化工工艺设计基本要素

化学工艺设计的基本要素(适合初学者)1.概观1.1为了建设一个化工厂，必须有一批化学工艺专业人员和技术人员，他们必须满足以下基本条件。(1)掌握化学工业的基本理论，如化学热力学、流体力学、传热、传质和化学反应动力学(化学反应工程)。(2)掌握化工工艺设计方法和技巧工艺设计人员的任务、设计范围和职责。化工基础理论的应用(化工设计方法)。流程设计的基本流程(流程设计技能)。工艺设计的成品文件(内容和深度)。过程设计的质量保证程序。(3)熟悉环境保护、安全、消防等法律法规，如：HG20667-1986化工建设项目环境保护设计规定SH3024-95石油化工企业环境保护设计规范HG20571-95化工企业安全健康设计规定SH3047-93石油化工企业职业安全健康设计规范GBJ16-87(2001版)建筑防火设计规范GB50160-92(1999年版)石油化工企业消防设计规范GB50058-92爆炸和危险环境中电气装置设计规范(4)一定的工作经验1.2化工建设项目阶段1.2.1建设项目分为三个阶段，以工程公司为主体。项目前期：项目建议书项目审批可行性研究报告工程设计经批准后方可开工工程设计：根据国内审批要求，分为：初步设计建设单位审批后方可开工。施工图设计根据国际惯例，它分为基本设计和详细设计。施工、安装、调试、性能考核和国家验收(工厂验收后将投入正常运行)1.2.2建设单位是建设项目阶段划分的主体，通常分为四个阶段项目前期、工程设计、工程施工、工厂投产2.流程设计的内容和深度2.1工艺设计文件包括三个主要内容：文本描述(过程描述)、图纸和表格2.1.1文本描述(过程描述)1)工艺设计范围。设计依据：生产规模、产品方案、原材料、催化剂、化学品、公共工程用燃料规格、产品和副产品规格。2)工艺流程描述：生产方法、化学原理和工艺流程的描述。原材料、催化剂、化学品和燃料的配额和消耗量。3)消耗定额和公共工程消耗(包括水、电、蒸汽、脱盐水、制冷、工艺空气、仪表空气和氮气)。4)三废排放：包括排放点、排放量、排放成分和建议的处理方法5)安装定额6)安全备忘录(分册)7)技术风险备忘录(通常供内部使用并单独记录)8)操作指南(通常供内部使用，单独成书。专业使用工艺系统、管道等。)2.1.2图纸1)工艺设计文件：是工艺设计文件的设计基础，用于基础设计(通常通过版本深化)。包括所有工艺设备、主要物料管道(显示流向和物料编号)、主控制回路、联锁方案、加热和冷却介质以及工艺空气的进出口位置。2)建议的设备布置：它是基本设计的总布置和设备布置的基础(通常是平面布置)。根据工艺流程的特点和要求进行布局。3)产品设计文件：通常是设计院的内部设计过程文件，最终体现在最终产品设计文件中(通常由自控专业完成)。2.1.3表格1)物料平衡表：包括物料成分、温度、压力、状态、流量、密度、焓、粘度等物理和化学常数。(热负荷显示在该表或PFD图中)。2)工艺设备数据表：根据不同的设备形式、不同的功能和不同的介质，可分为容器、塔、换热器、工业炉、泵、混合器等。工艺设备数据表应注明设备编号、介质名称、操作压力、设计压力、操作温度、设计温度、材料、传动机构、外形尺寸、特征尺寸a5)设备界区条件表：通常由工艺系统专业完善并最终公布(包括原材料、公用工程、产品、副产品、进出界区条件等)。)。2.2补充说明：化工技术专业仍需参与前期工作。主要前期工作包括：项目建议书；可行性报告的编制。项目报价；投标文件和技术文件的编制。进口项目：包括询价、投标文件的评标、合同技术附件的谈判。大中型联合机组的总体规划和设计。3.工艺设计方法(基础化学理论的应用)3.1工艺路线的选择饲料来源经济和社会效益(生产成本)环境保护其他，如运行条件、安全、消防、投资、先进技术、可行性和合理性。3.2工艺流程方案优化(1)“洋葱”模型(由史密斯和里恩霍夫提供)从图中可以看出，设计的核心是反应系统的设计和开发。洋葱模型强调过程开发和设计的有序性和层次性。(2)反应过程的优化在反应过程的优化中有许多问题需要考虑，而且问题复杂。如反应动力学、反应产率、催化剂特性、反应过程和反应路线。反应器的最佳操作条件包括在给定条件下如何保证反应温度、反应压力、混合要求、热交换要求、物料比、生产成本等。(3)蒸馏过程的优化如果精馏过程中需要分离R组分，则需要R-1精馏塔。精馏优化需要考虑：哪个组件是主要产品，哪个组件是辅助产品。产品规格。精馏流程优化方法1):启发式方法，主要规则如下：普通精馏是首选。尽量避免减压操作和使用冷能。产品的数量应该最少。腐蚀性和危险成分应首先分开。难以分离的成分最终被分离。应首先分离最大量的组分。来自塔顶和塔底的产物优选等摩尔分离。蒸馏过程的优化2):优化方法蒸馏过程的优化3):数学规划蒸发过程的优化1)单效、双效和三效蒸发。2)热泵蒸发和膜蒸发。3)多级闪蒸。4)强制循环蒸发、自然循环蒸发。选择蒸发器类型(标准、悬挂框架、莱文、强制循环蒸发器)。3.3工艺设备的选择(1)反应器：连续1)均匀1)活塞流(管状)2)半连续2)非均相2)全混合釜(搅拌釜)3)间歇上述反应器的选择应根据材料性质、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。工业生产中不同类型反应器的应用见P-547。气液相反应器和固相反应器的使用见P-548。固体催化反应器的使用见表7.4.3-3(P-548)。(2)气液传质设备：1)板式塔：泡罩、浮阀、筛板等。板式塔内板式流体的流向分布类型可分为U型流、单溢流、双溢流等。2)填料塔：填料如拉西环、鲍尔环和力矩鞍环。散装和规整填料。固体填料、丝网填料。上传质量的设备选择应基于分离难度、压降、真空(热敏材料)、材料特性、投资、腐蚀、材料清洁、安全要求、弹性、发泡等。(见第549页)(3)传热设备：按功能：冷却器、冷凝器、加热器、换热器、再沸器、蒸汽发生器、过热器、余热锅炉等。根据结构类型，两股流换热器在结构上可分为以下五种类型：A.壳管式(固定管板式、浮头式、填料箱式、U型管式)B.板式(板翅式、螺旋板式、伞板式、波纹板式)C.管式(空气冷却器、套管式、喷射管式、套管式)D.液膜式(升膜式、刮膜式、离心式固定管板换热器，即两端管板与壳体连接成一体。由于壳程不容易检修和清洗，在选择固定管板换热器时，壳程流体应该是一种相对清洁和无污染的材料。当两种流体之间的温差较大(大于60)且两种流体之间的温差不可能大于120时，应考虑热补偿。B.浮头热交换器热交换器的壳侧容易清洁，但是内部垫圈容易泄漏，这适用于需要补偿热膨胀的热交换器。两种流体之间的温差大于120。C.u形管热交换器该换热器制造安装方便，成本低，管侧耐压高，但结构不紧凑。适用于高温高压场合，管道中的流体必须干净。D.板式换热器板翅式：紧凑，高效，多种材料同时换热。使用温度不超过150。螺旋板式：可用于有颗粒的物料，料位利用良好。检修起来不容易。伞板式：易于制造，结构紧凑，易于清洗，工作温度不超过150，工作压力不超过0.12兆帕波纹板式：紧凑、高效、易清洗，工作温度不超过150，工作压力不超过0.15兆帕E.空气冷却器的选择依据A.进气温度(即设计温度)低于38。b、热流体出口温度高于50 65，允许有一定的波动范围(3 5)。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和冷流体的入口温度之差)至少大于15。E.管内传热系数小于2325.6瓦/(平方米)。k)。F.冷却水的结垢系数大于0.0002 (m2.k)/wG.水源远，取水成本高。热流体的冰点相对较低(低于0)。(5)化学泵：根据材料性质、材料腐蚀性、易燃易爆、有毒、高温、高压、低温、粘度、挥发性、固体颗粒等因素，除考虑泵的安全性、可靠性和密封性要求外。1)容器(储罐):根据材料性质、材料腐蚀、易燃易爆、有毒、高温、高压、低温、粘度、挥发性、固体颗粒等因素。压力容器的分类见表7.4.5-5(P-557)。4.过程设计程序5.设备设计压力和设计温度的确定5.1压力：正常操作(工作)压力、最大工作压力和设计压力的选择温度：选择正常工作温度、最高工作温度和设计温度6.过程控制方案的确定6.1过程控制方案确定的原则确保装置平稳运行，安全生产，控制简单适用。它可以通过简单的单回路控制系统来解决，而不是复杂的控制系统。6.2过程控制的分类压力、温度、流速、液位、化学成分和物理性质数据6.3选择控制仪表的要求准确可靠、灵敏度高、响应快、滞后小、使用维护方便、价格低廉。6.4典型化工装置控制方案6.4.1反应(1)反应控制要求达到规定的转化率和产品浓度。吞吐量稳定。当出现异常工况时，可提供报警、联锁或自动选择性调节系统。(2)反应控制方案反应转化率的控制变量见图7.7.3-1(P-564)。反应过程状态变量的控制对象见图7.7.3-2(P-565)。6.4.2整改精馏是一种常见的液-液分离方法。精馏控制的主要目的是满足规定的分离要求。主要变量包括进料速度、成分、温度、操作压力、冷却和加热介质、压力和温度变化。整改控制可分为：基于精馏段指标的控制方案根据汽提段指标的控制方案塔顶压力控制方案真空控制方案其他控制方案6.4.3传热设备控制过程能量分析的常用方法包括夹点分析和三环节能量分析7.1夹点分析要优化的热交换网络在温度焓图(T-*)上用冷热流复合线表示，热流复合线位于冷流上方，冷热流复合线之间最短的垂直距离称为夹点，温差Tmin称为夹点温差。夹点分析方法应遵循三个原则：尽量避免热