化工工艺设计讲座

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1、化工工艺设计讲座主讲：徐谋源1.概述化工工艺专业是化工设计的主要专业之一 。无论是开发新的化工生产过程，还是设计新 的化工装置，化工工艺设计是直接关系到化工 装置能否顺利开车、能否到到预计的生产能力 和合格的产品，最终关系到工厂能否获得最大 的经济效益。因此，作为化工工艺设计的人员 必须具备下列基本条件：1.1 掌握化工基本理论 1.2 掌握化工工艺设计方法和技能 （1）了解工艺设计的任务、设计范围、工艺 设计人员的职责。 （2）掌握化工基本理论的应用 （3）熟悉设计基本程序和相关专业的基本知 识 （4）清楚工艺设计成品文件的内容和深度以 及工艺设计的质量保证程序。1.3 掌握生产、开停车的基

2、本知识、分析生产事故的能力以及相应的实践经验。 1.4 熟悉有关劳动安全卫生、消防和环保等方面的法规。与工艺设计相关的上述诸方面的法规 有：建筑设计防火规范 GBJ6-87(2001年版)石油化工企业设计防火规范 GB 50160-92(1999年版）爆炸和危险性环境电力装置设计规范GB 50058-92化工企业安全卫生设计规定 HG20571-95石油化工企业职业安全卫生设计规范 SH3047-93 化工建设项目环境保护设计规定 HG20667-1986 石油化工企业环境保护设计规范 SH3024-95 1.5 具有一定的工作经验2、工艺设计基础数据2.1 在工程设计合同书中明确规定的以及业

3、主应提供的有关数据。 （1）装置的设计能力、操作弹性及年操作日; （2）产品方案及产品、副产品的规格； （3）建厂地区的气象、水文、地质等条件； （4）所能提供的公用工程，包括水、电、汽、气等规格、数量及进界区条件； （5）原材料、催化剂、化学品等规格、消耗指标及进界区条件；2.2 由专利商提供的：除上述与专利商有关的数据外，还需专利 商提供该专利范围内的工艺操作条件、转化 率、收率、控制方案、相关设备条件等。2.3 工艺所需的物性参数。3、工艺设计的内容和深度3.1 概述：工艺专业是自项目前期的可行性研究阶 段即作为主要专业参加编制，一直贯穿到 工程设计阶段。 在工程设计阶段可分为以下几个阶

4、段：（1）按国内审批要求分为： 初步设计（批准后建设单位即可开工） 施工图设计（2）按国际常规做法分为： 工艺设计（以化工工艺专业为主导专业 ） 基础设计（以化工工艺系统专业为主导 专业） 详细设计（以管道设计专业为主导专业 ） 在建设单位完成了项目前期工作之后， 设计单位即可开展项目的工程设计工作。 在工程设计阶段的工艺设计，它的主要 依据是经批准的可行性研究报告及其批文 、总体设计及其批文、工程设计合同书以 及设计基础资料。3.2 工艺设计的内容和深度 3.2.1 工艺设计的文件包括三大内容 ：（1）文字说明（工艺说明）（2）图纸（3）表格3.2.1.1 文字说明（工艺说明）工艺设计的范围

5、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 三废排放：包括排放地点、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） 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） 3.2.1.2 图纸（1） PFD:是PID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

6、(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。（2）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。 （3） PCD:通常是设计院内部设计构成文件 最终体在终版PFD中（通常由自控专业完成 ） 3.2.1.3 表格 （1）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PFD图上） （2）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、搅拌器等。工艺设 备数据表需表示出设备位号、介

7、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、特征尺寸及特 殊要求。（各设计院均有各种规定的表格) （3）工艺设备表 （4）取样点汇总表（5）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） 3.2.2 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。 大中型联合装置总体规划设计。3.3 工艺设计方案的优化 优化的工艺设计方案应是：（1）有较好的经济效益和社会效益（

8、2）工艺技术先进适用（3）生产安全、可靠、并有良好的环 保措施3.3.1 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） 公用工程换热网络分离系统反应系统“洋葱头”模型是工艺流程开发和设计的方 法。从图中可以十分直观的表示了反应系统的开 发和设计是核心，它为分离系统规定了处理 物料的条件，而反应和分离系统一起又规定 了过程的冷、热物流的流量和换热的热负荷 ，最后才是公用工程系统的选择和设计。因 此，工艺流程方案的优化应主要集中在反映 和分离系统的优化。对于史密斯和林霍夫提出的“洋葱头”技术 开发概念，其步骤为：（1）根据经验规则初步建立反应和分离系统 的流程（2）变化主要的设计

9、优化变量，如反 应的转化率、惰性物质循环的浓度等 ，确定每组变量。（3)建立全过程总费用与主要优化变量 之间的关系（4）确定最佳条件，并对全流程调优（5）对其他备选流程重复上述步骤， 最后比较各流程的总费用，获得最佳 流程。3.3.1.1 反应流程优化 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。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。 在实际工业生产中，为了实现高 效率、高选择和达到要求的产量， 常常将相同或不同类型反应器进行 组合，常见的反应器组合及其适用

10、范围如表7.4.2所示（P544）3.3.1.2 精馏流程的优化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：哪种组份为主产品； 哪种组份为付产品；产品的规格要求。精馏流程的优化法1）：试探法，主要规则如 下： 优先使用普通精馏。 尽量避免减压操作和使用冷量。 产品数应最少。 腐蚀性、危险性的组份应优先分出。 难分离的组分最后分出。 最大量组份应优先分出。 塔顶、塔釜产物最好等摩尔分离。精馏流程的优化法2）：调优法 精馏流程的优化法3）：数学规划法3.1.3 蒸发流程的优化1）单效、双效、三效蒸发。2）热泵蒸发、膜式蒸发。3）多级闪蒸。4）强制循环蒸发、自然循环蒸发

11、。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。 3.3.2 工艺设备的选择 3.3.2.1 反应器 在反应器中进行的是化学反应过程， 它不仅有种类繁多、性质各异的、化学 反应，而且伴随着传热、传质的物理过 程。因此就反应器的类别也有多种多样 ，它适用于不同场合，各种反应器的适 用场合分别见表7.4.3-1（P547)、表 7.4.3-2和标7.4.3-3（P748) 3.3.2.2 气液传质设备 化工生产中常需要借助气液传质设备将 反应生成的产物进行分离，以获得目标产 品，一般有采用精馏、吸收解析、蒸发、 气提、萃取等方法来达到此目的。常用的 气液传质设备型式是板式塔和填料

12、塔。而 板式塔和填料塔又因采用的塔板和填料不 同，他们又可分为多种型式，如板式塔塔 板可分为浮阀、筛板、泡罩及各种高效塔 板，填料塔的填料有鲍尔环，鞍环等散装 填料和丝网填料、波纹板填料等各种规整 填料。气液传质设备的选用应根据处理物料的性质 、分离要求、运行费用和投资费用等因素综 合考虑，其基本选型要求为：（1）相际传质面积大（2）生产能力大（3）操作稳定，弹性大（4）阻力小（5）结构简单，制造安装方便、加工制造 费用低（6）耐腐蚀，不易堵塞，易检修。在哪种情况下优先选用板式塔或填料塔可参 见P549页所示，有关二种塔形的塔径计算， 板式塔是由夹带液泛而确定的最高气速 Wn,max，而设计空

13、塔气速w取（0.60.8） Wn,max。而填料塔是通过计算泛点速度Uf, 考虑比较经济可靠的操作气速U=(0.6 0.8)Uf,然后由此可算得塔经。 3.3.2.3 传热设备 传热设备选型主要考虑的因素：（1）热负荷及流量大小（2）流体的性质 （3）温度、压力及允许压降的范围 （4）对清洗、维修的要求 （5）设备结构材料、尺寸、重量、价格 （6）使用安全性和寿命传热设备的分类按功能分：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。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： 管壳式（固定管板式、浮头式、填料函式、 U型管式） B. 板式（板翅

14、式、螺旋板式、伞板式、波纹 板式） C. 管式（空冷器、套管式、喷淋管式、箱管 式） D. 液膜式（升降膜式、刮板薄膜式、离心薄 膜式） E. 其它型式（板壳式、热管式） 以上型式换热器的选择依据是： 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，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；两流体温差较大（大 于60）时应考虑热补偿，两流体温差不宜 大于120。 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，两流体温 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，

15、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。 D. 板式换热器板翅式：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。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。 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 。 E. 空冷器的选择依据a.空气入口温度（即设计温度）低于 38。b.热流体的出口温度高于5065，并 允许有一定的波动范围（35）。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

16、差）至少大于15。e.管内给热系数小于2325.6W/(m2.0K)。f.冷却水的污垢系数大于 0.0002(m2.0K)/Wg.水源较远，取水费用大。h.热流体的凝固点较低(小于0)。 3.3.2.4 化工用泵 泵是化工生产中最常用的设备，它所 输送的液体种类繁多，有强腐蚀性的 、易燃易爆、有毒、高温、高压、低 温、粘度大小、易挥发、带有固体颗 粒等。同时，对化工用泵又要求它能 长周期运行、安全可靠、密封性能好 等要求，有些场合还要求绝对不能泄 漏。所以对于不同物料、不同要求必 须选用不同类型的泵来适应化工生产 的需要。有关主要化工用泵的性能特 点及使用条件详见表7.4.35-5（P553 ）。在选泵中工艺参数是泵选型的最重要依据， 应根据工艺流程和操作变化范围慎重确定。（1）流量：是指工艺装置生产中，要求泵输 送介质的量，应给出正常、最