化工设计概论1

化工设计主讲:陈安国《化工设计》课程简介一、课程性质与认识二、课程内容及知识点三、课程的教学目的专业必修课40学时,2.5学分一、课程性质与认识闭卷考试二、课程内容及主要知识点•第一章化工设计概述（设计概念、内容与程序;工艺设计文件的内容与格式）•第二章工艺流程设计（流程设计的任务、步骤与方法；PFD图及PID图的设计与绘制）•第三章物料衡算与能量衡算（化工流程的物料衡算与能量衡算方法）•第四章设备工艺设计及选型（设备选用原则;非定型设备设计的主要程序;设备图的设计与绘制）•第五章化工厂布置(厂址选择;总图及车间布置;设备布置图的设计与绘制)•第六章配管工程设计(管道设计基础;管道布置原则与要求;管道布置图的设计与绘制)•第七章非专业设计(公用工程的设计内容与规范;安全防火设计规范与原则;设计概算及技术经济评价)•第八章工艺设计实例(工艺设计内容、步骤及设计说明书的编制）三、课程的教学目的了解国内外有关化工工艺设计、化工厂设计的先进理念掌握化工工艺设计的内容、步骤及方法主要参考书[1]娄爱绢等编著．化工设计．上海：华东理工大学出版社，2002[2]黄璐．王保国编．化工设计．北京：化学工业出版社，2001[3]王红林．陈砺编．化工设计．广州：华南理工大学出版社，2001[4]倪进方主编．化工过程设计．北京：化学工业出版社，1999[5]于遵宏等编著．化工过程开发．上海：华东理工大学出版社，1996[6]刘道德等编著．化工厂的设计与改造．长沙：中南工业大学出版社，2005[7]上海医工设计院．化工工艺设计手册．北京：化学工业出版社，1986[8]化学工程手册编辑委员会．化学工程手册．北京：化学工业出版社，1986[9]黄英主编.化工过程设计.西安:西安工业出版社,2005一、化工设计的概念与种类二、化工厂设计的内容与程序三、化工工艺设计的内容与步骤四、工艺包设计五、国家和行业设计政策与规范六、设计文件第一章化工设计概述一、化工设计的概念与种类（一）化工设计的概念（二）化工设计的种类（三）化工过程开发程序及设计类型（四）工程设计的概念及实施阶段化工过程设计（核心）化工工艺设计（核心）化工设计是泛称，在不同场合可分别指化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计，其内涵最广，但意义不明确。如化工厂设计包括：公用工程设计、外管设计…等非工艺部分设计•化工厂房建筑、结构设计•总图设计…….等化工过程设计是针对化工工艺设计的深入、配套与完善。（一）化工设计的概念化工过程设计的主要目标：确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优化投入产出比。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。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化工生产装备的概念•化工生产装备是由各种单元设备以系统的、合理的方式组合起来的工程整体。（二）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)（三）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法放大，或者其中有若干研究课题无法在小试中进行，一定要通过相当规模的装置才能取得数据或（和）经验者才需进行中试。中试设计内容基本上和工程设计相同，但由于规模小，若施工安装力量较强，可以不出管道、仪表、管架等安装图纸。2、化工过程开发中的设计类型（3）基础设计基础设计的内容应包括将建设的生产装置的一切技术要点，合格的工程设计人员应能根据基础设计完成一个能顺利投产，达到一定产量和质量指标的生产装置。有关基础设计的内容国家化工部已有规定。是一个完整的技术软件，是整个开发阶段的研究成果.2、化工过程开发中的设计工程设计是将基础设计转化为工业装置建设所需的施工图。（四）工程设计概念及实施阶段•三阶段设计（初步设计、扩大初步设计、施工图设计）•两阶段设计（扩大初步和施工图设计）•一阶段设计（施工图设计）工程设计的实施阶段（设计阶段）问题Ⅰ：在什么情况下采用三阶段设计、两阶段设计或一阶段设计？•重要的大型企业和使用较复杂的技术时,可按初步设计、扩大初步设计（扩初设计）及施工图设计三个阶段进行。•技术较成熟的大中型工厂或车间的设计,可按扩大初步设计和施工图设计两阶段设计。•技术上比较简单、规模较小的工厂或车间的设计，可直接进行施工图设计，即一个阶段的设计。问题Ⅱ：初步设计、扩大初步设计、施工图设计的主要任务和成品是什么？•初步设计主要是根据设计任务书,对设计对象进行全面的研究,寻求在技术上可能、经济上合理的最符合要求的设计方案。主要确定全厂性的设计原则、标准和方案,水、电、汽的供应方式和用量,关键设备的选型及产品成本、项目投资等重大技术经济问题。其成品是初步设计说明书（详见《化工厂初步设计文件内容深度规定》HG/T20688-2000）。•扩大初步设计是根据已批准的初步设计，解决初步设计中的主要技术问题，使之进一步明确并具体化。其设计成品是扩大初步设计说明书及工程概算书。•施工图设计是根据已批准的扩大初步设计，结合建厂地区条件，在满足安全、进度及控制投资等前提下开展施工图设计，其成品是详细的施工图纸和必要的文字说明及工程预算书（详见《化工工艺设计施工图设计文件内容和深度统一规定》HG/T20519-92）。•化工工艺设计•厂址的选择与总图运输设计•土建设计•公用工程（水、电、热、采暧通风）设计•自动控制设计•机修、电修等辅助车间设计•外管设计•工程概算与预算二、化工厂设计的内容和程序化工厂整套设计的内容•一般的工作程序是以基础设计为依据提出项目建议书，经上级主管部门认可后写出可行性研究报告，上级批准后，编写设计任务书，进行扩大初步设计，后者经上级主管部门认可后进行施工图设计。化工厂整套设计的程序设计程序的具体步骤:（9）进行扩大初步设计；•设计前期工作,主要包括项目建议书、可行性研究、设计任务书。•设计阶段工作,包括初步设计、扩初设计、施工图设计。•设