化工工艺设计-注册化学工程师考前辅导讲义5.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,化工工艺设计讲座,主讲：朱逸斋,1 概述,1.1 化工工艺设计人员必须具备的基本条件,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,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,（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：,（1）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,（2）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,（3）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：,（1）项目前期,（2）工程设计,（3）工程建设,（4）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：,（1）文字说明（工艺说明）,（2）图纸,（3）表格,2.1.1 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）,2.1.2 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）。,2.1.3 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）。,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。,公用工程,换热网络,精馏系统,反应系统,反应系统,精馏系统,换热网络,公用工程,3.2 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。,(1),反应流程优化 见表,-7.4.2,（,P-544,）,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。,(2)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,(3)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：,1,）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,见表,7.4.3-1(P-547),。,气液相反应器及固相反应器的使用情况,见表,7.4.3-2(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),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：,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0.12,MPa,。,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0.15,MPa,。,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/(m,2,.K),。,f.,冷却水的污垢系数大于,0.0002(m,2,.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),。,(4),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。,见表,7.4.5-3,（,P-553,）,(5),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,化工工艺,接受设计条件,消化资料确定设计基础,展开工艺设计,提出相关设计条件,完成工艺设计成品文件,设计跟踪服务,。,基础设计、详细,设计完工报告,接受设计条件：,项目经理,项目建议书,可研报告,装置平面图,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,合同文件,消化资料确定设计基础：,工艺路线,产品方案,设计规模,年操作时间,操作弹性,原料、催化剂规格,产品和付产品规格,公用工程规格,界区条件,展开工艺设计:,确定工艺流程方案,工艺计算：物料、能量、设备,PFD,设备表,工艺设备数据表,建议布置图,原料、公用工程消耗,确定公用系统方案,UFD,三废排放量及建议处理方法,安全分析，危险区划分,初版,PID(A,版),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,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,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,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,见表,7.6.1“,设备设计压力一览表”（,P-561,）,5.2,温度：,正常操作温度,最高操作温度,设计温度的选取,见表,7.6.2“,设备设计温度选取表”（,P-562,）,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,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,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,见图,7.7.3-3,（,P-566,）,按提馏段指标的控制方案,见图,7.7.3-4,（,P-567,）,塔顶压力控制方案 见图,7.7.3-5,（,P-568,）,真空度控制方案 见图,7.7.3-6,（,P-569,）,其它控制方案 见图,7.7.3-7,（,P-569,）,6.4.3传热设备,控制载体的流量 见图7.7.3-8（,P-570）,控制传热面积 见图7.7.3-9（,P-570）,控制载体的气化温度,见图7.7.3-10（,P-571）,工艺介质旁路控制 见图7.7.3-11（,P-571）,6.4.4,流体输送设备,离心泵控制方案 见图7.7.3-12（,P-572）,改变转速的控制方案,见图7.7.3-13（,P-572）,往复泵(位移式旋转泵)的控制方案,见图7.7.3-14（,P-572）,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-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，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。,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 见,P-577591,8.2,安全 见,P-591594,8.3,环保 见,P-594601,废气,废水（废液）,废固,噪音,放射性、恶臭,排放总量控制,谢谢大家！,