《化工工艺设计》

1.1.概述概述 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。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级 GBZ230-2010 建筑设计防火规范 GB50016-2006 石油化工企业设计防火规范 GB50160-2008 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 GBZ1-2010 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HGT20667-2005 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化工工艺设计的人员必须具备基本条件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 3.1 概述概述：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（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 3.2 工艺设计的内容和深度工艺设计的内容和深度 3.2.13.2.1概述概述 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 3.2.2 工艺设计的文件工艺设计的文件 包括三大内容：(1)文字说明(工艺说明)；(2)图纸；(3)表格。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、危害因素分析(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)(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。安全备忘录 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。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。(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。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.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）工艺流程图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）建议的设备布置图：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）工艺控制流程图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料、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地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。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。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：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。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。3.3.2 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。3.3.2.1 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)反应器的型式与特征 1)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。2)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。3)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。4)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。5)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。6)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。7)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。8)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。9)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。10)回转筒式：适用于气固相，固固相，高粘度液相，液固相。它粒子返混小，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 1)温度、浓度和压力对反应速率的影响，副反应的情况，反应条件对选择性的影响2)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3)反应热效应4)原料中杂质对反应的影响5)反应物和产物的物理性质、爆炸极限等6)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7)搅拌釜中搅拌桨的特性8)多相流中分散相的分散方法和聚并特性9)气固流态化系数中粒子的磨损和带出10)开停车所需的辅助设施11)反应器操作、控制方法 3.3.2.2 气液传质设备 化工生产中常需要借助气液传质设备将反应生成的产物进行分离，以获得目标产品，一般有采用精馏、吸收解析、蒸发、气提、萃取等方法来达到此目的。常用的气液传质设备型式是板式塔和填料塔。而板式塔和填料塔又因采用的塔板和填料不同，他们又可分为多种型式，如板式塔塔板可分为浮阀、筛板、泡罩及各种高效塔板，填料塔的填料有鲍尔环，鞍环等散装填料和丝网填料、波纹板填料等各种规整填料。气液传质设备的选用应根据处理物料的性质、分离要求、运行费用和投资费用等因素综合考虑，其基本选型要求为：（1）相际传质面积大,气液两相接触充分,以获得较高的传质效率;（2）生产能力大;（3）操作稳定，弹性大,即使气相或液相负荷发生一定的变化和波动仍能正常工作；（4）阻力小;（5）结构简单，制造安装方便、加工制造费用低;（6）耐腐蚀，不易堵塞，易检修。板式塔和填料塔有各自的特点，它们适用于不同的情况，在下述情况下应优先考虑选用板式塔：(1)操作负荷波动较大或进料浓度波动较大的分离过程；(2)液相负荷较小的分离过程；(3)易结晶、结垢的物料；(4)需高压操作的分离过程；(5)内部需要设置蛇管等换热部件的情况。在下述情况下应优先考虑选用填料塔：(1)分离要求高的情况下，采用新型高效填料塔可降低塔的高度；(2)新型填料的压降较低，有利节能，而且新型填料的持液量较小，尤其适用于热敏性物料的分离；(3)腐蚀性物料的分离；(4)发泡物料的分离。两种塔型的塔径计算，都与液泛有关，因为液泛会造成塔的压降增大，效率降低，最后导致塔无法正常操作。板式塔塔径通常由允许有效空塔速度 WG,max来确定,而WG,max 主要受塔的液泛制约，板式塔的液泛有夹带液泛和降液管液泛二种，书中介绍的由夹带液泛确定WG,max设计空塔速度W取（0.60.8)*WG,max。而填料塔是通过计算泛点速度Uf,考虑比较经济可靠的操作气速U=(0.60.8)Uf,然后由此可算得塔径。3.3.2.3 传热设备（1）传热设备选型主要考虑的因素：1）热负荷及流量大小2）流体的性质3）温度、压力及允许压降的范围4）对清洗、维修的要求5）设备结构材料、尺寸、重量、价格6）使用安全性和寿命 流体的性质对换热器类型的选择往往会产生重大影响，如流体的物理性质（如比热、导热系数、粘度）、化学性质（如腐蚀性、热敏性、结垢情况、是否有磨蚀性固体颗粒等因素，都对传热设备的选型有影响。(2)传热设备的分类1)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。2)按结构型式分：采用二物流换热的换热器从结构上分为以下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）(3)换热器的选择依据是：1)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，两流体温差不宜大于120。2)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，两流体温差可大于120。3)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。4)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。(4)空冷器的选择依据 1)空气入口温度（即设计温度）低于38。2)热流体的出口温度高于5065，并允许有一定的波动范围（35）。3)对数平均温差大于40。4)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。5)管内给热系数小于2325.6W/(m2.0K)。6)冷却水的污垢系数大于0.0002(m2.0K)/W 7)水源较远，取水费用大。8)热流体的凝固点较低(小于0)。3.3.2.4 化工用泵 泵是化工生产中最常用的设备，它所输送液体种类繁多，有强腐蚀性的、易燃易爆、有毒、高温、高压、低温、粘度大小、易挥发、带有固体颗粒等。同时，对化工用泵又要求它能长周期运行、安全可靠、密封性能好等要求，有些场合还要求绝对不能泄漏。所以对于不同物料、不同要求,必须选用不同类型的泵,来适应化工生产的需要。有关主要化工用泵的性能特点及使用条件。在选泵中工艺参数是泵选型的最重要依据，应根据工艺流程和操作变化范围慎重确定。（1）流量：是指工艺装置生产中，要求泵输送介质的量，应给出正常、最小和最大流量，即要求泵能适应流量变化的要求。一般在泵数据表上往往只给出正常和额定流量。选泵是要求额定流量不小于装置的最大流量，或取正常流量的1.11.15倍。此外选泵时应注意容积式泵不能采用开关排出阀的方法来调节泵的流量,一般应采用旁路或改变转速、活塞行程的方法调节流量。（2）扬程：指工艺装置所需的扬程值，也称计算扬程。计算扬程应考虑最低吸入液面和最高送液高度，且留有裕量，一般要求泵的额定扬程为装置所需扬程的1.051.1倍。（3）进口压力和出口压力：是指泵进出接管法兰处的压力，进出口压力的大小影响到壳体的耐压和轴封要求。（4）温度：指泵的进口介质温度，一般应给出工艺过程中泵进口介质的正常、最低和最高温度。（5）装置汽蚀余量：NPSHa：要求所选泵的NPSHrNPSHa（6）物性参数：介质在进口条件下的密度、粘度等 （7）操作状态：分为连续和间歇操作两种3.3.2.5 气体输送机械气体输送机械按作用原理可分容积式和透平式两种，按机械达到的压力可分为通风机、鼓风机和压缩机。通风机和鼓风机主要用于输送气体，压缩机则用于提高气体压力。排气压力小于0.14715MPa(1.5Kg/cm2)的称为通风机；排气压力小于0.2MPa(2Kg/cm2)且大于0.14715MPa(1.5Kg/cm2)的称为鼓风机；排气压力大于0.2MPa(2Kg/cm2)的称为压缩机。同样在气体输送机械选型中，工艺参数是最重要的依据，应根据工艺流程和操作变化范围慎重确定。（1）气体组成：一般应按湿基提供。若气体组成有变化，宜按平均分子较大的组成提出(若不同组成的气量相同时）；（2）入口温度：应提出正常、最高和最低；（3）入口压力：应提出正常、最小和最大；（4）入口流量：应提出正常、最小和最大；（5）出口压力；（6）驱动机型式：主要是由电机驱动还是蒸气透平驱动，若是蒸汽透平驱动则还需提出蒸汽参数及背压凝汽等要求；（7）流量控制方式：活塞式（容积式）压缩机一般均采用旁路和余隙调节，其余隙调节一般只能调节10%流量。透平式通风机、鼓风机一般以采用进口或出口调节居多，有的风机输送气量大，调节要求较高，同时该风机所处位置较重要，也有采用改变转速的方法。透平式压缩机：大多以蒸汽透平驱动.采用改变转速来调节气量，此调节方法最节能。旁路调节，一般作为防喘振控制。若是输送介质为空气，可采用出口放空简单的流量控制方式。3.3.2.6 容器（储罐）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510分钟），受槽和缓冲罐（通常取20分钟），气液分离罐（通常取23分钟），液液分离罐等。根据储罐的结构来分,有球罐、卧式储罐、立式储罐、固定顶罐、浮顶罐、内浮顶罐等。根据介质的性质、温度、压力和储存要求,选择不同型式、不同结构的储罐。一般储罐的容积用下列方式计算：容积=物料流量*停留时间（储存周期）/装料系数。装料系数的取值:易挥发液体物料为0.70.75;不易挥发液体物料为0.750.85。计算出容积后，根据需要选用不同型式的储罐。从外形来分有球罐、立式储罐和卧式储罐等,根据介质的性质、温度、压力和储存量,选择不同型式、不同结构的储罐。目前国内已有立式、卧式储罐和球罐的系列标准，可供选择。3.3.2.7 蒸发器 蒸发器的型式和结构互有差异，但总的来说它是由加热器与蒸发室（气液分离室）两个基本部分组成。应用最广泛的是管壳式加热元件的蒸发器。蒸发设备的选型是蒸发装置设计首先要考虑的问题，在选型时应优先考虑采用传热系数高的型式，但料液的物理、化学性质常常限制它们的使用，因此在选型时，需要考虑的因素有以下几个方面：（1）料液性质：包括料液组成、粘度变化范围、热稳定性、发泡性、腐蚀性、是否易结垢、结晶、是否有固体悬浮物等。（2）生产要求：包括处理量、蒸发量、料液进出口浓度、温度、安装场地的大小和厂房高矮、设备投资限额、要求连续还是间歇生产等。（3）公用工程条件：包括可以利用的热源情况、供电情况以及能利用的冷却水的水量、水质和温度等。蒸发器的设计要考虑传热、气液分离和能量合理利用三个主要方面。（1）传热方面应考虑在最小传热表面积下传递给溶液尽可能多的热量，传热的热阻主要来自溶液在壁面析盐结垢的阻力，这是选择蒸发器型式、决定其尺寸与造价的主要因素。（2）气液分离方面应考虑在达到所需要求的前提下，设备结构尽量简单。（3）能量的合理利用应注意到蒸发所需的热量，包括料液预热、分离液态溶剂与固态溶质所需的热量（溶解热的反效应）、溶剂气化所需的热量。通常溶剂气化所需的热量为最高。而溶解热反效应热因很小可忽略不计。3.3.2.8 干燥器 由于被干燥的物料种类繁多，性质不同，要求各异，故不可能有万能的干燥器，只能选择最佳的干燥方法和干燥器型式、干燥器选择首先要确定或测定被干燥物料的特性，进行干燥试验，确定干燥动力学和传递特性，以证明所选的是否适用，然后确定干燥设备的工艺尺寸，进行成本核算，最后确定干燥器的型式。若几种干燥器同时适用时，要同时进行干燥试验，核算成本及方案比较，最后选择其中最佳者。3.3.3 设备材质的选择 由于化工生产的原料、产品及其工艺路线的多样化，而使化工设备所需的材质也多样化，为满足工艺生产的需要。工艺专业应根据介质的腐蚀性质、材质机械性能及使用要求、设备的工作温度、工作压力并结合已有工厂实际生产使用的情况加以选择，提出我们的要求。3.3.3.1化工设备用材料(1)金属类 1)黑色金属：包括铸铁、碳钢(普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质钢)、合金钢(普通低合金钢、特种钢、不锈钢)。2)有色金属：包括稀有金属、铜、钛、铝、铅等及其合金。(2)非金属类：有玻璃、陶瓷、辉绿岩、铸石、石墨等无机材料、工程塑料等。(3)复合材料:有搪瓷、玻璃钢、衬里和涂层材料等。3.3.3.2材料选用的一般原则(1)满足工艺要求,这是选材的最基本的要求,要优先满足工艺生产的温度、压力、环境等各种要求。(2)材质可靠，使用安全。(3)易于加工，材料性能不因受加工因素而影响其使用性能和使用寿命。(4)材料易于采购，尽可能立足国内。(5)要综合考虑价格和使用寿命、维修费用的综合因素。3.3.4 压力容器的设计分类及工艺设备的特殊制造要求3.3.4.1 压力容器的设计分类 3.3.4.2 工艺设备的特殊制造要求 工艺应根据工艺生产中对某些设备有特殊制造要求的提出我们的要求。4 4、工艺流程图（、工艺流程图（PFD)PFD)PFD是工程项目设计的一个指导性文件，是化工工艺设计的一个主要设计文件，它是各有关专业开展工作的依据之一。PFD是从工艺方案（即经过工艺流程优化和工艺设备选择）过渡到化工工艺流程设计的重要工序之一。在PFD的设计过程中要完成的主要工作：（1）工艺流程设计 （2）操作参数的确定 （3）全系统的物料、热量衡算 一般进行全系统不同方案的流程模拟计算，找到更合理的优化的工艺操作条件，从而可以修改某些不合理的操作条件，提供全流程的物料热量平衡数据。（4）主要控制方案 （5）设备工艺尺寸的计算4.1 PFD中体现的主要设计内容：（1）反映出工艺物料所经过的全部设备 （2）主要物料的管道及相关的阀门 （3）物料的走向及相关的参数 （4）标出特殊阀门的位置 （5）反映出主要控制点 （6）公用系统物料用户的进出位置 （7）图例及图面上必要的说明和注解4.2 单元设备的典型设计 一个化工工艺设计工程师只有掌握各种单元设备的典型设计，根据工艺流程和工程项目的特殊要求，再结合以往积累的工程经验，方可进行单元设备设计。5 设备设计压力和设计温度的确定原则 5.1 设备设计压力的确定 5.1.1 设备设计压力选取的原则：5.1.2 设备设计压力确定的原则 5.1.2.1 设备的设计压力是设备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。5.1.2.2 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。5.1.2.3 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,并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。5.1.2.4 低压下蒸汽表面冷凝器按全真空条件设计。5.1.2.5 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。(1)剧毒介质的泄漏直接影响到人身和环境安全；(2)对一些凝固点较高的介质,如沥青、石蜡、苯酐等,由于较容易使系统堵塞或者在排放时堵塞或者在排放时堵塞安全装置和排放系统,引起系统压力的升高,故除了考虑伴热措施外,可适当提高此类设备的设计压力。(3)对某些贵重物料,需减少排放损失的情况 (4)由于化学反应或其它原因可能引起工作压力急剧上升的情况。5.1.3名词说明(部分)5.1.3.1 最大(最高)工作压力 容器(设备)在正常工作过程中,其顶部可能达到的最大压力,称为最大工作压力或最大正常工作压力。此值通常由化工工艺专业提出。(1)内压容器：系指容器顶部在正常工作过程中,其顶部可能出现的最大压力。(2)真空容器：系指容器顶部在正常工作过程中,顶部可能出现的最大真空度。(3)外压容器：系指容器顶部在正常工作过程中,其顶部可能出现的最大内外压差。5.1.3.2 最高(大)压力 用以确定容器设计压力的基准压力。它是由容器最大工作压力加上流程中工艺工作系统的附加条件后,在容器顶部可能达到的压力。此值由工艺系统专业确定。5.1.3.3 设计压力 系指设定的容器顶部的最高压力(包括前述的附加条件),与相对应的设计温度一起作为工艺系统专业向设备专业提出的设备设计载荷的条件,其值不低于最高压力。在确定了设备的设计压力后，还要根据该设备在系统中的情况,结合系统前后的管道压力降或静压头,才能得到该设备可靠的设计压力。有关这方面的内容还可参考“化工装置工艺系统工程设计规定二）”和“石油化工设计手册（第四卷）”等相关资料。5.2 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。(3)容器壁与介质直接接触且有外保温时。（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-20C时，其最低工作温度应考虑建厂地区环境温度的影响。6.过程控制方案的确定6.1 过程控制方案确定的原则（1）保证装置运行的平稳、生产安全、控制简单适用。（2）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。（3）要明确被控制的对象，例如:温度、压力、流量、液位、转化率、组成等。（4）寻找对控制对象起主导作用的调节手段。（5）控制方法：就地、集中、自调等（6）要考虑安全要求,例如：报警、联锁、紧急停车等.6.2 过程控制的分类6.2.1 简单控制系统 简单控制系统是生产过程中最常见、应用最广泛、数量最多的控制系统。它是由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成的单回路控制要求。简单控制系统结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产过程的控制要求,因而应用广泛。按被控制的工艺变量来划分,最常见的是温度、压力、流量、液位、化学成分。简要介绍如下：(1)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。(2)压力控制系统 a.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。b.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 c.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。(3)流量控制系统 在流量控制系统中,被控变量和操纵变量均是流量,大部分的流量检测都采用孔板或差压流量计。(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：A.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；B.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；C.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。6.2.2 复杂控制系统 单回路简单控制系统能解决化工厂大部分的控制问题，但是它们有一定的局限性。这些局限性主要表现在它们只能完成定值控制，功能单一；对纯滞后较大，出现干扰多而剧烈的对象,控制质量较差;对各个过程变量内部存在相关的过程,控制系统相互之间会出现干扰等。因此在简单控制系统的基础上,又发展了众多的复杂控制系统,现将后面举例中出现的复杂控制系统简要介绍如下:(1)串级控制系统 它的特点是两个调节器相串联,主调节器的输出作为副调节器的给定,适用于时间常数及纯滞后较大的对象。串级控制系统的目的主要在于控制主被控变量稳定。(2)比值控制系统 它可以控制两个或两个以上的物料流量保持一定的比值关系。(3)均匀控制 它用于解决前后工序的供求矛盾,控制两个相关变量之间相互兼顾和协调操作,使它们都在允许的范围内呈缓慢的变化，使后续设备的操作较为平稳。(4)分程控制：由一个调节器去控制两个或两个以上调节阀,可应用于一个被控变量需要两个以上的操纵变量来分阶段进行控制的场合。一般分程控制可应用在以下几种场合：a.能适应工艺要求,采用两种或多种手段、介质来进行控制。b.满足工艺生产不同负荷和开、停车过程对自控的要求。c.扩大调节阀的可调比。(5)前馈控制系统 调节器根据干扰的大小，不等被控变量发生变化，直接进行校正控制。它常与反馈控制结合在一起使用,以消除某几个影响最大的干扰。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 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。反应控制方案 以反应转化率为控制变量 以反应工艺状态变量为控制对象 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、冷却和加热介质的压力及温度的变化。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（或称为窄点），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 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。7.3 节能措施：7.3.1 改变反应工艺条件，降低工艺能耗（1）降低的反应压力（2)降低的反应温度（3）提高反应转化率，减少副反应的发生 可以采用选择合适的反应压力、反应温度，也可以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。（4）选择先进的工艺路线和原料路线。7.3.2选取适宜的设备,优化操作条件,降低分离过程的能耗。7.3.3 选用高效设备和新型绝热材料。（包括选用效率高的机泵）。7.3.4 要重视废热回收和能量回收.7.3.5 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。7.4 能耗计算：一般在计算能耗时,都以单位产品所耗能来计算的,对于石油化工的主要产品大多有该产品的基准能耗,在工艺设计中常以此作为本工艺技术先进与否的参照值。在能耗计算时,首先列出单位产品的原料、燃料、水电汽等物料的单耗,然后参照有关折能标准算出该产品的能耗。8、与工艺设计相关的消防、劳动安全及环境保护的基本知识 8.1 消防 8.1.1 火灾爆炸危险因素及预防措施 8.1.2 火灾危险性分类 生产的火灾危险性分类,可燃液体的火灾危险性分类 8.1.3 厂房的耐火等级、层数和占地面积 8.1.4 泄压排放和火炬系统 8.1.5 危险区域划分:（1）按爆炸性气体混合物出现的频率和持续的时间，可将爆炸危险区域划分为0区、1区、2区和非爆炸性危险区。（2）存在爆炸性粉尘的环境应根据其出现的频繁程度和持续时间,可划分为10区、11区爆炸危险区域和非爆炸性危险区域。8.1.6 其他防火设计规定 针对化工和石化行业分列了25条规定，详见P588591 8.1.7 相关的主要标准规范:(1)爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范(GB50058-92)(2)建筑设计防火规范 (GB50016-2006)(3)石油化工企业设计防火规范 (GB50160-2008)8.2 劳动安全卫生 8.2.1 工艺生产过程的常见危险因素及职业危害因素危险因素是指能对人造成伤亡或对物造成突发性损坏的因素。危害因素是指影响人的身体健康、导致疾病或对物造成慢性破坏的因素。危险因素与危害因素的区别在于：危险因素强调突发性和瞬间作用，危害因素强调在一定时间范围内的积累作用。危险因素是劳动安全措施的主要对象，危害因素是劳动卫生措施的主要对象。危险因素及职业危害因素可有以下几类 （1）物理性危险及有害因素 （2）化学性危险及有害因素 （3）生物性危险及有害因素 （4）心理、生理性危险及有害因素 （5）行为性危险及有害因素 8.2.2 劳动安全卫生措施及设计原则（1）劳动安全卫生对策措施（2）劳动安全卫生设计原则 1)消除 2)预防 3)减弱 4)隔离 5)联锁 6)警告 8.2.3 其他规定及要求 8.2.4 相关的主要标准规范 (1)工业企业设计卫生标准 (GBZ1-2010)(2)工业企业噪声控制设计规范 (GBJ87-1985)(3)职业性接触毒物危害程度分级 (GBZ230-2010)(4)石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范 (GB50493-2009)(5)压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类 (HG20660-2000)8.3 环境保护（P609615)8.3.1 三废治理的基本设计原则(1)遵守国家和地方政府颁布有关标准、规范和规定,实行清洁生产,选用先进的工艺技术,以减少原材料消耗,节约能量消耗;(2)在工艺设计中尽可能回收利用,包括就地循环使用;异地使用和生产新产品再利用;(3)减容减毒处理,使其更适宜运输、储存和最终处置;(4)永久性的最终处置,使其不再污染环境。8.3.2 三废治理及废物综合治理（1）废气 1）吸收 2）吸附 3）冷凝 4）燃烧（2）废水（液）1）尽可能回收利用;2）生化处理;3）焚烧处理（3）固体废物8.3.3 工艺降低噪声的措施及要求8.3.4 其他规定要求 8.3.5相关的主要标准规范(1)建设项目环境保护设计规定 (87国环字002号)(2)化工建设项目环境保护设计规定 (HG/T20667-2005)(3)石油化工企业环境保护设计规范 (SH3024-1995)(4)大气污染物综合排放标准 (GB16297-96)(5)污水综合排放标准 (GB8978-1996)化化工工工工艺艺接收设计条件接收设计条件消化资料确定设计基础消化资料确定设计基础展开工艺设计展开工艺设计提出相关设计条件提出相关设计条件完成工艺设计成品文件完成工艺设计成品文件详细设计跟踪服务详细设计跟踪服务 基础设计基础设计设计完工报告设计完工报告9 9 工艺设计工作程序及内容工艺设计工作程序及内容9.19.1工艺设计工作的程序工艺设计工作的程序 9.2 9.2 工艺设计工作的内容工艺设计工作的内容 9.2.19.2.1工艺设计的前期工作工艺设计的前期工作 (1)根据需要参加项目建议书、可行性研究报告的编制工作,承担有关工艺专业的研究,并编写相应文件；(2)根据项目安排,参加项目报价书、投标书技术文件的编写,承担有关工艺专业的研究并编写相应文件,参加有关投标书的技术内容介绍、合同谈判、编写有关合同附件；(3)根据项目情况,参加引进技术项目的询价书编写,对投标书的评标,合同附件的谈判；(4)大中型联合装置需要进行总体规划设计时,对有关项目提出可供总体规划参考的设计条件。项目经理应提供的条件和资料：项目建议书 可研报告 装置总平面布置图 专利、专有技术资料 工艺设计基础设计数据 开工报告 有关会议资料及开工会议纪要 合同文件9.2.2 工艺设计阶段：9.2.2.1 接受设计条件：9.2.2.2 消化资料确定设计基础：(1)所采用的工艺技术路线及其依据(包括在可研中已明确了的工艺路线、专利、专有技术等),产品方案及装置的设计生产能力、产品及副产品的数量、年操作时数及操作弹性。(2)原材料、辅助原料、催化剂、化学品的规格要求及界区条件。(3)产品、中间产品及副产品的规格（产品牌号、规格、性能等）。(4)公用工程的各项规格要求及界区条件（温度、压力等）。(5)其它设计基础数据。9.2.2.3 开展工艺设计:(1)确定工艺流程方案,进行工艺计算,完成全流程物料和能量平衡计算工作,提出主流程工艺流程图(PFD)；(2)在物料平衡计算的基础上进行设备分析、计算,完成设备一览表、设备工艺数据表和建议的设备布置图；(3)在能量平衡的基础上提出公用工程及能量的规格、消耗定额和消耗量；(4)提出必需的辅助系统和公用系统方案,并进行初步的计算；提出初步的公用工程流程图(UFD)；(5)提出污染物排放的组成及数量和建议的治理措施；(6)进行初步的安全分析；(7)进行设备概略布置研究和危险区域划分的研究；(8)完成供各专业做准备和开展工作用的管道及仪表流程图(A版PID)。如果采用专利商提供的工艺包,工艺专业的任务就是将专利商的文件转换为工程文件,发表给有关专业开展设计,并提供给用户供审查。此时工艺设计阶段的主要工作包括：(1)研究并消化工艺包和执行的标准、规范；(2)考虑工艺包中对主要系统的要求,提出必需的辅助系统和公用系统方案,提出初步的工艺流程图(PFD)；(3)准备基础工程设计的设计条件、内容、要求和设计原则,编制统一规定,明确执行标准、规范；(4)编制工程规定和规定汇总表,并提交用户批准；(5)初步的安全分析；(6)编制项目设计数据和现场数据；(7)编制设备清单；(8)完成供各专业做准备和开展工作用的 A 版PFD。9.2.2.4 提出相关设计条件：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：建议布置图设备条件：工艺设备数据表(非标设备附简图)分析化验条件：取样条件表 取样点汇总表配管条件：操作原则 安全规程指南三废排放一览表 公用工程条件表 消防条件 电信条件 采暖、通风、空调条件 建、构筑物特性条件 安全生产、职业卫生 物性数据 文字说明 向项目设计经理提供有关条件9.3 完成工艺设计成品文件：工艺说明书 图纸：PFD 附物料平衡表 建议布置图 表格：设备表 工艺设备数据表 界区条件表 取样点汇总表