马后炮化工论坛-第7章化工工艺设计

《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、能否达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主要有：大气污染物综合排放标准GB16297-96职业性接触毒物危害程度分类GB5044-85建筑设计防火规范GB50016-2006石油化工企业设计防火规范(99年修订版)GB50160-92爆炸和危险性环境电力装置设计规范GB50058-92工业企业设计卫生标准GBZ1-2002工业企业噪声控制设计规范GBJ87-1985化工建设项目环境保护设计规定HG／T20667-2005石油化工企业环境保护设计规范SH3024-19951.5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概述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。3.2.2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：3.2.2.1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;主要设备的特点及操作参数;控制、联锁方案等。(4)生产过程的主要危险、危害因素分折(5)原料、催化剂、化学品及燃料等消耗定额及消耗量(6)公用工程（包括水、电、汽、脱盐水、冷冻、工艺7空气、仪表空气、氮气）规格、消耗定额及消耗量(7)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(8)装置定员~(9)安全备忘录(另行成册):化工生产大多涉及易燃易爆、有毒有害的物质,为了保证装置稳定安全地运行,确保人身安全,减少事故和危害的发生,降低经济损失,工艺设计通常需编制安全备忘录,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简要说明，重点论述:1)生产过程中涉及的可能对人体和安全生产造成危害的危险介质的物理性质和燃烧、毒性、爆炸等化学性质,如自燃点、闪点、与空气形成爆炸性混合物的上下限、车间空气中的允许浓度、储存要求、对人身的危害等特征以及简要的急救措施;2)接触危险介质的设备及管道的密封、氮封及维护清洗要求等;说明生产过程中存在的潜在危险;3)工艺装置的火灾危险类别,容易发生火灾危险的区域及建议的消防措施,如设置化学消防、消火栓、灭火器等;4)有毒有害气体危害较大区域的通风范围、通风形式及换气次数;5)总图布置和设备布置的要求及建议;6)可燃气体或有毒气体泄漏检测器、防腐、防静电、事故照明、安全淋浴及洗眼器、防毒、防尘措施及防护用具等方面的建议,以及事故状态下的紧急救护措施等。(10)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。(11)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。操作指南是装置开停工及正常生产、事故处理等操作时应注意问题的总说明,通常包含生产装置的单元和每一单元的主要生产工序和基本原理,以及所需的设备,其主要内容如下:1)概述简要介绍本装置的生产原理、原料和产品的名称及特性。A.装置操作的危险性和安全规程B.推荐的主要安全设备2)工艺流程说明A.工艺原理B.2)工艺流程说明3)原料及公用工程技术规格4)产品质量控制指标5)工艺的控制指标及控制方法6)取样分析方法7)开停车及操作中不正常现象和采取的措施A.开车步骤;B.正常停车步骤;C.事故停车步骤;D.正常操作及操作中的不正常现象和采取的措施。8)报警联锁系统3.2.2.2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。详细内容将在后面介绍。（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现在最终版PFD中（通常由自控专业完成）.3.2.2.3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）工艺设备一览表（4）取样点汇总表（5）装置界区条件表：是生产装置和外部原材计、公用工程等互供关系、数量及在界区交接状况的重要文件,其包括需要的原辅材料、公用工程、产品、副产品等在界区处的条件。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●在工艺设计中,首先碰到的就是选择合适的工艺路线,其包括原料路线和工艺路线的选择，也就是我们常说的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。(1)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。(2)“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：a.反应和分离系统中主要设备的投资及原材料的消耗；b.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：a.反应和分离系统中的主要设备的投资费用；b.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；c.换热网络和公用工程消耗的各类操作费用。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）对于气固相混合物可采用干法收集、湿法洗涤、纤维过滤、静电沉积等分离方法；（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