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化工工艺设计应该怎样做？这篇文章为你梳理思路！

无论是开发新的化工生产过程，还是设计新的化工装置，化工工艺设计是直接关系到化工装置能否顺利开车、能否达到预计的生产能力和产品质量，最终关系到工厂能否获得最大的经济效益和社会效益。对于正在运行的化工装置,可以通过工艺分析，了解装置物料和能量消耗情况,分析设备运行中存在的问题,为制定改进方案、降低原料和能量消耗、提高产品质量以及挖掘生产潜力提供依据。今天推荐的这篇文章，更多地是从全局上考虑工艺设计的各个方面，在涉及具体的细节时，各位可以参考文中标出的历史文章，做更详细的了解。

1、概述

要建设一个化工厂，必须具有一批化工工艺专业技术人员，这批化工工艺专业技术人员必须具备下列基本条件。

1 掌握化工基本理论

如化工热力学、流体力学、传热、传质、化学反应动力学（化学反应工程）。

2 掌握化工工艺设计方法和技能

工艺设计的任务、设计范围、工艺设计人员职责。
化工基本理论的应用（化工设计方法）。
工艺设计基本程序（工艺设计技能）。
工艺设计的成品文件（内容及深度）。
工艺设计的质量保证程序。

3 熟悉环保、安全、消防等方面的法规

HG20667-1986 化工建设项目环境保护设计规定
SH3024-95 石油化工企业环境保护设计规范
HG20571-95 化工企业安全卫生设计规定
SH3047-93 石油化工企业职业安全卫生设计规范
GBJ16-87(2001版) 建筑设计防火规范
GB50160-92(1999版) 石油化工企业设计防火规范
GB50058-92 爆炸和危险性环境电力装置设计规范。

2、化工项目建设阶段

建设项目阶段的划分以工程公司为主体，通常分为三个阶段：

项目前期

项目建议书→ 批准后即为立项

可行性研究报告→ 批准后即可展开工程设计

工程设计

按国内审批要求分为：初步设计 → 批准后建设单位即可开工；施工图设计

按国际常规做法分为：工艺设计、基础设计、详细设计。

施工、安装、试车、性能考核及国家验收

建设项目阶段的划分以建设单位为主体，通常分为四个阶段：项目前期，工程设计，工程建设，工厂投入生产。

3、工艺设计内容

工艺设计的文件包括三大内容：文字说明（工艺说明）、图纸、表格。

1 文字说明（工艺说明）

工艺设计的范围。

设计基础：生产规模、产品方案、原料，催化剂，化学品，公用工程燃料规格、产品及副产品规格。
工艺流程说明：生产方法、化学原理、工艺流程叙述。
原料、催化剂、化学品及燃料消耗定额及消耗量。
公用工程（包括水、电、汽、脱盐水、冷冻、工艺空气、仪表空气、氮气）消耗定额及消耗量。
三废排放：包括排放点、排放量、排放组成及建议处理方法
装置定员
安全备忘录（另行成册）
技术风险备忘录（通常为对内使用，另行成册）
操作指南（通常为对内使用，另行成册。供工艺系统、配管等专业使用）

2 图纸

PFD：是PID的设计依据，供基础设计使用（通常分版次逐版深化）。

包括全部工艺设备、主要物料管道（表示出流向、物料号）、主要控制回路、联锁方案、加热和冷却介质以及工艺空气进出位置。

建议设备布置图：是总图布置、装置布置的依据，供基础设计使用（通常为平面布置图）。根据工艺流程的特点和要求进行布置。

PCD：通常是设计院内部设计过程文件、最终体现在终版PFD中（通常由自控专业完成）。

3 表格

物料平衡表：包括物流组成、温度、压力、状态、流量、密度、焓值、粘度等理化常数（热负荷表示在此表中或PFD图上）。

工艺设备数据表：根据设备形式不同、作用不同以及介质不同可分为容器、塔器、换热器、工业炉、机泵、搅拌器的等。工艺设备数据表需表示出设备位号、介质名称、操作压力、设计压力、操作温度、设计温度、材质、传动机构、外形尺寸、特征尺寸及特殊要求。（各设计院均有各种规定的表格）。
工艺设备表。
取样点汇总表。
装置界区条件表：通常由工艺系统专业来完善并最终发表（包括原材料、公用工程、产品、副产品、进出界区条件等）。

4 补充说明

化工工艺专业尚需参加前期工作，主要前期工作有：

项目建议书；可行性报告编制工作。
项目报价书；投标书、技术文件编制工作。
引进项目：包括询价书、投标书的评标、合同技术附件谈判。
大中型联合装置总体规划设计。

4、工艺设计方法

1 工艺路线的选择

需考虑的因素：原料来源，经济效益和社会效益（生产成本），环境保护，其他如操作条件、安全、消防、投资、工艺先进性，可行性及合理性意见等。

2工艺流程方案优化

洋葱头模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）

从图中可以看出设计的核心是反应系统的设计和开发。“洋葱头”模型强调过程开发和设计的有序和分层性质。

▲反应流程优化

反应流程优化需要考虑的问题较多，问题复杂。如反应动力学、反应收率、催化剂特性、反应历程、反应途径。

反应器的最优操作条件有如何保证反应温度、反应压力、混合要求、换热要求、各物料配比、给定条件下的生产成本等。

▲精馏流程的优化

精馏流程如需要分离R个组份，就需要有R-1个精馏塔。

精馏优化需要考虑：哪种组份为主产品，哪种组份为付产品及产品的规格要求。

精馏流程的优化法1）：试探法，主要规则如下：

优先使用普通精馏。

尽量避免减压操作和使用冷量。

产品数应最少。

腐蚀性、危险性的组份应优先分出。

难分离的组分最后分出。

最大量组份应优先分出。

塔顶、塔釜产物最好等摩尔分离。

精馏流程的优化法2）：调优法

精馏流程的优化法3）：数学规划法

▲蒸发流程的优化

单效、双效、三效蒸发。
热泵蒸发、膜式蒸发。
多级闪蒸。
强制循环蒸发、自然循环蒸发、。

结合蒸发器的类型（标准、悬框、列文、强制循环蒸发器）进行选择。

3 工艺设备的选择

▲反应器

反应器的选择要根据物料性质、稳定性、反应复杂性、产品规模、反应时间、温度、压力等因素综合考虑。

▲气液传质设备

1）板式塔：泡罩、浮阀、筛板等。板式塔塔板流体流向分布类型可分为U形流，单溢流，双溢流等

2）填料塔：

拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。
散堆、规整填料。
实体填料、丝网填料。

以上传质设备的选择要根据分离难易程度、压降大小、真空（热敏性物料）、物料性质、投资情况、腐蚀情况、物料清洁情况、安全要求、弹性大小、发泡等情况选择。

▲传热设备

按功能分：冷却器、冷凝器、加热器、换热器、再沸器、蒸汽发生器、过热器、废热锅炉等。

按结构型式分：采用二物流换热的换热器从结构上分有以下5种型式

A.管壳式（固定管板式、浮头式、填料函式、U型管式）
B.板式（板翅式、螺旋板式、伞板式、波纹板式）
C.管式（空冷器、套管式、喷淋管式、箱管式）
D.液膜式（升降膜式、刮板薄膜式、离心薄膜式）
E.其他型式（板壳式、热管式）

以上型式换热器的选择依据是：

A.固定管板式换热器：固定管板式换热器即两端管板和壳体连接成一体，由于壳程不易检修和清洗，因此选用固定管板式换热器时，壳方流体应是较清洁且不易结垢的物料；两流体温差较大（大于60℃）时应考虑热补偿，两流体温差不易大于120℃。

B.浮头式换热器：该换热器壳程易清洗，但内垫片易渗漏，适用于需要补偿热膨胀的换热器，两流体温差大于120℃。

C.U型管式换热器：”该换热器制造、安装方便，造价较低，管程耐高压，但结构不紧凑。适用于高温和高压的场合，且管内流体必须洁净。

D.板式换热器

板翅式：紧凑、效率高、可多股物料同时换热。使用温度不大于150℃。
螺旋板式：可用于带颗粒物料，物位利用好。不易检修。
伞板式：制造简单、紧凑、易清洗，使用温度不大于150℃，使用压力不大于0.12MPa。
波纹板式：紧凑、效率高、易清洗，使用温度不大于150℃，使用压力不大于0.15MPa。

E.空冷器的选择依据

a.空气入口温度（即设计温度）低于38℃。
b.热流体的出口温度高于50～65℃，并允许有一定的波动范围（3～5℃）。
c.对数平均温差大于40℃。
d.流体接近温度（即热流体的出口温度与冷流体入口温度之差）至少大于15℃。
e.管内给热系数小于2325.6W/(m2.K)。
f.冷却水的污垢系数大于0.0002(m2.K)/W。
g.水源较远，取水费用大。
h.热流体的凝固点较低(小于0℃)。

▲ 化工用泵

根据物料性质、物料的腐蚀性、易燃易爆、有毒、高温、高压、低温、粘度大小、挥发性、固体颗粒等因素综合考虑，此外还要考虑泵的安全性、可靠性和密封等要求。

▲ 容器（储罐）

根据物料性质、物料的腐蚀性、易燃易爆、有毒、高温、高压、低温、粘度大小、挥发性、固体颗粒等因素综合考虑。

储罐按用途大致可分两大类，一类是用于储存，一般指原料储存、中间产品或成品储存，原料及成品储存一般与工厂对外运输有很大关系，中间产品储存与该中间产品的前后装置生产情况有很大关系，例如要考虑前后装置生产周期、正常开停车及事故停车情况决定储存量的多少。这一类一般单独设置罐区。另一类是用于装置内工艺流程中需要的储罐，通常有回流罐（停留时间取5～10分钟），受槽和缓冲罐（通常取20分钟），气液分离罐（通常取2～3分钟），液液分离罐等。

5、工艺设计工作程序