常聽(tīng)化工技術(shù)大咖說(shuō),工藝包!工藝包!什么東西?對(duì)于化工設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的人士來(lái)說(shuō),工藝包不是什么高深的東西,但對(duì)于非專(zhuān)業(yè)化工人士,工藝包好像高深莫測(cè),本期小編就與大家簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)一下,管中窺豹,了解個(gè)大概。
除小部分新產(chǎn)品外,國(guó)內(nèi)大部分化工技術(shù)中,工藝路線(xiàn)已基本確定。針對(duì)相同原料,獲得相同產(chǎn)品如有幾種工藝路線(xiàn),則對(duì)每一種路線(xiàn)分別進(jìn)行分析、比較后確定。
主要從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮:
1、所需的溫度、壓力等參數(shù)。幾種路線(xiàn)中實(shí)現(xiàn)的效果相近,優(yōu)先選擇易于實(shí)現(xiàn)操作參數(shù)的路線(xiàn);
2、投資;
3、能耗;
4、安全;
5、環(huán)保;
6、對(duì)材質(zhì)的要求;
7、產(chǎn)品質(zhì)量;
8、是否侵權(quán)。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)室、小試、中試、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等)或查詢(xún)文獻(xiàn)、論文、技術(shù)書(shū)籍等所有可能的渠道收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(在合法的前提下)。包括:技術(shù)中涉及的所有物質(zhì)的物性及物質(zhì)間的相互影響,所有涉及到的反應(yīng)及催化劑、反應(yīng)機(jī)理等。同時(shí)注意對(duì)整個(gè)過(guò)程中形成的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。
眾所周知,反應(yīng)為整個(gè)系統(tǒng)的靈魂,也是“洋蔥模型”的最中心,它出了問(wèn)題,所有其他工作都是白搭,它錯(cuò)了,整個(gè)基準(zhǔn)就錯(cuò)了。所以,非常、非常、非常重要!
反應(yīng)按是否有催化劑分:催化反應(yīng)、非催化反應(yīng);按相態(tài)分:均相反應(yīng)、非均相反應(yīng)。
無(wú)論屬于何種反應(yīng),作為工藝包開(kāi)發(fā)者均需對(duì)反應(yīng)有透徹的理解,對(duì)反應(yīng)機(jī)理要清清楚楚、明明白白。
僅做實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的科研人員很難把工藝包做好,受兩個(gè)因素制約,因素一:缺乏工程化經(jīng)驗(yàn);因素二:缺乏工業(yè)化后的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。僅做工程設(shè)計(jì)的技術(shù)人員也很難把工藝包做好,因?yàn)槿狈?duì)反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)和相關(guān)數(shù)據(jù),同時(shí)還缺乏生產(chǎn)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。僅做生產(chǎn)的技術(shù)人員同樣也很難做好,因?yàn)槿狈ρ邪l(fā)和工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)。
如為催化反應(yīng),工藝包開(kāi)發(fā)人員至少需掌握催化劑的物理性能參數(shù),如:強(qiáng)度、孔隙率、堆密度、活性組份、載體等。此外還要掌握催化劑的化學(xué)性能,如反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性、反應(yīng)的影響因素(包括溫度、壓力、流量、組份配比)、空速、催化劑失活中毒影響因素、反應(yīng)熱力學(xué)平衡參數(shù)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程、反應(yīng)控制步驟等等。當(dāng)然,這些數(shù)據(jù)也可以由項(xiàng)目組中專(zhuān)門(mén)從事催化劑研發(fā)的人員提供。
如為非催化反應(yīng),同樣需掌握反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)影響因素、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程、反應(yīng)控制步驟、吸/放熱量、超溫后果、反應(yīng)失控保護(hù)措施等。
化工裝置中常見(jiàn)的分離為氣液分離、吸收、氣提、解吸、精餾等。
普通分離罐的計(jì)算一般按分離液滴直徑進(jìn)行計(jì)算,高效分離罐一般提出工藝要求。
吸收的關(guān)鍵是尋找合適的吸收劑,氣提為打破原氣液相平衡,通過(guò)改變分壓實(shí)現(xiàn)分離,解吸為吸收的逆過(guò)程,普通精餾按沸點(diǎn)進(jìn)行分離即可,如分離中存在共沸物或沸點(diǎn)相差很小的物質(zhì),則可考慮特殊精餾,如:共沸精餾、萃取精餾或變壓精餾等。需根據(jù)被分離物質(zhì)的具體情況分析后確定。
如數(shù)據(jù)庫(kù)中缺少二元交互參數(shù),需對(duì)氣液相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量或通過(guò)查閱資料獲取,然后對(duì)氣液相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸,得到二元交互參數(shù),從而才能進(jìn)行準(zhǔn)確的分離計(jì)算。
循環(huán)一般分為氣相循環(huán)和液相循環(huán),循環(huán)一般是為了滿(mǎn)足反應(yīng)的需要或分離的需要。
化工裝置中大部分反應(yīng)單程轉(zhuǎn)化率并不高,為了獲得較高的收率,只能采用循環(huán)的方式,如合成氨、尿素、碳銨、煤焦油加氫、三聚氰胺、甲醇、乙二醇等裝置。此外,有些難分離物系,為了獲得高收率、好的產(chǎn)品質(zhì)量,也會(huì)采用循環(huán)的方式。循環(huán)量越大、循環(huán)壓降越大,也就意味著能耗越高,這里面降能耗可挖掘的空間巨大。通常,循環(huán)越多,流程的復(fù)雜程度就越高,設(shè)計(jì)、控制、操作的難度也就越大。
收集技術(shù)中涉及的所有物質(zhì)/流股的焓和比熱值,所有反應(yīng)的反應(yīng)熱、熔解熱等。裝置內(nèi)按溫度及熱量梯級(jí)換熱回收熱量(盡可能在裝置內(nèi)考慮熱量的回收利用,如裝置內(nèi)不能回收利用的熱量,則從全廠的角度來(lái)考慮熱量的回收利用)。
在進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí),切記純理論考慮,要同時(shí)兼顧操作及工藝的可行性,由于換熱帶來(lái)的露點(diǎn)腐蝕、結(jié)晶、堵塞、氣液兩相對(duì)催化劑的影響等均需周全考慮。
收集所有流股的粘度、汽化壓力等參數(shù),兩相流避免活塞流,通過(guò)合理的設(shè)備布置來(lái)減少動(dòng)量消耗,節(jié)約能源。
工藝包開(kāi)發(fā),進(jìn)行全流程模擬是必不可少的。對(duì)于流程模擬有兩種較極端且不正確的觀點(diǎn)。
觀點(diǎn)一:流程模擬是萬(wàn)能的,什么都是模擬一下就能獲得;
觀點(diǎn)二:流程模擬沒(méi)有用,受影響因素太多,根本算不準(zhǔn)。以上兩種觀點(diǎn)都是瞎子摸象,不能客觀的來(lái)認(rèn)識(shí)模擬軟件。
1、流程模擬對(duì)工藝的認(rèn)識(shí)非常有幫助,尤其是經(jīng)過(guò)全流程模擬后,對(duì)全系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)會(huì)有質(zhì)的飛躍;
2、流程模擬并非簡(jiǎn)單的輸入、輸出,需要注入大量的人為分析,每一個(gè)參數(shù)的變化以及它的影響因素,以及一個(gè)參數(shù)的改變帶來(lái)的全系統(tǒng)的變化都是需要逐個(gè)分析的。此外,關(guān)鍵數(shù)據(jù)還需要與實(shí)驗(yàn)、小試、中試及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析,進(jìn)一步對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修正;
3、流程模擬并非萬(wàn)能的,沒(méi)有輸入就沒(méi)有輸出,輸入錯(cuò)了,輸出一定錯(cuò)。輸入對(duì)了,輸出也有可能與實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)數(shù)據(jù)不符,需對(duì)出現(xiàn)的不符情況進(jìn)行細(xì)致的分析論證,找出矛盾的原因;
4、流程模擬的應(yīng)用可大大縮短工藝包的開(kāi)發(fā)時(shí)間,減少實(shí)驗(yàn)工作量,指導(dǎo)生產(chǎn),預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì);
5、通過(guò)流程模擬可獲得完整的物料、能量平衡數(shù)據(jù),物性參數(shù)等,為工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);
6、可以通過(guò)模擬對(duì)各種方案進(jìn)行綜合對(duì)比,從而得到最優(yōu)方案。
1、根據(jù)物性確定物性方法;
2、從反應(yīng)入手,如反應(yīng)僅受熱力學(xué)平衡影響,則可考慮化學(xué)平衡反應(yīng)器模塊,通過(guò)調(diào)節(jié)平衡溫距來(lái)獲得相關(guān)參數(shù)。如反應(yīng)除熱力學(xué)平衡外,受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響,則通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合推導(dǎo)得到反應(yīng)速率方程及相關(guān)參數(shù)(包括:活化能、指前因子、吸附因子、吸附/反應(yīng)平衡常數(shù)等等),將相關(guān)參數(shù)用于流程模擬中的反應(yīng)模塊,同時(shí)將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、分析、修正。目的讓模型具有可預(yù)測(cè)性,能對(duì)工業(yè)放大提供可靠的依據(jù);
3、解決分離、換熱的問(wèn)題,根據(jù)前面收集的數(shù)據(jù)及初步制定的流程,進(jìn)行模擬計(jì)算(包括:物性數(shù)據(jù)回歸、換熱器分析計(jì)算等等),對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析修正,同時(shí)對(duì)各種可能的流程一一進(jìn)行計(jì)算對(duì)比,找出最優(yōu)方案,流程最優(yōu)方案確定后,進(jìn)一步對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行調(diào)優(yōu);
4、匹配公用工程(規(guī)格盡可能少,同時(shí)兼顧投資)。至此,模擬工作已基本完成。
以上的輕描淡寫(xiě),希望不要誤導(dǎo)一些人。因?yàn)榛ぜ夹g(shù)真的博大精深,任何一個(gè)點(diǎn)想要做到精深通透,都可能足以讓我們窮盡一生而不可得。
通過(guò)準(zhǔn)確的全流程模擬后,即可得到完整的物料流程圖(PFD)。
參照典型單元設(shè)備的流程模式、結(jié)合工藝的特點(diǎn)及需求,同時(shí)讓儀表專(zhuān)業(yè)介入,共同完成PID,根據(jù)PFD上各流股信息取經(jīng)濟(jì)流速、算管道壓降、然后確定管徑,根據(jù)開(kāi)停車(chē)需要,考慮置換、催化劑升溫還原/停車(chē)保護(hù)、預(yù)硫化等等,加上所需的開(kāi)/停工線(xiàn)。
對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,定型設(shè)備提出詳細(xì)參數(shù)、選材原則,非標(biāo)設(shè)備計(jì)算尺寸、大小、高度、內(nèi)件等。
根據(jù)反應(yīng)綜合考慮后確定,具體包括:反應(yīng)類(lèi)型(快速/慢速反應(yīng)、氣液相反應(yīng)/氣氣相反應(yīng)/液液相反應(yīng)/氣固相反應(yīng)、催化/非催化反應(yīng)等等)、催化劑性能(如為催化反應(yīng))、空速、反應(yīng)速率、反應(yīng)控制步驟、停留時(shí)間、物料分布、移熱、放大效應(yīng)等因素來(lái)設(shè)計(jì)。
分填料塔、板式塔,也有同一塔內(nèi)部分填料、部分塔板。填料塔一般壓降小、板式塔壓降大,填料塔一般對(duì)噴淋密度的要求比板式塔高,此外,物料性質(zhì)對(duì)塔的選擇也有很大影響。根據(jù)分離要求,優(yōu)化進(jìn)料位置、調(diào)整回流比及理論板數(shù)、根據(jù)物料性質(zhì)取合適的液泛系數(shù),進(jìn)行塔器的計(jì)算,計(jì)算出每塊板/填料的氣液相負(fù)荷、持液量、噴淋密度、壓降。
將流程模擬中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入換熱器計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算即可。一般采用HTRI中的校核模式進(jìn)行計(jì)算,流程模擬中冷熱端溫差一般控制≥8℃,盡量避免溫度交差,考慮上污垢熱阻,考慮清洗,考慮熱膨脹,考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚鶕?jù)建廠地氣候條件、水源供給情況,考慮空冷,空冷一般用于熱負(fù)荷大、溫差小的地方。對(duì)換熱要求高、冷熱端溫差小、壓降要求小、占地要求小等地方考慮高效換熱器。
根據(jù)氣量、壓比以及輸送氣體的組成情況確定壓縮機(jī)的型式。根據(jù)廠區(qū)具體情況,如:電價(jià)、蒸汽富余情況、能否上鍋爐、能否上自備電站、煤價(jià)等等因素,經(jīng)綜合分析后確定電驅(qū)或汽驅(qū)。如采用電驅(qū),一般來(lái)說(shuō)壓縮機(jī)一次投資低、占地小、操作/檢維修工作量小,但折產(chǎn)品單價(jià)后電一般比蒸汽貴。如采用汽驅(qū),一般來(lái)說(shuō)壓縮機(jī)一次投資高、占地大、操作/檢維修工作量大,但折產(chǎn)品單價(jià)后蒸汽一般比電便宜。當(dāng)然,也有一些廠例外,所以,因地制宜、萬(wàn)萬(wàn)不可一概而論!
此外,采用汽驅(qū)的,還要考慮壓縮機(jī)是采用全凝、抽凝還是背壓式(需在全廠蒸汽平衡中統(tǒng)籌考慮),如壓縮機(jī)采用全凝或抽凝,還要考慮表冷采用水冷還是空冷,兩者對(duì)壓縮機(jī)的蒸汽消耗是不一樣的。
根據(jù)前面的計(jì)算,整理完成設(shè)備數(shù)據(jù)表即可。
分緩沖罐、中間儲(chǔ)罐、成品儲(chǔ)罐等,按停留時(shí)間、儲(chǔ)存時(shí)間及考慮生產(chǎn)操作(如手動(dòng)分析取樣要求、產(chǎn)品封罐要求、換班銜接要求等等)后確定。
非標(biāo)設(shè)備,提出詳細(xì)的外形尺寸、內(nèi)件型式及詳細(xì)參數(shù)、工藝參數(shù)等;定型設(shè)備,提出詳細(xì)的工藝參數(shù)、工藝要求、選材原則等。
此時(shí),拿出SHSG 052-2003石油化工裝置工藝設(shè)計(jì)包(成套技術(shù)工藝包)內(nèi)容規(guī)定,按里面的要求一條一條完成,當(dāng)然里面涉及到的知識(shí)面是較廣的,要求也是較高的,除工藝外,還涉及了設(shè)備、儀表、衛(wèi)生、安全、環(huán)保、分析、管材、布置、生產(chǎn)等等…
所以,一個(gè)好的、成熟的、能夠運(yùn)用于實(shí)際的工藝包真的不是憑一己之力所能完成的。它一定是有一個(gè)好的團(tuán)隊(duì)在支撐,這個(gè)團(tuán)隊(duì)涉及到研發(fā)、技術(shù)、工程、生產(chǎn)…
分析化驗(yàn)手冊(cè)、操作手冊(cè)
此兩大手冊(cè)的完成除對(duì)工藝有透徹的理解外,還需要大量的實(shí)驗(yàn)、中小試數(shù)據(jù)作為支撐。
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