化工工艺设计应该怎样做？这篇文章说全了

kbbjq 2016-08-03

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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和社会效益。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,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。流程君今天推荐的这篇文章，更多是从全局上考虑工艺设计的各个方面，在涉及具体的细节时，各位可以参考文中标出的往届文章，做更细致的补充。

概述

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。

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）。

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。

熟悉环保、安全、消防等方面的法规

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

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化工建设项目阶段

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：工艺设计、基础设计、详细设计。

施工、安装、试车、性能考核及国家验收

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。

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工艺设计内容

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。

3.1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。
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）消耗定额及消耗量。
三废排放：包括排放点、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）
技术风险备忘录（通常为对内使用，另行成册）
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）

3.2图纸

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。

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。

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）。

3.3表格

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）。
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）。
工艺设备表。
取样点汇总表。
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）。

3.4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。

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工艺设计方法

4.1工艺路线的选择

需考虑的因素：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，可行性及合理性意见等。

4.2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）

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。

▲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。

▲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，哪种组份为付产品及产品的规格要求。

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

▲蒸发流程的优化

单效、双效、三效蒸发。
热泵蒸发、膜式蒸发。
多级闪蒸。
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。

4.3工艺设备的选择

▲反应器

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。

▲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：

拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。
散堆、规整填料。
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。

▲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℃)。

▲ 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。

▲ 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。

储罐按用途大致可分两大类，一类是用于储存，一般指原料储存、中间产品或成品储存，原料及成品储存一般与工厂对外运输有很大关系，中间产品储存与该中间产品的前后装置生产情况有很大关系，例如要考虑前后装置生产周期、正常开停车及事故停车情况决定储存量的多少。这一类一般单独设置罐区。另一类是用于装置内工艺流程中需要的储罐，通常有回流罐（停留时间取5～10分钟），受槽和缓冲罐（通常取20分钟），气液分离罐（通常取2～3分钟），液液分离罐等。

工艺设计工作程序

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设备设计压力和温度的确定

6.1设备设计压力的确定

▲适用范围

1)压力容器的设计压力

0.1 MPa(G) ≤设计压力≤35 MPa(G)
真空度高于2kPa(200mmH2O)

2)常压容器的设计压力

设计压力低于0.1MPa(G)
真空度低于2kPa(200mmH2O)

设备设计压力一览表，见下图。

▲设备设计压力确定的原则

1) 设备的设计压力是设备和管道强度设计的主要依据，因此在确定设备设计压力时，应在满足设备长周期安全生产的基础上，做到既经济又合理。

2) 设备设计压力的确定不仅根据其正常工作情况下，容器顶部可能达到的最大压力，还应考虑该设备所处的系统附加条件(如系统压力变化、安全阀在系统中相对位置对设计压力的影响等情况)来确定该设备的设计压力。
3) 对承受多种不同工况的设备，如某些反应器要适应吹扫、试压、升温还原、化学反应、催化剂再生等多种化工过程的多种工作条件的变化，则该类设备设计压力应向设备专业说明各阶段工作压力及工作温度相应变化的情况。
4) 低压下蒸汽表面冷凝器按全真空条件设计。
5) 对下述特殊情况的设备,应根据具体情况,按特殊要求确定其设计压力。

6.1设备设计温度的确定

工艺专业经传热计算或参考同类装置相同设备的操作条件，确定该设备的工作温度，同时还要考虑容器内部介质在工作过程中可能出现的最高温度。

（1）容器内介质用蒸汽直接加热（如加热盘管）或被内置加热元件（如电热元件）间接加热时，设计温度取受热介质的最高工作温度。

（2）容器内介质间接加热或冷却时，设计温度根据下表选取。

（3）容器壁与介质直接接触且有外保温时，设计温度根据下表。

（4）安装在室外且为液体介质，器壁不保温，壁温受环境温度影响可能小于等于-20°C时，其最低工作温度应考虑建厂地区环境温度的影响。

过程控制方案的确定

7.1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。

7.2过程控制的分类

▲温度控制系统
温度控制实质上是一个传热的控制问题。例如在控制换热器加热(或冷却)介质的流入量或改变该介质的入口温度,控制被加热(或冷却)介质的出口温度；或者采用控制换热管浸没在液体中的换热面积,改变传热面积的手段,调节被加热介质的温度。

▲压力控制系统
1) 气体压力
　　气体压力与液位相似,它是系统内进出物料不平衡的度量,因而气体的压力控制不是改变流入量就是改变流出量。
2) 液体压力
　　由于液体不可压缩性,因而液体的压力控制与流量控制非常相似
3) 蒸汽压力
　　常见的锅炉汽包压力控制,精馏塔、蒸发器压力控制,其实质上是传热的控制,系统蒸汽的压力就表征了热平衡的状况。所以在这类控制系统中它的特性在某些方面与温度控制有相仿之处。

(4) 液位控制系统
　　一个设备或储罐的液位，表征了它的流入量和流出量之差的累积，在化工生产中,由于生产的连续性，所以液位控制是为物料平衡服务的，液位控制应完成。

保持设备或储罐内的滞留量是在规定的高限和低限之内，使它们具有一定的缓冲能力；
在每一种滞留量下，在绝大部分时间内保持入口流量和出口流量之间的平衡；
通过容积的缓冲来保持前后工序负荷的平衡，在需要改变流量时，希望能逐步地、平滑地调整流量。

(5) 成分控制系统
　　在生产现场中，出问题最多的往往是成分控制系统。成分控制系统的对象也是多容的,且时间常数大,纯滞后时间大。造成成分控制系统工作不良的原因,还有分析器本身结构比较复杂，取样系统和样品预处理部分工作不良，纯滞后过大等多方面的原因。一般在选不到合适的成分分析器时，也可以采用间接的被控变量，如温度、温差等来代替。

7.3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。

7.4典型化工单元的控制方案

▲反应器

反应控制的要求：

1)使反应达到规定的转化率或产品达到规定的浓度。

2)使处理量比较平稳。例如,在有物料循环的反应系统内,为保持物料平衡,应配置必要的辅助调节系统,如惰性物料的自动放空或排除等。

3)为防止工艺参数进入危险区或不正常工况,应配置一些报警、联锁或自动选择性调节系统,当工艺参数超出正常范围时发出信号,当接近危险区域时,把某些阀门打开、切断或者保持在限定位置。

反应控制方案：

以反应转化率为控制变量，见下图。

以反应工艺状态变量为控制对象，见下图。

▲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见下图。
按提馏段指标的控制方案，见下图。
塔顶压力控制方案，见下图。
真空度控制方案，见下图。
其它控制方案，见下图。

▲传热设备

控制载体的流量，见下图。
控制传热面积，见下图。

控制载体的气化温度，见下图。
工艺介质旁路控制，见下图。

▲流体输送设备

离心泵控制方案，见下图。

改变转速的控制方案，见下图。

往复泵(位移式旋转泵)的控制方案，见下图。

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。常用的节能措施有以下几种：

选择合适的反应压力或温度。
提高反应转化率，减少副反应的发生：选择先进的反应器或反应流程，也可以采用选择性强、转化率高的催化剂。
选择先进的工艺路线和原料路线。
选取适宜的设备,优化操作条件,降低分离过程的能耗。
选用高效设备和新型绝热材料，如包括选用效率高的机泵。
重视废热回收和能量回收.
在工艺全流程上要考虑热能的逐级利用，并且要避免冷热病。

安全设施的设置

在PID设计阶段中，必须和自控专业共同合作，设计必要的安全保护设施。对于化工装置、储运中危险物料的安全控制是防火防爆最有效的措施之一。

【关于化工工程设计中的安全设计，推荐你看流程君曾发过的一篇推文：化工工程设计中的安全设计，你知道怎么做吗？（上篇），化工工程设计中的安全设计，你知道怎么做吗？（下篇）】

9.1厂区及各化工装置区内的平面布置

消防设计，火灾报警系统应按照《石油化工企业设计防火规范》(GB50160-92)1999年修订版执行；
化工生产装置、罐区的爆炸危险区域的划分规范按照《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》(GB50058-92)执行；
化工装置内、罐区及油品装卸区的防雷击、防静电系统应按照《建筑物防雷击设计规范》(GB50057-92)2000年版执行；
厂区内各种建筑物的防火设计应按照《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)2001年版执行；
对于有毒物料的处理过程设计应按照《工业企业设计卫生标准》(GBZ1-2002)执行。

如果用户有要求，只要不违背上述主要标准，也可以按用户要求。为了安全可靠的设计,在工程设计中要根据合同、项目的具体情况来参照执行适用的标准规范,在标准规范里找不到依据时,再辅以相应的设计手册和经验数据。

9.2一般造成安全隐患的因素

▲设备和机泵等出口堵塞

几乎所有的容器、泵、压缩机、火焰加热炉或其它设备的出口都可能由于机械故障或人为事故而被堵塞。在这种情况下,泄放载荷通常是指泵、压缩机或其它流动源在泄压条件下所产生的最大流量。

▲火灾

在化工厂中火灾是很难预测的事故之一，但这种情况可能是产生最大的泄放要求的一个条件。如果在全厂范围可能发生火灾，那么就可以以此条件确定整个泄放系统的规模。但是由于设备可以分区分散布置，失火对安全系统的影响就被限制在一定的区域内。在拥有大量未保温绝热的锗罐区域内，会产生较多的蒸汽。可根据上述各种经验公式,以确定暴露于火焰中的容器的泄放排量,要根据所考虑的系统与流体的不同选用这些公式。火灾可能使充满蒸汽、充满液体或是混合相的系统超压。

▲管道破裂

当换热器的壳体内侧设计压力与管侧设计压力存在较大差异时(通常比值为1.5比1或更大),低压侧应采取泄压措施。在设计中通常只考虑一根管道破裂。用适当的公式可以算出一根管道破裂的泄放容积。当冷介质接触热流时，应考虑到急剧蒸发的影响,同样要考虑蒸气突然释放到全液相系统而引起瞬时超压的可能性。

▲控制阀故障

应认真估计仪表和控制阀可能失灵的位置,实际上控制阀出现的故障可能并不在预料的位置。阀门可能被卡住或者是控制回路出现问题,因此,对这些因素也应提供安全保护。在这种情况下，安全阀的尺寸设计应以特定控制阀和所涉及的装置的流量系数（制造厂家数据）和压差为依据。

▲热膨胀

如果把工艺管线在换热器的冷侧隔离,由于从热端输入热量会产生过压,因此在该管线上或换热器的冷端应安装泄压阀保护。

如果设备或管线在充满液体时进行隔离,为防止其中液体的膨胀应安装安全阀。太阳辐射或大气温度变化都需要热膨胀保护,通过安全阀时的闪蒸也需要考虑。

▲公用工程故障

有时会发生区域性的或全厂范围内的冷却水漏失,这要影响分馏塔和其它用水冷却的设备。在确定火炬系统规模时，冷却水故障通常是起决定作用的条件。

与冷却水系统失灵一样,电源故障可在一个区域或全厂范围内发生,从而产生多种影响。由于各工艺装置中经常用到电泵和电机驱动的空冷器风扇等,所以电源事故会立刻造成用电设备同时停车。电源事故会成为泄放能力的主要影响因素。

仪表空气系统的故障,不管与电源事故有无关系，都应在决定系统的规模时予以考虑，原因是气动控制回路会因故障而中断工作。

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