化工工艺设计

1、化工工艺设计讲座，1 .概括化工技术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，化工技术设计都关系到化工装置能否顺利运行，能否达到预期的生产能力和合格产品，最终工厂能否获得最大的经济效果。 对运行中的化工装置，化工技术专业通过技术分析，了解装置的材料和能源消耗情况，分析设备运行中存在的问题，制定改进方案，为降低原料和能源消耗，提高产品质量，挖掘生产潜力提供依据。 因此，化工技术设计者必须具备以下基本条件： 1.1掌握化工基本理论1.2掌握化工技术设计方法和技能(1)了解技术设计的任务、设计范围、技术设计者的职责。 (2)掌握化工基本理论的应用；(3)熟悉设

2、计基本程序和相关专业的基本知识；(4)明确技术设计完成文件的内容和深度和技术设计的质量保证程序。 1.3掌握生产、停车的基本知识、分析生产事故的能力和相应的实践经验。 精通劳动安全卫生、消防、环境保护等相关法规。 与技术设计相关的上述各方面的法规是建筑设计防火规范GBJ6-87(2001年版)石油化工企业设计防火规范GB50160-92(1999年版) 、爆炸和危险环境电力装置设计规范GB50058-92化工企业安全卫生设计规范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范HG20667-1986石油化工企业环境保护设计规范SH3024-95

3、 1.5是一定的工作经验2、技术设计基础数据，2.1工程设计合同中明确规定，业主应提供的相关数据。 (1)装置的设计能力、操作弹性和年操作日；(2)产品方案及产品、副产品的规格；(3)工厂建设地区的气象、水文、地质等条件；(4)能够提供的公共工程包括水、电、蒸汽、气体等规格、数量和边界区域的条件；(5)原材料、催化剂、化学物质等规格； 消费指标和进界区条件，2.2特许商提供：除了上述特许商的相关数据外，特许商还需要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。 3.1概况：技术专业从项目前期可行性研究阶段作为主要专业参加编制，贯穿工程设计阶

4、段。 工程设计阶段分为以下阶段： (1)根据国内的审查要求，初步设计(认可后建设部门可以开工)设计图设计，3，技术设计的内容和深度，(2)根据国际惯例，技术设计(主导化工技术专业的专业)基础设计(主导化工技术系统专业的专业) 详细设计(主导管道设计专业)建设部门完成项目前期工作后，设计部门可以开展项目的工程设计工作。 工程设计阶段的技术设计以被认可的可行性研究报告书及其认可文、整体设计及其认可文、工程设计合同和设计基础资料为基础。 3.2流程设计的内容和深度3.2.1流程设计的依据是批准的可行性研究报告、总体设计、工程设计合同和设计基础资料。 制定合适的工艺流程，其原则是选择先进可靠的工艺技术

5、课程，进行方案比较，优化方案，确定合理的工艺流程方案，选择合适的工艺设备，在考虑工艺流程方案时，同时考虑废弃物的综合利用方案和必要的对策进行工艺材料和热平衡计算，制作工艺流程图(PFD )，制作工艺设备数据表和公共工程平衡图，确定公共工程、环保设计原则和排放物管理的基本原则。在技术设计过程中，技术专业提出外部专业和条件，条件表作为重要的技术文件，是主导专业设计的初步成果，也是接受专业设计的依据。 3.2.2流程设计文件包括三个内容： (1)文本说明(流程说明) (2)图纸(3)表。 以下介绍流程设计的主要工作：3.2.2.1文字说明(流程说明) (1)流程设计的范围(2)设计基础：生产规模、产

6、品方案、原料、催化剂、化学品、公共工程燃料规格、产品和副产品规格(3)流程说明：生产方法、化学原理、流程描述主要设备特征(4)生产过程的主要危险、危害因素的分支(5)原料、催化剂、化学物质及燃料等的消耗分配及消耗量(6)公共工程(包括水、电、蒸汽、脱盐水、冷冻、过程7空气、仪表空气、氮气)规格、消耗分配及消耗量(7)三废排出：排出场所、排出量、排出组成及(9)安全备忘录(另册) :化工生产多涉及易燃、有毒有害物质，为了装置稳定安全运行，确保人身安全，减少事故和危害的发生，减少经济损失，技术设计通常需要制作安全备忘录。 它是技术系统、配置和管道设计、仪表、电、总图运输、采暖通凤、土建、环境保护、

7、消防等相关专业开展设计依据之一。 简要说明装置的安全特征， 1 )生产过程中危害人体和安全生产的危险介质的物理性质和燃烧、毒性、爆炸等化学性质，如燃点、闪点、形成空气和爆炸性混合物的上下限、工作场所空气中的允许浓度、储藏要求， 有必要重点论述对人身的危害等特征和简单的急救措施；2 )说明接触危险介质的设备和管道的密封、氮密封和维护清洗要求等生产过程中存在的潜在危险；3 )处理装置的火灾危险类别、容易发生火灾危险的区域和建议的消防措施； 例如设置化学消防、消防栓、灭火器等4 )有毒有害气体危害大的区域的换气范围、换气形式及换气次数5 )整体图的配置和设备配置的要求和建议6 )可燃性气体和有毒气体

8、的泄漏检测器、防腐、防静电、事故照明、安全淋浴和洗眼器、防毒、防尘对策和防护工具等相关建议、事故(10 )技术风险备忘录(通常是公司内部使用，另册)主要说明新技术、新技术、新设备、新材料等方面可能发生的风险和实现装置性能指标的技术风险。 提出风险预防和解决的建议和措施。 (11 )操作指南(通常是内部使用，另册)是制作过程生产操作指南的指导文件。 也是工艺系统、管道专业设计的重要依据。 操作手册是对装置停止操作、正常生产、事故处理等操作时应注意的问题的总结说明，通常包括生产装置的机组和各机组的主要生产工序和基本原理和必要的设备，其主要内容为：1，1 )本装置的生产原理、原料和产品的名称和特性。

9、 a .装置操作的危险性和安全规程b .推荐的主要安全设备2 )程序流程说明a .程序流程说明B.2 )程序流程说明3 )原料和公共工程技术规格4 )产品质量管理指标5 )程序的控制指标和控制方法6 )采样分析方法7 )停车和操作中的不良情况和对策a .运行步骤b .正常停止步骤8 )报警联锁系统，3.2.2.2图纸(1) PFD:是PID的设计依据，用于基础设计(通常按修订深化)的所有工艺设备，主要材料管道(表示流动方向、材料编号)，主要控制电路，联锁计划，热和后面将详细叙述。 (2)提案设备配置图：以总图配置、装置配置为依据，用于基础设计(通常是平面配置图)按工艺流程的特征和要求进行配置。

10、 (3) PCD:通常设计院内部的设计构成文件出现在最终版PFD上(通常由自习专业完成)，3.2.2.3表(1)材料平衡表：物流组成、温度、压力、状态、流量、密度、焓值、粘度等理化常数(热负荷显示在此表或PFD图中工艺设备数据表：根据设备的形式不同，作用和介质的差异可分为容器、塔、换热器、工业炉、机械泵、搅拌机等。 工艺设备数据表需要表示设备编号、介质名、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、特殊要求。 (各设计院有各种规定的表) (3)工艺设备一览表(4)抽样点统计表，(5)装置边界条件表：生产装置和外部原材料计、公共工程等互供关系，数量及在边界区域交接

11、情况的重要文件，包括必要的原材料、公共工程、产品、副产品等边界区域的条件。 3.2.2补充说明：化工技术专业还需要参加前期工作，主要前期工作是：项目建议书：可行性研究报告的工作。 项目报价单：投标书、技术文件制作工作导入项目：包括报价单、投标书的审查、合同技术附件谈判。 大中型联合装置整体的计划设计。 3.3工艺设计方案的优化在工艺设计中，首先遇到的是选择合适的工艺路线，那是原料路线和工艺路线的选择，也就是我们经常说的工艺设计方案的优化。 优化的技术设计方案如下： (1)具有良好的经济效益和社会效果： (2)技术先进应用： (3)生产安全、可靠性，并具有良好的环保措施，公共工程、交换网络、分离

12、系统、反应系统、3.3.1技术流程方案优化“。 从图中可以直观地表明反应系统的开发和设计是核心，为分离系统规定了处理材料的条件，反应和分离系统规定了过程的冷、热物流的流量和热交换的热负荷，最后是公共工程系统的选择和设计。 “洋葱头”模型强调了流程开发和设计的秩序和层次性质，也表示了反应和分离系统的开发很重要，因此流程方案的优化主要集中在反应和分离系统的优化上，确定了反应和分离系统的设计，热交换网络和公共工程系统关于史密斯和林霍夫提出的“洋葱头”的设计开发概念，其步骤如下： (1)根据经验法则初步建立了反应和分离系统的流程。 (2)改变主要设计优化变量，如反应转化率、惰性物质循环浓度等，确定各组

13、变量：1)在反应和分离系统中主要设备投资和原材料消耗2 )利用夹点分析法，确定热交换网络和公共工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的关系。 其总费用是：1)将系统中的主要设备的投资费用与反应分离；2 )原材料消费和热交换网络和公共工程以外的反应和分离系统的操作费用；3 )热交换网络和公共工程消耗的各种操作费用。 (4)确定最佳条件，优化全流。 (5)对其他替代过程重复上述步骤，最后比较各过程的总费用，获得最佳过程。 3.3.1.1反应工艺的优化反应工艺的优化需要考虑的问题很多，问题复杂。 例如反应动力学、反应收率、催化剂特性、反应履历、反应路径。反应器的最佳操作条件如何

14、保证反应温度、反应压力、混合要求、热交换要求、各材料的配比、规定条件下的生产成本等？ 在实际工业生产中，为了实现高效率、高选择和要求产量，通常组合相同或不同类型的反应器，常见的反应器组合及其应用范围如表7.4.2所示(P544) 3.3.1.2的反应物分离方法多为混合物根据反应产物物性的不同，可以采用不同的分离方法，(1)对气国相混合物可以采用干式法收集、湿式洗涤、纤维过滤、静电堆积荨麻疹分离方法，(2)对固相混合物进行筛分、分级分离方法，(3)对固液相混合可以采用沉降、离心、压缩、压缩可以采用干燥、蒸发、结晶等分离方法(4)对液相混合物可以采用吸收、提取、渗透、蒸馏、精馏等分离方法(5)对气

15、液相混合物可以采用蒸发、闪烁、部分凝结、精馏等分离方法(6)对气相混合物可以采用吸收、蒸馏、精馏等分离方法3.3.1.3某分离方法的优化，(1)精馏过程的优化精馏过程需要分离r成分时，需用R-1个精馏塔。 精馏优化需要考虑哪些成分是主产品，哪些成分支付产品，产品的规格要求。 精馏过程的优化法1 ) :启发式，主要规则如下：优先使用普通精馏。 请尽量避免减压操作和使用冷量。 请将产品数量控制在最小。 请优先区分腐蚀性、危险性的成分。 难以分离的成分最后分离。 最大量的成分必须优先分类。 塔顶、塔釜产物最好等摩尔分离。 精馏过程的优化法2 :调整法精馏过程的优化法3 :数学规划法在确定精馏分离序列

16、后可优化各塔系，最佳目标为塔系设备费和操作费之和，即总费用最小化。 (2)蒸发过程的优化蒸发系统总是用单位蒸汽消耗量来评价能源的有效利用率。 蒸发类型有单效、双效、三效蒸发，效率越高，蒸汽单耗越低，但投资越高。 在同一工艺要求下，采用多重蒸发、热泵蒸发、多级闪速蒸发，除了考虑到技术因素外，单位蒸发量的总成本还起着主导作用。 强制循环蒸发在循环速度和功耗之间也存在最佳问题。 热泵蒸发在提高压缩比和外工作消耗之间也存在系统优化问题。 总的来说，蒸发过程的优化是找到投资和经常经费之间的最佳点。 3.3.2工艺设备的选择工艺设备的选择首先要满足工艺生产的需要，在工艺生产中表现出合理性和先进性，同时充分

17、注意使用中的安全性，确保生产连续稳定长期全运行。 充分发挥设备能力，达到经济运行。 3.3.2.1反应器反应器中进行的是化学反应过程，不仅是多种多样性质不同的化学反应，还伴随着传热、传递物质的物理过程。 因此，反应器的种类也多种多样，适合不同的反应。 (1)反应器的型号和特证，1 )搅拌槽：适用于液相、液液相、液固相。 其适用性大，操作弹性大，连续操作时温度浓度容易控制，产品质量均匀，但在高转化率下反应容积大。 2 )管式：适用于气相、液相。 反应器的容积小，比传热面大，但对慢反应，管长，电压降大。 3 )空塔或搅拌塔：适用于液相、液液相。 其结构简单，返回混合的程度与高径比和搅拌有关，轴向温差大。 4 )填充塔：适用于液相、气液相。 其结构简单，返回混合小，压降小，有温差，填充剂装卸麻烦。 5