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1、1化工工艺设计化工工艺设计讲座讲座1.1. 概述概述1.11.1 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
2、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，如：熟悉环保、安全、消防等方面的法规，如：HG20667-1986HG20667-1986化工建设项目环境保护设计规定化工建设项目环境保护设计规定SH3024-95SH3024-95石油化工企业环境保护设计规范石油化工企业环境保护设计规范HG20571-95HG20571-95化工企业安全卫生设计规定化工企业安全卫生设计规定SH3047-
3、93SH3047-93石油化工企业职业安全卫生设计规范石油化工企业职业安全卫生设计规范GBJ16-87(2001GBJ16-87(2001 版版) )建筑设计防火规范建筑设计防火规范GB50160-92(1999GB50160-92(1999 版版) )石油化工企业设计防火规范石油化工企业设计防火规范GB50058-92GB50058-92爆炸和危险性环境电力装置设计规范爆炸和危险性环境电力装置设计规范一定的工作经验一定的工作经验1.21.2 化工建设项目阶段化工建设项目阶段1.2.11.2.1 建设项目阶段的划分以工程公司为主体，通常分为三个阶段建设项目阶段的划分以工程公司为主体，通常分为三
4、个阶段项目前期项目前期项目建议书项目建议书 批准后即为立项批准后即为立项可行性研究报告可行性研究报告 批准后即可展开工程设计批准后即可展开工程设计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：初步设计初步设计 批准后建设单位即可开工。批准后建设单位即可开工。2施工图设计施工图设计按国际常规做法分为：按国际常规做法分为：工艺设计工艺设计基础设计基础设计详细设计详细设计施工、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）1.2.21.2.2 建设项目阶段的划分以建设单位为主体，通常分为四个阶段建设项目阶段的划分以建设
5、单位为主体，通常分为四个阶段项目前期项目前期工程设计工程设计工程建设工程建设工厂投入生产工厂投入生产2.2. 工艺设计的内容和深度工艺设计的内容和深度2.12.1 工艺设计的文件包括三大内容：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）图纸图纸表格表格2.1.12.1.1 文字说明（工艺说明）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
6、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、电、汽、脱盐水、冷冻、工艺空气、仪表空气、氮气）消耗公用工程（包括水、电、汽、脱盐水、冷冻、工艺空气、仪表空气、氮气）消耗定额及消耗量。定额及消耗量。三废排放：包括排放点、排放量、排放组成及建议处理方法三废排放：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
7、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）2.1.22.1.2 图纸图纸3PFDPFD：是：是 PIDPID 的设计依据，供基础设计使用（通常分版次逐版深化）的设计依据，供基础设计使用（通常分版次逐版深化） 。包括全部工艺设备、主要物料管道（表示出流向、物料号）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、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（通常为平面建议设备布置图：是总图布置、装置布置的依据，供基础设计使用
8、（通常为平面布置图）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。PCDPCD：通常是设计院内部设计过程文件、最终体现在终版：通常是设计院内部设计过程文件、最终体现在终版 PFDPFD 中（通常由自控专中（通常由自控专业完成）业完成） 。2.1.32.1.3 表格表格物料平衡表：包括物流组成、温度、压力、状态、流量、密度、焓值、粘度等理物料平衡表：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（热负荷表示在此表中或化常数（热负荷表示在此表中或 PFDPFD 图上）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
9、、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、介质换热器、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。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） 。工艺设备表工艺设备表取样点汇总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、公用工装置界区条件表：通常由
10、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）程、产品、副产品、进出界区条件等） 。2.22.2 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：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。项目报价书；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。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。3.3. 工艺设计方法（化工基本理论的应用）工艺设
11、计方法（化工基本理论的应用）3.13.1 工艺路线的选择工艺路线的选择原料来源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）4环境保护环境保护其它，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。3.23.2 工艺流程方案优化工艺流程方案优化“洋葱头洋葱头”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）从图中可以看出设计的核心是反应系统的设计和开发。从图中可以看出设计的核心是反应系统的设计和开发。 “洋葱头洋葱头”模型强调过程开发和模型强调过程开发和设计的有序和分层性质。设计的
12、有序和分层性质。反应流程优化见表反应流程优化见表-7.4.2-7.4.2（P-544P-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、催化剂特性、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。精馏流程的优化精馏流程的优化精馏流程如需要分离精馏流程如需要分离 R R 个组份，就需要有个
13、组份，就需要有 R-1R-1 个精馏塔。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。精馏流程的优化法精馏流程的优化法 1 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。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。公用工程换热网络精馏系统反应系统5塔顶、塔釜产
14、物最好等摩尔分离。塔顶、塔釜产物最好等摩尔分离。精馏流程的优化法精馏流程的优化法 2 2）：调优法）：调优法精馏流程的优化法精馏流程的优化法 3 3）：数学规划法）：数学规划法蒸发流程的优化蒸发流程的优化1 1）单效、双效、三效蒸发。）单效、双效、三效蒸发。2 2）热泵蒸发、膜式蒸发。）热泵蒸发、膜式蒸发。3 3）多级闪蒸。）多级闪蒸。4 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。3.33.3 工艺设备的选择工艺设备的选择反应器：反应器：1 1）连
15、续）连续1 1）均相）均相1 1）活塞流）活塞流 （管式）（管式）2 2）半连续）半连续2 2）非均相）非均相2 2）全混釜）全混釜 （搅拌釜）（搅拌釜）3 3）间歇）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、温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、温度、压力等因素综合考虑。度、压力等因素综合考虑。不同类型的反应器在工业生产中的应用情况见不同类型的反应器在工业生产中的应用情况见 P-547P-547。气液相反应器及固相反应器的使用情况见气液相反应器及固相反应器的使用情况见 P-548P-548。固体催化反应器的使用情况见表固体
16、催化反应器的使用情况见表 7.4.3-3(P-548)7.4.3-3(P-548)。气液传质设备：气液传质设备：1 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 U 形流，形流，单溢流，双溢流等单溢流，双溢流等2 2） 填料塔：填料塔：a a 拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。b b 散堆、规整填料。散堆、规整填料。c c 实体填料、丝网填料。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）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、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
