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（0.6～0.8）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=(0.6～0.8)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：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、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50～65℃，并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1.1～1.15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1.05～1.1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）