化工设计第一章

化工设计（化工过程设计）教案程振锋Tel：15172604615一、课程基本情况：2、本课程的主要内容主要内容①、化工厂设计及化工工艺设计；②、化工技术经济分析与评价；③、计算机辅助化工设计。1、“化工设计”课程在化学工程与工艺专业大学本科教学中的地位“大三”下半年或“大四”才能开设，已经偏向于“专业课”，要求大家学完“化工原理”、“反应工程”、“化工热力学”“化工设备基础”等一系列专业基础课后，才能开始学习本课程。综合利用同学们以前学完的大量专业基础课知识，在化工工艺设计乃至化工厂设计的过程中综合运用。“化工设计”课程学得好不好，比其它课程更能体现一个化学工程与工艺本科学生综合素质的高低。3、本课程的特点①、综合性（多专业基础课知识的综合与集成）；②、实践性（面向实际化工工艺设计、化工厂设计的工程运用）；4、“化工设计”课程教学的目的①、了解国内外有关化工工艺设计、化工厂设计的先进理念；②、掌握化工工艺设计的内容、步骤及方法。5、为什么要学习《化工(过程)设计》⑴从一个新产品或新工艺的试验研究开始到进行工厂建设为止，都需要进行设计。⑵帮助我们从高等学校走向社会时能适应新的工作岗位的需要，迅速实现从大学生向工程师的转化。⑶帮助我们学会综合运用各种已学过的知识系统地分析问题和解决问题。6、学什么学设计的基本原理、基本程序和方法。其主要内容有：⑴当代先进水平的化工装置设计有哪些内容？如何完成之？⑵如何设计工艺流程、选择工艺参数和设备？⑶如何进行厂房、车间和管道布置？⑷如何编制设计文件？二、本课程学习的教材及参考书1、《化工过程设计》，王静康主编，北京，化学工业出版社，2006年。2、《化工技术经济》，苏健民主编，北京，化学工业出版社，2002年。3、《化工系统分析与模拟》，彭秉璞主编，北京，化学工业出版社，2001年。4、《化学工程手册》，时钧、汪家鼎、余国琮、陈敏恒主编，北京，化学工业出版社，2002年。5、《化工设计手册》，上海医药工业设计研究院主编，北京，化学工业出版社，2003年。6、ProcessDesignPrinciples(Synthesis,AnalysisandEvaluation)7、Analysis,SynthesisandDesignofChemicalEngineering8、IntroductiontotheMaterialandHeatBalanceinChemicalEngineering除此之外，国内还有10余个版本的“化工设计”教材，它们的侧重面不尽相同，有兴趣的同学，可以看看这些教材作为参考。第一章化工过程设计一、化学工业的发展历史、化学工业覆盖的范围及其在现代经济体系中的地位1、化学工业的发展历史化学工业历经了古代、近代、现代三个主要发展阶段。化学工业发展阶段①、古代化学工业：从数千年前人类阳光晒盐、地下卤水煮盐开始，萌发了古老的化学工业。②、近代化学工业：从18世纪中叶，欧洲造纸、玻璃、肥皂的大规模生产开始，表明近代化学工业的形成。③、现代化学工业：上世纪40年代开始，随着合成橡胶、石油炼制、合成纤维工业的迅速发展，随着化工单元操作理论的日益成熟，在科学技术和生产规模二个层面上，揭示现代化学工业开始形成。2、化学工业属于过程工业型制造业（流程型制造业）现代制造业离散型制造业（例如汽车工业等）过程工业型制造业（又称“流程型制造业”）（例如化学工业、冶金行业等）流程型制造业一般是能耗大户，也是排放的大户。其节能、降耗、减排的任务十分艰巨。例如：一个年产值不过仅10亿元人民币的合成原料药制造企业，它每天的耗水量可高达5000立方米。3、现代化学工业覆盖的范围我国化学工业的分类与美国、欧盟关于化学工业的范畴有一些区别，但逐步在接轨，按美国、欧盟的化学工业年鉴，现代化学工业覆盖以下范围：现代化学工业石油化工（包括其衍生的有机化工）煤化工（包括其衍生的有机化工）无机化工精细化工及中间体化肥工业农药工业医药工业轻工（造纸、玻璃、塑料、合成橡胶等）染料、油墨、化妆品、清洁剂生物化工4、化学工业在现代经济体系中的地位化学工业是所有高新技术产业的支撑工业，如能源、电子、信息、生物、材料等领域，都离不开化学工业提供的物质支撑。化学工业绝不是所谓的“夕阳工业”、“夕阳产业”，它现在仍然正在平稳高速的发展，将来必将持续快速发展。1990年～1999年，美国、欧盟化学工业的发展速度是其全部工业平均增长速度的2.69倍。美国化学工业的规模一直雄居世界化学工业总量的30％左右，是美国为数不多在国际贸易体系内具有贸易顺差的制造业之一。在世界500强企业中，以化工为主或涉足化工领域的企业为数不少。二、化工过程设计的基本内容1、化工设计、化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计四个名词之间的联系与区别化工设计是泛称，在不同场合可分别指称化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计，其内涵最广，但意义不明确。化工厂设计化工过程设计（核心）化工厂房建筑、结构设计总图设计，….等非工艺部分设计化工工艺设计（核心）公用工程设计、外管设计，…等化工过程设计是针对化工工艺设计的深入、配套与完善。2、化工过程设计的目标及内容美国国家顾问团在其“化学工程的新领域”著作中，简明阐述了化工过程设计的主要目标：确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优投入产出比。在定量计算的基础上，结合专家的经验，考虑安全、健康、环保的因素，确定出一个综合的设计方案。化工过程设计的内容：其基本核心内容是化工工艺设计，其附带内容是针对化工工艺设计，对它的配套部分如公用工程、外管设计等进行深入设计和完善。3、化工过程设计的深化改革化工过程设计发展方向复杂大型化工厂的设计自主创新设计与国际工程设计的接轨我国化工设计院，原来的专业部门进行了相应的改革调整。原来的工艺专业部工艺专业部（大部分为化学工程与工艺专业人员）工艺系统专业部（少量化学工程与工艺专业人员，大量其它辅助专业）工艺专业部：侧重化工工艺设计工艺系统专业部：侧重化工过程设计中除了化工工艺设计以外与工艺有关的内容工艺专业部：侧重出PID图、PFD图工艺系统专业部：侧重出UID图、UFD图PID（ProcessInstrumentDiagram）带控制点的工艺仪表管道流程图PFD（ProcessFlowsheetDiagram）过程物料流程图UID（UtilityInstrumentDiagram）公用工程仪表管道流程图UFD（UtilityFlowsheetDiagram）公用工程物料流程图其中，各种图纸随设计的深入，分成多个版本。PID图样PFD图样UFD图样工艺专业部与工艺系统专业部之间，在设计工作过程中有许多需要交流的条件、文件（“条件表”），有发出条件的主导专业，有接收“条件表”的接收专业。我国化工设计院的专业种类化学工程与工艺化工机械自动化及仪表总图概预算（工程经济）建筑、结构、暖通、给排水、强弱电热工、环境工程（环保）、工业炉因此，可以说：化工设计是化工工程基本建设中的一环,是将化学工程、化工工艺和开发性实验的研究成果，用工程语言（图纸等）表达出来，使之建设成为一个工业化的生产装备。其本质是把化学反应变成一个装置工程的设计。在屏幕上修改设计图•化工设计室3.1化工设计的种类根据项目性质分为两类型•新建项目设计•技改项目设计根据适用程度分为两种类型•通用设计（复用设计）•“因地制宜”设计•概念设计（ConceptualDesign)•中试设计(Pilot-plantDesign)•基础设计(FoundationDesign)根据开发程序分为两大类-四种类型•开发（过程中的）设计•工程设计(EngineeringDesign)3.2化工过程开发程序及设计类型1、化工过程开发的基本步骤2、化工过程开发中的设计类型1、化工过程开发的基本步骤实验性研究过程研究工程设计第一次可行性研究施工小试模型试验中试工程设计研究概念设计第二次可行性研究基础设计第三次可行性研究信息研究信息研究主要内容:①调研市场对开发产品的需求量,开发产品对国民经济其他部门的关系,市场前景,收益估算,社会效益及环境污染情况等②评估科研水平、社会条件及完成的可能性收集评价的资料:①各种已工业化的生产方法及新方法的专利文献资料，如生产过程、流程、主副反应、反应条件、反应产率、产品及副产品规格、主要设备类型、反应动力学及有关的相平衡数据；②主副产品、原料及中间品的物化和热力学数据。实验性研究内容:①工艺方法（原料和生产线路等）研究②工艺条件（如转化率、选择性、主副反应的特点、催化剂、反应条件、产品分离方式等)③物料平衡、能量平衡和生产成本估算④对原料、半成品和产品质量的研究⑤产品用途及产品应用质量的研究目的:对可能的若干方案进行初步筛选，以能明确地提出一个较理想的流程，同时获得必要的物性数据第一次可行性研究即在信息和实验研究的基础上对技术、经济、环境综合的可行性研究•技术的可行性研究是指原料线路和技术线路的可行性、可靠性和先进性原料线路的可行性和可靠性：①只要技术上可行，经济上合理，一般都采用粗原料或劣质原料；②必须有足够的、可靠的来源技术线路的可行性是指生产安全、操作简便、操作弹性大、生产环节少、不易出现故障等；技术线路的先进性是指各种技术指标如转化率、选择性、能耗、设备生产强度和劳动生产率的高低。第一次可行性研究即在信息和实验研究的基础上对技术、经济、环境综合的可行性研究经济的可行性研究，主要是指投资、人力、生产费用等支出同产品销售的收入作比较，估计可能获得的经济效益和投资回收情况。环境的可行性研究，就是评估“三废”治理程度及其对环境的影响1、化工过程开发的基本步骤小试:小型工业模拟试验的简称小试应完成以下任务:①验证开发方案的可行性和完整性，确定影响因素。明确过程原料线路，认识所涉及化学反应的特性和影响因素；确定工艺过程、单元操作和工艺条件，完成催化剂的筛选和表征；确定产品分离和精制方案，以及在此基础上完成物料衡算和能量衡算。②测定和收集需要的各种物理化学数据③建立产品分析方法和过程监测方法④对生产过程排放的“三废”提出治理的初步方案模型试验:对某些重要过程作放大的工业模拟试验主要内容:考察化工过程运行的最佳条件考察设备内传热、传质、物料流动与混合等工程因素对化工过程的影响观察设备放大后出现的放大效应寻找产生放大效应的原因，测定放大所需的数据或判据等冷模试验：只研究过程的物理规律，不研究化学反应。可采用物理性质与实际工业生产物料相近的惰性物试验。热模试验：用实际生产物料并实际操作条件进行的试验中试:介于小试和生产之间的试验主要任务:①验证小试条件，解决放大问题②考察可达到的生产指标③研究“三废”处理，生产安全性问题④示范操作，培训技术工人⑤提供产品大样，满足市场开发工作的需要⑥提出带控制点的工艺流程图、工艺参数等第二次可行性研究:方案论证内容同第一次可行性研究对技术、经济的分析比较准确可进一步估算工厂规模、投资费用、成本及经济核算等第三次可行性研究:有时称为初步设计或扩初设计的审定着重在工程投资和经济效益方面作出详细的评价2、化工过程开发中的设计类型（1）概念设计（2）中试设计（3）基础设计2、化工过程开发中的设计类型（1）概念设计为工程研究的一个环节，是在应用研究进行到一定阶段后，按未来的工业装置规模所进行的假想设计。其工作内容：①以投产两年后市场需求为依据,提出建立工业化规模生产的方案。包括原料和产品规格、工艺流程、流程叙述、物料和能量衡算、消耗定额、设备清单、生产控制、三废处理、人员组成、投资及成本估算等工作。②讨论实现工业化的可能性。对可进入中试的项目，提出中试方案。③提出对将来进行基础设计的意见。•概念设计的目的：①对开发项目进行初步的经济评价，以确定技术路线的先进性和可靠性；②开发项目需改正之处和小试需要补充的试验内容和课题；③有无必要建立中试装置，确定中试的规模、范围和必需通过中试解决的问题和取得的数据。2、化工过程开发中的设计类型（2）中试设计当某些开发项目不能采用数学模型