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1、浅谈化工过程及装置的设计 康 川 江（ 浙江九洲药业股份有限公司 浙江台州 318000 ）1 前言九洲药业是大型专业生产医药中间体和化学原料药的综合型医药生产企业，属于精细化工中的医药化工的范畴。医药化工企业的建设过程也是化工项目的建设过程。 化工项目的建设过程就是将化学工业范畴内的某一设想，转化成一个序列化的，能够达到预期目的，可安全稳定生产的工业化生产装置。2 化工建设项目的基本建设程序化工建设项目从设想到建成投产，这一阶段称为基本建设阶段。这个阶段又可大致分为以下四个阶段：第一阶段是项目建设前期，又称为项目的可行性研究阶段。主要是对工程项目进行技术经济分析，包括政治、经济、技术、资源、
2、环境、水文、地质、气象、市场的全面影响，做出综合评价，论证其可行性，以选择最佳方案，确保项目建设顺利进行和取得最佳经济效益。这项工作在国外分为机会研究、初步可行性研究、可行性研究、评价和决策等阶段。国内的作法稍有不同，目前主要分为项目建议书、可行性研究、评估和决策、编制计划任务书等阶段。化工项目(特别是大型化工项目)的建设，技术上要求很高，工程的综合性极强，从资源开发、厂址选择、工艺选择、专业协作、设备配套到产品的销售都涉及到大量的技术经济问题。因此，在项目开工之前，全面地、深入地做好技术经济分析工作，从而选择可靠的最佳方案，是工程建设中的战略性步骤，是决定项目命运，保证项目建设顺利进行，提高
3、项目经济效果的根本性措施。第二阶段是工程设计阶段。这一阶段是在项目通过可行性论证，工程主管部门下达计划任务书后，由设计部门负责进行工程设计。第三阶段是项目施工期。主要是由施工部门负责进行项目的工程建设。第四阶段是项目的试车、考核及验收期。我国现行的基本建设程序见图1所示。为了比较，图1和图2还分别绘出了美国和前苏联采用的基本建设程序。目前无论国内、国外的基本建设程序，项目的研究开发过程与设计是互相脱节的。美国化工界根据1996年美国政府、相关产业和学术部门发表的“2020年技术设想”进行研究后，对工艺过程提出了几个方面的课题，其中的一项便是关于设计与研究的集成。大意是设计部门在项目的研究开发过
4、程中便介入其中，首先开发一个带有物料和能量平衡的流程，一个热力学软件包，研究容器的尺寸和制作一个简单的经济模型。其中虽有不少推测和估算，但可使试验计划能尽快地涉及此工艺的关键技术和经济问题。研究开发部门与设计者进行对话，寻求问题的答案，再通过专门的试验成果来更新工艺过程模型，同时又可提出进一步试验的课题。这样做可以节约研究与开发的费用2550%，而且节约大量的时间。这种设计与研究相结合的模式，也许会成为今后发展的方向，因为这种模式的优点是显而易见的。3 化工项目工程设计的过程在我国现行化工项目基本建设程序中，工程设计是程序中的核心环节，并贯穿于项目过程的始终。所以说化工生产装置技术水平的高低，
5、首先体现在其设计水平上，无论是原有装置的改造还是新装置的建设都是如此。因而，先进的设计思想以及科学的设计方法应该是工程设计人员必须掌握的基本技能。化工项目的工程设计是一项十分复杂的工作，涉及到多方面的问题，诸如政治、经济、技术、法规等等，是一项政策性很强的工作。同时又涉及到多专业、多学科的交叉，综合和相互协调，是一种集体性的劳动，强调过程的综合性和系统性，应用系统的观点和方法进行工程的整体设计。3.1 设计阶段的划分在工程设计阶段，一般按工程的重要性、技术的复杂性，并根据计划任务书的规定，可以分为三段设计、两段设计或一段设计。设计重要的大型企业以及使用比较新和比较复杂的技术时，为了保证设计质量
6、，可以按初步设计、扩大初步设计、施工图设计三个阶段进行。技术上比较成熟的中小型工厂，按扩大初步设计和施工图设计两个阶段进行。技术上比较简单，规模小的工厂或个别车间的设计，可直接进行施工图设计，即一段设计。总之，设计阶段的划分，需按上级的要求，工程的具体情况和工程规模的大小等条件来决定。3.2 三阶段设计的成品3.2.1 初步设计成品初步设计在批准的可行性研究报告的基础上进行。它应根据计划任务书作出在技术上可能、经济上合理的最符合要求的主要设计方案，供工程主管部门进行项目审查。初步设计阶段应编写初步设计说明书，作为此设计阶段的设计成品。3.2.2 扩大初步设计成品扩大初步设计一般是根据已批准的初
7、步设计，解决初步设计中的主要技术问题，使之进一步明确具体化，为施工图设计提供设计依据。在扩大初步设计阶段编写扩大初步设计说明书、工程概算书、表格汇编及图纸。根据化工工厂初步设计文件内容深度规定（HG/T206882000）的要求，工艺部分图纸一般包括：物料流程图、工艺流程图、设备布置图；化工设备部分图纸为非定型关键设备总图；其它专业的设计也都必须有必要的图样、说明书、表格汇编等。3.2.3 施工图设计成品施工图设计又称详细设计，是根据已批准的扩大初步设计进行的。它是工程设计的最终成品，是进行工程施工的根据，为项目设施提供订货、施工、验收、生产、维修、管理、考核的条件。在施工图设计阶段的设计成品
8、是详细的施工图纸、文字说明书、表格以及工程预算书。施工图设计中的化工工艺设计依照化工工艺设计施工图内容和深度统一规定（HG/T2051992）的要求执行。4 化工工艺设计的原则4.1 化工厂设计原则为了使整个化工厂建设得经济合理、节省投资，除了首先作好先进的化工工艺设计外，化工系统总结出多年来的设计经验，提出了在化工厂工程设计中的“四化”原则，可供参考。工厂布置一体化：意即各生产厂房及辅助厂房尽可能布置在一起，以节省占地。生产装置露天化：意即化工设备尽量布置在露天。既可改善工作条件，防止有害气体积累，又节省投资。公用工程社会化：意即水、电、汽供应，铁路进线，机修等尽量利用社会条件，协作进行。引
9、进技术国产化：意即在必须引进国外先进技术时，尽量利用国内的人力及物力资源。不仅为了降低投资，更是为了锻炼国内的技术力量。如由国内工程公司总承包或尽量选用国产设备等。4.2 单元过程及设备设计的基本原则任何化工过程和装置都是由不同的单元过程和设备以一定的序列组合而成的整体。因而，各单元过程及设备设计是整个化工过程和装置设计的核心和基础，并贯穿于设计过程的始终。工程设计是一项政策性很强的工作。因而，要求工程设计人员必须严格地遵守国家的有关方针、政策和法律规定，以及有关的行业规划，特别是国家的工业经济法规、环境保护法规和安全法则。此外，由于设计本身是一个多目标优化的问题，对于同一个问题，常会有多种解
10、决方案，设计者常常要在相互矛盾的因素中进行判断和选择，做出科学合理的决策。为此应遵守如下一些基本原则。4.2.1 技术的先进性和可靠性工程设计工作，既是一种创造性劳动，也是一种特别需要严谨科学工作态度的工作。既然是一种创造性的劳动，就需要设计人员具有较强的创新意识和创新精神，具有丰富的技术知识和实践经验，掌握先进的设计工具和手段。在设计中，尽量采用当前的先进技术，提高生产装置的技术水平，使其具有较强的竞争能力。但另一方面，应该实事求是，结合实际，对所采用的新技术，要进行充分的论证，以保证设计的可靠性、科学性。4.2.2 过程的经济性一般情况下，设计生产装置总是以较少的投资获取最大的经济利润为目
11、标，要求其经济技术指标具有竞争性。因此在各种方案的分析对比过程中，其经济技术指标评价往往是最重要的决策因素之一。4.2.3 过程的安全性化工生产的一个基本特点，就是在生产过程中，常会使用或产生大量的易燃、易爆或有毒物质。因此，在设计过程中要充分考虑到各生产环节可能出现的各种危险，并选择能够采取有效措施以防止发生危险的设计方案，以确保人员的健康和人身安全。4.2.4 清洁生产一般说来，作为化工生产过程，不可避免地要产生废弃物，这些废弃物品，有些可能对环境造成严重的污染。国家对各种污染物都制定了严格的排放标准，如果产生的污染物超过了规定的排放标准，则必须对其进行处理使其达标，方可排放。这样，必然增
12、加工程的投资和装置生产的操作费用。因而，作为工程的设计者，应该建立清洁生产的概念，要尽量采用能够利用废弃物，减少废弃物排放，甚至能达到废弃物“需排放”的方案。4.2.5 过程的可操作性和可控制性 能够进行稳定可靠地操作，从而满足正常的生产需要是对化工装置的基本要求，此外，还应能够适应生产负荷以及操作参数在一室范围内的波动，所以系统的可操作性和可控制性是化工装置设计中，应该考虑的重要问题。5 化工工艺设计的内容和文件的编制5.1 化工工艺设计的内容一个化工厂的设计虽然包括很多方面的内容，但它的核心内容是化工工艺设计，工艺设计决定了整个设计的概貌。化工工艺设计包括下面的一些内容：(1) 工艺方案设
13、计，即原料路线和技术路线、生产方法的选择。(2) 工艺流程设计。(3) 化工过程的模拟计算，即物料衡算和能量计算。(4) 工艺设备的设计与选型。(5) 车间布置设计。(6) 化工管路设计。(7) 非工艺设计项目的考虑，即由工艺人员提出非工艺设计项目的设计条件。(8) 编制设计文件：包括编制设计说明书、附图和附表。上述内容是工艺设计各项内容的汇总，实际上在设计的不同阶段，进行的内容并不一定相同，即使同一项内容，其深度也不相同。5.2 工程设计文件的编制初步设计和施工图设计阶段的设计工作者都要用工程语言将设计结果编制成工程技术文件，将设计人员对工程设计的全部构思以图纸、表格及必要的文字说明的形式表
14、达出来，这些图纸、表格和说明书的形成过程就是工程技术文件的编制过程。化工图样(包括图纸、表格及说明书)可分为两种类型，化工工艺图与化工过程装备图。前者由化工工艺人员根据设计任务，拟定出工艺方案，然后绘制完成。后者则由设备专业人员根据工艺人员提供的设计条件设计完成。化工工艺图是反映工艺内容为主的图纸，其内容包括：图纸目录、设计说明(包括工艺、管道、隔热、隔声、防腐设计说明)、首页图、管道及仪表流程图(包括方块流程图、物料流程图、带控制点工艺流程图和辅助物料系统图)、分区索引图、设备布置图、设备一览表、设备安装图、设备地脚螺栓表、管道布置图、软管站布置图、管道轴测图、管道轴测图索引和管段表索引、管段表及管道特性表、特殊管架图、管架图索引、管架表、弹簧汇总表、特殊阀门和管道附件表、隔热材料表、防腐材料表、伴热管图和伴热管表、综合材料表、设备管口方位图等。化工工艺图中最主要的图样是管道及仪表流程图、设备布置图、管道布置图。化工过程装备图纸有化工设备总图、装配图、部件图、零件图、管口方位图、表格图及预焊接件图。作为施工图设计文件的还有工程图、通用图和标准图。
