一文读懂工艺包

工艺包开发思路与步骤

                       

1确定工艺路线


除小部分新产品外，国内大部分化工技术中，工艺路线已基本确定。针对相同原料，获得相同产品如有几种工艺路线，则对每一种路线分别进行分析、比较后确定。

主要从以下几个方面来考虑：
1、所需的温度、压力等参数。几种路线中实现的效果相近，优先选择易于实现操作参数的路线；
2、投资；
3、能耗；
4、安全；
5、环保；
6、对材质的要求；
7、产品质量；
8、是否侵权。


2收集数据



通过实验（实验室、小试、中试、产业化生产等）或查询文献、论文、技术书籍等所有可能的渠道收集基础数据（在合法的前提下）。包括：技术中涉及的所有物质的物性及物质间的相互影响，所有涉及到的反应及催化剂、反应机理等。同时注意对整个过程中形成的知识产权的保护。

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关于反应

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众所周知，反应为整个系统的灵魂，也是“洋葱模型”的最中心，它出了问题，所有其他工作都是白搭，它错了，整个基准就错了。所以，非常、非常、非常重要！

反应按是否有催化剂分：催化反应、非催化反应；按相态分：均相反应、非均相反应。

无论属于何种反应，作为工艺包开发者均需对反应有透彻的理解，对反应机理要清清楚楚、明明白白。

仅做实验室研发的科研人员很难把工艺包做好，受两个因素制约，因素一：缺乏工程化经验；因素二：缺乏工业化后的生产经验。仅做工程设计的技术人员也很难把工艺包做好，因为缺乏对反应机理的认识和相关数据，同时还缺乏生产数据及生产经验。仅做生产的技术人员同样也很难做好，因为缺乏研发和工程设计的经验及数据。


如为催化反应，工艺包开发人员至少需掌握催化剂的物理性能参数，如：强度、孔隙率、堆密度、活性组份、载体等。此外还要掌握催化剂的化学性能，如反应的转化率、选择性、反应的影响因素（包括温度、压力、流量、组份配比）、空速、催化剂失活中毒影响因素、反应热力学平衡参数、反应动力学方程、反应控制步骤等等。当然，这些数据也可以由项目组中专门从事催化剂研发的人员提供。

如为非催化反应，同样需掌握反应机理、反应影响因素、反应动力学方程、反应控制步骤、吸/放热量、超温后果、反应失控保护措施等。

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关于分离再循环

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化工装置中常见的分离为气液分离、吸收、气提、解吸、精馏等。

普通分离罐的计算一般按分离液滴直径进行计算，高效分离罐一般提出工艺要求。

吸收的关键是寻找合适的吸收剂，气提为打破原气液相平衡，通过改变分压实现分离，解吸为吸收的逆过程，普通精馏按沸点进行分离即可，如分离中存在共沸物或沸点相差很小的物质，则可考虑特殊精馏，如：共沸精馏、萃取精馏或变压精馏等。需根据被分离物质的具体情况分析后确定。

如数据库中缺少二元交互参数，需对气液相平衡数据进行测量或通过查阅资料获取，然后对气液相平衡数据进行数据回归，得到二元交互参数，从而才能进行准确的分离计算。

循环一般分为气相循环和液相循环，循环一般是为了满足反应的需要或分离的需要。

化工装置中大部分反应单程转化率并不高，为了获得较高的收率，只能采用循环的方式，如合成氨、尿素、碳铵、煤焦油加氢、三聚氰胺、甲醇、乙二醇等装置。此外，有些难分离物系，为了获得高收率、好的产品质量，也会采用循环的方式。循环量越大、循环压降越大，也就意味着能耗越高，这里面降能耗可挖掘的空间巨大。通常，循环越多，流程的复杂程度就越高，设计、控制、操作的难度也就越大。

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关于传热

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收集技术中涉及的所有物质/流股的焓和比热值，所有反应的反应热、熔解热等。装置内按温度及热量梯级换热回收热量（尽可能在装置内考虑热量的回收利用，如装置内不能回收利用的热量，则从全厂的角度来考虑热量的回收利用）。

在进行换热网络设计时，切记纯理论考虑，要同时兼顾操作及工艺的可行性，由于换热带来的露点腐蚀、结晶、堵塞、气液两相对催化剂的影响等均需周全考虑。

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关于动量传递

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收集所有流股的粘度、汽化压力等参数，两相流避免活塞流，通过合理的设备布置来减少动量消耗，节约能源。


3流程模拟



工艺包开发，进行全流程模拟是必不可少的。对于流程模拟有两种较极端且不正确的观点。

观点一：流程模拟是万能的，什么都是模拟一下就能获得；
观点二：流程模拟没有用，受影响因素太多，根本算不准。以上两种观点都是瞎子摸象，不能客观的来认识模拟软件。

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对模拟的正确认识

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1、流程模拟对工艺的认识非常有帮助，尤其是经过全流程模拟后，对全系统的认识会有质的飞跃；

2、流程模拟并非简单的输入、输出，需要注入大量的人为分析，每一个参数的变化以及它的影响因素，以及一个参数的改变带来的全系统的变化都是需要逐个分析的。此外，关键数据还需要与实验、小试、中试及产业化生产等的数据进行比对分析，进一步对模型数据进行修正；

3、流程模拟并非万能的，没有输入就没有输出，输入错了，输出一定错。输入对了，输出也有可能与实验或生产数据不符，需对出现的不符情况进行细致的分析论证，找出矛盾的原因；

4、流程模拟的应用可**缩短工艺包的开发时间，减少实验工作量，指导生产，预测数据发展趋势；

5、通过流程模拟可获得完整的物料、能量平衡数据，物性参数等，为工程设计、生产提供基础数据；

6、可以通过模拟对各种方案进行综合对比，从而得到最优方案。

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具体工作开展

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1、根据物性确定物性方法；

2、从反应入手，如反应仅受热力学平衡影响，则可考虑化学平衡反应器模块，通过调节平衡温距来获得相关参数。如反应除热力学平衡外，受反应动力学影响，则通过实验数据拟合推导得到反应速率方程及相关参数（包括：活化能、指前因子、吸附因子、吸附/反应平衡常数等等），将相关参数用于流程模拟中的反应模块，同时将模拟结果与实验数据进行比对、分析、修正。目的让模型具有可预测性，能对工业放大提供可靠的依据；

3、解决分离、换热的问题，根据前面收集的数据及初步制定的流程，进行模拟计算（包括：物性数据回归、换热器分析计算等等），对发现的问题进行分析修正，同时对各种可能的流程一一进行计算对比，找出最优方案，流程最优方案确定后，进一步对单个设备进行调优；

4、匹配公用工程（规格尽可能少，同时兼顾投资）。至此，模拟工作已基本完成。

以上的轻描淡写，希望不要误导一些人。因为化工技术真的博大精深，任何一个点想要做到精深通透，都可能足以让我们穷尽一生而不可得。

4完成PFD、PID、设备数据表



通过准确的全流程模拟后，即可得到完整的物料流程图（PFD）。

参照典型单元设备的流程模式、结合工艺的特点及需求，同时让仪表专业介入，共同完成PID，根据PFD上各流股信息取经济流速、算管道压降、然后确定管径，根据开停车需要，考虑置换、催化剂升温还原/停车保护、预硫化等等，加上所需的开/停工线。

对所有设备进行设计计算，定型设备提出详细参数、选材原则，非标设备计算尺寸、大小、高度、内件等。

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反应器

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根据反应综合考虑后确定，具体包括：反应类型（快速/慢速反应、气液相反应/气气相反应/液液相反应/气固相反应、催化/非催化反应等等）、催化剂性能（如为催化反应）、空速、反应速率、反应控制步骤、停留时间、物料分布、移热、放大效应等因素来设计。

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塔器

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分填料塔、板式塔，也有同一塔内部分填料、部分塔板。填料塔一般压降小、板式塔压降大，填料塔一般对喷淋密度的要求比板式塔高，此外，物料性质对塔的选择也有很大影响。根据分离要求，优化进料位置、调整回流比及理论板数、根据物料性质取合适的液泛系数，进行塔器的计算，计算出每块板/填料的气液相负荷、持液量、喷淋密度、压降。

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换热器

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将流程模拟中的数据导入换热器计算软件进行计算即可。一般采用HTRI中的校核模式进行计算，流程模拟中冷热端温差一般控制≥8℃，尽量避免温度交差，考虑上污垢热阻，考虑清洗，考虑热膨胀，考虑适当的余量，根据建厂地气候条件、水源供给情况，考虑空冷，空冷一般用于热负荷大、温差小的地方。对换热要求高、冷热端温差小、压降要求小、占地要求小等地方考虑高效换热器。

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压缩机

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根据气量、压比以及输送气体的组成情况确定压缩机的型式。根据厂区具体情况，如：电价、蒸汽富余情况、能否上锅炉、能否上自备电站、煤价等等因素，经综合分析后确定电驱或汽驱。如采用电驱，一般来说压缩机一次投资低、占地小、操作/检维修工作量小，但折产品单价后电一般比蒸汽贵。如采用汽驱，一般来说压缩机一次投资高、占地大、操作/检维修工作量大，但折产品单价后蒸汽一般比电便宜。当然，也有一些厂例外，所以，因地制宜、万万不可一概而论！

此外，采用汽驱的，还要考虑压缩机是采用全凝、抽凝还是背压式（需在全厂蒸汽平衡中统筹考虑），如压缩机采用全凝或抽凝，还要考虑表冷采用水冷还是空冷，两者对压缩机的蒸汽消耗是不一样的。

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分离器

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根据前面的计算，整理完成设备数据表即可。

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储罐

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分缓冲罐、中间储罐、成品储罐等，按停留时间、储存时间及考虑生产操作（如手动分析取样要求、产品封罐要求、换班衔接要求等等）后确定。

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其他设备

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非标设备，提出详细的外形尺寸、内件型式及详细参数、工艺参数等；定型设备，提出详细的工艺参数、工艺要求、选材原则等。

5完成设计说明、仪表规格书、联锁说明、建议设备布置图等



此时，拿出SHSG 052-2003石油化工装置工艺设计包（成套技术工艺包）内容规定，按里面的要求一条一条完成，当然里面涉及到的知识面是较广的，要求也是较高的，除工艺外，还涉及了设备、仪表、卫生、安全、环保、分析、管材、布置、生产等等…

所以，一个好的、成熟的、能够运用于实际的工艺包真的不是凭一己之力所能完成的。它一定是有一个好的团队在支撑，这个团队涉及到研发、技术、工程、生产…

6完成两大手册



分析化验手册、操作手册
此两大手册的完成除对工艺有透彻的理解外，还需要大量的实验、中小试数据作为支撑。

工艺包是化工生产中一种重要的技术文件，它详细记载了从原料处理到最终产品制备的全过程技术。开发工艺包的主要步骤包括：

1. 确定工艺路线：根据原料和所需产品，选择合适的生产路线，考虑安全、环保、成本等因素。

2. 收集数据：获取必要的实验数据和理论数据，包括物质物性、反应机理及其影响因素等。

3. 流程模拟：通过软件模拟整个化工流程，调优参数，确保工艺的合理性和经济性。

4. 设计主要设备与流程：这涉及生成物料流程图（PFD）、管道与仪器图（PID），以及设备的详细设计和计算。

5. 完成设计文件与手册：包括仪表规格书、联锁说明、建议设备布置图等，并编制分析化验手册和操作手册。

这个过程需要团队合作，涵盖研发、技术、工程、生产等多个方面的专业知识。
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