化工工藝設計基本要素（適合初學者）
1. 概述
1.1 要建設一個化工廠，必須具有一批化工工藝專業(yè)技術人員，這批化工工藝專業(yè)技術人員必須具備下列基本條件。
①掌握化工基本理論：如隔熱管托、化工熱力學、流體力學、傳熱、傳質(zhì)、化學反應動力學（化學反應工程）。
②掌握化工工藝設計方法和技能
工藝設計的任務、設計范圍、工藝設計人員職責。
化工基本理論的應用（化工設計方法）。
工藝設計基本程序（工藝設計技能）。
工藝設計的成品文件（內(nèi)容及深度）。
工藝設計的質(zhì)量保證程序。
③熟悉環(huán)保、安全、消防等方面的法規(guī)，如：隔熱管托
HG20667-1986 化工建設項目環(huán)境保護設計規(guī)定
SH3024-95 石油化工企業(yè)環(huán)境保護設計規(guī)范
HG20571-95 化工企業(yè)安全衛(wèi)生設計規(guī)定
SH3047-93 石油化工企業(yè)職業(yè)安全衛(wèi)生設計規(guī)范
GBJ16-87(2001版) 建筑設計防火規(guī)范
GB50160-92(1999版) 石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范
GB50058-92 爆炸和危險性環(huán)境電力裝置設計規(guī)范
④一定的工作經(jīng)驗
1.2 化工建設項目階段
1.2.1 建設項目階段的劃分以工程公司為主體，通常分為三個階段
項目前期： 項目建議書 → 批準后即為立項可行性研究報告 → 批準后即可展開工程設計
工程設計： 按國內(nèi)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
按國際常規(guī)做法分為： 基礎設計、詳細設計、施工、安裝、試車、性能考核及國家驗收（驗收后工廠投入正常運行）
1.2.2 建設項目階段的劃分以建設單位為主體，通常分為四個階段項目前期、工程設計、工程建設、工廠投入生產(chǎn)
2. 工藝設計的內(nèi)容和深度
2.1 工藝設計的文件包括三大內(nèi)容：
文字說明（工藝說明）、 圖紙、表格、隔熱管托
2.1.1 文字說明（工藝說明）
1）工藝設計的范圍。
設計基礎：生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品方案、原料，催化劑，化學品，公用工程燃料規(guī)格、產(chǎn)品及副產(chǎn)品規(guī)格。
2）工藝流程說明：生產(chǎn)方法、化學原理、工藝流程敘述。原料、催化劑、化學品及燃料消耗定額及消耗量。
3）公用工程（包括水、電、汽、脫鹽水、冷凍、工藝空氣、儀表空氣、氮氣）消耗定額及消耗量。
4）三廢排放：包括排放點、排放量、排放組成及建議處理方法
5）裝置定員
6）安全備忘錄（另行成冊）
7）技術風險備忘錄（通常為對內(nèi)使用，另行成冊）
8）操作指南（通常為對內(nèi)使用，另行成冊。供工藝系統(tǒng)、配管等專業(yè)使用）
2.1.2 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(zhì)以及工藝空氣進出位置。
2）建議設備布置圖：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。隔熱管托
3） PCD：通常是設計院內(nèi)部設計過程文件、最終體現(xiàn)在終版PFD中（通常由自控專業(yè)完成）。
2.1.3 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(zhì)不同可分為容器、塔器、換熱器、工業(yè)爐、機泵、攪拌器的等。工藝設備數(shù)據(jù)表需表示出設備位號、介 質(zhì)名稱、操作壓力、設計壓力、操作溫度、設計溫度、材質(zhì)、傳動機構(gòu)、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）工藝設備表
4）取樣點匯總表Ø
5）裝置界區(qū)條件表：通常由工藝系統(tǒng)專業(yè)來完善并最終發(fā)表（包括原材料、公用工程、產(chǎn)品、副產(chǎn)品、進出界區(qū)條件等）。
2.2 補充說明：化工工藝專業(yè)尚需參加前期工作，主要前期工作有：
項目建議書；可行性報告編制工作。
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。
大中型聯(lián)合裝置總體規(guī)劃設計。
3. 工藝設計方法（化工基本理論的應用）
3.1 工藝路線的選擇
原料來源
經(jīng)濟效益和社會效益（生產(chǎn)成本）
環(huán)境保護
其它，如操作條件、安全、消防、投資、工藝先進性隔熱管托，可行性，合理性。
3.2 工藝流程方案優(yōu)化
①“洋蔥頭”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）
從圖中可以看出設計的核心是反應系統(tǒng)的設計和開發(fā)。“洋蔥頭”模型強調(diào)過程開發(fā)和設計的有序和分層性質(zhì)。
② 反應流程優(yōu)化
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隔熱管托、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(chǎn)成本等等。
③ 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：那種組份為主產(chǎn)品，那種組份為付產(chǎn)品。
產(chǎn)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(chǎn)品數(shù)應最少。
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隔熱管托。
最大量組份應優(yōu)先分出。
塔頂、塔釜產(chǎn)物最好等摩爾分離。
精餾流程的優(yōu)化法2）：調(diào)優(yōu)法
精餾流程的優(yōu)化法3）：數(shù)學規(guī)劃法
④ 蒸發(fā)流程的優(yōu)化
1）單效、雙效、三效蒸發(fā)。
2）熱泵蒸發(fā)、膜式蒸發(fā)。
3）多級閃蒸。
4）強制循環(huán)蒸發(fā)、自然循環(huán)蒸發(fā)、。
結(jié)合蒸發(fā)器的類型（標準、懸框、列文、強制循環(huán)蒸發(fā)器）進行選擇。
3.3 工藝設備的選擇
①反應器：
連續(xù) 1）均相 1）活塞流 （管式）
2）半連續(xù) 2）非均相 2）全混釜 （攪拌釜）
3）間歇隔熱管托
以上反應器的選擇要根據(jù)物料性質(zhì)、穩(wěn)定性、反應復雜性、產(chǎn)品規(guī)模、反應時間、溫度、壓力等因素綜合考慮。
不同類型的反應器在工業(yè)生產(chǎn)中的應用情況見P-547。
氣液相反應器及固相反應器的使用情況見P-548。
固體催化反應器的使用情況見表7.4.3-3(P-548)。
②氣液傳質(zhì)設備：
1） 板式塔：隔熱管托、泡罩、浮閥、篩板等。板式塔塔板流體流向分布類型可分為U形流，單溢流，雙溢流等
2） 填料塔：a拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)等填料。
b散堆、規(guī)整填料。
c實體填料、絲網(wǎng)填料。
以上傳質(zhì)設備的選擇要根據(jù)分離難易程度、壓降大小、真空（熱敏性物料）、物料性質(zhì)、投資情況、腐蝕情況、物料清潔情況、安全要求、彈性大小、發(fā)泡等情況選擇。(見P-549)
③ 傳熱設備：
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(jié)構(gòu)型式分：采用二物流換熱的換熱器從結(jié)構(gòu)上分有以下5種型式：
A.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，隔熱管托殼方流體應是較清潔且不易結(jié)垢的物料；兩流體溫差較大（大于60℃）時應考慮熱補償，兩流體溫差不易大于120℃。
B.浮頭式換熱器
該換熱器殼程易清洗，但內(nèi)墊片易滲漏，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(jié)構(gòu)不緊湊。適用于高溫和高壓的場合，且管內(nèi)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0.12MPa。
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(nèi)給熱系數(shù)小于2325.6W/(m2.K)。
f.冷卻水的污垢系數(shù)大于0.0002(m2.K)/W。
g.水源較遠，取水費用大。
h.熱流體的凝固點較低(小于0℃)。
⑤化工用泵：
根據(jù)物料性質(zhì)、物料的腐蝕性、易燃易爆、有毒、高溫、高壓、低溫、粘度大小、揮發(fā)性、固體顆粒等因素綜合考慮，此外還要考慮泵的安全性、可靠性和密封等要求隔熱管托。
⑥容器（儲罐）：
根據(jù)物料性質(zhì)、物料的腐蝕性、易燃易爆、有毒、高溫、高壓、低溫、粘度大小、揮發(fā)性、固體顆粒等因素綜合考慮。
壓力容器分類見表7.4.5-5（P-557）。
4. 工藝設計工作程序
5. 設備設計壓力和設計溫度的確定
5.1 壓力：
正常操作（工作）壓力、最高工作壓力、設計壓力的選取溫度：正常操作溫度、最高操作溫度、設計溫度的選取隔熱管托
6. 過程控制方案的確定
6.1過程控制方案確定的原則
保證裝置運行的平穩(wěn)、生產(chǎn)安全、控制簡單適用。
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)。
6.2過程控制的分類
壓力、溫度、流量、物位、化學成分和物性數(shù)據(jù)
6.3選用控制儀表的要求
準確可靠、靈敏度高、反應迅速、滯后小、使用維護方便、價格便宜
6.4典型化工單元的控制方案
6.4.1反應
①反應控制的要求隔熱管托
達到規(guī)定的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品濃度。
處理量平穩(wěn)。
當出現(xiàn)不正常工況時，能報警、聯(lián)鎖或自動選擇性調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
②反應控制方案
以反應轉(zhuǎn)化率為控制變量 見圖7.7.3-1（P-564）。
以反應工藝狀態(tài)變量為控制對象 見圖7.7.3-2（P-565）。
6.4.2精餾
精餾是常見的液液分離方法，精餾控制主要目的是達到規(guī)定的分離要求。主要變量有進料量、組成、溫度、操作壓力、冷卻和加熱介質(zhì)、壓力及溫度的變換。精餾控制可分為：
按精餾段指標的控制方案
按提餾段指標的控制方案隔熱管托
塔頂壓力控制方案
真空度控制方案
其它控制方案
6.4.3傳熱設備
控制載體的流量、控制傳熱面積、控制載體的氣化溫度、工藝介質(zhì)旁路控制
6.4.4流體輸送設備
離心泵控制方案
改變轉(zhuǎn)速的控制方案
往復泵(位移式旋轉(zhuǎn)泵)的控制方案
7. 能耗計算
目前人類面臨的共同任務是保護資源、減少環(huán)境污染、維護生態(tài)平衡、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展?；どa(chǎn)中傳熱過程是經(jīng)常的發(fā)生的事，因此合理使用能源，節(jié)約能源消耗是每個化工工藝設計人員應盡的職責。
過程能量分析的常用方法有：夾點分析法和三環(huán)節(jié)能量分析法
7.1夾點分析法
將需要優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡用冷、熱流復合線表示在溫焓圖（T-*****）上，熱流復合線位于冷流上方，冷、熱流體的復合線中間垂直距離最短處稱為夾點，其溫差△Tmin稱為夾點溫差。
夾點分析法應遵循三個原則：
盡量避免有熱流體通過夾點隔熱管托
夾點上方避免引入公用設施冷卻物流Ø
夾點下方避免引入公用設施加熱物流
7.2三環(huán)節(jié)能量分析法
重點研究熱能在化工裝置的利用，從下述三個環(huán)節(jié)出發(fā)：
能量轉(zhuǎn)換、能量利用、能量回收
夾點分析法和三環(huán)節(jié)能量分析法實際應用可參考有關文獻資料。
8. 與工藝設計相關的基本知識
與工藝設計相關的基本知識包括消防、勞動安全衛(wèi)生、環(huán)境保護三個方面，必須遵守國家相關的標準、法規(guī)。
8.1消防
8.2安全
8.3環(huán)保
隔熱管托、廢氣、廢水（廢液）、廢固、噪音、放射性、排放總量控制
滄州五森管道設備有限公司 隔熱管托
