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化工工艺设计必备知识


《化工工艺设计》讲座 化工工艺设计》

1. 概述 要建设一个化工厂,必须具有一批化工工艺专业技术人员, 1.1 要建设一个化工厂,必须具有一批化工工艺专业技术人员,这批化工工艺专业技术人 员必须具备下列基本条件。 员必须具备下列基本条件。 掌握化工基本理论 如化工热力学、流体力学、传热、传质、化学反应动力学(化学反应工程) 如化工热力学、流体力学、传热、传质

、化学反应动力学(化学反应工程) 。 掌握化工工艺设计方法和技能 工艺设计的任务、设计范围、工艺设计人员职责。 工艺设计的任务、设计范围、工艺设计人员职责。 化工基本理论的应用(化工设计方法) 。 化工基本理论的应用(化工设计方法) 工艺设计基本程序(工艺设计技能) 。 工艺设计基本程序(工艺设计技能) 工艺设计的成品文件(内容及深度) 。 工艺设计的成品文件(内容及深度) 工艺设计的质量保证程序。 工艺设计的质量保证程序。 熟悉环保、安全、消防等方面的法规, 熟悉环保、安全、消防等方面的法规,如: 环保 等方面的法规 HG20667HG20667-1986 SH3024SH3024-95 HG20571HG20571-95 SH3047SH3047-93 GBJ16GBJ16-87(2001 版) GB50160GB50160-92(1999 版) GB50058GB50058-92 一定的工作经验 1.2 化工建设项目阶段 建设项目阶段的划分以工程公司为主体, 1.2.1 建设项目阶段的划分以工程公司为主体,通常分为三个阶段 项目前期 项目建议书 项目建议书 → 批准后即为立项 可行性研究报告 → 批准后即可展开工程设计 工程设计 按国内审批要求分为: 按国内审批要求分为: 批准后建设单位即可开工。 初步设计 → 批准后建设单位即可开工。 施工图设计
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化工建设项目环境保护设计规定 石油化工企业环境保护设计规范 化工企业安全卫生设计规定 石油化工企业职业安全卫生设计规范 建筑设计防火规范 石油化工企业设计防火规范 爆炸和危险性环境电力装置设计规范

按国际常规做法分为: 按国际常规做法分为:

工艺设计 基础设计 详细设计

施工、安装、试车、性能考核及国家验收(验收后工厂投入正常运行) 施工、安装、试车、性能考核及国家验收(验收后工厂投入正常运行) 建设项目阶段的划分以建设单位为主体, 1.2.2 建设项目阶段的划分以建设单位为主体,通常分为四个阶段 项目前期 工程设计 工程建设 工厂投入生产

2. 工艺设计的内容和深度 工艺设计的文件包括三大内容 文件包括三大内容: 2.1 工艺设计的文件包括三大内容: 文字说明(工艺说明) 文字说明(工艺说明) 图纸 表格 文字说明(工艺说明 2.1.1 文字说明(工艺说明) 工艺设计的范围。 工艺设计的范围。 设计基础:生产规模、产品方案、原料,催化剂,化学品,公用工程燃料规格、 设计基础:生产规模、产品方案、原料,催化剂,化学品,公用工程燃料规格、 产品及副产品规格。 产品及副产品规格。 工艺流程说明:生产方法、化学原理、工艺流程叙述。 工艺流程说明:生产方法、化学原理、工艺流程叙述。 原料、催化剂、化学品及燃料消耗定额及消耗量。 原料、催化剂、化学品及燃料消耗定额及消耗量。 公用工程(包括水、 公用工程(包括水、电、汽、脱盐水、冷冻、工艺空气、仪表空气、氮气)消耗 脱盐水、冷冻、工艺空气、仪表空气、氮气) 定额及消耗量。 定额及消耗量。 三废排放:包括排放点、排放量、 三废排放:包括排放点、排放量、排放组成及建议处理方法 装置定员 安全备忘录(另行成册) 安全备忘录(另行成册) 技术风险备忘录(通常为对内使用,另行成册) 技术风险备忘录(通常为对内使用,另行成册) 操作指南(通常为对内使用,另行成册。供工艺系统、配管等专业使用) 操作指南(通常为对内使用,另行成册。供工艺系统、配管等专业使用) 2.1.2 图纸 PFD: 的设计依据,供基础设计使用(通常分版次逐版深化) PFD:是 PID 的设计依据,供基础设计使用(通常分版次逐版深化) 。
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包括全部工艺设备、主要物料管道(表示出流向、物料号) 主要控制回路、 、主要控制回路 包括全部工艺设备、主要物料管道(表示出流向、物料号) 主要控制回路、联锁 、 方案、加热和冷却介质以及工艺空气进出位置。 方案、加热和冷却介质以及工艺空气进出位置。 建议设备布置图:是总图布置、装置布置的依据,供基础设计使用( 建议设备布置图:是总图布置、装置布置的依据,供基础设计使用(通常为平面 布置图) 根据工艺流程的特点和要求进行布置。 。根据工艺流程的特点和要求进行布置 布置图) 根据工艺流程的特点和要求进行布置。 。 PCD:通常是设计院内部设计过程文件、 PCD:通常是设计院内部设计过程文件、最终体现在终版 PFD 中(通常由自控专业 完成) 。 完成) 2.1.3 表格 物料平衡表:包括物流组成、温度、压力、状态、流量、密度、焓值、 物料平衡表:包括物流组成、温度、压力、状态、流量、密度、焓值、粘度等理 化常数( 图上) 化常数(热负荷表示在此表中或 PFD 图上) 。 工艺设备数据表:根据设备形式不同、作用不同以及介质不同可分为容器、塔器、 工艺设备数据表:根据设备形式不同、作用不同以及介质不同可分为容器、塔器、 换热器、工业炉、机泵、搅拌器的等。工艺设备数据表需表示出设备位号、 换热器、工业炉、机泵、搅拌器的等。工艺设备数据表需表示出设备位号、介质 名称、操作压力、设计压力、操作温度、设计温度、材质、传动机构、外形尺寸、 名称、操作压力、设计压力、操作温度、设计温度、材质、传动机构、外形尺寸、 特征尺寸及特殊要求。 各设计院均有各种规定的表格) (各设计院均有各种规定的表格 。 特征尺寸及特殊要求。 各设计院均有各种规定的表格) ( 工艺设备表 取样点汇总表 装置界区条件表:通常由工艺系统专业来完善并最终发表(包括原材料、 装置界区条件表:通常由工艺系统专业来完善并最终发表(包括原材料、公用工 。 程、产品、副产品、进出界区条件等) 产品、副产品、进出界区条件等)

补充说明:化工工艺专业尚需参加前期工作,主要前期工作有: 2.2 补充说明:化工工艺专业尚需参加前期工作,主要前期工作有: 项目建议书;可行性报告编制工作。 项目建议书;可行性报告编制工作。 项目报价书;投标书、技术文件编制工作。 目报价书;投标书、技术文件编制工作。 引进项目:包括询价书、投标书的评标、合同技术附件谈判。 引进项目:包括询价书、投标书的评标、合同技术附件谈判。 询价书 大中型联合装置总体规划设计。 大中型联合装置总体规划设计。

工艺设计方法(化工基本理论的应用) 3. 工艺设计方法(化工基本理论的应用) 3.1 工艺路线的选择 原料来源 经济效益和社会效益(生产成本) 经济效益和社会效益(生产成本) 环境保护
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其它,如操作条件、安全、消防、投资、工艺先进性,可行性,合理性。 其它,如操作条件、安全、消防、投资、工艺先进性,可行性,合理性。 3.2 工艺流程方案优化 “洋葱头”模型(由史密斯、林霍夫提供的模型) 洋葱头”模型(由史密斯、林霍夫提供的模型)

反应系统 精馏系统 换热网络 公用工程

从图中可以看出设计的核心是反应系统的设计和开发。 洋葱头” 从图中可以看出设计的核心是反应系统的设计和开发。 洋葱头”模型强调过程开发和 设计的核心是反应系统的设计和开发 “ 设计的有序和分层性质。 设计的有序和分层性质。 反应流程优化见表- .4.2( 544) 反应流程优化见表-7.4.2(P-544) 反应流程优化需要考虑的问题较多,问题复杂。如反应动力学、反应收率、催化 反应流程优化需要考虑的问题较多,问题复杂。 如反应动力学、 反应收率、 剂特性、反应历程、反应途径。 剂特性、反应历程、反应途径。 反应器的最优操作条件有如何保证反应温度、反应压力、混合要求、换热要求、 反应器的最优操作条件有如何保证反应温度、反应压力、混合要求、换热要求、 各物料配比、给定条件下的生产成本等等。 各物料配比、给定条件下的生产成本等等。 精馏流程的优化 个组份, 个精馏塔。 精馏流程如需要分离 R 个组份,就需要有 R-1 个精馏塔。 精馏优化需要考虑:那种组份为主产品,那种组份为付产品。 精馏优化需要考虑:那种组份为主产品,那种组份为付产品。 产品的规格要求。 产品的规格要求。 :试探法 精馏流程的优化法 1) 试探法,主要规则如下: :试探法,主要规则如下: 优先使用普通精馏。 优先使用普通精馏。 尽量避免减压操作和使用冷量。 尽量避免减压操作和使用冷量。 产品数应最少。 产品数应最少。 腐蚀性、危险性的组份应优先分出。 腐蚀性、危险性的组份应优先分出。 优先分出 难分离的组分最后分出。 难分离的组分最后分出。 最大量组份应优先分出。 最大量组份应优先分出。 塔顶、塔釜产物最好等摩尔分离。 塔顶、塔釜产物最好等摩尔分离。

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:调优法 精馏流程的优化法 2) 调优法 : :数学规划法 精馏流程的优化法 3) 数学规划法 : 蒸发流程的优化 1)单效、双效、三效蒸发。 单效、双效、三效蒸发。 2)热泵蒸发、膜式蒸发。 热泵蒸发、膜式蒸发。 3)多级闪蒸。 多级闪蒸。 4)强制循环蒸发、自然循环蒸发、 强制循环蒸发、自然循环蒸发、 。 结合蒸发器的类型(标准、悬框、列文、强制循环蒸发器)进行选择。 结合蒸发器的类型(标准、悬框、列文、强制循环蒸发器)进行选择。 工艺设备的选择 3.3 工艺设备的选择 反应器: 反应器: 1)连续 2)半连续 3)间歇 以上反应器的选择要根据物料性质、稳定性、反应复杂性、产品规模、反应时间、 以上反应器的选择要根据物料性质、稳定性、反应复杂性、产品规模、反应时间、温 要根据物料性质 度、压力等因素综合考虑。 压力等因素综合考虑。 547。 不同类型的反应器在工业生产中的应用情况见 P-547。 548。 气液相反应器及固相反应器的使用情况见 P-548。 7.4.3-3(P-548)。 固体催化反应器的使用情况见表 7.4.3-3(P-548)。 气液传质设备: 气液传质设备: 板式塔:泡罩、浮阀、筛板等。 形流, 1) 板式塔:泡罩、浮阀、筛板等。板式塔塔板流体流向分布类型可分为 U 形流, 单溢流, 单溢流,双溢流等 填料塔: 拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。 2) 填料塔:a 拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。 散堆、规整填料。 b 散堆、规整填料。 实体填料、丝网填料。 c 实体填料、丝网填料。 以上传质设备的选择要根据分离难易程度、压降大小、真空(热敏性物料) 物料性质、 、物料性质 以上传质设备的选择要根据分离难易程度、压降大小、真空(热敏性物料) 物料性质、 、 投资情况、腐蚀情况、物料清洁情况、安全要求、弹性大小、发泡等情况选择。 投资情况、腐蚀情况、物料清洁情况、安全要求、弹性大小、发泡等情况选择。(见 P-549) 传热设备: 传热设备: 按功能分:冷却器、冷凝器、加热器、换热器、再沸器、蒸汽发生器、过热器、 按功能分:冷却器、冷凝器、加热器、换热器、再沸器、蒸汽发生器、过热器、 废热锅炉等 废热锅炉等。 按结构型式分: 种型式: 按结构型式分:采用二物流换热的换热器从结构上分有以下 5 种型式:
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1)均相 2)非均相

管式) 1)活塞流 (管式) 搅拌釜) 2)全混釜 (搅拌釜)

A.管壳式(固定管板式、浮头式、填料函式、 型管式) A.管壳式(固定管板式、浮头式、填料函式、U 型管式) 管壳式 B.板式(板翅式、螺旋板式、伞板式、波纹板式) B.板式(板翅式、螺旋板式、伞板式、波纹板式) 板式 C.管式(空冷器、套管式、喷淋管式、箱管式) C.管式(空冷器、套管式、喷淋管式、箱管式) 管式 D.液膜式(升降膜式、刮板薄膜式、离心薄膜式) D.液膜式(升降膜式、刮板薄膜式、离心薄膜式) 液膜式 E.其它型式(板壳式、热管式) E.其它型式(板壳式、热管式) 其它型式 以上型式换热器的选择依据是: 以上型式换热器的选择依据是: 据是 A.固定管板式换热器 A.固定管板式换热器 固定管板式换热器即两端管板和壳体连接成一体,由于壳程不易检修和清洗, 固定管板式换热器即两端管板和壳体连接成一体,由于壳程不易检修和清洗,因 此选用固定管板式换热器时,壳方流体应是较清洁且不易结垢的物料; 此选用固定管板式换热器时,壳方流体应是较清洁且不易结垢的物料;两流体温差较 60℃ 时应考虑热补偿, 120℃ 大(大于 60℃)时应考虑热补偿,两流体温差不易大于 120℃。 B.浮头式换热器 B.浮头式换热器 该换热器壳程易清洗,但内垫片易渗漏,适用于需要补偿热膨胀的换热器, 该换热器壳程易清洗,但内垫片易渗漏,适用于需要补偿热膨胀的换热器,两流 120℃ 体温差大于 120℃。 C.U 型管式换热器 该换热器制造、安装方便,造价较低,管程耐高压,但结构不紧凑。 该换热器制造、安装方便,造价较低,管程耐高压,但结构不紧凑。适用于高温 和高压的场合,且管内流体必须洁净。 和高压的场合,且管内流体必须洁净。 D.板式换热器 D.板式换热器 板翅式:紧凑、效率高、 多股物料同时换热。 150℃ 板翅式:紧凑、效率高、可多股物料同时换热。使用温度不大于 150℃。 螺旋板式:可用于带颗粒物料,物位利用好。不易检修。 螺旋板式:可用于带颗粒物料,物位利用好。不易检修。 伞板式:制造简单、紧凑、易清洗, 150℃ 伞板式:制造简单、 紧凑、 易清洗, 使用温度不大于 150℃, 使用压力不大于 0.12MPa。 0.12MPa。 波纹板式:紧凑、效率高、易清洗, 150℃ 波纹板式: 紧凑、效率高、 易清洗, 使用温度不大于 150℃, 使用压力不大于 0.15MPa。 0.15MPa。 E.空冷器的选择依据 E.空冷器的选择依据 a.空气入口温度(即设计温度) 38℃ a.空气入口温度(即设计温度)低于 38℃。 空气入口温度 b.热流体的出口温度高于 50~65℃ 并允许有一定的波动范围( b.热流体的出口温度高于 50~65℃,并允许有一定的波动范围(3~5℃) 。 c.对数平均温差大于 40℃。 c.对数平均温差大于 40℃ d.流体接近温度(即热流体的出口温度与冷流体入口温度之差) d.流体接近温度(即热流体的出口温度与冷流体入口温度之差)至少大于 15℃。 流体接近温度
2 .K)。 e.管内给热系数小于 e.管内给热系数小于 2325.6W/(m .K)。 2 f.冷却水的污垢系数大于 .K)/W。 f.冷却水的污垢系数大于 0.0002(m .K)/W。 2 2

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g.水源较远,取水费用大。 g.水源较远,取水费用大。 水源较远 h.热流体的凝固点较低( h.热流体的凝固点较低(小于 0℃)。 热流体的凝固点较低 化工用泵: 化工用泵: 根据物料性质、物料的腐蚀性、易燃易爆、有毒、高温、高压、低温、粘度大小、 根据物料性质、物料的腐蚀性、易燃易爆、有毒、高温、高压、低温、粘度大小、挥 发性、固体颗粒等因素综合考虑,此外还要考虑泵的安全性、可靠性和密封等要求。 发性、固体颗粒等因素综合考虑,此外还要考虑泵的安全性、可靠性和密封等要求。见表 7.4.57.4.5-3(P-553) 553) 容器(储罐) 容器(储罐) : 根据物料性质、物料的腐蚀性、易燃易爆、有毒、高温、高压、低温、粘度大小、 根据物料性质、物料的腐蚀性、易燃易爆、有毒、高温、高压、低温、粘度大小、挥 发性、固体颗粒等因素综合考虑。 发性、固体颗粒等因素综合考虑。 压力容器分类见表 7.4.5557) 压力容器分类见表 7.4.5-5(P-557) 。

4. 工艺设计工作程序

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项目经理 项目建议书 可研报告 装置平面图 专利及专有技术资料 工艺设计,基础设计数据 开工报告 有关会议纪要 合同文件 化 工 工 艺 接受设 计条件 消化资料 确定设计 基础 展开 工艺 设计

自控条件 工艺控制 联锁 报警 电气条件 危险区划分 特殊电气要求 电气联锁报警 总图条件 建议布置图 设备条件 工艺设备数据表 分析化验条件 取样条件表 取样点汇总表 配管条件 操作原则 安全规程指南 三废排放一览表 公用工程条件表 消防条件 电信条件 采暖、通风、空调条件 建、构筑物特性条件 提出相 关设计 条件 完成工 艺设计 成品文 件 基础设计 、详细设 计跟踪服 务 设计 完工 报告

工艺路线 产品方案 设计规模 年操作时间 操作弹性 原料、催化剂规格 产品和付产品规格 公用工程规格 界区条件

确定工艺流程方案 工艺计算:物料、 能量、设备

安全生产 职业卫生 物性数据 文字说明

设备表 工艺设备数据表 建议布置图 原料、公用工程消耗 确定公用系统方案UFD 三废排放量及建议处理方法 安全分析 危险区划分 初版PID(A版)

工艺说明书 图纸 PFD图 物料平衡表 建议布置图 表格 设备表 工艺设备数据表 界区条件表 取样点汇总表

5. 设备设计压力和设计温度的确定 压力: 5.1 压力: 正常操作(工作) 正常操作(工作)压力 最高工作压力 设备设计压力一览表” 561) 设计压力的选取见表 7.6.1 “设备设计压力一览表” P-561) ( 。 温度: 5.2 温度: 正常操作温度 最高操作温度 7.6.2“设备设计温度选取表” 562) 设计温度的选取见表 7.6.2“设备设计温度选取表” P-562) ( 。

6. 过程控制方案的确定
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6.1 过程控制方案确定的原则 保证装置运行的平稳、生产安全、控制简单适用。 保证装置运行的平稳、生产安全、控制简单适用。 用单回路简单控制系统可以解决的,决不要用复杂的控制系统。 用单回路简单控制系统可以解决的,决不要用复杂的控制系统。 制系统可以解决的 6.2 过程控制的分类 压力 温度 流量 物位 化学成分和物性数据 6.3 选用控制仪表的要求 准确可靠 灵敏度高 反应迅速 滞后小 使用维护方便 价格便宜 6.4 典型化工单元的控制方案 6.4.1 反应 反应控制的要求 达到规定的转化率、产品浓度。 达到规定的转化率、产品浓度。 处理量平稳。 处理量平稳。 当出现不正常工况时,能报警、联锁或自动选择性调节系统。 当出现不正常工况时,能报警、联锁或自动选择性调节系统。 反应控制方案 7.7.3564) 以反应转化率为控制变量 见图 7.7.3-1(P-564) 。 7.7.3565) 以反应工艺状态变量为控制对象 见图 7.7.3-2(P-565) 。 6.4.2 精馏 精馏是常见的液液分离方法,精馏控制主要目的是达到规定的分离要求。主要变 精馏是常见的液液分离方法, 精馏控制主要目的是达到规定的分离要求。 量有进料量、组成、温度、操作压力、冷却和加热介质、压力及温度的变换。 量有进料量、组成、温度、操作压力、冷却和加热介质、压力及温度的变换。精馏控 制可分为: 制可分为: 7.7.3566) 按精馏段指标的控制方案 见图 7.7.3-3(P-566) 。
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7.7.3567) 按提馏段指标的控制方案 见图 7.7.3-4(P-567) 。 7.7.3568) 塔顶压力控制方案 见图 7.7.3-5(P-568) 。 7.7.3569) 真空度控制方案 见图 7.7.3-6(P-569) 。 7.7.3569) 其它控制方案 见图 7.7.3-7(P-569) 。 6.4.3 传热设备 7.7.3570) 控制载体的流量 见图 7.7.3-8(P-570) 。 控制传热面积 见图 7.7.3-9(P-570) 控制传热面积 7.7.3570) 。 7.7.3-10( 571) 控制载体的气化温度 见图 7.7.3-10(P-571) 。 7.7.3-11( 571) 工艺介质旁路控制 见图 7.7.3-11(P-571) 。 6.4.4 流体输送设备 7.7.3-12( 572) 离心泵控制方案 见图 7.7.3-12(P-572) 。 7.7.3-13( 572) 改变转速的控制方案 见图 7.7.3-13(P-572) 。 往复泵(位移式旋转泵) 7.7.3-14( 572) 往复泵(位移式旋转泵)的控制方案 见图 7.7.3-14(P-572) 。

7. 能耗计算 目前人类面临的共同任务是保护资源、减少环境污染、维护生态平衡、 目前人类面临的共同任务是保护资源、减少环境污染、维护生态平衡、实现可持续发 展。化工生产中传热过程是经常的发生的事,因此合理使用能源,节约能源消耗是每个化 化工生产中传热过程是经常的发生的事,因此合理使用能源, 能源 工工艺设计人员应尽的职责。 工工艺设计人员应尽的职责。 过程能量分析的常用方法有: 过程能量分析的常用方法有:夹点分析法和三环节能量分析法 7.1 夹点分析法 将需要优化的换热网络用冷、热流复合线表示在温焓图( 将需要优化的换热网络用冷、热流复合线表示在温焓图(T-H 图)上,热流复合线位于 冷流上方, 冷流上方,冷、热流体的复合线中间垂直距离最短处称为夹点,其温差△Tmin 称为夹点温 热流体的复合线中间垂直距离最短处称为夹点,其温差△ 差。 夹点分析法应遵循三个原则: 夹点分析法应遵循三个原则: 尽量避免有热流体通过夹点 夹点上方避免引入公用设施冷却物流 夹点下方避免引入公用设施加热物流 7.2 三环节能量分析法 重点研究热能在化工装置的利用,从下述三个环节出发: 重点研究热能在化工装置的利用,从下述三个环节出发: 能量转换
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能量利用 能量回收 夹点分析法和三环节能量分析法实际应用可参考有关文献资料。 夹点分析法和三环节能量分析法实际应用可参考有关文献资料。

8. 与工艺设计相关的基本知识 与工艺设计相关的基本知识包括消防、劳动安全卫生、环境保护三个方面, 与工艺设计相关的基本知识包括消防、劳动安全卫生、环境保护三个方面,必须遵守 消防 三个方面 国家相关的标准、法规。 国家相关的标准、法规。 577~ 8.1 消防 见 P-577~591 591~ 8.2 安全 见 P-591~594 594~ 8.3 环保 见 P-594~601 废气 废水(废液) 废水(废液) 废固 噪音 放射性 排放总量控制

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