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四川蜀泰化工科技有限公司

  

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工藝包技術(shù)高深莫測?其實了解一下就能懂

發(fā)布時間:2020-04-02 14:47

        常聽化工技術(shù)大咖說,工藝包!工藝包!什么東西?對于化工設(shè)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(xué)習(xí)一下,管中窺豹,了解個大概。



                                                                                             工藝包開發(fā)思路與步驟


1確定工藝路線


        除小部分新產(chǎn)品外,國內(nèi)大部分化工技術(shù)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(zhì)的要求;

        7、產(chǎn)品質(zhì)量;

        8、是否侵權(quán)。

2收集數(shù)據(jù)

       

         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(shù)書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)機理等。同時注意對整個過程中形成的知識產(chǎn)權(quán)的保護。



                                                                                                    關(guān)于反應(yīng)

        眾所周知,反應(yīng)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(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)。

        無論屬于何種反應(yīng),作為工藝包開發(fā)者均需對反應(yīng)有透徹的理解,對反應(yīng)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(shè)計的技術(shù)人員也很難把工藝包做好,因為缺乏對反應(yīng)機理的認識和相關(guān)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(shù)人員同樣也很難做好,因為缺乏研發(fā)和工程設(shè)計的經(jīng)驗及數(shù)據(jù)。

        如為催化反應(yīng),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(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)動力學(xué)方程、反應(yīng)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(yīng),同樣需掌握反應(yīng)機理、反應(yīng)影響因素、反應(yīng)動力學(xué)方程、反應(yīng)控制步驟、吸/放熱量、超溫后果、反應(yīng)失控保護措施等。


                                                                                                   關(guān)于分離再循環(huán)

        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(guān)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(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(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、控制、操作的難度也就越大。



                                                                                                     關(guān)于傳熱

        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(luò)設(shè)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(jié)晶、堵塞、氣液兩相對催化劑的影響等均需周全考慮。



                                                                                                  關(guān)于動量傳遞

        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(shè)備布置來減少動量消耗,節(jié)約能源。


3流程模擬


        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。



                                                                                               對模擬的正確認識


        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(zhì)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(guān)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(yīng)用可大大縮短工藝包的開發(fā)時間,減少實驗工作量,指導(dǎo)生產(chǎn),預(yù)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(shè)計、生產(chǎn)提供基礎(chǔ)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。



                                                                                                 具體工作開展

        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,通過調(diào)節(jié)平衡溫距來獲得相關(guān)參數(shù)。如反應(yīng)除熱力學(xué)平衡外,受反應(yīng)動力學(xué)影響,則通過實驗數(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,同時將模擬結(jié)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(yù)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(shè)備進行調(diào)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(dǎo)一些人。因為化工技術(shù)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。


4完成PFD、PID、設(shè)備數(shù)據(jù)表


        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(shè)備的流程模式、結(jié)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(yù)硫化等等,加上所需的開/停工線。

        對所有設(shè)備進行設(shè)計計算,定型設(shè)備提出詳細參數(shù)、選材原則,非標設(shè)備計算尺寸、大小、高度、內(nèi)件等。



                                                                                                          反應(yīng)器

        根據(jù)反應(yīng)綜合考慮后確定,具體包括:反應(yīng)類型(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、停留時間、物料分布、移熱、放大效應(yīng)等因素來設(shè)計。



                                                                                                              塔器

        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(zhì)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(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。



                                                                                                           換熱器

        將流程模擬中的數(shù)據(jù)導(dǎo)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。



                                                                                                             壓縮機

        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(qū)或汽驅(qū)。如采用電驅(qū),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(qū),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(qū)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。



                                                                                                             分離器

        根據(jù)前面的計算,整理完成設(shè)備數(shù)據(jù)表即可。



                                                                                                                 儲罐

        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。



                                                                                                            其他設(shè)備

        非標設(shè)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(shè)備,提出詳細的工藝參數(shù)、工藝要求、選材原則等。


5完成設(shè)計說明、儀表規(guī)格書、聯(lián)鎖說明、建議設(shè)備布置圖等


        此時,拿出SHSG 052-2003石油化工裝置工藝設(shè)計包(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(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(shù)、工程、生產(chǎn)…


6完成兩大手冊


        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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