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[推荐] 工艺包开发思路与步骤

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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。

//关于反应//
    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。

//关于分离再循环//
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。

//关于传热//
    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。

//关于动量传递//
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。

//对模拟的正确认识//
    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、流程模拟的应用可大大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。

//具体工作开展//
    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。

//反应器//
    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。

//塔器//
    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。

//换热器//
    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。

//压缩机//
    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。

//分离器//
    根据前面的计算,整理完成设备数据表即可。

//储罐//
    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。

//其他设备//
    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。

 

发表于 2022-9-22 07:48:50

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发表于 2022-9-22 09:45:05

 

 

 

Peterpaul彼得保罗
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