初学者必看！化工工艺设计基本要素
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初学者必看！化工工艺设计基本要素

发布日期：2022-04-25 作者： 点击：1147

化工工艺设计基本要素

（适合初学者）


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。
①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）。
②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。
③熟悉环保、安全、消防等方面的法规，如：
HG20667 化工建设项目环境保护设计规定
SH3024 石油化工企业环境保护设计规范
HG20571 化工企业安全卫生设计规定
SH3047 石油化工企业职业安全卫生设计规范
GBJ16 建筑设计防火规范
GB50160石油化工企业设计防火规范
GB50058爆炸和危险性环境电力装置设计规范
④一定的工作经验

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
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
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：基础设计、详细设计
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
项目前期、工程设计、工程建设、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：
文字说明（工艺说明）、 图纸、表格
2.1.1 文字说明（工艺说明）
1）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。
2）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。
3）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。
4）三废排放：包括排放点、排放量、排放组成及建议处理方法
5）装置定员
6）安全备忘录（另行成册）
7）技术风险备忘录（通常为对内使用，另行成册）
8）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）

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
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）。
3）工艺设备表
4）取样点汇总表Ø
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）。

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. 工艺设计方法（化工基本理论的应用）
3.1 工艺路线的选择
原料来源
经济效益和社会效益（生产成本）
环境保护
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
①“洋葱头”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）
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。
② 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。
③ 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。
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
④ 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
①反应器：
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)。

②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)

③ 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：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℃。
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℃)。

⑤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。

⑥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
5. 设备设计压力和设计温度的确定
5.1 压力：

正常操作（工作）压力、最高工作压力、设计压力的选取
温度：正常操作温度、最高操作温度、设计温度的选取

6. 过程控制方案的确定
6.1过程控制方案确定的原则

保证装置运行的平稳、生产安全、控制简单适用。
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

压力、温度、流量、物位、化学成分和物性数据
6.3选用控制仪表的要求

准确可靠、灵敏度高、反应迅速、滞后小、使用维护方便、价格便宜
6.4典型化工单元的控制方案
6.4.1反应
①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。
②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）。

6.4.2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：
按精馏段指标的控制方案
按提馏段指标的控制方案
塔顶压力控制方案
真空度控制方案
其它控制方案

6.4.3传热设备
控制载体的流量、控制传热面积、控制载体的气化温度、工艺介质旁路控制

6.4.4流体输送设备
离心泵控制方案
改变转速的控制方案
往复泵(位移式旋转泵)的控制方案

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-*****）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：
尽量避免有热流体通过夹点
夹点上方避免引入公用设施冷却物流Ø
夹点下方避免引入公用设施加热物流

7.2三环节能量分析法
重点研究热能在化工装置的利用，从下述三个环节出发：
能量转换、能量利用、能量回收
夹点分析法和三环节能量分析法实际应用可参考有关文献资料。

8. 与工艺设计相关的基本知识
与工艺设计相关的基本知识包括消防、劳动安全卫生、环境保护三个方面，必须遵守国家相关的标准、法规。
8.1消防
8.2安全
8.3环保
废气、废水（废液）、废固、噪音、放射性、排放总量控制


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