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技術文獻
常聽化工技術大咖說，工藝包！工藝包！什么東西？對于化工設計專業(yè)的人士來說，工藝包不是什么高深的東西，但對于非專業(yè)化工人士，工藝包好像高深莫測，本期小編就與大家簡單學習一下，管中窺豹，了解個大概。
除小部分新產(chǎn)品外，國內(nèi)大部分化工技術中，工藝路線已基本確定。針對相同原料，獲得相同產(chǎn)品如有幾種工藝路線，則對每一種路線分別進行分析、比較后確定。
主要從以下幾個方面來考慮：
1、所需的溫度、壓力等參數(shù)。幾種路線中實現(xiàn)的效果相近，優(yōu)先選擇易于實現(xiàn)操作參數(shù)的路線；
2、投資；
3、能耗；
4、安全；
5、環(huán)保；
6、對材質的要求；
7、產(chǎn)品質量；
8、是否侵權。
通過實驗（實驗室、小試、中試、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等）或查詢文獻、論文、技術書籍等所有可能的渠道收集基礎數(shù)據(jù)（在合法的前提下）。包括：技術中涉及的所有物質的物性及物質間的相互影響，所有涉及到的反應及催化劑、反應機理等。同時注意對整個過程中形成的知識產(chǎn)權的保護。
眾所周知，反應為整個系統(tǒng)的靈魂，也是“洋蔥模型”的最中心，它出了問題，所有其他工作都是白搭，它錯了，整個基準就錯了。所以，非常、非常、非常重要！
反應按是否有催化劑分：催化反應、非催化反應；按相態(tài)分：均相反應、非均相反應。
無論屬于何種反應，作為工藝包開發(fā)者均需對反應有透徹的理解，對反應機理要清清楚楚、明明白白。
僅做實驗室研發(fā)的科研人員很難把工藝包做好，受兩個因素制約，因素一：缺乏工程化經(jīng)驗；因素二：缺乏工業(yè)化后的生產(chǎn)經(jīng)驗。僅做工程設計的技術人員也很難把工藝包做好，因為缺乏對反應機理的認識和相關數(shù)據(jù)，同時還缺乏生產(chǎn)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)經(jīng)驗。僅做生產(chǎn)的技術人員同樣也很難做好，因為缺乏研發(fā)和工程設計的經(jīng)驗及數(shù)據(jù)。
如為催化反應，工藝包開發(fā)人員至少需掌握催化劑的物理性能參數(shù)，如：強度、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性能，如反應的轉化率、選擇性、反應的影響因素（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、反應熱力學平衡參數(shù)、反應動力學方程、反應控制步驟等等。當然，這些數(shù)據(jù)也可以由項目組中專門從事催化劑研發(fā)的人員提供。
如為非催化反應，同樣需掌握反應機理、反應影響因素、反應動力學方程、反應控制步驟、吸/放熱量、超溫后果、反應失控保護措施等。
化工裝置中常見的分離為氣液分離、吸收、氣提、解吸、精餾等。
普通分離罐的計算一般按分離液滴直徑進行計算，高效分離罐一般提出工藝要求。
吸收的關鍵是尋找合適的吸收劑，氣提為打破原氣液相平衡，通過改變分壓實現(xiàn)分離，解吸為吸收的逆過程，普通精餾按沸點進行分離即可，如分離中存在共沸物或沸點相差很小的物質，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)被分離物質的具體情況分析后確定。
如數(shù)據(jù)庫中缺少二元交互參數(shù)，需對氣液相平衡數(shù)據(jù)進行測量或通過查閱資料獲取，然后對氣液相平衡數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)回歸，得到二元交互參數(shù)，從而才能進行準確的分離計算。
循環(huán)一般分為氣相循環(huán)和液相循環(huán)，循環(huán)一般是為了滿足反應的需要或分離的需要。
化工裝置中大部分反應單程轉化率并不高，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)品質量，也會采用循環(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，流程的復雜程度就越高，設計、控制、操作的難度也就越大。
收集技術中涉及的所有物質/流股的焓和比熱值，所有反應的反應熱、熔解熱等。裝置內(nèi)按溫度及熱量梯級換熱回收熱量（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，則從全廠的角度來考慮熱量的回收利用）。
在進行換熱網(wǎng)絡設計時，切記純理論考慮，要同時兼顧操作及工藝的可行性，由于換熱帶來的露點腐蝕、結晶、堵塞、氣液兩相對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，通過合理的設備布置來減少動量消耗，節(jié)約能源。
工藝包開發(fā)，進行全流程模擬是必不可少的。對于流程模擬有兩種較極端且不正確的觀點。
觀點一：流程模擬是萬能的，什么都是模擬一下就能獲得；
觀點二：流程模擬沒有用，受影響因素太多，根本算不準。以上兩種觀點都是瞎子摸象，不能客觀的來認識模擬軟件。
1、流程模擬對工藝的認識非常有幫助，尤其是經(jīng)過全流程模擬后，對全系統(tǒng)的認識會有質的飛躍；
2、流程模擬并非簡單的輸入、輸出，需要注入大量的人為分析，每一個參數(shù)的變化以及它的影響因素，以及一個參數(shù)的改變帶來的全系統(tǒng)的變化都是需要逐個分析的。此外，關鍵數(shù)據(jù)還需要與實驗、小試、中試及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等的數(shù)據(jù)進行比對分析，進一步對模型數(shù)據(jù)進行修正；
3、流程模擬并非萬能的，沒有輸入就沒有輸出，輸入錯了，輸出一定錯。輸入對了，輸出也有可能與實驗或生產(chǎn)數(shù)據(jù)不符，需對出現(xiàn)的不符情況進行細致的分析論證，找出矛盾的原因；
4、流程模擬的應用可大大縮短工藝包的開發(fā)時間，減少實驗工作量，指導生產(chǎn)，預測數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢；
5、通過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，為工程設計、生產(chǎn)提供基礎數(shù)據(jù)；
6、可以通過模擬對各種方案進行綜合對比，從而得到最優(yōu)方案。
1、根據(jù)物性確定物性方法；
2、從反應入手，如反應僅受熱力學平衡影響，則可考慮化學平衡反應器模塊，通過調節(jié)平衡溫距來獲得相關參數(shù)。如反應除熱力學平衡外，受反應動力學影響，則通過實驗數(shù)據(jù)擬合推導得到反應速率方程及相關參數(shù)（包括：活化能、指前因子、吸附因子、吸附/反應平衡常數(shù)等等），將相關參數(shù)用于流程模擬中的反應模塊，同時將模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行比對、分析、修正。目的讓模型具有可預測性，能對工業(yè)放大提供可靠的依據(jù)；
3、解決分離、換熱的問題，根據(jù)前面收集的數(shù)據(jù)及初步制定的流程，進行模擬計算（包括：物性數(shù)據(jù)回歸、換熱器分析計算等等），對發(fā)現(xiàn)的問題進行分析修正，同時對各種可能的流程一一進行計算對比，找出最優(yōu)方案，流程最優(yōu)方案確定后，進一步對單個設備進行調優(yōu)；
4、匹配公用工程（規(guī)格盡可能少，同時兼顧投資）。至此，模擬工作已基本完成。
以上的輕描淡寫，希望不要誤導一些人。因為化工技術真的博大精深，任何一個點想要做到精深通透，都可能足以讓我們窮盡一生而不可得。
通過準確的全流程模擬后，即可得到完整的物料流程圖（PFD）。
參照典型單元設備的流程模式、結合工藝的特點及需求，同時讓儀表專業(yè)介入，共同完成PID，根據(jù)PFD上各流股信息取經(jīng)濟流速、算管道壓降、然后確定管徑，根據(jù)開停車需要，考慮置換、催化劑升溫還原/停車保護、預硫化等等，加上所需的開/停工線。
對所有設備進行設計計算，定型設備提出詳細參數(shù)、選材原則，非標設備計算尺寸、大小、高度、內(nèi)件等。
根據(jù)反應綜合考慮后確定，具體包括：反應類型（快速/慢速反應、氣液相反應/氣氣相反應/液液相反應/氣固相反應、催化/非催化反應等等）、催化劑性能（如為催化反應）、空速、反應速率、反應控制步驟、停留時間、物料分布、移熱、放大效應等因素來設計。
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，填料塔一般對噴淋密度的要求比板式塔高，此外，物料性質對塔的選擇也有很大影響。根據(jù)分離要求，優(yōu)化進料位置、調整回流比及理論板數(shù)、根據(jù)物料性質取合適的液泛系數(shù)，進行塔器的計算，計算出每塊板/填料的氣液相負荷、持液量、噴淋密度、壓降。
將流程模擬中的數(shù)據(jù)導入換熱器計算軟件進行計算即可。一般采用HTRI中的校核模式進行計算，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?shù)挠嗔?，根?jù)建廠地氣候條件、水源供給情況，考慮空冷，空冷一般用于熱負荷大、溫差小的地方。對換熱要求高、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的型式。根據(jù)廠區(qū)具體情況，如：電價、蒸汽富余情況、能否上鍋爐、能否上自備電站、煤價等等因素，經(jīng)綜合分析后確定電驅或汽驅。如采用電驅，一般來說壓縮機一次投資低、占地小、操作/檢維修工作量小，但折產(chǎn)品單價后電一般比蒸汽貴。如采用汽驅，一般來說壓縮機一次投資高、占地大、操作/檢維修工作量大，但折產(chǎn)品單價后蒸汽一般比電便宜。當然，也有一些廠例外，所以，因地制宜、萬萬不可一概而論！
此外，采用汽驅的，還要考慮壓縮機是采用全凝、抽凝還是背壓式（需在全廠蒸汽平衡中統(tǒng)籌考慮），如壓縮機采用全凝或抽凝，還要考慮表冷采用水冷還是空冷，兩者對壓縮機的蒸汽消耗是不一樣的。
根據(jù)前面的計算，整理完成設備數(shù)據(jù)表即可。
分緩沖罐、中間儲罐、成品儲罐等，按停留時間、儲存時間及考慮生產(chǎn)操作（如手動分析取樣要求、產(chǎn)品封罐要求、換班銜接要求等等）后確定。
非標設備，提出詳細的外形尺寸、內(nèi)件型式及詳細參數(shù)、工藝參數(shù)等；定型設備，提出詳細的工藝參數(shù)、工藝要求、選材原則等。
此時，拿出SHSG 052-2003石油化工裝置工藝設計包（成套技術工藝包）內(nèi)容規(guī)定，按里面的要求一條一條完成，當然里面涉及到的知識面是較廣的，要求也是較高的，除工藝外，還涉及了設備、儀表、衛(wèi)生、安全、環(huán)保、分析、管材、布置、生產(chǎn)等等…
所以，一個好的、成熟的、能夠運用于實際的工藝包真的不是憑一己之力所能完成的。它一定是有一個好的團隊在支撐，這個團隊涉及到研發(fā)、技術、工程、生產(chǎn)…
分析化驗手冊、操作手冊
此兩大手冊的完成除對工藝有透徹的理解外，還需要大量的實驗、中小試數(shù)據(jù)作為支撐。
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【下一篇：化工配管設計常見錯誤案例分析，涉及管道、閥門、儀表、機泵......】
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