注册化工工程师考前辅导-化工工艺

1、化工工艺设计讲座化工工艺设计讲座 主讲：朱逸斋主讲：朱逸斋1 概述概述1.1 化工工艺设计人员必须具备的基本条件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：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）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）。力学（化学反应工程）。 （2） 掌握化工工艺设计方法和技能掌握化工工艺设计方法和技能 工艺设计的任

2、务、设计范围、工艺设计人员职责。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）。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）。工艺设计的成品文件（内容及深度）。 工艺设计的质量保证程序。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）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石油化工企业环境保护设计规范HG20571-95 化工企

3、业安全卫生设计规定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石油化工企业职业安全卫生设计规范GBJ16-87(2001版版) 建筑设计防火规范建筑设计防火规范GB50160-92(1999版版) 石油化工企业设计防火规范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爆炸和危险性环境电力装置设计规范（4）一定的工作经验）一定的工作经验1.2 化工建设项目阶段化工建设项目阶段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：为三个阶段：（1）项目前期）项目前期 项目建议书项目建

4、议书 批准后即为立项批准后即为立项 可行性研究报告可行性研究报告 批准后即可展开工程设计批准后即可展开工程设计（2）工程设计）工程设计 按国内审批要求分为：按国内审批要求分为： 初步设计初步设计 批准后建设单位即可开工。批准后建设单位即可开工。 施工图设计施工图设计 按国际常规做法分为：按国际常规做法分为： 工艺设计工艺设计 基础设计基础设计 详细设计详细设计（3）施工、安装、试车、性能考核及国家验收（验收）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）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，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：通

5、常分为四个阶段： （1）项目前期）项目前期 （2）工程设计）工程设计 （3）工程建设）工程建设 （4）工厂投入生产）工厂投入生产2. 工艺设计的内容和深度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：工艺设计的文件包括三大内容： （1）文字说明（工艺说明）文字说明（工艺说明） （2）图纸）图纸 （3）表格）表格2.1.1 文字说明（工艺说明）文字说明（工艺说明） 工艺设计的范围工艺设计的范围 设计基础：生产规模、产品方案、原料，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、产品及催化剂，化学品，公用工程燃料规格、产品及副产品规格副产品规格 工艺流程说明：生产方

6、法、化学原理、工工艺流程说明：生产方法、化学原理、工艺流程叙述艺流程叙述 原料、催化剂、化学品及燃料消耗定额及原料、催化剂、化学品及燃料消耗定额及消耗量消耗量 公用工程（包括水、电、汽、脱盐水、冷公用工程（包括水、电、汽、脱盐水、冷冻、工艺空气、仪表空气、氮气）消耗定额及冻、工艺空气、仪表空气、氮气）消耗定额及消耗量消耗量 三废排放：包括排放点、排放量、排放组三废排放：包括排放点、排放量、排放组 成及建议处理方法成及建议处理方法 装置定员装置定员 安全备忘录（另行成册）安全备忘录（另行成册） 技术风险备忘录（通常为对内使用，另行技术风险备忘录（通常为对内使用，另行 成册）成册） 操作指南（通常

7、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）供工艺系统、配管等专业使用）2.1.2 图纸图纸 PFD：是：是PID的设计依据，供基础设计使的设计依据，供基础设计使用（通常分版次逐版深化）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。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

8、）。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。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、：通常是设计院内部设计过程文件、最终体现在终版最终体现在终版PFD中（通常由自控专业完成）。中（通常由自控专业完成）。2.1.3 表格表格 物料平衡表：包括物流组成、温度、压力、状态、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（热负荷表示在此流量、密度、焓值、粘度等理化常数（热负荷表示在此表中或表中或PFD图上）。图上）。 工艺设备数据表：根据设备形式不同、作用不同以工艺设备数据表：根据设备形式不同、作用不

9、同以及介质不同可分为容器、塔器、换热器、工业炉、机泵、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）。设计院均有各种规定的表格）。 工艺设备表工艺设备表 取样点汇总表取样点汇总表 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

10、材料、公用工程、产品、副产品、进出终发表（包括原材料、公用工程、产品、副产品、进出界区条件等）。界区条件等）。2.2 补充说明：化工工艺专业尚需参加前补充说明：化工工艺专业尚需参加前期工作，主要前期工作有：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、技术文件编制项目报价书；投标书、技术文件编制工作。工作。 引进项目：包括询价书、投标书的评引进项目：包括询价书、投标书的评标、合同技术附件谈判。标、合同技术附件谈判。 大中型联合装置总体规划设计。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）工艺设计方法（化工

11、基本理论的应用）3.1 工艺路线的选择工艺路线的选择 原料来源原料来源 经济效益和社会效益（生产成本）经济效益和社会效益（生产成本） 环境保护环境保护 其它，如操作条件、安全、消防、投资、其它，如操作条件、安全、消防、投资、工艺先进性，可行性，合理性。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反应系统 精馏系统精馏系统换热网络换热网络公用工程公用工程 3.2 工艺流程方案优化工艺流程方案优化“洋葱头洋葱头”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）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从图中可以看出设计的核心是反应系统的设计和开发。设计和开

12、发。“洋葱头洋葱头”模型强调过程开发和模型强调过程开发和设计的有序和分层性质。设计的有序和分层性质。 (1) 反应流程优化反应流程优化 见表见表-7.4.2（P-544） 反应流程优化需要考虑的问题较多，问题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、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。反应历程、反应途径。 反应器的最优操作条件有如何保证反应温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。配比、给定条件下的生产成本等等。(2) 精馏流

13、程的优化精馏流程的优化精馏流程如需要分离精馏流程如需要分离R个组份，就需要有个组份，就需要有R-1个精馏塔。个精馏塔。精馏优化需要考虑：那种组份为主产品；精馏优化需要考虑：那种组份为主产品； 那种组份为付产品；那种组份为付产品； 产品的规格要求。产品的规格要求。 精馏流程的优化法精馏流程的优化法1）：试探法，主要规则如下：）：试探法，主要规则如下： 优先使用普通精馏。优先使用普通精馏。 尽量避免减压操作和使用冷量。尽量避免减压操作和使用冷量。 产品数应最少。产品数应最少。 腐蚀性、危险性的组份应优先分出。腐蚀性、危险性的组份应优先分出。 难分离的组分最后分出。难分离的组分最后分出。 最大量组份

14、应优先分出。最大量组份应优先分出。 塔顶、塔釜产物最好等摩尔分离。塔顶、塔釜产物最好等摩尔分离。精馏流程的优化法精馏流程的优化法2）：调优法）：调优法精馏流程的优化法精馏流程的优化法3）：数学规划法）：数学规划法(3) 蒸发流程的优化蒸发流程的优化 1）单效、双效、三效蒸发。）单效、双效、三效蒸发。 2）热泵蒸发、膜式蒸发。）热泵蒸发、膜式蒸发。 3）多级闪蒸。）多级闪蒸。 4）强制循环蒸发、自然循环蒸发。）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。文、强制循环蒸发器）进行选择。 3.3 工艺设备的选择工艺设备的

15、选择(1) 反应器：反应器： 1）连续）连续 1）均相）均相 1）活塞流）活塞流 （管式）（管式） 2）半连续）半连续 2）非均相）非均相 2）全混釜）全混釜 （搅拌釜）（搅拌釜） 3）间歇）间歇 以上反应器的选择要根据物料性质、稳定性、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、压力反应复杂性、产品规模、反应时间、温度、压力等因素综合考虑。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不同类型的反应器在工业生产中的应用情况 见表见表7.4.3-1(P-547)。 气液相反应器及固相反应器的使用情况气液相反应器及固相反应器的使用情况 见表见表7.4.

16、3-2(P-548)。 固体催化反应器的使用情况固体催化反应器的使用情况 见表见表7.4.3-3(P-548)。(2) 气液传质设备：气液传质设备： 1） 板式塔：泡罩、浮阀、筛板等。板式塔板式塔：泡罩、浮阀、筛板等。板式塔塔板流体流向分布类型可分为塔板流体流向分布类型可分为U形流，单溢形流，单溢流，双溢流等流，双溢流等 2） 填料塔：填料塔： a、拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。、拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。 b、散堆、规整填料。、散堆、规整填料。 c、实体填料、丝网填料。、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

17、料）、物料度、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、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。安全要求、弹性大小、发泡等情况选择。(见见P-549) (3)传热设备：传热设备：按功能分：冷却器、冷凝器、加热器、换热器、再按功能分：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。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分有以下5种型式：种型式：A. 管壳式（固定管板式、浮头式、填料函式、管壳式（固定管板式、浮头

18、式、填料函式、U型型B. 管式）管式）B. 板式（板翅式、螺旋板式、伞板式、波纹板式）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）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）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）其它型式（板壳式、热管式） 以上型式换热器的选择依据是：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 固定管板式换热器即两端管板和壳体连接成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，因此选用固一体，由于壳程不易检修和

19、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时应考虑热补偿，两流体温差不易大于120。B. 浮头式换热器浮头式换热器 该换热器壳程易清洗，但内垫片易渗漏，适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，两流体温差大用于需要补偿热膨胀的换热器，两流体温差大于于120。C. U型管式换热器型管式换热器 该换热器制造、安装方便，造价较低，管程耐高压，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

20、压的场合，且管内流但结构不紧凑。适用于高温和高压的场合，且管内流体必须洁净。体必须洁净。D. 板式换热器板式换热器 板翅式：紧凑、效率高、可多股物料同时换热。使板翅式：紧凑、效率高、可多股物料同时换热。使 用温度不用温度不 大于大于150。 螺旋板式：可用于带颗粒物料，物位利用好。不易螺旋板式：可用于带颗粒物料，物位利用好。不易 检修。检修。 伞板式：伞板式： 制造简单、紧凑、易清洗，使用温度不制造简单、紧凑、易清洗，使用温度不 大于大于150 ，使用压力不大于，使用压力不大于0.12MPa。 波纹板式：紧凑、效率高、易清洗，使用温度不大波纹板式：紧凑、效率高、易清洗，使用温度不大 于于150

21、， 使用压力不大于使用压力不大于0.15MPa。 E. 空冷器的选择依据空冷器的选择依据 a. 空气入口温度（即设计温度）低于空气入口温度（即设计温度）低于38。 b. 热流体的出口温度高于热流体的出口温度高于5065，并允，并允许有一定的波动范围（许有一定的波动范围（35）。）。 c. 对数平均温差大于对数平均温差大于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）至少大于冷流体入口温度之差）至少大于15。 e. 管内给热系数小于管内给热系数小于2325.6W/(m2.K)。 f. 冷却水的污垢系数大于冷却水的污垢系数大于0.0002(m

22、2.K)/W g. 水源较远，取水费用大。水源较远，取水费用大。 h. 热流体的凝固点较低热流体的凝固点较低(小于小于0)。 (4) 化工用泵：化工用泵： 根据物料性质、物料的腐蚀性、易燃易爆、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、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。安全性、可靠性和密封等要求。 见表见表7.4.5-3（P-553）(5) 容器（储罐）：容器（储罐）： 根据物料性质、物料的腐蚀性、易燃易爆、根据物料性质、物料的腐蚀性、易燃易

23、爆、有毒、高温、高压、低温、粘度大小、挥发性、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。固体颗粒等因素综合考虑。压力容器分类压力容器分类 见表见表7.4.5-5（P-557）。）。4. 工艺设计工作程序工艺设计工作程序 化工工艺化工工艺接受设计条件接受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设计跟踪服务设计跟踪服务。 基础设计、详细基础设计、详细设计完工报告设计完工报告接受设计条件：接受设计条件：项目经理项目经理 项目建议书项目建议书 可研报告可研报告 装置平面图装置

24、平面图 专利、专有技术资料专利、专有技术资料 工艺设计、基础设计数据工艺设计、基础设计数据 开工报告开工报告 有关会议资料有关会议资料 合同文件合同文件消化资料确定设计基础：消化资料确定设计基础： 工艺路线工艺路线 产品方案产品方案 设计规模设计规模 年操作时间年操作时间 操作弹性操作弹性 原料、催化剂规格原料、催化剂规格 产品和付产品规格产品和付产品规格 公用工程规格公用工程规格 界区条件界区条件展开工艺设计展开工艺设计: 确定工艺流程方案确定工艺流程方案 工艺计算：物料、能量、设备工艺计算：物料、能量、设备 PFD 设备表设备表 工艺设备数据表工艺设备数据表 建议布置图建议布置图 原料、公

25、用工程消耗原料、公用工程消耗 确定公用系统方案确定公用系统方案UFD 三废排放量及建议处理方法三废排放量及建议处理方法 安全分析，危险区划分安全分析，危险区划分 初版初版PID (A版版)提出相关设计条件：提出相关设计条件： 自控条件：自控条件： 工艺控制工艺控制 联锁联锁 报警报警 电气条件：电气条件： 危险区划分危险区划分 特殊电气要求特殊电气要求 电气电气 联锁报警联锁报警 总图条件：建议布置图总图条件：建议布置图 设备条件：工艺设备数据表设备条件：工艺设备数据表 分析化验条件：取样条件表分析化验条件：取样条件表 取样点汇总表取样点汇总表 配管条件：操作原则配管条件：操作原则 安全规程指

26、南安全规程指南 三废排放一览表三废排放一览表 公用工程条件表公用工程条件表 消防条件消防条件 电信条件电信条件 采暖、通风、空调条件采暖、通风、空调条件 建、构筑物特性条件建、构筑物特性条件 安全生产、职业卫生安全生产、职业卫生 物性数据物性数据 文字说明文字说明完成工艺设计成品文件：完成工艺设计成品文件： 工艺说明书工艺说明书 图纸：图纸： PFD 附物料平衡表附物料平衡表 建议布置图建议布置图 表格：表格： 设备表设备表 工艺设备数据表工艺设备数据表 界区条件表界区条件表 取样点汇总表取样点汇总表 5. 设备设计压力和设计温度的确定设备设计压力和设计温度的确定5.1 压力：压力： 正常操作

27、（工作）压力正常操作（工作）压力 最高工作压力最高工作压力 设计压力的选取设计压力的选取 见表见表7.6.1 “设备设计压力一览表设备设计压力一览表”（P-561）5.2 温度：温度： 正常操作温度正常操作温度 最高操作温度最高操作温度 设计温度的选取设计温度的选取 见表见表7.6.2“设备设计温度选取表设备设计温度选取表”（P-562） 6. 过程控制方案的确定过程控制方案的确定6.1 过程控制方案确定的原则过程控制方案确定的原则 保证装置运行的平稳、生产安全、控制简保证装置运行的平稳、生产安全、控制简 单适用。单适用。 用单回路简单控制系统可以解决的，决不用单回路简单控制系统可以解决的，决

28、不 要用复杂的控制系统。要用复杂的控制系统。6.2 过程控制的分类过程控制的分类 压力压力 温度温度 流量流量 物位物位 化学成分和物性数据化学成分和物性数据6.3 选用控制仪表的要求选用控制仪表的要求 准确可靠准确可靠 灵敏度高灵敏度高 反应迅速反应迅速 滞后小滞后小 使用维护方便使用维护方便 价格便宜价格便宜6.4 典型化工单元的控制方案典型化工单元的控制方案6.4.1 反应反应 反应控制的要求反应控制的要求 达到规定的转化率、产品浓度。达到规定的转化率、产品浓度。 处理量平稳。处理量平稳。 当出现不正常工况时，能报警、联锁或自动当出现不正常工况时，能报警、联锁或自动选择性调节系统。选择性

29、调节系统。 反应控制方案反应控制方案 以反应转化率为控制变量以反应转化率为控制变量 见图见图7.7.3-1（P-564）。）。 以反应工艺状态变量为控制对象以反应工艺状态变量为控制对象 见图见图7.7.3-2（P-565）。）。 6.4.2 精馏精馏 精馏是常见的液液分离方法，精馏控制主要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、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、压力组成、温度、操作压力、冷却和加热介质、压力及温度的变换。及温度的变换。 精馏控制可分为：精馏控制可分为： 按精馏段指标的控制方案按精馏段指标的

30、控制方案 见图见图7.7.3-3（P-566） 按提馏段指标的控制方案按提馏段指标的控制方案 见图见图7.7.3-4（P-567） 塔顶压力控制方案塔顶压力控制方案 见图见图7.7.3-5（P-568） 真空度控制方案真空度控制方案 见图见图7.7.3-6（P-569） 其它控制方案其它控制方案 见图见图7.7.3-7（P-569）6.4.3传热设备传热设备 控制载体的流量控制载体的流量 见图见图7.7.3-8（P-570） 控制传热面积控制传热面积 见图见图7.7.3-9（P-570） 控制载体的气化温度控制载体的气化温度 见图见图7.7.3-10（P-571） 工艺介质旁路控制工艺介质旁路控制 见图见图7.7.3-11（P-571）6.4.4流体输送设备流体输送设备 离心泵控制方案离心泵控制方案 见图见图7.7.3-12（P-572） 改变转速的控制方案改变转