化工設計-1

1、化工設計（Chemical Engineering Design）課程概論,一、化工設計課程的基本情況,1、本課程的主要內容,（1）化工廠設計及化工工藝設計；（2）化工技術經濟分析與評價；（3）計算機輔助化工設計。,2、本課程的特點,（1）綜合性（多專業(yè)基礎課知識的綜合與集成）；（2）實踐性（面向實際化工工藝設計、化工廠設計的工程運用）；,3、教學的目的,（1）了解國內外有關化工工藝設計、化工廠設計的先進理念；（2）掌握化工工

2、藝設計的內容、步驟及方法。,課程目標,對化工設計階段的劃分，各設計階段的工作內容和設計文檔有一個總體的了解；能夠在設計工作中自主地綜合運用化學、熱力學、單元操作、化學工藝學、化學反應工程、化工機械與設備等專業(yè)基礎知識；初步掌握一種通用和一種化工專業(yè)CAD工具軟件，以及基本的化工CAD方法；完成模擬項目的設計。,4、本課程學習的教材及參考書,（1）陳聲宗. 化工設計（第三版），化學工業(yè)出版社，2012年；（2）王靜康. 化工過程設

3、計，化學工業(yè)出版社，2006年；（3）曹湘洪主編. 石油化工流程模擬技術進展及應用，中國石化出版社；（4）中國石化集團上海工程有限公司編. 化工工藝設計手冊（第四版）（上、下冊），化學工業(yè)出版社；（5）時鈞、汪家鼎、余國琮、陳敏恒，化學工程手冊，化學工業(yè)出版社，2002年；（6）上海醫(yī)藥工業(yè)設計研究院主編，化工設計手冊，化學工業(yè)出版社，2003年；（7）蘇健民，化工技術經濟，化學工業(yè)出版社，2002年；（8）彭秉璞，化工系統(tǒng)

4、分析與模擬，化學工業(yè)出版社，2001年。,Δ現(xiàn)代化學工業(yè)覆蓋的范圍,我國化學工業(yè)的分類與美國、歐盟關于化學工業(yè)的范疇有一些區(qū)別，但逐步在接軌，按美國、歐盟的化學工業(yè)年鑒，現(xiàn)代化學工業(yè)覆蓋以下范圍：,現(xiàn)代化學工業(yè),,石油化工（包括其衍生的有機化工）,煤化工（包括其衍生的有機化工）,無機化工,精細化工及中間體,化肥工業(yè),農藥工業(yè),醫(yī)藥工業(yè),輕工（造紙、玻璃、塑料、合成橡膠等）,染料、油墨、化妝品、清潔劑,生物化工,二、化工設計概論,1、化學

5、工業(yè)覆蓋的范圍及其在現(xiàn)代經濟體系中的地位,Δ化學工業(yè)在現(xiàn)代經濟體系中的地位,化學工業(yè)是所有高新技術產業(yè)的支撐工業(yè)，如能源、電子、信息、生物、材料等領域，都離不開化學工業(yè)提供的物質支撐。,化學工業(yè)絕不是所謂的“夕陽產業(yè)”，它現(xiàn)在仍然正在平穩(wěn)高速的發(fā)展，將來必將持續(xù)快速發(fā)展。,,,,2、化學工業(yè)的發(fā)展方向、化學工程倫理學及責任關懷制度,2.1 現(xiàn)代化學工業(yè)的發(fā)展方向,人類發(fā)展化學工業(yè)的目的：滿足人類對化學物質（分子式、數(shù)量、質量、多尺度形態(tài)

6、）的不斷需求。,現(xiàn)代化學工業(yè)發(fā)展方向,,新物質,經濟合理的大批量,高質量,柔性化,綠色化,多尺度,,化學工業(yè)綠色化的含義：,以“減量化、再利用、資源化”為基本原則，也就是所謂的“3R”原則。 （Reduce、Recycle、Resource）,具體體現(xiàn)在：,（1）、減少化工過程的能耗、物耗；（2）、減少有害物質的使用或生成；（3）、減少廢棄物，并使廢棄物在系統(tǒng)類在利用；（4）、盡量將排放的廢棄物轉化為可用的再生資源；（5）

7、、盡量延長產品的生命周期。,,Reduce,,Recycle,,Resource,2.2 化學工程倫理學及責任關懷制度,在化學工程領域實施注冊工程師制度，在化學工程師心目中樹立倫理學觀念，建立責任關懷制度。開始逐步成為國際化學工程領域的一個發(fā)展大趨勢。,倫理學理念體現(xiàn)在：,（1）、自覺維護化工過程的安全；（2）、自覺保護環(huán)境的意識；（3）、自覺節(jié)約資源的意識；（4）、對業(yè)主、化工廠操作人員、同事負責的精神。,責任關懷制度的含義：,

8、（1）、提高對安全、健康、環(huán)保、資源的認知和行動；（2）、充分報道成績、行動計劃，但不回避缺陷；（3）、與公眾溝通，并傾聽意見的日?；?，等等。,,3、化工設計的目標及內容,化工設計的主要目標：,確定最佳流程及最佳操作條件，達到最優(yōu)投入產出比。在定量計算的基礎上，結合專家的經驗，考慮安全、健康、環(huán)保的因素，確定出一個綜合的設計方案。,化工設計的內容：,其基本核心內容是化工工藝設計，其附帶內容是針對化工工藝設計，對它的配套部分如公用工程

9、、外管設計等進行深入設計和完善。,4、計算機輔助過程設計——軟件工具,Aspen Tech 的Aspen One for Engineering系列軟件工具，主要軟件包括：Aspen Plus，Aspen Properties ，Aspen Energy Analyzer，Aspen Process Economic Analyzer ，Aspen HISYS　等。,Advanced System for Process Eng.,另

10、外還有：SimSci 的Pro II 。ChemStations 的ChemCAD。WinSim 的 DesignII,我國最早由寰球工程公司、中國成達化學工程公司（原化工部八院）等單位于上世紀90年代率先引進ASPEN軟件系統(tǒng)。現(xiàn)在，國內各設計院基本都已經使用ASPEN或Process II軟件系統(tǒng)進行計算機輔助化工過程設計。,,5、化工設計的類別和任務,提出項目建議書,工程設計,可行性研究,應用基礎研究,應用研究,施工建設,投

11、產驗收,正常生產,,,,,,,,,,概念設計,工程設計,,,,編制設計任務書,項目建議書,定義： 將收集到的有關項目的資料（信息）整理成文，由某地區(qū)、部門、企業(yè)向其上級主管部門提出的申請項目投資立項的文件。（即由建設單位編制）,項目建議書應該包括的主要內容：,（1）、項目的背景、意義；（2）、產品價格和市場需求預測分析；（3）、產品方案和建設規(guī)模；（4）、工藝技術路線和技術來源；（5）、原料、燃料、動力、水的供應、

12、運輸，產品運輸?shù)?；?）、廠址選擇和廠址條件；（7）、環(huán)保方案；（8）、消防及安全措施；（9）、工廠定員及人力資源來源；,,（10）、投資估算、資金籌措方案；（11）、基建及投資規(guī)劃；（12）、經濟效益初步分析與評價；（13）、結論及建議,項目建議書的實質： 想投資該項目的主體，將它前期收集的所有資料（信息），經過加工（初步定量計算、并結合專家經驗）處理，按以上主要章節(jié)整理成一本文件。其目的就是要打動上級決策

13、者，讓決策人下決心上該項目。,項目建議書被批準后，才能往下接著進行項目的可行性研究。,可行性研究階段,6、化工設計的具體內容與工作程序,工程設計階段,建設施工階段,投產驗收階段,應用研究階段,,編制設計任務書,,過程概念設計,中試裝置設計,項目的可行性研究,可行性研究的定義： 根據(jù)國家、地區(qū)、行業(yè)、部門的經濟整體規(guī)劃或布局，對擬建項目的技術、經濟和工程、安全、環(huán)保等問題進行詳細的研究與分析。就該項目是否該建、是否緩建、如何

14、建提出建議，為投資決策提供更可靠的依據(jù)。,可行性研究的目的：,,,Δ從原料、經過各個工藝過程、到產品，行否？Δ產品是否有銷路？可銷時間周期？有多少效益？Δ通過分析比較，從而選擇出技術上先進，經濟上合理的優(yōu)化方案，以保證獲得盡可能好的經濟效益。,Δ供主管部門審批；Δ作為編制設計任務書的依據(jù)；Δ作為初步設計的基礎。,可行性研究報告的用途：,可行性研究報告的內容：,可行性研究報告內容很多，可歸納為三大部分：（1）市場調查（2）技術

15、方案（3）經濟評價,可行性研究報告的實質： 主要內容就是項目的技術經濟分析報告，要求針對業(yè)主自己做出的項目建議書的內容逐一地進行論證研究與分析。,相對于項目建議書，可行性研究報告在以下方面需要加強：（1）重新收集信息資料，尤其是要求重新做市場預測分析；（2）做初步的工藝計算，對項目的投資、產品成本、經濟效益盡可能詳細估算；（3）加強不確定性、風險性分析；（4）得出明確的結論與建議,設計任務書,設計任務書由建設單位

16、的有關主管部門委托設計單位或技術咨詢單位編制。,設計任務書批準后不得隨意修改。如確需改變，需經原批準單位審批。批準后的任務書是進行化工廠初步設計的依據(jù)。,,,設計任務書的內容，各類項目不盡相同，大中型項目應包括以下內容：(1) 建設的目的和依據(jù)(上級確定任務的文件或指示)。(2) 建設規(guī)模，職工人數(shù)和組織管理制度(3) 產品方案(或工藝原則)，銷路，盈利水平和竟爭能力。(4) 原材料、燃料、動力(煤、電、油及廠礦內的熱平衡)供

17、水、運輸條件。(5) 占地環(huán)境條件，與其它企業(yè)關系，與城市規(guī)劃的關系。,設計任務書的內容,設計任務書的內容（續(xù)）,（6）環(huán)境影響與評價，三廢綜合利用。（7）投資控制數(shù)，資金來源，經濟效益預測和投資回收年限。投資估算與初步設計預算的誤差應不大于±10%。（8）設計單位，設計進度，設計階段的確定，及建廠期限和工期。（9）技術經濟總評價。（10）存在問題和解決辦法。,,工程設計階段,初步設計,施工圖設計,初步設計的內容：

18、 ·工藝流程詳細設計 ·物料衡算 ·熱量衡算 ·設備工藝特性設計 ·非工藝專業(yè)配套設計 ·工廠布置設計 ·工程概算,非工藝專業(yè)配套設計包含：,（1）土建設計（2）設備設計（3）給排水設計（4）自動控制與儀表設計（5）熱工設計（6）電氣設計（7）采暖通風（8）安全和環(huán)保設計,,初步設計的作用,（1）為項目實施方案的審批提供依據(jù)；（2

19、）作為施工圖設計基礎；（3）提供項目訂貨依據(jù)（原材料、定型設備等）；,初步設計的評審,初步設計結束后,一般要進行專家評審, 評審通過后才能進行施工圖設計。 到初步設計階段結束為止, 前面所做的一切工作稱為項目建設的前期工作, 施工圖設計及以后的各項工作, 稱為項目建設的后期工作。,其中，各種圖紙隨設計的深入，分成多個版本。,（1）工藝流程示意圖 Process Block Diagram (2) 過

20、程物料流程圖（PFD) Process Flowsheet Diagram (3)帶控制點的物料流程圖(PID) Process Instruments Diagram (4) 管道及儀表流程圖（P&ID) Piping & Instruments Diagram (5)計算機模擬流程圖 Flowsheet for Simulation（6）公用工程儀

21、表管道流程圖（UID) Utility Instrument Diagram（7）公用工程物料流程圖（UFD) Utility Flowsheet Diagram,工藝流程圖的主要類型,工藝流程示意圖,,物料流程圖（PFD）,,帶控制點物料流程圖 Process Instruments Diagram（PID）,,管道及儀表流程圖Piping & Instruments Diagram(P&I

22、D),,計算機模擬流程圖,,施工圖設計包括：管道及儀表流程設計車間布置設計管道布置設計保溫和防腐設計工程預算,施工圖設計,,施工圖設計是最詳細、最深入的工程設計階段。只有它的設計文件，才能交給施工隊進行施工建設。是針對初步設計或擴初設計的完全具體化。,對化工工藝部分的設計，施工圖設計要出的主要文件：1、PID最終版；2、UID圖；3、所有設備的施工圖；4、平立面布置圖；5、配管圖（配管設計圖）；6、施工材料明細表；

23、7、工程預算書；8、施工圖設計說明書，等。,按項目工程的大小及復雜程度、上級主管部門的要求、設計能力等情況，設計階段分成三種情況：,簡單工程： 一步直接做施工圖設計中等復雜工程： 初步設計 施工圖設計復雜、創(chuàng)新工程： 初步設計 擴初設計 施工圖設計,,,,最后的落腳點都是施工圖設計,施工圖設計注意事項：,（1

24、）施工圖設計一般不再上報審批，由設計單位負責，故不能隨意改動初步設計，如確實非改不可，則應另行編制修改概算，并報原審批部門核準。（2）各設計專業(yè)間的聯(lián)系十分密切，設計條件多次往返，故一定要做好各專業(yè)間的協(xié)同配合。,建設施工階段:,駐現(xiàn)場設計代表解釋設計文檔設計方案調整監(jiān)督施工單位嚴格按設計方案施工,投產驗收階段:,指導開車過程考核設計指標驗收結題,化工廠廠址選擇的工作程序,廠址選擇準備階段,,現(xiàn)場考察工作,,多方案比較,,完

25、成廠址選擇報告,從全廠工藝及發(fā)展的眼光出發(fā)，確定用地大小，初選幾處，收集當?shù)厮?、地質、天氣、人文、歷史、用地政策、投資政策等信息。,在項目建議書階段不強求有選址報告，但選址報告一定要同步于可行性研究報告（或先于“可研”）完成?？梢宰鳛榭尚行匝芯繄蟾娴莫毩⒄鹿?jié)。,7、 化工廠設計中的一些全局性問題,7.1 化工廠廠址的選擇,廠址選擇是在基建的投資決策階段必須解決的重要問題，由工藝系統(tǒng)專業(yè)部的總圖專業(yè)牽頭完成。廠址選擇的結果，直接影響到

26、設計、投資、運營成本、生產情況。,化工廠廠址選址的幾個基本原則,（1）應符合國家、地區(qū)、行業(yè)、部門發(fā)展大局的需要；（2）應選在原料、燃料、動力充足，運輸方便，產品銷售便利的地區(qū)。并在公用工程、生活設施有良好基礎的地區(qū)；（3）化工廠廠址附近應該有良好、充足的水源； （化工類企業(yè)對水有強烈的需求依賴）（4）應該注意節(jié)約用地及占地種類，并考慮工廠發(fā)展的需要；（5）應考慮附近居民的安全與健康，廠址的氣候及防災害能力。（6）避免

27、建在國家或地區(qū)的水利、歷史、自然、文化等各類保護區(qū)。,,此外，廠址地方的投資及稅收政策、人力資源及成本、管理是否方便、協(xié)作關系等社會因素也應綜合考慮。,7.2 化工廠總圖布置,總圖布置（工廠布置、總圖運輸），由總圖專業(yè)牽頭完成。,化工廠廣義的“車間”包括以下部分：,化工廠,,主要生產車間,輔助生產車間（機修、電儀修、中央化驗室、倉庫等）,服務型車間（廠區(qū)辦公樓、職工宿舍、醫(yī)藥、食堂等）,公用工程車間（水、電、汽、氣、冷凍）,主要生產車

28、間的含義：,車間,,,輸入物流,輸出物流,特點： 輸入物流和輸出物流，其物質在分子層面、形態(tài)、純度等性質發(fā)生了變化。,總圖布置的定義 在全面掌握工廠工藝概況的前提下，結合廠區(qū)的各種內、外部條件，對化工廠的所有車間在廠址范圍內進行合理的布局，以期獲得安全、經濟的人流及物流流動路線。,總圖布置樣圖,化工廠總圖布置的幾條基本原則,（1）應盡量考慮生產工藝流程的要求，避免物流交叉，縮短物流路線。并盡量減少人流和物流的

29、交叉。,（2）對公用工程有大需求的車間，應考慮其與外界的聯(lián)系，并盡量靠近其供應源。同時遵守“負荷集中”原則。（3）廠區(qū)內與外界有大運輸量的車間應盡量布置在廠區(qū)外緣。（4）廠區(qū)內同類型或相似類型的車間應盡量集中布置。（“同類集中”原則）（如制藥廠內同類藥品、劑型集中，放射、有毒、易燃易爆類分別集中）（5）廠區(qū)布置應考慮防火、防爆及衛(wèi)生健康的要求。 （易燃易爆車間不要布置在廠區(qū)中央，并考慮相鄰車間的安全。有粉塵、氣味的車間盡量

30、布置在下風口）（6）工廠布置應考慮工廠、車間發(fā)展的需要。,7.3 化工廠的車間布置,化工廠車間的構成,,生產部分,,原料工段生產工段成品工段回收工段控制室,輔助部分,,變配電室通風空調室車間化驗室機電儀修室各類中轉室,生活部分,,車間辦公室工人休息室浴室及更衣間衛(wèi)生間,化工廠的一個車間,車間布置的任務： 在化工廠總圖布置的框架下，按車間生產流程的工藝要求，同時考慮安全、操作方便、設備維修、經濟合理

31、等因素，將車間內生產部分、輔助部分、生活部分的所有硬件（主要是生產流程中的所有設備），在車間廠房的三維空間內進行合理的布局。,車間布置（車間平立面布置）,,車間各層平面布置圖,車間的立面布置圖（各種剖面）,車間平立面布置需要的主要資料：1、化工廠總圖布置圖，廠房土建結構圖；2、PID圖；3、物料衡算及能量衡算結果、物性數(shù)據(jù)；4、設備一覽表（尺寸、重量、安裝及保溫情況）；5、車間公用工程用量及車間外管情況；6、車間定員（人數(shù)

32、、男女比例、倒班情況）。,車間平立面布置樣圖,化工廠總圖布置與車間布置的關系：（1）總圖布置是大局，車間布置是局部。車間布置服從于總圖布置；（2）總圖布置先完成，再進行車間布置。少數(shù)情況下，二者可能同步進行。,8、設計結果的表達與設計文檔的編制,設計文檔的主要類型,,電子文檔,過程穩(wěn)態(tài)模擬模型過程動態(tài)模擬模型設備ＣＡＤ模型工廠三維模型,,可打印文檔,設計說明書工程圖紙設計條件表、圖設備、材料一覽表經濟分析圖表,,設計說

33、明書的主要類型：,項目建議書可行性研究報告初步設計說明書施工圖設計說明,初步設計說明書的內容 HG/T 20688-2000,,1.總論　 2. 技術經濟3. 總圖運輸　　 4. 化工工藝及系統(tǒng)5. 布置與配管 6. 空壓站、氮氧站、冷凍站6. 廠區(qū)外管　　 8. 分析化驗9. 設備(含機泵、工業(yè)爐) 10. 自動控制及儀表 11. 供配電

34、 12. 電信13. 土建 14. 給水、排水15. 供熱系統(tǒng) 16. 采暖通風與空氣調節(jié)17. 維修 18. 液體原料、產品儲運19. 固體原料、產品儲運 20. 全廠設備、材料倉庫21.消防專篇 22. 環(huán)境保護專篇23. 勞動安全衛(wèi)生專篇 24. 節(jié)能專篇25. 行政管理設施及居住區(qū)

35、26. 概算,初步設計說明書的內容——化工工藝,,1、概述 2、生產流程簡述 3、工藝計算概述及結果 4、主要設備選型及計算 5、原材料、動力消耗定額及消耗量 6、主要生產控制指標 7、機構及定員 8、三廢治理措施 9、生產成本估算10、附錄圖紙和表格,化工設計工程圖紙的主要類型,,工廠布置圖工藝流程圖設備圖設備布置圖管道圖,化工設計條件表、圖的主要類型,,非定形設備條件表、圖土建條件表、圖