化工工艺系统设计

《化工工艺系统设计》讲座
1.概述
1.1要建设一个化工厂，必须具有一批化工工艺专业技术人员，同时也必须具有一批化工工艺系统专业设计人员，这些专业人员必须具备的基本化工专业知识与工艺专业基本相同且各有侧重，包括以下几点：
➢掌握化工基本理论
➢掌握化工工艺系统设计方法和技能
➢熟悉有关的国家标准规范
➢实际的工程经验
1.2工程设计阶段的划分以及各阶段的主导专业
➢工艺设计→化工工艺专业为主导专业
➢基础设计→工艺系统专业为主导专业
➢详细设计→管道设计专业为主导专业
1.3化工工艺专业和工艺系统专业的区别
工艺系统专业主要是将工艺专业提供的PFD发展成为能指导施工、安装、正常开车停车、事故停车、满足生产要求的PID。

2.工艺系统设计的内容和深度以及设计程序
2.1工艺系统设计的文件包括图纸和表格
2.1.1图纸：
➢包括PID，PID按版次设计，通常PID分为七版。

A版→R版→1版→1A版→2版→3版→施工版。

➢A版：初版，供各专业开始基础设计用，通常工艺设计的PID可作为A 版。

➢R版：内审版，项目设计经理会同项目审定人、工艺系统专业召开会议，参加专业一般有工艺专业、自控、管道设计、装置布置、管道机械、管道材料、电气（电气联锁）等专业。

对每一条管线，每一个控制点，控制方案进行讨论。

➢1版：用户审核版。

➢1A版：用户审核的修改版。

➢2版：基础设计成品版。

设备订货应全面完成，设备制造商图纸提供，可以开展详细设计，因此2版供详细设计之用，有时定型设备（如机泵订货等原因）尚不能完全提供，但设计进度有要求，2版可分为2A、2B...等版次。

➢3版：配管设计需要对PID进行调整，工艺系统专业根据配管要求，出3版图。

➢施工版：详细设计成品版，供施工用。

施工版PID内容和深度以满足施工安装为目标。

工艺系统设计文件一般没有文字说明，工艺系统设计过程中需要说明的内容通常注在PID的说明栏。

各工程公司一般有自己的工艺系统专业设计手册，来规范本公司的工艺系
统设计。

2.1.2表格：
➢管道命名表（管道数据表）
管道命名表通常从R版开始，A版不带管道命名表
管道命名表内容通常有：
1)管道说明：管道号、规格、流体、管道等级
2)操作温度、压力
3)设计温度、压力
4)试验介质和压力
5)绝热（伴热）类型、厚度
6)涂漆
7)PID图号
凡PID上有的管道，均需编入管道命名表中
2.1.3设计程序
A版→R版→1版→1A版→2版→3版→施工版（R版后附管道命名表）。

该程序必须与管道设计专业和装置布置一一对应，详图见：中国化学工程总公司1996年出版的《工程项目综合管理系统-工程项目管理实用手册》（第三卷）插图（P-24）。

3.设计方法
3.1 PID设计
根据工艺专业PFD、工艺控制要求、工艺操作指南、仪表PCD进行安全及可操作性研究（正常操作、事故停车、各种工况），设计PID （Piping&Instrumentation Diagram）。

PID分：工艺PID，即PID
公用工程PID（又称UID），即公用工程系统图
3.2化工管道设计(不是配管设计)：化工管道设计的理论基础为流体力学。

3.2.1系统压力降分析
流体流动存在流速的限制，流速主要由压力降确定。

流速过大，管径虽然较小，但压力降大，要求管道初始的压力高，选泵时泵的功率就要大，要作好
系统压力降分析。

因此必须掌握下列原理，并能灵活运用，解决工程中的具体问题。

➢柏努利方程见方程式8.3.1-1（P-604）
➢流体的物理特性，主要是粘度和密度
➢雷诺数
➢摩擦产生压力损失
➢摩擦系数与管道粗糙度的影响
➢阀门及管件的当量长度
3.2.2管道中可压缩流体的阻力计算（不包括长输管道，非牛顿流体、含固体颗粒气流输送管道）。

➢初选管径，可采用图表法计算，估算出经济流速，经济压降值。

➢最终确定管径，按式8.3.2-1校核之（P-612）。

3.2.3管道中不可压缩流体的阻力计算
➢确定流动状态，计算Re（管内光滑）
层流<2000
2000～4000可能层流也可能紊流
>4000紊流
20000湍流（换热器垂直管间Re>100湍流）
➢计算管道压力降：包括直管压力降和局部阻力—当量长度法、局部阻力压力降计算。

➢实例。

（见P-617）
3.2.4管道、阀门噪声控制
工业企业厂区各类地点噪声标准见表8.3.4（P-620）。

➢管道噪声控制
噪声发生的原因：流体流动
减噪措施：在满足工艺条件下，考虑投资和操作费，采用消音器，管道外包覆隔音材料，采用挠性软管连接；火炬采用多孔喷嘴、消声罩；与管道设计专业共同配合，合理配管。

➢阀门噪声控制：
选择低噪声的阀门，气动噪音是常见控制阀噪音。

➢疏水器减噪措施：采用低温排水的热静力型疏水器。

把出口管插入排水槽水面以下。

凝结水压力低时，采用较长的出口管（2m以上）。

出口管通过排水沟底部。

安装消音器。

凝结水直接排到砂土地面见图8.3.4-1～4(P-621)。

3.2.5设备管口要求：管口大小取决于流速和压降，尤其在低压系统。

推荐值见表8.3.5（P-622）；再沸器管口压降不能超过再沸器总压降30%。

3.2.6机泵压差要求
➢泵应进行扬程计算和轴功率校核。

➢考虑计算的误差，泵扬程的安全数为1.1～1.15。

➢特别对于输送高粘度液体，应将泵的性能指标（流量、扬程）换算成被输送液体的流量和扬程。

➢扬程计算。

计算公式见表8.3.6-1（P-623）
➢泵轴功率校核。

计算公式见表8.3.6-2（P-623）
3.3安全设施的设置
3.3.1安全设施设置的原则（总平面布置、消防设计、火灾报警——均牵涉安全问题），严格按国家和行业有关的标准和规范，特别是一些强制性规范。

主要规范有：
石油化工企业设计防火规范GB50160-92，1999修订版爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB50058-92（危险区的划分）建筑物防雷击设计规范GB50057-92，2000年版
建筑设计防火规范GBJ16-87，2001年版
工业企业设计卫生标准GBZ1-2002
以及其它行业标准和规范。

如果用户有要求，只要不违背上述主要标准，也应该按用户要求。

3.3.2化工装置安全泄压系统的设置：包括火炬管道系统、火炬分离器以及点火、喷嘴、密封装置、蒸气喷射装置（用于消烟）。

造成安全隐患的原因有：
➢出口堵塞
➢火灾
➢管道破裂
➢控制故障
➢热膨胀
➢公用工程故障
例8.4.1求解步骤见（P-625）
➢确定物料平衡，热量平衡的范围。

➢划出进出该范围的各股物料。

➢计算出该范围移走（或引入）的热量Q。

➢根据物质不灭定律做出物料平衡V=L+G1+G2=L+1167+5337
➢根据能量守恒定律做出热量平衡VH V=LH L+G1H V1+G2H L2+Q
➢阅查物性，根据物性数据计算出H V，H L，H V1，H L2热焓。

（计算时注意单位一致！）
➢联立求解，得到V值和L值。

3.3.3阀门的设置
要考虑：流体的性质
阀门的功能
阀门的尺寸
压力损失
温度和压力
阀门的材质
3.3.4安全阀的设置
下列11种情况之一必须安装安全阀：（P-629）
➢独立的压力系统（有切断阀与其它系统分开）。

该系统指全气相、全液相或与气相连通。

➢反应器异常而引起的超压。

➢容器的压力物料来源处没有安全阀的场合。

➢设计压力小于压力来源处压力的容器管道。

➢容积式泵和压缩机的出口管道。

➢由于不凝气的累积产生超压的容器。

➢加热炉出口管道上如设有切断阀或控制阀时，应该在该阀上游设置安全阀。

➢由于工艺事故、自控事故、电力事故、火灾事故和公用工程事故引起的超压部位。

➢液体因两端阀门关闭而产生热膨胀的部位。

➢凝气透平机的蒸汽出口管道。

➢某些情况下，由于泵出口止回阀的泄漏，则在泵的入口管道上设置安全阀。

3.3.5爆破片的设置
下列7种情况优先选用爆破片：（P-630）
➢压力有可能迅速上升的。

➢泄放介质含有颗粒、易沉淀、易结晶、易聚合和介质粘度较大。

➢释放介质有强腐蚀性，使用安全阀时其价格很高。

➢工艺介质十分贵重或有剧毒，在工作过程中不允许有任何泄漏，应与安全阀串连使用。

➢工作压力很高或很低时，选用安全阀则其制造比较困难。

➢当使用温度较低而影响安全阀的工作特性。

➢需要较大的泄放面积。

3.3.6限流孔板的设置
降低流体压力，达到保安的目的，应用限流孔板的场合主要有列4种（见P-631）。

3.3.7阻火器的设置
阻火器主要有两种：放空阻火器、管道阻火器。

其设置原则见P-632～633。

3.4机泵的安装设计
3.4.1泵的净正吸入压头NPSH（泵的气蚀余量）
防止泵产生气蚀，引入泵的气蚀余量这一概念。

气蚀的危害：液体在泵内沸腾气化，产生噪声，损坏叶轮，影响泵的性能。

➢NPSHr和NPSHa
NPSHr：需要气蚀余量，由泵的结构性能所决定，可由制造商提供。

NPSHa：有效气蚀余量，由设备和管道布置所决定，由设计人员计算得出。

NPSHa必须>NPSHr，一般NPSHa≥1.3NPSHr
➢泵和设备安装高度
沸点液体进泵最容易产生气蚀现象，在化工过程中常见的有蒸馏塔塔釜→泵
一般塔釜布置在离地面约3～5m的范围内。

泵与设备布置时需考虑：
系统水力学要求。

管道配置合理、方便操作。

➢泵安装高度的确定原则和方法
原则：NPSHa＞NPSHr
方法：见式8.5.2-1（P-640）
关键：在液体物料进入泵口的温度下，其操作压力是否大于液体饱和蒸汽压。

➢设备与设备安装高度，为防止液体气化需从下列几个方面进行分析：借重力流动的管道系统。

设有泵的压力管道系统。

热虹吸管道系统。

负压管道系统。

3.5设备、管道的布置原则
➢设备布置和管道布置主要由装置布置专业和管道设计专业人员完成，但对于工艺系统专业也应了解设备和管道布置，特别是布置的原则。

➢设备布置、管道布置的位差要求，液封要求，坡向要求、无液袋和气袋的要求，这是工艺系统专业范围内的工作。

设备、管道的布置需考虑的因素有：
A.工艺要求；
B.设备间距；
C.露天布置、棚、室内布置；
D.安装检修；
E.建筑要求；
F.设备与管线配合的要求；
G.安全防腐；
H.配管要求（共22条）；
I.管道隔热；
J.管道涂漆；
K.疏水器；
重点讲一下疏水器（这是过去工艺装置设计中经常出现有问题的环节）
1).疏水器设置原则共7条（见P-648）
2).选型要点共9条（见P-648～649）
3).选型注意事项共10条（见P-649～650）
4).排水量的确定（三步）：计算凝结水量
确定安全系数（通常取2—3）
排水量=凝结水量*安全系数
5).使用压力的确定——疏水器大小选择
确定最大使用压力Pmax
确定入口压力P
1
确定出口压力P
2
计算疏水器工作压差△P=P
1-P
2
计算背压度背压度=P
2/P
1
×100%
背压对排水量的影响：疏水器排水量是按出口为大气的工况而测得的，有背压时需校正（按制造厂商文件）。

公称直径选取，以排水量和压差为依据，对照疏水器排水量曲线选择之。

核对排水量Gmax×(1-f)≥Gr（见P-653）
Gmax：疏水器最大排水量
f：背压使疏水器排水量下降率%
Gr:需要排水量
6).疏水系统设计要求
根据上述方法选择了疏水器后，还必须考虑系统设计要求。

6.1).系统设计要求有：
➢疏水器不允许串联使用。

➢多台用汽设备不能共用一个疏水器。

➢对疏水器入口管的要求：
a入口管在用汽设备最低点。

b蒸汽管道疏水，应在管道底部设一集液包(比主管径小2级，最大＜DN250。

c凝结水→疏水器入口尽量短。

d对于静力型疏水器要留有1m长管段，不设绝热层。

e疏水器带过滤器。

f凝结水回收系统，疏水器前设置切断阀和排污阀，排污阀在最低点，不设旁路。

g用汽设备→疏水阀，坡度4%，少用弯头。

h若疏水器安装位置比凝结水出口位置高，则需设置返水接头，见图8.6.11-2（P-654）。

➢疏水器出口管的要求：
a出口管少弯曲，少向上立管，管径按气液混合流计算，放大1—2级取值。

b出口管允许抬升高度，取决于疏水器最低入口压力、背压、出口管道的压降、回收设备、界区要求压力。

c出口管向上抬升时，应该设止回阀，若选用有止回功能的疏水器就可以不设止回阀。

d疏水器后安装凝结水回收系统，则疏水器后要设切断阀，检查阀或视镜。

e若出口管伸入水槽液面下，则需设置破真空小孔。

见图8.6.11—4（P-655）。

f为防止水锤现象，集合管应坡向回收设备。

见图8.6.11—5（P-656）。

g为保证凝结水畅通，支管与集合管易上接45o斜交。

见图8.6.11—6（P-656）。

h若疏水器设有旁通阀，高低压凝结水集合管不能合并。

若疏水器没有旁通阀，高低压凝结水集合管可以合并。

见图8.6.11—7（P-656）。

以上几点看来是对配管专业的要求，但对系统设计也是十分重要的。

3.6管道数据表（管道命名表）
此表格格式各公司大致一样，稍有差别。

但起的作用完全一样。

它是PID 上所表示的全部管线信息，便于管线的查找和识别，便于管道设计、安装以及试车。

它是工艺系统设计中重要的文件。

要编制好管道数据表必须掌握了解相关的管道方面的知识。

3.6.1管道分类
➢根据ASME、ANSI标准，化工厂和炼油厂输送流体的分类分为4类：
1)D类流体
2)M类流体
3)高压流体
4)一般流体
分类规定见P-657。

➢我国压力管道分类、分级规定见表8.6.12-1(P-658)。

3.6.2管道压力等级
按管道压力和管径分级
1)公称压力
2)公称直径
3)管道设计压力和温度
➢管道设计压力是在相应设计温度下，用以确定管道壁厚及其它管件尺寸的压力值，它不应小于操作运行中遇到的压力（内压或外压）与温度相偶合时最严重条件下的压力值。

➢管道设计温度是指管道在正常操作运行当中，在相应设计压力下，管壁或元件金属可能达到的最高或最低温度。

即在温度和压力相偶合时管道材料可能达到的最高温度；对于0℃以下的管道，需要考虑环境和流体温度的影响，设计温度应取管道材料可能达到的最低温度。

➢钢管壁厚以“Sch”表示，Sch=P/[σ]t×1000
➢管道材料等级：通常由数字和英文字母组成，用以表示管道材质、压力、温度等级，由管道材料控制专业编制“管道材料控制规定”，指导工艺系统设计人员选择管道之用。

3.6.3管道命名表的内容：
➢管道说明：管道编号、规格、流体介质、管道材料等级、来自/至。

➢操作温度、压力
➢设计温度、压力
➢试验介质和压力
➢绝热（伴热）类型、厚度
➢涂漆
➢PID图号
3.7系统安全分析
系统安全设计是工艺系统专业重要的任务之一，工艺系统专业的责任就是要对系统的安全性和可操作性负责，可操作性经常与安全性联系在一起，工艺系统设计人员必须时时刻刻将系统的安全放在重要位置。

3.7.1系统安全分析和评价的步骤
系统安全分析和评价步骤一般分为五个步骤：
➢辨识/发现新的危险性。

➢进一步找出危险性导致事故的概率及事故后果的严重程度。

前两步为定性分析，若需要定量分析可继续。

➢确定可接受的概率指标。

一般取已有的数据为依据。

➢将计算的危险率与可接受的指标比较，确定系统的危险性水平。

➢对危险性高的系统找出主要危险性并进一步分析，寻求降低危险性的途径，将其控制在可接受的指标之内。

3.7.2系统安全分析法
➢经验系统化法
通过以往发生的各种事故，总结出系统化经验，用此经验对评价的对象进行检查，即进行危险性的识别，并解决之。

1)列表法见P-662
2)预计危险分析法Preliminary Hazards Analysis
3)蒙德(Mond)法（又称DOW/ICI，Mond法），此法不仅考虑了火灾、爆炸危险外，还增加了毒性指数。

➢系统解剖分析法
对于新开发的工艺没有足够的经验可吸取，则采用系统解剖分析法。

1)故障类型和影响分析(Failure Modes and Effects Analysis)
2)危险及可操性作研究(HAZOP)。

(Hazards Operability Study)
其主要分析步骤为：（P-665）
2.1)充分了解分析对象，准备有关资料。

2.2)将分析对象划分为若干单元，在连续过程中单元以管道为主，在间歇过程中单元以设备为主。

2.3)按关键词逐一分析每一个单元内工艺条件等可能产生的偏差。

3)如果...怎么办(What...If)是杜邦公司类同于HAZOP法的系统解剖分析法。

➢逻辑推导法
1)事故树分析法。

2)故障树分析法。

故障树分析步骤可分为五步见P-667。

3)原因-结果分析法。

(Cause-Consequence Analysis)
➢人的失误分析法（P-667）
根据统计，由于人的失误造成的事故占事故总数的75%～90%。

如何避免人的失误成为十分重要的工作，有下列三方面来规范。

1)设计布置确保安全、自动防止故障的报警、安全阀等安全设备。

2)从人机工程原理来设计控制室和操作程序、尽量减少失误。

3)采用科学管理，提高人的素质，使人自动地防止失误。