無論是開發新的化工生產過程，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產品質量，*終關系到工廠能否獲得*大的經濟效益和社會效益。對于正在運行的化工裝置,可以通過工藝分析，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,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。今天推薦的這篇文章，更多地是從全局上考慮工藝設計的各個方面。
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概述
要建設一個化工廠，必須具有一批化工工藝專業技術人員，這批化工工藝專業技術人員必須具備下列基本條件。
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掌握化工基本理論如化工熱力學、流體力學、傳熱、傳質、化學反應動力學（化學反應工程）。
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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（內容及深度）。
工藝設計的質量保證程序。
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熟悉環保、安全、消防等方面的法規
HG-1986 化工建設項目環境保護設計規定
SH3024-95 石油化工企業環境保護設計規范
HG-95 化工企業安全衛生設計規定
SH3047-93 石油化工企業職業安全衛生設計規范
GBJ16-87(2001版) 建筑設計防火規范
GB-92(1999版) 石油化工企業設計防火規范
GB-92 爆炸和危險性環境電力裝置設計規范。
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化工項目建設階段
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
按國際常規做法分為：工藝設計、基礎設計、詳細設計。
施工、安裝、試車、性能考核及國家驗收
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。
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工藝設計內容
工藝設計的文件包括三大內容：文字說明（工藝說明）、圖紙、表格。
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文字說明（工藝說明）
工藝設計的范圍。
設計基礎：生產規模、產品方案、原料，催化劑，化學品，公用工程燃料規格、產品及副產品規格。
工藝流程說明：生產方法、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。
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。
三廢排放：包括排放點、排放量、排放組成及建議處理方法
裝置定員
安全備忘錄（另行成冊）
技術風險備忘錄（通常為對內使用，另行成冊）
操作指南（通常為對內使用，另行成冊。供工藝系統、配管等專業使用）
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圖 紙
PFD：是PID的設計依據，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、聯鎖方案、加熱和冷卻介質以及工藝空氣進出位置。
建議設備布置圖：是總圖布置、裝置布置的依據，供基礎設計使用（通常為平面布置圖）。根據工藝流程的特點和要求進行布置。
PCD：通常是設計院內部設計過程文件、*終體現在終版PFD中（通常由自控專業完成）。
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表 格
物料平衡表：包括物流組成、溫度、壓力、狀態、流量、密度、焓值、粘度等理化常數（熱負荷表示在此表中或PFD圖上）。
工藝設備數據表：根據設備形式不同、作用不同以及介質不同可分為容器、塔器、換熱器、工業爐、機泵、攪拌器的等。工藝設備數據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定的表格）。
工藝設備表。
取樣點匯總表。
裝置界區條件表：通常由工藝系統專業來完善并*終發表（包括原材料、公用工程、產品、副產品、進出界區條件等）。
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補充說明
化工工藝專業尚需參加前期工作，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。
大中型聯合裝置總體規劃設計。
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工藝設計方法
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工藝路線的選擇
需考慮的因素：原料來源，經濟效益和社會效益（生產成本），環境保護，其他如操作條件、安全、消防、投資、工藝**性，可行性及合理性意見等。
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工藝流程方案優化
?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的設計和開發。“洋蔥頭”模型強調過程開發和設計的有序和分層性質。
▲反應流程優化
反應流程優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*優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。
▲精餾流程的優化
精餾流程如需要分離R個組份，就需要有R-1個精餾塔。
精餾優化需要考慮：哪種組份為主產品，哪種組份為付產品及產品的規格要求。
精餾流程的優化法1）：試探法，主要規則如下：
優先使用普通精餾。
盡量避免減壓操作和使用冷量。
產品數應*少。
腐蝕性、危險性的組份應優先分出。
難分離的組分*后分出。
*大量組份應優先分出。
塔頂、塔釜產物*好等摩爾分離。
精餾流程的優化法2）：調優法
精餾流程的優化法3）：數學規劃法
▲蒸發流程的優化
單效、雙效、三效蒸發。
熱泵蒸發、膜式蒸發。
多級閃蒸。
強制循環蒸發、自然循環蒸發、
結合蒸發器的類型（標準、懸框、列文、強制循環蒸發器）進行選擇。
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工藝設備的選擇
▲反應器
反應器的選擇要根據物料性質、穩定性、反應復雜性、產品規模、反應時間、溫度、壓力等因素綜合考慮。
▲氣液傳質設備
1） 板式塔：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：
拉西環、鮑爾環、矩鞍環等填料。
散堆、規整填料。
實體填料、絲網填料。
以上傳質設備的選擇要根據分離難易程度、壓降大小、真空（熱敏性物料）、物料性質、投資情況、腐蝕情況、物料清潔情況、安全要求、彈性大小、發泡等情況選擇。
▲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
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.其他型式（板殼式、熱管式）
以上型式換熱器的選擇依據是：
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，兩流體溫差不易大于120℃。
B.浮頭式換熱器：該換熱器殼程易清洗，但內墊片易滲漏，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0.12MPa。
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
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.管內給熱系數小于2325.6W/(m2.K)。
f.冷卻水的污垢系數大于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℃)。
▲ 化工用泵
根據物料性質、物料的腐蝕性、易燃易爆、有毒、高溫、高壓、低溫、粘度大小、揮發性、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。
▲ 容器（儲罐）
根據物料性質、物料的腐蝕性、易燃易爆、有毒、高溫、高壓、低溫、粘度大小、揮發性、固體顆粒等因素綜合考慮。
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。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。
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工藝設計工作程序
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設備設計壓力和溫度的確定
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設備設計壓力的確定
▲適用范圍
1)壓力容器的設計壓力
0.1 MPa(G) ≤設計壓力≤35 MPa(G)
真空度高于2kPa(200mmH2O)
2)常壓容器的設計壓力
設計壓力低于0.1MPa(G)
真空度低于2kPa(200mmH2O)
設備設計壓力一覽表，見下圖。
▲設備設計壓力確定的原則
1) 設備的設計壓力是設備和管道強度設計的主要依據，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。
2) 設備設計壓力的確定不僅根據其正常工作情況下，容器頂部可能達到的*大壓力，還應考慮該設備所處的系統附加條件(如系統壓力變化、安全閥在系統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。
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應向設備專業說明各階段工作壓力及工作溫度相應變化的情況。
4) 低壓下蒸汽表面冷凝器按全真空條件設計。
5) 對下述特殊情況的設備,應根據具體情況,按特殊要求確定其設計壓力。
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設備設計溫度的確定
工藝專業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作過程中可能出現的*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*高工作溫度。
（2）容器內介質間接加熱或冷卻時，設計溫度根據下表選取。
（3）容器壁與介質直接接觸且有外保溫時，設計溫度根據下表。
（4）安裝在室外且為液體介質，器壁不保溫，壁溫受環境溫度影響可能小于等于-20°C時，其*低工作溫度應考慮建廠地區環境溫度的影響。
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過程控制方案的確定
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原 則
保證裝置運行的平穩、生產安全、控制簡單適用。
用單回路簡單控制系統可以解決的，決不要用復雜的控制系統。
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過程控制的分類
▲溫度控制系統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,調節被加熱介質的溫度。
▲壓力控制系統1) 氣體壓力氣體壓力與液位相似,它是系統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。
2) 液體壓力由于液體不可壓縮性,因而液體的壓力控制與流量控制非常相似
3) 蒸汽壓力常見的鍋爐汽包壓力控制,精餾塔、蒸發器壓力控制,其實質上是傳熱的控制,系統蒸汽的壓力就表征了熱平衡的狀況。所以在這類控制系統中它的特性在某些方面與溫度控制有相仿之處。
(4) 液位控制系統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,由于生產的連續性，所以液位控制是為物料平衡服務的，液位控制應完成。
保持設備或儲罐內的滯留量是在規定的高限和低限之內，使它們具有一定的緩沖能力；
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；
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) 成分控制系統在生產現場中，出問題*多的往往是成分控制系統。成分控制系統的對象也是多容的,且時間常數大,純滯后時間大。造成成分控制系統工作不良的原因,還有分析器本身結構比較復雜，取樣系統和樣品預處理部分工作不良，純滯后過大等多方面的原因。一般在選不到合適的成分分析器時，也可以采用間接的被控變量，如溫度、溫差等來代替。
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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。
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典型化工單元的控制方案
▲反應器
反應控制的要求：
1)使反應達到規定的轉化率或產品達到規定的濃度。
2)使處理量比較平穩。例如,在有物料循環的反應系統內,為保持物料平衡,應配置必要的輔助調節系統,如惰性物料的自動放空或排除等。
3)為防止工藝參數進入危險區或不正常工況,應配置一些報警、聯鎖或自動選擇性調節系統,當工藝參數超出正常范圍時發出信號,當接近危險區域時,把某些閥門打開、切斷或者保持在限定位置。
反應控制方案：
以反應轉化率為控制變量，見下圖。
以反應工藝狀態變量為控制對象，見下圖。
▲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、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 見下圖。
按提餾段指標的控制方案，見下圖。
塔頂壓力控制方案，見下圖。
真空度控制方案，見下圖。
其它控制方案 ，見下圖。
▲傳熱設備
控制載體的流量，見下圖。
控制傳熱面積，見下圖。
控制載體的氣化溫度，見下圖。
工藝介質旁路控制，見下圖。
▲流體輸送設備
離心泵控制方案，見下圖。
改變轉速的控制方案，見下圖。
往復泵(位移式旋轉泵)的控制方案，見下圖。
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能耗計算
目前人類面臨的共同任務是保護資源、減少環境污染、維護生態平衡、實現可持續發展。化工生產中傳熱過程是經常的發生的事，因此合理使用能源，節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：夾點分析法和三環節能量分析法。常用的節能措施有以下幾種：
選擇合適的反應壓力或溫度。
提高反應轉化率，減少副反應的發生：選擇**的反應器或反應流程，也可以采用選擇性強、轉化率高的催化劑。
選擇**的工藝路線和原料路線。
選取適宜的設備,優化操作條件,降低分離過程的能耗。
選用高效設備和新型絕熱材料，如包括選用效率高的機泵。
重視廢熱回收和能量回收.
在工藝全流程上要考慮熱能的逐級利用，并且要避免冷熱病。
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安全設計
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廠區及各化工裝置區內的平面布置
消防設計，火災報警系統應按照《石油化工企業設計防火規范》(GB-92)1999年修訂版執行；
化工生產裝置、罐區的爆炸危險區域的劃分規范按照《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》(GB-92)執行；
化工裝置內、罐區及油品裝卸區的防雷擊、防靜電系統應按照《建筑物防雷擊設計規范》(GB-92)2000年版執行；
廠區內各種建筑物的防火設計應按照《建筑設計防火規范》(GBJ16-87)2001年版執行；
對于有毒物料的處理過程設計應按照《工業企業設計衛生標準》(GBZ1-2002)執行。
如果用戶有要求，只要不違背上述主要標準，也可以按用戶要求。為了安全可靠的設計,在工程設計中要根據合同、項目的具體情況來參照執行適用的標準規范,在標準規范里找不到依據時,再輔以相應的設計手冊和經驗數據。
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一般造成安全隱患的因素
▲設備和機泵等出口堵塞
幾乎所有的容器、泵、壓縮機、火焰加熱爐或其它設備的出口都可能由于機械故障或人為事故而被堵塞。在這種情況下,泄放載荷通常是指泵、壓縮機或其它流動源在泄壓條件下所產生的*大流量。
▲火災
在化工廠中火災是很難預測的事故之一，但這種情況可能是產生*大的泄放要求的一個條件。如果在全廠范圍可能發生火災，那么就可以以此條件確定整個泄放系統的規模。但是由于設備可以分區分散布置，失火對安全系統的影響就被限制在一定的區域內。在擁有大量未保溫絕熱的鍺罐區域內，會產生較多的蒸汽。可根據上述各種經驗公式,以確定暴露于火焰中的容器的泄放排量,要根據所考慮的系統與流體的不同選用這些公式。火災可能使充滿蒸汽、充滿液體或是混合相的系統超壓。
▲管道破裂
當換熱器的殼體內側設計壓力與管側設計壓力存在較大差異時(通常比值為1.5比1或更大),低壓側應采取泄壓措施。在設計中通常只考慮一根管道破裂。用適當的公式可以算出一根管道破裂的泄放容積。當冷介質接觸熱流時，應考慮到急劇蒸發的影響,同樣要考慮蒸氣突然釋放到全液相系統而引起瞬時超壓的可能性。
▲控制閥故障
應認真估計儀表和控制閥可能失靈的位置,實際上控制閥出現的故障可能并不在預料的位置。閥門可能被卡住或者是控制回路出現問題,因此,對這些因素也應提供安全保護。在這種情況下，安全閥的尺寸設計應以特定控制閥和所涉及的裝置的流量系數（制造廠家數據）和壓差為依據。
▲熱膨脹
如果把工藝管線在換熱器的冷側隔離,由于從熱端輸入熱量會產生過壓,因此在該管線上或換熱器的冷端應安裝泄壓閥保護。
如果設備或管線在充滿液體時進行隔離,為防止其中液體的膨脹應安裝安全閥。太陽輻射或大氣溫度變化都需要熱膨脹保護,通過安全閥時的閃蒸也需要考慮。
▲公用工程故障
有時會發生區域性的或全廠范圍內的冷卻水漏失,這要影響分餾塔和其它用水冷卻的設備。在確定火炬系統規模時，冷卻水故障通常是起決定作用的條件。
與冷卻水系統失靈一樣,電源故障可在一個區域或全廠范圍內發生,從而產生多種影響。由于各工藝裝置中經常用到電泵和電機驅動的空冷器風扇等,所以電源事故會立刻造成用電設備同時停車。電源事故會成為泄放能力的主要影響因素。
儀表空氣系統的故障,不管與電源事故有無關系，都應在決定系統的規模時予以考慮，原因是氣動控制回路會因故障而中斷工作。
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