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工藝設計及PFD設計 在化工裝置設計中，除了工藝系統(tǒng)設計以外，還有管道、設備、機械、建構筑物、公用工程、電氣、儀表、安全衛(wèi)生、消防、分析化驗、環(huán)境保護等領域的設計工作，還要從全局考慮總平面布置、原料和產品的輸送及設計方案的技術經(jīng)濟性，這些都需要在化工工藝系統(tǒng)設計中充分考慮，所以說化工工藝系統(tǒng)設計是一門綜合的技術。在各個設計階段中，作為設計主體的化工工程師，必須與其他各專業(yè)密切溝通，相互配合，才能完成整個設計任務。這就要求化工工程師不僅精通、熟悉有關的標準規(guī)范和設計技能，并能在工程設計項目中恰當?shù)貞?、?zhí)行它，同時還要具備較廣泛的相關專業(yè)知識。 國內工程設計階段一般分為初步設計階段和施工圖設計階段，國際上通行的作法是分為工藝包設計階段、基礎設計階段和詳細設計階段。 在化工工藝系統(tǒng)設計中，工藝流程設計的各個階段的設計成果都是通過各種流程圖和表格表達出來，按照設計階段的不同，先后有方框流程圖（block flowsheet）、工藝流程草（簡）圖（simplified flowsheet）、工藝物料流程圖（Process Flow Diagram即PFD）和管道儀表流程圖（Piping & Instrumentation Diagram 即P&I D）〈也有用“帶控制點的工藝流程圖(Process and Control Diagram 即PCD”代替P&ID)〉等種類。對于醫(yī)藥行業(yè)來說，根據(jù)其特有的生產潔凈區(qū)級別要求，還有人員-物料分流圖（Material and Personnel Flow Drawing）、工藝流程及環(huán)境區(qū)域劃分示意圖（Plant Schematic and Process Flow Diagram）等。 下面對工藝設計、工藝包設計內容及PFD的設計作簡單介紹。 一、工藝設計 1、工藝專業(yè)設計和工藝包 從廣義上講工藝設計應包含工藝專業(yè)設計和工藝包設計兩方面的內容。 工藝專業(yè)設計的主要任務是對一個化工產品的生產流程先進行基本的計算，在此基礎上給有關專業(yè)提出條件，在有關專業(yè)的參與下以工藝專業(yè)為主，完成PFD(工藝物料流程圖 Process Flow Diagram)的設計任務。這個生產流程可以是工藝專業(yè)的設計人員自己開發(fā)的，也可是其它專利商提供的技術。 工藝包一個專門的技術名詞，它特指包含一個化工產品的生產技術的全部技術文件。這些文件通常應當包含以下的內容：生產該產品應該采用的化工生產單元、應該采用的化工設備、應該采用的自動控制方案、所采用的原料以及生產該產品的原料及公用物料的消耗量。 化工工藝設計工程師在進行工藝設計時，需要進行各種設計計算，如物料平衡和熱量平衡的計算，這是化工工藝設計中最基本的計算之一，也是使用最頻繁的計算。當生產流程基本確定后，只有完成上述計算，才能進行設備設計計算等其它方面的計算。物料平衡和熱量平衡的基本計算原則是質量守恒和能量守恒定律。要使工藝包的設計具備先進水平、使產品具備市場競爭能力，在進行流程模擬時就要注意流程的可行性，要使每一股物流都有合理的去處，盡量做到物盡其用；另外要特別注意熱量的綜合利用，要考慮把高溫的溶劑和蒸汽冷凝液都盡量利用起來，這就需要應用“能量綜合設計”的技術。 工藝包設計的依據(jù)是已批準的可行性研究報告、總體設計和設計基礎資料，據(jù)此進行工藝包設計。 工藝包設計應完成的主要任務有：繪制PFD、完成工藝物料平衡計算、編制工藝設備數(shù)據(jù)表（主要是技術規(guī)格要求和負荷）、編制公用物料的設計原則和平衡圖、確定環(huán)保的設計原則和排出物的基本原則、進行安全分析（Process Safety Review）（或稱為風險評價－Risk Assessment）等。 在工藝設計的過程中，工藝專業(yè)要和不同專業(yè)互提條件。發(fā)出條件表的專業(yè)是主導專業(yè)，條件表是主導專業(yè)設計工作的初步成果，是接受條件專業(yè)的設計依據(jù)，是很重要的技術文件。 這一階段中，主要工作是由工藝設計人員、其它專業(yè)的有關人員和項目管理人員參加并完成的，工藝過程的重大原則和設計方案應該組織有關人員評審后才能確定（寰球公司規(guī)定要經(jīng)過室審和院審），此階段是整個設計工作全面展開的基礎。 2、設計基礎 每個設計項目在簽訂設計合同時，都要在設計合同的技術附件中，用詳細的清單列出設計單位要求業(yè)主提供的設計基礎數(shù)據(jù)的內容，即項目設計數(shù)據(jù)。項目設計數(shù)據(jù)是順利開展設計工作最基本的依據(jù)，缺少項目設計數(shù)據(jù)，設計工作就變成無米之炊，是無法開展的。工程項目只能在此基礎上進行設計和建設。 業(yè)主根據(jù)合同的要求，應按時提出設計單位所需的全部項目設計數(shù)據(jù)，項目設計數(shù)據(jù)必須由業(yè)主單位的建設項目負責人簽名認可，才能正式作為設計基礎數(shù)據(jù)提供給設計人員使用。 工藝和工藝系統(tǒng)專業(yè)是從項目經(jīng)理那里拿到業(yè)主認可的項目設計數(shù)據(jù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)開始設計準備工作。項目設計數(shù)據(jù)如果有變更，要依據(jù)業(yè)主的正式通知，由項目經(jīng)理向有關設計人員發(fā)布修改后的項目設計數(shù)據(jù)，有了設計變更通知設計人員才能修改有關的設計文件。必須重視項目設計數(shù)據(jù)的變更，它可能會直接影響到工藝流程的改變甚至影響整個項目的合同規(guī)定，所以對此應當十分慎重。 工藝及工藝系統(tǒng)專業(yè)至少應當?shù)玫较铝袛?shù)據(jù)，才有條件開展設計工作。 （1）所采用的工藝技術路線及其依據(jù)，裝置的年設計生產能力，年操作小時數(shù)及裝置操作彈性、操作制度、設計工況。 （2）原材料、輔助原料、催化劑、化學品的規(guī)格要求及界區(qū)條件。 （3）產品、中間產品及副產品的規(guī)格（產品牌號、規(guī)格、性能等）要求。 （4）產品方案及產品性能。 （5）公用物料的各項規(guī)格要求及界區(qū)條件（溫度、壓力、水質分析等）。 （6）提出原材料、輔助原材料、催化劑、化學品、工藝過程中公用物料的消耗定額及副產品產出定額（預期值）。 （7）提出工藝過程排出物（氣體、液體、固體等）排放源、排放數(shù)量及其組成。 （8）現(xiàn)場數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)，供電及電信系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)。 （9）設計規(guī)范和標準。 3、工藝包設計內容 工藝包設計文件一般應包括以下內容。 l 設計范圍。說明工藝包包括的范圍及生產規(guī)模。 l 設計基礎。工藝對原材料、催化劑、化學品及公用工程的規(guī)格要求，成品規(guī)格，生產能力（收率、轉化率），消耗定額，三廢排放量及規(guī)格，生產定員，工程保證指標和需要說明的安全生產要求。 l 工藝流程說明。按工藝流程的程序，詳細的說明生產過程，包括有關的化學反應及機理，操作條件，主要設備特點，控制方案以及工程設計所必須的工藝物料的物化性質數(shù)據(jù)。 l 物料平衡及熱量平衡計算結果。全流程典型的物料平衡，應考慮到負荷的波動及各主要工況，作為工程設計的重要依據(jù)。 l PFD。表示工藝生產所有主要設備（包括位號、名稱），特殊閥件設置，物流數(shù)據(jù)（流量、組成、溫度、壓力等特性）以及控制、聯(lián)鎖方案。 l 工藝設備表（設備一覽表）。應填寫設備位號、設備名稱、介質名稱、操作壓力、操作溫度、材質等。 l 主要設備工藝數(shù)據(jù)表（工藝規(guī)格書），包括主要機械設備數(shù)據(jù)表。主要設備數(shù)據(jù)表應列出所有工藝規(guī)格要求及有關數(shù)據(jù)、設備的材質要求、傳動機械要求及必要的設備條件圖。 l P&I D 0版。表示管道尺寸、材料等級、伴熱、閥門、絕熱（保溫/保冷）等級、安全閥系統(tǒng)、管道編號、儀表及控制回路等。 l 儀表數(shù)據(jù)表、控制原理圖、報警聯(lián)鎖表。 l 管道規(guī)格書（或者管道材料圖）。包括介質、工藝條件、設計條件、管道尺寸、管道材料、保溫等。 l 初步布置圖。表示主要設備布置和占地面積。 l 特殊管道材料等級規(guī)定。 l 生產操作和安全規(guī)格的要求。 l 分析化驗的要求。 l 特殊的檢修要求。 l 界區(qū)備件表。 l 操作手冊（操作指南）。 二、工藝物料流程圖（PFD）的設計 PFD的設計是化工廠裝置設計過程的一個重要階段，在PFD的設計過程中，要完成生產流程的設計、操作參數(shù)和主要控制方案的確定，以及設備尺寸的計算，是從工藝方案過渡到化工工藝流程設計的重要工序之一。 PFD是項目設計的指導性文件之一，在工藝設計階段完成。發(fā)布之后有關專業(yè)必須按PFD圖進行工作，并只能由工藝專業(yè)解釋和修改。 1、PFD的設計內容 PFD的主要內容應包括：全部工藝設備及位號，主要設備的名稱、操作溫度、操作壓力；物流走向及物流號（流股號），同時，應有與流股號對應的包括物流組成、溫度、壓力、狀態(tài)、流量及物性等主要物流計算結果的物料平衡表，可表示在PFD上，或單獨出版，根據(jù)不同的設計工況應分別列出或出版；主要控制方案的儀表、功能及其信號走向；標出泵的流量和進出口壓力、塔的實際板數(shù)及規(guī)格、換熱器的熱負荷等。PFD必須反映出全部工藝物料和產品所經(jīng)過的設備、主要物料的管道、并表示出進出界區(qū)的流向。對于公用工程，如水、冷凍鹽水、氮氣、工藝用壓縮空氣、蒸汽及冷凝液系統(tǒng)僅表示工藝設備使用點的進出位置。 一般每個工程（或公司）都要發(fā)布用于PFD設計的圖例、符號（規(guī)定）圖（LEAD SHEET），對PFD設計中的設備畫法、設備編號、儀表符號、標注符號、管道符號、物料代號以及縮寫詞等作統(tǒng)一規(guī)定（也有在PFD圖上簡單表示）。 下面分別簡述設備、工藝物流和主要控制方案的具體設計內容和畫法。 （1）設備 在PFD中，設備用細實線簡單繪出，如有多臺相同設備并聯(lián)時，可以只畫出一臺，但要標明位號A/B，而對于需要再生的設備，需全部繪出。主要設備盡可能按適當比例畫出相對位置、大小，而設備的基礎、裙座和管接頭不表示。一般在設備附近標注設備位號，并在圖紙上方或下方空白處按設備重疊情況由上到下分層標注設備位號、設備名稱及規(guī)格。一般情況下，靜設備在圖紙上部、動設備在圖紙下部表示。也有另外一種表示方式：對于容器類、壓縮機類設備在圖上方標示設備名稱、位號及規(guī)格，并在圖中設備附近標示設備位號，而泵類、換熱器類設備旁邊一般只標位號及規(guī)格。 標準設備的主要規(guī)格和參數(shù)通常為：泵應注明正常流量和吸入、排出壓力；容器應注明直徑和切線長度（或高度）；塔器應注明塔徑和切線高度，在塔內注明實際板數(shù)或填料段數(shù)；換熱器要注明換熱器的正常負荷。 設備外形表示方法如下; l 離心泵用圓圈加底座組合表示，進料指向圓心。 l 往復泵以┤形與一端不封閉的長方塊表示。 l 換熱設備用圓圈或設備外形表示。 l 壓縮機要表示出其型式，并表示出壓縮機的段數(shù)和主要的配套輔助設備。如型式尚未確定，可用方塊表示。 l 反應器要畫出主要元件，如篩板、催化劑框等。 l 分離器也要表示出內件。槽、罐類設備要畫出隔板、液封。 l 噴射器、其它特殊設備，如造粒塔、電解槽、電石爐、空氣磨等盡可能畫出實物大致外形。 （2）工藝物流 在PFD中，工藝物流用粗實線繪出，并用箭頭標示物流的去向。再生系統(tǒng)的物流用細實線標出。主要物流應標注流股號（除PFD外，應有單獨的物料平衡表），并在物料平衡表中列出PFD上對應物流的組成、溫度、壓力、流量狀態(tài)和相關物性。在一張圖中，與其它圖相關的物流應標明物流來源和去向。在PFD中，關鍵物流應標明溫度和壓力（也可表示在塔和容器上），進塔裝置的關鍵物流也可標明流量。PFD中對物流的標注至少應包括下列內容。 l 標識流程圖上的各點物料的編號（流股號）。 l 除有壓力變化的地方要畫上閥門（以表示壓力等級的區(qū)別）以及特殊重要的閥門外，其它情況的閥門一律不在圖上畫出。 l 要表示正常生產條件下的放空和排液管道。 l 對于作為熱源或冷卻介質的蒸汽、冷卻水、凝液只標進出流向。 l 具有液封作用的管線，除表示出液封外形外，還要注明液封高度。當排放口的高度有要求時，要注明排放高度。 l 工藝用蒸汽、凝液、冷卻水、冷凍鹽水、工廠空氣管線以及氮封管線，一律不畫進出總管。 流股號在菱形框內按順序用阿拉伯數(shù)字編寫。一般用三位數(shù)字表示，第一位表示單元或工段，后兩位表示序號。 設備間的物料流向用帶箭頭的實線表示。 進出裝置界區(qū)的物料流向以圓圈中的箭頭表示；圖紙之間用長方框（或帶箭頭的長方形）表示物料的來源或去向。 冷卻水、蒸汽、凝液、工廠空氣等在無特殊要求情況下不標明來源和去向。 （3）主要控制方案 在PFD中，應標示出全部的控制回路及其相關儀表和調節(jié)閥。例如塔器的壓力控制回路、靈敏板溫度控制回路、回流控制以及塔釜液位控制回路，罐的液位控制回路，主要換熱器的液位控制回路或溫度控制回路等。儀表僅表示出儀表類型，如溫度儀表、壓力儀表等。調節(jié)閥應在對應的物流線上標明，但不用標注調節(jié)閥尺寸。在復雜控制回路中，應用箭頭標示信號去向。對于由組分控制的回路，應標明需要檢測的主要組分。 2、單元設備的典型設計 化工生產過程中需要使用各種單元設備，每種單元設備對工藝流程圖的設計均有一定的要求。作為一個工藝流程圖的設計者，只要掌握各種單元設備的典型設計，再結合工藝流程和工程項目的特殊要求，配以設計者的工程經(jīng)驗，就可進行工藝流程圖中單元設備的設計。 參見例圖。 （1）泵 在PFD中，泵一般繪在圖的下部。同時繪出與泵相連的工藝物流即可。在泵的附近，盡量在泵的正下方，標明泵的位號、吸入壓力、排出壓力和正常操作時的流量。 （2）容器 容器分臥式容器和立式容器兩種。容器需根據(jù)容器在流程中的相對位置在圖面上布置。在PFD中，應繪出與容器相關的主要工藝物流及與主要控制回路相關的輔助物流。容器的名稱、規(guī)格和位號在PFD中容器正上方靠近頂部標出，同時在容器的附近也標出容器位號。容器內的主要部件（如除沫器）應在PFD中繪出。容器的操作操作壓力應在圖中標出。 （3）塔 在PFD中，塔一般在圖的中部繪制。同時，應繪出與塔相關的主要工藝物流及與主要控制回路相關的輔助物流。塔的名稱、規(guī)格和位號在PFD中塔正上方靠近頂部標出，同時在塔的附近也標出塔位號。塔內的主要部件應在PFD中繪出，如塔的實際板數(shù)或填料段數(shù)、進料板號與側線采出板號。同時應繪出與塔相關的主要控制回路及控制點的相對位置，如塔的壓力控制回路、靈敏板溫度回路、回流控制回路和塔釜液位控制回路等，還要標出塔的操作溫度、操作壓力。塔的周邊設備應根據(jù)流程中的相對位置在工藝流程圖中繪出。 （4）換熱器 常見的換熱器有管殼式和釜式兩種。在PFD中，換熱器需要根據(jù)其在流程中的相對位置在圖面上布置。對于管殼式換熱器應標明工藝物流所流經(jīng)的是殼側還是管側，對于釜式換熱器也要標明工藝物流所流經(jīng)的那一側。非工藝物流僅在圖中表示，并注明介質名稱即可。要表示出主要的控制回路，在換熱器的附近標明位號。 （5）壓縮機 在工藝流程圖中，壓縮機一般繪在圖的下部（也有在上部的）。并繪出與壓縮機相連的工藝物流以及主要的控制回路。在壓縮機的附近，盡量在壓縮機的正下方，標明壓縮機的位號、吸入壓力、排出壓力和正常操作時的流量。 3、PFD的圖面布置和制圖要求 各個設計單位在繪制PFD時所用圖紙的規(guī)格不同，一般采用1＃（A1）圖紙，以便圖面布置，但應盡量保證在其縮印成3＃（A3）圖后仍舊清晰，便于工作。 （1）PFD的圖面布置 l 設備在圖面上的布置，一般是順流程從左到右。 l 塔、反應器、換熱器等放在地面上的設備，一般是從圖面水平中線往上布置。 l 壓縮機、泵布置在圖面下部1/4線以下。 l 中線以下1/4高度供畫管道用。 l 其它設備布置在PFD要求的位置，如高位冷凝器布置在回流罐的上面，再沸器靠塔放置。 l 對于無高度要求的設備，在圖面上的位置要符合流程流向，以便與物流線連接。 （2）繪圖要求 l 圖紙編號和圖紙名稱按有關規(guī)定。 l 儀表和設備的表示方法要根據(jù)工程的Lead Sheet或有關規(guī)定。 l 要改造的設備用蘑菇云圈住。 l 設備內件用細實線表示。 l 工藝物流出入圖面要繪一矩形框或帶箭頭的矩形，內用文字表明相接設備與圖號。 l 設備位號按Lead Sheet或有關規(guī)定。 l 物流流向箭頭一般畫在物流線改變方向處。 在與PFD相應的物料平衡表中，可按操作工況從每股物流的流股號上，對應地找到物料平衡表中的流股號從而知道該物股的溫度、壓力、各組分的含量等數(shù)據(jù)的內容，要能滿足工藝專業(yè)提條件的需要，需要什么數(shù)據(jù)、物料平衡表就應該能輸出什么數(shù)據(jù)。 4、物料和熱量衡算與PFD 在工藝設計階段，工藝專業(yè)工程師要進行全流程物料平衡及熱量平衡計算，應進行必要的方案比較，選擇并考慮適當?shù)牟僮鲝椥浴? 化工生產過程中，經(jīng)常需要加熱或冷卻許多流股，最簡單的方法是按各流股的質量流速、熱負荷、進出口溫度分別引入蒸汽加熱或冷卻水（冷凍液）冷卻，它們的消耗構成了公用工程費用，在生產成本中占有相當大的份額。用這個方法設計熱量平衡，方法簡單、設備投資較少。但用有效能分析得知，這樣的流程熱力學效率很低，能耗不合理。為了降低成本、節(jié)約能源應當用熱交換器網(wǎng)絡的合成技術，詳細的對每股熱（冷）物流進行分析，盡量使系統(tǒng)內的加熱和冷卻物流相互配合使用，盡量減少從外界引進熱劑或冷劑，以達到減少能耗、降低成本的目的。當然這樣做會增加投資費用，還需要綜合比較，不過一般來講增加一次性建設投資，而獲得長時期的低生產成本，從長遠看是合算的。 用流程模擬模型、熱力學性質計算程序和熱力學性質數(shù)據(jù)庫軟件進行計算機模擬計算，就可以完成精確的物料平衡和熱量平衡計算。 物料衡算就是根據(jù)質量守恒定律，來確定原料和產品間的定量關系，從而可以計算出原料和輔助材料的用量、各種中間產品、副產品、成品的產量和規(guī)格以及三廢的排放量。 物料衡算是進行化工工藝設計和設備設計的基礎，在完成物料衡算的基礎上才能進行能量衡算，從而進行工藝方案的比較和選擇，指導定型設備和儀表的選型、非定型設備的工藝計算和管道尺寸計算，完成化工過程的PFD和PID的設計。另外，通過物料衡算還可以分析實際生產過程的完善程度，從而找出改造措施來改進工藝流程，達到提高成品率、減少副產品和減少三廢排放量等目的。 5、結合實例說明設計基礎對工藝設計、PFD的影響： （1） 大慶輕烴分餾塔再沸器熱介質（蒸汽/導熱油）、空冷/水冷。 （2） 南充輕汽油醚化C501再沸器/加熱爐、D502空冷/水冷。 附相關的PFD。 15