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化工工艺设计


一位老工程师的亲身体会(送给学习软件模拟的朋友) 最近看了一篇比较好的文章, 很有启发, 希望大家在软件里埋头苦干的同时不要忘了我们的 根:化工基础知识,更不要丢了我们的基本工具:手算。 (本文为转贴) 关于流程模拟软件使用的体会!和大家分享 流程模拟软件主流的 ASPEN 、HYSYS、PROII、这个几个我都在使用,在后来的逐步 使用过程中,我喜欢上了 HYSYS,虽然目前水

平也不怎么样。我自己是做空气分离和 LNG 相 关的,在行业厂了上班。刚刚接触的时候,开始就是想办法搞软件、找资料、很浮躁,随着 时间的推移,我自己深深的体会到,学习这些工具,主要还是基础知识和多动手。我刚刚算 流程的时候,基础知识不是很扎实,对我后来有一段影响很大。我也想重点讲这两点。 1、基础知识: 这里的朋友,大部分和我一样,都是参加工作几年的。老工程师不多,因为老的都 不上网,很多也还不会用这些软件。这里高校的朋友也最多是一些研究生,为了写写论文什 么的,想学学软件,这些都不重要。我想说的是,对我们这些人来说,基础知识非常重要。 这里我讲两个故事:有两个硕士、一个是浙江大学,一个是西安交大的,都是问我空分流程 方面的模拟的一些问题。他们应该说是,很有学问的人,至少在基本的原理和基础知识上我 认为他们比我强,但是我看了他们建立的 ASPEN 计算模型后, (他们希望我帮忙看看) ,其 实很多的错误都是基本的。 一个是塔的理论板的数的取法, 有一个问我说他的程序老是出错, 我一看,原来他流程计算的时候的压缩机,膨胀机模型都没有运转。效率参数没有给。我自 己呢?原来刚刚学习的时候,也是这样。后来我想了两个办法解决。一个是我自己花了 1 个月左右,自己手工计算了一个常规的空气分离流程。二、我把各个单元模型分开计算,如 塔器和换热器、各种控制,如 HYSYS 里面的循环、设置,调节等控件。做了这样两件事情以 后,对我以后很有帮助。特别是找问题,特别有用。 2、多动手! 说起来简单、做起来实际很难。要多算,是很需要耐心的,特别是你感觉你什么都懂 了的时候。这里有很多的学习资料,对大家来说是一个好的学习的平台、但是多了,对大家 也是有害的。很多年轻人,天天忙着找资料去了,评良心讲,有多少人有认真看过呢?并动 手做过呢?又做了多少呢?发现了什么问题呢?我原来也自己写过一点 HYSYS 的资料, 说白 了也就是我的笔记,后来我就不写了。原因是我自己没有时间,去写这个,很累人。我的体 会是,自己学要容易一些,你真的要把它写成书,或者教程,要把里面的问题说清楚,还是 需要花很多时间的。这点我没有 snowflutter 版主做的好。所以,我对论坛上的其他斑竹写

教程,还是很佩服的。多动手吧。 说了这么多,我自己都感觉好罗嗦。大家就不要见笑了。补充最后一点:对状态方 程要作为重点来看。模拟软件中的状态方程不是万能的, 对实际装置的模拟还是有问题的, 如果,你自己对这个没有太大的把握,最好还是多问问老工程师,或着有经验的人。对于搞 化工的人来说,这一点可能体会也比较深吧。我的体会是太重要的。这么说吧。比如,用 ASPENPLUS 计算空分,那么 O2、N2、AR 的二元交互系数就需要回归,比较。在空气压力教 高的时候 20BAR 以上,气液平衡参数就需要修正。在计算一些高压的临界点的时候,ASPEN PLUS 计算出来的焓值点的数据, 你自己都不干相信, 很明显的错误。 同样 HYSYS 也是一样, 二元交互系数的修正,HYSYS 计算高含 H2 的混合物,状态方程不一样,误差也不一样。同 样的参数, 我用高版本的 HYSYS 计算计算误差明显减小。 不知道大家注意到没有, HYSYS2004 以后的版本对,H2 在状态方程选项中,都有一个选框,是对 H2 临界温度和压力的修正。这 两天,我在复算一个高含 H2 的混合物,HYSYS2006 的计算结果,明显改善。误差减小。这 里需要说明的是,所谓的误差减小是针对我很国外来的工艺参数对比而言。 希望,这些话,对论坛的朋友有一些其实,当你自己认为自己什么都懂的时候,其 实你不懂的还有很多,当你觉得你自己有很多还不懂的时候,其实你已经懂了很多了。

这段时间我在论坛上看见一些网友对工程设计很迷茫, 我想结合我的体会和对该专业的认识 谈谈自己的看法。 工艺设计其实涵盖了很多内容,是整个工程设计的龙头。如果你是项目经理,拿到一个项目 后,物料衡算,热量衡算,时间平衡等是必须清楚的。尤其的热量衡算(也包括反应热的计 算),如果反应热不会计算,那是很可怕的;其次,要懂控制方案,是比值控制、串级控制 还是前馈控制等要很清楚;再者,要懂设备,懂设备选型、材质,加工特点,动设备,静设 备;你还要懂土建,不懂土建的项目经理是不称职的;在强电方面你还要有所了解。 热量计算,现在很多反应的热量很难查到资料。所以大部分要靠估算,那么如何估算 呢?这需要你有扎实的基础知识,需要化工热力学和物理化学知识。你至少要知道 Beson 估算法。热量计算可以说十分重要,它涉及到再沸器、冷凝器和反应器的设计。还有相平衡 方面的计算,在精馏计算是有些数据是需要的,尤其是计算相对挥发度。 工艺计算:工艺计算是工艺设计中不可缺少的,这也是你真功夫的时候,以为自己在 实验室做的开发才是技术,工程不是技术,就是画画图,我鄙视有这种想法的人。工程是技 术,而且是很关键的技术。现在的工艺计算倾向于使用软件如 Aspen,ProⅡ等。我不会这

些软件,我主要用 Excel 和可以积分的计算器,现在正在学 Matlab。工艺计算要合理使用一 些估算和经验,这些经验值来自于工程实践,书本上是学不到的。 化工设备你要了解动设备、静设备等。因为工艺是通过设备实现的。选择合理的设备 对工艺来说十分重要。对于动设备机封的选择很重要,选择何时的机封形式很重要,我想搞 设备专家应该同意这种说法。 土建知识: 土建是一切工程的前提, 做为项目经理, 应该完成该项目土建的概念设计。 因为土建直接关系到你的设备布置。土建对于配管专业也很重要,尤其一些定尺的管道,有 时因为一个小梁没有考虑到,不得不重新更改定尺管道的采购计划。土建中的上配筋、下配 筋, C30 方面的尝试项目经理是要知道的。 化工土建中, 预埋铁十分重要, 对于安装很有用, 有一个项目,预埋铁我放了近 1000 块,后来感觉还不够用。 强电方面:项目经理要规划强电(母线和小电缆)的基本走向。要知道配电柜有多大, 配电室需要多大的面积。 作为工艺方面的优秀人才,要具备好的计算能力,良好的三维空间感觉和尺寸感,总图方面 的大局观。 如果你是新手,首先要有扎实的基础知识,没有,那就赶快补;多去现场;多去其他厂家参 观;多和同行交流;最后一点就是要刻苦,多学。成功没有捷径,其实我也是新手。

土建条件是在完成设备布置及设备专业返回了设备总图、 机泵设备供应商提供了初步规格单 后进行的。装置火灾危险等级分类—耐火、防火、防爆设计,定位、定形、定设计北。 2.4.2.1 厂房及设备基础、外形尺寸、位置、标高条件

厂房的型式主要有混合结构、框架结构、排架结构及钢结构等型式。土建位置条件以设备布 置图为蓝本,标注出下列内容: 轴线及轴线间距 层数及楼层标高 设备基础直径或外形尺寸及标高(以室内地平为±0.00 或 EL100.00 的相对标高) ,动设备按 制造厂提供的基础条件。

DN≥250 管道穿楼的预留孔、设备吊装孔,穿楼板的设备安装孔。

建筑门窗、梯子、平台位置及尺寸等

地面坡度、地坑、地沟管沟的位置、尺寸。泵区、罐区的围堰要求。基础表面、墙面、地面 要求及基础防腐要求。

落地的钢平台及梯子的位置、尺寸、标高条件

为满足设备吊装或安装要求而设置的吊车轨道,活动梁及后砌墙,预埋吊钩等内容。

北向为 0°的方向标志 2.4.2.2 设备基础、楼板及钢平台的荷重条件 ? 设备空重 ? 设备充水重或充满物料重,因为考虑到水压试验时对基础的荷重,但不包括填料、催化剂、 触媒筐等。 ? 高塔设备及烟囱、排气筒等 提供塔径×塔高,以便土建计算风压对基础的要求 ? 动设备荷重按制造厂或样本提供的荷重,并增加动荷载因素 ? 楼板及钢平台的荷重:

一般操作区域:200~250kg/m3 一般检修区域:250~300 kg/m3

大机泵检修区域:按照放最大零部件重量~500 kg/m3

堆放触媒、化学品、金属或陶瓷填料:根据物料的堆比重 ? 保温材料重 ? 其他外加荷重:如管道、管架等 管道载荷:一次条件限于 1 吨及以上的荷重

二次条件为 200kg 以上,一顿以下的荷重

200kg 以下荷重均包括在楼面设计的平均荷载内

管件阀门等集中载荷 风载荷,地震载荷等由土建专业考虑 管道开孔条件:管径 DN>250mm 的开孔属一次条件内容

管径 DN≤250mm 的开孔属二次条件内容 2.4.2.3 设备吊装要求的土建条件

设备穿楼板孔:除了设备外径外,还要考虑管口、吊耳也能穿过楼板预留孔,且设备穿楼孔 四周沿边应有 H=50~80m/m 的堰(起挡水作用)

靠边梁布置的高塔,可请土建设计活动梁(钢梁) ,等高塔安装就位后,再安装活动边梁将 框架封闭。

大机泵厂房需设起重行车, 起吊重量大于机泵重量, 起吊高度要保证吊起一台机泵能跨过另 一台机泵。大机泵厂房在靠近道路的边跨应设吊装孔,吊装孔上铺设活动钢格栅及护栏杆。

为装置设备维修或更换的方便,应在设备上方及适当位置埋设吊钩

小型机泵厂房可在机泵排列中心线上方设置单轨吊车或猫头吊

需后封墙的应与说明。 2.4.2.4 设备地角螺栓条件 专业分工:

非定型设备地脚螺栓的型式、材料、尺寸和伸出的长度、总长应由设备专业根据安装要求确 定,提给工艺设计人员,供土建结构专业进行设备基础设计时标明。

定型设备和转动设备的地脚螺栓一般由设备制造厂配套供应, 设备地脚螺栓表中著名配套即 可。 设计要求:

大型塔设备应采用带模板的直埋地脚螺栓, 以保证在打设备土建基础的同时准确的埋设设备 地脚螺栓,地脚螺栓的埋入长度宜≥30D。

其他静止设备及小型机泵地脚螺栓埋入长度为(20~30)D,一般在土建基础上预留孔,预 留孔深度大于地脚螺栓埋入深度, 待设备及地脚螺栓就位后, 在预留孔内二次灌浆将地脚螺 栓固定。

提地脚螺栓土建条件时要认真与设备图及设备布置图核对设备安装的位置及标高、 螺栓伸出 基础面的高度及螺栓长度,确保一次成功,不能又任何差错,以免造成土建返工。

标准与材料 地脚螺栓按 GB799-1988 标准 直径大于 M48 的地脚螺栓是土建专业资料,地脚螺栓一般用 Q235A 即可。

地脚螺栓的特殊做法 ü 对于有振动的设备和塔类,地脚螺栓应采用双螺母

ü 设备基础安装弯钩式地脚螺栓时,地脚螺栓直径和基础预留孔尺寸见下图 ü 将设备底板、裙座或耳架上的螺栓孔适当予以放大,待地脚螺栓穿入后,加一块垫板,将垫 板焊在设备底板上,再上螺母。 ü 在地脚螺栓上焊一个套管,将套管与地脚螺栓一起埋入基础中,套管顶部与基础顶面齐平。 当设备地脚螺栓孔间与埋入基础中的地脚螺栓间距有偏差时, 可将套管中的地脚螺栓位置予 以调整。 ü 对于受拉力不大的静设备, 可将地脚螺栓焊在预埋在基础面的钢板上, 地脚螺栓采用单头螺 栓,端部开坡口。 ü 在钢结构上的设备一般均采用普通的螺栓代替地脚螺栓,其长度按连接结构而定。 ü 有些布置在楼板上的设备,其地脚螺栓型式应与土建专业协商,采取合适的设计,以确保安 全。 2.4.2.5 管廊及其他土建条件

装置内的管廊需提下列内容 (1) 管廊跨度及跨距 (2) 管廊层数与标高 (3) 对管廊基础的荷重 a) 管廊横梁上≥DN300 以上管道的集中载荷 b) 一般 DN<200 以下管道布置区的均匀载荷

c) 重要蒸汽管道及热管道固定管架的水平推力

装置内≥DN300 的工艺管道独立管架位置及载荷条件

地下管沟、地下池土建设计条件

土建基础及构筑物的防腐防火要求 2.4.2.6 其他要说明的条件内容

对于地震区域的大型立式设备,应由设备专业提出该设备中心位置。

对卧式高温设备鞍座基础应注明固定鞍座与滑动鞍座(对管程壳程又膨胀结构的除外) 。

对几个有温差的高塔联合钢平台, 应将各塔高层平台间做成一端铰接一端搭接, 以适应各塔 不同的热膨胀高度差。

设备基础,框架楼板的防腐条件,框架梁柱的耐火要求、防火墙、爆炸区域厂房、防腐轻质 墙轻型屋顶等要求。

管道穿墙穿楼板等开孔条件

工艺专业向土建专业提资内容深度

一、总则 1.1 工艺专业设计人员提条件资料时,必须做到及时、完整、正确。接受资料的土建专业设 计人员必须认真弄清意图,按提出资料的要求进行设计。 1.2 专业间互提资料是落实技术上接口的书面文件形式,对提资专业是中间成果输出,应经 校审确定;对接资专业是设计输入,是重要的原始资料,应予评审确认。 1.3 工艺专业必须先行, 及早向有关专业提供必要的设计资料, 以利整个工程设计顺利开展。

1.4 提资料应按同一格式进行填写,至少一式两份。一份由提出专业的专业负责人交接受专 业的专业负责人,并由接受专业的专业人员或专业负责人签收,填写“专业间互提资料交接 单” 。一份由提出专业方负责归档。 1.5 接受专业的有关设计人员,必须对资料进行检查,如签署不全、格式不符规定应及时指 出,提资料的设计人应予以补充或修改,否则可以拒收。 1.6 设计人员对接受的互提资料的内容或要求,有不同意见或有异议时,应及时与提出资料 的专业设计人员联系解决, 如专业间无法协商解决时, 可通过项目设计经理以至总工程师协 商解决。 二.提资内容深度 一般向建筑与结构提资合在一份提资内容中: 2.1 向建筑专业提资: 2.1.1 一次条件: 1. 建筑类型:砖混结构;轻钢结构;框架结构。 2. 设备平面布置图,立面图(如有的话) 。 3. 建筑用途:车间、仓库、罐区、走廊、楼梯、配电室、控制室等。 4. 提出地面、立柱、墙面、屋顶、门、窗、吊装孔、防火、防爆要求。 5. 提供车间内外的运输方式及运输量。 2.1.2 二次条件: 1、 提出地面、立柱、墙面、屋顶的开孔条件和预埋件条件。 2、 提出地沟、沟道的位置、尺寸、走向、介质等 3、 车间厂房要注明预留安装门、安装孔或后砌墙等要求,并提出具体

尺寸和位置。 2.2 结构专业设计条件 2.2.1 一次条件: 1、 设备平面、立(剖)面布置面,并在图上标出所有设备的名称、位号、位置、重量、支 撑方式、 基础尺寸; 标注门、 窗、 楼梯、 操作台、 安装孔等的位置及尺寸; 标注地坑的位置、

大小、标高及爬梯的位置,盖板要求等;标注吊装梁、吊钩的位置、梁底标高、起重能力; 标注生产车间、生活间、配电室、控制室、维修间等的名称、位置、尺寸等。 2、 提供静设备重量、操作重量;动设备转速或动载荷;设备基础位置、尺寸、标高、预埋 螺栓和预留孔位置、尺寸、规格、露出地面长度等。大型机泵自重及重心位置或压缩机电动 机及辅助设备的质量分布图。 3、 提供平台荷载;管廊支架垂直荷载和水平荷载;仓库地面、墙面荷载; 起重设备荷载 2.2.2 二次条件: 1、 提出所有预留孔位置、尺寸;预埋钢板位置、尺寸、荷载(大 于 150kg/个;提供荷载数据) 。 2、 提出室内、外管架、管沟的位置、尺寸及基础条件。 以是一般工程的土建提资要求,可做参考.

1 概要 目前, 国内主要的化工流程模拟软件美国 SimSci-Esscor 公司的 PRO/II, 美国 AspenTech 公司的 Aspen Plus,Hysys,英国 PSE 公司的 gPROMS,美国 Chemstations 公司 ChemCAD 和 美国 WinSim Inc. 公司的 Design II,加拿大 Virtual Materials Group 的 VMGSim。现将这几种 软件简介归纳如下,供参考学习之用。

2 CHEMCAD, PROII, ASPEN 的比较 简单总结以下七点:

1 一般认为,PROII 在炼油工业应用更为准确些,因其数据库中有不少经验数据;而 ASPEN 在化工领域表现更好,Aspen Plus 与之比较有其它软件不可比拟的优点它基本上覆盖了以上 各软件的所有优点。有人比喻:PROII 是经验派,ASPEN 是学院派。

2. 学习 aspen plus 必备

1 化工原理;讲化工过程得单元操作

2 热力学方法;讲述物性计算方法;

3 化工系统工程;讲述如何对化工系统进行建模,分析、求解 如果简单掌握,

1、2 就可以了,如果想进一步深入,还需看看 3,另外有一个有经验得老师辅导也是很重要 的。

3. HYSYS 主要用于炼油。 动态模拟是它的优势。 SPEN 是智能型的, 用于化工领域流程模拟, 比较大或长的流程,而且数据库比较全,开方式的。它和 HYSYS 现在是一家。 PRO/II 可以 用于设备核算,流程短,或精馏核算。 chemcad 由于物性较少,使用不方面,相对较差, 网上到处都可以下载,设计院不太使用,高校中有一定市场。

4. 我觉得 aspen plus 的计算是最精确的,数据库的建设也是最完善的。不过我对它的操作 不太适 由于它考虑的方面非常全面,所以让我感觉学起来比较费劲。chemcad 的界面操作 让人感觉非常简 单,使用起来比较顺手。但是数据库不是太大,我用的 5.0 版本,就只有 2000 中常用物质的物性数据。PRO/II 在这两方面都在中间。

5. 从易收敛性上看,chemcad>hysys>proii。

6. 从贴近工业实际看, proii>hysys>chemcad 四个都是工程模拟仿真软件, 其中 Aspen、 PRO/II, HYSYS 为国内绝大多数设计院所使用。感觉 Aspen 适应范围最广,电解质、固体、燃烧等模 块是其它软件难以比拟的;PRO/II 在石化上应用较多,积 累了丰富的经验;HYSYS 则在油 气工程领域就有着极高的精度和准确性。 青岛科技大学(原青岛化工学院)开发了个

ECSS,对它的评价只能是“国货” ,青岛科技大学自己也不使用它的。

7. 版本介绍:aspen 好用的版本是 10.2 和 11.1, 其中 10.2 在 winXP 上使用会有一些小问题, 但通过 变通方法可以使用,11.1 使用中有一个小问题,很容易解决的。至于其它版本,目 前看来还不能正常地使用。

Pro/II 好用的版本是 5.6、6.0、7.1,前两个版本没得说,追新的可能会喜欢 7.1,但该版本

在 winXP 以上版本安装时有的会装不上。

Hysys 好用的是 2.4、3.0、3.2,其中 3.0 版本必须从光盘安装,3.2 版本有些问题,每次使用 半个小时后有时会无缘无故退出。


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