《化工设计第一章》PPT课件.ppt

化工设计 Design of Chemical Engineering 教师联系方式： 代伟 E-mail: Tel662452 办公室：8 幢 403 教学要求与安排 1. 学时: 讲课 36学时 2. 成绩评定: 平时 30% 期末 70% 3. 学习方法: 预习、听讲、复习、作业； 课堂讨论；答疑（时间？） 教 材 1. 化工设计.陈声宗 主编. 化学工 业出版社. 2008 2. 化工设计. 黄璐，王保国主编 . 化学工业出版社 .2000. 主要参考书: 1. 高等学校毕业设计（论文）指导手册化工卷 国家教委高教司 高教出版社 2. 化工设计娄爱娟 华东理工大学出版社 3. 化工设计 王静康主编 化学工业出版社 4. 化学过程设计 倪进方主编 化学工业出版社 5. 化工项目设计训练 著 余立新等译 清华大学 出版社 *综述：什么是化工设计？ 一、定义： 以化工厂或化工生产装置的建设为目的 的，在确保技术、经济、环境和安全可靠性的 前提下，设计最佳原料和工艺技术路线，通过 工艺软件的模拟分析，确定优化的工艺流程、 工艺条件、设备选型及其他非工艺专业内容。 u目的：使新建工厂或装置具有技术先进，生 产安全可靠，经济效益和环境效益优良。 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。 Chemical Design 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。 二、如何从一个化学反应变成一个工艺流程？ 化工生产一般是一个含有化学反应、混合物 分离、能量交换的连续生产过程。 其中的核心是化学反应。因为化学反应必然 和混合物分离、能量交换和流体输送有关系。 例： CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O 反应条件：有催化剂，强酸（一般采用硫酸）。 可逆反应，反应平衡常数4，即在等物质量的情 况下反应，66%的乙酸转化为乙酸乙酯。 反应温度：对反应平衡常数几乎无影响，但对反 应速度有影响。温度升高，反应速度加快。 根据这些条件，如何来设计工艺过程？ H2SO4 1.确定反应形式： 气相、液相？ 根据反应速度，温度高，反应快？气相的可能性？ 液相的条件下，温度最高是沸腾状态。 由于催化剂的存在，腐蚀问题突出，如何解决？ （材质；结构；） 确定反应温度范围。100 -110。 2.进行产物分离 转化率66%，则必须进行产物分离。 而混合物的分离依据什么？依据混合物中各组分不同的性 质：沸点/挥发度/溶解度/颗粒度/重度 分离过程是一种由无序变有序过程，必须加入能量。 产品 (组成不同的物流） 分离剂 (物质或能量) 原料物流 （一股或几股） 分离装置 3.考虑能量的交换 无论是能量分离剂还是质量分离剂，都有能量的 输入输出。 能量传递 换热设备的设计和选型。 注意：在工艺流程中，能量的变化并不改变物质 的量，所以在物料衡算中不出现换热设备。 4.注意过程的循环 反应产物与未反应原料或副产物分离后的去 向,形成了过程的循环。有了过程的循环，增加了 过程计算的难度。 反应混合分离 原 料 产品 未反应原料 一个化工生产过程的若干个过程阶段 中间缓冲罐 预处理 第一步反应 分离中间半成品 第一工艺过程阶段 中间缓冲罐 预处理 最终反应 分离 成品 第n工艺过程阶段 原料 小 结： 操作步骤： (1) 在塔釜中加入酸醇比为21(摩尔 比)的酸醇混合液,加入一定量催化 剂(浓硫酸)和带水剂。 (2)(2)加热塔釜中溶液至沸腾加热塔釜中溶液至沸腾, ,当蒸气当蒸气 到塔顶时开冷凝水到塔顶时开冷凝水, ,保持全回流操保持全回流操 作。至塔顶温度稳定后作。至塔顶温度稳定后, ,将酸醇比将酸醇比 为为2 2 1 1和含一定量催化剂和含一定量催化剂( (浓硫酸浓硫酸) ) 混合物料从塔上部进料混合物料从塔上部进料, ,调节一定调节一定 的回流比的回流比, ,使反应生产的粗酯产品使反应生产的粗酯产品 从塔顶取出从塔顶取出, ,并保持塔顶温度不变并保持塔顶温度不变 。同时从塔的下部气相出料。同时从塔的下部气相出料, ,经冷经冷 凝进入分相器分水凝进入分相器分水, ,有机相回流至有机相回流至 塔釜。每隔一定时间取塔顶粗酯塔釜。每隔一定时间取塔顶粗酯 样分析其组成样分析其组成, ,塔釜液循环。塔釜液循环。 (3)(3)按实验条件操作按实验条件操作, ,待过程稳定后待过程稳定后 以塔顶乙酸乙酯含量为考察指标以塔顶乙酸乙酯含量为考察指标, , 研究各条件对过程的影响。研究各条件对过程的影响。 工业上采用四塔流程 QuestionQuestion：直接酯化法缺点？：直接酯化法缺点？ 乙酸乙酯其它生产方法 乙醛缩合法乙醛缩合法 乙酸乙酸/ /乙烯加成酯化法乙烯加成酯化法 乙醇直接脱氢一步法制乙酸乙酯 l主要反应： 2CH3CH2OH(乙醇)CH3COOCH2CH5(乙酸乙酯)+H2(氢气) CH3CH2OH(乙醇)CH3CHO(乙醛)+H2(氢气) 2CH3CH2OH(乙醇)CH3CHOCH2CH3(乙醚)+H2O(水) (OH)CH2CHO(半缩醛)CH3CH=CHCHO(巴豆醛)+H2O(水) CH3CH=CHCHO(巴豆醛)+2H2(氢气)CH3CH2CH2CH2OH(正丁醇) CH3COCH2CH3(2-丁酮)+H2(氢气)CH3CH(OH)CH2CH3(2-丁醇) 乙醇直接脱氢一步法制乙酸乙酯 反应混合分离 原 料 产品 未反应原料 三、如何将工艺过程从概念变成现实？(工艺到工厂） 化工厂： 工艺设计和非工艺设计 1. 化工工艺设计 2. 总图运输设计 3. 土建设计 4. 公用工程（供电，供热，供排水，采 暖通风）设计 5. 自动控制设计 6. 机修，电修等辅助车间设计 7. 外管设计 8. 工程概算与预算 * 化工工程项目的可行性研究 化工厂设计：一.市场预测 （一）产品及需求分析： 1. 产品现有品种、型号、规格、质量标准情况和用途。 2. 产品国内、外市场供需情况的现状和主要消费去向。 3. 国内、外相同或可替代产品近几年已有的和在建的生产 能力、产量情况及变化趋势预测。 4. 近三年产品进出口情况。 5. 产品国内、外近期、远期需要量的预测和消费覆盖面的 发展趋势。 6. 产品的销售预测、竞争能力和进入国际市场的前景。 拟上项目 买方价格 承受能力 供方价格 替代品竞争 现有企业 间市场竞争 潜在市场对手 市场分析必需考虑的五个主要因素 项目的拟建规模 1. 1. 生产规模大型化和单机化趋势生产规模大型化和单机化趋势 例：生产能力日产100t的设备，其设备投资并非为日产能 力50t的设备投资的两倍，而是（100/50）0.6=1.516倍。 所以，单台设备或单条生产线的生产能力越大，分摊到单 位产品的投资费用就越低，单位产品分摊的固定折旧和维 修费用越低，同时，操作人员和管理人员也不必按生产能 力扩大的倍数增加。 设备大型化和单机化生产优点： 产量高，投资小 设备大型化和单机化生产缺点： 制造能力和工艺技术水平有限，生产 线可靠性要求高，任何一个环节发生故障都 导致停车，需要高素质，高技术操作人员和 设备维修人员严格管理。 2. 合理的经济规模 产品的“生命期” l定义：从新产品研制成功后投放市场到该产品 因陈旧而被淘汰的时间称为产品的“生命期”。 常见的几种市场分析的形式和存在的问题 开拓潜在市场 过去和现在 最常见 填补缺口 替代进口 国外企业和 国内沿海企 业常用 高起点、大规模 上热点项目，减 少开拓市场成本 首家引进国外技术 补缺型 挤占型 开拓型 承担开拓新 市场的风险 （二）产品价格的分析： 1. 国内、外产品价格的现状。 2.产品价格的稳定性及变化趋势预测。 3.产品内销、外销或替代进口价格确定原则和意见。 二、产品方案及生产规模 （一）产品方案的选择与比较。 （二）产品方案是否适应市场需求、符合国家产业政 策，行业发展 规划、技术政策、产品结构和国家清洁 生产的要求。 （三）生产规模和各装置的规模(以日和年产量计)确 定的原则和理由。 （四）产品、中间产品和副产品的品种、数量、规格 及质量指标。 注：老厂改建、扩建和技术改造项目要结合企业现 有内部和外部条件，对产品方案和生产规模作方案比 较，进行优选。 产品需求预测和预测方法 1.产品需求预测的步骤： 2. 产品预测方法平均增长率法 例：某产品1980年到1991年各年需求量统计如 下表，用平均增长率法预测1997年的需求量？ 产品预测方法回归分析法 专家调查法 三、原料、辅助材料及燃料的供应 （一）原料供应： 1.主要原料品种、规格，年需用量、来源及运输条件。 2.原料资源的来源、品位、开采及生产规模等情况。 3.原料来源的可靠性。 (二)辅助材料供应： 1.主要辅助材料的品种、规格、年需用量和开车需用量 及来源。 2.主要辅助材料如需进口，应说明进口的品种、规格、 进口量和拟进口的理由。 3燃料供应： （1）使用燃料的品种、规格、年需用量情况。 （2）来源及运输条件。 四、建厂条件和厂址方案 （一）建厂条件： 1. 厂址的地理位置、地形、地貌概况。 2. 工程地质、地震烈度、水文地质概况和有关的江湖海河 水文资料。 3. 当地气象条件。 4. 地区和城镇社会经济的现况及发展规划。 5. 交通运输条件和运输量的现况及发展规划。 6. 水源、供排水、防潮、排涝、防洪等情况。 7. 电源、供电、电讯等情况和发展规划。 8. 供热工程情况。 9. 环境条件。 10. 当地施工和协作条件。 11. 与城镇、地区规划的关系和生活福利设施的条件。 12. 拟选厂址目前土地使用现状、拟占地面积、需征土地 情况等。 （二）厂址方案： 1. 扼要归纳各厂址方案的优缺点，并进行技术经济 比较，是否符合安全、环保、卫生防护距离要求。 2. 推荐厂址的意见并说明理由(附厂址区域位置和厂 址方案示意图)。 注：对老厂改建、扩建和技术改造项目，应说明 承办企业基本情况并作厂址方案的比较。 厂址选择一般要求 交通便利 充足水源（水温2532） 在居民区下风向，江河下游 场地可由伸缩性（有多余空间） 有适当洼地堆放或填埋废渣 防震，地形地貌等 厂址靠近原料供应地区或销售区 选址不当的案例 松花江水污染事件 起 因 2005年11月13日下午1时45分 吉林石化公司双苯厂发生爆炸事故 事故产生的主要污染物为苯、苯胺和硝基 苯等有机物。事故区域排出的污水主要通过吉 化公司东10号线进入松花江；超标的污染物主 要是硝基苯和苯，属于重大环境污染事件。 主要污染物及其危害主要污染物及其危害 硝基苯 是无色至淡黄色油状液体，具苦杏仁 气味，易燃，微溶于水。硝基苯一旦污染水源，就会 引起水质严重恶化。硝基苯是剧毒性物质，通过呼吸 道、消化道和皮肤侵入人体，主要作用于血液、肝及 中枢神经系统，可使血红蛋白变为高铁血红蛋白，失 去运输氧的能力，引起缺氧和皮肤黏膜青紫。 专家估计大约有100吨左右 苯类污染物进入松花江水体。 硝基苯超标40倍 污染水团长约80千米，按 现在水流速度，大约需要 40小时经哈尔滨市。迫使 哈尔滨市停止供水，造成 严重水荒。 思思 考考 大城市的饮用水源? 化工厂的合理布局? 全民的环保意识? 环保单位的职责? 城市环境的脆弱性? 五、公用工程和辅助设施方案 （一）总图运输： 1. 总平面布置： 总平面布置的原则和功能划分。 竖向布置原则。 总图布置方案的比较和推荐意见(列出总图主要指标，并 附总平面布置图)。 绿化。 2. 工厂运输。 3. 工厂防护设施设置的原则和要求。 4. 排渣场。 5. 厂外工程占地及布置方案。 6. 运输车辆和设备的选择。 （二）给排水： 1. 用水量和排水量（附全厂给排水、水质表和水平衡 图）。 2. 厂内外给排水方案。 3. 主要设备的选择。 （三）供电及电讯： 1. 全厂供电： 全厂供电计算负荷及负荷等级，按装置分项列表。 供电电源选择和可靠性阐述。 供电原则及全厂供电方案比较与选择(附供电系统 图)。 主要设备表。 2. 电讯： 全厂电讯设施的组成及包括范围。 全厂电讯设施方案的选择。 设备选择（列出供电、电讯主要装备表）。 （四）供热及供风 1.供热： 全厂不同参数蒸汽的用汽量情况（附蒸汽平衡图）。 供热或热电车间规模的比较和确定。 供热或热电车间技术方案的比较和选择。 2.供风： 全厂压缩空气负荷。 供风方案。 主要设备。 （五）空分及制冷站。 （六）贮运设施及机械化运输。 （七）工厂外管网。 （八）采暖、通风及空气调节。 （九）维修(机修、仪修、电修、建修)。 （十）土建(建筑物、构筑物)。 （十一）生活福利设施。 六、节能 根据国家计委颁布的固定资产投资工程可行性 研究报告节能篇（章）编制及评估的规定（计交 能19972542号文）的要求编制。文件规定： 可研报告无节能篇，主管部门不予受理。 （一）能耗指标及分析： 1. 项目能耗指标： 分品种实物能耗总量、综合能耗总量。 单位产品综合能耗、可比能耗情况。 2能耗分析： 列出单位产品能耗。主要工艺能耗指标,并做国内 外对比分析。 （二）节能措施综述： 1. 主要工艺流程采用节能新技术、新工艺情况。 2. 说明所选择的机电产品是否符合节能原则。 3. 余热、余压、放散可燃气体回收利用措施。 4. 炉窑、热力管网系统采用的保温措施。 5. 工业锅炉采用热电联产措施。 七、环境保护 （一）厂址与环境现状： 1. 厂址的地理位置和自然条件。 2. 厂址环境现状与分析。 3. 老厂“三废”排放及环境保护现状。 （二）执行的环境质量标准及排放标准(或说明可参考 的国外标准)。 （三）建设项目的主要污染源及污染物： 1.主要污染源、污染物排放点。 2.主要污染物类型、排放量、所含有害有毒物质的成 份、排放浓度、排放方式。 例：我国磷肥工业因难以解决工业废物磷石膏排 放问题，严重制约该产业的发展。 环 保 工 程 综合利用或回收方案的比较。 “三废”处理技术与措施方案的技术可行性和 经济合理性论述。 生产原料路线、工艺技术路线、综合利用和 环保技术是否符合清洁生产的要求。 环境保护与综 合利用 环境保护费用 环境保护设施和投资估算(万元)明细表，占 工程建设投资的比例(%)。 预计达到的效果，全厂“三废”设计排放状况。 注：老厂改、扩建和技术改造项目应与原有生产系统结合，论述环境影响状况。 八、劳动保护与安全卫生 按照劳动部关于生产性建设工程项目职业安全卫生监察 的暂行规定（劳字198848号文）的具体要求编制。 （一）劳动保护与安全卫生： 1. 建设项目生产过程中职业危害因素的分析。 2. 职业安全卫生防护的措施。 3. 事故应急措施。 4. 劳动保护设施投资，占工程建设投资的比例(%)。 （二）消防： 1.工程的消防环境现状。 2.工程的火灾危险性类别，民用建筑类别。 3.消防设施和措施。 4.消防设施投资，占工程建设投资的比例(%)。 注：老厂改建、扩建和技术改造项目应与原有生产系 统结合，论述劳动安全的情况。 九、企业组织及定员 （一）企业经营体制和组织机构： 1. 企业经营体制： 股份制公司应说明其类型(股份有限公司或有限责任 公司)、设立方式(发起或募集式)、股权设置(国家股、法 人股、个人股、外资股)及各股权比例、主要股东及出资 额等重要事项，附设立公司的申请书和章程。 联营企业说明联营各方名称、各方所有制类别及联 营方式，说明联营协议的主要内容并附联营协议书。 中外合营(或合作)项目，应说明合营(或合作)外方的 国别(或地区)、外方企业名称，说明合营协议的主要内容 并附合营(或合作)协议书。 2.企业组织机构：扼要说明管理机构、生产和辅助生产 车间的设置情况。 （二）企业定员： 列出企业的总定员表及生产运转班制，包括主 生产装置定员、辅助生产设施定员、系统与公用 工程定员和行政管理定员。 说明定员来源，实际新增人员数与老厂分流人 员数，以及对员工素质要求和培训计划。企业或 装置定员水平必须与国际同类企业或装置基本相 近。 十、项目实施规划 实施进度规划实施进度规划 建设期的规划建设期的规划 建设周期内拟分几个阶段进行。 建设周期总时间：应按设计定额 和工程定额确定合理的时间周期。 各阶段实施进度规划。 项目实施规划进度表或实施规划 网络图。 十一、投资估算和资金筹措 （一）投资估算： 1. 建设投资估算： （1）投资估算编制的依据和说明。 （2）单项工程的投资估算。 （3）建设投资估算：包括固定资产费用、无形资产费 用、递延资产费用及预备费。估算包括： 静态部分是指建设项目的设备购置费(含工器具)、 建筑工程费、安装工程费、工程建设其他费用； 动态部分是指建设项目由于物价等变化所需的费用 。(附建设投资估算表,并注明环保投资）。 （二）资金筹措： 1.资金来源： （1）项目资本金(含30%铺底流动资金)：根据 集团公司对不同行业项目资本金比例的要求，详细 说明项目资本金筹措情况，包括出资方、出资方式 、资本金来源及数额、资本金认缴进度等。 （2）贷款资金： 人民币长期贷款渠道、金额和贷款条件。 外汇长期贷款渠道、金额和贷款条件。 2. 资金运筹计划： 逐年(或半年)资金筹措数额和安排使用规划。 十二、经济效益评价 （一）产品成本和费用估算： 1. 成本和费用估算依据及说明。 2. 生产成本和费用估算。 3