化工工藝設計

1、《化工工藝設計》講座,,1.概述 化工工藝專業(yè)是化工設計的主要專業(yè)之一。無論是開發(fā)新的化工生產過程，還是設計新的化工裝置，化工工藝設計是直接關系到化工裝置能否順利開車、能否達到預計的生產能力和合格的產品,最終關系到工廠能否獲得最大的經濟效益。對于正在運行的化工裝置,化工工藝專業(yè)通過工藝分析,了解裝置物料和能量消耗情況,分析設備運行中存在的問題,可為制定改進方案、降低原料和能量消耗、提高產品質量以及挖掘生產潛力提供依據(jù)。因此，作為

2、化工工藝設計的人員必須具備下列基本條件：,1.1 掌握化工基本理論1.2 掌握化工工藝設計方法和技能（1）了解工藝設計的任務、設計范圍、工藝設計人員的職責。（2）掌握化工基本理論的應用（3）熟悉設計基本程序和相關專業(yè)的基本知識（4）清楚工藝設計成品文件的內容和深度以及工藝設計的質量保證程序。1.3 掌握生產、開停車的基本知識、分析生產事 故的能力以及相應的實踐經驗。,1.4 熟悉有關勞動安全衛(wèi)生、消防和環(huán)保等方面 的

3、法規(guī)。與工藝設計相關的上述諸方面的法規(guī)有：建筑設計防火規(guī)范 GBJ6-87(2001年版)石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范GB50160-92(1999年版)爆炸和危險性環(huán)境電力裝置設計規(guī)范 GB50058-92 化工企業(yè)安全衛(wèi)生設計規(guī)定 HG20571-95石油化工企業(yè)職業(yè)安全衛(wèi)生設計規(guī)范 SH3047-93化工建設項目環(huán)境保護設計規(guī)定 HG20667-1986石油化工企業(yè)環(huán)境保護設計規(guī)

4、范 SH3024-951.5 具有一定的工作經驗,2、工藝設計基礎數(shù)據(jù),2.1 在工程設計合同書中明確規(guī)定的以及業(yè)主應 提供的有關數(shù)據(jù)。（1）裝置的設計能力、操作彈性及年操作日;（2）產品方案及產品、副產品的規(guī)格；（3）建廠地區(qū)的氣象、水文、地質等條件；（4）所能提供的公用工程，包括水、電、汽、 氣等規(guī)格、數(shù)量及進界區(qū)條件；（5）原材料、催化劑、化學品等規(guī)格、消耗指 標及進界區(qū)條件；,2.

5、2 由專利商提供的： 除上述與專利商有關的數(shù)據(jù)外，還需專利商提供該專利范圍內的工藝操作條件、轉化率、收率、控制方案、相關設備條件等。2.3 工藝所需的物性參數(shù)。,3.1 概述： 工藝專業(yè)是自項目前期的可行性研究階段即作為主要專業(yè)參加編制，一直貫穿到工程設計階段。 在工程設計階段可分為以下幾個階段： （1）按國內審批要求分為：● 初步設計（批準后建設單位即可開工）● 施工圖設計,3、工藝

6、設計的內容和深度,（2）按國際常規(guī)做法分為：●工藝設計（以化工工藝專業(yè)為主導專業(yè)）●基礎設計（以化工工藝系統(tǒng)專業(yè)為主導專業(yè)）●詳細設計（以管道設計專業(yè)為主導專業(yè)）● 在建設單位完成了項目前期工作之后，設計單位即可開展項目的工程設計工作?！?在工程設計階段的工藝設計，它的主要依據(jù)是經批準的可行性研究報告及其批文、總體設計及其批文、工程設計合同書以及設計基礎資料。,3.2 工藝設計的內容和深度 3.2.1

7、概述 工藝設計的依據(jù)是經批準的可行性研究報告、總體設計、工程設計合同書及設計基礎資料。 制定相應的工藝流程，其原則是選擇先進可靠的工藝技術路線，進行方案比較，對方案進行優(yōu)化，確定合理的工藝流程方案，選取合適的工藝設備， 在考慮工藝流程方案時，應同時考慮到對廢物的綜合利用方案和必要的治理措施。 進行工藝物料和熱量平衡計算、繪制工藝流程圖(PFD)、編制工藝設備數(shù)據(jù)表和公用工程平衡圖，確定公用工程、環(huán)保的設計原則和排出物

8、治理的基本原則。,在工藝設計的過程中，工藝專業(yè)要和外專業(yè)互提條件，條件表作為重要的技術文件，是主導專業(yè)設計的初步成果，是接受專業(yè)的設計依據(jù)。 3.2.2 工藝設計的文件 包括三大內容： (1) 文字說明 (工藝說明) ； (2) 圖紙； (3) 表格。 以下介紹工藝設計所做的主要工作：,3.2.2.1 文字說明（工藝說明）(1) 工藝設計的范圍(2) 設計基礎：生產規(guī)模、產品方案、原料、催化劑、化學品、公用

9、工程燃料規(guī)格、產品及副產品規(guī)格(3) 工藝流程說明：生產方法、化學原理、工藝流程敘述;主要設備的特點及操作參數(shù);控制、聯(lián)鎖方案等。(4) 生產過程的主要危險、危害因素分折(5) 原料、催化劑、化學品及燃料等消耗定額及消耗量(6) 公用工程（包括水、電、汽、脫鹽水、冷凍、工藝7空氣、儀表空氣、氮氣）規(guī)格、消耗定額及消耗量(7) 三廢排放：包括排放地點、排放量、排放組成及建議的處理方法(8) 裝置定員,~,(9) 安全備忘錄 (

10、 另行成冊) :化工生產大多涉及易燃易爆、有毒有害的物質,為了保證裝置穩(wěn)定安全地運行,確保人身安全,減少事故和危害的發(fā)生,降低經濟損失,工藝設計通常需編制安全備忘錄它是工藝系統(tǒng)、布置和管道設計、儀表、電氣、總圖運輸、采暖通鳳、土建、環(huán)保、消防等相關專業(yè)開展設計依據(jù)之一。它需對裝置的安全特點作簡要說明，重點論述:1)生產過程中涉及的可能對人體和安全生產造成危害的危險介質的物理性質和燃燒、毒性、爆炸等化學性質,如自燃點、閃

11、點、與空氣形成爆炸性混合物的上下限、車間空氣中的允許濃度、儲存要求、對人身的危害等特征以及簡要的急救措施;,2)接觸危險介質的設備及管道的密封、氮封及維護清洗要求等;說明生產過程中存在的潛在危險;3)工藝裝置的火災危險類別,容易發(fā)生火災危險的區(qū)域及建議的消防措施,如設置化學消防、消火栓、滅火器等;4)有毒有害氣體危害較大區(qū)域的通風范圍、通風形式及換氣次數(shù);5)總圖布置和設備布置的要求及建議;6)可燃氣體或有毒氣體泄漏檢測器、

12、防腐、防靜電、事故照明、安全淋浴及洗眼器、防毒、防塵措施及防護用具等方面的建議,以及事故狀態(tài)下的緊急救護措施等。,,(10) 技術風險備忘錄（通常為對內使用,另行成冊）其主要說明新工藝、新技術、新設備、新材料等方面可能出現(xiàn)的風險以及實現(xiàn)裝置性能指標可能出現(xiàn)的技術風險。并提出防范及化解風險建議和措施。(11) 操作指南（通常為對內使用，另行成冊） 它是編制工藝生產操作手冊的指導性文件。也是工藝系統(tǒng)、管道專業(yè)設計的重要依據(jù)

13、。操作指南是裝置開停工及正常生產、事故處理等操作時應注意問題的總說明,通常包含生產裝置的單元和每一單元的主要生產工序和基本原理,以及所需的設備,其主要內容如下:,1)概述簡要介紹本裝置的生產原理、原料和產品的名稱及特性。 A.裝置操作的危險性和安全規(guī)程 B.推薦的主要安全設備2)工藝流程說明 A.工藝原理 B.2)工藝流程說明3)原料及公用工程技術規(guī)格4)產品質量控制指標5)工藝的控制指標及控制方法6)取樣分析

14、方法7)開停車及操作中不正?，F(xiàn)象和采取的措施 A.開車步驟; B.正常停車步驟; C.事故停車步驟; D.正常操作及操作中的不正?，F(xiàn)象和采取的措施。8)報警聯(lián)鎖系統(tǒng),3.2.2.2 圖紙（1） PFD:是PID的設計依據(jù)，供基礎設計使用（通常分版次逐版深化）包括全部工藝設備、主要物料管道(表示出流向、物料號）、主要控制回路、聯(lián)鎖方案、加熱和冷卻介質以及工藝空氣進出位置。詳細內容將在后面介紹。（2）建議設備布置

15、圖：是總圖布置、裝置布置的依據(jù)，供基礎設計使用（通常為平面布置圖）根據(jù)工藝流程的特點和要求進行布置。（3） PCD:通常是設計院內部設計構成文件最終體現(xiàn)在最終版PFD中（通常由自控專業(yè)完成）,3.2.2.3 表格（1）物料平衡表：包括物流組成、溫度、壓力、狀態(tài)、流量、密度、焓值、粘度等理化常數(shù)（熱負荷表示在此表中或PFD圖上）（2）工藝設備數(shù)據(jù)表：根據(jù)設備形式不同，作用不同以及介質不同可分為容器、塔器、換熱器、工業(yè)爐、機泵、

16、攪拌器等。工藝設備數(shù)據(jù)表需表示出設備位號、介質名稱、操作壓力、設計壓力、操作溫度、設計溫度、材質、傳動機構、外形尺寸、特征尺寸及特殊要求。（各設計院均有各種規(guī)定的表格)（3）工藝設備一覽表（4）取樣點匯總表,（5）裝置界區(qū)條件表：是生產裝置和外部原材計、公用工程等互供關系、數(shù)量及在界區(qū)交接狀況的重要文件,其包括需要的原輔材料、公用工程、產品、副產品等在界區(qū)處的條件。 3.2.2 補充說明：化工工藝專業(yè)尚需參加前期工作，主要前期工作

17、有：●項目建議書：可行性研究報告編制工作。●項目報價書：投標書、技術文件編制工作●引進項目：包括詢價書、投標書的評標、合同技術附件談判?！翊笾行吐?lián)合裝置總體規(guī)劃設計。,3.3 工藝設計方案的優(yōu)化●在工藝設計中,首先碰到的就是選擇合適的工藝路線,其包括原料路線和工藝路線的選擇，也就是我們常說的工藝設計方案的優(yōu)化?！?優(yōu)化的工藝設計方案應是： （1）有較好的經濟效益和社會效益 （2）工藝技術先進適用 （3）生產安全、

18、可靠、并有良好的環(huán)保措施,公用工程,換熱網絡,分離系統(tǒng),反應系統(tǒng),3.3.1 工藝流程方案優(yōu)化“洋蔥頭”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）,●“洋蔥頭”模型是工藝流程開發(fā)和設計的方法?！駨膱D中可以十分直觀的表示了反應系統(tǒng)的開發(fā)和設計是核心，它為分離系統(tǒng)規(guī)定了處理物料的條件，而反應和分離系統(tǒng)一起又規(guī)定了過程的冷、熱物流的流量和換熱的熱負荷，最后才是公用工程系統(tǒng)的選擇和設計?！瘛把笫[頭”模型強調了過程開發(fā)和設計的有序和分層性質，也表

19、明了反應和分離系統(tǒng)的開發(fā)是關鍵，因此工藝流程方案的優(yōu)化應主要集中在反應和分離系統(tǒng)的優(yōu)化，一旦確定了反應和分離系統(tǒng)的設計，即能對換熱網絡和公用工程系統(tǒng)進行設計，有效地開發(fā)和設計出全過程最優(yōu)或接近最優(yōu)的流程。對此史密斯和林霍夫提出的“洋蔥頭”設計開發(fā)概念，其步驟為： （1）根據(jù)經驗規(guī)則初步建立反應和分離系統(tǒng)的流程。,(2)變化主要的設計優(yōu)化變量，如反應的轉化率、惰性物質循環(huán)的濃度等，確定每組變量：1)反應和分離系統(tǒng)中主要設備的投資及原

20、材料的消耗；2)利用夾點分析法確定換熱網絡和公用工程消耗的最佳總費用。(3)建立全過程總費用與主要優(yōu)化變量之間的關系，其總費用包括：1)反應和分離系統(tǒng)中的主要設備的投資費；2)原材料消耗和除換熱網絡和公用工程之外的反應與分離系統(tǒng)的操作費用；3)換熱網絡和公用工程消耗的各類操作費用。(4)確定最佳條件，并對全流程調優(yōu)。(5)對其他備選流程重復上述步驟，最后比較各流程的總費用，獲得最佳流程。,3.3.1.1 反應流程優(yōu)化

21、 反應流程優(yōu)化需要考慮的問題較多，問題復雜。如反應動力學、反應收率、催化劑特性、反應歷程、反應途徑。 反應器的最優(yōu)操作條件有如何保證反應溫度、反應壓力、混合要求、換熱要求、各物料配比、給定條件下的生產成本等等。,在實際工業(yè)生產中，為了實現(xiàn)高效率、高選擇和達到要求的產量，常常將相同或不同類型反應器進行組合，常見的反應器組合及其適用范圍如表7.4.2所示（P544）3.3.1.2 反應產物的分離方法 大多數(shù)反應

22、產物都是混合物，需要有物料分離過程。根據(jù)反應產物的物性差異可采用不同的分離方法，簡述如下： （1）對于氣國相混合物可采用干法收集、濕法洗滌、纖維過濾、靜電沉積蕁分離方法； （2）對于固相混合物可采用篩分、分級分離方法；,,（3）對于固液相混合可采用沉降、離心、壓榨、過濾、干燥、蒸發(fā)、結晶等分離方法； （4）對于液相混合物可采用吸收、萃取、滲透、蒸餾、精餾等分離分法； （5）對于氣液相混合物可采用蒸發(fā)、閃蒸

23、、部分冷凝、精餾等分離方法； （6）對于氣相混合物可采用吸收、吸附、膜分離等分離方法。3.3.1.3某些分離方法的優(yōu)化,（1） 精餾流程的優(yōu)化 精餾流程如需要分離R個組份，就需要有R-1個精餾塔。 精餾優(yōu)化需要考慮：哪種組份為主產品；哪種組份為付產品；產品的規(guī)格要求。 精餾流程的優(yōu)化法1）：試探法，主要規(guī)則如下： ● 優(yōu)先使用普通精餾。 ● 盡量避免減壓操作和使用冷量。 ● 產品數(shù)應最

24、少。 ● 腐蝕性、危險性的組份應優(yōu)先分出。 ● 難分離的組分最后分出。 ● 最大量組份應優(yōu)先分出。 ● 塔頂、塔釜產物最好等摩爾分離。,精餾流程的優(yōu)化法2）：調優(yōu)法精餾流程的優(yōu)化法3）：數(shù)學規(guī)劃法 確定精餾分離序列后, 可對每一塔系進行優(yōu)化,最佳的目標應使塔系的設備費和操作費兩項之和,即總費用為最小。 （2） 蒸發(fā)流程的優(yōu)化 蒸發(fā)系統(tǒng)常以單位蒸汽消耗量來評價能量的有效利利用率。蒸發(fā)類型

25、有：單效、雙效、三效蒸發(fā)，效數(shù)越多，蒸汽單耗越低，但投資越高。在同樣的工藝要求下，是采用多效蒸發(fā)、熱泵蒸發(fā)，還是多級閃蒸,除考慮技術因素外，單位蒸發(fā)量的總成本起著主導作用。對于強制循環(huán)蒸發(fā)，其循環(huán)速度和耗電能之間也有一個優(yōu)化問題。而熱泵蒸發(fā)在提高壓縮比和消耗外功之間也有一個系統(tǒng)優(yōu)化問題?？偟膩碚f蒸發(fā)流程的優(yōu)化,就是要找到在投資和經常運行費用之間的最佳點。,3.3.2 工藝設備的選擇工藝設備的選擇首先要滿足工藝生產的需要，

26、要在工藝生產中體現(xiàn)它的合理性和先進性，同時要充分注意它在使用過程中的安全可靠，確保生產的連續(xù)穩(wěn)定長周期滿負荷運行。以充分發(fā)揮設備能力，達到經濟運行。 3.3.2.1 反應器● 在反應器中進行的是化學反應過程，它不僅有種類繁多、性質各異的化學反應，而且伴隨著傳熱、傳質的物理過程。因此就反應器的類別也有多種多樣，它適用于不同反應。(1)反應器的型式與特證,1)攪拌槽： 適用于液相、液~液相、液~固相。它適用

27、 性大、操作彈性大，連續(xù)操作時溫度、濃度容易控制，產品質量均一，但高轉化率時，反應容積大。2)管式： 適用于氣相、液相。它返混小，所需反應器容積較小，比傳熱面大，但對慢速反應，管要很長，壓降大。3)空塔或攪拌塔： 適用于液相、液~液相。它結構簡單，返混程度與高徑比及攪拌有關，軸向溫差大。4)填料塔： 適用于液相、氣~液相。它結構簡單，返混小、壓降小，有溫差，填料裝卸麻煩。5)板式塔：適用于氣~液相。塔

28、內兩相逆流接觸，氣液返混均小，流速有限制，如需傳熱，可在板間另加傳熱面。,6)固定床： 適用于氣~固(催化或非催化)相。它返混小，高轉化率時催化劑用量少，催比劑不易磨損，傳熱控溫不易，催化劑裝卸比較麻煩。7)流化床： 適用于氣~固(催化或非催化)相，特別是催化劑失活很快的反應。它傳熱好、溫度均勻、易控制，催化劑有效系數(shù)大；粒子輸送容易，但磨耗太；床內返混大,對高轉化率不利,操作條件限制較大。8)移動床： 適用

29、于氣~固(催化或非催化)相、催化劑失活很快的反應。它固體返混小，固氣比可變性大，粒子傳送較易；床內溫差大、調節(jié)困難。,2)蓄熱床： 適用于氣相，以固相為熱載體。它結構簡單，材質容易解決，調節(jié)范圍較廣；但切換頻繁，溫度波動太，收率較低。 10)回轉筒式： 適用于氣固相，固固相高粘度液相，液固相。它粒子返混小，相接觸界面小，熱傳效能低，設備容積較大。 各種反應器的適用場合也可參見復習指南“表7.4.3-1、7.4.3-2、7.

30、4.3-3(P547-548)”(2)設計反應器所需掌握的資料和數(shù)據(jù) 1)溫度、濃度和壓力對反應速率的影響，副反應的情況，反應條件對選擇性均影響,2)催化劑的粒度對反應速率的影響，催化劑的失活原因和失活的速率，催化劑的強度和耐磨性。催化劑的使用條件和活化條件3)反應熱效應4)原料中雜質對反應的影響5)反應物和產物的物理性質、爆炸極限等6)反應器中物料的流動和返混特性，反應器的傳熱特性和允許的壓降7)攪拌釜中攪拌槳的特性

31、8)多相流中分散相的分散方法和聚并特性9)氣固流態(tài)化系數(shù)中粒子的磨損和帶出10)開停車所需的輔助設施11)反應器操作、控制方法,3.3.2.2 氣液傳質設備● 化工生產中常需要借助氣液傳質設備將反應生成的產物進行分離，以獲得目標產品，一般有采用精餾、吸收解析、蒸發(fā)、氣提、萃取等方法來達到此目的。常用的氣液傳質設備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，他們又可分為多種型式，如板式塔塔板可分為浮閥、篩板、

32、泡罩及各種高效塔板，填料塔的填料有鮑爾環(huán)，鞍環(huán)等散裝填料和絲網填料、波紋板填料等各種規(guī)整填料。,●氣液傳質設備的選用應根據(jù)處理物料的性質、分離要求、運行費用和投資費用等因素綜合考慮，其基本選型要求為： （1）相際傳質面積大,氣液兩相接觸充分,以獲得較高的傳質效率; （2）生產能力大; （3）操作穩(wěn)定，彈性大,即使氣相或液相負荷發(fā)生一定的變化和波動仍能正常工作； （4）阻力小; （5）結構簡單，制造安裝方便、加工制造費

33、用低; （6）耐腐蝕，不易堵塞，易檢修。,板式塔和填料塔有各自的特點，它們適用于不同的情況，在下述情況下優(yōu)先考慮選用板式塔： (1)操作負荷波動較大或進料濃度波動較大的分離過程； (2)液相負荷較小的分離過程； (3)易結晶、結垢的物料； (4)需高壓操作的分離過程； (5)內部需要設置蛇管等換熱部件的情況。在下述情況下應優(yōu)先考慮選用填料塔： (1)分離要求高的情況下，采用新型高效填料塔可降低塔的高度；

34、 (2)新型填料的壓降較低，有利節(jié)能，而且新型填料的持液量較小，尤其適用于熱敏物料的分離；,(3)腐蝕性物料的分離； (4)發(fā)泡物料的分離。 二種塔型的塔徑計算，都與液泛有關，因為液泛會造成塔的壓降增大，效率降低，最后導致塔無法正常操作。板式塔塔徑通常由最大允許氣速 Wn,max來確定,而Wn,max 主要受塔的液泛制約，板式塔的液泛有夾帶液泛和降液管液泛二種，書中介紹的由夾帶液泛確定Wn,max設計空塔氣速w?。?.

35、6～ 0.8)*Wn,max。而填料塔是通過計算泛點速度Uf,考慮比較經濟可靠的操作氣速U=(0.6～0.8)Uf,然后由此可算得塔經。 3.3.2.3 傳熱設備●傳熱設備選型主要考慮的因素： （1）熱負荷及流量大小,（2）流體的性質（3）溫度、壓力及允許壓降的范圍（4）對清洗、維修的要求（5）設備結構材料、尺寸、重量、價格（6）使用安全性和壽命 流體的性質對換熱器類型的選擇往往會產生重大影響，如流體的物理性

36、質（如比熱、導熱系數(shù)、粘度）、化學性質（如腐蝕性、熱敏性、結垢情況、是否有磨蝕性固體顆粒等因素，都對傳熱設備的選型有影響。,傳熱設備的分類 按功能分：冷卻器、冷凝器、加熱器、換熱器、再沸器、蒸汽發(fā)生器、過熱器、廢熱鍋爐等。 按結構型式分：采用二物流換熱的換熱器從結構上分有以下5種型式： 管殼式（固定管板式、浮頭式、填料函式、U型管式）B. 板式（板翅式、螺旋板式、傘板式、波紋板式）C. 管式（空冷器、套管

37、式、噴淋管式、箱管式）D. 液膜式（升降膜式、刮板薄膜式、離心薄膜式）E. 其它型式（板殼式、熱管式）,以上型式換熱器的選擇依據(jù)是：A. 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器即兩端管板和殼體連接成一體，由于殼程不易檢修和清洗，因此選用固定管板式換熱器時，殼方流體應是較清潔且不易結垢的物料；兩流體溫差較大（大于60℃）時應考慮熱補償，兩流體溫差不宜大于120℃。B. 浮頭式換熱器 該換熱器殼程易清洗，但內墊片

38、易滲漏，適用于需要補償熱膨脹的換熱器，兩流體溫差大于120℃。,C. U型管式換熱器 該換熱器制造、安裝方便，造價較低，管程耐高壓，但結構不緊湊。適用于高溫和高壓的場合，且管內流體必須潔凈。D. 板式換熱器 板翅式：緊湊、效率高、可多股物料同時換熱。使用溫度不大于150℃。 螺旋板式：可用于帶顆粒物料，物位利用好。不易檢修。 傘板式制造簡單、緊湊、易清洗，使用溫度不大于150℃，使用壓力不大于0.1

39、2MPa。 波紋板式：緊湊、效率高、易清洗，使用溫度不大于150℃，使用壓力不大于0.15MPa。,E. 空冷器的選擇依據(jù) a.空氣入口溫度（即設計溫度）低于38℃。 b.熱流體的出口溫度高于50～65℃，并允許有一定的波動范圍（3～5℃）。 c.對數(shù)平均溫差大于40℃。 d.流體接近溫度（即熱流體的出口溫度與冷流體入口溫度之差）至少大于15℃。 e.管內給熱系數(shù)小于232

40、5.6W/(m2.0K)。 f.冷卻水的污垢系數(shù)大于0.0002(m2.0K)/W g.水源較遠，取水費用大。 h.熱流體的凝固點較低(小于0℃)。,3.3.2.4 化工用泵●泵是化工生產中最常用的設備，它所輸送的液體種類繁多，有強腐蝕性的、易燃易爆、有毒、高溫、高壓、低溫、粘度大小、易揮發(fā)、帶有固體顆粒等。同時，對化工用泵又要求它能長周期運行、安全可靠、密封性能好等要求，有些場合還要求絕對不能泄漏。所以

41、對于不同物料、不同要求必須選用不同類型的泵來適應化工生產的需要。有關主要化工用泵的性能特點及使用條件詳見表7.4.35-5（P553）。,●在選泵中工藝參數(shù)是泵選型的最重要依據(jù)，應根據(jù)工藝流程和操作變化范圍慎重確定。 （1）流量：是指工藝裝置生產中，要求泵輸送介質的量，應給出正常、最小和最大流量，即要求泵能適應流量變化的要求。 一般在泵數(shù)據(jù)表上往往只給出正常和額定流量。選泵是要求額定流量不小于裝置的最大流量，或取正常流量的1.

42、1～1.15倍。 此外選泵時應注意容積式泵不能采用開關排出閥的方法來調節(jié)泵的流量,一般應采用旁路或改變轉速、活塞行程的方法調節(jié)流量。,（2）揚程：指工藝裝置所需的揚程值，也稱計算揚程。計算揚程應考慮最低吸入液面和最高送液高度，且留有裕量，一般要求泵的額定揚程為裝置所需揚程的1.05～1.1倍。 （3）進口壓力和出口壓力：是指泵進出接管法蘭處的壓力，進出口壓力的大小影響到殼體的耐壓和軸封要求。 （4）溫度：指泵的進口介質溫

43、度，一般應給出工藝過程中泵進口介質的正常、最低和最高溫度。 （5）裝置汽蝕余量：NPSHa：要求所選泵的NPSHr<NPSHa,（6）物性參數(shù)：介質在進口條件下的密度、粘度等 （7）操作狀態(tài)：分為連續(xù)和間歇操作兩種3.3.2.5 氣體輸送機械●氣體輸送機械按作用原理可分容積式和透平式兩種，按機械達到的壓力可分為通風機、鼓風機和壓縮機。通風機和鼓風機主要用于輸送氣體，壓縮機則用于提高氣體壓力?！衽艢鈮毫π∮?.1471

44、5MPa(1.5Kg/cm2)的稱為通風機；●排氣壓力小于0.2MPa(2Kg/cm2)且大于0.14715MPa (1.5Kg/cm2)的稱為鼓風機；●排氣壓力大于0.2MPa(2Kg/cm2)的稱為壓縮機。,● 同樣在氣體輸送機械選型中，工藝參數(shù)是最重要的依據(jù)，應根據(jù)工藝流程和操作變化范圍慎重確定。 （1）氣體組成：一般應按濕基提供。若氣體組成有變化，宜按平均分子較大的組成提出(若不同組成的氣量相同時）； （2）入口溫

45、度：應提出正常、最高和最低； （3）入口壓力：應提出正常、最小和最大； （4）入口流量：應提出正常、最小和最大； （5）出口壓力； （6）驅動機型式：主要是由電機驅動還是蒸氣透平驅動，若是蒸汽透平驅動則還需提出蒸汽參數(shù)及背壓凝汽等要求；,（7）流量控制方式：● 活塞式（容積式）壓縮機一般均采用旁路和余隙調節(jié)，其余隙調節(jié)一般只能調節(jié)10%流量?！?透平式通風機、鼓風機一般以采用進口或出口調節(jié)居多，有的風機輸送氣量大，調

46、節(jié)要求較高，同時該風機所處位置較重要，也有采用改變轉速的方法。● 透平式壓縮機一般采用改變轉速居多，并輔以旁路調節(jié)，一般用作防喘振控制。若是輸送空氣的，可采用出口放空簡單的流量控制方式。,3.3.2.6 容器（儲罐） 儲罐按用途大致可分兩大類，一類是用于儲存，一般指原料儲存、中間產品或成品儲存，原料及成品儲存一般與工廠對外運輸有很大關系，中間產品儲存與該中間產品的前后裝置生產情況有很大關系，例如要考慮前后裝置生產周期、正常開停

47、車及事故停車情況決定儲存量的多少。這一類一般單獨設置罐區(qū)。另一類是用于裝置內工藝流程中需要的儲罐，通常有回流罐（停留時間取5～10分鐘），受槽和緩沖罐（通常取20分鐘），氣液分離罐（通常取2～3分鐘），液液分離罐等，一般儲罐的容積用下列方式計算：,●容積=物料流量*停留時間（儲存周期）/裝料系數(shù)●裝料系數(shù)的取值：易揮發(fā)液體物料為0.7～ 0.75；不易揮發(fā)液體物料為0.75～0.85?！裼嬎愠鋈莘e后，根據(jù)需要選用不同型式的儲罐。從外

48、形來分有球罐、立式儲罐和臥式儲罐等，一般儲存量大的可采用球罐，但受壓力的制約?！衲壳皣鴥纫延辛⑹?、臥式儲罐和球罐的系列標準，可供我們選擇。,3.3.2.7 蒸發(fā)器 蒸發(fā)器的型式和結構互有差異，但總的來說它是由加熱器與蒸發(fā)室（氣液分離室）兩個基本部分組成。應用最廣泛的是管殼式加熱元件的蒸發(fā)器。 蒸發(fā)設備的選型是蒸發(fā)裝置設計首先要考慮的問題，在選型時應優(yōu)先考慮采用傳熱系數(shù)高的型式，但料液的物理、化學性質常常限制它們

49、的使用，因此在選型時，需要考慮的因素有以下幾個方面：,（1）料液性質：包括料液組成、粘度變化范圍、熱穩(wěn)定性、發(fā)泡性、腐蝕性、是否易結垢、結晶、是否有固體懸浮物等。 （2）生產要求：包括處理量、蒸發(fā)量、料液進出口濃度、溫度、安裝場地的大小和廠房高矮、設備投資限額、要求連續(xù)還是間歇生產等。 （3）公用工程條件：包括可以利用的熱源情況、供電情況以及能利用的冷卻水的水量、水質和溫度等。 各種型式的蒸發(fā)器選型

50、參考見表7.4.3~6（P555)。,蒸發(fā)器的設計要考慮傳熱、氣液分離和能量合理利 用三個主要方面。 （1）傳熱方面應考慮在最小傳熱表面積下傳遞給溶液盡可能多的熱量，傳熱的熱阻主要來自溶液在壁面析鹽結垢的阻力，這是選擇蒸發(fā)器型式、決定其尺寸與造價的主要因素。 （2）氣液分離方面應考慮在達到所需要求的前提下，設備結構盡量簡單。 （3）能量的合理利用應注意到蒸發(fā)所需的熱量，包括料液預熱、分離液態(tài)溶劑與固態(tài)溶質所需的熱量（

51、溶解熱的反效應）溶劑氣化所需的熱量。通常溶劑氣化所需的熱量為最高。而溶解熱反效應熱因很小可忽略不計。,3.3.2.8 干燥器 由于被干燥的物料種類繁多，性質不同，要求各異，故不可能有萬能的干燥器，只能選擇最佳的干燥方法和干燥器型式、干燥器選擇首先要確定或測定被干燥物料的特性，進行干燥試驗，確定干燥動力學和傳遞特性，以證明所選的是否適用，然后確定干燥設備的工藝尺寸，進行成本核算，最后確定干燥器的型式。若幾種干燥器同時

52、適用時，要同時進行干燥試驗，核算成本及方案比較，最后選擇其中最佳者。,3.3.3 設備材質的選擇●由于化工生產的原料、產品及其工藝路線的多樣化，而使化工設備所需的材質也多樣化，為滿足工藝生產的需要。工藝專業(yè)應根據(jù)介質的腐蝕性質、材質機械性能及使用要求、設備的工作溫度、工作壓力并結合已有工廠實際生產使用的情況加以選擇，提出我們的要求。 3.3.3.1化工設備用材料 (1)金屬類 A.黑色金屬：包括鑄鐵、碳鋼(普通碳素鋼、優(yōu)質碳

53、素鋼、高級優(yōu)質鋼) 、合金鋼(普通低合金鋼、特種鋼、不銹鋼) 。,B.有色金屬：包括稀有金屬、銅、鈦、鋁、鉛等及其合金。(2)非金屬類：有玻璃、陶瓷、輝綠巖、鑄石、石墨等無機材料、工程塑料等。(3)復合材料:有搪瓷、玻璃鋼、襯里和涂層材料等。 3.3.3.2材料選用的一般原則(1)滿足工藝要求,這是選材的最基本的要求,要優(yōu)先滿足工藝生產的溫度、壓力、環(huán)境等各種要求。(2)材質可靠，使用安全。(3)易于加工，材料性能不因受加工

54、因素而影響其使用性能和使用壽命。(4)材料易于采購，盡可能立足國內。(5)要綜合考慮價格和使用壽命、維修費用的綜合因素。,3.3.4 壓力容器的設計分類及工藝設備的特殊制造要求3.3.4.1 壓力容器的設計分類 見表7.4.5（P557)3.3.4.2 工藝設備的特殊制造要求● 工藝應根據(jù)工藝生產中對某些設備有特殊制造要求的提出我們的要求。,● PFD是工程項目設計的一個指導性文件，是化工工藝設計的一個主要設計

55、文件，它是各有關專業(yè)開展工作的依據(jù)之一?！?PFD是從工藝方案（即經過工藝流程優(yōu)化和工藝設備選擇）過渡到化工工藝流程設計的重要工序之一。在PFD的設計過程中要完成的主要工作： （1）工藝流程設計 （2）操作參數(shù)的確定 （3）全系統(tǒng)的物料、熱量衡算,4、工藝流程圖（PFD),一般進行全系統(tǒng)不同方案的流程模擬計算，找到更合理的優(yōu)化的工藝操作條件，從而可以修改某些不合理的操作條件，提供全流程的物料熱量平衡數(shù)據(jù)。 （4）主要控

56、制方案 （5）設備工藝尺寸的計算4.1 PFD中體現(xiàn)的主要設計內容： （1）反映出工藝物料所經過的全部設備 （2）主要物料的管道及相關的閥門 （3）物料的走向及相關的參數(shù) （4）標出特殊閥門的位置,（5）反映出主要控制點 （6）公用系統(tǒng)物料用戶的進出位置 （7）圖例及圖面上必要的說明和注解4.2 單元設備的典型設計 一個化工工藝設計工程師只有掌握各種單元設備的典型設計，根據(jù)工藝流程和工程項目的特殊要

57、求，再結合以往積累的工程經驗，方可進行單元設備設計。,5 設備設計壓力和設計溫度的確定原則 5.1 設備設計壓力的確定 5.1.1 設備設計壓力選取的原則： 參見復習指南 “P561表7.6.1”設備設計一覽表 5.1.2 設備設計壓力確定的原則 5.1.2.1 設備的設計壓力是設備強度設計的主要依據(jù),因此在確定設備設計壓力時,應在滿足設備長周期安全生產的基礎上，做到既經濟又合理。 5.1.2.2 設備設計壓力的確定不僅根

58、據(jù)其正常工作情況下，容器頂部可能達到的最大壓力，還應考慮該設備所處的系統(tǒng)附加條件(如系統(tǒng)壓力變化、安全閥在系統(tǒng)中相對位置對設計壓力的影響等情況)來確定該設備的設計壓力。,5.1.2.3 對承受多種不同工況的設備，如某些反應器要適應吹掃、試壓、升溫還原、化學反應、催化劑再生等多種化工過程的多種工作條件的變化,則該類設備設計壓力的確定原則見復習指南“表7.6.1(P561)”設備設計壓力一覽表。并應向設備專業(yè)說明各階段工作壓力及工作溫度相應

59、變化的情況。 5.1.2.4 低壓下蒸汽表面冷凝器按全真空條件設計。 5.1.2.5 對下述特殊情況的設備,應根據(jù)具體情況,按特殊要求確定其設計壓力(該設計壓力相對按“表7.6.1”確定的設計壓力更高) 。(1)劇毒介質的泄漏直接影響到人身和環(huán)境安全；(2)對一些凝固點較高的介質,如瀝青、石蠟、苯酐等,由于較容易使系統(tǒng)堵塞或者在排放時堵塞或者在排放時堵塞安全裝置和排放系統(tǒng),引起系統(tǒng)壓力的升高,故除了考慮伴熱措施外,可適當提高此類

60、設備的設計壓力。,(3)對某些貴重物料,需減少排放損失的情況 (4)由于化學反應或其它原因可能引起工作壓力急劇上升的情況。 5.1.3名詞說明(部分) 5.1.3.1 最大(最高)工作壓力 容器(設備)在正常工作過程中,其頂部可能達到的最大壓力,稱為最大工作壓力或最大正常工作壓力。此值通常由化工工藝專業(yè)提出。 (1)內壓容器：系指容器頂部在正常工作過程中,其頂部可能出現(xiàn)的最大壓力。 (2)真空容器：系指容器頂部在正常工

61、作過程中,頂部可能出現(xiàn)的最大真空度。 (3)外壓容器：系指容器頂部在正常工作過程中,其頂部可能出現(xiàn)的最大內外壓差。,5.1.3.2 最高(大)壓力 用以確定容器設計壓力的基準壓力。它是由容器最大工作壓力加上流程中工藝工作系統(tǒng)的附加條件后,在容器頂部可能達到的壓力。此值由工藝系統(tǒng)專業(yè)確定。 5.1.3.3 設計壓力系指設定的容器頂部的最高壓力(包括前述的附加條件),與相對應的設計溫度一起作為工藝系統(tǒng)專業(yè)向設備專業(yè)提出的設備

62、設計載荷的條件,其值不低于最高壓力。 在依據(jù)“表7.6.1”確定了設備的設計壓力后，還要根據(jù)該設備在系統(tǒng)中的情況,結合系統(tǒng)前后的管道壓力降或靜壓頭,才能得到該設備可靠的設計壓力。有關這方面的內容還可參考“化工裝置工藝系統(tǒng)工程設計規(guī)定（二）” 和 “ 石油化工設計手冊（第四卷）” 等相關資料。,5.2 設備設計溫度的確定：●工藝專業(yè)經傳熱計算或參考同類裝置相同設備的操作條件，確定該設備的工作溫度，同時還要考慮容器內部介質在工

63、作過程中可能出現(xiàn)的最高溫度。 （1）容器內介質用蒸汽直接加熱（如加熱盤管）或被內置加熱元件（如電熱元件）間接加熱時，設計溫度取受熱介質的最高工作溫度。 （2）容器內介質間接加熱或冷卻時，設計溫度根據(jù)表7.6.2-1選取。（P562）。 (3)容器壁與介質直接接觸且有外保溫時，設計溫度根據(jù)表7.6.2-2選取。（P562) （4）安裝在室外且為液體介質，器壁不保溫，壁溫受環(huán)境溫度影響可能小于等于-20°

64、C時，其最低工作溫度應考慮建廠地區(qū)環(huán)境溫度的影響。,6. 過程控制方案的確定6.1 過程控制方案確定的原則（1）保證裝置運行的平穩(wěn)、生產安全、控制簡單適用。（2）用單回路簡單控制系統(tǒng)可以解決的，決不要用復雜的控制系統(tǒng)。（3）要明確被控制的對象，例如:溫度、壓力、流量、 液位、轉化率、組成等。 （4）尋找對控制對象起主導作用的調節(jié)手段。（5）控制方法：就地、集中、自調等（6）要

65、考慮安全要求,例如：報警、聯(lián)鎖、緊急停車等.6.2 過程控制的分類6.2.1 簡單控制系統(tǒng) 簡單控制系統(tǒng)是生產過程中最常見、應用最廣泛、數(shù)量最多的控制系統(tǒng)。它是由被控對象、測量變送單元、調節(jié)器和執(zhí)行器組成的單回路控制要求。簡單控制系統(tǒng)結構簡單，投資少，易于調整和投運，能滿足一般生產,過程的控制要求,因而應用廣泛。按被控制的工藝變量來劃分,最常見的是溫度、壓力、流量、液位、化學成分。簡要介紹如下： (1) 溫度控制系

66、統(tǒng) 溫度控制實質上是一個傳熱的控制問題。例如在控制換熱器加熱(或冷卻)介質的流入量或改變該介質的入口溫度,控制被加熱(或冷卻)介質的出口溫度；或者采用控制換熱管浸沒在液體中的換熱面積,改變傳熱面積的手段,調節(jié)被加熱介質的溫度。 (2) 壓力控制系統(tǒng) A.氣體壓力 氣體壓力與液位相似,它是系統(tǒng)內進出物料不平衡的度量,因而氣體的壓力控制不是改變流入量就是改變流出量。,B.液體壓力 由于液體不可壓縮性,因而液體的壓力控

67、制與流量控制非常相似 C.蒸汽壓力 常見的鍋爐汽包壓力控制,精餾塔、蒸發(fā)器壓力控制,其實質上是傳熱的控制,系統(tǒng)蒸汽的壓力就表征了熱平衡的狀況。所以在這類控制系統(tǒng)中它的特性在某些方面與溫度控制有相仿之處。 (3) 流量控制系統(tǒng) 在流量控制系統(tǒng)中,被控變量和操縱變量均是流量,大部分的流量檢測都采用孔板或差壓流量計。 (4) 液位控制系統(tǒng) 一個設備或儲罐的液位,表征了它的流入量和流出量之差的累積,在化工生產中,由于生產的

68、連續(xù)性,所以液位控制是為物料平衡服務的,液位控制應完成：,A.保持設備或儲罐內的滯留量是在規(guī)定的高限和低限之內,使它們具有一定的緩沖能力； B.在每一種滯留量下,在絕大部分時間內保持入口流量和出口流量之間的平衡； C.通過容積的緩沖來保持前后工序負荷的平衡,在需要改變流量時,希望能逐步地、平滑地調整流量。(5) 成分控制系統(tǒng) 在生產現(xiàn)場中，出問題最多的往往是成分控制系統(tǒng)。成分控制系統(tǒng)的對象也是多容的,且時間常數(shù)大,純滯后