《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。3.1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3、工艺设计的内容和深度（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。生产过程的主要危险、危害因素分折●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）规格、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)详见P539~P540●技术风险备忘录（通常为对内使用，另行成册）其主要说明新工艺、新技术、新设备、新材料等方面可能出现的风险以及实现装置性能指标可能出现的技术风险。并提出防范及化解风险建议和措施。●操作指南（通常为对内使用，另行成册）它是编制工艺生产操作手册的指导性文件。也是工芑系统、管道专业设计的重要依据，其主要内容详见7.P541~5427.3.2.18（1）~（8）节●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：可行性研究报告编制工作。●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公用工程换热网络分离系统反应系统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）●“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：反应和分离系统中主要设备的投资及原材料的消耗；利用夹点分析法确定换热网络和公用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之间的关系，其总费用包括：反应和分离系统中的主要设备的投资费：原材料消耗、反应与分离系统、换热网络和公用工程的各类操作费用。（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反应产物的分离方法大多数反应产物都是混合物，需要有物料分离过程。根据反应产物的物性差异可采用不同的分离方法，简述如下：（1）对于气国相混合物可采用干法收集、湿法洗涤、纤维过滤、静电沉积荨分离方法；（2）对于固相混合物可采用筛分、分级分离方法；（3）对于固液相混合可采用沉降、离心、压榨、过滤、干燥、蒸发、结晶等分离方法；（4）对于液相混合物可采用吸收、萃取、渗透、蒸馏、精馏等分离分法；（5）对于气液相混合物可采用蒸发、闪蒸、部分冷凝、精馏等分离方法；（6）对于气相混合物可采用吸收、吸附、膜分离等分离方法。3.3.1.3某些分离方法的优化（1）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）：数学规划法确定精馏分离序列后，可对每一塔系进行优化，最佳的目标应使塔系的设备费和操作费两项之和，即总费用为最小。（2）蒸发流程的优化蒸发系统常以单位蒸汽消耗量来评价能量的有效利用率。蒸发类型有：单效、双效、三效蒸发，效数越多，蒸汽单耗越低，但投资越高。在同样的工艺要求下，是采用多效蒸发、热泵蒸发，还是多级闪蒸，除考虑技术因素外，单位蒸发量的总成本起着主导作用。对于强制循环蒸发，其循环速度和耗电能之间也有一个优化问题。而热泵蒸发在提高压缩比和消耗外功之间也有一个系统优化问题。总的束说蒸发流程的优化，就是要找到在投资和经常运行费用之间的最佳点。●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或降液管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）使用安全性和寿命流体的性质对换热器类型的选择往往会产生重大影响，如流体的物理性质（如比热、导热系数、粘度）、化学性质（如腐蚀性、热敏性、结垢情况、是否有磨蚀性固体颗粒等因素，都对传热设备的选型有影响。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