化工工艺设计必备知识！献给搞工艺设计人员@@

1. 概述

1.1 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。

◈ 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）。

◈ 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。

◈ 熟悉环保、安全、消防等方面的法规，如：

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

◈一定的工作经验

1.2 化工建设项目阶段

1.2.1 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（验收后工厂投入正常运行）

1.2.2 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 

2. 工艺设计的内容和深度

2.1 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

2.1.1 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）

2.1.2 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）。

2.1.3 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）。

 

2.2 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。  

3. 工艺设计方法（化工基本理论的应用）

3.1 工艺路线的选择

◈ 原料来源

◈ 经济效益和社会效益（生产成本）

◈ 环境保护

◈ 其它，如操作条件、安全、消防、投资、工艺先进性，可行性，合理性。

3.2 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。

◈ 反应流程优化见表-7.4.2（P-544）

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：那种组份为主产品，那种组份为付产品。

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

1）单效、双效、三效蒸发。

2）热泵蒸发、膜式蒸发。

3）多级闪蒸。

4）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。

3.3 工艺设备的选择

¾ 反应器：

1）连续   1）均相   1）活塞流  （管式）

2）半连续   2）非均相   2）全混釜  （搅拌釜）

3）间歇

以上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。

不同类型的反应器在工业生产中的应用情况见 P-547。

气液相反应器及固相反应器的使用情况见 P-548。

固体催化反应器的使用情况见表 7.4.3-3(P-548)。

◈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：a 拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。

  b 散堆、规整填料。

  c 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。(见 P-549)

◈ 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.其它型式（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。见表

7.4.5-3（P-553）

◈ 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。

压力容器分类见表 7.4.5-5（P-557）。

4. 工艺设计工作程序

5. 设备设计压力和设计温度的确定

5.1 压力：

◈正常操作（工作）压力

◈最高工作压力

设计压力的选取见表 7.6.1 “设备设计压力一览表”（P-561）。

5.2 温度：

◈ 正常操作温度

◈最高操作温度

设计温度的选取见表 7.6.2“设备设计温度选取表”（P-562）。

 

6. 过程控制方案的确定

6.1 过程控制方案确定的原则

¾ 保证装置运行的平稳、生产安全、控制简单适用。

¾ 用单回路简单控制系统可以解决的，决不要用复杂的控制系统。

6.2 过程控制的分类

◈压力

◈ 温度

◈ 流量

◈ 物位

◈ 化学成分和物性数据

6.3 选用控制仪表的要求

◈ 准确可靠

◈ 灵敏度高

◈ 反应迅速

◈ 滞后小

◈ 使用维护方便

¾ 价格便宜

6.4 典型化工单元的控制方案

6.4.1 反应

◈ 反应控制的要求

达到规定的转化率、产品浓度。

处理量平稳。

当出现不正常工况时，能报警、联锁或自动选择性调节系统。

◈ 反应控制方案

以反应转化率为控制变量 见图 7.7.3-1（P-564）。

以反应工艺状态变量为控制对象 见图 7.7.3-2（P-565）。

6.4.2 精馏

精馏是常见的液液分离方法，精馏控制主要目的是达到规定的分离要求。主要变

量有进料量、组成、温度、操作压力、冷却和加热介质、压力及温度的变换。精馏控

制可分为：

◈ 按精馏段指标的控制方案 见图 7.7.3-3（P-566）。

◈ 按提馏段指标的控制方案 见图 7.7.3-4（P-567）。

◈ 塔顶压力控制方案 见图 7.7.3-5（P-568）。

真空度控制方案 见图 7.7.3-6（P-569）。

◈ 其它控制方案 见图 7.7.3-7（P-569）。

6.4.3 传热设备

◈ 控制载体的流量 见图 7.7.3-8（P-570）。

◈ 控制传热面积 见图 7.7.3-9（P-570）。

◈ 控制载体的气化温度 见图 7.7.3-10（P-571）。

◈ 工艺介质旁路控制 见图 7.7.3-11（P-571）。

6.4.4 流体输送设备

◈ 离心泵控制方案 见图 7.7.3-12（P-572）。

◈ 改变转速的控制方案 见图 7.7.3-13（P-572）。

◈ 往复泵(位移式旋转泵)的控制方案 见图 7.7.3-14（P-572）。

 

7. 能耗计算

目前人类面临的共同任务是保护资源、减少环境污染、维护生态平衡、实现可持续发

展。化工生产中传热过程是经常的发生的事，因此合理使用能源，节约能源消耗是每个化

工工艺设计人员应尽的职责。

过程能量分析的常用方法有：夹点分析法和三环节能量分析法

7.1 夹点分析法

将需要优化的换热网络用冷、热流复合线表示在温焓图（T-H 图）上，热流复合线位于

冷流上方，冷、热流体的复合线中间垂直距离最短处称为夹点，其温差△Tmin 称为夹点温

差。

夹点分析法应遵循三个原则：

◈尽量避免有热流体通过夹点

◈ 夹点上方避免引入公用设施冷却物流

◈夹点下方避免引入公用设施加热物流

7.2 三环节能量分析法

重点研究热能在化工装置的利用，从下述三个环节出发：

◈能量转换

◈ 能量利用

◈ 能量回收

夹点分析法和三环节能量分析法实际应用可参考有关文献资料。

 

8. 与工艺设计相关的基本知识

与工艺设计相关的基本知识包括消防、劳动安全卫生、环境保护三个方面，必须遵守

国家相关的标准、法规。

8.1 消防 见 P-577～591

8.2 安全 见 P-591～594

8.3 环保 见 P-594～601

◈ 废气

◈ 废水（废液）

◈ 废固

◈ 噪音

◈ 放射性

◈ 排放总量控制