化工設計-分餾塔為例

魏耀東2014.7化學工業(yè)，化工工程，

化學設計(shèjì)，化工裝備共八十九頁學--科學，工---工業(yè)?；瘜W是屬于科學范圍，化工往往與技術有關。需要集成，考慮成本?；ぶ械囊恍┗驹?，其實是化工中應用理論(lǐlùn)力學，流體力學，熱力學，傳熱學等科學問題的應用?；ぶ杏玫降姆磻?，是化學發(fā)現(xiàn)的，再應用到工業(yè)生產(chǎn)中?；瘜W是探索，化工是用化學的方法生產(chǎn)出市場上需要產(chǎn)品的工業(yè)。如果化工是生產(chǎn)商店里的服裝賣的話，化學就是設計走T型臺的概念服裝?；瘜W(huàxué)與化工共八十九頁一、化學工業(yè)的發(fā)展歷史、化學工業(yè)覆蓋的范圍及其在現(xiàn)代(xiàndài)經(jīng)濟體系中的地位1、化學工業(yè)的發(fā)展(fāzhǎn)歷史化學工業(yè)歷經(jīng)了古代、近代、現(xiàn)代三個主要發(fā)展階段?；瘜W工業(yè)發(fā)展階段①、古代化學工業(yè)：從數(shù)千年前人類陽光曬鹽、地下鹵水煮鹽開始，萌發(fā)了古老的化學工業(yè)。②、近代化學工業(yè)：從18世紀中葉，歐洲造紙、玻璃、肥皂的大規(guī)模生產(chǎn)開始，表明近代化學工業(yè)的形成。③、現(xiàn)代化學工業(yè)：上世紀40年代開始，隨著合成橡膠、石油煉制、合成纖維工業(yè)的迅速發(fā)展，隨著化工單元操作理論的日益成熟，在科學技術和生產(chǎn)規(guī)模二個層面上，揭示現(xiàn)代化學工業(yè)開始形成。工業(yè)園區(qū)的模式運行，公用工程，產(chǎn)品流通，三廢處理等。共八十九頁2、化學工業(yè)屬于(shǔyú)過程工業(yè)型制造業(yè)（流程型制造業(yè)）現(xiàn)代(xiàndài)制造業(yè)離散型制造業(yè)（例如汽車工業(yè)等）過程工業(yè)型制造業(yè)（又稱“流程型制造業(yè)”）（例如化學工業(yè)、冶金行業(yè)等）

流程型制造業(yè)一般是能耗大戶，也是排放的大戶。其節(jié)能、降耗、減排的任務十分艱巨。

例如：一個年產(chǎn)值不過僅10億元人民幣的合成原料藥制造企業(yè)，它每天的耗水量可高達5000立方米。

過程工業(yè)是以流程性物料為主要處理對象、完成一系列化學、物理過程，改變物質的狀態(tài)、結構、性質的工業(yè)生產(chǎn)總稱。共八十九頁3、現(xiàn)代(xiàndài)化學工業(yè)覆蓋的范圍

我國化學工業(yè)的分類與美國、歐盟關于化學工業(yè)的范疇有一些區(qū)別，但逐步在接軌，按美國、歐盟的化學工業(yè)年鑒，現(xiàn)代化學工業(yè)覆蓋以下(yǐxià)范圍：現(xiàn)代化學工業(yè)石油化工（包括其衍生的有機化工）煤化工（包括其衍生的有機化工）無機化工精細化工及中間體化肥工業(yè)農(nóng)藥工業(yè)醫(yī)藥工業(yè)輕工（造紙、玻璃、塑料、合成橡膠等）染料、油墨、化妝品、清潔劑生物化工共八十九頁4、化學工業(yè)在現(xiàn)代(xiàndài)經(jīng)濟體系中的地位

化學工業(yè)是所有高新技術產(chǎn)業(yè)的支撐工業(yè)，如能源(néngyuán)、電子、信息、生物、材料等領域，都離不開化學工業(yè)提供的物質支撐。

化學工業(yè)絕不是所謂的“夕陽工業(yè)”、“夕陽產(chǎn)業(yè)”，它現(xiàn)在仍然正在平穩(wěn)高速的發(fā)展，將來必將持續(xù)快速發(fā)展。1990年～1999年，美國、歐盟化學工業(yè)的發(fā)展速度是其全部工業(yè)平均增長速度的2.69倍。

美國化學工業(yè)的規(guī)模一直雄居世界化學工業(yè)總量的30％左右，是美國為數(shù)不多在國際貿易體系內具有貿易順差的制造業(yè)之一。

在世界500強企業(yè)中，以化工為主或涉足化工領域的企業(yè)為數(shù)不少。世界500強中，很多是化學工業(yè)。Shell(2),Sinopec(3),CNPC(4),Exxonmobil(5),BP(6),Total(11),Chevron(12),others,DUPONT,BASF,DOW,ICI,Cnooc(中海油),CONOCOPHILLIPS，……共八十九頁二、化工(huàgōng)過程設計的基本內容1、化工設計、化工廠設計、化工過程(guòchéng)設計、化工工藝設計四個名詞之間的聯(lián)系與區(qū)別

化工設計是泛稱，在不同場合可分別指稱化工廠設計、化工過程設計、化工工藝設計，其內涵最廣，但意義不明確?；S設計化工過程設計（核心）化工廠房建筑、結構設計總圖設計，….等非工藝部分設計化工工藝設計（核心）公用工程設計、外管設計，…等化工過程設計是針對化工工藝設計的深入、配套與完善。共八十九頁2、化工過程(guòchéng)設計的目標及內容

美國國家(guójiā)顧問團在其“化學工程的新領域”著作中，簡明闡述了化工過程設計的主要目標：

確定最佳流程及最佳操作條件，達到最優(yōu)投入產(chǎn)出比。在定量計算的基礎上，結合專家的經(jīng)驗，考慮安全、健康、環(huán)保的因素，確定出一個綜合的設計方案。化工過程設計的內容：

其基本核心內容是化工工藝設計，其附帶內容是針對化工工藝設計，對它的配套部分如公用工程、外管設計等進行深入設計和完善。共八十九頁3、化工過程(guòchéng)設計的深化改革化工過程設計(shèjì)發(fā)展方向復雜大型化工廠的設計柔性化工廠的設計自主創(chuàng)新設計與國際工程設計的接軌我國化工設計院，原來的專業(yè)部門進行了相應的改革調整。原來的工藝專業(yè)部工藝專業(yè)部（大部分為化學工程與工藝專業(yè)人員）工藝系統(tǒng)專業(yè)部（少量化學工程與工藝專業(yè)人員，大量其它輔助專業(yè)）工藝專業(yè)部：側重化工工藝設計工藝系統(tǒng)專業(yè)部：側重化工過程設計中除了化工工藝設計以外與工藝有關的內容共八十九頁工藝(gōngyì)專業(yè)部：側重出PID圖、PFD圖工藝系統(tǒng)(xìtǒng)專業(yè)部：側重出UID圖、UFD圖PID

（ProcessInstrumentDiagram）帶控制點的工藝儀表管道流程圖PFD

（ProcessFlowsheetDiagram）過程物料流程圖UID

（UtilityInstrumentDiagram）公用工程儀表管道流程圖UFD

（UtilityFlowsheetDiagram）公用工程物料流程圖其中，各種圖紙隨設計的深入，分成多個版本。共八十九頁

工藝專業(yè)部與工藝系統(tǒng)專業(yè)部之間，在設計工作過程中有許多需要(xūyào)交流的條件、文件（“條件表”），有發(fā)出條件的主導專業(yè)，有接收“條件表”的接收專業(yè)。我國化工(huàgōng)設計院的專業(yè)種類化學工程與工藝化工機械自動化及儀表總圖概預算（工程經(jīng)濟）建筑、結構、暖通、給排水、強弱電熱工、環(huán)境工程（環(huán)保）、工業(yè)爐共八十九頁三、計算機輔助化工(huàgōng)過程設計

在20世紀20年代以前(yǐqián)，化工過程設計幾乎沒有理論作指導，幾乎是完全憑經(jīng)驗。

在20世紀20年代～60年代，化工過程設計已經(jīng)開始有化工單元操作理論作指導，可以定量計算設計，但幾乎完全憑手工計算與繪圖完成設計工作。

在20世紀60年代以后，計算機輔助化工過程設計得到了發(fā)展。

為什么直到20世紀60年代后，在化工設計領域開開始出現(xiàn)計算機輔助化工過程設計呢？計算機軟、硬件技術的發(fā)展化工單元操作等理論的不斷成熟數(shù)學計算技術的發(fā)展共八十九頁計算機輔助化工過程設計(shèjì)的優(yōu)勢（優(yōu)點）：①、設計(shèjì)工作效率高②、規(guī)范性好③、設計水平高（可進行優(yōu)化設計）效率對比：一個年產(chǎn)30萬噸的乙烯的工程，如果全憑手工計算與繪圖，400個設計工程師要花費近1年的時間，才能完成一個流程方案的設計。而借助計算機輔助化工過程設計系統(tǒng)，200個設計工程師花費8個星期，就能完成一個流程方案。

后者的設計工作效率比前者高出10多倍。共八十九頁計算輔助化工(huàgōng)過程設計軟件系統(tǒng)的發(fā)展情況：第一代商品化軟件系統(tǒng)20世紀(shìjì)60年代，以美國各高校聯(lián)合開發(fā)的CHESS軟件系統(tǒng)為代表。Chem.Eng.SimulationSystem20世紀70年代初，以美國Monsanto公司牽頭開發(fā)的FLOWTRAN軟件系統(tǒng)代表。第二代商品化軟件系統(tǒng)FlowsheetTranslator第三代商品化軟件系統(tǒng)20世紀80年代，以ASPEN

和PROCESSII兩大軟件系統(tǒng)代表。AdvancedSystemforProcessEng.

我國最早由寰球、化工部八院等單位于上世紀90年代率先引進ASPEN軟件系統(tǒng)?，F(xiàn)在，國內各設計院基本都已經(jīng)使用ASPEN或ProcessII軟件系統(tǒng)進行計算機輔助化工過程設計。共八十九頁計算機輔助化工過程(guòchéng)設計軟件系統(tǒng)的發(fā)展方向（趨勢）：（1）、單元操作模塊的種類數(shù)；（2）、物性數(shù)據(jù)庫的大小及數(shù)據(jù)的估算方法；（3）、能處理的流股數(shù)量和組份數(shù)量；（4）、計算技術方法（求解方法）；（5）、能處理的流股相態(tài)；（氣、液、固、膠體、電解質等）（6）、軟件系統(tǒng)的人性化界面及開放程度；（7）、流程圖形輸入及識別技術(jìshù)。等等共八十九頁四、現(xiàn)代化學工業(yè)的發(fā)展(fāzhǎn)方向、化學工程倫理學責任關懷制度1、現(xiàn)代化學工業(yè)(huàxuégōngyè)的發(fā)展方向人類發(fā)展化學工業(yè)的目的：

滿足人類對化學物質（分子式、數(shù)量、質量、多尺度形態(tài)）的不斷需求。這個目標由化學家和化學工程師，在技術層面上共同完成?，F(xiàn)代化學工業(yè)發(fā)展方向新物質經(jīng)濟合理的大批量高質量柔性化綠色化多尺度共八十九頁其中(qízhōng)：

化學工業(yè)綠色化的含義：以“減量化、再利用(lìyòng)、資源化”為基本原則，也就是所謂的“3R”原則。（Reduce、Recycle、Resource）具體體現(xiàn)在：（1）、減少化工過程的能耗、物耗；（2）、減少有害物質的使用或生成；（3）、減少廢棄物，并使廢棄物在系統(tǒng)類在利用；（4）、盡量將排放的廢棄物轉化為可用的再生資源；（5）、盡量延長產(chǎn)品的生命周期。ReduceRecycleResource共八十九頁2、化學工程倫理學及責任關懷(guānhuái)制度

在化學工程領域實施注冊工程師制度，在化學工程師心目中樹立倫理學觀念(guānniàn)，建立責任關懷制度。開始逐步成為國際化學工程領域的一個發(fā)展大趨勢。倫理學理念體現(xiàn)在：（1）、自覺維護化工過程的安全；（2）、自覺保護環(huán)境的意識；（3）、自覺節(jié)約資源的意識；（4）、對業(yè)主、化工廠操作人員、同事負責的精神。責任關懷制度的含義：（1）、提高對安全、健康、環(huán)保、資源的認知和行動；（2）、充分報道成績、行動計劃，但不回避缺陷；（3）、與公眾溝通，并傾聽意見的日常化。等等。共八十九頁機泵等供貨商初步資料初步設計方案論證業(yè)主條件首頁圖統(tǒng)一規(guī)定開工報告及協(xié)作進度表基本確定PFD、PID、主要機泵、設備選型及設備布置圖設計成品入庫，條件(tiáojiàn)歸檔科室抽取、修改、完善軸測圖與外專業(yè)相互會簽設備、土建、自控、機泵、材控、電氣、電信、給排水、消防、暖通、熱工、環(huán)保安全衛(wèi)生、外管依次提出各專業(yè)一次條件提防腐、保溫條件完成管道安裝材料表、管道命名表、管架表、地腳螺栓表、綜合材料表、設備表、施工圖說明及圖紙目錄接收自控的安裝條件及控制點位號提管機條件、管口方位圖、調節(jié)閥規(guī)格單、鋼平臺梯子條件三維建模，設計管道布置圖土建、設備、材料返回一次條件提出土建二次條件與外管核對接點條件完善PID，管架設計接收管機專業(yè)關于管架的意見化工設計(shèjì)流程共八十九頁連續(xù)精餾(jīnɡliú)裝置的工藝流程操作目的：通過反復(fǎnfù)的部分汽化與部分冷凝，將混合液中沸點不同的各組分分離成產(chǎn)品。操作代價：消耗能量，塔底需要加熱使塔底液部分汽化；塔頂需要冷卻使塔頂組分冷凝；共八十九頁化工(huàgōng)工藝接收設計(shèjì)條件消化資料確定設計基礎展開工藝設計提出相關設計條件完成工藝設計成品文件詳細設計跟蹤服務基礎設計設計完工報告工藝設計工作程序共八十九頁項目經(jīng)理應提供的條件和資料：●項目建議書●可研報告●裝置(zhuāngzhì)平面圖●專利、專有技術資料●工藝設計、基礎設計數(shù)據(jù)●開工報告●有關會議資料●合同文件接受(jiēshòu)設計條件：共八十九頁●采用的工藝路線及其依據(jù)，產(chǎn)品方案及裝置的設計生產(chǎn)能力、產(chǎn)品及副產(chǎn)品的數(shù)量、年操作時數(shù)及操作彈性?！裨牧稀⑤o助原料、催化劑、化學品的規(guī)格要求及界區(qū)條件?！癞a(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）?！窆霉こ痰母黜椧?guī)格要求及界區(qū)條件（溫度(wēndù)、壓力等）?！衿渌O計條。消化資料(zīliào)確定設計基礎：共八十九頁●確定工藝流程方案●工藝計算：物料、能量、設備工藝計算●PFD和初步的UFD●設備表●工藝設備數(shù)據(jù)表●建議布置圖●原料、公用工程消耗●確定公用系統(tǒng)方案UFD●三廢排放量及建議處理方法●初步的安全(ānquán)分析，危險區(qū)劃分●初版PID(A版)開展工藝(gōngyì)設計:

共八十九頁●自控條件：工藝控制聯(lián)鎖報警●電氣條件：危險區(qū)劃分特殊電氣要求電氣聯(lián)鎖報警●總圖條件：建議布置圖●設備條件：工藝設備數(shù)據(jù)表●分析化驗條件：取樣條件表取樣點匯總表●配管條件：操作原則安全規(guī)程(guīchéng)指南●三廢排放一覽表提出(tíchū)相關設計條件：

共八十九頁●公用工程條件表●消防條件●電信條件●采暖、通風、空調條件●建、構筑物特性(tèxìng)條件●安全生產(chǎn)、職業(yè)衛(wèi)生●物性數(shù)據(jù)●文字說明提出相關(xiāngguān)設計條件：

共八十九頁工藝說明書●圖紙(圖紙是工程語言(yǔyán))

PFD附物料平衡表建議布置圖●表格：設備表工藝設備數(shù)據(jù)表界區(qū)條件表取樣點匯總表

完成工藝設計(shèjì)成品文件：

共八十九頁精餾塔概述(ɡàishù)37精餾塔的設計(shèjì)(化工設計)系統(tǒng)、工藝，機械，土建，儀表，公用工程（汽水電）精餾塔的制造精餾塔的運輸和安裝精餾塔儀表安裝和調試材料，制造工藝，零件，機加工，焊接，組裝，檢驗，防腐運輸，車具，吊裝，梯子平臺，接管，保溫，防腐，試壓控制方案，儀表選擇，安裝，布線，控制方法（PID），組裝,系統(tǒng)調試等1、新建項目設計（技術開發(fā)）

2、重復建設項目設計（成熟技術）3、已有裝置的改造設計（技術改進）共八十九頁

公用(gōngyòng)工程換熱網(wǎng)絡(wǎngluò)分離系統(tǒng)反應系統(tǒng)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）

共八十九頁

整個流程的組成；

每個過程或工序的組成；

工藝操作條件；三傳一反

主要(zhǔyào)操作參數(shù)的控制

主要設備，機器

控制點和控制方法。

一、分餾塔的工藝(gōngyì)設計部分三、分餾塔的設計

工藝流程圖（PI，PFD，PID，PCD）

blockflowsheet

simplifiedflowsheet

processflowsheetdiagram.PFD

pipingandinstrumentdiagram,PID

processcontroldiagram,PCD共八十九頁

工藝設計(shèjì)內容（物料、能量、熱量、動量平衡）

熱力學計算

溫度

壓力

組分

操作線

塔盤數(shù)

進料位置

回流比

…

水力學計算(jìsuàn)

操作氣速

塔頂回流量

壓降

溫降

塔高

塔徑

…共八十九頁設計(shèjì)條件分餾塔為例說明(shuōmíng)共八十九頁材料

塔壁厚度，

封頭

支撐裙座

安全閥

吊柱

地腳螺栓(luóshuān)

人孔

梯子平臺

塔盤

保溫

防火

…二、分餾塔的機械設計部分(理論力學(lìxué)，材料力學(lìxué)等)共八十九頁控制參數(shù)選擇

控制精度

流量控制

壓力(yālì)控制

溫度控制

液位控制

簡單控制

串級控制

儀表選擇信號傳輸

控制閥流量特性

PID參數(shù)整定

其他

…三、分餾塔的控制設計部分(bùfen)(控制理論，檢測儀表等)共八十九頁共八十九頁共八十九頁共八十九頁共八十九頁分餾塔總圖(zǒnɡtú)共八十九頁塔盤總圖(zǒnɡtú)共八十九頁布液管共八十九頁脫乙烷塔的工藝(gōngyì)管道及控制流程圖乙烯生產(chǎn)(shēngchǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖（PID）共八十九頁共八十九頁串級控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)（副控制壓力，也可以是流量）提鎦段的串級控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)共八十九頁壓力容器與流體機械

靜設備

反應器，塔，換熱器，爐子(lúzi)，儲罐，管線，管線等。

動設備

液體泵

氣體壓縮機活塞式，離心式，軸流式。

裝備部分-實體(shítǐ)部分，投資的主體設計，制造，安裝，維護，管理共八十九頁煉油裝置-常減壓(jiǎnyā)-裝置的布置共八十九頁煉油(liànyóu)裝置-常減壓-資源共用（熱風）共八十九頁煉油(liànyóu)裝置-常減壓800萬噸/年-配管設計共八十九頁煉油(liànyóu)裝置-電脫鹽-平臺設計共八十九頁煉油裝置(zhuāngzhì)-常減壓爐共八十九頁煉油裝置-減壓分餾塔-設備布置(bùzhì)的特點共八十九頁煉油裝置-常減壓(jiǎnyā)油泵-地面布置-配電，維修，安裝共八十九頁分餾塔制造(zhìzào)共八十九頁分餾塔制造(zhìzào)共八十九頁分餾塔制造(zhìzào)共八十九頁分餾塔制造(zhìzào)共八十九頁分餾塔運輸(yùnshū)共八十九頁分餾塔運輸(yùnshū)共八十九頁分餾塔運輸(yùnshū)共八十九頁分餾塔安裝(ānzhuāng)共八十九頁共八十九頁共八十九頁機械角度(jiǎodù)考慮問題出口用T形彎頭(wāntóu)，進口的加強筋共八十九頁機械角度(jiǎodù)考慮問題吊柱，T形彎頭(wāntóu)，彈性支座，加強環(huán)共八十九頁機械(jīxiè)角度考慮問題煙筒(yāntong)上的螺旋條共八十九頁機械(jīxiè)角度考慮問題煙筒(yāntong)上的傘架共八十九頁機械(jīxiè)角度考慮問題旁路(pánɡlù)管線的走向，直徑變化共八十九頁配管熱應力問題(wèntí)

共八十九頁熱應力問題(wèntí)共八十九頁熱應力問題(wèntí)和溫降問題(wèntí