化工设计概论-天津大学

1、化化 工工 设设 计计 概概 论论教教 案案（PPT版）天津大学国家工业结晶天津大学国家工业结晶 工程技术研究中心：工程技术研究中心： 张美景张美景Tel：02227405754E-mail： 2012年年9月月 （第七版）（第七版）课程基本情况：课程基本情况：一、天津大学化工学院关于一、天津大学化工学院关于“化工设计（概论）化工设计（概论）”课程的开设情况课程的开设情况1、天津大学原化工系从天津大学原化工系从1989年开始，在全国范年开始，在全国范围内率先开设围内率先开设“化工设计化工设计”本科课程本科课程。 教材从自编教材教材从自编教材 化工设计化工设计，王，王静康主编，北京，化学工业出版

2、社，静康主编，北京，化学工业出版社，1995年年 化工过程设计化工过程设计，王静康主编，北京，化学，王静康主编，北京，化学工业出版社，工业出版社，2006年，年，2009年再版。年再版。 天津大学从天津大学从2008年开始实行年开始实行IChemE课程改课程改革，从革，从2009年下半年开始讲授年下半年开始讲授“化工设计概论化工设计概论”。2、 “化工设计概论化工设计概论”课程的主要内容课程的主要内容主要内容主要内容、化工厂设计及化工工艺设计、化工厂设计及化工工艺设计的概论的概论、化工过程的物料及热量衡算；、化工过程的物料及热量衡算；、化工技术经济分析与评价；、化工技术经济分析与评价；3、“化

3、工设计化工设计”课程在化学工程与工艺专业大学课程在化学工程与工艺专业大学本科教学中的地位本科教学中的地位 “大三大三”下半年或下半年或“大四大四”才能开设，已经偏才能开设，已经偏向于向于“专业课专业课”，要求大家学完，要求大家学完“化工原理化工原理”、“反应工程反应工程”、“化工热力学化工热力学”、“物理化学物理化学”、“化工设备基础化工设备基础”等一系列专业基础课后，才能等一系列专业基础课后，才能开始学习本课程。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识，在化工工艺设计乃至化工厂设计的过程中综

4、合运用。合运用。 “化工设计化工设计”课程学得好不好，比其它课程更课程学得好不好，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能体现一个化学工程与工艺本科学生综合素质的高低。低。4、本课程的特点、本课程的特点、综合性综合性（多专业基础课知识的综合与集成）；（多专业基础课知识的综合与集成）；、实践性实践性（面向实际化工工艺设计、化工厂设（面向实际化工工艺设计、化工厂设计的工程运用）；计的工程运用）；5、“化工设计化工设计”课程教学的目的课程教学的目的、了解国内外有关化工工艺设计、化工厂设、了解国内外有关化工工艺设计、化工厂设计的先进理念；计的先进理念；、掌握化工工艺设计的内容、步骤及

5、方法。、掌握化工工艺设计的内容、步骤及方法。二、本课程学习的教材及参考书二、本课程学习的教材及参考书1、化工过程设计化工过程设计，王静康主编，北京，化学，王静康主编，北京，化学工业出版社，工业出版社，2006年。年。 （主教材）（主教材）2、化工技术经济化工技术经济，苏健民主编，北京，化学，苏健民主编，北京，化学工业出版社，工业出版社，2005年。年。3、化工系统分析与模拟化工系统分析与模拟，彭秉璞主编，北京，彭秉璞主编，北京，化学工业出版社，化学工业出版社，2006年。年。4、化学工程手册化学工程手册，时钧、汪家鼎、余国琮、，时钧、汪家鼎、余国琮、陈敏恒主编，北京，化学工业出版社，陈敏恒主编

6、，北京，化学工业出版社，2002年。年。5、化工设计手册化工设计手册，上海医药工业设计研究院，上海医药工业设计研究院主编，北京，化学工业出版社，主编，北京，化学工业出版社，2006年。年。6、Process Design Principles (Synthesis, Analysis and Evaluation)7、Analysis, Synthesis and Design of Chemical Engineering8、Introduction to the Material and Heat Balance in Chemical Engineering 除此之外，国内还有除此之外，

7、国内还有10余个版本的余个版本的“化工设化工设计计”教材，它们的侧重面不尽相同，有兴趣的同教材，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。学，可以看看这些教材作为参考。 限于学时，限于学时， “化工设计概论化工设计概论”课程课堂教学课程课堂教学内容按教学大纲的要求，主要集中在教材的第内容按教学大纲的要求，主要集中在教材的第1、2、3、7章。其它章节，同学们可先自学，在大章。其它章节，同学们可先自学，在大学三年级下学期再讲授。学三年级下学期再讲授。第一章第一章 化工过程设计化工过程设计一、化学工业的发展历史、化学工业覆盖的范围及一、化学工业的发展历史、化学工业覆盖的范围及其在

8、现代经济体系中的地位其在现代经济体系中的地位1、化学工业的发展历史、化学工业的发展历史 化学工业历经了古代、近代、现代三个主要化学工业历经了古代、近代、现代三个主要发展阶段。发展阶段。 化学工业发展阶化学工业发展阶段段、古代化学工业：从、古代化学工业：从数千年前数千年前人类阳光人类阳光晒盐、地下卤水煮盐开始，萌发了古老的晒盐、地下卤水煮盐开始，萌发了古老的化学工业。化学工业。、近代化学工业：从、近代化学工业：从18世纪中叶世纪中叶，欧洲，欧洲造纸、玻璃、肥皂的大规模生产开始，表造纸、玻璃、肥皂的大规模生产开始，表明近代化学工业的形成。明近代化学工业的形成。、现代化学工业：、现代化学工业：上世纪

9、上世纪40年代年代开始，开始，随着合成橡胶、石油炼制、合成纤维工业随着合成橡胶、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。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、化学工业属于过程工业型制造业 （流程型制造业）（流程型制造业）现代制造业现代制造业离散型制造业离散型制造业 （例如汽车工业等）（例如汽车工业等）过程工业型制造业过程工业型制造业（又称（又称“流程型制造流程型制造业业”） （例如化学工业、湿法冶金行业等）（例如化

10、学工业、湿法冶金行业等） 流程型制造业一般是能耗大户，也是排放的大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。户。其节能、降耗、减排的任务十分艰巨。 例如：一个年产值不过仅例如：一个年产值不过仅10亿元人民币的合成原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料药制造企业，它每天的耗水量可高达5000立方米。立方米。3、现代化学工业覆盖的范围、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

11、代化学工业覆盖以下范围：盟的化学工业年鉴，现代化学工业覆盖以下范围：现代化学工业现代化学工业石油化工（包括其衍生的有机化工）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）煤化工（包括其衍生的有机化工）无机化工无机化工精细化工及中间体精细化工及中间体化肥工业化肥工业农药工业农药工业医药工业医药工业轻工（造纸、玻璃、塑料、合成橡胶等）轻工（造纸、玻璃、塑料、合成橡胶等）染料、油墨、化妆品、清洁剂染料、油墨、化妆品、清洁剂生物化工生物化工4、化学工业在现代经济体系中的地位、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，化学工业是所有高新技术产业的支撑工业，如能

12、源、电子、信息、生物、材料等领域，都离如能源、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。不开化学工业提供的物质支撑。 化学工业绝不是所谓的化学工业绝不是所谓的“夕阳工业夕阳工业”、“夕夕阳产业阳产业”，它现在仍然正在平稳高速的发展，它现在仍然正在平稳高速的发展，将来必将持续快速发展。将来必将持续快速发展。 1990年年1999年，美国、欧盟化学工业的年，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发展速度是其全部工业平均增长速度的2.69倍。倍。2000年年2010年预计为年预计为2倍以上。倍以上。 美国化学工业的规模一直雄居世界化学工美国化学工业的规模一直雄居世

13、界化学工业总量的业总量的30左右，是美国为数不多在国际贸左右，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。易体系内具有贸易顺差的制造业之一。 在世界在世界500强企业中，以化工为主或涉足强企业中，以化工为主或涉足化工领域的企业为数不少。化工领域的企业为数不少。二、化工过程设计的基本内容二、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、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，化工厂设计、

14、化工过程设计、化工工艺设计，其内涵最广，但意义不明确。其内涵最广，但意义不明确。Chemical Design英文中没有如此名词！英文中没有如此名词！化工厂设计化工厂设计化工过程设计化工过程设计 （核心）（核心）化工厂房建筑、结构设计化工厂房建筑、结构设计总图设计，总图设计，.等等非工艺部分设计非工艺部分设计化工工艺设计（核心）化工工艺设计（核心）公用工程设计、外管设计，公用工程设计、外管设计，等等化工过程设计是针对化工工艺设计的深入、配套与完善。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、化工过程设计的目标及内容 美国国家顾问团在其美国国家顾问团在其“化学

15、工程的新领域化学工程的新领域”著作著作中，简明阐述了化工过程设计的主要目标：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，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，确定出一个综合的考虑安全、健康、环保的因素，确定出一个综合的设计方案。设计方案。化工过程设计的内容：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、针对化工工艺设计，对它的配套部分如公用

16、工程、外管设计等进行深入设计和完善。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、化工过程设计的深化改革化工过程设计化工过程设计发展方向发展方向复杂大型化工厂的设计复杂大型化工厂的设计柔性化工厂的设计柔性化工厂的设计自主创新设计自主创新设计与国际工程设计的接轨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我国化工设计院，原来的专业部门进行了相应的改革调整。的改革调整。Institution of Chemical Engineers American Institute of Chemical Engineers 原来的工艺原来的工艺 专业部专业部工艺专业部工艺专业

17、部（大部分为化学工程与工艺专业人员）（大部分为化学工程与工艺专业人员）工艺系统专业部工艺系统专业部（少量化学工程与工艺专业人员，大量（少量化学工程与工艺专业人员，大量其它辅助专业）其它辅助专业）工艺专业部：侧重化工工艺设计工艺专业部：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外与工艺有关的内容工艺专业部：侧重出工艺专业部：侧重出PID图、图、PFD图图工艺系统专业部：侧重出工艺系统专业部：侧重出UID图、图、UFD图图PID （Piping & Instrument Diagram） 带控制

18、点的工艺仪表管道流程图带控制点的工艺仪表管道流程图PFD （Process Flow Diagram） 过程物料流程图过程物料流程图UID （Utility Instrument Diagram） 公用工程仪表管道流程图公用工程仪表管道流程图UFD （Utility Flow Diagram） 公用工程物料流程图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。其中，各种图纸随设计的深入，分成多个版本。 工艺专业部与工艺系统专业部之间，在设计工作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文件（过程中有许多需要交流的文件（“条件表条件表”），有发），有发出出“条件

19、表条件表”的的主导专业主导专业，有接收，有接收“条件表条件表”的的接收接收专业专业。我国化工设计院的专业种类我国化工设计院的专业种类化学工程与工艺化学工程与工艺化工机械（过程装备与控制）化工机械（过程装备与控制）自动化及仪表自动化及仪表总图总图概预算（工程经济）概预算（工程经济）建筑、结构、暖通、给排水、强弱电建筑、结构、暖通、给排水、强弱电热工、环境工程（环保）、工业炉热工、环境工程（环保）、工业炉三、计算机辅助化工过程设计三、计算机辅助化工过程设计 在在20世纪世纪20年代以前，化工过程设计几乎没有年代以前，化工过程设计几乎没有理论作指导，几乎是完全凭经验。理论作指导，几乎是完全凭经验。

20、在在20世纪世纪20年代年代60年代，化工过程设计已年代，化工过程设计已经开始有化工单元操作理论作指导，可以定量计算经开始有化工单元操作理论作指导，可以定量计算设计，但几乎完全凭手工计算与绘图完成设计工作。设计，但几乎完全凭手工计算与绘图完成设计工作。 在在20世纪世纪60年代以后，计算机辅助化工过程设年代以后，计算机辅助化工过程设计得到了发展。计得到了发展。 为什么直到为什么直到20世纪世纪60年代后，在化工设计领域年代后，在化工设计领域才开始出现计算机辅助化工过程设计呢？才开始出现计算机辅助化工过程设计呢？计算机软、硬件技术的发展计算机软、硬件技术的发展化工单元操作等理论的不断成熟化工单元

21、操作等理论的不断成熟数学计算技术的发展数学计算技术的发展计算机辅助化计算机辅助化工过程设计的工过程设计的发展基础发展基础计算机辅助化工过程设计的计算机辅助化工过程设计的优势（优点）：优势（优点）：、设计工作效率高、设计工作效率高、规范性好、规范性好、设计水平高（可进行优化设计）、设计水平高（可进行优化设计）效率对比：效率对比： 一个年产一个年产30万吨的乙烯的工程，如果全凭手工计万吨的乙烯的工程，如果全凭手工计算与绘图，算与绘图，400个设计工程师要花费近个设计工程师要花费近1年的时间，才年的时间，才能完成一个流程方案的设计。而借助计算机辅助化工能完成一个流程方案的设计。而借助计算机辅助化工过

22、程设计系统，过程设计系统，200个设计工程师花费个设计工程师花费8个星期，就能个星期，就能完成一个流程方案。完成一个流程方案。 后者的设计工作效率比前者高出后者的设计工作效率比前者高出10多倍。多倍。计算辅助化工过程设计软件系统的发展情况：计算辅助化工过程设计软件系统的发展情况：第一代商品化软件系统第一代商品化软件系统 20世纪世纪60年代，以美国各高校联合开发的年代，以美国各高校联合开发的CHESS软件系统为代表。软件系统为代表。Chem. Eng. Simulation System 20世纪世纪70年代初，以美国年代初，以美国Monsanto公司牵头开发公司牵头开发的的FLOWTRAN软

23、件系统代表。软件系统代表。第二代商品化软件系统第二代商品化软件系统Flowsheet Translator第三代商品化软件系统第三代商品化软件系统 20世纪世纪80年代，以年代，以 ASPEN 和和 PROCESS II 两大软件两大软件系统代表。系统代表。Advanced System for Process Eng. 我国最早由寰球、化工部八院等单位于上世纪我国最早由寰球、化工部八院等单位于上世纪90年年代初率先引进代初率先引进ASPEN软件系统。现在，国内各设计院基软件系统。现在，国内各设计院基本都已经使用本都已经使用ASPEN或或Process II软件系统进行计算机软件系统进行计算机

24、辅助化工过程设计。辅助化工过程设计。 天津大学拥有正版的天津大学拥有正版的ASPEN和和Process II 软件软件系统（教学版）。系统（教学版）。计算机辅助化工过程设计软件系统的发展方向（趋势）：计算机辅助化工过程设计软件系统的发展方向（趋势）：（1）、单元操作模块的种类数；）、单元操作模块的种类数；（2）、物性数据库的大小及数据的估算方法；）、物性数据库的大小及数据的估算方法；（3）、能处理的流股数量和组份数量；）、能处理的流股数量和组份数量；（4）、计算技术方法（求解方法）；）、计算技术方法（求解方法）；（5）、能处理的流股相态；）、能处理的流股相态； （气、液、固、胶体、电解质等）（

25、气、液、固、胶体、电解质等）（6）、软件系统的人性化界面及开放程度；）、软件系统的人性化界面及开放程度；（7）、流程图形输入及识别技术。等等）、流程图形输入及识别技术。等等四、现代化学工业的发展方向、化学工程伦理学四、现代化学工业的发展方向、化学工程伦理学及责任关怀制度及责任关怀制度1、现代化学工业的发展方向、现代化学工业的发展方向人类发展化学工业的目的：人类发展化学工业的目的： 满足人类对化学物质（分子式、数量、质量、满足人类对化学物质（分子式、数量、质量、多尺度形态）的不断需求。多尺度形态）的不断需求。 这个目标由化学家和化学工程师，在技术层面这个目标由化学家和化学工程师，在技术层面上共同完成。上共同完成。现代化学工业现代化学工业发展方向发展方向新物质新物质经济合理的大批量经济合理的大批量高质量高质量柔性化