化工设计教案.docx

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化工设计教案

为什么要学习《化工设计》

（1）从一个新产品或新工艺的试验研究开始到进行工厂建设为止，都需要进行设计。

（2）帮助我们从高等学校走向社会时能适应新的工作岗位的需要，迅速实现从大学生向工程师的转化。

（3）帮助我们学会综合运用各种已学过的知识系统地分析问题和解决问题。

学什么

学设计的基本原理、基本程序和方法。

其主要内容有：

（1）当代先进水平的化工装置设计有哪些内容？

如何完成之？

（2）如何设计工艺流程、选择工艺参数和设备？

（3）如何进行厂房、车间和管道布置？

（4）如何编制设计文件？

如何学

（1）多读几本书，听课与自学相结合

（2）多应用，理论与实践相结合

化工设计是将一个系统（一个工厂、一个车间）按照工厂工艺技术要求，经工程技术人员的创造，将其全部描绘成的图纸，表格及必要的文字说明，即把工程技术装备用工程语言表达出来。

然后根据这一“语言”，把这个系统建立起来，并投入运行。

或说:

设计工作是一项能将人们的设想和想象转变成现实的一个重要步骤，通过课程的学习，我们可以知道化工厂的建设程序，设计程序，主要设计内容等一些基本概念。

1化工设计概述

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：

1、离散型制造业（例如汽车工业等）2、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。

化工厂设计分为：

a、化工过程设计（核心）（包括化工工艺设计（核心），公用工程设计、外管设计，…等；）b、非工艺部分设计（化工厂房建筑、结构设计；总图设计，….等）

根据项目性质化工设计可分为：

新建项目设计、重复建设项目设计、已有装置的改造设计。

根据化工过程开发程序化工设计可分为：

概念设计、中试设计、基础设计和工程设计；

其中工程设计又包括：

初步设计、扩大初步设计和施工图设计。

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。

化工过程设计发展方向：

复杂大型化工厂的设计；自主创新设计；与国际工程设计的接轨

PID（ProcessInstrumentDiagram）带控制点的工艺仪表管道流程图（工艺专业部）

PFD（ProcessFlowsheetDiagram）过程物料流程图

UID（UtilityInstrumentDiagram）公用工程仪表管道流程图（工艺系统专业部）

UFD（UtilityFlowsheetDiagram）公用工程物料流程图

现代化学工业的发展方向：

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；Reduce

（2）、减少有害物质的使用或生成；Reduce（3）、减少废弃物，并使废弃物在系统类在利用；Recycle（4）、尽量将排放的废弃物转化为可用的再生资源；Resource（5）、尽量延长产品的生命周期。

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。

三、化工设计的内容与程序

我国化工厂基建的程序如下：

基建：

基本建设的简称，一个项目从设想到建成投产的过程。

四、化工车间工艺设计的程序与内容

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。

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：

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。

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。

2可行性研究和市场调研

初始考虑

化学工程设计项目没有一套标准的求解步骤，也没有唯一“正确”的答案。

这涉及项目中需要考虑很多不同方面的问题，最终被接受的解决方案通常是若干备选方案中“较好”的方案。

设计研究的重要特征是在每个阶段都要作出决策，并且常常需要做出妥协。

在设计的后续阶段还要重新考察前期所做出的决策，重新寻求解决方案，并重新评价方案。

设计项目的可行性研究主要包括对候选过程进行的技术和经济评价。

其目的是决定是否进入详细设计阶段以及随后的施工建设阶段。

此时需要考虑很多因素，比如法律法规、政策影响等，所有这些方面都应该在花费巨大的详细设计开始之前予以考虑。

设计项目包括一个需要解决的问题，一个项目管理人，一个项目工程师团队，以及各种截止期限。

界定问题→选定方案→剔除不可行方案→形成计划

其中包括了：

时间管理

设计的阶段：

构思和界定，流程图确定，设备设计，经济性分析，最优化，报告

信息搜集

项目内容：

生产能力，产品规格，原料，公用工程，厂址，预期的市场，生产工艺

候选方案评价（决策）：

如何制备，用途，目前的生产和销售情况，环境问题，公用工程，储运

案例：

领苯二甲酸酐的生产

技术和经济可行性研究总述

邻苯二甲酸酐（苯酐，phthalicanhydridePAN）是白色固体结晶，是环状酸酐同系物中最简单的一个。

在熔融状态，它是像水一样的无色液体。

正常沸点280℃，正常熔点131℃，但是在沸点以下很容易产生蒸气并凝华。

在低浓度下（2ppm）显示出毒性，对皮肤有强烈刺激。

与空气形成爆炸性混合物的浓度范围是1.7%~10.5%。

目前，邻二甲苯（ortho-xylene）是其主要生产原料，在20世纪70年代的主要生产原料是萘（naphthalene）。

使用空气进行固定床催化氧化工艺是目前多数生产厂家首选的方法。

苯酐的主要用途是增塑剂、聚酯、醇酸树脂和染料等。

近年来苯酐全球生产量增加缓慢。

目前，澳大利亚仅有一家公司生产苯酐，它有两个工厂，位于新南威尔士。

两个工厂建于20世纪60年代，使用萘为原料，技术落后。

在日本、韩国、中国台湾有若干大型工厂，这些工厂和该地区的其他几个生产厂的产量加在一起就可以满足当地和该区域的需求，大多数工厂实际生产量均低于设计能力20%~40%。

生产苯酐的LAR工艺是最新技术，能够以低于目前售价（0.95-1.00澳元/kg）的成本进行生产。

然而在考虑资金偿还和实际利润空间后，位于西澳大利亚的新工厂的产品售价可能高达1.45澳元/kg。

30000t/a的产能即可满足澳大利亚对苯酐的需求，并且能够有少量出口。

如果能找到合适的市场，60000t/a的生产规模也是可行的。

年产3万吨的工厂投资估计在2500万到7000万澳元之间；年产6万吨的装置投资估计在4100万到1.05亿澳元之间。

新苯酐工厂的总体可行性很大程度上取决于位于工厂附近的下游加工基地的建设。

从经济和政策的角度考虑，倾向于选择位于西澳大利亚西南Kemerton附近的厂址。

位于该区域的建设项目将得到政府的支持，因为有助于实现主要工业基地的分散化。

在该地区，高度发达的基础设施和交通条件要么已经建成，要么正在筹建。

当地的船舶制造业也是苯酐的潜在市场。

尽管工厂的日常运行会存在某些危险，还会排放出一些废气和废水，但是预计新建工厂对环境的影响将很小。

采用LAR工艺的苯酐生产厂还可以副产电力供给当地电网或者附近的工厂。

（参考文献：

1968~1996公开出版的46篇专著和期刊）

问题的确定和背景资料

总述

苯酐是一种石化中间体，用于增塑剂（PVC增塑剂）、醇酸树脂、聚酯和染料。

市售状态可以是熔融状态或者白色粉末。

几乎所有的邻二甲苯都消耗在苯酐的生产上，过去使用萘生产苯酐。

在可行性研究前期，找到合适的高纯邻二甲苯供应是至关重要的通过选用合适的催化剂，固定床反应器和流化床反应器都可以得到很高收率，因而均为可行的候选方案。

在操作时必须十分小心，因为苯酐粉尘和空气容易形成爆炸性混合物，并且苯酐自发地与多种有机化合物发生反应。

（1）背景和目标

确定待生产化学品关键化学性质，突出的市场问题以及生产中潜在的困难。

总结该化学品的主要应用领域并确定出目前的市场需求。

在此阶段还要找出可能的生产工艺，并且初步评价其可行性。

（2）邻苯二甲酸酐化学结构和物理性质

苯酐是一种无水酸衍生物，可以有邻二甲苯经过部分氧化得到，反应式如下：

C6H4（CH3）2+3O2→C6H4（CO）2O+3H2O

在室温下，苯酐是一种白色结晶固体，沸点284.5℃，熔点131.6℃，冷凝时倾向于凝华。

讲给回收系统带来麻烦。

在熔融状态，其密度是水的110~120%，粘度与水相似（0.55~1.2cp）。

苯酐具有危险性，与空气形成爆炸性混合物（140℃以上的爆炸极限是1.7%~10.5%（V%））。

含量超过2ppm时有毒性，能强烈刺激眼睛，呼吸道，皮肤和粘膜组织。

（3）应用和用途

大约50%邻二甲苯酸酐用于生产PVC的增塑剂。

其他应用领域也很重要：

不饱和聚酯（消耗全部苯酐的15%-20%）；醇酸树脂（10%-15%）及染料（酚酞和蒽醌）及其他用途。

在西澳大利亚，苯酐主要用作增塑剂，为建筑行业和汽车工业服务。

醇酸树脂可以用于造船工业。

本地无染料市场。

从20世纪50年代开始，世界范围内苯酐的生产量以每年3%-5%的稳定幅度缓慢增长，估计目前总年产量350万吨。

售价随需求和产量的起伏波动很大。

目前价格0.8-1.0美元/kg。

（4）基础化学

邻二甲苯和萘在一定条件下都可以氧化成苯酐，并伴随水的生成。

反应历程先是生成邻苯二甲酸。

如果用萘作为原料，还会生成二氧化碳副产物。

合成反应可以在液相或气相中进行，但是必须使用催化剂以实现高选择性。

反应强放热，必须设计移除反应热的方法。

根据反应式计算得到的最高产率是1.39kg（苯酐）/kg（邻二甲苯），或1.15kg（苯酐）/kg（萘）。

实际生产中的产率分别是1.09kg（苯酐）和0.95kg（苯酐）。

苯酐可以反应生成酯、盐和酸性氯化物。

其苯环可以氯化和磺化。

其他重要化学反应有：

与苯缩合生产蒽醌衍生物，与苯酚缩合生成酚酞，与尿素和金属的二醋酸盐生成酞花青金属盐。

（5）对各种候选工艺过程的评价

生产苯酐有三种可能的原料：

邻二甲苯、萘、正戊烷。

传统原料是煤焦油萘，现在最普遍的原料是邻二甲苯。

苯酐的第一个专利（BASF，1896）使用浓硫酸在汞盐作用下进行氧化。

第一个气相反应工艺在1917年获得专利。

目前苯酐生产中使用最广泛的催化剂使用钾修饰的五氧化二钒（含有钼氧化物和锰氧化物等助催化剂）。

正戊烷法是最新技术，但必须保证廉价原料供应。

影响原料选择的主要因素有：

产率，来源和成本。

此外还有催化剂，公用工程及产品质量也会影响最终选择。

由于几乎所有的邻二甲苯都用用生产苯酐，所以新建工厂不大可能从一般市场上买到充足的邻二甲苯原料。

因此，使用混合二甲苯为原料进行二甲苯分离的工厂经常与苯酐工厂建在一起。

除了原料选择以外，设计中主要考虑反应器类型。

固定床和流化床对于气相工艺都是可行的。

氧化反应可以在高和低两种不同的空气比率下实现，但是该比率对于反应器及其下有设备的设计产生显著的影响。

从世界范围来看，不同工厂采用了不同的技术，包括看似可行性较小的液相反应工艺。

典型情况下产品需要达到99.7%的纯度。

主要杂质是马来酸酐和单环芳香族化合物。

原料和产品都是人体的刺激物。

工厂操作人员在有可能接触到有害物质的任何场所都应配戴适当的安全护具。

（6）结论

●通常环境条件下苯酐是白色晶体。

它可以与空气形成爆炸性混合物，并对人体组织有刺激性，因此需要配戴适当的安全护具。

●苯酐主要作为化学中间体，用来生产增塑剂，醇酸树脂和不饱和聚酯。

●苯酐主要通过邻二甲苯用空气氧化生产，该气相催化反应是强放热反应。

●世界范围内对苯酐的需求增长缓慢，目前需求量已接近生产能力。

●对于新筹建的工厂，邻二甲苯供应是可行性研究的一项重要内容。

●反应器可以是固定床，也可以是流化床，但必须考虑采用适当的移除反应热的措施。

（7）建议

●确定该地区苯酐生产厂，对苯酐目前的供应和预期供应做出总体评价。

●确定该区域苯酐的最终用户

●确定为该区域服务的新建苯酐厂的最经济规模。

●确定倾向性的工艺路线和反应器类型。

2.1可行性研究

2.1.1初步的可行性研究

化工过程设计的可行性研究包括技术可行性和经济可行性两部分。

初步的可行性研究仅是一个最初的评价，在此阶段，可以倾向于采用某种工艺路线，但最终的生产工艺没有确定，因此，要获取各种候选工艺路线的信息并对其在特定项目中的适用性进行评价。

即考虑特定设备的设计问题，判断根据某种工艺来设计和建设工厂，并考虑排放和原料供应等问题。

同时还应定性说明过程的经济可行性。

2.1.2初步的市场调研与经济分析

分为几个步骤：

（1）确定过程中所有原料的价格（交货价格），确定拟生产化学品的售价（出厂价或市场价），确认所有原料的成本之和低于产品售价。

（2）确定产品的市场与容量。

确认市场是萎缩还是增长，分析过去5年内的销售和生产的趋势。

找出趋势中的异常情况，并分析原因。

估计能预见到的最小销售量，并分析在短期不利经济条件下该产量能否盈利或保持盈亏平衡。

比较预期销售量和待建工厂盈利时的生产能力。

（3）确定该产品的传统用途或主要用途。

将注意力集中在用途占比在60%-70%的主要用途上。

还要调研新的应用领域。

（参考各类经济数据）

（4）确定待建厂的生产能力

（5）找到生产相同产品的现有工厂的总投资数据。

这只是一个估计，准确数据要在详细设计的基础上得出。

要注意现有工厂和待建工厂间的差别，比如土地和原料费用，交通运输网络等。

（6）估计工厂可能的运行年数，计算工厂投资的回收期。

确定可能的银行贷款利率，确定每年的固定成本和利息，折算到每吨产品上，粗略估计工厂的操作费用（人工，公用工程，维护）

（7）以每年或每吨产品为基准，计算各单项成本，包括原料、固定投资偿还和操作费用等。

将各单项费用之和与预期的销售收入进行比较。

（8）经可行性研究的所有结果以清晰简明的方式进行书面总结。

指出所做的所有假设，可显著影响该研究结果的因素，以及任何特殊的当地因素。

应考虑各种可能的情形，比如销售价格的变化，原料价格的变化，出口市场的增长等，并给出对策。

不要只给出一套数据和条件，并假定只存在着一种可能性。

提出建议并给出其他备选的方法和条件。

在设计的大多数阶段，最关键的问题都是确定做出重要决定是所依据的主要因素。

影响大多数项目成败的普遍因素有：

环境问题，安全问题，工厂的经济运行。

如果可行性研究的答案是否定的，就需要按照重要性理出所有的原因，并且指出那些可能的变化会使答案变成肯定；如果答案是肯定的，则列出此结论所依据的所有假设和限定条件，并按重要性顺序排列。

2.1.3信息来源

进行文献检索，最关键的一点是提出并回答：

何种类型的信息是我想要的和实际需要的？

专利和授权许可协议是获得最新进展的唯一渠道。

在进行化学工程资源文献检索后，还可以查询化学文摘，专利文献，外文杂志，甚至与生产该产品的公司直接联系。

2.1.4对已知文献进行评价

这一点可以区分工程师和技师，应该通过分析处理所得数据，从而作出合理的决策。

设计工作总要进入下一个阶段，不应该只是单纯搜集数据，而是要指出下一步工作的方向。

设计项目工作的基本规格是3D，即Drive，Direction和Decision。

2.1.5关于文献调研的考虑

在文献调研之前应该考虑：

文献调研是必要的，还是强制要求完成的？

文献调研应该是对与项目特定方面相关的已知重要信息的综述。

文献调研之前，确定需要哪些类型的信息

设计完成之前，很难做出全面的调研。

而一旦设计完成，文献调研的大多数内容可能没有多大价值了。

设计项目包含很多阶段和方面，仅进行一次调研是不够的，在进行特定项目设计时，可能需要对该方面有用和已知的信息进行再次评价。

案例

邻苯二甲酸酐生产的初步可行性研究

（1）市场评价

生产情况

（a）世界范围生产量和市场，生产增长，原料转变，企业数量，单套装置生产规模

（b）区域范围西太平洋地区，运行和建设以及拟建装置

（c）国内范围澳大利亚ICI的企业21.5kt/a

（2）目前和未来的价格

近几年的苯酐在60-100美分/kg波动。

（3）需求

增塑剂，不饱和聚酯，醇酸树脂三块市场需求

（4）进出口

澳大利亚进出口情况大幅度波动，过去10年间，进口量1000-5000吨/年。

数量少但交易或把数量却很多（21个国家），说明没有固定的进口市场。

出口市场已消失。

尽管苯酐交易量不大，但过去10年间聚酯和醇酸树脂进口量很大。

如果苯酐终端产品的进口需求可以由本地生产厂满足，则新的苯酐工厂可以在本地找到市场。

（5）生产规模

目前进口很少，出口市场也小。

从中长期来看，由于该地区新建项目的发展，增加出口的可能性也不大。

澳大利亚目前生产设施陈旧，技术落后，如果投入新装置，现有的工厂是没有竞争力的。

基本需求可能在25000吨/年左右，预留部分发展空间，建议将工厂规模定为3万吨/年。

第二种选择6万吨。

这是基于终端产品应用市场的共同开发以及出口市场和现货市场（2万吨/年）的有利变化而确定的。

（6）产品价值和操作费用

（a）固定投资

使用两种方法估算投资，一是基于列线法，按照厂址和通货膨胀进行比例增减；二是基于最近的建设成本，然后按照规模厂址和通货膨胀进行比例增减。

列线法估算

1982年，西欧年产3万吨工厂投资2800万美元，而6万吨工厂投资4300万美元。

汇率取0.97美元兑1澳元，厂址因子1.4（西欧对澳大利亚），1990年以前通货膨胀指数取1.15（工厂成本指数），1990年到1996年通货膨胀指数取1.19（年均3%），则对于澳大利亚新建的3万吨厂，投资为7000万澳元；对于6万吨厂则为1.05亿澳元。