化工设计概论(第一章)

化工设计概论（教案PPT版）天津大学化工学院国家工业结晶工程技术研究中心张美景

Tel：022－2740575427406483二零零九年二月

（第一版）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。

（主教材）2、《化工技术经济》，苏健民主编，北京，化学工业出版社，2005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，2005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。ChemicalDesign英文中没有如此名词！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柔性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。

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）、工业炉三、计算机辅助化工过程设计

在20世纪20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。

在20世纪20年代～60年代，化工过程设计已经开始有化工单元操作理论作指导，可以定量计算设计，但几乎完全凭手工计算与绘图完成设计工作。

在20世纪60年代以后，计算机辅助化工过程设计得到了发展。为什么直到20世纪60年代后，在化工设计领域开开始出现计算机辅助化工过程设计呢？计算机软、硬件技术的发展化工单元操作等理论的不断成熟数学计算技术的发展计算机辅助化工过程设计的优势（优点）：①、设计工作效率高②、规范性好③、设计水平高（可进行优化设计）效率对比：一个年产30万吨的乙烯的工程，如果全凭手工计算与绘图，400个设计工程师要花费近1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过程设计系统，200个设计工程师花费10个星期，就能完成一个流程方案。

后者的设计工作效率比前者高出10多倍。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20世纪60年代，以美国各高校联合开发的CHESS软件系统为代表。Chem.Eng.SimulationSystem

20世纪70年代初，以美国Monsanto公司牵头开发的FLOWTRAN软件系统代表。第二代商品化软件系统FlowsheetTranslator第三代商品化软件系统

20世纪80年代，以ASPEN

和PROCESSII两大软件系统代表。AdvancedSystemforProcessEng.

我国最早由寰球、化工部八院等单位于上世纪90年代率先引进ASPEN软件系统。现在，国内各设计院基本都已经使用ASPEN或ProcessII软件系统进行计算机辅助化工过程设计。天津大学拥有正版的ASPEN和ProcessII软件系统（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）：（1）、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；（3）、能处理的流股数量和组份数量；（4）、计算技术方法（求解方法）；（5）、能处理的流股相态；（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；（7）、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、化学工程伦理学及责任关怀制度1、现代化学工业的发展方向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、多尺度形态）的不断需求。这个目标由化学家和化学工程师，在技术层面上共同完成。现代化学工业发展方向新物质经济合理的大批量高质量柔性化绿色化多尺度其中：

化学工业绿色化的含义：以“减量化、再利用、资源化”为基本原则，也就是所谓的“3R”原则。（Reduce、Recycle、Resource）具体体现在：（1）、减少化工过程的能耗、物耗；（2）、减少有害物质的使用或生成；（3）、减少废弃物，并使废弃物在系统类在利用；（4）、尽量将排放的废弃物转化为可用的再生资源；（5）、尽量延长产品的生命周期。ReduceRecycleResource2、化学工程伦理学及责任关怀制度在化学工程领域实施注册工程师制度，在化学工程师心目中树立伦理学观念，建立责任关怀制度。开始逐步成为国际化学工程领域的一个发展大趋势。伦理学理念体现在：（1）、自觉维护化工过程的安全；（2）、自觉保护环境的意识；（3）、自觉节约资源的意识；（4）、对业主、化工厂操作人员、同事负责的精神。责任关怀制度的含义：（1）、提高对安全、健康、环保、资源的认知和行动；（2）、充分报道成绩、行动计划，但不回避缺陷；（3）、与公众沟通，并倾听意见的日常化。等等。第二章化工厂设计概述2.1我国化工厂基建的一般程序基建：基本建设的简称，一个项目从设想到建成投产的过程。我国化工厂基建的程序如下：前期资料（信息）收集整理工作项目建议书初步或详细可行性研究初步决策、工程评估、最终决策计划任务书投资决策期（阶段）初步设计扩初设计施工图设计

施工设计及施工期（阶段）试生产正式投产运行试生产期（阶段）化工厂基建分成三个阶段，其它行业工厂的建立程序也大抵如此。2.1.1项目建议书定义：将收集到的有关项目的资料（信息）整理成文，由某地区、部门、企业向其上级主管部门提出的申请项目投资立项的文件。项目建议书应该包括的主要内容（章节）：（1）、项目的背景、意义；（2）、产品价格和市场需求预测分析；（3）、产品方案和建设规模；（4）、工艺技术路线和技术来源；（5）、原料、燃料、动力、水的供应、运输，产品运输等；（6）、厂址选择和厂址条件；（7）、环保方案；（8）、消防及安全措施；（9）、工厂定员及人力资源来源；（10）、投资估算、资金筹措方案；（11）、基建及投资规划；（12）、经济效益初步分析与评价；（13）、结论及建议项目建议书的实质：想投资该项目的主体，将它前期收集的所有资料（信息），经过加工（初步定量计算、并结合专家经验）处理，按以上主要章节整理成一本文件。其目的就是要打动上级决策者，让决策人下决心上该项目。项目建议书被批准后，才能往下接着进行项目的可行性研究。2.1.2项目的可行性研究（简称“可研”）可行性研究的定义：根据国家、地区、行业、部门的经济整体规划或布局，对拟建项目的技术、经济和工程、安全、环保等问题进行详细的研究与分析。就该项目是否该建、是否缓建、如何建提出建议，为投资决策提供更可靠的依据。

可行性研究报告（按内容深度分）初步可行性研究详细可行性研究

可行性研究报告（根据资金来源、投资额、重要性）业主自行委托上级主管部门指定可行性研究报告，必须由有相应设计资质或咨询资质的单位来完成。可行性研究报告的实质：主要内容就是项目的技术经济分析报告，要求针对业主自己做出的项目建议书的内容逐一地进行论证研究与分析。相对于项目建议书，可行性研究报告在以下方面需要加强：（1）、重新收集信息资料，尤其是要求重新做市场预测分析；（2）、做初步的工艺计算，对项目的投资、产品成本、经济效益尽可能详细估算；（3）、加强不确定性、风险性分析；（4）、得出明确的结论与建议项目的可行性研究十分重要，是基建程序中替国家、业主把关的关键步骤2.1.3计划任务书（设计计划任务书）来源：项目可行性报告经过论证会（评审会）通过后，上级主管部门将下达“关于××项目可行性研究报告的批复”和“关于××项目的设计计划任务书”。定义：由上级主管部门对拟建项目的地点、规模、投资、建设期、劳动定员等问题，下达的“规定性”文件。它和可行性研究报告一起，共同作为项目的设计依据。关注我国投资体制的改革问题：（1）、财政资金和限制目录；（2）、谁投资、谁决策、谁收益、谁承担风险的原则；（3）、国家宏观调控下，市场配置资源的原则。2.1.4化工项目基建的设计阶段

化工项目设计（按设计深度）初步设计（基础设计）扩初设计（扩大的初步设计）施工图设计（施工设计）一、初步设计是设计深度最浅的设计阶段，一般只要求：1、PID图；2、物料及热量核算计算；3、对土建、公用工程提出要求；4、对工厂布置（总图）和车间布置提出要求、建议；5、工程概算；6、初步设计说明书。这就是所谓的“三段设计（设计的三个阶段）”二、扩初设计在初步设计的基础上，针对工程的关键技术（主要指关键设备、关键工艺）工段，补充以下文件：1、关键设备设计图纸；2、关键设备的布置图；3、关键工艺工段操作说明；4、扩初设计说明书。注意：对于有设备创新、工艺技术创新的化工工程，扩初设计阶段是十分必要的。

但总体而言，扩初设计只是从初步设计到施工图设计的一个过渡阶段，它还不能指导施工建设。三、施工图设计这是最详细、最深入的工程设计阶段。只有它的设计文件，才能交给施工队进行施工建设。是针对初步设计或扩初设计的完全具体化。对化工工艺部分的设计，施工图设计要出的主要文件：1、PID最终版；2、UID图；3、所有设备的施工图；4、平立面布置图；5、配管图（配管设计图）；6、施工材料明细表；7、工程预算书；8、施工图设计说明书。等等。注意：按项目工程的大小及复杂程度、上级主管部门的要求、设计能力等情况，设计阶段分成三种情况：简单工程：一步直接做施工图设计中等复杂工程：初步设计

施工图设计复杂、创新工程：初步设计扩初设计

施工图设计最后的落脚点都是施工图设计每步设计对要进行严格的审查问题：为什么要将设计进行分段？2.1.5化工项目（工程）的试生产化工项目（工程）试生产的顺序（步骤）：1、清理现场2、清洗设备及管道（水洗、气冲，并注意清洗顺序）3、设备的单体试车（以水代料）4、整个工程以水代料联动试车5、投入物料进行试试车注意：期间穿插人员的安全、健康、工艺操作培训。此外，试生产一般处于非正常工况。2.2工艺包设计1、工艺包的定义工艺包是一个专用的技术名词，特指某个化工产品生产技术方面的全部技术文件的总和。工艺包是一个化工厂工艺的核心技术文件。工艺包的来源国内高等院校、研究院所国外专利商2、工艺包（工艺包设计）的主要内容（1）、工艺包的范围；（2）、工艺的详细说明（原料、公用工程、产品规格，操作条件及流程说明，控制方案，物料性质等。）；（3）、物料及能量核算；（4）、PID图；（5）、设备一览表（设备规格、材质、数量等）；（6）、布置建议；（7）、化验、检修要领等。

从工艺包的内容来看，它基本达到了工艺初步设计的深度。我国设计院基本都是从接手工艺包开始，直接做项目过程的扩初设计和施工图设计。2.3化工工艺设计的内容与步骤化工厂设计除了化工工艺设计外，还包括工厂总图设计、厂房土建设计、公用工程设计、外管设计等等。

但化工工艺设计是整个化工厂设计的核心。化工工艺设计贯穿初步设计、扩初设计、施工图设计每个阶段。

一个化工流程的特性（特点、特征、性能）决定于它内部的一些特性参数：化工流程的特性参数流程的单元结构参数单元的种类、数量单元之间位置关系流股走向关键单元设备的特性参数关键工艺工段的操作参数化工工艺设计的内容与步骤第一步：流程组织（过程合成）第二步：物料衡算及热量衡算第三步：设备设计及选型第四步：PFD图及PID图的设计与绘制第五步：车间流程的平立面布置设计第六步：主要材料表及概（预）算（工艺部分）第七步：对流程的技术经济分析第八步：编写工艺设计说明书内循环优化外循环优化工艺设计不是一蹴而就的，要做许多回合的优化调整。内循环优化：在流程结构不变的前提下，通过修改、调整流程内部的部分设备参数和操作参数，来对流程进行优化设计。外循环优化：在内循环优化不能满足优化目标的情况下，重新做流程组织，对流程结构进行改头换面的大变动，而达到对流程进行优化设计的目的。内循环优化经常用于老流程的改造，并对实验室研究开发有指导意义。外循环优化经常用于新厂设计时，对多个流程方案进行分析比较。

二层循环优化设计，工作量巨大，手工设计很难完成，只有靠计算机辅助设计。从化工工艺设计的内容与步骤可以看出，设计、技术经济分析、计算机辅助化工设计三者之间的关系：（1）、设计出一个或几个较优的流程是设计的最终目的；（2）、技术经济分析是判断流程优劣的依据（标准）；（3）、计算机辅助化工设计是设计的有力手段。注意：（1）、在PID图中，关于管路的信息、控制回路的信息十分丰富。（2）、根据设计的不同阶段，化工工艺设计的深度也相应变化。

PID图样本2.4化工厂设计中的一些全局性问题2.4.1化工厂厂址的选择厂址选择是在基建的投资决策阶段必须解决的重要问题，由工艺系统专业部的总图专业牵头完成。是项目建议书、可行性研究报告中必不可少的内容。化工厂厂址选择的结果，直接影响到设计、投资、运营成本、生产情况。一、化工厂厂址选择的工作程序厂址选择准备阶段现场考察工作多方案比较完成厂址选择报告从全厂工艺及发展的眼光出发，确定用地大小，初选几处，收集当地水文、地质、天气、人文、历史、用地政策、投资政策等信息。在项目建议书阶段不强求有选址报告，但选址报告一定要同步于可行性研究报告（或先于“可研”）完成。可以作为可行性研究报告的独立章节。二、化工厂厂址选址的几个基本原则1、应符合国家、地区、行业、部门发展大局的需要；2、应选在原料、燃料、动力充足，运输方便，产品销售便利的地区。并在公用工程、生活设施有良好基础的地区；3、化工厂厂址附件应该有良好、充足的水源；（化工类企业对水有强烈的需求依赖）4、应该注意节约用地及占地种类，并考虑工厂发展的需要；5、应考虑附近居民的安全与健康，厂址的气候及防灾害能力。6、避免建在国家或地区的水利、历史、自然、文化等各类保护区。此外，厂址地方的投资及税收政策、人力资源及成本、管理是否方便、协作关系等社会因素也应综合考虑。2.4.2化工厂总图布置总图布置（工厂布置、总图运输），由总图专业牵头完成。化工厂广义的“车间”包括以下部分：化工厂主要生产车间辅助生产车间（机修、电仪修、中央化验室、仓库等）服务型车间（厂区办公楼、职工宿舍、医药、食堂等）公用工程车间（水、电、汽、气、冷冻）主要生产车间的含义：车间输入物流输出物流特点：输入物流和输出物流，其物质在分子层面、形态、纯度等性质发生了变化。一、总图布置的定义

在全面掌握工厂工艺概况的前提下，结合厂区的各种内、外部条件，对化工厂的所有车间在厂址范围内进行合理的布局，以期获得安全、经济的人流及物流流动路线。总图布置样图二、化工厂总图布置的几条基本原则1、应尽量考虑生产工艺流程的要求，避免物流交叉，缩短物流路线。并尽量减少人流和物流的交叉。1231232、对公用工程有大需求的车间，应考虑其与外界的联系，并尽量靠近其供应源。同时遵守“负荷集中”原则。3、厂区内与外界有大运输量的车间应尽量布置在厂区外缘。4、厂区内同类型或相似类型的车间应尽量集中布置。（“同类集中”原则）（如制药厂内同类药品种、剂型集中，放射、有毒、易燃易爆类分别集中）5、厂区布置应考虑防火、防爆及卫生健康的要求。（易燃易爆车间不要布置在厂区中央，并考虑相邻车间的安全。有粉尘、气味的车间尽量布置在下风口）6、工厂布置应考虑工厂、车间发展的需要。2.4.3化工厂的车间布置一、化工厂车间的构成生产部分原料工段生产工段成品工段回收工段控制室辅助部分变配电室通风空调室车间化验室机电仪修室各类中转室生活部分车间办公室工人休息室浴室及更衣间卫生间化工厂的一个车间车间布置的任务：在化工厂总图布置的框架下，按车间生产流程的工艺要求，同时考虑安全、操作方便、设备维修、经济合理等因素，将车间内生产部分、辅助部分、生活部分的所有硬件（主要是生产流程中的所有设备），在车间厂房的三维空间内进行合理的布局。

车间布置（车间平立面布