1、.化工工藝設計講座1. 概述1.1 要建設一個化工廠，必須具有一批化工工藝專業技術人員，這批化工工藝專業技術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、流體力學、傳熱、傳質、化學反應動力學（化學反應工程）。Ø 掌握化工工藝設計方法和技能工藝設計的任務、設計范圍、工藝設計人員職責。化工基本理論的應用（化工設計方法）。工藝設計基本程序（工藝設計技能）。工藝設計的成品文件（內容及深度）。工藝設計的質量保證程序。Ø 熟悉環保、安全、消防等方面的法規，如：HG20667-1986化工建設項目環境保護設計規定SH3024-95石油化工企業環境保護設計規范HG2

2、0571-95化工企業安全衛生設計規定SH3047-93石油化工企業職業安全衛生設計規范GBJ16-87(2001版)建筑設計防火規范GB50160-92(1999版)石油化工企業設計防火規范GB50058-92爆炸和危險性環境電力裝置設計規范Ø 一定的工作經驗1.2 化工建設項目階段1.2.1 建設項目階段的劃分以工程公司為主體，通常分為三個階段Ø 項目前期項目建議書 批準后即為立項可行性研究報告 批準后即可展開工程設計Ø 工程設計按國內審批要求分為：初步設計 批準后建設單位即可開工。施工圖設計按國際常規做法分為：工藝設計基礎設計詳細設計Ø 施工、安裝

3、、試車、性能考核及國家驗收（驗收后工廠投入正常運行）1.2.2 建設項目階段的劃分以建設單位為主體，通常分為四個階段Ø 項目前期Ø 工程設計Ø 工程建設Ø 工廠投入生產2. 工藝設計的內容和深度2.1 工藝設計的文件包括三大內容：Ø 文字說明（工藝說明）Ø 圖紙Ø 表格2.1.1 文字說明（工藝說明）Ø 工藝設計的范圍。Ø 設計基礎：生產規模、產品方案、原料，催化劑，化學品，公用工程燃料規格、產品及副產品規格。Ø 工藝流程說明：生產方法、化學原理、工藝流程敘述。Ø 原料、催化劑、化學品

4、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、氮氣）消耗定額及消耗量。Ø 三廢排放：包括排放點、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）Ø 技術風險備忘錄（通常為對內使用，另行成冊）Ø 操作指南（通常為對內使用，另行成冊。供工藝系統、配管等專業使用）2.1.2 圖紙Ø PFD：是PID的設計依據，供基礎設計使用（通常分版次逐版深化）。包括全部工藝設備、主要物料管道（表示出流向、物料號）、主要控制回路、聯鎖方案、加熱和冷卻介質以及工藝空氣進出位置。Ø

5、; 建議設備布置圖：是總圖布置、裝置布置的依據，供基礎設計使用（通常為平面布置圖）。根據工藝流程的特點和要求進行布置。Ø PCD：通常是設計院內部設計過程文件、最終體現在終版PFD中（通常由自控專業完成）。2.1.3 表格Ø 物料平衡表：包括物流組成、溫度、壓力、狀態、流量、密度、焓值、粘度等理化常數（熱負荷表示在此表中或PFD圖上）。Ø 工藝設備數據表：根據設備形式不同、作用不同以及介質不同可分為容器、塔器、換熱器、工業爐、機泵、攪拌器的等。工藝設備數據表需表示出設備位號、介質名稱、操作壓力、設計壓力、操作溫度、設計溫度、材質、傳動機構、外形尺寸、特征尺寸及特殊

6、要求。（各設計院均有各種規定的表格）。Ø 工藝設備表Ø 取樣點匯總表Ø 裝置界區條件表：通常由工藝系統專業來完善并最終發表（包括原材料、公用工程、產品、副產品、進出界區條件等）。2.2 補充說明：化工工藝專業尚需參加前期工作，主要前期工作有：Ø 項目建議書；可行性報告編制工作。Ø 項目報價書；投標書、技術文件編制工作。Ø 引進項目：包括詢價書、投標書的評標、合同技術附件談判。Ø 大中型聯合裝置總體規劃設計。3. 工藝設計方法（化工基本理論的應用）3.1 工藝路線的選擇Ø 原料來源Ø 經濟效益和社會效益（生

7、產成本）Ø 環境保護Ø 其它，如操作條件、安全、消防、投資、工藝先進性，可行性，合理性。3.2 工藝流程方案優化精餾系統公用工程換熱網絡反應系統Ø “洋蔥頭”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）從圖中可以看出設計的核心是反應系統的設計和開發。“洋蔥頭”模型強調過程開發和設計的有序和分層性質。Ø 反應流程優化見表-7.4.2（P-544）反應流程優化需要考慮的問題較多，問題復雜。如反應動力學、反應收率、催化劑特性、反應歷程、反應途徑。反應器的最優操作條件有如何保證反應溫度、反應壓力、混合要求、換熱要求、各物料配比、給定條件下的生產成本等等。Ø 精餾

8、流程的優化精餾流程如需要分離R個組份，就需要有R-1個精餾塔。精餾優化需要考慮：那種組份為主產品，那種組份為付產品。產品的規格要求。精餾流程的優化法1）：試探法，主要規則如下：優先使用普通精餾。盡量避免減壓操作和使用冷量。產品數應最少。腐蝕性、危險性的組份應優先分出。難分離的組分最后分出。最大量組份應優先分出。塔頂、塔釜產物最好等摩爾分離。精餾流程的優化法2）：調優法精餾流程的優化法3）：數學規劃法Ø 蒸發流程的優化1）單效、雙效、三效蒸發。2）熱泵蒸發、膜式蒸發。3）多級閃蒸。4）強制循環蒸發、自然循環蒸發、。結合蒸發器的類型（標準、懸框、列文、強制循環蒸發器）進行選擇。3.3 工

9、藝設備的選擇Ø 反應器：1）連續1）均相1）活塞流 （管式）2）半連續2）非均相2）全混釜 （攪拌釜）3）間歇以上反應器的選擇要根據物料性質、穩定性、反應復雜性、產品規模、反應時間、溫度、壓力等因素綜合考慮。不同類型的反應器在工業生產中的應用情況見P-547。氣液相反應器及固相反應器的使用情況見P-548。固體催化反應器的使用情況見表7.4.3-3(P-548)。Ø 氣液傳質設備：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、鮑爾環、矩鞍環等填料。 b散堆、規整填料。 c實體填料、絲網填料。以上傳質設備的選

10、擇要根據分離難易程度、壓降大小、真空（熱敏性物料）、物料性質、投資情況、腐蝕情況、物料清潔情況、安全要求、彈性大小、發泡等情況選擇。(見P-549)Ø 傳熱設備：按功能分：冷卻器、冷凝器、加熱器、換熱器、再沸器、蒸汽發生器、過熱器、廢熱鍋爐等。按結構型式分：采用二物流換熱的換熱器從結構上分有以下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是：A.固定管板式換熱器固定管板式換熱器即

11、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，殼方流體應是較清潔且不易結垢的物料；兩流體溫差較大（大于60）時應考慮熱補償，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，但內墊片易滲漏，適用于需要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，但結構不緊湊。適用于高溫和高壓的場合，且管內流體必須潔凈。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，使用溫度不大于150，使用壓力不

12、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a.空氣入口溫度（即設計溫度）低于38。b.熱流體的出口溫度高于5065，并允許有一定的波動范圍（35）。c.對數平均溫差大于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.管內給熱系數小于2325.6W/(m2.K)。f.冷卻水的污垢系數大于0.0002(m2.K)/W。g.水源較遠，取水費用大。h.熱流體的凝固點較低(小于0)。Ø 化工用泵：根據物料性質、物料的腐蝕性、易燃易爆、有毒、高溫、高壓、低溫、粘度大小、揮發性、固體

13、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（儲罐）：根據物料性質、物料的腐蝕性、易燃易爆、有毒、高溫、高壓、低溫、粘度大小、揮發性、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. 工藝設計工作程序5. 設備設計壓力和設計溫度的確定5.1 壓力：Ø 正常操作（工作）壓力Ø 最高工作壓力設計壓力的選取見表7.6.1 “設備設計壓力一覽表”（P-561）。5.2 溫度：Ø 正常操作溫度Ø 最高操作溫度設計溫度的選取見表7.6.2“設備設計溫度選取表”（P-562

14、）。6. 過程控制方案的確定6.1過程控制方案確定的原則Ø 保證裝置運行的平穩、生產安全、控制簡單適用。Ø 用單回路簡單控制系統可以解決的，決不要用復雜的控制系統。6.2過程控制的分類Ø 壓力Ø 溫度Ø 流量Ø 物位Ø 化學成分和物性數據6.3選用控制儀表的要求Ø 準確可靠Ø 靈敏度高Ø 反應迅速Ø 滯后小Ø 使用維護方便Ø 價格便宜6.4典型化工單元的控制方案6.4.1反應Ø 反應控制的要求達到規定的轉化率、產品濃度。處理量平穩。當出現不正常工況時，能報

15、警、聯鎖或自動選擇性調節系統。Ø 反應控制方案以反應轉化率為控制變量 見圖7.7.3-1（P-564）。以反應工藝狀態變量為控制對象 見圖7.7.3-2（P-565）。6.4.2精餾精餾是常見的液液分離方法，精餾控制主要目的是達到規定的分離要求。主要變量有進料量、組成、溫度、操作壓力、冷卻和加熱介質、壓力及溫度的變換。精餾控制可分為：Ø 按精餾段指標的控制方案 見圖7.7.3-3（P-566）。Ø 按提餾段指標的控制方案 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）。真空度控制方案 見圖7.7.3-6（P-56

16、9）。Ø 其它控制方案 見圖7.7.3-7（P-569）。6.4.3傳熱設備Ø 控制載體的流量 見圖7.7.3-8（P-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 工藝介質旁路控制 見圖7.7.3-11（P-571）。6.4.4流體輸送設備Ø 離心泵控制方案 見圖7.7.3-12（P-572）。Ø 改變轉速的控制方案 見圖7.7.3-13（P-572）。Ø 往復泵(位移式旋轉泵)的控制方案 見圖7.7.3-14（P-572）。7. 能耗計算目前人類面臨的共同任務是保護資源、減少環境污染、維護生態平衡、實現可持續發展。化工生產中傳熱過程是經常的發生的事，因此合理使用能源，節約能源消耗是每個化工工藝設計人員應盡的職責。過程能量分析的常用方法有：夾點分析法和三環節能量分析法7.1夾點分析法將需要優化的換熱網絡用冷、熱流復合線表示在溫焓圖（T-H圖）上，熱流復合線位于冷流上方，冷、熱流體的復合線中間垂直距離最短處稱為夾點，其溫差Tmin稱為夾點溫差。夾點分析法應遵循三個原則：Ø 盡量避免有熱流體通過夾點Ø 夾點上方避免引入公用設施冷卻物流Ø 夾點下方避免引入公用設施加熱物流7.2三環