化工工藝設(shè)計(jì)講座化工工藝設(shè)計(jì)必備知識(shí)

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1、 《化工工藝設(shè)計(jì)》講座 1. 概述 1.1 工藝專業(yè)技術(shù)人員具備的基本條件 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： Ø 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）。 Ø 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。 Ø 熟悉環(huán)保、安全、消防等方面的法規(guī)，如： HG20

2、667-1986 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 SH3047-93 石油化工企業(yè)職業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50016-2006 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 Ø 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 Ø 項(xiàng)目前期 項(xiàng)目

3、建議書 → 批準(zhǔn)后即為立項(xiàng) 可行性研究報(bào)告 → 批準(zhǔn)后即可展開工程設(shè)計(jì) Ø 工程設(shè)計(jì) 按國(guó)內(nèi)審批要求分為： 初步設(shè)計(jì) → 批準(zhǔn)后建設(shè)單位即可開工。 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) Ø 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)單位為主體，通常分為四個(gè)階段 Ø 項(xiàng)目前期 Ø 工程設(shè)計(jì) Ø 工程建設(shè) Ø 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： Ø 文字說明（工藝說明

4、） Ø 圖紙 Ø 表格 2.1.1 文字說明（工藝說明） Ø 工藝設(shè)計(jì)的范圍。 Ø 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。 Ø 工藝流程說明：生產(chǎn)方法、化學(xué)原理、工藝流程敘述。 Ø 原料、催化劑、化學(xué)品及燃料消耗定額及消耗量。 Ø 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。 Ø 三廢排放：包括排放點(diǎn)、排放量、排放組成及建議處理方法 Ø 裝置定員 Ø 安全備忘錄（另行成冊(cè)） 

5、6; 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)備忘錄（通常為對(duì)內(nèi)使用，另行成冊(cè)） Ø 操作指南（通常為對(duì)內(nèi)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 Ø 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。 Ø 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。 Ø PCD：通常是設(shè)計(jì)院內(nèi)部設(shè)計(jì)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

6、 表格 Ø 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）。 Ø 工藝設(shè)備數(shù)據(jù)表：根據(jù)設(shè)備形式不同、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(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）。 Ø 工藝設(shè)備表 Ø 取樣點(diǎn)匯總表 Ø 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(jìn)出界區(qū)條件等）

7、。 2.2 補(bǔ)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： Ø 項(xiàng)目建議書；可行性報(bào)告編制工作。 Ø 項(xiàng)目報(bào)價(jià)書；投標(biāo)書、技術(shù)文件編制工作。 Ø 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。 Ø 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（化工基本理論的應(yīng)用） 3.1 工藝路線的選擇 Ø 原料來源 Ø 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益（生產(chǎn)成本） Ø 環(huán)境保護(hù) Ø 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

8、 公用工程 換熱網(wǎng)絡(luò) 反應(yīng)系統(tǒng) 精餾系統(tǒng) Ø “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(jì)的核心是反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。“洋蔥頭”模型強(qiáng)調(diào)過程開發(fā)和設(shè)計(jì)的有序和分層性質(zhì)。 Ø 反應(yīng)流程優(yōu)化見表-7.4.2（P-544） 反應(yīng)流程優(yōu)化需要考慮的問題較多，問題復(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。 Ø 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)

9、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 Ø 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)

10、行選擇。 3.3 工藝設(shè)備的選擇 Ø 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P-547。 氣液相反應(yīng)器及固相反應(yīng)器的使用情況見P-548。 固體催化反應(yīng)器的使用情況見表7.4.3-3(P-548)。 Ø 氣液傳質(zhì)設(shè)備： 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 填

11、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

12、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℃）時(shí)應(yīng)考慮熱補(bǔ)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，適用于需要補(bǔ)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(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

13、式：緊湊、效率高、可多股物料同時(shí)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(jiǎn)單、緊湊、易清洗，使用溫度不大于150℃，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℃，使用壓力不大于0.15MPa。 E.空冷器的選擇依據(jù) a.空氣入口溫度（即設(shè)計(jì)溫度）低于38℃。 b.熱流體的出口溫度高于50～65℃，并允許有一定的波動(dòng)范圍（3～5℃）。 c.對(duì)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

14、.K)。 f.冷卻水的污垢系數(shù)大于0.0002(m2.K)/W。 g.水源較遠(yuǎn)，取水費(fèi)用大。 h.熱流體的凝固點(diǎn)較低(小于0℃)。 Ø 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、固體顆粒等因素綜合考慮，此外還要考慮泵的安全性、可靠性和密封等要求。見表7.4.5-3（P-553） Ø 容器（儲(chǔ)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、固體顆粒等因素綜合考慮。 壓力容器分類見表7.4.5-5（P-557）。 4. 工藝設(shè)計(jì)工作程序 5. 設(shè)備設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度

15、的確定 5.1 壓力： Ø 正常操作（工作）壓力 Ø 最高工作壓力 設(shè)計(jì)壓力的選取見表7.6.1 “設(shè)備設(shè)計(jì)壓力一覽表”（P-561）。 5.2 溫度： Ø 正常操作溫度 Ø 最高操作溫度 設(shè)計(jì)溫度的選取見表7.6.2“設(shè)備設(shè)計(jì)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 Ø 保證裝置運(yùn)行的平穩(wěn)、生產(chǎn)安全、控制簡(jiǎn)單適用。 Ø 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過程控制的分類 Ø 壓力 Ø 溫度 Ø 流量

16、 Ø 物位 Ø 化學(xué)成分和物性數(shù)據(jù) 6.3選用控制儀表的要求 Ø 準(zhǔn)確可靠 Ø 靈敏度高 Ø 反應(yīng)迅速 Ø 滯后小 Ø 使用維護(hù)方便 Ø 價(jià)格便宜 6.4典型化工單元的控制方案 6.4.1反應(yīng) Ø 反應(yīng)控制的要求 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)。 Ø 反應(yīng)控制方案 以反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為控制變量 見圖7.7.3-1（P-564）。 以反應(yīng)工藝狀態(tài)變量為控制對(duì)象 見圖7.7.3-2（P-565）。 6.4

17、.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(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： Ø 按精餾段指標(biāo)的控制方案 見圖7.7.3-3（P-566）。 Ø 按提餾段指標(biāo)的控制方案 見圖7.7.3-4（P-567）。 Ø 塔頂壓力控制方案 見圖7.7.3-5（P-568）。 Ø 真空度控制方案 見圖7.7.3-6（P-569）。 Ø 其它控制方案 見圖7.7.3-7（P-569）。 6.4.3傳熱設(shè)備 Ø 控制載體的流量 見圖7.7.3-8（P

18、-570）。 Ø 控制傳熱面積 見圖7.7.3-9（P-570）。 Ø 控制載體的氣化溫度 見圖7.7.3-10（P-571）。 Ø 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(shè)備 Ø 離心泵控制方案 見圖7.7.3-12（P-572）。 Ø 改變轉(zhuǎn)速的控制方案 見圖7.7.3-13（P-572）。 Ø 往復(fù)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(jì)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

19、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(gè)化工工藝設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡的職責(zé)。 過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△Tmin稱為夾點(diǎn)溫差。 夾點(diǎn)分析法應(yīng)遵循三個(gè)原則： Ø 盡量避免有熱流體通過夾點(diǎn) Ø 夾點(diǎn)上方避免引入公用設(shè)施冷卻物流 Ø 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)： Ø 能量轉(zhuǎn)換 Ø 能量利用 Ø 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P-577～591 8.2安全 見P-591～594 8.3環(huán)保 見P-594～601 Ø 廢氣 Ø 廢水（廢液） Ø 廢固 Ø 噪音 Ø 放射性 Ø 排放總量控制 11