化工工艺设计》讲座

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GB50160-92(1999年版）爆炸和危险性环境电力装置设计规范GB50058-92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SH3024-951.5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。（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(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（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。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=(0.60.8)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，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、最小和最大流量，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。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1.11.15倍。,（2）扬程：指工艺装置所需的扬程值，也称计算扬程。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，一般要求泵的额定扬程为装置所需扬程的1.051.1倍。（3）进口压力和出口压力：是指泵进出接管法兰处的压力，进出口压力的大小影响到壳体的耐压和轴封要求。（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、最低和最高温度。（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（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，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，压缩机则用于提高气体压力。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/cm2)且大于0.14715MPa(1.5Kg/cm2)的称为鼓风机；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，工艺参数是最重要的依据，应根据工艺流程和操作变化范围慎重确定。（1）气体组成：一般应按湿基提供。若气体组成有变化，宜按平均分子较大的组成提出(若不同组成的气量相同时）；（2）入口温度：应提出正常、最高和最低；（3）入口压力：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；（5）出口压力；（6）驱动机型式：主要是由电机驱动还是蒸气透平驱动，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；,（7）流量控制方式：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%流量。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，调节要求较高，同时该风机所处位置较重要，也有采用改变转速的方法。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。若是输送空气的，可采用出口放空简单的控制方式。,3.3.2.6容器（储罐）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、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，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，例如要考虑前后装置生产周期、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510分钟），受槽和缓冲罐（通常取20分钟），气液分离罐（通常取23分钟），液液分离罐等，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）/装料系数装料系数的取值：易挥发液体物料为0.70.75；不易挥发液体物料为0.750.85。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、立式储罐和卧式储罐等，一般储存量大的可采用球罐，但受压力的制约。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。,3.3.3设备材质的选择由于化工生产的原料、产品及其工艺路线的多样化，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。工艺专业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、工作压力并结合已有工厂实际生产使用的情况加以选择，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（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。,4、工艺流程图（PFD),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，它是各有关专业开展工作的依据之一。PFD是从工艺方案（即经过工艺流程优化和工艺设备选择）过渡到化工工艺流程设计的重要工序之一。在PFD的设计过程中要完成的主要工作：（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,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，从而可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。（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：（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）反映出主要控制点（5）公用系统物料用户的进出位置（6）图例及图面上必要的说明和注解,5、设备设计压力和设计温度的确定原则,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，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。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，以此确定其最高工作压力。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，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。5.1设备设计压力的确定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)。,5.2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，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。（1）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，设计温度取受热介质的最高工作温度。（2）容器内介质间接加热或冷却时，设计温度根据表7.6.2-1选取。（P562）。(3)容器壁与介质直接接触且有外保温时，设计温度根据表7.6.2-2选取。（P562)（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-20C时，其最低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。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。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。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。反应控制方案以反应转化率为控制变量见图7.7.3-1（P-564）。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。主要变量有进料量、组成、温度、操作压力、冷却和加热介质的压力及温度的变化。精馏控制可分为：按精馏段指标的控制方案见图7.7.3-3（P-566）按提馏段指标的控制方案见图7.7.3-4（P-567）塔顶压力控制方案见图7.7.3-5（P-568）真空度控制方案见图7.7.3-6（P-569）其它控制方案见图7.7.3-7（P-569）,6.4.3传热设备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）控制载体的气化温度见图7.7.3-10（P-571）工艺介质旁路控制见图7.7.3-11（P-571）6.4.4流体输送设备离心泵控制方案见图7.7.3-12（P-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)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、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，节约能源是每个化工工艺设计人员应尽的职责。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（T-H图）上，热流复合线位于冷流上方，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称为夹点温差。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：能量转换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。,7.3节能措施：7.3.1改变反应工艺条件，降低工艺能耗（1）选择合适的反应压力（2）选择合适的反应温度（3）提高反应转化率，减少副反应的发生可以采用选择合适的反应压力、反应温度，也可以选择先进的反应器或反应流程，也可以采用选择性强、转化率高的催化剂。（4）选择先进的工艺路线和原料路线。,7.3.2选取适宜的设备，优化操作条件，降低分离过程的能耗。7.3.3选用高效设备和新型绝热材料。（包括选用效率高的机泵）。7.3.4废热回收7.3.5在工艺全流程上要考虑热能的逐级利用，并且要避免冷热病。,8、与工艺设计相关的消防、劳动安全及环境保护的基本知识,8.1消防8.1.1火灾爆炸危险因素及预防措施8.1.2火灾危险性分类见表7.9.1-1（P578579)7.9.1-2(P579)8.1.3厂房的耐火等级、层数和占地面积见表7.9.1-3（P580)8.1.4防火间距,厂房的防火间距不应小于表7.9.1-4（P581)设备、建筑物平面布置的防火间距不应小于表7.9.1-5（P582)装置储罐与装置的防火间距不应小于表7.9.1-6（P583)罐区内相邻可燃液体地上储罐的防火间距不应小于表7.9.1-7（P583)液化烃、可燃气体、助燃气体的罐区内的防火间距不应小于表7.9.1-8（P584),8.1.5危险区域划分（1）按爆炸性气体混合物出现或释放源释放的频繁程度和持续时间的长短，可将爆炸危险区域划分为0区、1区、2区和非爆炸性危险区（2）存在爆炸性粉尘的环境的根据其出现的频繁程度和持续时间可划分为10区、11区爆炸危险区域和非爆炸性危险区域。8.1.6其他防火设计规定针对化工和石化行业分列了25条规定，详见P588591,8.2劳动安全卫生8.2.1工艺生产过程的常见危险因素及职业危害因素危险因素是指能对人