工藝設(shè)計及PFD設(shè)計.doc

工藝設(shè)計及PFD設(shè)計在化工裝置設(shè)計中，除了工藝系統(tǒng)設(shè)計以外，還有管道、設(shè)備、機械、建構(gòu)筑物、公用工程、電氣、儀表、安全衛(wèi)生、消防、分析化驗、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的設(shè)計工作，還要從全局考慮總平面布置、原料和產(chǎn)品的輸送及設(shè)計方案的技術(shù)經(jīng)濟性，這些都需要在化工工藝系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮，所以說化工工藝系統(tǒng)設(shè)計是一門綜合的技術(shù)。在各個設(shè)計階段中，作為設(shè)計主體的化工工程師，必須與其他各專業(yè)密切溝通，相互配合，才能完成整個設(shè)計任務(wù)。這就要求化工工程師不僅精通、熟悉有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計技能，并能在工程設(shè)計項目中恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用、執(zhí)行它，同時還要具備較廣泛的相關(guān)專業(yè)知識。國內(nèi)工程設(shè)計階段一般分為初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段，國際上通行的作法是分為工藝包設(shè)計階段、基礎(chǔ)設(shè)計階段和詳細(xì)設(shè)計階段。在化工工藝系統(tǒng)設(shè)計中，工藝流程設(shè)計的各個階段的設(shè)計成果都是通過各種流程圖和表格表達(dá)出來，按照設(shè)計階段的不同，先后有方框流程圖（block flowsheet）、工藝流程草（簡）圖（simplified flowsheet）、工藝物料流程圖（Process Flow Diagram即PFD）和管道儀表流程圖（Piping & Instrumentation Diagram 即P&I D）也有用“帶控制點的工藝流程圖(Process and Control Diagram 即PCD”代替P&ID)等種類。對于醫(yī)藥行業(yè)來說，根據(jù)其特有的生產(chǎn)潔凈區(qū)級別要求，還有人員-物料分流圖（Material and Personnel Flow Drawing）、工藝流程及環(huán)境區(qū)域劃分示意圖（Plant Schematic and Process Flow Diagram）等。下面對工藝設(shè)計、工藝包設(shè)計內(nèi)容及PFD的設(shè)計作簡單介紹。一、工藝設(shè)計1、工藝專業(yè)設(shè)計和工藝包從廣義上講工藝設(shè)計應(yīng)包含工藝專業(yè)設(shè)計和工藝包設(shè)計兩方面的內(nèi)容。工藝專業(yè)設(shè)計的主要任務(wù)是對一個化工產(chǎn)品的生產(chǎn)流程先進(jìn)行基本的計算，在此基礎(chǔ)上給有關(guān)專業(yè)提出條件，在有關(guān)專業(yè)的參與下以工藝專業(yè)為主，完成PFD(工藝物料流程圖 Process Flow Diagram)的設(shè)計任務(wù)。這個生產(chǎn)流程可以是工藝專業(yè)的設(shè)計人員自己開發(fā)的，也可是其它專利商提供的技術(shù)。工藝包一個專門的技術(shù)名詞，它特指包含一個化工產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)的全部技術(shù)文件。這些文件通常應(yīng)當(dāng)包含以下的內(nèi)容：生產(chǎn)該產(chǎn)品應(yīng)該采用的化工生產(chǎn)單元、應(yīng)該采用的化工設(shè)備、應(yīng)該采用的自動控制方案、所采用的原料以及生產(chǎn)該產(chǎn)品的原料及公用物料的消耗量?；すに囋O(shè)計工程師在進(jìn)行工藝設(shè)計時，需要進(jìn)行各種設(shè)計計算，如物料平衡和熱量平衡的計算，這是化工工藝設(shè)計中最基本的計算之一，也是使用最頻繁的計算。當(dāng)生產(chǎn)流程基本確定后，只有完成上述計算，才能進(jìn)行設(shè)備設(shè)計計算等其它方面的計算。物料平衡和熱量平衡的基本計算原則是質(zhì)量守恒和能量守恒定律。要使工藝包的設(shè)計具備先進(jìn)水平、使產(chǎn)品具備市場競爭能力，在進(jìn)行流程模擬時就要注意流程的可行性，要使每一股物流都有合理的去處，盡量做到物盡其用；另外要特別注意熱量的綜合利用，要考慮把高溫的溶劑和蒸汽冷凝液都盡量利用起來，這就需要應(yīng)用“能量綜合設(shè)計”的技術(shù)。工藝包設(shè)計的依據(jù)是已批準(zhǔn)的可行性研究報告、總體設(shè)計和設(shè)計基礎(chǔ)資料，據(jù)此進(jìn)行工藝包設(shè)計。工藝包設(shè)計應(yīng)完成的主要任務(wù)有：繪制PFD、完成工藝物料平衡計算、編制工藝設(shè)備數(shù)據(jù)表（主要是技術(shù)規(guī)格要求和負(fù)荷）、編制公用物料的設(shè)計原則和平衡圖、確定環(huán)保的設(shè)計原則和排出物的基本原則、進(jìn)行安全分析（Process Safety Review）（或稱為風(fēng)險評價Risk Assessment）等。在工藝設(shè)計的過程中，工藝專業(yè)要和不同專業(yè)互提條件。發(fā)出條件表的專業(yè)是主導(dǎo)專業(yè)，條件表是主導(dǎo)專業(yè)設(shè)計工作的初步成果，是接受條件專業(yè)的設(shè)計依據(jù)，是很重要的技術(shù)文件。這一階段中，主要工作是由工藝設(shè)計人員、其它專業(yè)的有關(guān)人員和項目管理人員參加并完成的，工藝過程的重大原則和設(shè)計方案應(yīng)該組織有關(guān)人員評審后才能確定（寰球公司規(guī)定要經(jīng)過室審和院審），此階段是整個設(shè)計工作全面展開的基礎(chǔ)。2、設(shè)計基礎(chǔ)每個設(shè)計項目在簽訂設(shè)計合同時，都要在設(shè)計合同的技術(shù)附件中，用詳細(xì)的清單列出設(shè)計單位要求業(yè)主提供的設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)容，即項目設(shè)計數(shù)據(jù)。項目設(shè)計數(shù)據(jù)是順利開展設(shè)計工作最基本的依據(jù)，缺少項目設(shè)計數(shù)據(jù)，設(shè)計工作就變成無米之炊，是無法開展的。工程項目只能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計和建設(shè)。業(yè)主根據(jù)合同的要求，應(yīng)按時提出設(shè)計單位所需的全部項目設(shè)計數(shù)據(jù)，項目設(shè)計數(shù)據(jù)必須由業(yè)主單位的建設(shè)項目負(fù)責(zé)人簽名認(rèn)可，才能正式作為設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供給設(shè)計人員使用。工藝和工藝系統(tǒng)專業(yè)是從項目經(jīng)理那里拿到業(yè)主認(rèn)可的項目設(shè)計數(shù)據(jù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)開始設(shè)計準(zhǔn)備工作。項目設(shè)計數(shù)據(jù)如果有變更，要依據(jù)業(yè)主的正式通知，由項目經(jīng)理向有關(guān)設(shè)計人員發(fā)布修改后的項目設(shè)計數(shù)據(jù)，有了設(shè)計變更通知設(shè)計人員才能修改有關(guān)的設(shè)計文件。必須重視項目設(shè)計數(shù)據(jù)的變更，它可能會直接影響到工藝流程的改變甚至影響整個項目的合同規(guī)定，所以對此應(yīng)當(dāng)十分慎重。工藝及工藝系統(tǒng)專業(yè)至少應(yīng)當(dāng)?shù)玫较铝袛?shù)據(jù)，才有條件開展設(shè)計工作。（1）所采用的工藝技術(shù)路線及其依據(jù)，裝置的年設(shè)計生產(chǎn)能力，年操作小時數(shù)及裝置操作彈性、操作制度、設(shè)計工況。（2）原材料、輔助原料、催化劑、化學(xué)品的規(guī)格要求及界區(qū)條件。（3）產(chǎn)品、中間產(chǎn)品及副產(chǎn)品的規(guī)格（產(chǎn)品牌號、規(guī)格、性能等）要求。（4）產(chǎn)品方案及產(chǎn)品性能。（5）公用物料的各項規(guī)格要求及界區(qū)條件（溫度、壓力、水質(zhì)分析等）。（6）提出原材料、輔助原材料、催化劑、化學(xué)品、工藝過程中公用物料的消耗定額及副產(chǎn)品產(chǎn)出定額（預(yù)期值）。（7）提出工藝過程排出物（氣體、液體、固體等）排放源、排放數(shù)量及其組成。（8）現(xiàn)場數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)，供電及電信系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)。（9）設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。3、工藝包設(shè)計內(nèi)容工藝包設(shè)計文件一般應(yīng)包括以下內(nèi)容。l 設(shè)計范圍。說明工藝包包括的范圍及生產(chǎn)規(guī)模。l 設(shè)計基礎(chǔ)。工藝對原材料、催化劑、化學(xué)品及公用工程的規(guī)格要求，成品規(guī)格，生產(chǎn)能力（收率、轉(zhuǎn)化率），消耗定額，三廢排放量及規(guī)格，生產(chǎn)定員，工程保證指標(biāo)和需要說明的安全生產(chǎn)要求。l 工藝流程說明。按工藝流程的程序，詳細(xì)的說明生產(chǎn)過程，包括有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)及機理，操作條件，主要設(shè)備特點，控制方案以及工程設(shè)計所必須的工藝物料的物化性質(zhì)數(shù)據(jù)。l 物料平衡及熱量平衡計算結(jié)果。全流程典型的物料平衡，應(yīng)考慮到負(fù)荷的波動及各主要工況，作為工程設(shè)計的重要依據(jù)。l PFD。表示工藝生產(chǎn)所有主要設(shè)備（包括位號、名稱），特殊閥件設(shè)置，物流數(shù)據(jù)（流量、組成、溫度、壓力等特性）以及控制、聯(lián)鎖方案。l 工藝設(shè)備表（設(shè)備一覽表）。應(yīng)填寫設(shè)備位號、設(shè)備名稱、介質(zhì)名稱、操作壓力、操作溫度、材質(zhì)等。l 主要設(shè)備工藝數(shù)據(jù)表（工藝規(guī)格書），包括主要機械設(shè)備數(shù)據(jù)表。主要設(shè)備數(shù)據(jù)表應(yīng)列出所有工藝規(guī)格要求及有關(guān)數(shù)據(jù)、設(shè)備的材質(zhì)要求、傳動機械要求及必要的設(shè)備條件圖。l P&I D 0版。表示管道尺寸、材料等級、伴熱、閥門、絕熱（保溫/保冷）等級、安全閥系統(tǒng)、管道編號、儀表及控制回路等。l 儀表數(shù)據(jù)表、控制原理圖、報警聯(lián)鎖表。l 管道規(guī)格書（或者管道材料圖）。包括介質(zhì)、工藝條件、設(shè)計條件、管道尺寸、管道材料、保溫等。l 初步布置圖。表示主要設(shè)備布置和占地面積。l 特殊管道材料等級規(guī)定。l 生產(chǎn)操作和安全規(guī)格的要求。l 分析化驗的要求。l 特殊的檢修要求。l 界區(qū)備件表。l 操作手冊（操作指南）。二、工藝物料流程圖（PFD）的設(shè)計PFD的設(shè)計是化工廠裝置設(shè)計過程的一個重要階段，在PFD的設(shè)計過程中，要完成生產(chǎn)流程的設(shè)計、操作參數(shù)和主要控制方案的確定，以及設(shè)備尺寸的計算，是從工藝方案過渡到化工工藝流程設(shè)計的重要工序之一。PFD是項目設(shè)計的指導(dǎo)性文件之一，在工藝設(shè)計階段完成。發(fā)布之后有關(guān)專業(yè)必須按PFD圖進(jìn)行工作，并只能由工藝專業(yè)解釋和修改。1、PFD的設(shè)計內(nèi)容PFD的主要內(nèi)容應(yīng)包括：全部工藝設(shè)備及位號，主要設(shè)備的名稱、操作溫度、操作壓力；物流走向及物流號（流股號），同時，應(yīng)有與流股號對應(yīng)的包括物流組成、溫度、壓力、狀態(tài)、流量及物性等主要物流計算結(jié)果的物料平衡表，可表示在PFD上，或單獨出版，根據(jù)不同的設(shè)計工況應(yīng)分別列出或出版；主要控制方案的儀表、功能及其信號走向；標(biāo)出泵的流量和進(jìn)出口壓力、塔的實際板數(shù)及規(guī)格、換熱器的熱負(fù)荷等。PFD必須反映出全部工藝物料和產(chǎn)品所經(jīng)過的設(shè)備、主要物料的管道、并表示出進(jìn)出界區(qū)的流向。對于公用工程，如水、冷凍鹽水、氮氣、工藝用壓縮空氣、蒸汽及冷凝液系統(tǒng)僅表示工藝設(shè)備使用點的進(jìn)出位置。一般每個工程（或公司）都要發(fā)布用于PFD設(shè)計的圖例、符號（規(guī)定）圖（LEAD SHEET），對PFD設(shè)計中的設(shè)備畫法、設(shè)備編號、儀表符號、標(biāo)注符號、管道符號、物料代號以及縮寫詞等作統(tǒng)一規(guī)定（也有在PFD圖上簡單表示）。下面分別簡述設(shè)備、工藝物流和主要控制方案的具體設(shè)計內(nèi)容和畫法。（1）設(shè)備在PFD中，設(shè)備用細(xì)實線簡單繪出，如有多臺相同設(shè)備并聯(lián)時，可以只畫出一臺，但要標(biāo)明位號A/B，而對于需要再生的設(shè)備，需全部繪出。主要設(shè)備盡可能按適當(dāng)比例畫出相對位置、大小，而設(shè)備的基礎(chǔ)、裙座和管接頭不表示。一般在設(shè)備附近標(biāo)注設(shè)備位號，并在圖紙上方或下方空白處按設(shè)備重疊情況由上到下分層標(biāo)注設(shè)備位號、設(shè)備名稱及規(guī)格。一般情況下，靜設(shè)備在圖紙上部、動設(shè)備在圖紙下部表示。也有另外一種表示方式：對于容器類、壓縮機類設(shè)備在圖上方標(biāo)示設(shè)備名稱、位號及規(guī)格，并在圖中設(shè)備附近標(biāo)示設(shè)備位號，而泵類、換熱器類設(shè)備旁邊一般只標(biāo)位號及規(guī)格。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的主要規(guī)格和參數(shù)通常為：泵應(yīng)注明正常流量和吸入、排出壓力；容器應(yīng)注明直徑和切線長度（或高度）；塔器應(yīng)注明塔徑和切線高度，在塔內(nèi)注明實際板數(shù)或填料段數(shù)；換熱器要注明換熱器的正常負(fù)荷。設(shè)備外形表示方法如下;l 離心泵用圓圈加底座組合表示，進(jìn)料指向圓心。l 往復(fù)泵以形與一端不封閉的長方塊表示。l 換熱設(shè)備用圓圈或設(shè)備外形表示。l 壓縮機要表示出其型式，并表示出壓縮機的段數(shù)和主要的配套輔助設(shè)備。如型式尚未確定，可用方塊表示。l 反應(yīng)器要畫出主要元件，如篩板、催化劑框等。l 分離器也要表示出內(nèi)件。槽、罐類設(shè)備要畫出隔板、液封。l 噴射器、其它特殊設(shè)備，如造粒塔、電解槽、電石爐、空氣磨等盡可能畫出實物大致外形。（2）工藝物流在PFD中，工藝物流用粗實線繪出，并用箭頭標(biāo)示物流的去向。再生系統(tǒng)的物流用細(xì)實線標(biāo)出。主要物流應(yīng)標(biāo)注流股號（除PFD外，應(yīng)有單獨的物料平衡表），并在物料平衡表中列出PFD上對應(yīng)物流的組成、溫度、壓力、流量狀態(tài)和相關(guān)物性。在一張圖中，與其它圖相關(guān)的物流應(yīng)標(biāo)明物流來源和去向。在PFD中，關(guān)鍵物流應(yīng)標(biāo)明溫度和壓力（也可表示在塔和容器上），進(jìn)塔裝置的關(guān)鍵物流也可標(biāo)明流量。PFD中對物流的標(biāo)注至少應(yīng)包括下列內(nèi)容。l 標(biāo)識流程圖上的各點物料的編號（流股號）。l 除有壓力變化的地方要畫上閥門（以表示壓力等級的區(qū)別）以及特殊重要的閥門外，其它情況的閥門一律不在圖上畫出。l 要表示正常生產(chǎn)條件下的放空和排液管道。l 對于作為熱源或冷卻介質(zhì)的蒸汽、冷卻水、凝液只標(biāo)進(jìn)出流向。l 具有液封作用的管線，除表示出液封外形外，還要注明液封高度。當(dāng)排放口的高度有要求時，要注明排放高度。l 工藝用蒸汽、凝液、冷卻水、冷凍鹽水、工廠空氣管線以及氮封管線，一律不畫進(jìn)出總管。流股號在菱形框內(nèi)按順序用阿拉伯?dāng)?shù)字編寫。一般用三位數(shù)字表示，第一位表示單元或工段，后兩位表示序號。設(shè)備間的物料流向用帶箭頭的實線表示。進(jìn)出裝置界區(qū)的物料流向以圓圈中的箭頭表示；圖紙之間用長方框（或帶箭頭的長方形）表示物料的來源或去向。冷卻水、蒸汽、凝液、工廠空氣等在無特殊要求情況下不標(biāo)明來源和去向。（3）主要控制方案在PFD中，應(yīng)標(biāo)示出全部的控制回路及其相關(guān)儀表和調(diào)節(jié)閥。例如塔器的壓力控制回路、靈敏板溫度控制回路、回流控制以及塔釜液位控制回路，罐的液位控制回路，主要換熱器的液位控制回路或溫度控制回路等。儀表僅表示出儀表類型，如溫度儀表、壓力儀表等。調(diào)節(jié)閥應(yīng)在對應(yīng)的物流線上標(biāo)明，但不用標(biāo)注調(diào)節(jié)閥尺寸。在復(fù)雜控制回路中，應(yīng)用箭頭標(biāo)示信號去向。對于由組分控制的回路，應(yīng)標(biāo)明需要檢測的主要組分。2、單元設(shè)備的典型設(shè)計化工生產(chǎn)過程中需要使用各種單元設(shè)備，每種單元設(shè)備對工藝流程圖的設(shè)計均有一定的要求。作為一個工藝流程圖的設(shè)計者，只要掌握各種單元設(shè)備的典型設(shè)計，再結(jié)合工藝流程和工程項目的特殊要求，配以設(shè)計者的工程經(jīng)驗，就可進(jìn)行工藝流程圖中單元設(shè)備的設(shè)計。參見例圖。（1）泵在PFD中，泵一般繪在圖的下部。同時繪出與泵相連的工藝物流即可。在泵的附近，盡量在泵的正下方，標(biāo)明泵的位號、吸入壓力、排出壓力和正常操作時的流量。（2）容器容器分臥式容器和立式容器兩種。容器需根據(jù)容器在流程中的相對位置在圖面上布置。在PFD中，應(yīng)繪出與容器相關(guān)的主要工藝物流及與主要控制回路相關(guān)的輔助物流。容器的名稱、規(guī)格和位號在PFD中容器正上方靠近頂部標(biāo)出，同時在容器的附近也標(biāo)出容器位號。容器內(nèi)的主要部件（如除沫器）應(yīng)在PFD中繪出。容器的操作操作壓力應(yīng)在圖中標(biāo)出。（3）塔在PFD中，塔一般在圖的中部繪制。同時，應(yīng)繪出與塔相關(guān)的主要工藝物流及與主要控制回路相關(guān)的輔助物流。塔的名稱、規(guī)格和位號在PFD中塔正上方靠近頂部標(biāo)出，同時在塔的附近也標(biāo)出塔位號。塔內(nèi)的主要部件應(yīng)在PFD中繪出，如塔的實際板數(shù)或填料段數(shù)、進(jìn)料板號與側(cè)線采出板號。同時應(yīng)繪出與塔相關(guān)的主要控制回路及控制點的相對位置，如塔的壓力控制回路、靈敏板溫度回路、回流控制回路和塔釜液位控制回路等，還要標(biāo)出塔的操作溫度、操作壓力。塔的周邊設(shè)備應(yīng)根據(jù)流程中的相對位置在工藝流程圖中繪出。（4）換熱器常見的換熱器有管殼式和釜式兩種。在PFD中，換熱器需要根據(jù)其在流程中的相對位置在圖面上布置。對于管殼式換熱器應(yīng)標(biāo)明工藝物流所流經(jīng)的是殼側(cè)還是管側(cè)，對于釜式換熱器也要標(biāo)明工藝物流所流經(jīng)的那一側(cè)。非工藝物流僅在圖中表示，并注明介質(zhì)名稱即可。要表示出主要的控制回路，在換熱器的附近標(biāo)明位號。（5）壓縮機在工藝流程圖中，壓縮機一般繪在圖的下部（也有在上部的）。并繪出與壓縮機相連的工藝物流以及主要的控制回路。在壓縮機的附近，盡量在壓縮機的正下方，標(biāo)明壓縮機的位號、吸入壓力、排出壓力和正常操作時的流量。3、PFD的圖面布置和制圖要求各個設(shè)計單位在繪制PFD時所用圖紙的規(guī)格不同，一般采用1（A1）圖紙，以便圖面布置，但應(yīng)盡量保證在其縮印成3（A3）圖后仍舊清晰，便于工作。（1）PFD的圖面布置l 設(shè)備在圖面上的布置，一般是順流程從左到右。l 塔、反應(yīng)器、換熱器等放在地面上的設(shè)備，一般是從圖面水平中線往上布置。l 壓縮機、泵布置在圖面下部1/4線以下。l 中線以下1/4高度供畫管道用。l 其它設(shè)備布置在PFD要求的位置，如高位冷凝器布置在回流罐的上面，再沸器靠塔放置。l 對于無高度要求的設(shè)備，在圖面上的位置要符合流程流向，以便與物流線連接。（2）繪圖要求l 圖紙編號和圖紙名稱按有關(guān)規(guī)定。l 儀表和設(shè)備的表示方法要根據(jù)工程的Lead Sheet或有關(guān)規(guī)定。l 要改造的設(shè)備用蘑菇云圈住。l 設(shè)備內(nèi)件用細(xì)實線表示。l 工藝物流出入圖面要繪一矩形框或帶箭頭的矩形，內(nèi)用文字表明相接設(shè)備與圖號。l 設(shè)備位號按Lead Sheet或有關(guān)規(guī)定。l 物流流向箭頭一般畫在物流線改變方向處。在與PFD相應(yīng)的物料平衡表中，可按操作工況從每股物流的流股號上，對應(yīng)地找到物料平衡表中的流股號從而知道該物股的溫度、壓力、各組分的含量等數(shù)據(jù)的內(nèi)容，要能滿足工藝專業(yè)提條件的需要，需要什么數(shù)據(jù)、物料平衡表就應(yīng)該能輸出什么數(shù)據(jù)。4、物料和熱量衡算與PFD在工藝設(shè)計階段，工藝專業(yè)工程師要進(jìn)行全流程物料平衡及熱量平衡計算，應(yīng)進(jìn)行必要的方案比較，選