《化工工艺设计》讲座.doc

化工工艺设计讲座.txt都是一个山的狐狸，你跟我讲什么聊斋，站在离你最近的地方，眺望你对别人的微笑，即使心是百般的疼痛只为把你的一举一动尽收眼底刺眼的白色，让我明白什么是纯粹的伤害。 本文由mengyu_axi贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 化工工艺设计讲座 化工工艺设计 主讲： 主讲：徐谋源 1.概述 1.概述 化工工艺专业是化工设计的主要专业之 无论是开发新的化工生产过程， 一。无论是开发新的化工生产过程，还是设计 新的化工装置， 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、 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， 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， 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： 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 了解工艺设计的任务、设计范围、 设计人员的职责。 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。 及工艺设计的质量保证程序。 掌握生产、开停车的基本知识、 1.3 掌握生产、开停车的基本知识、分析生产事 故的能力以及相应的实践经验。 故的能力以及相应的实践经验。 熟悉有关劳动安全卫生、 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 的法规。 有： GBJ6-87(2001年版 年版) 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 50160-92(1999年版 年版） GB 50160-92(1999年版） 爆炸和危险性环境电力装置设计规范 50058GB 50058-92 HG20571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 SH3047SH3047-93 HG20667化工建设项目环境保护设计规定 HG20667-1986 SH3024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主应 提供的有关数据。 提供的有关数据。 装置的设计能力、操作弹性及年操作日; （1）装置的设计能力、操作弹性及年操作日; 产品方案及产品、副产品的规格； （2）产品方案及产品、副产品的规格； 建厂地区的气象、水文、地质等条件； （3）建厂地区的气象、水文、地质等条件； 所能提供的公用工程，包括水、 （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； 气等规格、数量及进界区条件； 原材料、催化剂、化学品等规格、 （5）原材料、催化剂、化学品等规格、消耗指 标及进界区条件； 标及进界区条件； 由专利商提供的： 2.2 由专利商提供的： 除上述与专利商有关的数据外， 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、 商提供该专利范围内的工艺操作条件、转化 收率、控制方案、相关设备条件等。 率、收率、控制方案、相关设备条件等。 工艺所需的物性参数。 2.3 工艺所需的物性参数。 3、工艺设计的内容和深度 概述： 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， 即作为主要专业参加编制，一直贯穿到工程设 计阶段。 计阶段。 在工程设计阶段可分为以下几个阶段： 在工程设计阶段可分为以下几个阶段： 按国内审批要求分为： （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） 初步设计（批准后建设单位即可开工） 施工图设计 按国际常规做法分为： （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） 工艺设计（以化工工艺专业为主导专业） 基础设计（ 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） 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， 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。 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， 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、 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、 总体设计及其批文、工程设计合同书以及 设计基础资料。 设计基础资料。 3.2 工艺设计的内容和深度 工艺设计的文件包括三大内容： 3.2.1 工艺设计的文件包括三大内容： 文字说明（工艺说明） （1）文字说明（工艺说明） （2）图纸 （3）表格 文字说明（工艺说明） 3.2.1.1 文字说明（工艺说明） 工艺设计的范围 设计基础：生产规模、产品方案、原料、 设计基础：生产规模、产品方案、原料、催化 化学品、公用工程燃料规格、 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、 工艺流程说明：生产方法、化学原理、工艺流 程叙述。生产过程的主要危险、 程叙述。生产过程的主要危险、危害因素分折 原料、催化剂、 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、 脱盐水、冷冻、 公用工程（包括水、电、汽、脱盐水、冷冻、 工艺空气、仪表空气、氮气）规格、 工艺空气、仪表空气、氮气）规格、消耗定额 及消耗量 三废排放：包括排放地点、排放量、 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 另行成册) 安全备忘录 ( 另行成册 详见 P539P540 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）其 主要说明新工艺、新技术、新设备、 主要说明新工艺、新技术、新设备、新材料等方面 可能出现的风险以及实现装置性能指标可能出现的 技术风险。并提出防范及化解风险建议和措施。 技术风险。并提出防范及化解风险建议和措施。 操作指南（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） 它是编制工艺生产操作手册的指导性文件。 它是编制工艺生产操作手册的指导性文件。也是工 芑系统、管道专业设计的重要依据， 芑系统、管道专业设计的重要依据，其主要内容详见 7.P541542 7.3.2.18 （1）（8）节 ） （ ） 3.2.1.2 图纸 PFD:是PID的设计依据 的设计依据， （1） PFD:是PID的设计依据，供基础设计使 通常分版次逐版深化） 用（通常分版次逐版深化） 包括全部工艺设备、主要物料管道( 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、 流向、物料号）、主要控制回路、联锁方案、 ）、主要控制回路 加热和冷却介质以及工艺空气进出位置。 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、 （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（ 置的依据，供基础设计使用（通常为平面布 置图） 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。 PCD:通常是设计院内部设计构成文件 （3） PCD:通常是设计院内部设计构成文件 最终体在终版PFD PFD中 通常由自控专业完成） 最终体在终版PFD中（通常由自控专业完成） 3.2.1.3 表格 物料平衡表：包括物流组成、温度、 （1）物料平衡表：包括物流组成、温度、压 状态、流量、密度、焓值、 力、状态、流量、密度、焓值、粘度等理化常 热负荷表示在此表中或PFD图上） PFD图上 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， （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、 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。 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、介质名称、操作压力、 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、 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 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) 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 装置界区条件表： 来完善并最终发表（包括原材料、公用工程、 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： 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： 期工作，主要前期工作有： 项目建议书：可行性研究报告编制工作。 项目建议书：可行性研究报告编制工作。 项目报价书：投标书、 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、 引进项目：包括询价书、投标书的评标、合 同技术附件谈判。 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 工艺设计方案的优化 优化的工艺设计方案应是： 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 （2）工艺技术先进适用 生产安全、可靠、 （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、 “洋葱头”模型（由史密斯、林霍夫提供 的模型） 的模型） 反应系统 分离系统 换热网络 公用工程 洋葱头” “洋葱头”模型是工艺流程开发和设计的方法。 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， 和设计是核心，它为分离系统规定了处理物料 的条件， 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， 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， 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。 优化。 对于史密斯和林霍夫提出的“洋葱头” 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： 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 变化主要的设计优化变量， （2）变化主要的设计优化变量，如反应的转 化 惰性物质循环的浓度等，确定每组变量： 率、惰性物质循环的浓度等，确定每组变量： 反应和分离系统中主要设备的投资及原材料的 消耗； 消耗；利用夹点分析法确定换热网络和公用工 程消耗的最佳总费用。 程消耗的最佳总费用。 （3)建立全过程总费用与主要优化变量之间的 3)建立全过程总费用与主要优化变量之间的 关系，其总费用包括： 关系，其总费用包括：反应和分离系统中的主 要设备的投资费：原材料消耗、 要设备的投资费：原材料消耗、反应与分离系 换热网络和公用工程的各类操作费用。 统、换热网络和公用工程的各类操作费用。 确定最佳条件，并对全流程调优。 （4）确定最佳条件，并对全流程调优。 对其他备选流程重复上述步骤， （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。 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 问题复杂。如反应动力学、 多，问题复杂。如反应动力学、反应 收率、催化剂特性、反应历程、 收率、催化剂特性、反应历程、反应 途径。 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、 证反应温度、反应压力、混合要求、 换热要求、各物料配比、 换热要求、各物料配比、给定条件下 的生产成本等等。 的生产成本等等。 在实际工业生产中，为了实现高效率、高选 在实际工业生产中，为了实现高效率、 择和达到要求的产量， 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， 反应器进行组合，常见的反应器组合及其适用 范围如表7.4.2所示（P544） 7.4.2所示 范围如表7.4.2所示（P544） 3.3.1.2 反应产物的分离方法 大多数反应产物都是混合物， 大多数反应产物都是混合物，需要有物料分 离过程。 离过程。根据反应产物的物性差异可采用不同 的分离方法，简述如下： 的分离方法，简述如下： 对于气国相混合物可采用干法收集、 （1）对于气国相混合物可采用干法收集、 湿法洗涤、纤维过滤、静电沉积荨分离方法； 湿法洗涤、纤维过滤、静电沉积荨分离方法； 对于固相混合物可采用筛分、 （2）对于固相混合物可采用筛分、分级分 离方法； 离方法； 对于固液相混合可采用沉降、 （3）对于固液相混合可采用沉降、离 压榨、过滤、干燥、蒸发、 心、压榨、过滤、干燥、蒸发、结晶等 分离方法； 分离方法； 对于液相混合物可采用吸收、萃取、 （4）对于液相混合物可采用吸收、萃取、 渗透、蒸馏、精馏等分离分法； 渗透、蒸馏、精馏等分离分法； 对于气液相混合物可采用蒸发、 （5）对于气液相混合物可采用蒸发、闪 部分冷凝、精馏等分离方法； 蒸、部分冷凝、精馏等分离方法； 对于气相混合物可采用吸收、吸附、 （6）对于气相混合物可采用吸收、吸附、 膜分离等分离方法。 膜分离等分离方法。 3.3.1.3某些分离方法的优化 3.3.1.3某些分离方法的优化 （1） 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 精馏流程如需要分离R个组份，就需要有R个精馏塔。 1个精馏塔。 精馏优化需要考虑：哪种组份为主产品； 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。 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： 试探法， 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。 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。 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。 精馏流程的优化法2）：调优法 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 精馏流程的优化法3）：数学规划法 确定精馏分离序列后， 确定精馏分离序列后，可对每一塔系进行 优化， 优化，最佳的目标应使塔系的设备费和操作 费两项之和，即总费用为最小。 费两项之和，即总费用为最小。 （2） 蒸发流程的优化 蒸发系统常以单位蒸汽消耗量来评价能量 的有效利用率。蒸发类型有：单效、双效、 的有效利用率。蒸发类型有：单效、双效、三效蒸 效数越多，蒸汽单耗越低，但投资越高。 发，效数越多，蒸汽单耗越低，但投资越高。在同 样的工艺要求下，是采用多效蒸发、热泵蒸发， 样的工艺要求下，是采用多效蒸发、热泵蒸发，还 是多级闪蒸，除考虑技术因素外， 是多级闪蒸，除考虑技术因素外，单位蒸发量的总 成本起着主导作用。对于强制循环蒸发， 成本起着主导作用。对于强制循环蒸发，其循环速 度和耗电能之间也有一个优化问题。 度和耗电能之间也有一个优化问题。而热泵蒸发在 提高压缩比和消耗外功之间也有一个系统优化问题 总的束说蒸发流程的优化， 。总的束说蒸发流程的优化，就是要找到在投资和 经常运行费用之间的最佳点。 经常运行费用之间的最佳点。 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， 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、 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 反应，而且伴随着传热、 因此就反应器的类别也有多种多样， 程。因此就反应器的类别也有多种多样， 它适用于不同场合， 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 7.4.3P547)、 场合分别见表7.4.3-1（P547)、表 7.4.3- 和标7.4.3 7.4.37.4.3-2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， 反应生成的产物进行分离，以获得目标产 一般有采用精馏、吸收解析、蒸发、 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。 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塔。 气液传质设备型式是板式塔和填料塔。而 板式塔和填料塔又因采用的塔板和填料不 他们又可分为多种型式， 同，他们又可分为多种型式，如板式塔塔 板可分为浮阀、筛板、 板可分为浮阀、筛板、泡罩及各种高效塔 填料塔的填料有鲍尔环， 板，填料塔的填料有鲍尔环，鞍环等散装 填料和丝网填料、 填料和丝网填料、波纹板填料等各种规整 填料。 填料。 气液传质设备的选用应根据处理物料的性质、 气液传质设备的选用应根据处理物料的性质、 分离要求、 分离要求、运行费用和投资费用等因素综合考 其基本选型要求为： 虑，其基本选型要求为： （1）相际传质面积大 （2）生产能力大 操作稳定， （3）操作稳定，弹性大 （4）阻力小 结构简单，制造安装方便、 （5）结构简单，制造安装方便、加工制造费 用低 耐腐蚀，不易堵塞，易检修。 （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 P549页所示 有关二种塔形的塔径计算， 页所示， 见P549页所示，有关二种塔形的塔径计算，板 式塔是由夹带液泛或降液管液泛而确定的最高 气速Wn,max 而设计空塔气速w Wn,max， 0.60.8） 气速Wn,max，而设计空塔气速w取（0.60.8） Wn,max。而填料塔是通过计算泛点速度U *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 U=(0.6 虑比较经济可靠的操作气速U=(0.60.8)Uf,然 后由此可算得塔经。 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： 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 温度、 （3）温度、压力及允许压降的范围 对清洗、 （4）对清洗、维修的要求 设备结构材料、尺寸、重量、 （5）设备结构材料、尺寸、重量、价格 （6）使用安全性和寿命 流体的性质对换热器类型的选择往往会产 生重大影响，如流体的物理性质（如比热、 生重大影响，如流体的物理性质（如比热、导 热系数、粘度）、化学性质（如腐蚀性、 ）、化学性质 热系数、粘度）、化学性质（如腐蚀性、热敏 结垢情况、是否有磨蚀性固体颗粒等因素， 性、结垢情况、是否有磨蚀性固体颗粒等因素， 都对传热设备的选型有影响。 都对传热设备的选型有影响。 传热设备的分类 按功能分：冷却器、冷凝器、加热器、 按功能分：冷却器、冷凝器、加热器、换热 再沸器、蒸汽发生器、过热器、废热锅炉等。 器、再沸器、蒸汽发生器、过热器、废热锅炉等。 按结构型式分： 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： 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、 管壳式（固定管板式、浮头式、填料函式、U型 管式） 管式） 板式（板翅式、螺旋板式、伞板式、 B. 板式（板翅式、螺旋板式、伞板式、波纹板 式） 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） D. 液膜式（升降膜式、刮板薄膜式、离心薄膜 液膜式（升降膜式、刮板薄膜式、 式） 其它型式（板壳式、热管式） E. 其它型式（板壳式、热管式） 以上型式换热器的选择依据是： 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， 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， 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 60） 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120 120。 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， 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， 用于需要补偿热膨胀的换热器，两流体温差大 120。 于120。 U型管式换热器 C. U型管式换热器 该换热器制造、安装方便，造价较低， 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。 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。 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、 板翅式：紧凑、效率高、可多股物料同时 换热。使用温度不大于150 150。 换热。使用温度不大于150。 螺旋板式：可用于带颗粒物料， 螺旋板式：可用于带颗粒物料，物位利用 不易检修。 好。不易检修。 伞板式制造简单、紧凑、易清洗， 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。 度不大于150，使用压力不大于0.12MPa。 150 0.12MPa 波纹板式：紧凑、效率高、易清洗， 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 150， 0.15MPa。 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 空气入口温度（ 38。 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， 热流体的出口温度高于50 b.热流体的出口温度高于5065，并允 许有一定的波动范围（ 5）。 许有一定的波动范围（35）。 c.对数平均温差大于40。 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 流体接近温度（ 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 15。 冷流体入口温度之差）至少大于15。 e.管内给热系数小于 管内给热系数小于2325.6W/(m K)。 e.管内给热系数小于2325.6W/(m2.0K)。 f.冷却水的污垢系数大于 冷却水的污垢系数大于0.0002(m f.冷却水的污垢系数大于0.0002(m2.0K)/W g.水源较远 取水费用大。 水源较远， g.水源较远，取水费用大。 h.热流体的凝固点较低 小于0) 热流体的凝固点较低( 0)。 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， 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、 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、 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 度大小、易挥发、带有固体颗粒等。 对化工用泵又要求它能长周期运行、 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， 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。 合还要求绝对不能泄漏。所以对于不同 物料、 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。 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 7.4.35P553）。 7.4.35-5（P553）。 在选泵中工艺参数是泵选型的最重要依据， 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。 应根据工艺流程和操作变化范围慎重确定。 流量：是指工艺装置生产中， （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、最小和最大流量， 送介质的量，应给出正常、最小和最大流量， 即要求泵能适应流量变化的要求。 即要求泵能适应流量变化的要求。 一般在泵数据表上往往只给出正常和额定 流量。 流量。选泵是要求额定流量不小于装置的最大流量，或取正常流量的1.1 1.15倍 1.1 大流量，或取正常流量的1.11.15倍。 扬程：指工艺装置所需的扬程值， （2）扬程：指工艺装置所需的扬程值，也称 计算扬程。 计算扬程。计算扬程应考虑最低吸入液面和最 高送液高度，且留有裕量， 高送液高度，且留有裕量，一般要求泵的额定 扬程为装置所需扬程的1.05 1.1倍 1.05 扬程为装置所需扬程的1.051.1倍。 进口压力和出口压力： （3）进口压力和出口压力：是指泵进出接管 法兰处的压力， 法兰处的压力，进出口压力的大小影响到壳体 的耐压和轴封要求。 的耐压和轴封要求。 温度：指泵的进口介质温度， （4）温度：指泵的进口介质温度，一般应给 出工艺过程中泵进口介质的正常、 出工艺过程中泵进口介质的正常、最低和最高 温度。 温度。 装置汽蚀余量：NPSHa： （5）装置汽蚀余量：NPSHa：要求所选泵的 NPSHrNPSHa （6）物性参数：介质在进口条件下的密度、粘度等 物性参数：介质在进口条件下的密度、 操作状态： （7）操作状态：分为连续和间歇操作两种 3.3.2.5 气体输送机械 气体输送机械按作用原理可分容积式和透平式两种， 气体输送机械按作用原理可分容积式和透平式两种， 按机械达到的压力可分为通风机、鼓风机和压缩机。 按机械达到的压力可分为通风机、鼓风机和压缩机。 通风机和鼓风机主要用于输送气体， 通风机和鼓风机主要用于输送气体，压缩机则用于 提高气体压力。 提高气体压力。 排气压力小于0.14715MPa(1.5Kg/cm 的称为通风机； 排气压力小于0.14715MPa(1.5Kg/cm2)的称为通风机； 排气压力小于0.2MPa(2Kg/cm 且大于0.14715MPa 排气压力小于0.2MPa(2Kg/cm2)且大于0.14715MPa (1.5Kg/cm2)的称为鼓风机； 的称为鼓风机； 排气压力大于0.2MPa(2Kg/cm 的称为压缩机。 排气压力大于0.2MPa(2Kg/cm2)的称为压缩机。 同样在气体输送机械选型中， 同样在气体输送机械选型中，工艺参数是 最重要的依据， 最重要的依据，应根据工艺流程和操作变化 范围慎重确定。 范围慎重确定。 气体组成：一般应按湿基提供。 （1）气体组成：一般应按湿基提供。若气体 组成有变化， 组成有变化，宜按平均分子较大的组成提出 若不同组成的气量相同时）； (若不同组成的气量相同时）； 入口温度：应提出正常、最高和最低； （2）入口温度：应提出正常、最高和最低； 入口压力：应提出正常、最小和最大； （3）入口压力：应提出正常、最小和最大； 入口流量：应提出正常、最小和最大； （4）入口流量：应提出正常、最小和最大； 出口压力； （5）出口压力； 驱动机型式： （6）驱动机型式：主要是由电机驱动还是蒸 气透平驱动， 气透平驱动，若是蒸汽透平驱动则还需提出 蒸汽参数及背压凝汽等要求； 蒸汽参数及背压凝汽等要求； 流量控制方式： （7）流量控制方式： 活塞式（容积式） 活塞式（容积式）压缩机一般均采用旁路 和余隙调节，其余隙调节一般只能调节10% 和余隙调节，其余隙调节一般只能调节10% 流量。 流量。 透平式通风机、 透平式通风机、鼓风机一般以采用进口或 出口调节居多，有的风机输送气量大， 出口调节居多，有的风机输送气量大，调节 要求较高，同时该风机所处位置较重要， 要求较高，同时该风机所处位置较重要，也 有采用改变转速的方法。 有采用改变转速的方法。 透平式压缩机一般采用改变转速居多， 透平式压缩机一般采用改变转速居多，并 辅以旁路调节，一般用作防喘振控制。 辅以旁路调节，一般用作防喘振控制。若是 输送空气的， 输送空气的，可采用出口放空简单的控制方 式。 容器（储罐） 3.3.2.6 容器（储罐） 储罐按用途大致可分两大类， 储罐按用途大致可分两大类，一类是用于 储存，一般指原料储存、 储存，一般指原料储存、中间产品或成品储 存，原料及成品储存一般与工厂对外运输有 很大关系， 很大关系，中间产品储存与该中间产品的前 后装置生产情况有很大关系， 后装置生产情况有很大关系，例如要考虑前 后装置生产周期、 后装置生产周期、正常开停车及事故停车情 况决定储存量的多少。这一类一般单独设置 况决定储存量的多少。 罐区。 罐区。另一类是用于装置内工艺流程中需要 的储罐，通常有回流罐（停留时间取5 10分 的储罐，通常有回流罐（停留时间取510分 ），受槽和缓冲罐 通常取20分钟）， 受槽和缓冲罐（ 20分钟），气 钟），受槽和缓冲罐（通常取20分钟），气 液分离罐（通常取2 分钟）， ），液液分离罐 液分离罐（通常取23分钟），液液分离罐 一般储罐的容积用下列方式计算： 等，一般储罐的容积用下列方式计算： 容积=物料流量*停留时间（储存周期） 容积=物料流量*停留时间（储存周期）/装 料系数 装料系数的取值：易挥发液体物料为0.7 0.7 装料系数的取值：易挥发液体物料为0.7 0.75；不易挥发液体物料为0.75 0.85。 0.75 0.75；不易挥发液体物料为0.750.85。 计算出容积后， 计算出容积后，根据需要选用不同型式的 储罐。从外形来分有球罐、 储罐。从外形来分有球罐、立式储罐和卧式 储罐等，一般储存量大的可采用球罐， 储罐等，一般储存量大的可采用球罐，但受 压力的制约。 压力的制约。 目前国内已有立式、 目前国内已有立式、卧式储罐和球罐的系 列标准，可供我们选择。 列标准，可供我们选择。 3.3.2.7 蒸发器 蒸发器的型式和结构互有差异， 蒸发器的型式和结构互有差异，但总的来说 它是由加热器与蒸发室（气液分离室） 它是由加热器与蒸发室（气液分离室）两个基 本部分组成。 本部分组成。应用最广泛的是管壳式加热元件 的蒸发器。 的蒸发器。 蒸发设备的选型是蒸发装置设计首先要考虑 的问题， 的问题，在选型时应优先考虑采用传热系数高 的型式，但料液的物理、化学性质常常限制它 的型式，但料液的物理、 们的使用，因此在选用时， 们的使用，因此在选用时，需要考虑的因素有 以下几个方面： 以下几个方面： （1）料液性质：包括料液组成、粘度变化范 ）料液性质：包括料液组成、 热稳定性、发泡性、腐蚀性、是否易结垢、 围、热稳定性、发泡性、腐蚀性、是否易结垢、 结晶、是否有固体悬浮物等。 结晶、是否有固体悬浮物等。 （2）生产要求：包括处理量、蒸发量、料液 ）生产要求：包括处理量、蒸发量、 进出口浓度、温度、 进出口浓度、温度、安装场地的大小和厂房高 设备投资限额、要求连续还是间歇生产等。 矮、设备投资限额、要求连续还是间歇生产等。 （3）公用工程条件：包括可以利用的热源情 ）公用工程条件： 供电情况以及能利用的冷却水的水量、 况、供电情况以及能利用的冷却水的水量、水 质和温度等。 质和温度等。 各种型式的蒸发器选型参考见表7.4.36（P 各种型式的蒸发器选型参考见表 （ 555)。 。 蒸发器的设计要考虑传热、 蒸发器的设计要考虑传热、气液分离和能量合理利 用三个主要方面。 用三个主要方面。 （1）传热方面应考虑在最小传热表面积下传递给溶液 尽可能多的热量， 尽可能多的热量，传热的热阻主要来自溶液在壁面析盐 结垢的阻力，这是选择蒸发器型式、 结垢的阻力，这是选择蒸发器型式、决定其尺寸与造价 的主要因素。 的主要因素。 气液分离方面应考虑在达到所需要求的前提下， （2）气液分离方面应考虑在达到所需要求的前提下， 设备结构尽量简单。 设备结构尽量简单。 能量的合理利用应注意到蒸发所需的热量， （3）能量的合理利用应注意到蒸发所需的热量，包括 料液预热、分离液态溶刮与固态溶质所需的热量（ 料液预热、分离液态溶刮与固态溶质所需的热量（溶解 热的反效应）溶剂气化所需的热量。 热的反效应）溶剂气化所需的热量。通常溶剂气化所需 的热量为最高。而溶解热反效应热因很小可忽略不计。 的热量为最高。而溶解热反效应热因很小可忽略不计。 3.3.2.8 干燥器 由于被干燥的物料种类繁多，性质不同， 由于被干燥的物料种类繁多，性质不同，要 求各异，故不可能有万能的干燥器， 求各异，故不可能有万能的干燥器，只能选择 最佳的干燥方法和干燥器型式、 最佳的干燥方法和干燥器型式、干燥器选择首 先要确定或测定被干燥物料的特性， 先要确定或测定被干燥物料的特性，进行干燥 试验，确定干燥动力学和传迸特性， 试验，确定干燥动力学和传迸特性，以证明所 选的是否适用，然后确定干燥设备的工艺尺寸， 选的是否适用，然后确定干燥设备的工艺尺寸， 进行成本核算，最后确定干燥器的型式。 进行成本核算，最后确定干燥器的型式。若几 种干燥器同时适用时，要同时进行干燥试验， 种干燥器同时适用时，要同时进行干燥试验， 核算成本及方案比较，最后选择其中最佳者。 核算成本及方案比较，最后选择其中最佳者。 3.3.3 设备材质的选择 由于化工生产的原料、 由于化工生产的原料、产品及其工艺路线 的多样化， 的多样化，而使化工设备所需的材质也多 样化，为满足工艺生产的需要。 样化，为满足工艺生产的需要。工艺专业 应根据介质的腐蚀性质、 应根据介质的腐蚀性质、材质机械性能及 使用要求、设备的工作温度、 使用要求、设备的工作温度、工作压力并 结合已有工厂实际生产使用的情况加以选 提出我们的要求。 择，提出我们的要求。 3.3.4 压力容器的设计分类及工艺设备 的特殊制造要求 3.3.4.1 压力容器的设计分类 见表7.4.5 7.4.5（ 见表7.4.5（P557) 3.3.4.2 工艺设备的特殊制造要求 工艺应根据工艺生产中对某些设备有 特殊制造要求的提出我们的要求。 特殊制造要求的提出我们的要求。 4、工艺流程图（PFD) 工艺流程图（ PFD是工程项目设计的一个指导性文件 是工程项目设计的一个指导性文件， PFD是工程项目设计的一个指导性文件，是 化工工艺设计的一个主要设计文件， 化工工艺设计的一个主要设计文件，它是各 有关专业开展工作的依据之一。 有关专业开展工作的依据之一。 PFD是从工艺方案 是从工艺方案（ PFD是从工艺方案（即经过工艺流程优化和 工艺设备选择） 工艺设备选择）过渡到化工工艺流程设计的 重要工序之一。 PFD的设计过程中要完成的 重要工序之一。在PFD的设计过程中要完成的 主要工作： 主要工作： （1）工艺流程设计 （2）操作参数的确定 （3）全系统的物料、热量衡算 全系统的物料、 一般进行全系统不同方案的流程模拟计算， 一般进行全系统不同方案的流程模拟计算， 找到更合理的优化的工艺操作条件， 找到更合理的优化的工艺操作条件，从而可 以修改某些不合理的操作条件， 以修改某些不合理的操作条件，提供全流程 的物料热量平衡数据。 的物料热量平衡数据。 （4）主要控制方案 （5）设备工艺尺寸的计算 PFD中体现的主要设计内容 中体现的主要设计内容： 4.1 PFD中体现的主要设计内容： （1）反映出工艺物料所经过的全部设备 （2）主要物料的管道及相关的阀门 （3）物料的走向及相关的参数 （4）标出特殊阀门的位置 （5）反映出主要控制点 （6）公用系统物料用户的进出位置 （7）图例及图面上必要的说明和注解 4.2 单元设备的典型设计 一个化工工艺设计工程师只有掌握各 种单元设备的典型设计， 种单元设备的典型设计，根据工艺流程 和工程项目的特殊要求， 和工程项目的特殊要求，再结合以往积 累的工程经验，方可进行单元设备设计。 累的工程经验，方可进行单元设备设计。 5、设备设计压力和设计温度的确定原则 5.1 设备设计压力的确定 设备的设计压力是设备强度设计的主要依据，因此， 设备的设计压力是设备强度设计的主要依据，因此，在 确定设备设计压力时， 确定设备设计压力时，应在满足设备长周期安全生产 的基础上，做到既经济又合理。 的基础上，做到既经济又合理。 设备设计压力确定的原则是不仅要考虑该设备的工 作压力，还要考虑系统的工作压力， 作压力，还要考虑系统的工作压力，以此确定其最高 工作压力。 工作压力。 最高工作压力对于承受内压的容器是指正常使用过 程中其顶部可能出现的最高压， 程中其顶部可能出现的最高压，对于承受外压的容器 是指在正常使用过程中其顶部可能出现的最高压力差 值；对于夹套容器是指夹套顶部可能出现的最高压力 差值。 差值。 设备设计压力确定的原则可见表7.6.1 7.6.1“设备设计压力 设备设计压力确定的原则可见表7.6.1 设备设计压力 一览表” P561)。 一览表”（P561)。 在依据表7.6.1确定了设备的设计压力 在依据表7.6.1确定了设备的设计压力 7.6.1 还要根据该设备在系统中的情况， 后，还要根据该设备在系统中的情况， 结合系统前后的管道压力降或静压头， 结合系统前后的管道压力降或静压头， 才能得到该设备可靠的设计压力。 才能得到该设备可靠的设计压力。有关 这方面的内容可参考 “化工装置工艺 系统工程设计规定（ 系统工程设计规定（二）” 和 “ 石 油化工设计手册（第四卷） 油化工设计手册（第四卷）” 。 5.2 设备设计温度的确定： 设备设计温度的确定： 工艺专业经传热计算或参考同类装置相同设备的操 作条件，确定该设备的工作温度， 作条件，确定该设备的工作温度，同时还要考虑容 器内部介质在工作过程中可能出现的最高温度。 器内部介质在工作过程中可能出现的最高温度。 （1）容器内介质用蒸汽直接加热（如加热盘管） 容器内介质用蒸汽直接加热（如加热盘管） 或被内置加热元件（如电热元件）间接加热时， 或被内置加热元件（如电热元件）间接加热时，设 计温度取受热介质的最高工作温度。 计温度取受热介质的最高工作温度。 容器内介质间接加热或冷却时， （2）容器内介质间接加热或冷却时，设计温度根 据表7.6.2 选取。（P562）。 7.6.2。（P562 据表7.6.2-1选取。（P562）。 (3)容器壁与介质直接接触且有外保温时 容器壁与介质直接接触且有外保温时， (3)容器壁与介质直接接触且有外保温时，设计温 度根据表7.6.2 选取。（ 7.6.2。（P562) 度根据表7.6.2-2选取。（P562) 安装在室外且为液体介质，器壁不保温， （4）安装在室外且为液体介质，器壁不保温，壁 温受环境温度影响可能小于等于温受环境温度影响可能小于等于-20C时，其最低 工作温度应考虑建厂地区环境温度的影响。 工作温度应考虑建厂地区环境温度的影响。 6. 过程控制方案的确定 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。 （1）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， （2）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。 杂的控制系统。 （3）要明确被控制的对象，例如:温度、压力、流量、 要明确被控制的对象，例如:温度、压力、流量、 液位、转化率、组成等。 液位、转化率、组成等。 寻找对控制对象起主导作用的调节手段。 （4）寻找对控制对象起主导作用的调节手段。 控制方法：就地、集中、 （5）控制方法：就地、集中、自调等 要考虑安全要求，例如：报警、联锁、 （6）要考虑安全要求，例如：报警、联锁、紧急停车 等. 6.2 过程控制的分类 6.1.1简单控制系统 6.1.1简单控制系统 简单控制系统是生产过程中最常见、应用最广泛、 简单控制系统是生产过程中最常见、应用最广泛、数 量最多的控制系统。它是由被控对象、测量变送单元、 量最多的控制系统。它是由被控对象、测量变送单元、 调节器和执行器组成的单回路控制要求。 调节器和执行器组成的单回路控制要求。简单控制系统 结构简单，投资少，易于调整和投运， 结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产 过程的控制要求，因而应用广泛。 过程的控制要求，因而应用广泛。按被控制的工艺变 量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位、 量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位、化 学成分。 学成分。 6.2.2复杂控制系统 6.2.2复杂控制系统 单回路简单控制系统能解决化工厂大部分的控制 问题，但是它们有一定的局限性。 问题，但是它们有一定的局限性。这些局限性主要表 现在它们只能完成定值控制，功能单一； 现在它们只能完成定值控制，功能单一；对纯滞后较 出现干扰多而剧烈的对象,控制质量较差; 大，出现干扰多而剧烈的对象,控制质量较差;对各个 过程变量内部存在相关的过程, 过程变量内部存在相关的过程,控制系统相互之间会出 现干扰等。因此在简单控制系统的基础上, 现干扰等。因此在简单控制系统的基础上,又发展了众 多的复杂控制系统, 多的复杂控制系统,现将后面举例中出现的复杂控制 系统简要介绍如下: 系统简要介绍如下: (1)串级控制系统 (1)串级控制系统 它的特点是两个调节相串联, 它的特点是两个调节相串联,主调节器的输出作 为副调节器的给定, 为副调节器的给定,适用于时间常数及纯滞后较 大的对象。 大的对象。 (2)比值控制系统 (2)比值控制系统 它可以控制两个或两个以上的物料流量保持一 定的比值关系。 定的比值关系。 (3)均匀控制 (3)均匀控制 它可以控制两个有关的变量, 它可以控制两个有关的变量,例如精馏塔塔釜的 液位和塔底的出料流量,使它们都呈缓慢的变化, 液位和塔底的出料流量,使它们都呈缓慢的变化, 以缓和供求的矛盾并使后续设备的操作较为平 稳。 (4)分程控制 (4)分程控制 由一个调节器去控制两个或两个以上调节阀, 由一个调节器去控制两个或两个以上调节阀,可 应用于一个被控变量需要两个以上的操纵变量 来分阶段进行控制的场合。 来分阶段进行控制的场合。 (5)前馈控制系统