工藝設(shè)計及PFD設(shè)計

PAGE1工藝設(shè)計及PFD設(shè)計在化工裝置設(shè)計中，除了工藝系統(tǒng)設(shè)計以外，還有管道、設(shè)備、機械、建構(gòu)筑物、公用工程、電氣、儀表、安全衛(wèi)生、消防、分析化驗、環(huán)境保護等領(lǐng)域的設(shè)計工作，還要從全局考慮總平面布置、原料和產(chǎn)品的輸送及設(shè)計方案的技術(shù)經(jīng)濟性，這些都需要在化工工藝系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮，所以說化工工藝系統(tǒng)設(shè)計是一門綜合的技術(shù)。在各個設(shè)計階段中，作為設(shè)計主體的化工工程師，必須與其他各專業(yè)密切溝通，相互配合，才能完成整個設(shè)計任務(wù)。這就要求化工工程師不僅精通、熟悉有關(guān)的標準規(guī)范和設(shè)計技能，并能在工程設(shè)計項目中恰當?shù)貞?yīng)用、執(zhí)行它，同時還要具備較廣泛的相關(guān)專業(yè)知識。國內(nèi)工程設(shè)計階段一般分為初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段，國際上通行的作法是分為工藝包設(shè)計階段、基礎(chǔ)設(shè)計階段和詳細設(shè)計階段。在化工工藝系統(tǒng)設(shè)計中，工藝流程設(shè)計的各個階段的設(shè)計成果都是通過各種流程圖和表格表達出來，按照設(shè)計階段的不同，先后有方框流程圖（blockflowsheet）、工藝流程草（簡）圖（simplifiedflowsheet）、工藝物料流程圖（ProcessFlowDiagram即PFD）和管道儀表流程圖（Piping&InstrumentationDiagram即P&ID）〈也有用“帶控制點的工藝流程圖(ProcessandControlDiagram即PCD”代替P&ID)〉等種類。對于醫(yī)藥行業(yè)來說，根據(jù)其特有的生產(chǎn)潔凈區(qū)級別要求，還有人員-物料分流圖（MaterialandPersonnelFlowDrawing）、工藝流程及環(huán)境區(qū)域劃分示意圖（PlantSchematicandProcessFlowDiagram）等。下面對工藝設(shè)計、工藝包設(shè)計內(nèi)容及PFD的設(shè)計作簡單介紹。一、工藝設(shè)計1、工藝專業(yè)設(shè)計和工藝包從廣義上講工藝設(shè)計應(yīng)包含工藝專業(yè)設(shè)計和工藝包設(shè)計兩方面的內(nèi)容。工藝專業(yè)設(shè)計的主要任務(wù)是對一個化工產(chǎn)品的生產(chǎn)流程先進行基本的計算，在此基礎(chǔ)上給有關(guān)專業(yè)提出條件，在有關(guān)專業(yè)的參與下以工藝專業(yè)為主，完成PFD(工藝物料流程圖ProcessFlowDiagram)的設(shè)計任務(wù)。這個生產(chǎn)流程可以是工藝專業(yè)的設(shè)計人員自己開發(fā)的，也可是其它專利商提供的技術(shù)。工藝包一個專門的技術(shù)名詞，它特指包含一個化工產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)的全部技術(shù)文件。這些文件通常應(yīng)當包含以下的內(nèi)容：生產(chǎn)該產(chǎn)品應(yīng)該采用的化工生產(chǎn)單元、應(yīng)該采用的化工設(shè)備、應(yīng)該采用的自動控制方案、所采用的原料以及生產(chǎn)該產(chǎn)品的原料及公用物料的消耗量?；すに囋O(shè)計工程師在進行工藝設(shè)計時，需要進行各種設(shè)計計算，如物料平衡和熱量平衡的計算，這是化工工藝設(shè)計中最基本的計算之一，也是使用最頻繁的計算。當生產(chǎn)流程基本確定后，只有完成上述計算，才能進行設(shè)備設(shè)計計算等其它方面的計算。物料平衡和熱量平衡的基本計算原則是質(zhì)量守恒和能量守恒定律。要使工藝包的設(shè)計具備先進水平、使產(chǎn)品具備市場競爭能力，在進行流程模擬時就要注意流程的可行性，要使每一股物流都有合理的去處，盡量做到物盡其用；另外要特別注意熱量的綜合利用，要考慮把高溫的溶劑和蒸汽冷凝液P&ID0版。表示管道尺寸、材料等級、伴熱、閥門、絕熱（保溫/保冷）等級、安全閥系統(tǒng)、管道編號、儀表及控制回路等。儀表數(shù)據(jù)表、控制原理圖、報警聯(lián)鎖表。管道規(guī)格書（或者管道材料圖）。包括介質(zhì)、工藝條件、設(shè)計條件、管道尺寸、管道材料、保溫等。初步布置圖。表示主要設(shè)備布置和占地面積。特殊管道材料等級規(guī)定。生產(chǎn)操作和安全規(guī)格的要求。分析化驗的要求。特殊的檢修要求。界區(qū)備件表。操作手冊（操作指南）。二、工藝物料流程圖（PFD）的設(shè)計PFD的設(shè)計是化工廠裝置設(shè)計過程的一個重要階段，在PFD的設(shè)計過程中，要完成生產(chǎn)流程的設(shè)計、操作參數(shù)和主要控制方案的確定，以及設(shè)備尺寸的計算，是從工藝方案過渡到化工工藝流程設(shè)計的重要工序之一。PFD是項目設(shè)計的指導性文件之一，在工藝設(shè)計階段完成。發(fā)布之后有關(guān)專業(yè)必須按PFD圖進行工作，并只能由工藝專業(yè)解釋和修改。1、PFD的設(shè)計內(nèi)容PFD的主要內(nèi)容應(yīng)包括：全部工藝設(shè)備及位號，主要設(shè)備的名稱、操作溫度、操作壓力；物流走向及物流號（流股號），同時，應(yīng)有與流股號對應(yīng)的包括物流組成、溫度、壓力、狀態(tài)、流量及物性等主要物流計算結(jié)果的物料平衡表，可表示在PFD上，或單獨出版，根據(jù)不同的設(shè)計工況應(yīng)分別列出或出版；主要控制方案的儀表、功能及其信號走向；標出泵的流量和進出口壓力、塔的實際板數(shù)及規(guī)格、換熱器的熱負荷等。PFD必須反映出全部工藝物料和產(chǎn)品所經(jīng)過的設(shè)備、主要物料的管道、并表示出進出界區(qū)的流向。對于公用工程，如水、冷凍鹽水、氮氣、工藝用壓縮空氣、蒸汽及冷凝液系統(tǒng)僅表示工藝設(shè)備使用點的進出位置。一般每個工程（或公司）都要發(fā)布用于PFD設(shè)計的圖例、符號（規(guī)定）圖（LEADSHEET），對PFD設(shè)計中的設(shè)備畫法、設(shè)備編號、儀表符號、標注符號、管道符號、物料代號以及縮寫詞等作統(tǒng)一規(guī)定（也有在PFD圖上簡單表示）。下面分別簡述設(shè)備、工藝物流和主要控制方案的具體設(shè)計內(nèi)容和畫法。（1）設(shè)備在PFD中，設(shè)備用細實線簡單繪出，如有多臺相同設(shè)備并聯(lián)時，可以只畫出一臺，但要標明位號A/B，而對于需要再生的設(shè)備，需全部繪出。主要設(shè)備盡可能按適當比例畫出相對位置、大小，而設(shè)備的基礎(chǔ)、裙座和管接頭不表示。一般在設(shè)備附近標注設(shè)備位號，并在圖紙上方或下方空白處按設(shè)備重疊情況由上到下分層標注設(shè)備位號、設(shè)備名稱及規(guī)格。一般情況下，靜設(shè)備在圖紙上部、動設(shè)備在圖紙下部表示。也有另外一種表示方式：對于容器類、壓縮機類設(shè)備在圖上方標示設(shè)備名稱、位號及規(guī)格，并在圖中設(shè)備附近標示設(shè)備位號，而泵類、換熱器類設(shè)備旁邊一般只標位號及規(guī)格。標準設(shè)備的主要規(guī)格和參數(shù)通常為：泵應(yīng)注明正常流量和吸入、排出壓力；容器應(yīng)注明直徑和切線長度（或高度）；塔器應(yīng)注明塔徑和切線高度，在塔內(nèi)注明實際板數(shù)或填料段數(shù)；換熱器要注明換熱器的正常負荷。設(shè)備外形表示方法如下;離心泵用圓圈加底座組合表示，進料指向圓心。往復泵以┤形與一端不封閉的長方塊表示。換熱設(shè)備用圓圈或設(shè)備外形表示。壓縮機要表示出其型式，并表示出壓縮機的段數(shù)和主要的配套輔助設(shè)備。如型式尚未確定，可用方塊表示。反應(yīng)器要畫出主要元件，如篩板、催化劑框等。分離器也要表示出內(nèi)件。槽、罐類設(shè)備要畫出隔板、液封。噴射器、其它特殊設(shè)備，如造粒塔、電解槽、電石爐、空氣磨等盡可能畫出實物大致外形。（2）工藝物流在PFD中，工藝物流用粗實線繪出，并用箭頭標示物流的去向。再生系統(tǒng)的物流用細實線標出。主要物流應(yīng)標注流股號（除PFD外，應(yīng)有單獨的物料平衡表），并在物料平衡表中列出PFD上對應(yīng)物流的組成、溫度、壓力、流量狀態(tài)和相關(guān)物性。在一張圖中，與其它圖相關(guān)的物流應(yīng)標明物流來源和去向。在PFD中，關(guān)鍵物流應(yīng)標明溫度和壓力（也可表示在塔和容器上），進塔裝置的關(guān)鍵物流也可標明流量。PFD中對物流的標注至少應(yīng)包括下列內(nèi)容。標識流程圖上的各點物料的編號（流股號）。除有壓力變化的地方要畫上閥門（以表示壓力等級的區(qū)別）以及特殊重要的閥門外，其它情況的閥門一律不在圖上畫出。要表示正常生產(chǎn)條件下的放空和排液管道。對于作為熱源或冷卻介質(zhì)的蒸汽、冷卻水、凝液只標進出流向。具有液封作用的管線，除表示出液封外形外，還要注明液封高度。當排放口的高度有要求時，要注明排放高度。工藝用蒸汽、凝液、冷卻水、冷凍鹽水、工廠空氣管線以及氮封管線，一律不畫進出總管。流股號在菱形框內(nèi)按順序用阿拉伯數(shù)字編寫。一般用三位數(shù)字表示，第一位表示單元或工段，后兩位表示序號。設(shè)備間的物料流向用帶箭頭的實線表示。進出裝置界區(qū)的物料流向以圓圈中的箭頭表示；圖紙之間用長方框（或帶箭頭的長方形）表示物料的來源或去向。冷卻水、蒸汽、凝液、工廠空氣等在無特殊要求情況下不標明來源和去向。（3）主要控制方案在PFD中，應(yīng)標示出全部的控制回路及其相關(guān)儀表和調(diào)節(jié)閥。例如塔器的壓力控制回路、靈敏板溫度控制回路、回流控制以及塔釜液位控制回路，罐的液位控制回路，主要換熱器的液位控制回路或溫度控制回路等。儀表僅表示出儀表類型，如溫度儀表、壓力儀表等。調(diào)節(jié)閥應(yīng)在對應(yīng)的物流線上標明，但不用標注調(diào)節(jié)閥尺寸。在復雜控制回路中，應(yīng)用箭頭標示信號去向。對于由組分控制的回路，應(yīng)標明需要檢測的主要組分。2、單元設(shè)備的典型設(shè)計化工生產(chǎn)過程中需要使用各種單元設(shè)備，每種單元設(shè)備對工藝流程圖的設(shè)計均有一定的要求。作為一個工藝流程圖的設(shè)計者，只要掌握各種單元設(shè)備的典型設(shè)計，再結(jié)合工藝流程和工程項目的特殊要求，配以設(shè)計者的工程經(jīng)驗，就可進行工藝流程圖中單元設(shè)備的設(shè)計。參見例圖。（1）泵在PFD中，泵一般繪在圖的下部。同時繪出與泵相連的工藝物流即可。在泵的附近，盡量在泵的正下方，標明泵的位號、吸入壓力、排出壓力和正常操作時的流量。（2）容器容器分臥式容器和立式容器兩種。容器需根據(jù)容器在流程中的相對位置在圖面上布置。在PFD中，應(yīng)繪出與容器相關(guān)的主要工藝物流及與主要控制回路相關(guān)的輔助物流。容器的名稱、規(guī)格和位號在PFD中容器正上方靠近頂部標出，同時在容器的附近也標出容器位號。容器內(nèi)的主要部件（如除沫器）應(yīng)在PFD中繪出。容器的操作操作壓力應(yīng)在圖中標出。（3）塔在PFD中，塔一般在圖的中部繪制。同時，應(yīng)繪出與塔相關(guān)的主要工藝物流及與主要控制回路相關(guān)的輔助物流。塔的名稱、規(guī)格和位號在PFD中塔正上方靠近頂部標出，同時在塔的附近也標出塔位號。塔內(nèi)的主要部件應(yīng)在PFD中繪出，如塔的實際板數(shù)或填料段數(shù)、進料板號與側(cè)線采出板號。同時應(yīng)繪出與塔相關(guān)的主要控制回路及控制點的相對位置，如塔的壓力控制回路、靈敏板溫度回路、回流控制回路和塔釜液位控制回路等，還要標出塔的操作溫度、操作壓力。塔的周邊設(shè)備應(yīng)根據(jù)流程中的相對位置在工藝流程圖中繪出。（4）換熱器常見的換熱器有管殼式和釜式兩種。在PFD中，換熱器需要根據(jù)其在流程中的相對位置在圖面上布置。對于管殼式換熱器應(yīng)標明工藝物流所流經(jīng)的是殼側(cè)還是管側(cè)，對于釜式換熱器也要標明工藝物流所流經(jīng)的那一側(cè)。非工藝物流僅在圖中表示，并注明介質(zhì)名稱即可。要表示出主要的控制回路，在換熱器的附近標明位號。（5）壓縮機在工藝流程圖中，壓縮機一般繪在圖的下部（也有在上部的）。并繪出與壓縮機相連的工藝物流以及主要的控制回路。在壓縮機的附近，盡量在壓縮機的正下方，標明壓縮機的位號、吸入壓力、排出壓力和正常操作時的流量。3、PFD的圖面布置和制圖要求各個設(shè)計單位在繪制PFD時所用圖紙的規(guī)格不同，一般采用1＃（A1）圖紙，以便圖面布置，但應(yīng)盡量保證在其縮印成3＃（A3）圖后仍舊清晰，便于工作。（1）PFD的圖面布置設(shè)備在圖面上的布置，一般是順流程從左到右。塔、反應(yīng)器、換熱器等放在地面上的設(shè)備，一般是從圖面水平中線往上布置。壓縮機、泵布置在圖面下部1/4線以下。中線以下1/4高度供畫管道用。其它設(shè)備布置在PFD要求的位置，如高位冷凝器布置在回流罐的上面，再沸器靠塔放置。對于無高度要求的設(shè)備，在圖面上的位置要符合流程流向，以便與物流線連接。（2）繪圖要求圖紙編號和圖紙名稱按有關(guān)規(guī)定。儀表和設(shè)備的表示方法要根據(jù)工程的LeadSheet或有關(guān)規(guī)定。要改造的設(shè)備用蘑菇云圈住。設(shè)備內(nèi)件用細實線表示。工藝物流出入圖面要繪一矩形框或帶箭頭的矩形，內(nèi)用文字表明相接設(shè)備與圖號。設(shè)備位號按LeadSheet或有關(guān)規(guī)定。物流流向箭頭一般畫在物流線改變方向處。在與PFD相應(yīng)的物料平衡表中，可按操作工況從每股物流的流股號上，對應(yīng)地找到物料平衡表中的流股號從而知道該物股的溫度、壓力、各組分的含量等數(shù)據(jù)的內(nèi)容，要能滿足工藝專業(yè)提條件的需要，需要什么數(shù)據(jù)、物料平衡表就應(yīng)該能輸出什么數(shù)據(jù)。4、物料和熱量衡算與PFD在工藝設(shè)計階段，工藝專業(yè)工程師要進行全流程物料平衡及熱量平衡計算，應(yīng)進行必要的方案比較，選擇并考慮適當?shù)牟僮鲝椥浴；どa(chǎn)過程中，經(jīng)常需要加熱或冷卻許多流股，最簡單的方法是按各流股的質(zhì)量流速、熱負荷、進出口溫度分別引入蒸汽加熱或冷卻水（冷凍液）冷卻，它們的消耗構(gòu)成了公用工程費用，在生產(chǎn)成本中占有相當大的份額。用這個方法設(shè)計熱量平衡，方法簡單、設(shè)備投資較少。但用有效能分析得知，這樣的流程熱力學效率很低，能耗不合理。為了降低成本、節(jié)約能源應(yīng)當用熱交換器網(wǎng)絡(luò)的合成技術(shù)，詳細的對每股熱（冷）物流進行分析，盡量使系統(tǒng)內(nèi)的加熱和冷卻物流相互配合使用，盡量減少從外界引進熱劑或冷劑，以達到減少能耗、降低成本的目的。當然這樣做會增加投資費用，還需要綜合比較，不過一般來講增加一次性建設(shè)投資，而獲得長時期的低生產(chǎn)成本，從長遠看是合算的。用流程模擬模型、熱力學性質(zhì)計算程序和熱力學性質(zhì)數(shù)據(jù)庫軟件進行計算機模擬計算，就可以完成精確的物料平衡和熱量平衡計算。物料衡算就是根據(jù)質(zhì)量守恒定律，來確定原料和產(chǎn)品間的定量關(guān)系，從而可以計算出原料和輔助材料的用量、各種中間產(chǎn)品、副產(chǎn)品、