化工设计-分馏塔为例

魏耀东2014.7化学工业，化工工程，

化学设计，化工装备

学--科学，工---工业。化学是属于科学范围，化工往往与技术有关。需要集成，考虑成本。

化工中的一些基本原理，其实是化工中应用理论力学，流体力学，热力学，传热学等科学问题的应用。

化工中用到的反应，是化学发现的，再应用到工业生产中。化学是探索，化工是用化学的方法生产出市场上需要产品的工业。如果化工是生产商店里的服装卖的话，化学就是设计走T型台的概念服装。化学与化工一、化学工业的发展历史、化学工业覆盖的范围及其在现代经济体系中的地位1、化学工业的发展历史化学工业历经了古代、近代、现代三个主要发展阶段。化学工业发展阶段①、古代化学工业：从数千年前人类阳光晒盐、地下卤水煮盐开始，萌发了古老的化学工业。②、近代化学工业：从18世纪中叶，欧洲造纸、玻璃、肥皂的大规模生产开始，表明近代化学工业的形成。③、现代化学工业：上世纪40年代开始，随着合成橡胶、石油炼制、合成纤维工业的迅速发展，随着化工单元操作理论的日益成熟，在科学技术和生产规模二个层面上，揭示现代化学工业开始形成。工业园区的模式运行，公用工程，产品流通，三废处理等。2、化学工业属于过程工业型制造业（流程型制造业）现代制造业离散型制造业（例如汽车工业等）过程工业型制造业（又称“流程型制造业”）（例如化学工业、冶金行业等）

流程型制造业一般是能耗大户，也是排放的大户。其节能、降耗、减排的任务十分艰巨。

例如：一个年产值不过仅10亿元人民币的合成原料药制造企业，它每天的耗水量可高达5000立方米。

过程工业是以流程性物料为主要处理对象、完成一系列化学、物理过程，改变物质的状态、结构、性质的工业生产总称。3、现代化学工业覆盖的范围

我国化学工业的分类与美国、欧盟关于化学工业的范畴有一些区别，但逐步在接轨，按美国、欧盟的化学工业年鉴，现代化学工业覆盖以下范围：现代化学工业石油化工（包括其衍生的有机化工）煤化工（包括其衍生的有机化工）无机化工精细化工及中间体化肥工业农药工业医药工业轻工（造纸、玻璃、塑料、合成橡胶等）染料、油墨、化妆品、清洁剂生物化工4、化学工业在现代经济体系中的地位

化学工业是所有高新技术产业的支撑工业，如能源、电子、信息、生物、材料等领域，都离不开化学工业提供的物质支撑。

化学工业绝不是所谓的“夕阳工业”、“夕阳产业”，它现在仍然正在平稳高速的发展，将来必将持续快速发展。1990年～1999年，美国、欧盟化学工业的发展速度是其全部工业平均增长速度的2.69倍。

美国化学工业的规模一直雄居世界化学工业总量的30％左右，是美国为数不多在国际贸易体系内具有贸易顺差的制造业之一。

在世界500强企业中，以化工为主或涉足化工领域的企业为数不少。世界500强中，很多是化学工业。Shell(2),Sinopec(3),CNPC(4),Exxonmobil(5),BP(6),Total(11),Chevron(12),others,DUPONT,BASF,DOW,ICI,Cnooc(中海油),CONOCOPHILLIPS，……二、化工过程设计的基本内容1、化工设计、化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计四个名词之间的联系与区别

化工设计是泛称，在不同场合可分别指称化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计，其内涵最广，但意义不明确。化工厂设计化工过程设计（核心）化工厂房建筑、结构设计总图设计，….等非工艺部分设计化工工艺设计（核心）公用工程设计、外管设计，…等化工过程设计是针对化工工艺设计的深入、配套与完善。2、化工过程设计的目标及内容

美国国家顾问团在其“化学工程的新领域”著作中，简明阐述了化工过程设计的主要目标：

确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优投入产出比。在定量计算的基础上，结合专家的经验，考虑安全、健康、环保的因素，确定出一个综合的设计方案。化工过程设计的内容：

其基本核心内容是化工工艺设计，其附带内容是针对化工工艺设计，对它的配套部分如公用工程、外管设计等进行深入设计和完善。3、化工过程设计的深化改革化工过程设计发展方向复杂大型化工厂的设计柔性化工厂的设计自主创新设计与国际工程设计的接轨我国化工设计院，原来的专业部门进行了相应的改革调整。原来的工艺专业部工艺专业部（大部分为化学工程与工艺专业人员）工艺系统专业部（少量化学工程与工艺专业人员，大量其它辅助专业）工艺专业部：侧重化工工艺设计工艺系统专业部：侧重化工过程设计中除了化工工艺设计以外与工艺有关的内容工艺专业部：侧重出PID图、PFD图工艺系统专业部：侧重出UID图、UFD图PID

（ProcessInstrumentDiagram）带控制点的工艺仪表管道流程图PFD

（ProcessFlowsheetDiagram）过程物料流程图UID

（UtilityInstrumentDiagram）公用工程仪表管道流程图UFD

（UtilityFlowsheetDiagram）公用工程物料流程图其中，各种图纸随设计的深入，分成多个版本。

工艺专业部与工艺系统专业部之间，在设计工作过程中有许多需要交流的条件、文件（“条件表”），有发出条件的主导专业，有接收“条件表”的接收专业。我国化工设计院的专业种类化学工程与工艺化工机械自动化及仪表总图概预算（工程经济）建筑、结构、暖通、给排水、强弱电热工、环境工程（环保）、工业炉三、计算机辅助化工过程设计

在20世纪20年代以前，化工过程设计几乎没有理论作指导，几乎是完全凭经验。

在20世纪20年代～60年代，化工过程设计已经开始有化工单元操作理论作指导，可以定量计算设计，但几乎完全凭手工计算与绘图完成设计工作。

在20世纪60年代以后，计算机辅助化工过程设计得到了发展。

为什么直到20世纪60年代后，在化工设计领域开开始出现计算机辅助化工过程设计呢？计算机软、硬件技术的发展化工单元操作等理论的不断成熟数学计算技术的发展计算机辅助化工过程设计的优势（优点）：①、设计工作效率高②、规范性好③、设计水平高（可进行优化设计）效率对比：一个年产30万吨的乙烯的工程，如果全凭手工计算与绘图，400个设计工程师要花费近1年的时间，才能完成一个流程方案的设计。而借助计算机辅助化工过程设计系统，200个设计工程师花费8个星期，就能完成一个流程方案。

后者的设计工作效率比前者高出10多倍。计算辅助化工过程设计软件系统的发展情况：第一代商品化软件系统20世纪60年代，以美国各高校联合开发的CHESS软件系统为代表。Chem.Eng.SimulationSystem20世纪70年代初，以美国Monsanto公司牵头开发的FLOWTRAN软件系统代表。第二代商品化软件系统FlowsheetTranslator第三代商品化软件系统20世纪80年代，以ASPEN

和PROCESSII两大软件系统代表。AdvancedSystemforProcessEng.

我国最早由寰球、化工部八院等单位于上世纪90年代率先引进ASPEN软件系统。现在，国内各设计院基本都已经使用ASPEN或ProcessII软件系统进行计算机辅助化工过程设计。计算机辅助化工过程设计软件系统的发展方向（趋势）：（1）、单元操作模块的种类数；（2）、物性数据库的大小及数据的估算方法；（3）、能处理的流股数量和组份数量；（4）、计算技术方法（求解方法）；（5）、能处理的流股相态；（气、液、固、胶体、电解质等）（6）、软件系统的人性化界面及开放程度；（7）、流程图形输入及识别技术。等等四、现代化学工业的发展方向、化学工程伦理学责任关怀制度1、现代化学工业的发展方向人类发展化学工业的目的：

满足人类对化学物质（分子式、数量、质量、多尺度形态）的不断需求。这个目标由化学家和化学工程师，在技术层面上共同完成。现代化学工业发展方向新物质经济合理的大批量高质量柔性化绿色化多尺度其中：

化学工业绿色化的含义：以“减量化、再利用、资源化”为基本原则，也就是所谓的“3R”原则。（Reduce、Recycle、Resource）具体体现在：（1）、减少化工过程的能耗、物耗；（2）、减少有害物质的使用或生成；（3）、减少废弃物，并使废弃物在系统类在利用；（4）、尽量将排放的废弃物转化为可用的再生资源；（5）、尽量延长产品的生命周期。ReduceRecycleResource2、化学工程伦理学及责任关怀制度

在化学工程领域实施注册工程师制度，在化学工程师心目中树立伦理学观念，建立责任关怀制度。开始逐步成为国际化学工程领域的一个发展大趋势。伦理学理念体现在：（1）、自觉维护化工过程的安全；（2）、自觉保护环境的意识；（3）、自觉节约资源的意识；（4）、对业主、化工厂操作人员、同事负责的精神。责任关怀制度的含义：（1）、提高对安全、健康、环保、资源的认知和行动；（2）、充分报道成绩、行动计划，但不回避缺陷；（3）、与公众沟通，并倾听意见的日常化。等等。机泵等供货商初步资料初步设计方案论证业主条件首页图统一规定开工报告及协作进度表基本确定PFD、PID、主要机泵、设备选型及设备布置图设计成品入库，条件归档科室抽取、修改、完善轴测图与外专业相互会签设备、土建、自控、机泵、材控、电气、电信、给排水、消防、暖通、热工、环保安全卫生、外管依次提出各专业一次条件提防腐、保温条件完成管道安装材料表、管道命名表、管架表、地脚螺栓表、综合材料表、设备表、施工图说明及图纸目录接收自控的安装条件及控制点位号提管机条件、管口方位图、调节阀规格单、钢平台梯子条件三维建模，设计管道布置图土建、设备、材料返回一次条件提出土建二次条件与外管核对接点条件完善PID，管架设计接收管机专业关于管架的意见化工设计流程连续精馏装置的工艺流程操作目的：通过反复的部分汽化与部分冷凝，将混合液中沸点不同的各组分分离成产品。操作代价：消耗能量，塔底需要加热使塔底液部分汽化；塔顶需要冷却使塔顶组分冷凝；化工工艺接收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详细设计跟踪服务基础设计设计完工报告工艺设计工作程序项目经理应提供的条件和资料：●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●合同文件接受设计条件：●采用的工艺路线及其依据，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。●原材料、辅助原料、催化剂、化学品的规格要求及界区条件。●产品、中间产品及副产品的规格（产品牌号、规格、性能等）。●公用工程的各项规格要求及界区条件（温度、压力等）。●其它设计条。消化资料确定设计基础：●确定工艺流程方案●工艺计算：物料、能量、设备工艺计算●PFD和初步的UFD●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●初步的安全分析，危险区划分●初版PID(A版)开展工艺设计:

●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●三废排放一览表提出相关设计条件：

●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●文字说明提出相关设计条件：

工艺说明书●图纸(图纸是工程语言)

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

完成工艺设计成品文件：

精馏塔概述37精馏塔的设计(化工设计)系统、工艺，机械，土建，仪表，公用工程（汽水电）精馏塔的制造精馏塔的运输和安装精馏塔仪表安装和调试材料，制造工艺，零件，机加工，焊接，组装，检验，防腐运输，车具，吊装，梯子平台，接管，保温，防腐，试压控制方案，仪表选择，安装，布线，控制方法（PID），组装,系统调试等1、新建项目设计（技术开发）

2、重复建设项目设计（成熟技术）3、已有装置的改造设计（技术改进）

公用工程换热网络分离系统反应系统工艺流程方案优化“洋葱头”模型

（由史密斯、林霍夫提供的模型）

整个流程的组成；

每个过程或工序的组成；

工艺操作条件；三传一反

主要操作参数的控制

主要设备，机器

控制点和控制方法。

一、分馏塔的工艺设计部分三、分馏塔的设计

工艺流程图（PI，PFD，PID，PCD）

blockflowsheet

simplifiedflowsheet

processflowsheetdiagram.PFD

pipingandinstrumentdiagram,PID

processcontroldiagram,PCD

工艺设计内容（物料、能量、热量、动量平衡）

热力学计算

温度

压力

组分

操作线

塔盘数

进料位置

回流比

…

水力学计算

操作气速

塔顶回流量

压降

温降

塔高

塔径

…设计条件分馏塔为例说明材料

塔壁厚度，

封头

支撑裙座

安全阀

吊柱

地脚螺栓

人孔

梯子平台

塔盘

保温

防火

…二、分馏塔的机械设计部分(理论力学，材料力学等)控制参数选择

控制精度

流量控制

压力控制

温度控制

液位控制

简单控制

串级控制

仪表选择信号传输

控制阀流量特性

PID参数整定

其他

…三、分馏塔的控制设计部分(控制理论，检测仪表等)分馏塔总图塔盘总图布液管脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图（PID）串级控制系统（副控制压力，也可以是流量）提镏段的串级控制系统压力容器与流体机械

静设备

反应器，塔，换热器，炉子，储罐，管线，管线等。

动设备

液体泵

气体压缩机活塞式，离心式，轴流式。

装备部分-实体部分，投资的主体设计，制造，安装，维护，管理炼油装置-常减压-装置的布置炼油装置-常减压-资源共用（热风）炼油装置-常