費本錢等等。(2)精餾流程的優(yōu)化精餾流程如需求分別R個組份，就需求有R-1個精餾塔。精餾優(yōu)化需求思索：那種組份為主產(chǎn)品；那種組份為付產(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)那么如下：●優(yōu)先運用普通精餾。●盡量防止減壓操作和運用冷量。●產(chǎn)品數(shù)應(yīng)最少。●腐蝕性、危險性的組份應(yīng)優(yōu)先分出。●難分別的組分最后分出。●最大量組份應(yīng)優(yōu)先分出?！袼?、塔釜產(chǎn)物最好等摩爾分別。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(3)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〕強迫循環(huán)蒸發(fā)、自然循環(huán)蒸發(fā)。結(jié)合蒸發(fā)器的類型〔規(guī)范、懸框、列文、強迫循環(huán)蒸發(fā)器〕進(jìn)展選擇。3.3工藝設(shè)備的選擇(1)反響器：1〕延續(xù) 1〕均相 1〕活塞流〔管式〕2〕半延續(xù)2〕非均相2〕全混釜〔攪拌釜〕3〕間歇以上反響器的選擇要根據(jù)物料性質(zhì)、穩(wěn)定性、反響復(fù)雜性、產(chǎn)品規(guī)模、反響時間、溫度、壓力等要素綜合思索。不同類型的反響器在工業(yè)消費中的運用情況見表7.4.3-1(P-547)。氣液相反響器及固相反響器的運用情況見表7.4.3-2(P-548)。固體催化反響器的運用情況見表7.4.3-3(P-548)。(2)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、實體填料、絲網(wǎng)填料。以上傳質(zhì)設(shè)備的選擇要根據(jù)分別難易程度、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、平安要求、彈性大小、發(fā)泡等情況選擇。(見P-549)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、過熱器、廢熱鍋爐等。按構(gòu)外型式分：采用二物流換熱的換熱器從構(gòu)造上分有以下5種型式：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根據(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銜接成一體，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(yīng)是較清潔且不易結(jié)垢的物料；兩流體溫差較大〔大于60℃〕時應(yīng)思索熱補償，兩流體溫差不易大于120℃。B.浮頭式換熱器該換熱器殼程易清洗，但內(nèi)墊片易滲漏，適用于需求補償熱膨脹的換熱器，兩流體溫差大于120℃。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，但構(gòu)造不緊湊。適用于高溫暖高壓的場所，且管內(nèi)流體必需干凈。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℃。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，運用溫度不大于150℃，運用壓力不大于0.12MPa。波紋板式：緊湊、效率高、易清洗，運用溫度不大于150℃，運用壓力不大于0.15MPa。

E.空冷器的選擇根據(jù)a.空氣入口溫度〔即設(shè)計溫度〕低于38℃。b.熱流體的出口溫度高于50～65℃，并允許有一定的動搖范圍〔3～5℃〕。c.對數(shù)平均溫差大于40℃。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15℃。e.管內(nèi)給熱系數(shù)小于2325.6W/(m2.K)。f.冷卻水的污垢系數(shù)大于0.0002(m2.K)/Wg.水源較遠(yuǎn)，取水費用大。h.熱流體的凝固點較低(小于0℃)。(4)化工用泵：根據(jù)物料性質(zhì)、物料的腐蝕性、易燃易爆、有毒、高溫、高壓、低溫、粘度大小、揮發(fā)性、固體顆粒等要素綜合思索，此外還要思索泵的平安性、可靠性和密封等要求。見表7.4.5-3〔P-553〕(5)容器〔儲罐〕：根據(jù)物料性質(zhì)、物料的腐蝕性、易燃易爆、有毒、高溫、高壓、低溫、粘度大小、揮發(fā)性、固體顆粒等要素綜合思索。壓力容器分類見表7.4.5-5〔P-557〕。4.工藝設(shè)計任務(wù)程序化工工藝接受設(shè)計條件消化資料確定設(shè)計根底展開工藝設(shè)計提出相關(guān)設(shè)計條件完成工藝設(shè)計廢品文件設(shè)計跟蹤效力。根底設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計完工報告接受設(shè)計條件：工程經(jīng)理●工程建議書●可研報告●安裝平面圖●專利、專有技術(shù)資料●工藝設(shè)計、根底設(shè)計數(shù)據(jù)●開工報告●有關(guān)會議資料●合同文件消化資料確定設(shè)計根底：●工藝道路●產(chǎn)品方案●設(shè)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)條件展開工藝設(shè)計:●確定工藝流程方案●工藝計算：物料、能量、設(shè)備●PFD●設(shè)備表●工藝設(shè)備數(shù)據(jù)表●建議布置圖●原料、公用工程耗費●確定公用系統(tǒng)方案UFD●三廢排放量及建議處置方法●平安分析，危險區(qū)劃分●初版PID(A版)提出相關(guān)設(shè)計條件：●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(shè)備條件：工藝設(shè)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：操作原那么平安規(guī)程指南●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●平安消費、職業(yè)衛(wèi)生●物性數(shù)據(jù)●文字闡明完成工藝設(shè)計廢品文件：●工藝闡明書●圖紙：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)條件表取樣點匯總表

5.設(shè)備設(shè)計壓力和設(shè)計溫度確實定5.1壓力：●正常操作〔任務(wù)〕壓力●最高任務(wù)壓力設(shè)計壓力的選取見表7.6.1“設(shè)備設(shè)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(shè)計溫度的選取見表7.6.2“設(shè)備設(shè)計溫度選取表〞〔P-562〕6.過程控制方案確實定6.1過程控制方案確定的原那么●保證安裝運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)、消費平安、控制簡單適用?！裼脝位芈泛唵慰刂葡到y(tǒng)可以處理的，決不要用復(fù)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(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●反響迅速●滯后小●運用維護方便●價錢廉價6.4典型化工單元的控制方案6.4.1反響●反響控制的要求到達(dá)規(guī)定的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品濃度。處置量平穩(wěn)。當(dāng)出現(xiàn)不正常工況時，能報警、聯(lián)鎖或自動選擇性調(diào)理系統(tǒng)?！穹错懣刂品桨敢苑错戅D(zhuǎn)化率為控制變量見圖7.7.3-1〔P-564〕。以反響工藝形狀變量為控制對象見圖7.7.3-2〔P-565〕。6.4.2精餾精餾是常見的液液分別方法，精餾控制主要目的是到達(dá)規(guī)定的分別要求。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：●按精餾段目的的控制方案見圖7.7.3-3〔P-566〕●按提餾段目的的控制方案見圖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(shè)備●控制載體的流量見圖7.7.3-8〔P-570〕●控制傳熱面積見圖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流體保送設(shè)備●離心泵控制方案見圖7.7.3-12〔P-572〕●改動轉(zhuǎn)速的控制方案見圖7.7.3-13〔P-572〕●往復(fù)泵(位移式旋轉(zhuǎn)泵)的控制方案見圖7.7.3-14〔P-572