工艺设计及设计样本.doc

工艺设计及PFD设计
在化工装置设计中，除了工艺系统设计以外，还有管道、设备、机械、建构筑物、公用工程、电气、仪表、安全卫生、消防、分析化验、环境保护等领域设计工作，还要从全局考虑总平面部署、原料和产品输送及设计方案技术经济性，这些全部需要在化工工艺系统设计中充足考虑，所以说化工工艺系统设计是一门综合技术。在各个设计阶段中，作为设计主体化工工程师，必需和其它各专业亲密沟通，相互配合，才能完成整个设计任务。这就要求化工工程师不仅精通、熟悉相关标准规范和设计技能，并能在工程设计项目中合适地应用、实施它，同时还要含有较广泛相关专业知识。
中国工程设计阶段通常分为初步设计阶段和施工图设计阶段，国际上通行作法是分为工艺包设计阶段、基础设计阶段和具体设计阶段。
在化工工艺系统设计中，工艺步骤设计各个阶段设计结果全部是经过多种步骤图和表格表示出来，根据设计阶段不一样，前后有方框步骤图（block flowsheet）、工艺步骤草（简）图（simplified flowsheet）、工艺物料步骤图（Process Flow Diagram即PFD）和管道仪表步骤图（Piping & Instrumentation Diagram 即P&I D）〈也有用“带控制点工艺步骤图(Process and Control Diagram 即PCD”替换P&ID)〉等种类。对于医药行业来说，依据其特有生产洁净区等级要求，还有些人员-物料分流图（Material and Personnel Flow Drawing）、工艺步骤及环境区域划分示意图（Plant Schematic and Process Flow Diagram）等。
下面对工艺设计、工艺包设计内容及PFD设计作简单介绍。
一、工艺设计
1、工艺专业设计和工艺包
从广义上讲工艺设计应包含工艺专业设计和工艺包设计两方面内容。
工艺专业设计关键任务是对一个化工产品生产步骤优异行基础计算，在此基础上给相关专业提出条件，在相关专业参与下以工艺专业为主，完成PFD(工艺物料步骤图 Process Flow Diagram)设计任务。这个生产步骤能够是工艺专业设计人员自己开发，也可是其它专利商提供技术。
工艺包一个专门技术名词，它特指包含一个化工产品生产技术全部技术文件。这些文件通常应该包含以下内容：生产该产品应该采取化工生产单元、应该采取化工设备、应该采取自动控制方案、所采取原料和生产该产品原料及公用物料消耗量。
化工工艺设计工程师在进行工艺设计时，需要进行多种设计计算，如物料平衡和热量平衡计算，这是化工工艺设计中最基础计算之一，也是使用最频繁计算。当生产步骤基础确定后，只有完成上述计算，才能进行设备设计计算等其它方面计算。物料平衡和热量平衡基础计算标准是质量守恒和能量守恒定律。要使工艺包设计含有优异水平、使产品含有市场竞争能力，在进行步骤模拟时就要注意步骤可行性，要使每一股物流全部有合理去处，尽可能做到物尽其用；另外要尤其注意热量综合利用，要考虑把高温溶剂和蒸汽冷凝液全部尽可能利用起来，这就需要应用“能量综合设计”技术。
工艺包设计依据是已同意可行性研究汇报、总体设计和设计基础资料，据此进行工艺包设计。
工艺包设计应完成关键任务有：绘制PFD、完成工艺物料平衡计算、编制工艺设备数据表（关键是技术规格要求和负荷）、编制公用物料设计标准和平衡图、确定环境保护设计标准和排出物基础标准、进行安全分析（Process Safety Review）（或称为风险评价－Risk Assessment）等。
在工艺设计过程中，工艺专业要和不一样专业互提条件。发出条件表专业是主导专业，条件表是主导专业设计工作初步结果，是接收条件专业设计依据，是很关键技术文件。
这一阶段中，关键工作是由工艺设计人员、其它专业相关人员和项目管理人员参与并完成，工艺过程重大标准和设计方案应该组织相关人员评审后才能确定（寰球企业要求要经过室审和院审），此阶段是整个设计工作全方面展开基础。
2、设计基础
每个设计项目在签署设计协议时，全部要在设计协议技术附件中，用具体清单列出设计单位要求业主提供设计基础数据内容，即项目设计数据。项目设计数据是顺利开展设计工作最基础依据，缺乏项目设计数据，设计工作就变成无米之炊，是无法开展工程项目只能在此基础上进行设计和建设。
业主依据协议要求，应按时提出设计单位所需全部项目设计数据，项目设计数据必需由业主单位建设项目责任人署名认可，才能正式作为设计基础数据提供给设计人员使用。
工艺和工艺系统专业是从项目经理那里拿到业主认可项目设计数据，依据这些数据开始设计准备工作。项目设计数据假如有变更，要依据业主正式通知，由项目经理向相关设计人员公布修改后项目设计数据，有了设计变更通知设计人员才能修改相关设计文件。必需重视项目设计数据变更，它可能会直接影响到工艺步骤改变甚至影响整个项目标协议要求，所以对此应该十分慎重。
工艺及工艺系统专业最少应该得到下列数据，才有条件开展设计工作。
（1）所采取工艺技术路线及其依据，装置年设计生产能力，年操作小时数及装置操作弹性、操作制度、设计工况。
（2）原材料、辅助原料、催化剂、化学品规格要求及界区条件。
（3）产品、中间产品及副产品规格（产品牌号、规格、性能等）要求。
（4）产品方案及产品性能。
（5）公用物料各项规格要求及界区条件（温度、压力、水质分析等）。
（6）提出原材料、辅助原材料、催化剂、化学品、工艺过程中公用物料消耗定额及副产品产出定额（预期值）。
（7）提出工艺过程排出物（气体、液体、固体等）排放源、排放数量及其组成。
（8）现场数据，气象数据，供电及电信系统等数据。
（9）设计规范和标准。
3、工艺包设计内容
工艺包设计文件通常应包含以下内容。
l 设计范围。说明工艺包包含范围及生产规模。
l 设计基础。工艺对原材料、催化剂、化学品及公用工程规格要求，成品规格，生产能力（收率、转化率），消耗定额，三废排放量及规格，生产定员，工程确保指标和需要说明安全生产要求。
l 工艺步骤说明。按工艺步骤程序，具体说明生产过程，包含相关化学反应及机理，操作条件，关键设备特点，控制方案和工程设计所必需工艺物料物化性质数据。
l 物料平衡及热量平衡计算结果。全步骤经典物料平衡，应考虑到负荷波动及各关键工况，作为工程设计关键依据。
l PFD。表示工艺生产全部关键设备（包含位号、名称），特殊阀件设置，物流数据（流量、组成、温度、压力等特征）和控制、联锁方案。
l 工艺设备表（设备一览表）。应填写设备位号、设备名称、介质名称、操作压力、操作温度、材质等。
l 关键设备工艺数据表（工艺规格书），包含关键机械设备数据表。关键设备数据表应列出全部工艺规格要求及相关数据、设备材质要求、传动机械要求及必需设备条件图。
l P&I D 0版。表示管道尺寸、材料等级、伴热、阀门、绝热（保温/保冷）等级、安全阀系统、管道编号、仪表及控制回路等。
l 仪表数据表、控制原理图、报警联锁表。
l 管道规格书（或管道材料图）。包含介质、工艺条件、设计条件、管道尺寸、管道材料、保温等。
l 初步部署图。表示关键设备部署和占地面积。
l 特殊管道材料等级要求。
l 生产操作和安全规格要求。
l 分析化验要求。
l 特殊检修要求。
l 界区备件表。
l 操作手册（操作指南）。
二、工艺物料步骤图（PFD）设计
PFD设计是化工厂装置设计过程一个关键阶段，在PFD设计过程中，要完成生产步骤设计、操作参数和关键控制方案确实定，和设备尺寸计算，是从工艺方案过渡到化工工艺步骤设计关键工序之一。
PFD是项目设计指导性文件之一，在工艺设计阶段完成。公布以后相关专业必需按PFD图进行工作，并只能由工艺专业解释和修改。
1、PFD设计内容
PFD关键内容应包含：全部工艺设备及位号关键设备名称、操作温度、操作压力；物流走向及物流号（流股号），同时，应有和流股号对应包含物流组成、温度、压力、状态、流量及物性等关键物流计算结果物料平衡表，可表示在PFD上，或单独出版，依据不一样设计工况应分别列出或出版；关键控制方案仪表、功效及其信号走向；标出泵流量和进出口压力、塔实际板数及规格、换热器热负荷等。PFD必需反应出全部工艺物料和产品所经过设备、关键物料管道、并表示出进出界区流向。对于公用工程，如水、冷冻盐水、氮气、工艺用压缩空气、蒸汽及冷凝液系统仅表示工艺设备使用点进出位置。
通常每个工程（或企业）全部要公布用于PFD设计图例、符号（要求）图（LEAD SHEET），对PFD设计中设备画法、设备编号、仪表符号、标注符号、管道符号、物料代号和缩写词等作统一要求（也有在PFD图上简单表示）。
下面分别简述设备、工艺物流和关键控制方案具体设计内容和画法。
（1）设备
在PFD中，设备用细实线简单绘出，如有多台相同设备并联时，能够只画出一台，但要标明位号A/B，而对于需要再生设备，需全部绘出。关键设备尽可能按合适百分比画出相对位置、大小，而设备基础、裙座和管接头不表示。通常在设备周围标注设备位号，并在图纸上方或下方空白处按设备重合情况由上到下分层标注设备位号、设备名称及规格。通常情况下，静设备在图纸上部、动设备在图纸下部表示。也有另外一个表示方法：对于容器类、压缩机类设备在图上方标示设备名称、位号及规格，并在图中设备周围标示设备位号，而泵类、换热器类设备旁边通常只标位号及规格。
标准设备关键规格和参数通常为：泵应注明正常流量和吸入、排出压力；容器应注明直径和切线长度（或高度）；塔器应注明塔径和切线高度，在塔内注明实际板数或填料段数；换热器要注明换热器正常负荷。
设备外形表示方法以下;
l 离心泵用圆圈加底座组合表示，进料指向圆心。
l 往复泵以┤形和一端不封闭长方块表示。
l 换热设备用圆圈或设备外形表示。
l 压缩机要表示出其型式，并表示出压缩机段数和关键配套辅助设备。如型式还未确定，可用方块表示。
l 反应器要画出关键元件，如筛板、催化剂框等。
l 分离器也要表示出内件。槽、罐类设备要画出隔板、液封。
l 喷射器、其它特殊设备，如造粒塔、电解槽、电石炉、空气磨等尽可能画出实物大致外形。
（2）工艺物流
在PFD中，工艺物流用粗实线绘出，并用箭头标示物流去向。再生系统物流用细实线标出。关键物流应标注流股号（除PFD外，应有单独物料平衡表），并在物料平衡表中列出PFD上对应物流组成、温度、压力、流量状态和相关物性。在一张图中，和其它图相关物流应标明物流起源和去向。在PFD中，关键物流应标明温度和压力（也可表示在塔和容器上），进塔装置关键物流也可标明流量。PFD中对物流标注最少应包含下列内容。
l 标识步骤图上各点物料编号（流股号）。
l 除有压力改变地方要画上阀门（以表示压力等级区分）和特殊关键阀门外，其它情况阀门一律不在图上画出。
l 要表示正常生产条件下放空和排液管道。
l 对于作为热源或冷却介质蒸汽、冷却水、凝液只标进出流向。
l 含有液封作用管线，除表示出液封外形外，还要注明液封高度。当排放口高度有要求时，要注明排放高度。
l 工艺用蒸汽、凝液、冷却水、冷冻盐水、工厂空气管线和氮封管线，一律不画进出总管。
流股号在菱形框内按次序用阿拉伯数字编写。通常见三位数字表示，第一位表示单元或工段，后两位表示序号。
设备间物料流向用带箭头实线表示。
进出装置界区物料流向以圆圈中箭头表示；图纸之间用长方框（或带箭头长方形）表示物料起源或去向。
冷却水、蒸汽、凝液、工厂空气等在无特殊要求情况下不标明起源和去向。
（3）关键控制方案
在PFD中，应标示出全部控制回路及其相关仪表和调整阀。比如塔器压力控制回路、灵敏板温度控制回路、回流控制和塔釜液位控制回路，罐液位控制回路，关键换热器液位控制回路或温度控制回路等。仪表仅表示出仪表类型，如温度仪表、压力仪表等。调整阀应在对应物流线上标明，但不用标注调整阀尺寸。在复杂控制回路中，应用箭头标示信号去向。对于由组分控制回路，应标明需要检测关键组分。
2、单元设备经典设计
化工生产过程中需要使用多种单元设备，每种单元设备对工艺步骤图设计全部有一定要求。作为一个工艺步骤图设计者，只要掌握多种单元设备经典设计，再结合工艺步骤和工程项目标特殊要求，配以设计者工程经验，就可进行工艺步骤图中单元设备设计。
参见例图。
（1）泵
在PFD中，泵通常绘在图下部。同时绘出和泵相连工艺物流即可。在泵周围，尽可能在泵正下方，标明泵位号、吸入压力、排出压力和正常操作时流量。
（2）容器
容器分卧式容器和立式容器两种。容器需依据容器在步骤中相对位置在图面上部署。在PFD中，应绘出和容器相关关键工艺物流及和关键控制回路相关辅助物流。容器名称、规格和位号在PFD中容器正上方靠近顶部标出，同时在容器周围也标出容器位号。容器内关键部件（如除沫器）应在PFD中绘出。容器操作操作压力应在图中标出。
（3）塔
在PFD中，塔通常在图中部绘制。同时，应绘出和塔相关关键工艺物流及和关键控制回路相关辅助物流。塔名称、规格和位号在PFD中塔正上方靠近顶部标出，同时在塔周围也标出塔位号。塔内关键部件应在PFD中绘出，如塔实际板数或填料段数、进料板号和侧线采出板号。同时应绘出和塔相关关键控制回路及控制点相对位置，如塔压力控制回路、灵敏板温度回路、回流控制回路和塔釜液位控制回路等，还要标出塔操作温度、操作压力。塔周围设备应依据步骤中相对位置在工艺步骤图中绘出。
（4）换热器
常见换热器有管壳式和釜式两种。在PFD中，换热器需要依据其在步骤中相对位置在图面上部署。对于管壳式换热器应标明工艺物流所流经是壳侧还是管侧，对于釜式换热器也要标明工艺物流所流经那一侧。非工艺物流仅在图中表示，并注明介质名称即可。要表示出关键控制回路，在换热器周围标明位号。
（5）压缩机
在工艺步骤图中，压缩机通常绘在图下部（也有在上部）。并绘出和压缩机相连工艺物流和关键控制回路。在压缩机周围，尽可能在压缩机正下方，标明压缩机位号、吸入压力、排出压力和正常操作时流量。
3、PFD图面部署和制图要求
各个设计单位在绘制PFD时所用图纸规格不一样，通常采取1＃（A1）图纸，方便图面部署，但应尽可能确保在其缩印成3＃（A3）图后依旧清楚，便于工作。
（1）PFD图面部署
l 设备在图面上部署，通常是顺步骤从左到右。
l 塔、反应器、换热器等放在地面上设备，通常是从图面水平中线往上部署。
l 压缩机、泵部署在图面下部1/4线以下。
l 中线以下1/4高度供画管道用。
l 其它设备部署在PFD要求位置，如高位冷凝器部署在回流罐上面，再沸器靠塔放置。
l 对于无高度要求设备，在图面上位置要符合步骤流向，方便和物流线连接。
（2）绘图要求
l 图纸编号和图纸名称按相关要求。
l 仪表和设备表示方法要依据工程Lead Sheet或相关要求。
l 要改造设备用蘑菇云圈住。
l 设备内件用细实线表示。
l 工艺物流出入图面要绘一矩形框或带箭头矩形，内用文字表明相接设备和图号。
l 设备位号按Lead Sheet或相关要求。
l 物流流向箭头通常画在物流线改变方向处。
在和PFD对应物料平衡表中，可按操作工况从每股物流流股号上，对应地找到物料平衡表中流股号从而知道该物股温度、压力、各组分含量等数据内容，要能满足工艺专业提条件需要，需要什么数据、物料平衡表就应该能输出什么数据。
4、物料和热量衡算和PFD
在工艺设计阶段，工艺专业工程师要进行全步骤物料平衡及热量平衡计算，应进行必需方案比较，选择并考虑合适操作弹性。
化工生产过程中，常常需要加热或冷却很多流股，最简单方法是按各流股质量流速、热负荷、进出口温度分别引入蒸汽加热或冷却水（冷冻液）冷却，它们消耗组成了公用工程费用，在生产成本中占有相当大份额。用这个方法设计热量平衡，方法简单、设备投资较少。但用有效能分析得悉，这么步骤热力学效率很低，能耗不合理。为了降低成本、节省能源应该用热交换器网络合成技术，具体对每股热（冷）物流进行分析，尽可能使系统内加热和冷却物流相互配合使用，尽可能降低从外界引进热剂或冷剂，以达成降低能耗、降低成本目标。当然这么做会增加投资费用，还需要综合比较，不过通常来讲增加一次性建设投资，而取得长时期低生产成本，从长远看是合算。
用步骤模拟模型、热力学性质计算程序和热力学性质数据库软件进行计算机模拟计算，就能够完成正确物料平衡和热量平衡计算。
物料衡算就是依据质量守恒定律，来确定原料和产品间定量关系，从而能够计算出原料和辅助材料用量、多种中间产品、副产品、成品产量和规格和三废排放量。
物料衡算是进行化工工艺设计和设备设计基础，在完成物料衡算基础上才能进行能量衡算，从而进行工艺方案比较和选择，指导定型设备和仪表选型、非定型设备工艺计算和管道尺寸计算，完成化工过程PFD和PID设计。另外，经过物料衡算还能够分析实际生产过程完善程度，从而找出改造方法来改善工艺步骤，达成提升成品率、降低副产品和降低三废排放量等目标。