工艺设计及PFD设计

工艺设计及P F D设计文档编制序号：[KK8UY-LL9IO69-TTO6M3-MTOL89-FTT688]

工艺设计及PFD设计

在化工装置设计中，除了工艺系统设计以外，还有管道、设备、机械、建构筑物、公用工程、电气、仪表、安全卫生、消防、分析化验、环境保护等领域的设计工作，还要从全局考虑总平面布置、原料和产品的输送及设计方案的技术经济性，这些都需要在化工工艺系统设计中充分考虑，所以说化工工艺系统设计是一门综合的技术。在各个设计阶段中，作为设计主体的化工工程师，必须与其他各专业密切沟通，相互配合，才能完成整个设计任务。这就要求化工工程师不仅精通、熟悉有关的标准规范和设计技能，并能在工程设计项目中恰当地应用、执行它，同时还要具备较广泛的相关专业知识。

国内工程设计阶段一般分为初步设计阶段和施工图设计阶段，国际上通行的作法是分为工艺包设计阶段、基础设计阶段和详细设计阶段。

在化工工艺系统设计中，工艺流程设计的各个阶段的设计成果都是通过各种流程图和表格表达出来，按照设计阶段的不同，先后有方框流程图（block flowsheet）、工艺流程草（简）图（simplified flowsheet）、工艺物料流程图（Process Flow Diagram即PFD）和管道仪表流程图（Piping & Instrumentation Diagram 即P&I D）〈也有用“带控制点的工艺流程图(Process and Control Diagram 即PCD”代替P&ID)〉等种类。对于医药行业来说，根据其特有的生产洁净区级别要求，还有人员-物料分流图（Material and Personnel Flow Drawing）、工艺流程及环境区域划分示意图（Plant Schematic and Process Flow Diagram）等。

下面对工艺设计、工艺包设计内容及PFD的设计作简单介绍。

一、工艺设计

1、工艺专业设计和工艺包

从广义上讲工艺设计应包含工艺专业设计和工艺包设计两方面的内容。

工艺专业设计的主要任务是对一个化工产品的生产流程先进行基本的计算，在此基础上给有关专业提出条件，在有关专业的参与下以工艺专业为主，完成PFD(工艺物料流程图 Process Flow Diagram)的设计任务。这个生产流程可以是工艺专业的设计人员自己开发的，也可是其它专利商提供的技术。

工艺包一个专门的技术名词，它特指包含一个化工产品的生产技术的全部技术文件。这些文件通常应当包含以下的内容：生产该产品应该采用的化工生产单元、应该采用的化工设备、应该采用的自动控制方案、所采用的原料以及生产该产品的原料及公用物料的消耗量。

化工工艺设计工程师在进行工艺设计时，需要进行各种设计计算，如物料平衡和热量平衡的计算，这是化工工艺设计中最基本的计算之一，也是使用最频繁的计算。当生产流程基本确定后，只有完成上述计算，才能进行设备设计计算等其它方面的计算。物料平衡和热量平衡的基本计算原则是质量守恒和能量守恒定律。要使工艺包的设计具备先进水平、使产品具备市场竞争能力，在进行流程模拟时就要注意流程的可行性，要使每一股物流都有合理的去处，尽量做到物尽其用；另外要特别

注意热量的综合利用，要考虑把高温的溶剂和蒸汽冷凝液都尽量利用起来，这就需要应用“能量综合设计”的技术。

工艺包设计的依据是已批准的可行性研究报告、总体设计和设计基础资料，据此进行工艺包设计。

工艺包设计应完成的主要任务有：绘制PFD、完成工艺物料平衡计算、编制工艺设备数据表（主要是技术规格要求和负荷）、编制公用物料的设计原则和平衡图、确定环保的设计原则和排出物的基本原则、进行安全分析（Process Safety Review）（或称为风险评价－Risk Assessment）等。

在工艺设计的过程中，工艺专业要和不同专业互提条件。发出条件表的专业是主导专业，条件表是主导专业设计工作的初步成果，是接受条件专业的设计依据，是很重要的技术文件。

这一阶段中，主要工作是由工艺设计人员、其它专业的有关人员和项目管理人员参加并完成的，工艺过程的重大原则和设计方案应该组织有关人员评审后才能确定（寰球公司规定要经过室审和院审），此阶段是整个设计工作全面展开的基础。

2、设计基础

每个设计项目在签订设计合同时，都要在设计合同的技术附件中，用详细的清单列出设计单位要求业主提供的设计基础数据的内容，即项目设计数据。项目设计数据是顺利开展设计工作最基本的依据，缺少项目设计数据，设计工作就变成无米之炊，是无法开展的。工程项目只能在此基础上进行设计和建设。

业主根据合同的要求，应按时提出设计单位所需的全部项目设计数据，项目设计数据必须由业主单位的建设项目负责人签名认可，才能正式作为设计基础数据提供给设计人员使用。

工艺和工艺系统专业是从项目经理那里拿到业主认可的项目设计数据，依据这些数据开始设计准备工作。项目设计数据如果有变更，要依据业主的正式通知，由项目经理向有关设计人员发布修改后的项目设计数据，有了设计变更通知设计人员才能修改有关的设计文件。必须重视项目设计数据的变更，它可能会直接影响到工艺流程的改变甚至影响整个项目的合同规定，所以对此应当十分慎重。

工艺及工艺系统专业至少应当得到下列数据，才有条件开展设计工作。

（1）所采用的工艺技术路线及其依据，装置的年设计生产能力，年操作小时数及装置操作弹性、操作制度、设计工况。

（2）原材料、辅助原料、催化剂、化学品的规格要求及界区条件。

（3）产品、中间产品及副产品的规格（产品牌号、规格、性能等）要求。

（4）产品方案及产品性能。

（5）公用物料的各项规格要求及界区条件（温度、压力、水质分析等）。

（6）提出原材料、辅助原材料、催化剂、化学品、工艺过程中公用物料的消耗定额及副产品产出定额（预期值）。

（7）提出工艺过程排出物（气体、液体、固体等）排放源、排放数量及其组成。

（8）现场数据，气象数据，供电及电信系统等的数据。

（9）设计规范和标准。

3、工艺包设计内容

工艺包设计文件一般应包括以下内容。

设计范围。说明工艺包包括的范围及生产规模。

设计基础。工艺对原材料、催化剂、化学品及公用工程的规格要

求，成品规格，生产能力（收率、转化率），消耗定额，三废排

放量及规格，生产定员，工程保证指标和需要说明的安全生产要

求。

工艺流程说明。按工艺流程的程序，详细的说明生产过程，包括

有关的化学反应及机理，操作条件，主要设备特点，控制方案以

及工程设计所必须的工艺物料的物化性质数据。

物料平衡及热量平衡计算结果。全流程典型的物料平衡，应考虑

到负荷的波动及各主要工况，作为工程设计的重要依据。

PFD。表示工艺生产所有主要设备（包括位号、名称），特殊阀件

设置，物流数据（流量、组成、温度、压力等特性）以及控制、

联锁方案。

工艺设备表（设备一览表）。应填写设备位号、设备名称、介质

名称、操作压力、操作温度、材质等。

主要设备工艺数据表（工艺规格书），包括主要机械设备数据

表。主要设备数据表应列出所有工艺规格要求及有关数据、设备

的材质要求、传动机械要求及必要的设备条件图。

P&I D 0版。表示管道尺寸、材料等级、伴热、阀门、绝热（保

温/保冷）等级、安全阀系统、管道编号、仪表及控制回路等。

仪表数据表、控制原理图、报警联锁表。

管道规格书（或者管道材料图）。包括介质、工艺条件、设计条

件、管道尺寸、管道材料、保温等。

初步布置图。表示主要设备布置和占地面积。

特殊管道材料等级规定。

生产操作和安全规格的要求。

分析化验的要求。

特殊的检修要求。

界区备件表。

操作手册（操作指南）。

二、工艺物料流程图（PFD）的设计

PFD的设计是化工厂装置设计过程的一个重要阶段，在PFD的设计过程中，要完成生产流程的设计、操作参数和主要控制方案的确定，以及设备尺寸的计算，是从工艺方案过渡到化工工艺流程设计的重要工序之一。

PFD是项目设计的指导性文件之一，在工艺设计阶段完成。发布之后有关专业必须按PFD图进行工作，并只能由工艺专业解释和修改。

1、PFD的设计内容

PFD的主要内容应包括：全部工艺设备及位号，主要设备的名称、操作温度、操作压力；物流走向及物流号（流股号），同时，应有与流股号对应的包括物流组成、温度、压力、状态、流量及物性等主要物流计算结果的物料平衡表，可表示在PFD上，或单独出版，根据不同的设计工况应分别列出或出版；主要控制方案的仪表、功能及其信号走向；标出泵的流量和进出口压力、塔的实际板数及规格、换热器的热负荷等。PFD必须反映出全部工艺物料和产品所经过的设备、主要物料的管道、并表示出进出界区的流向。对于公用工程，如水、冷冻盐水、氮气、工艺用压缩空气、蒸汽及冷凝液系统仅表示工艺设备使用点的进出位置。

一般每个工程（或公司）都要发布用于PFD设计的图例、符号（规定）图（LEAD SHEET），对PFD设计中的设备画法、设备编号、仪表符号、标注符号、管道符号、物料代号以及缩写词等作统一规定（也有在PFD图上简单表示）。

下面分别简述设备、工艺物流和主要控制方案的具体设计内容和画法。

（1）设备

在PFD中，设备用细实线简单绘出，如有多台相同设备并联时，可以只画出一台，但要标明位号A/B，而对于需要再生的设备，需全部绘出。主要设备尽可能按适当比例画出相对位置、大小，而设备的基础、裙座和管接头不表示。一般在设备附近标注设备位号，并在图纸上方或下方空白处按设备重叠情况由上到下分层标注设备位号、设备名称及规格。

一般情况下，静设备在图纸上部、动设备在图纸下部表示。也有另外一种表示方式：对于容器类、压缩机类设备在图上方标示设备名称、位号及规格，并在图中设备附近标示设备位号，而泵类、换热器类设备旁边一般只标位号及规格。

标准设备的主要规格和参数通常为：泵应注明正常流量和吸入、排出压力；容器应注明直径和切线长度（或高度）；塔器应注明塔径和切线高度，在塔内注明实际板数或填料段数；换热器要注明换热器的正常负荷。

设备外形表示方法如下;

离心泵用圆圈加底座组合表示，进料指向圆心。

往复泵以┤形与一端不封闭的长方块表示。

换热设备用圆圈或设备外形表示。

压缩机要表示出其型式，并表示出压缩机的段数和主要的配套辅

助设备。如型式尚未确定，可用方块表示。

反应器要画出主要元件，如筛板、催化剂框等。

分离器也要表示出内件。槽、罐类设备要画出隔板、液封。

喷射器、其它特殊设备，如造粒塔、电解槽、电石炉、空气磨等

尽可能画出实物大致外形。

（2）工艺物流

在PFD中，工艺物流用粗实线绘出，并用箭头标示物流的去向。再生系统的物流用细实线标出。主要物流应标注流股号（除PFD外，应有单独的物料平衡表），并在物料平衡表中列出PFD上对应物流的组成、温

度、压力、流量状态和相关物性。在一张图中，与其它图相关的物流应标明物流来源和去向。在PFD中，关键物流应标明温度和压力（也可表示在塔和容器上），进塔装置的关键物流也可标明流量。PFD中对物流的标注至少应包括下列内容。

标识流程图上的各点物料的编号（流股号）。

除有压力变化的地方要画上阀门（以表示压力等级的区别）以及

特殊重要的阀门外，其它情况的阀门一律不在图上画出。

要表示正常生产条件下的放空和排液管道。

对于作为热源或冷却介质的蒸汽、冷却水、凝液只标进出流向。

具有液封作用的管线，除表示出液封外形外，还要注明液封高

度。当排放口的高度有要求时，要注明排放高度。

工艺用蒸汽、凝液、冷却水、冷冻盐水、工厂空气管线以及氮封

管线，一律不画进出总管。

流股号在菱形框内按顺序用阿拉伯数字编写。一般用三位数字表示，第一位表示单元或工段，后两位表示序号。

设备间的物料流向用带箭头的实线表示。

进出装置界区的物料流向以圆圈中的箭头表示；图纸之间用长方框（或带箭头的长方形）表示物料的来源或去向。

冷却水、蒸汽、凝液、工厂空气等在无特殊要求情况下不标明来源和去向。

（3）主要控制方案

在PFD中，应标示出全部的控制回路及其相关仪表和调节阀。例如塔器的压力控制回路、灵敏板温度控制回路、回流控制以及塔釜液位控制回路，罐的液位控制回路，主要换热器的液位控制回路或温度控制回路等。仪表仅表示出仪表类型，如温度仪表、压力仪表等。调节阀应在对应的物流线上标明，但不用标注调节阀尺寸。在复杂控制回路中，应用箭头标示信号去向。对于由组分控制的回路，应标明需要检测的主要组分。

2、单元设备的典型设计

化工生产过程中需要使用各种单元设备，每种单元设备对工艺流程图的设计均有一定的要求。作为一个工艺流程图的设计者，只要掌握各种单元设备的典型设计，再结合工艺流程和工程项目的特殊要求，配以设计者的工程经验，就可进行工艺流程图中单元设备的设计。

参见例图。

（1）泵

在PFD中，泵一般绘在图的下部。同时绘出与泵相连的工艺物流即可。在泵的附近，尽量在泵的正下方，标明泵的位号、吸入压力、排出压力和正常操作时的流量。

（2）容器

容器分卧式容器和立式容器两种。容器需根据容器在流程中的相对位置在图面上布置。在PFD中，应绘出与容器相关的主要工艺物流及与主要控制回路相关的辅助物流。容器的名称、规格和位号在PFD中容器正上方靠近顶部标出，同时在容器的附近也标出容器位号。容器内的主要

部件（如除沫器）应在PFD中绘出。容器的操作操作压力应在图中标出。

（3）塔

在PFD中，塔一般在图的中部绘制。同时，应绘出与塔相关的主要工艺物流及与主要控制回路相关的辅助物流。塔的名称、规格和位号在PFD 中塔正上方靠近顶部标出，同时在塔的附近也标出塔位号。塔内的主要部件应在PFD中绘出，如塔的实际板数或填料段数、进料板号与侧线采出板号。同时应绘出与塔相关的主要控制回路及控制点的相对位置，如塔的压力控制回路、灵敏板温度回路、回流控制回路和塔釜液位控制回路等，还要标出塔的操作温度、操作压力。塔的周边设备应根据流程中的相对位置在工艺流程图中绘出。

（4）换热器

常见的换热器有管壳式和釜式两种。在PFD中，换热器需要根据其在流程中的相对位置在图面上布置。对于管壳式换热器应标明工艺物流所流经的是壳侧还是管侧，对于釜式换热器也要标明工艺物流所流经的那一侧。非工艺物流仅在图中表示，并注明介质名称即可。要表示出主要的控制回路，在换热器的附近标明位号。

（5）压缩机

在工艺流程图中，压缩机一般绘在图的下部（也有在上部的）。并绘出与压缩机相连的工艺物流以及主要的控制回路。在压缩机的附近，尽量在压缩机的正下方，标明压缩机的位号、吸入压力、排出压力和正常操作时的流量。

3、PFD的图面布置和制图要求

各个设计单位在绘制PFD时所用图纸的规格不同，一般采用1＃

（A1）图纸，以便图面布置，但应尽量保证在其缩印成3＃（A3）图后仍旧清晰，便于工作。

（1）PFD的图面布置

设备在图面上的布置，一般是顺流程从左到右。

塔、反应器、换热器等放在地面上的设备，一般是从图面水平中

线往上布置。

压缩机、泵布置在图面下部1/4线以下。

中线以下1/4高度供画管道用。

其它设备布置在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。

对于无高度要求的设备，在图面上的位置要符合流程流向，以便

与物流线连接。

（2）绘图要求

图纸编号和图纸名称按有关规定。

仪表和设备的表示方法要根据工程的Lead Sheet或有关规定。

要改造的设备用蘑菇云圈住。

设备内件用细实线表示。

工艺物流出入图面要绘一矩形框或带箭头的矩形，内用文字表明

相接设备与图号。

设备位号按Lead Sheet或有关规定。

物流流向箭头一般画在物流线改变方向处。

在与PFD相应的物料平衡表中，可按操作工况从每股物流的流股号上，对应地找到物料平衡表中的流股号从而知道该物股的温度、压力、各组分的含量等数据的内容，要能满足工艺专业提条件的需要，需要什么数据、物料平衡表就应该能输出什么数据。

4、物料和热量衡算与PFD

在工艺设计阶段，工艺专业工程师要进行全流程物料平衡及热量平衡计算，应进行必要的方案比较，选择并考虑适当的操作弹性。

化工生产过程中，经常需要加热或冷却许多流股，最简单的方法是按各流股的质量流速、热负荷、进出口温度分别引入蒸汽加热或冷却水（冷冻液）冷却，它们的消耗构成了公用工程费用，在生产成本中占有相当大的份额。用这个方法设计热量平衡，方法简单、设备投资较少。但用有效能分析得知，这样的流程热力学效率很低，能耗不合理。为了降低成本、节约能源应当用热交换器网络的合成技术，详细的对每股热（冷）物流进行分析，尽量使系统内的加热和冷却物流相互配合使用，尽量减少从外界引进热剂或冷剂，以达到减少能耗、降低成本的目的。当然这样做会增加投资费用，还需要综合比较，不过一般来讲增加一次性建设投资，而获得长时期的低生产成本，从长远看是合算的。

用流程模拟模型、热力学性质计算程序和热力学性质数据库软件进行计算机模拟计算，就可以完成精确的物料平衡和热量平衡计算。

物料衡算就是根据质量守恒定律，来确定原料和产品间的定量关系，从而可以计算出原料和辅助材料的用量、各种中间产品、副产品、成品

的产量和规格以及三废的排放量。

物料衡算是进行化工工艺设计和设备设计的基础，在完成物料衡算的基础上才能进行能量衡算，从而进行工艺方案的比较和选择，指导定型设备和仪表的选型、非定型设备的工艺计算和管道尺寸计算，完成化工过程的PFD和PID的设计。另外，通过物料衡算还可以分析实际生产过程的完善程度，从而找出改造措施来改进工艺流程，达到提高成品率、减少副产品和减少三废排放量等目的。