第一章 化工设计

第一章

化工厂设计的内容与程序

第一节

化工设计的种类一、根据项目性质分类（一）新建项目设计（二）重复建设项目设计（三）已有装置的改造设计（改建、扩建）二、根据设计性质分类（一）新技术开发过程中的设计1.概念设计2.中试设计3.基础设计（二）工程设计1．初步设计2．扩大初步设计3.施工图设计第二节

化工厂设计的工作程序

一、项目建议书二、可行性研究报告三、编制设计任务书四、初步设计五、施工图设计六、现场施工的设计代表

七、试车投产及工程的竣工验收一般的化工设计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。

设计前期工作设计后期工作工程设计阶段接受任务可行性研究报告初步设计施工图设计施工配合试车、考核工程总结、设计回访项目后评价预可行性研究厂址选择技术考察复查厂址设备采购提出初勘要求提出详堪要求项目建议书项目建议书1.项目建设目的和意义，即项目提出的背景和依据，投资的必要性及经济意义；2.产品需求初步预测；3.产品方案和拟建规模；4.工艺技术方案（原料路线、生产方法和技术来源）；5.资源、主要原材料、燃料和动力的供应；6.建厂条件和厂址初步方案；7.环境保护；8.工厂组织和劳动定员估算；9.项目实施规划设想；10.投资估算和资金筹措设想；11.经济效益和社会效益的初步估算。

可行性研究1.总论。包括项目名称、进行可行性研究的单位、技术负责人、可行性研究的依据、可行性研究的主要内容和论据、评价的结论性意见、存在问题和建议等，并附上主要技术经济指标表。2.需求预测。包括国内外需求情况预测和产品的价格分析。3.产品的生产方案及生产规模。4.工艺技术方案包括工艺技术方案的选择、物料平衡和消耗定额、主要设备的选择、工艺和设备拟采用标准化的情况等内容。可行性研究5.原材料、燃料及水电汽的来源与供应。6.建厂条件和厂址选择布局方案。7.公用工程和辅助设施方案8.环境保护及安全卫生。9.工厂组织、劳动定员和人员培训。10.项目实施规划。11.投资估算和资金筹措。12.经济效益评价及社会效益评价。13.结论包括综合评价和研究报告的结论等内容。第三节

化工车间工艺设计的程序及内容

一、设计准备工作（l）一熟悉设计任务书。（2）了解化工设计以及工艺设计包括哪些内容，其方法步骤如何。参照设计进度订出个人工作计划。（3）查阅文献资料。（4）收集第一手资料。

二、方案设计（生产方法的选择）

这个阶段的任务是确定生产方法和生产流程，它们是整个工艺设计的基础。要求运用所掌握的各种资料，根据有关的基本理论进行不同生产方法和生产流程的对比分析。这个阶段的工作可以培养分析、归纳和理论联系实际的能力。第三节

化工车间工艺设计的程序及内容三、工艺流程设计

根据已确定的生产工艺方案进一步确定生产过程的具体内容、顺序和组合方式，并以流程图的方式表示出整个生产过程全貌，并对流程作详细的叙述。四、化工计算

化工计算包括工艺设计中的物料衡算、能量衡算以及设备选型和计算三个内容。要完成的任务是在这三项计算的基础上绘制物料流程图、主要设备图和带控制点工艺流程图。经验表明，在化工计算阶段会用到大量的基本理论、基本概念和基本技能（数据处理、计算技能、绘图能力等）。五、车间布置设计

这是工艺人员的主要设计任务之一，它也是决定车间面貌的又一个重要设计项目。布置设计的主要任务是确定整个工艺流程中的全部设备在平面上和空间中的正确的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构型式。

六、化工管路设计

管路配置设计的任务是确定装置的全部管线、阀件、管件及各种管架的位置，以满足工艺生产的要求。应注意节约管材，便于操作、检查和安装检修，而且做到整齐美观。

第三节

化工车间工艺设计的程序及内容

第三节

化工车间工艺设计的程序及内容七、提供设计条件

设计条件内容包括总图、土建、外管、非定型设备、自控、电气、电讯、电加热、采暖通风、空调、给排水、工业炉等非工艺专业的设计条件。是各专业据以进行具体设计工作的依据。八、编制概算书及编制设计文件

概算书是在初步设计阶段编制的车间投资的大概计算，作为银行对基本建设单位贷款的依据。第四节

设计文件一、扩大初步设计文件

（一）设计依据（1）文件，如计划任务书以及其他批文等。（2）技术资料，如中试试验报告、调查报告等。（二）设计指导思想和设计原则（1）设计所遵循的具体方针政策和指导思想。（2）总括各专业的设计原则，如工艺路线的选择、设备的选型和材质选用、自控水平等原则。（三）产品方案①产品名称和性质；②产品质量规格；③产品规模（吨／年）；④副产品数量（吨／年）；⑤产品包装方式。

（四）生产方法和工艺流程(1)生产方法。扼要说明设计所采用的原料路线和工艺路线。(2)化学反应方程式。写出方程式，注明化学反应名称、主要操作条件。(3)工艺流程①工艺划分简图，用方块图表示。②带控制点工艺流程图和流程简述。带控制点工艺流程图应表示出全部工艺设备、物料管线、阀件、设备的辅助管路以及工艺和自控仪表图例、符号。第四节

设计文件第四节

设计文件（五）车间（装置）组成和生产制度(1)车间（装置）组成。(2)生产制度，年工作日、操作班制，间歇或连续生产。（六）原料、中间产品的主要技术规格(1)原料、辅助原料的主要技术规格。(2)中间产品及成品的主要技术规格。（七）工艺计算1.物料衡算物料衡算结果以物料平衡图表示，计量单位用小时(h)（连续操作）或每批投料量Kg或M3（分批操作），采用计量单位在一个项目内要统一。2.能量衡算在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。

能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物料衡算后才能作出能量衡算。

第四节

设计文件

第四节

设计文件3.主要工艺设备的选型、化工计算和材料选择(1)基础数据来源包括物料及热量计算数据、主要化工数据等。(2)主要工艺设备的工艺计算按流程编号为序进行编写。4.一般工艺设备以表格形式分类表示计算和选择结果。工艺设备一览表按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制。5.工艺用的水、蒸汽、冷冻用量。6.分批操作的设备要排列工艺操作时间表和动力负荷曲线。第四节

设计文件（八）主要原料、动力消耗定额及消耗量（九）生产控制分析（十）仪表和自动控制（十一）技术保安、防火及工业卫生（十二）车间布置（十三）公用工程（十四）“三废”治理及综合利用（十五）车间维修（十六）土建（十七）车间装置定员（十八）概算（十九）技术经济

包括投资和产品成本两部分（二十）存在问题及建议（二十一）扩大初步设计中必要的附表及附图附表：工艺设备一览表、自控仪表一览表、公用工程设备材料表

附图：带控制点工艺流程图、车间布置图（平面图及剖面图）、关键设备总图、建筑平面、立面、剖面图

第四节

设计文件第四节

设计文件二、施工图文件的编制

(一)施工图设计文件目录编制各主项施工图设计时，应编写主项图纸总目录、非定型设备图纸目录和工艺图纸目录。(二)工艺施工图设计文件(1)工艺设计说明。(2)带控制点工艺流程图（施工流程图）。(3)辅助管路系统图。(4)首页图。(5)设备布置图。(6)设备一览表。(7)管路布置图。(8)配管设计模型。(9)管段图。(10)管架和非标准管件图。(11)管段表。(12)管架表。(13)综合材料表。(14)管口方位图。(15)换热器条件图。

工艺设计方案的优化

优化的工艺设计方案应是：（1）有较好的经济效益和社会效益；（2）工艺技术先进适用；（3）生产安全、可靠、并有良好的环保措施。

工艺流程方案优化

“洋葱头”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）反应器分离与再循环系统换热网络公用工程●“洋葱头”模型是工艺流程开发和设计的方法。●从图中可以十分直观的表示了反应系统的开发和设计是核心，它为分离系统规定了处理物料的条件，而反应和分离系统一起又规定了过程的冷、热物流的流量和换热的热负荷，最后才是公用工程系统的选择和设计。

●“洋葱头”模型强调了过程开发和设计的有序和分层性质，也表明了反应和分离系统的开发是关键，因此工艺流程方案的优化应主要集中在反应和分离系统的优化，一旦确定了反应和分离系统的设计，即能对换热网络和公用工程系统进行设计，有效地开发和设计出全过程最优或接近最优的流程。工艺流程方案优化

根据“洋葱头”设计开发概念，其步骤为：(1)根据经验规则初步建立反应和分离系统的流程。(2)变化主要的设计优化变量，如反应的转化率、惰性物质循环的浓度等，确定每组变量：1)反应和分离系统中主要设备的投资及原材料的消耗耗；2)利用夹点分析法确定换热网络和公用工程消耗的最佳总费用。(3)建立全过程总费用与主要优化变量之间的关系，其总费用包括：1)反应和分离系统中的主要设备的投资费；2)原材料消耗和除换热网络和公用工程之外的反应与分离系统的操作费用；3)换热网络和公用工程消耗的各类操作费用。(4)确定最佳条件，并对全流程调优。(5)对其他备选流程重复上述步骤，最后比较各流程的总费用，获得最佳流程。1.反应流程优化

反应流程优化需要考虑的问题较多，问题复杂。如反应动力学、反应收率、催化剂特性、反应历程、反应途径。反应器的最优操作条件有如何保证反应温度、反应压力、混合要求、换热要求、各物料配比、给定条件下的生产成本等等。在实际工业生产中，为了实现高效率、高选择和达到要求的产量，常常将相同或不同类型反应器进行组合。

工艺流程方案优化工艺流程方案优化2.反应产物的分离方法

大多数反应产物都是混合物，需要有物料分离过程。根据反应产物的物性差异可采用不同的分离方法，简述如下：（1）对于气固相混合物可采用干法收集、湿法洗涤、纤维过滤、静电沉积荨分离方法；（2）对于固相混合物可采用筛分、分级分离方法；（3）对于固液相混合可采用沉降、离心、压榨、过滤、干燥、蒸发、结晶等分离方法；（4）对于液相混合物可采用吸收、萃取、渗透、蒸馏、精馏等分离分法；（5）对于气液相混合物可采用蒸发、闪蒸、部分冷凝、精馏等分离方法；（6）对于气相混合物可采用吸收、吸附、膜分离等分离方法某些分离方法的优化

（1）精馏流程的优化精馏流程如需要分离R个组份，就需要有R-1个精馏塔。精馏优化需要考虑：哪种组份为主产品；哪种组份为付产品；产品的规格要求.1）试探法，主要规则如下：

●优先使用普通精馏。●尽量避免减压操作和使用冷量。●产品数应最少。●腐蚀性、危险性的组份应优先分出。●难分离的组分最后分出。

●最大量组份应优先分出。●塔顶、塔釜产物最好等摩尔分离。2）调优法3）数学规划法

某些分离方法的优化

（2）蒸发流程的优化蒸发系统常以单位蒸汽消耗量来评价能量的有效利用率。蒸发类型有：单效、双效、三效蒸发，效数越多，蒸汽单耗越低，但投资越高。在同样的工艺要求下，是采用多效蒸发、热泵蒸发，还是多级闪蒸，除考虑技术因素外，单位蒸发量的总成本起着主导作用。对于强制循环蒸发，其循环速度和耗电能之间也有一个优化问题。而热泵蒸发在提高压缩比和消耗外功之间也有一个系统优化问题。总的来说蒸发流程的优化，就是要找到在投资和经常运行费用之间的最佳点。

整套设计中的全局性问题一、厂址的选择厂址选择设工业基建中的一个重要环节，对于企业的成败具有重大影响，是一项政策性、技术性很强、牵涉面很广、影响面很深的工作。对工厂的建设进度、投资数量、经济效益以及环境保护等方面关系密切。1.地形、地质水文条件2.原料和市场3.气候4.运输条件5.能源、供水(动力、蒸汽、水源)6.对环境的影响7.劳动力来源8.协作条件9.预防灾害及其他整套设计中的全局性问题二、总图布置即工厂的总体布局1.满足生产和运输的要求2.满足安全、卫生的要求3.发展要求－－考虑发展的可能性，妥善处理分期建设的问题（