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工藝包技術高深莫測?其實了解一下就能懂

發布時間:2020-04-02 14:47

        常聽化工技術大咖說,工藝包!工藝包!什么東西?對于化工設計專業的人士來說,工藝包不是什么高深的東西,但對于非專業化工人士,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。



                                                                                             工藝包開發思路與步驟


1確定工藝路線


        除小部分新產品外,國內大部分化工技術中,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。幾種路線中實現的效果相近,優先選擇易于實現操作參數的路線;

        2、投資;

        3、能耗;

        4、安全;

        5、環保;

        6、對材質的要求;

        7、產品質量;

        8、是否侵權。

2收集數據

       

         通過實驗(實驗室、小試、中試、產業化生產等)或查詢文獻、論文、技術書籍等所有可能的渠道收集基礎數據(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權的保護。



                                                                                                    關于反應

        眾所周知,反應為整個系統的靈魂,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:缺乏工程化經驗;因素二:缺乏工業化后的生產經驗。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據,同時還缺乏生產數據及生產經驗。僅做生產的技術人員同樣也很難做好,因為缺乏研發和工程設計的經驗及數據。

        如為催化反應,工藝包開發人員至少需掌握催化劑的物理性能參數,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、反應動力學方程、反應控制步驟等等。當然,這些數據也可以由項目組中專門從事催化劑研發的人員提供。

        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。


                                                                                                   關于分離再循環

        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。需根據被分離物質的具體情況分析后確定。

        如數據庫中缺少二元交互參數,需對氣液相平衡數據進行測量或通過查閱資料獲取,然后對氣液相平衡數據進行數據回歸,得到二元交互參數,從而才能進行準確的分離計算。

        循環一般分為氣相循環和液相循環,循環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、好的產品質量,也會采用循環的方式。循環量越大、循環壓降越大,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。



                                                                                                     關于傳熱

        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。裝置內按溫度及熱量梯級換熱回收熱量(盡可能在裝置內考慮熱量的回收利用,如裝置內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。



                                                                                                  關于動量傳遞

        收集所有流股的粘度、汽化壓力等參數,兩相流避免活塞流,通過合理的設備布置來減少動量消耗,節約能源。


3流程模擬


        工藝包開發,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,尤其是經過全流程模擬后,對全系統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,每一個參數的變化以及它的影響因素,以及一個參數的改變帶來的全系統的變化都是需要逐個分析的。此外,關鍵數據還需要與實驗、小試、中試及產業化生產等的數據進行比對分析,進一步對模型數據進行修正;

        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數據不符,需對出現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時間,減少實驗工作量,指導生產,預測數據發展趨勢;

        5、通過流程模擬可獲得完整的物料、能量平衡數據,物性參數等,為工程設計、生產提供基礎數據;

        6、可以通過模擬對各種方案進行綜合對比,從而得到最優方案。



                                                                                                 具體工作開展

        1、根據物性確定物性方法;

        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,通過調節平衡溫距來獲得相關參數。如反應除熱力學平衡外,受反應動力學影響,則通過實驗數據擬合推導得到反應速率方程及相關參數(包括:活化能、指前因子、吸附因子、吸附/反應平衡常數等等),將相關參數用于流程模擬中的反應模塊,同時將模擬結果與實驗數據進行比對、分析、修正。目的讓模型具有可預測性,能對工業放大提供可靠的依據;

        3、解決分離、換熱的問題,根據前面收集的數據及初步制定的流程,進行模擬計算(包括:物性數據回歸、換熱器分析計算等等),對發現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,找出最優方案,流程最優方案確定后,進一步對單個設備進行調優;

        4、匹配公用工程(規格盡可能少,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。


4完成PFD、PID、設備數據表


        通過準確的全流程模擬后,即可得到完整的物料流程圖(PFD)。

        參照典型單元設備的流程模式、結合工藝的特點及需求,同時讓儀表專業介入,共同完成PID,根據PFD上各流股信息取經濟流速、算管道壓降、然后確定管徑,根據開停車需要,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、選材原則,非標設備計算尺寸、大小、高度、內件等。



                                                                                                          反應器

        根據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。



                                                                                                              塔器

        分填料塔、板式塔,也有同一塔內部分填料、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。根據分離要求,優化進料位置、調整回流比及理論板數、根據物料性質取合適的液泛系數,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

        將流程模擬中的數據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,考慮適當的余量,根據建廠地氣候條件、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。根據廠區具體情況,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

        根據前面的計算,整理完成設備數據表即可。



                                                                                                                 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操作(如手動分析取樣要求、產品封罐要求、換班銜接要求等等)后確定。



                                                                                                            其他設備

        非標設備,提出詳細的外形尺寸、內件型式及詳細參數、工藝參數等;定型設備,提出詳細的工藝參數、工藝要求、選材原則等。


5完成設計說明、儀表規格書、聯鎖說明、建議設備布置圖等


        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)內容規定,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、衛生、安全、環保、分析、管材、布置、生產等等…

        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、技術、工程、生產…


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、中小試數據作為支撐。

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