化工工艺设计12

化工工艺设计基础

主讲教师：王虹绪论化学工业是以天然物质或其他物质为原料或材料，利用这些物质的性质或形态的变化，或利用这些物质的组合，生产对人类生活很有价值的物质或物体的一种工业,它是国民经济中的一个重要的支柱。

随着化学工业的发展，对化工的研究、设计、施工、生产的要求更高。

作为化学工程与工艺专业的学生，学习并掌握《化工工艺设计》的知识是非常必要的。化工工艺

与化学工程

化工工艺即化工技术或化学生产技术，指将原料物主要经过化学反应转变为产品的方法和过程,包括实现这一转变的全部措施。

化学工程是研究化学工业和其他过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。化学工程包括单元操作、化学反应工程、传递过程、化工热力学、化工系统工程、过程动态学及控制等方面。

化工设计的概念

化工设计是根据一个化学反应或过程设计出一个生产流程，并研究流程的合理性、先进性、可靠性和经济的可行性，再根据工艺流程及条件选择合适的生产设备、管道和仪表等，进行合理的工厂布局设计以满足生产的要求，同时化工工艺专业与有关非专业密切合作，最终使工厂建成投产，这种设计的全过程称为“化工设计”。“化工工艺设计”是一门综合性的学科，是目前高校工科或理科应用化学专业中一门专业课，它涉及面广。在设计过程中，既要用到基础知识(高等数学、化学、制图、物理化学)，又要用到化工方面的专业知识（化工原理、化工机械基础、化学反应工程、化工热力学、化工仪表及自动化）。因此，“化工设计”是基础知识与专业知识密切结合的产物。课程的特点系统地介绍由一个化学反应或过程设计出一个生产流程，使设想变成一条生产线或一个工业化工厂的全过程。将学过的化工原理、物理化学、化工热力学、反应工程、分离工程、化工工艺学和化工制图等方面的知识运用到实践中，了解化工工艺过程的六个阶段，原料储存、进料准备、反应器、产品分离、产品精制、产品储存工艺流程的合理性、先进性、可靠性和经济可行性。通过学生之间的相互协作，完成某一产品生产的工艺流程设计。通过学习，要求：1、对化工厂有初步的了解；2、掌握化工设计的基本知识；3、明确化工工艺设计的内容、方法和步骤。通过设计的初步锻炼，逐步达到能独立完成化工厂、车间或工段的设计任务。学习的内容

1、化工厂概况2、化工设计项目可行性研究3、工艺流程设计4、控制过程5、物料衡算和热量衡算6、化工设备的设计及选型7、设备布置设计8、管道布置设计9、工程经济分析与评价（简介）10、工厂总布置设计

（简介）化工厂简介

化工行业范围很广，化肥厂、石油化工厂、有机原料厂、农药厂、橡胶厂、塑料厂、纤维厂、染料厂、日用化工厂、精细化工厂等种类繁多的化工厂。

一、化工厂的分类：◆按产品的名称分类◆按生产规模分类◆按生产方式分类

◆按生产技术的先进程度分类

二、化工厂的结构

人、财、物、产、供、销等六方面是化工厂的重要组成部分。由生产部门、行政部门、辅助部门组成。三、化工厂包括的专业技术

▲化学工程与工艺▲设备▲自动控制▲给排水▲电气、土建、采暖通风等四、化工生产的特点▲工艺流程复杂▲操作状态变化大▲流体输送多▲具有腐蚀性▲具有毒性▲易燃、易爆▲非标设备多化工设计的成品就是一部工程设计，是一项集体劳动的结晶，而其中工艺设计是龙头专业。一个典型的化工工艺过程一般由六个单元所组成:

原料储存→进料准备→反应器→产品分离→产品精制→产品储存

化工设计主要就是围绕这几个阶段进行的工艺装置设计。

设计中应努力做到1、符合国家的经济政策和技术政策，合理运用国家的财富和资源；2、工艺上可靠，经济上合理；

3、尽可能吸收最新科技成果，力求技术先进，经济效益更大；4、不造成环境污染；

5、符合国家工业安全与卫生要求。第1章

化工设计概述

1．1基本建设程序

一个工程项目从设想到建设投产，这一阶段称为基本建设阶段，可分为三个时期：

●投资决策前时期

●投资时期

●生产时期

建设前期各项准备工作项目建议书初步可行性研究详细可行性研究投资超过一定初步决策额度的项目

工程评估最终决策

计划任务书

初步设计施工图设计中国现行的基本建设程序

1．2项目设计种类一、新建项目设计*

包括新产品设计和采用新工艺或新技术的产品设计。二、重复建设项目设计由于市场需要或设备老化，有些产品需要再建生产装置，由于新建厂的具体条件与原厂不同，即使产品的规模、规格及工艺完全相同，也需要由工程设计部门进行设计。三、已有装置的改造设计由于旧的生产装置，使得产品的质量或产量不能满足客户要求，或者技术原因、原材料和能耗过高缺乏市场竞争力或环保的原因，必须对已有的装置进行改造，这类设计可由本企业设计部门或工程设计部门进行设计*新建项目设计：一个新产品或新工艺从开发到生产要进行两大类设计。第一类：概念设计，中试设计、基础设计。发生在新技术开发阶段，由研究单位的工程开发部门负责进行。第二类：工程设计，包括可行性研究、初步设计、施工图设计。是由设计单位负责进行。1．2．1概念设计

是工程研究的一个环节，它是在应用研究进行到一定阶段后，按未来的工业生产规模进行的假想的设计。内容：根据提供的概念和数据，确定流程和工艺条件，主要设备的形式和材质，及三废处理措施等。1．2．2中试设计

解决小试不能解决的问题。验证基础研究得到的规律。考察从小试到中试的放大效应。补充不能再小试中作的课题。进行新设备、新材料、新仪器、新控制方案的试验。1．2．3基础设计

是一个完整的技术文件，是整个开发过程的研究成果。一般应在研究内容全部完成并通过鉴定后进行。内容：包括新建装置的一切要点。工程设计人员能够根据基础设计完成一个能顺利投产，达到一定产品和质量的指标的生产装置。（1）

设计依据；（2）

工艺流程说明；（3）带控制点工艺流程图；（4）物料平衡、热量平衡图（5）设备一览表；（6）工程设计的要求；（7）设备布置建议图；（8）操作规程；（9）装置三废的排放点，排放量,主要成分及处理方法；（10）自控设计说明；（11）消耗定额；（12）有关技术资料，物性参数等；（13）安全技术与劳动保护说明。

第二类工程设计是我们要学习的主要内容。

根据原化学工业部《化工设计管理标准》（1992）关于“设计工作基本程序”的规定，化工设计单位在化工基本建设过程中根据建设单位的委托，进行以下工作：

1．3设计程序

接受任务

编制项目建议书预可行性研究厂址选择

技术考察可行性研究报告复查厂址初步设计提出初勘要求

设备采购施工图设计提出详勘要求

施工配合试车、考核工程总结、设计回访

项目后评价

1．3．1项目建议书项目建议书的内容：（1）项目建设的目的和意义，即项目提出的背景和依据，投资的必要性和意义；（2）市场初步预测；（3）产品方案和拟建规模；（4）工艺技术初步方案（原料路线、生产方法和技术来源）；（5）原材料、燃料和动力的供应；（6）建厂条件和厂址初步方案；（7）公用工程和辅助设施初步方案；（8）环境保护；（9）工厂组织和劳动定员估算；（10）项目实施初步规划；（11）投资估算和资金筹措方案；（12）经济效益和社会效益的初步评价；（13）结论与建议。详细内容参见《化工建设项目建议书内容和深度的规定》投资额批准权限国务院：2亿元以上；省（相当于省一级）政府：5000万元以下。1．3．2厂址选择

厂址选择的一般要求：（1）厂址应当靠近主要原材料供应地区或产品销售地区；（2）厂址应有较好的交通运输条件。水路、铁路和公路是大多数企业常用的运输途径，应当注意当地的运费高低及现有的铁路线路。应该尽量考虑靠近铁路枢纽以及利用河流、运河、湖泊或海洋进行运输的可能性，公路运输可用作铁路运输和水运的补充；（3）化工厂使用大量的水，用于产生蒸汽、冷却、洗涤、有时还用作原料。因此，厂址必须靠近水量充足和水质良好的水源。靠近大的河流或湖泊最好，如无条件，也可考虑使用深井，这需要以厂址的水文地质资料作为依据；（4）最好靠近热电站以获得大量蒸汽和电力；

（5）厂址最好选在已有居民的附近地区，离城市不远或靠近已建成投产的其他企业，这样可以利用城市或原有企业的各种设施；（6）应在居民区的下风向和江河下游，但又不受其他企业的烟气的影响的地方建厂，窝风的盆地不宜建厂；（7）厂址面积与外形应适应工厂总平面布置，并有发展余地，一般要求平坦，稍能向外倾斜，有一定坡度，利于排水；（8）尽量不占或少占农田；（9）化工厂排出的污水应尽量予以处理，达到国家规定的排放标准。（10）化工厂的废渣，要有适当的洼地堆放或填埋；（11）厂址应不受洪水淹没，地下水位置最好在4m以下或低于地下建筑物的深度；（12）厂址尽量不选在7级以上的地震区，9级以上不能建厂；（13）化工厂的高层建筑物及地下管道较多，在下沉性Ⅱ级以上大孔性黄土上不宜建厂（西北、华北地区应注意）；（14）地质情况要好，地耐力一般要求在147KPa（1.5kg/cm2）以上，若小于98Kpa(1.0kg/cm2)则不宜建厂；（15）在具有喀斯特地貌的地区（广西壮族自治区应注意），土崩地段和地下有淤泥或流沙处不宜建厂；（16）

有用矿藏的上部地面不宜建厂。1．3．3可行性研究报告

可行性研究报告的内容：（1）总论：包括项目名称、主办单位名称、企业性质及法人、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，工艺技术方案的选择、物料平衡和消耗定量、主要设备的选择、工艺和设备拟采用标准化的情况等内容；（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，包括总图运输、给排水、供电及电讯、供热、贮运设施、维修设施、土建、人防设施、生活福利设施等项；（8）节约能源；（9）环境保护及劳动保护、工业卫生；（10）工厂组织，劳动定员和人员培训；（11）项目实施规划；（12）投资估算和资金筹措；（13）财务、经济效益评价；（14）结论：综合评价和研究报告的结论、存在问题及建议等内容。

1．3．4初步设计

初步设计是根据已批准的可行性研究报告，确定全厂性的设计原则、设计标准、设计方案和重大的技术问题。成果为编制初步设计文件，报批。初步设计文件有：设计说明书和说明书的附图、附表、管道及仪表流程图、物料流程图、设备布置图等。

初步设计说明书内容：（1）总论；（2）技术经济：基础经济数据，经济分析，附表；（3）总图运输：厂址选择，总平面布置，工厂运输，工厂防护设施，排渣场，防护，绿化；（4）化工工艺：原材料及产品的主要技术规格，装置危险性物料表，生产流程叙述，原材料、动力（水、电、汽）消耗定额及消耗量，成本估算，车间定员，管道材料等（设备一览表，综合材料表；图纸）；

（5）空压站，氮氧站，冷冻站；（6）外部工艺，供热管线；（7）设备（含工业炉）：设备技术特征，主要设备总图；（8）自动控制全厂自动化水平，信号及联锁，环境特征及仪表选型，复杂控制系统，动力供应等；（9）供电：电源状况、负荷等级及供电要求，主要用电设备材料选择，总变电所及高压配电所、照明、接地、接零及防静电、车间配电、防雷等；（10）电信；（11）土建：气象、地震等自然条件资料、地方材料、施工安装条件等，建筑设计、结构设计、对地区性特殊问题的设计考虑，对施工的特殊要求、对建筑物内高、大、重的设备安装要求的说明等；（12）给水排水：自然条件资料（气象资料、水文地质资料等）；给水水源及输水管道，给水处理，厂区给水，厂区排水，污水处理场，定员等；

（13）供热；

（14）采暖通风及空气调节；（15）维修（机修、仪修、建修）；（16）中央化验室；（17）消防；（18）环境保护及综合利用：设计采用的环保标准，主要污染源及主要污染物，设计中采取的环保措施及简要处理工艺流程，绿化概况，其他环保措施，环境监测体制，环保投资概算，环保管理机械及定员等；（19）劳动安全及工业卫生；（20）节能：主要耗能装置能耗状况，主要节能措施，节能效益等；（21）概算。

1．3．5施工图设计

施工图设计是把初步设计中确定的设计原则和设计方案，根据建筑施工，设备制造及安装工程的需要进一步具体化。施工图设计内容：（说明书、图、表）（一）工艺设计说明书（1）工艺修改说明：说明对前段设计的修改变动；（2）设备安装说明：主要大型设备中吊装，建筑预留孔，安装前设备可放位置；（3）设备的防腐，脱脂，除污的要求和设备外壁的防锈，涂色要求以及试压试漏和清洗的要求；（4）设备安装需进一步落实的问题；（5）管路安装说明；（6）管路的防腐、涂色、脱脂和除污要求及管路的试压、试漏和清洗的要求；（7）管路安装需统一说明的的问题；（8）施工时应注意的安全问题和应采取的安全措施；（9）设备和管路安装所采用的标准规范和其他说明事项；（二）管道仪表流程图

（三）辅助管路系统图

（四）首页图

当设计项目（装置）范围较大，生产工段和辅助生产项目较多时，车间布置往往需要分区绘制，为了表达各区之间的联系，设备布置和管路安装图需分别绘制时，还应编制首页图。如图（五）设备布置图

设备布置图有平面图与剖面图，应表示出全部工艺设备的安装位置和安装标高，以及建筑物、操作台等；（六）设备一览表（七）管路布置图管路布置图有平面图与剖视图，应表示出全部管路、管件和阀件及简单的设备轮廓线及建、构筑物外形；如图

（八）管架和非标管架图（九）管架表（十）综合材料表（1）

管路安装材料及管架材料表；（2）

设备支架材料表；（3）设备及管道保温、防腐材料表。（十一）设备管口方位图1．4项目组织及设计机构

负责本专业的技术问题，设计进度各专业负责人各专业设计人项目经理工程秘书（负责收发存档文件、资料、交往）负责项目进度、投资控制、各专业协调设计机构1．5车间工艺设计的主要内容

化工厂的总体是由各个车间或界区设计所构成，步骤如下：任务书确定流程方案物料衡算能量衡算设备工艺计算及选型工艺流程图设计设备布置设计管道设计概算、经济分析编写设计文件工艺人员主要任务（1）工艺专业人员应进行的主要计算

物料平衡计算、能量平衡计算、设备工艺计算、管路计算等。（2）工艺专业人员绘制的主要图物料平衡图、工艺流程图（简图、带控制点的）、设备布置图、管路布置图、车间布置图等。（3）编写设计说明书（原料消耗表、能量消耗表、设备一览表、三废排放表、概（预）算书等）。思考题1、建设项目有哪三种类型设计？2、化工工艺设计的内容有哪些？3、初步设计、施工图文件各有哪些？4、一个典型的化工流程通常由哪六个单元构成？5、车间工艺设计的主要内容有哪些。?2工艺流程设计

PipingandInstrumentationDiagram

概述：工艺流程设计是在确定的原料路线及技术路线基础上进行的。2.1工艺流程设计的意义及任务意义：决定工厂的效益。任务：（1）确定采用多少生产过程（或多或少工序）来构成由原料制得产品的全过程，以及每个生产过程（或工序）之间如何连接；（2）确定每个生产过程（或工序）的具体任务，即物料通过该生产过程发生什么物理变化、化学变化和能量变化；（3）确定由什么设备来完成每一个生产过程以及各设备的操作条件；（4）确定控制方案、选用合适的控制仪表；（5）确定三废治理和综合利用方案；（6）确定安全生产措施；2．2工艺路线的选择

2．2．1工艺路线和工艺流程选择的原则在选择工艺路线(生产方法）和工艺流程时，应考虑以下一些原则。（一）先进性（1）技术上可行，产品质量合格；（2）生产能力大小，经济上合理；（3）原料的纯度及来源；（4）公用工程中的水源及电供应、及单耗；（5）三废治理和环境保护；（6）安全生产；（7）符合国家有关的政策及法规；（8）建厂投资、占地情况、投资回收期等。（二）可靠性可靠性是指所选择的工艺路线是否成熟可靠。（三）符合国情,因地制宜。

化工工艺流程设计应考虑：（1）消费水平及消费趋势；（2）化工机械设备及电气仪表的制造能力；（3）化工原材料及设备用金属材料的供应情况；（4）环境保护的有关规定和化工生产中三废排放情况；（5）劳动就业与化工生产自动化水平的关系；（6）资金筹措和外汇储备情况。2．2．2工艺路线确定的步骤

（一）搜集资料，调查研究（1）国内外生产情况，各种生产方法及工艺流程；（2）原料来源及产品应用情况；（3）试验研究报告；（4）安全技术及劳动保护措施；（5）综合利用及三废处理；（6）生产技术是否先进，生产连续化、自动化程度；（7）设备的大型化及制造、运输情况；（8）基本建设投资、产品成本、占地面积；（9）水、电、气、燃料的用量及供应，主要基建材料的用量及供应；（10）厂址、地质、水文、气象等资料；（11）车间（装置）环境与周围的情况。（二）落实关键设备（三）技术、经济、安全等方面的比较（1）几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；（2）生产能力及产品的规格；（3）原材料、能量消耗情况；（4）建设费用及产品成本；（5）三废的产生及治理情况；（6）建厂投资及回收年限；（四）对选定的方法做适当的修改根据以上原则确立工艺路线，再进行工艺流程设计。

2．3工艺流程的设计

2.3.1工艺流程设计原则（1）尽可能选择先进设备、先进生产方法及成熟工艺技术，以保证产品质量；（2）提高生产效率，经济效益高；（3）就地取材，降低原材料、水、电、气及燃料消耗；（4）整个系统必须是可操作、可控、充分预计不安全因素，确保生产稳定；（5）生产过程尽可能采用机械化、自动化，实现稳产、高产。2.3.2工艺流程设计应该考虑的问题2.3.2.1从工艺设计角度应满足的要求：（1）尽量采用能使物料、能量及设备高利用率的连续过程。判定连续、间歇：①

产量：大于5000吨/年（连续）。②

市场需求：季节性、周期性。(间歇)③

操作需要：反应速度慢，物料含固体颗粒，固体易结晶析出，堵塞管道设备。(间歇)（2）反应物在设备中的停留时间即要短又要使之反应完全。（3）选择新技术、新工艺：选直接法代替多步法，选原料易得路线代替多原料路线，选低能耗代替高能耗方案，选接近常温常压代替高温高压，选污染废料少的代替污染严重的等等。但也要综合考虑。（4）选大型单系列或少系列优于多系列，且便于实现微机控制。2.3.2.2经济效益和环保安全考虑应满足要求：（1）选用小而有效的设备，降低能耗，降低投资；（2）总图运输便利，利用当地资源；（3）三废治理措施。间歇操作：取7200小时/年连续操作：取8000小时/年2.3.3工艺流程设计的步骤硫酸硝酸混合工艺流程图（1）概念设计阶段的工艺流程设计①工艺路线的流程化

原料储存→进料准备→反应器→产品分离→产品精制→产品储存将该六个过程详细研究，具体到每个过程需要哪些单元操作并加以组合，各个单元操作需要的装备、设备、机械，以及他们的运行参数和次序，物料在化工单元操作中的“流水线”关系，以保证获得达标的产品，这个将工艺过程具体化的设计过程，为工艺路线的流程化。例如，以盐酸和甲醇合成氯甲烷工艺，原料储存和预处理，②工艺流程的进一步丰富和完善③工艺流程的简化④制定流程各装置的的操作条件和控制方案⑤工艺流程方案的比较（2）初步设计阶段的工艺流程设计①初步设计的内容◆流程能力、操作弹性和设备设计◆工艺操作条件的确定和流程细节安排◆操作单元装置的衔接和辅助装置的的完善◆确定操作控制过程中各参数控制点②初步设计阶段工艺流程设计要求◆确定出一个内容具体、量化了的、设备有基本尺寸的工艺流程◆完成初步设计阶段的工艺流程图（3）施工图设计阶段的工艺流程设计

管道及仪表流程图（PID）的主要内容和深度：①绘出工艺设备一览表中所有设备，并标注其位号；②绘出和标注全部工艺管道及与工艺有关的一段辅助或公用系统管道，包括管道上的阀门、管件、附件，并注明其编号；③绘出和标注全部检测仪表、调节控制系统、分析取样系统；④成套设备（或机组）的供货范围；⑤特殊的设计要求，如设备间的最小相对高差、阀门的特殊位置、管线的坡度等，必要时须有详图表示；⑥设备和管道的隔热类型工艺管道是指用于正常操作的物料管道、工艺排放系统管道、开停车用的临时必要的管道。

2.4工艺流程图的绘制

2.4.1流程方框图和工艺流程简（草）图

即每个单元操作用细实线矩形框表示，框内注明主要操作条件，同时用物流将各方框按一定顺序连接起来。工艺流程简（草）图

将