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《化工工艺设计》讲座1.概述1.1要建设一个化工厂，必须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须具备下列基本条件。¾掌握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）。¾掌握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。¾熟悉环保、安全、消防等方面的法规，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化工企业安全卫生设计规定SH3047-93石油化工企业职业安全卫生设计规范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爆炸和危险性环境电力装置设计规范¾一定的工作经验1.2化工建设项目阶段1.2.1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¾项目前期项目建议书→批准后即为立项可行性研究报告→批准后即可展开工程设计¾工程设计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。施工图设计按国际常规做法分为：工艺设计基础设计详细设计¾施工、安装、试车、性能考核及国家验收（验收后工厂投入正常运行）1.2.2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¾项目前期¾工程设计¾工程建设¾工厂投入生产2.工艺设计的内容和深度2.1工艺设计的文件包括三大内容：¾文字说明（工艺说明）¾图纸¾表格2.1.1文字说明（工艺说明）¾工艺设计的范围。¾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。¾工艺流程说明：生产方法、化学原理、工艺流程叙述。¾原料、催化剂、化学品及燃料消耗定额及消耗量。¾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。¾三废排放：包括排放点、排放量、排放组成及建议处理方法¾装置定员¾安全备忘录（另行成册）¾技术风险备忘录（通常为对内使用，另行成册）¾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）22.1.2图纸¾PFD：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。¾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。¾PCD：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）。2.1.3表格¾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）。¾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）。¾工艺设备表¾取样点汇总表¾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）。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：¾项目建议书；可行性报告编制工作。¾项目报价书；投标书、技术文件编制工作。¾引进项目：包括询价书、投标书的评标、合同技术附件谈判。¾大中型联合装置总体规划设计。3.工艺设计方法（化工基本理论的应用）3.1工艺路线的选择¾原料来源3¾经济效益和社会效益（生产成本）¾环境保护¾其它，如操作条件、安全、消防、投资、工艺先进性，可行性，合理性。3.2工艺流程方案优化¾“洋葱头”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）公用工程换热网络精馏系统反应系统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。¾反应流程优化见表-7.4.2（P-544）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。¾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：那种组份为主产品，那种组份为付产品。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。4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¾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工艺设备的选择¾反应器：1）连续1）均相1）活塞流（管式）2）半连续2）非均相2）全混釜（搅拌釜）3）间歇以上反应器的选择要根据物料性质、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。不同类型的反应器在工业生产中的应用情况见P-547。气液相反应器及固相反应器的使用情况见P-548。固体催化反应器的使用情况见表7.4.3-3(P-548)。¾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：a拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。b散堆、规整填料。c实体填料、丝网填料。以上传质设备的选择要根据分离难易程度、压降大小、真空（热敏性物料）、物料性质、投资情况、腐蚀情况、物料清洁情况、安全要求、弹性大小、发泡等情况选择。(见P-549)¾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、5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℃。6e.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℃)。¾化工用泵：根据物料性质、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，此外还要考虑泵的安全性、可靠性和密封等要求。见表7.4.5-3（P-553）¾容器（储罐）：根据物料性质、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。压力容器分类见表7.4.5-5（P-557）。4.工艺设计工作程序7化工工艺接受设计条件消化资料确定设计基础展开工艺设计提出相关设计条件完成工艺设计成品文件基础设计、详细设计跟踪服务设计完工报告项目经理项目建议书可研报告专利及专有技术资料装置平面图开工报告工艺设计，基础设计数据有关会议纪要合同文件产品方案设计规模工艺路线操作弹性年操作时间产品和付产品规格原料、催化剂规格公用工程规格界区条件工艺设备数据表三废排放量及建议处理方法原料、公用工程消耗建议布置图确定公用系统方案UFD设备表工艺计算：物料、能量、设备确定工艺流程方案初版PID（A版）安全分析危险区划分安全生产职业卫生文字说明物性数据工艺说明书图纸PFD图物料平衡表建议布置图表格界区条件表工艺设备数据表设备表取样点汇总表采暖、通风、空调条件电信条件建、构筑物特性条件公用工程条件表消防条件配管条件操作原则安全规程指南三废排放一览表分析化验条件取样条件表取样点汇总表设备条件工艺设备数据表自控条件工艺控制联锁报警电气条件危险区划分特殊电气要求电气联锁报警总图条件建议布置图5.设备设计压力和设计温度的确定5.1压力：¾正常操作（工作）压力¾最高工作压力设计压力的选取见表7.6.1“设备设计压力一览表”（P-561）。5.2温度：8¾正常操作温度¾最高操作温度设计温度的选取见表7.6.2“设备设计温度选取表”（P-562）。6.过程控制方案的确定6.1过程控制方案确定的原则¾保证装置运行的平稳、生产安全、控制简单适用。¾用单回路简单控制系统可以解决的，决不要用复杂的控制系统。6.2过程控制的分类¾压力¾温度¾流量¾物位¾化学成分和物性数据6.3选用控制仪表的要求¾准确可靠¾灵敏度高¾反应迅速¾滞后小¾使用维护方便¾价格便宜6.4典型化工单元的控制方案6.4.1反应¾反应控制的要求达到规定的转化率、产品浓度。处理量平稳。当出现不正常工况时，能报警、联锁或自动选择性调节系统。¾反应控制方案以反应转化率为控制变量见图7.7.3-1（P-564）。以反应工艺状态变量为控制对象见图7.7.3-2（P-565）。96.4.2精馏精馏是常见的液液分离方法，精馏控制主要目的是达到规定的分离要求。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。精馏控制可分为：¾按精馏段指标的控制方案见图7.7.3-3（P-566）。¾按提馏段指标的控制方案见图7.7.3-4（P-567）。¾塔顶压力控制方案见图7.7.3-5（P-568）。真空度控制方案见图7.7.3-6（P-569）。¾其它控制方案见图7.7.3-7（P-569）。6.4.3传热设备¾控制载体的流量见图7.7.3-8（P-570）。¾控制传热面积见图7.7.3-9（P-570）。¾控制载体的气化温度见图7.7.3-10（P-571）。¾工艺介质旁路控制见图7.7.3-11（P-571）。6.4.4流体输送设备¾离心泵控制方案见图7.7.3-12（P-572）。¾改变转速的控制方案见图7.7.3-13（P-572）。¾往复泵(位移式旋转泵)的控制方案见图7.7.3-14（P-572）。7.能耗计算目前人类面临的共同任务是保护资源、减少环境污染、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，因此合理使用能源，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7.1夹点分析法将需要优化的换热网络用冷、热流复合线表示在温焓图（T-H图）上，热流复合线位于冷流上方，冷、热流体的复合线中间垂直距离最短处称为夹点，其温差△Tmin称为夹点温差。夹点分析法应遵循三个原则：¾尽量避免有热流体通过夹点10¾夹点上方避免引入公用设施冷却物流¾夹点下方