化工施工图设计流程

/无论是开发新的化工生产过程，还是设计新的化工装置，化工工艺设计是干脆关系到化工装置能否顺当开车、能否达到预料的生产实力和合格的产品，最终关系到工厂能否获得最大的经济效益和社会效益。对于正在运行的化工装置,化工工艺专业通过工艺分析，了解装置物料和能量消耗状况,分析设备运行中存在的问题,为制定改进方案、降低原料和能量消耗、提高产品质量以及挖掘生产潜力供应依据。流程君今日举荐的这篇文章，更多是从全局上考虑工艺设计的各个方面，在涉及详细的微小环节时，各位可以参考文中标出的往届文章，做更细致的补充。一、概述要建设一个化工厂，必需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需具备下列基本条件。1.驾驭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)。2.驾驭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。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)。工艺设计的成品文件(内容及深度)。工艺设计的质量保证程序。3.熟悉环保、平安、消防等方面的法规HG20667-1986化工建设项目环境爱惜设计规定SH3024-95石油化工企业环境爱惜设计规范HG20571-95化工企业平安卫生设计规定SH3047-93石油化工企业职业平安卫生设计规范GBJ16-87(2001版)建筑设计防火规范GB50160-92(1999版)石油化工企业设计防火规范GB50058-92爆炸和紧急性环境电力装置设计规范【关于化工从业人员应具备的素养，举荐你看一篇流程君曾发过的推文：一个优秀的机械工程师须要具备的学问体系，请接着努力!】二、、化工建设项目阶段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：1.项目前期项目建议书→批准后即为立项可行性探讨报告→批准后即可绽开工程设计2.工程设计按国内审批要求分为：初步设计→批准后建设单位即可开工;施工图设计按国际常规做法分为：工艺设计、基础设计、详细设计。3.施工、安装、试车、性能考核及国家验收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：项目前期，工程设计，工程建设，工厂投入生产。【关于化工装置试车应留意的事项，举荐你看一篇流程君曾发过的推文：一表理清化工装置试车准备事项】三、工艺设计内容工艺设计的文件包括三大内容：文字说明(工艺说明)、图纸、表格。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：包括排放点、排放量、排放组成及建议处理方法装置定员平安备忘录(另行成册)技术风险备忘录(通常为对内运用，另行成册)操作指南(通常为对内运用，另行成册。供工艺系统、配管等专业运用)2.图纸PFD：是PID的设计依据，供基础设计运用(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)、主要限制回路、联锁方案、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，供基础设计运用(通常为平面布置图)。依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过程文件、最终体现在终版PFD中(通常由自控专业完成)。3.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、粘度等理化常数(热负荷表示在此表中或PFD图上)。工艺设备数据表：依据设备形式不同、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)。工艺设备表。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、公用工程、产品、副产品、进出界区条件等)。4.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。【关于如何做工艺包，举荐你看流程君曾发过的微课合集，系列微课讲地特殊全面：微课L29|我是怎样做工艺包的：总结及补充说明(完结篇)】四、工艺设计方法1.工艺路途的选择需考虑的因素：原料来源，经济效益和社会效益(生产成本)，环境爱惜，其它如操作条件、平安、消防、投资、工艺先进性，可行性及合理性看法等。2.工艺流程方案优化“洋葱头”模型(由史密斯、林霍夫供应的模型)从图中可以看出设计的核心是反应系统的设计和开发。“洋葱头”模型强调过程开发和设计的有序和分层性质。▲反应流程优化反应流程优化须要考虑的问题较多，问题困难。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。▲精馏流程的优化精馏流程如须要分别R个组份，就须要有R-1个精馏塔。精馏优化须要考虑：哪种组份为主产品，哪种组份为付产品及产品的规格要求。精馏流程的优化法1)：摸索法，主要规则如下：优先运用一般精馏。尽量避开减压操作和运用冷量。产品数应最少。腐蚀性、紧急性的组份应优先分出。难分别的组分最终分出。最大量组份应优先分出。塔顶、塔釜产物最好等摩尔分别。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▲蒸发流程的优化单效、双效、三效蒸发。热泵蒸发、膜式蒸发。多级闪蒸。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.工艺设备的选择▲反应器反应器的选择要依据物料性质、稳定性、反应困难性、产品规模、反应时间、温度、压力等因素综合考虑。▲气液传质设备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U形流，单溢流，双溢流等2)填料塔：拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。散堆、规整填料。实体填料、丝网填料。以上传质设备的选择要依据分别难易程度、压降大小、真空(热敏性物料)、物料性质、投资状况、腐蚀状况、物料清洁状况、平安要求、弹性大小、发泡等状况选择。▲传热设备按功能分：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：接受二物流换热的换热器从结构上分有以下5种型式A.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、水纹板式)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，两流体温差不易大于120℃。B.浮头式换热器：该换热器壳程易清洗，但内垫片易渗漏，适用于须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、安装便利，造价较低，管程耐高压，但结构不紧凑。适用于高温顺高压的场合，且管内流体必需干净。D.板式换热器板翅式：紧凑、效率高、可多股物料同时换热。运用温度不大于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：制造简洁、紧凑、易清洗，运用温度不大于150℃，运用压力不大于0.12MPa。水纹板式：紧凑、效率高、易清洗，运用温度不大于150℃，运用压力不大于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50～65℃，并允许有确定的波动范围(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入口温度之差)至少大于15℃。e.管内给热系数小于2325.6W/(m2.K)。f.冷却水的污垢系数大于0.0002(m2.K)/W。g.水源较远，取水费用大。h.热流体的凝固点较低(小于0℃)。▲化工用泵依据物料性质、物料的腐蚀性、易燃易爆、有毒、高温、高压、低温、粘度大小、挥发性、固体颗粒等因素综合考虑，此外还要考虑泵的平安性、牢靠性和密封等要求。▲容器(储罐)依据物料性质、物料的腐蚀性、易燃易爆、有毒、高温、高压、低温、粘度大小、挥发性、固体颗粒等因素综合考虑。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和工厂对外运输有很大关系，中间产品储存和该中间产品的前后装置生产状况有很大关系，例如要考虑前后装置生产周期、正常开停车及事故停车状况确定储存量的多少。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须要的储罐，通常有回流罐(停留时间取5～10分钟)，受槽和缓冲罐(通常取20分钟)，气液分别罐(通常取2～3分钟)，液液分别罐等。五、工艺设计工作程序【关于设计工作流程图，举荐你看一篇流程君曾发过的推文：工程公司设计工作流程图，值得保藏!】六、设备设计压力和温度的确定1.设备设计压力的确定▲适用范围1)压力容器的设计压力0.1MPa(G)≤设计压力≤35MPa(G)真空度高于2kPa(200mmH2O)2)常压容器的设计压力设计压力低于0.1MPa(G)真空度低于2kPa(200mmH2O)设备设计压力一览表，见下图。▲设备设计压力确定的原则1)设备的设计压力是设备和管道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平安生产的基础上，做到既经济又合理。2)设备设计压力的确定不仅依据其正常工作状况下，容器顶部可能达到的最大压力，还应考虑该设备所处的系统附加条件(如系统压力变更、平安阀在系统中相对位置对设计压力的影响等状况)来确定该设备的设计压力。3)对承受多种不同工况的设备，如某些反应器要适应吹扫、试压、升温还原、化学反应、催化剂再生等多种化工过程的多种工作条件的变更，则该类设备设计压力应向设备专业说明各阶段工作压力及工作温度相应变更的状况。4)低压下蒸汽表面冷凝器按全真空条件设计。5)对下述特殊状况的设备,应依据详细状况,按特殊要求确定其设计压力。1.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)容器内介质用蒸汽干脆加热(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，设计温度依据下表选取。(3)容器壁和介质干脆接触且有外保温时，设计温度依据下表。(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-20°C时，其最低工作温度应考虑建厂地区环境温度的影响。七、过程限制方案的确定1.原则保证装置运行的平稳、生产平安、限制简洁适用。用单回路简洁限制系统可以解决的，决不要用困难的限制系统。2.过程限制的分类▲温度限制系统温度限制实质上是一个传热的限制问题。例如在限制换热器加热(或冷却)介质的流入量或变更该介质的入口温度,限制被加热(或冷却)介质的出口温度;或者接受限制换热管浸没在液体中的换热面积,变更传热面积的手段,调整被加热介质的温度。▲压力限制系统1)气体压力气体压力和液位相像,它是系统内进出物料不平衡的度量,因而气体的压力限制不是变更流入量就是变更流出量。2)液体压力由于液体不行压缩性,因而液体的压力限制和流量限制特殊相像3)蒸汽压力常见的锅炉汽包压力限制,精馏塔、蒸发器压力限制,其实质上是传热的限制,系统蒸汽的压力就表征了热平衡的状况。所以在这类限制系统中它的特性在某些方面和温度限制有相仿之处。(4)液位限制系统一个设备或储罐的液位，表征了它的流入量和流出量之差的累积，在化工生产中,由于生产的连续性，所以液位限制是为物料平衡服务的，液位限制应完成。保持设备或储罐内的滞留量是在规定的高限和低限之内，使它们具有确定的缓冲实力;在每一种滞留量下，在绝大部分时间内保持入口流量和出口流量之间的平衡;通过容积的缓冲来保持前后工序负荷的平衡，在须要变更流量时，希望能逐步地、平滑地调整流量。(5)成分限制系统在生产现场中，出问题最多的往往是成分限制系统。成分限制系统的对象也是多容的,且时间常数大,纯滞后时间大。造成成分限制系统工作不良的缘由,还有分析器本身结构比较困难，取样系统和样品预处理部分工作不良，纯滞后过大等多方面的缘由。一般在选不到合适的成分分析器时，也可以接受间接的被控变量，如温度、温差等来代替。3.选用限制仪表的要求精确牢靠、灵敏度高、反应快速、滞后小、运用维护便利、价格便宜。4.典型化工单元的限制方案▲反应器反应限制的要求：1)使反应达到规定的转化率或产品达到规定的浓度。2)使处理量比较平稳。例如,在有物料循环的反应系统内,为保持物料平衡,应配置必要的帮助调整系统,如惰性物料的自动放空或解除等。3)为防止工艺参数进入紧急区或不正常工况,应配置一些报警、联锁或自动选择性调整系统,当工艺参数超出正常范围时发出信号,当接近紧急区域时,把某些阀门打开、切断或者保持在限定位置。反应限制方案：以反应转化率为限制变量，见下图。以反应工艺状态变量为限制对象，见下图。▲精馏精馏是常见的液液分别方法，精馏限制主要目的是达到规定的分别要求。主要变量有进料量、组成、温度、操作压力、冷却和加热介质、压力及温度的变换。精馏限制可分为：按精馏段指标的限制方案见下图。按提馏段指标的限制方案，见下图。塔顶压力限制方案，见下图。真空度限制方案，见下图。其它限制方案，见下图。▲传热设备限制载体的流量，见下图。限制传热面积，见下图。限制载体的气化温度，见下图。工艺介质旁路限制，见下图。▲流体输送设备离心泵限制方案，见下图。变更转速的限制方案，见下图。往复泵(位移式旋转泵)的限制方案，见下图。八、能耗计算目前人类面临的共同任务是爱惜资源、削减环境污染、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，因此合理运用能源，节约能源消耗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。常用的节能措施有以下几种：选择合适的反应压力或温度。提高反应转化率，削减副反应的发生：选择先进的反应器或反应流程，也可以接受选择性强、转化率高的催化剂。选择先进的工艺路途和原料路途。选取适宜的设备,优化操作条件,降低分别过程的能耗。选用高效设备和新型绝热材料，如包括选用效率高的机泵。重视废热回收和能量回收.在工艺全流程上要考虑热能的逐级利用，并且要避开冷热病。九、平安设施的设置在PID设计阶段中，必需和自控专业共同合作，设计必要的平安爱惜设施。对于化工装置、储运中紧急物料的平安限制是防火防爆最有效的措施之一。【关于化工工程设计中的平安设计，举荐你看流程君曾发过的一篇推文：化工工程设计中的平安设计，你知道怎么做吗?(上篇)，化工工程设计中的平安设计，你知道怎么做吗?(下篇)】1.厂区及各化工装置区内的平面布置消防设计，火灾报警系统应依据《石油化工企业设计防火规范》(GB50160-92)1999年修订版执行;化工生产装置、罐区的爆炸紧急区域的划分规范依据《爆炸和火灾紧急环境电力装置设计规范》(GB50058-92)执行;化工装置内、罐区及油品装卸区的防雷击、防静电系统应依据《建筑物防雷击设计规范》(GB50057-92)2000年版执行;厂区内各种建筑物的防火设计应依据《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)2001年版执行;对于有毒物料的处理过程设计应依据《工业企业设计卫生标准》(GBZ1-2002)执行。假如用户有要求，只要不违反上述主要标准，也可以按用户要求。为了平安牢靠的设计,在工程设计中要依据合同、项目的详细状况来参照执行适用的标准规范,在标准规范里找不到依据时,再辅以相应的设计手册和阅历数据。2.一般造成平安隐患的因素▲设备和机泵等出口堵塞几乎全部的容器、泵、压缩机、火焰加热炉或其它设备的出口都可能由于机械故障或人为事故而被堵塞。在这种状况下,泄放载荷通常是指泵、压缩机或其它流淌源在泄压条件下所产生的最大流量。▲火灾在化工厂中火灾是很难预料的事故之一，但这