化工设计-分馏塔为例课件.ppt

1、魏耀东魏耀东2014.72014.7化学工业，化工工程，化学工业，化工工程，化学设计，化工装备化学设计，化工装备 学-科学，工-工业。化学是属于科学范围，化工往往与技术有关。需要集成，考虑成本。化工中的一些基本原理，其实是化工中应用理论力学，流体力学，热力学，传热学等科学问题的应用。化工中用到的反应，是化学发现的，再应用到工业生产中。化学是探索，化工是用化学的方法生产出市场上需要产品的工业。如果化工是生产商店里的服装卖的话，化学就是设计走T型台的概念服装。化学与化工化学与化工一、化学工业的发展历史、化学工业覆盖的范围一、化学工业的发展历史、化学工业覆盖的范围及其在现代经济体系中的地位及其在现代

2、经济体系中的地位1、化学工业的发展历史、化学工业的发展历史化学工业历经了古代、近代、现代三个主要发展阶段。化学工业发展阶段、古代化学工业：从数千年前人类阳光晒盐、地下卤水煮盐开始，萌发了古老的化学工业。、近代化学工业：从18世纪中叶，欧洲造纸、玻璃、肥皂的大规模生产开始，表明近代化学工业的形成。、现代化学工业：上世纪40年代开始，随着合成橡胶、石油炼制、合成纤维工业的迅速发展，随着化工单元操作理论的日益成熟，在科学技术和生产规模二个层面上，揭示现代化学工业开始形成。工业园区的模式运行，公用工程，产品流通，三废处理等。2、化学工业属于过程工业型制造业（流程型制造业）、化学工业属于过程工业型制造业

3、（流程型制造业）现代制造业离散型制造业 （例如汽车工业等）过程工业型制造业（又称“流程型制造业”）（例如化学工业、冶金行业等）流程型制造业一般是能耗大户，也是排放的大户。其节能、降耗、减排的任务十分艰巨。例如：一个年产值不过仅例如：一个年产值不过仅10亿元人民币的合成原料药制造企亿元人民币的合成原料药制造企业，它每天的耗水量可高达业，它每天的耗水量可高达5000立方米。立方米。过程工业是以流程性物料为主要处理对象、过程工业是以流程性物料为主要处理对象、完成一系列化学、物理过程，改变物质的状态、完成一系列化学、物理过程，改变物质的状态、结构、性质的工业生产总称。结构、性质的工业生产总称。3、现代

4、化学工业覆盖的范围、现代化学工业覆盖的范围 我国化学工业的分类与美国、欧盟关于化学工业的范畴有一些区别，但逐步在接轨，按美国、欧盟的化学工业年鉴，现代化学工业覆盖以下范围：现代化学工业石油化工（包括其衍生的有机化工）煤化工（包括其衍生的有机化工）无机化工精细化工及中间体化肥工业农药工业医药工业轻工（造纸、玻璃、塑料、合成橡胶等）染料、油墨、化妆品、清洁剂生物化工4、化学工业在现代经济体系中的地位、化学工业在现代经济体系中的地位 化学工业是所有高新技术产业的支撑工业，如能源、电子、信息、生物、化学工业是所有高新技术产业的支撑工业，如能源、电子、信息、生物、材料等领域，都离不开化学工业提供的物质支

5、撑。材料等领域，都离不开化学工业提供的物质支撑。化学工业绝不是所谓的“夕阳工业”、“夕阳产业”，它现在仍然正在平稳高速的发展，将来必将持续快速发展。1990年1999年，美国、欧盟化学工业的发展速度是其全部工业平均增长速度的2.69倍。美国化学工业的规模一直雄居世界化学工业总量的30左右，是美国为数不多在国际贸易体系内具有贸易顺差的制造业之一。在世界500强企业中，以化工为主或涉足化工领域的企业为数不少。世界500强中，很多是化学工业。Shell(2),Sinopec(3),CNPC(4),Exxon mobil(5),BP(6),Total(11),Chevron(12),others,DU

6、PONT,BASF,DOW,ICI,Cnooc(中海油),CONOCOPHILLIPS，二、化工过程设计的基本内容二、化工过程设计的基本内容1、化工设计、化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计四个、化工设计、化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计四个名词之间的联系与区别名词之间的联系与区别 化工设计是泛称，在不同场合可分别指称化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计，其内涵最广，但意义不明确。化工厂设计化工过程设计（核心）化工厂房建筑、结构设计总图设计，.等非工艺部分设计化工工艺设计（核心）公用工程设计、外管设计，等化工过程设计是针对化工工艺设计的深入、配套与完善。化工过程设计是针对化工工艺设计

7、的深入、配套与完善。2、化工过程设计的目标及内容、化工过程设计的目标及内容 美国国家顾问团在其“化学工程的新领域”著作中，简明阐述了化工过程设计的主要目标主要目标：确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优投入产出比。在定确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优投入产出比。在定量计算的基础上，结合专家的经验，考虑安全、健康、环保的因量计算的基础上，结合专家的经验，考虑安全、健康、环保的因素，确定出一个综合的设计方案。素，确定出一个综合的设计方案。化工过程设计的内容内容：其基本核心内容是化工工艺设计，其附带内容是针对化工工艺其基本核心内容是化工工艺设计，其附带内容是针对化工工艺设计，对它的配套部分如公用工

8、程、外管设计等进行深入设计和完设计，对它的配套部分如公用工程、外管设计等进行深入设计和完善。善。3、化工过程设计的深化改革、化工过程设计的深化改革化工过程设计发展方向化工过程设计发展方向复杂大型化工厂的设计柔性化工厂的设计自主创新设计与国际工程设计的接轨我国化工设计院，原来的专业部门进行了相应的改革调整。原来的工艺专业部工艺专业部工艺专业部（大部分为化学工程与工艺专业人员）工艺系统专业部工艺系统专业部（少量化学工程与工艺专业人员，大量其它辅助专业）工艺专业部：侧重化工工艺设计工艺系统专业部：侧重化工过程设计中除了化工工艺设计以外与工艺有关的内容工艺专业部工艺专业部：侧重出PID图、PFD图工艺

9、系统专业部工艺系统专业部：侧重出UID图、UFD图PID （Process Instrument Diagram）带控制点的工艺仪表管道流程图PFD （Process Flowsheet Diagram）过程物料流程图UID （Utility Instrument Diagram）公用工程仪表管道流程图UFD （Utility Flowsheet Diagram）公用工程物料流程图其中，各种图纸随设计的深入，分成多个版本。其中，各种图纸随设计的深入，分成多个版本。工艺专业部与工艺系统专业部之间，在设计工作过程中有许多需要交流的条件、工艺专业部与工艺系统专业部之间，在设计工作过程中有许多需要交流

10、的条件、文件（文件（“条件表条件表”），有发出条件的），有发出条件的主导专业主导专业，有接收，有接收“条件表条件表”的的接收专业接收专业。我国化工设计院的专业种类化学工程与工艺化工机械自动化及仪表总图概预算（工程经济）建筑、结构、暖通、给排水、强弱电热工、环境工程（环保）、工业炉三、计算机辅助化工过程设计三、计算机辅助化工过程设计 在20世纪20年代以前，化工过程设计几乎没有理论作指导，几乎是完全凭经验。在20世纪20年代60年代，化工过程设计已经开始有化工单元操作理论作指导，可以定量计算设计，但几乎完全凭手工计算与绘图完成设计工作。在20世纪60年代以后，计算机辅助化工过程设计得到了发展。为

11、什么直到20世纪60年代后，在化工设计领域开开始出现计算机辅助化工过程设计呢？计算机软、硬件技术的发展化工单元操作等理论的不断成熟数学计算技术的发展计算机辅助化工过程设计的优势（优点）：优势（优点）：、设计工作效率高、规范性好、设计水平高（可进行优化设计）效率对比：一个年产30万吨的乙烯的工程，如果全凭手工计算与绘图，400个设计工程师要花费近1年的时间，才能完成一个流程方案的设计。而借助计算机辅助化工过程设计系统，200个设计工程师花费8个星期，就能完成一个流程方案。后者的设计工作效率比前者高出后者的设计工作效率比前者高出10多倍。多倍。计算辅助化工过程设计软件系统的发展情况：计算辅助化工过

12、程设计软件系统的发展情况：第一代商品化软件系统20世纪60年代，以美国各高校联合开发的CHESS软件系统为代表。Chem.Eng.Simulation System 20世纪70年代初，以美国Monsanto公司牵头开发的FLOWTRAN软件系统代表。第二代商品化软件系统Flowsheet Translator第三代商品化软件系统 20世纪80年代，以 ASPEN 和 PROCESS II 两大软件系统代表。Advanced System for Process Eng.我国最早由寰球、化工部八院等单位于上世纪90年代率先引进ASPEN软件系统。现在，国内各设计院基本都已经使用ASPEN或Pr

13、ocess II软件系统进行计算机辅助化工过程设计。计算机辅助化工过程设计软件系统的发展方向（趋势）：计算机辅助化工过程设计软件系统的发展方向（趋势）：（1）、单元操作模块的种类数；（2）、物性数据库的大小及数据的估算方法；（3）、能处理的流股数量和组份数量；（4）、计算技术方法（求解方法）；（5）、能处理的流股相态；（气、液、固、胶体、电解质等）（6）、软件系统的人性化界面及开放程度；（7）、流程图形输入及识别技术。等等四、现代化学工业的发展方向、化学工程伦理学责任关怀制度四、现代化学工业的发展方向、化学工程伦理学责任关怀制度1、现代化学工业的发展方向人类发展化学工业的目的：人类发展化学工业

14、的目的：满足人类对化学物质（分子式、数量、质量、多尺度形态）的不断需求。这个目标由化学家和化学工程师，在技术层面上共同完成。现代化学工业发展方向新物质经济合理的大批量高质量柔性化绿色化多尺度其中：化学工业绿色化的含义：化学工业绿色化的含义：以“减量化、再利用、资源化减量化、再利用、资源化”为基本原则，也就是所谓的“3R”原则。（Reduce、Recycle、Resource）具体体现在：（1）、减少化工过程的能耗、物耗；（2）、减少有害物质的使用或生成；（3）、减少废弃物，并使废弃物在系统类在利用；（4）、尽量将排放的废弃物转化为可用的再生资源；（5）、尽量延长产品的生命周期。ReduceRe

15、cycleResource2、化学工程伦理学及责任关怀制度 在化学工程领域实施注册工程师制度，在化学工程师心目中树立伦理学观念，建立责任关怀制度。开始逐步成为国际化学工程领域的一个发展大趋势。伦理学理念体现在：伦理学理念体现在：（1）、自觉维护化工过程的安全；（2）、自觉保护环境的意识；（3）、自觉节约资源的意识；（4）、对业主、化工厂操作人员、同事负责的精神。责任关怀制度的含义：责任关怀制度的含义：（1）、提高对安全、健康、环保、资源的认知和行动；（2）、充分报道成绩、行动计划，但不回避缺陷；（3）、与公众沟通，并倾听意见的日常化。等等。机泵等供货机泵等供货商初步资料商初步资料初步设计初步设

16、计方案论证方案论证业主条件业主条件首页图首页图统一规定统一规定开工报告及开工报告及协作进度表协作进度表基本确定基本确定PFD、PID、主要机泵、设备选型主要机泵、设备选型及设备布置图及设备布置图设计成品入库，条件归档科设计成品入库，条件归档科室室抽取、修改、完善轴测图抽取、修改、完善轴测图与外专业相互会签与外专业相互会签设备、土建、自控、机泵、材控、设备、土建、自控、机泵、材控、电气、电信、给排水、消防、暖电气、电信、给排水、消防、暖通、热工、环保安全卫生、外管通、热工、环保安全卫生、外管依次提出各专依次提出各专业一次条件业一次条件提防腐、保温条件提防腐、保温条件完成管道安装材料表、管道命名表

17、、管架表、地脚螺完成管道安装材料表、管道命名表、管架表、地脚螺栓表、综合材料表、设备表、施工图说明及图纸目录栓表、综合材料表、设备表、施工图说明及图纸目录接收自控的安装条件及控制点位号接收自控的安装条件及控制点位号提管机条件、管口方位图、调节阀提管机条件、管口方位图、调节阀规格单、钢平台梯子条件规格单、钢平台梯子条件三维建模，设计管道布置图三维建模，设计管道布置图土建、设备、材料返回一次条件土建、设备、材料返回一次条件提出土建二次条件提出土建二次条件与外管核对接点条件与外管核对接点条件完善完善PID，管架设计管架设计接收管机专业关于管架的意接收管机专业关于管架的意见见化工设计流程化工设计流程连

18、续精馏装置的工艺流程连续精馏装置的工艺流程回流泵原料塔顶产品塔底产品精馏塔再沸器冷凝器回流罐操作目的操作目的：通过反复的部分汽化与部分冷凝，将混合液中沸点不同的各组分分离成产品。操作代价操作代价：消耗能量，塔底需要加热使塔底液部分汽化；塔顶需要冷却使塔顶组分冷凝；化化工工工工艺艺接收设计条件接收设计条件消化资料确定设计基础消化资料确定设计基础展开工艺设计展开工艺设计提出相关设计条件提出相关设计条件完成工艺设计成品文件完成工艺设计成品文件详细设计跟踪服务详细设计跟踪服务 基础设计基础设计设计完工报告设计完工报告工艺设计工作程序工艺设计工作程序项目经理应提供的条件和资料：项目建议书 可研报告 装置

19、平面图 专利、专有技术资料 工艺设计、基础设计数据 开工报告 有关会议资料 合同文件接受设计条件：接受设计条件：采用的工艺路线及其依据，产品方案及装置的设计生产能力、产品及副产品的数量、年操作时数及操作弹性。原材料、辅助原料、催化剂、化学品的规格 要求及界区条件。产品、中间产品及副产品的规格（产品牌号、规格、性能等）。公用工程的各项规格要求及界区条件（温度、压力等）。其它设计条。消化资料确定设计基础消化资料确定设计基础：确定工艺流程方案 工艺计算：物料、能量、设备工艺计算 PFD和初步的UFD 设备表 工艺设备数据表 建议布置图 原料、公用工程消耗 确定公用系统方案UFD 三废排放量及建议处理

20、方法 初步的安全分析，危险区划分 初版PID(A版)开展工艺设计开展工艺设计:自控条件：工艺控制 联锁 报警电气条件：危险区划分 特殊电气要求 电气联锁报警总图条件：建议布置图设备条件：工艺设备数据表分析化验条件：取样条件表 取样点汇总表配管条件：操作原则 安全规程指南三废排放一览表提出相关设计条件：提出相关设计条件：公用工程条件表 消防条件 电信条件 采暖、通风、空调条件 建、构筑物特性条件 安全生产、职业卫生 物性数据 文字说明提出相关设计条件：提出相关设计条件：工艺说明书 图纸 (图纸是工程语言)PFD 附物料平衡表 建议布置图 表格：设备表 工艺设备数据表 界区条件表 取样点汇总表 完

21、成工艺设计成品文件：完成工艺设计成品文件：精馏塔概述精馏塔概述37系统、工艺，机械，土建，系统、工艺，机械，土建，仪表仪表，公用工程（汽水电），公用工程（汽水电）材料，制造工艺，零件，机加工，焊接，组材料，制造工艺，零件，机加工，焊接，组装，检验，防腐装，检验，防腐运输，车具，吊装，梯子平台，接管，保温，运输，车具，吊装，梯子平台，接管，保温，防腐，试压防腐，试压控制方案，仪表选择，安装，布线，控制方控制方案，仪表选择，安装，布线，控制方法（法（PIDPID），组装），组装,系统调试等系统调试等1、新建项目设计、新建项目设计（技术开发）（技术开发）2、重复建设项目设计、重复建设项目设计（成熟技

22、术）（成熟技术）3、已有装置的改造设计、已有装置的改造设计（技术改进）（技术改进）公用工程换热网络分离系统反应系统工艺流程方案优化工艺流程方案优化“洋葱头洋葱头”模型模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）（由史密斯、林霍夫提供的模型）一、分馏塔的工艺设计部分部分三、分馏塔的设计三、分馏塔的设计 工艺设计内容（物料、能量、热量、动量平衡）工艺设计内容（物料、能量、热量、动量平衡）热力学计算温度压力组分操作线塔盘数进料位置回流比分馏塔为例说明分馏塔为例说明二、分馏塔的机械设计部分部分(理论力学，材料力学等理论力学，材料力学等)三、分馏塔的控制设计部分部分(控制理论，检测仪表等控制理论，检测仪表等)分馏

23、塔总图分馏塔总图塔盘总图塔盘总图布液管布液管脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图乙烯生产过乙烯生产过程中脱乙烷程中脱乙烷塔的工艺管塔的工艺管道及控制流道及控制流程图（程图（PID）串级控制系统（副控制压力，也可以是流量）PC加热蒸汽再沸器塔底部TCTspPspTmPmPTuPv提镏段的串级控制系统提镏段的串级控制系统装备部分装备部分-实体部分，投资的主体实体部分，投资的主体设计，制造，安装，维护，管理设计，制造，安装，维护，管理炼油装置炼油装置-常减压常减压-装置的布置装置的布置炼油装置炼油装置-常减压常减压-资源共用（热风）资源共用（热风）炼油装置炼油装置-常减压常减

24、压800800万吨万吨/年年-配管设计配管设计炼油装置炼油装置-电脱盐电脱盐-平台设计平台设计炼油装置炼油装置-常减压炉常减压炉炼油装置炼油装置-减压分馏塔减压分馏塔-设备布置的特点设备布置的特点炼油装置炼油装置-常减压油泵常减压油泵-地面布置地面布置-配电，维修，安装配电，维修，安装分馏塔制造分馏塔制造分馏塔制造分馏塔制造分馏塔制造分馏塔制造分馏塔制造分馏塔制造分馏塔运输分馏塔运输分馏塔运输分馏塔运输分馏塔运输分馏塔运输分馏塔安装分馏塔安装机械角度考虑问题机械角度考虑问题出口用出口用T T形弯头，进口的加强筋形弯头，进口的加强筋机械角度考虑问题机械角度考虑问题吊柱，吊柱，T T形弯头，弹性支

25、座，加强环形弯头，弹性支座，加强环机械角度考虑问题机械角度考虑问题烟筒上的螺旋条烟筒上的螺旋条机械角度考虑问题机械角度考虑问题烟筒上的伞架烟筒上的伞架机械角度考虑问题机械角度考虑问题旁路管线的走向，直径变化旁路管线的走向，直径变化配管热应力问题配管热应力问题热应力问题热应力问题热应力问题和温降问题耦合热应力问题和温降问题耦合安装安装维修维修泪孔泪孔把手把手表面表面堆焊堆焊梯子梯子平台平台锁紧锁紧环换环换热器热器 流体机械流体机械 大型机组由于投资问题，一般没有备用的。大型机组由于投资问题，一般没有备用的。泵泵 压缩机压缩机 机组任何一个机器出问题，均可以导致装置的停工机组任何一个机器出问题，均

26、可以导致装置的停工。化工设计中的压力、温度、流量、液位化工设计中的压力、温度、流量、液位等工艺参数需要进行控制。等工艺参数需要进行控制。这种控制常常是通过气动控制阀进行的。这种控制常常是通过气动控制阀进行的。这是仪表自动化专业的工作。这是仪表自动化专业的工作。工艺仪表工艺仪表 监视工艺参数的监视工艺参数的机械仪表机械仪表 监视监视 机械运转的机械运转的仪表部分仪表部分 基地仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制仪表。组件组装式控制仪表2023-1-9第四章 过程控制装置85 基地仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制仪表。过程控制仪表的结构组件组装式控制仪表在工程技术方面-设计院-建设公司-工厂 设计技术应用的第一层 （标准）。实施技术应用的第二层 （规范）。管理技术应用的第三层 （手册）。科学家工程师操作工 的关系 科学院 研究院 工厂 工程问题以上意见以上意见仅供参考仅供参考谢谢！谢谢！我们仅仅学了一点点，我们仅仅学了一点点，距离应用差十万八千里。距离应用差十万八千里。