化工工艺设计

第二章《化工工艺设计》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、能否得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。对于正在运行的化工装置,化工工艺专业通过工艺分析,了解装置物料和能量消耗情况,分析设备运行中存在的问题,可为制定改进方案、降低原料和能量消耗、提高产品质量以及挖掘生产潜力提供依据。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。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。3.1工艺设计的内容和深度工艺设计的依据是经批准的可行性研究报告、总体设计、工程设计合同书及设计基础资料。制定相应的工艺流程，其原则是选择先进可靠的工艺技术路线，进行方案比较，对方案进行优化，确定合理的工艺流程方案，选取合适的工艺设备，在考虑工艺流程方案时，应同时考虑到对废物的综合利用方案和必要的治理措施。进行工艺物料和热量平衡计算、绘制工艺流程图(PFD)、编制工艺设备数据表和公用工程平衡图，确定公用工程、环保的设计原则和排出物治理的基本原则。在工艺设计的过程中，工艺专业要和外专业互提条件，条件表作为重要的技术文件，是主导专业设计的初步成果，是接受专业的设计依据。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。以下介绍工艺设计所做的主要工作：文字说明（工艺说明）(1)工艺设计的范围(2)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(3)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(4)原料、催化剂、化学品及燃料消耗定额及消耗量(5)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(6)三废排放：包括排放地点、排放量、排放组成及建议的处理方法(7)装置定员~(8)安全专篇(另行成册)：它是工艺系统、布置和管道设计、仪表、电气、总图运输、采暖通凤、土建、环保、消防等相关专业开展设计依据之一。它需对装置的安全特点作说明。(9)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。(10)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。也是工艺系统、管道专业设计的重要依据。图纸（1）PFD: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）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）取样点汇总表（4）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）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。3.2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3.2.1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。●“洋葱头”模型强调了过程开发和设计的有序和分层性质，也表明了反应和分离系统的开发是关键，因此工艺流程方案的优化应主要集中在反应和分离系统的优化，一旦确定了反应和分离系统的设计，即能对换热网络和公用工程系统进行设计，有效地开发和设计出全过程最优或接近最优的流程。对此史密斯和林霍夫提出的“洋葱头”设计开发概念，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；·原材料消耗和除换热网络和公用工程之外的反应与分离系统的操作费用；·换热网络和公用工程消耗的各类操作费用。·确定最佳条件，并对全流程调优。·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。3.2.2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。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。3.2.3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）对于气固相混合物可采用干法收集、湿法洗涤、纤维过滤、静电沉积分离方法；（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。3.2.4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。●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1）：试探法，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。总的来说蒸发流程的优化，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，要在工艺生产中体现它的合理性和先进性，同时要充分注意它在使用过程中的安全可靠，确保生产的连续稳定长周期满负荷运行。以充分发挥设备能力，达到经济运行。3.3.1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，它适用于不同反应。(1)反应器的型式与特证·搅拌槽：适用于液相、液~液相、液~固相。它适用性大、操作弹性大，连续操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一，但高转化率时，反应容积大。·管式：适用于气相、液相。它返混小，所需反应器容积较小，比传热面大，但对慢速反应，管要很长，压降大。·空塔或搅拌塔：适用于液相、液~液相。它结构简单，返混程度与高径比及搅拌有关，轴向温差大。·填料塔：适用于液相、气~液相。它结构简单，返混小、压降小，有温差，填料装卸麻烦。·板式塔：适用于气~液相。塔内两相逆流接触，气液返混均小，流速有限制，如需传热，可在板间另加传热面。·固定床：适用于气~固(催化或非催化)相。它返混小，高转化率时催化剂用量少，催比剂不易磨损，传热控温不易，催化剂装卸比较麻烦。·流化床：适用于气~固(催化或非催化)相，特别是催化剂失活很快的反应。它传热好、温度均匀、易控制，催化剂有效系数大；粒子输送容易，但磨耗太；床内返混大，对高转化率不利，操作条件限制较大。·移动床：适用于气~固(催化或非催化)相、催化剂失活很快的反应。它固体返混小，固气比可变性大，粒子传送较易；床内温差大、调节困难。·蓄热床：适用于气相，以固相为热载体。它结构简单，材质容易解决，调节范围较广；但切换频繁，温度波动大，收率较低。·回转筒式：适用于气固相，固固相高粘度液相，液固相。它返混小，相接触界面小，热传效能低，设备容积较大。(2)设计反应器所需掌握的资料和数据·温度、浓度和压力对反应速率的影响，副反应的情况，反应条件对选择性均影响·催化剂的粒度对反应速率的影响，催化剂的失活原因和失活的速率，催化剂的强度和耐磨性。催化剂的使用条件和活化条件·反应热效应·原料中杂质对反应的影响·反应物和产物的物理性质、爆炸极限等·反应器中物料的流动和返混特性，反应器的传热特性和允许的压降·搅拌釜中搅拌桨的特性·多相流中分散相的分散方法和聚并特性·气固流态化系数中粒子的磨损和带