工艺开发与工艺设计概述 (课堂PPT)

1,2.1工艺过程开发及工艺路线选择,2.2工艺设计的内容及设计文件,2.3工艺设计中的全局性问题,第二章工艺开发与工艺设计概述,.,2,过程工业是以装置为中心进行生产的工业,整个生产工艺过程都在装置内完成。生产工艺是过程装置的软件，过程装置是实施生产工艺的硬件，因此一座工厂或一套装置设计的核心是工艺设计，它决定了整个设计的概貌，看一个工厂是否先进，首先看它的工艺是否先进。,2.1工艺过程开发及工艺路线选择,工程实例,.,3,2.1.1工艺过程开发程序,信息研究,实验性研究,可行性研究(1),小试,模型试验,中试,概念设计,可行性研究(3),可行性研究(2),初步设计,施工设计,施工,过程研究,工程设计研究,图2-1过程工业新产品开发的基本步骤,方案提出方案设计与论证方案审定方案实施,.,4,第一阶段：方案的提出,(一)信息研究,必要性:市场对开发产品的需求量，开发产品与国民经济其他部门的关系，市场前景，收益估算，社会效益以及环境污染情况等。可行性:评估科研水平、社会条件及完成该项目的可能性。,信息研究是开发新产品的第一步。若通过信息研究认为所开发的技术能带来显著的经济效益或重大的社会效益，才值得投资进行研究与开发。否则即可就此终止。,.,5,(二)实验性研究,工艺方法：如原料路线、生产路线等研究；工艺条件：温度、压力、转化率、主副反应特点、催化剂等研究；物料平衡、能量平衡和生产成本估算；原材料、半成品和产品的质量的研究；产品用途。,.,6,(三)第一次可行性研究,1、技术上是否可行,原料是否可行、可靠（原料费约等于三分之二生产费用）技术路线的可靠性（生产安全、操作简便、操作条件弹性大，生产环节少，不易出现故障）技术路线的先进性（各种技术指标，如转化率、选择率、能耗、设备生产强度、劳动和产率等的高低）,2、经济上是否可行,指投资、人力、生产费用等支出同产品销售的收入作比较，估算可能获得的经济效益和投资回收情况。,.,7,3、环境上是否可行,应评估“三废”治理程度及其对环境的影响*三废废水、废气、废渣,结论：通过对技术、经济和环境的评估，做出该产品是否值得继续开发的决定。如果行，则转入第二阶段。,.,8,第二阶段：方案设计与论证,(一)小试,1、制造样品,在此过程中，对制造工艺、制造条件及控制方法进研究，对原料、产品进行研究，最终编制初步的物料衡算和能量衡算，提出“三废”治理初步方案。,2、与实验性研究比较,结论：小试时，要通过不断改变操作条件提高反应的转化率、选择率等；并试验出分离提纯的初步方法。,.,9,(二)概念设计,1、目的,2、内容,把小试成果和工作经验相结合，进行原则流程设计。,技术上，确定流程、工艺条件、主要设备型式、三废治理措施；经济上，计算基本建设投资和产品成本等主要技术经济指标。,.,10,(三)第二次可行性研究,称作方案论证。其内容与第一次可行性研究差不多。在此之前由于有概念设计、物料衡算和能量衡算，对技术、经济的分析就比较准确。可进一步估算工厂规模、投资费用、成本及经济效益等。第二次可行性研究也要作出开发应该中止或继续的决定。若继续进行，还应对下阶段的工艺和过程的研究提出指导性意见。第二次可行性研究可以作为同有关部门签订合同的依据。,.,11,第三阶段：方案的审定,(一)模型试验,1、任务,2、内容,对数学模型法建立数学模型；对部分解析法找出放大规律。,化学反应动力学模型（探讨反应机理，主、副反应）；流动模型（通过冷模试验进行）,*冷模试验只研究物料的流动过程，而不研究化学反应，所以用空气代气体，水代液体，河沙代固体，并加入示踪剂，监测示踪剂浓度变化，建立数学方程，即流动模型。,.,12,(二)中试,1、定义,2、主要任务,3、最终目的,中试即中间试验的简称，介于小试和生产之间，如果生产规模较大，还需要进行若干逐级放大的中试。,考察从小试到中试的放大效应。,带控制点的工艺流程图、工艺参数、物料衡算和能量衡算的数据等。,.,13,(三)初步设计,总工艺流程，生产方法，工厂组成，总图布置，水、电、气的供应方式和用量，关键设备及仪表选型，全厂贮远方案，消防、劳动安全与工业卫生，环境保护及综合利用等。,1、定义,2、主要内容,根据中试结果而进行的生产规模的全面设计，是工程研究的终结，也是开发研究成果的表现形式。,.,14,(四)第三次可行性研究方案审定,第三次可行性研究除了科研人员和行政领导参加外，凡是与工程审批有关的部门(如投资部门、安全部门等)都应参与审定。审定以后，工程项目被批准，然后转入工程设计。,.,15,第四阶段：方案的实施,(一)施工设计,(二)施工,(三)竣工验收,根据概念设计和初步设计作进一步具体、完善的设计它包括定型设备的规格，非标设备的结构图、零件图以及设备布置图等。上述设计完成后还要进行管道配制、电路、控制线路等施工设计。施工设计图是工程建设的指南。,根据施工图，完成工程前期的技术准备、组织准备与物资准备，进行工程中期的设备安装，再进行工程后期的试车。,.,16,信息研究,实验性研究,可行性研究(1),小试,模型试验,中试,概念设计,可行性研究(3),可行性研究(2),初步设计,施工设计,施工,过程研究,工程设计研究,图2-1过程工业新产品开发的基本步骤,方案提出方案设计与论证方案审定方案实施,.,17,2.1.2工艺路线的选择,一、工艺路线选择的复杂性,原因：过程工业具有原料、工艺与产品的多方案性,.,18,二、工艺路线选择的步骤,(一)调查,文献专利调查。文献专利调查方法有利用文摘、索引等二次文献进行的人工检索和用存储二次文献的数据库进行的联机检索（有及时性和全面性的特点）。为了得列有关工艺的最新情报，向该项工艺技术所有者致函调查是最实际的方法。一般从工艺技术所有者那里可以获得表21所示的信息。,看书P12,.,19,(二)分析,根据调查所得到的信息，必要时再通过实验补充一些数据，进行工艺试设计，掌握技术难点。对工艺过程的灵活性，有关的特殊控制因素，工业上的效率，对能量的需求，今后发展的可能性，对废物和副产品的生成量及处置方式以及各种设备或原料是否容易得到等进行技术分析。经济方面要对原料价格的变动、产品价格变动所造成的影响及盈亏的关键因素进行分析，研究工艺在设想的经济环境中的收益性。将某一工艺工业化，并且获得预想的收益是不容易的，必须避免采用风险性大的工艺。,.,20,(三)生产成本计算,生产成本包括直接材料费、直接燃料及动力费、直接工资和职工福利费及制造费。详细计算在第3章中再讲，如下表。,.,21,（四）评价,工艺评价主要是按现行财税制度规定及产品市场价格，在生产成本和费用估算的基础上，计算所选工艺在财务上的盈利能力。具体计算与评价方法可参考32节,（五）工艺路线的选择,总的原则是：生产上安全可靠、技术上先进、经济上合理。,.,22,图2-2工艺路线选择的顺序,图,.,23,二、工艺路线选择的步骤,(一)调查,(二)分析,(三)生产成本计算,（四）评价,（五）工艺路线的选择,总的原则是：生产上安全可靠、技术上先进、经济上合理。,.,24,2.2工艺设计的内容及设计文件,2.2.1工艺设计的内容和程序2.2.2初步设计的设计文件2.2.3施工图设计的设计文件,.,25,2.2.1工艺设计的内容和程序,主要内容有：原料和技术路线的选择工艺流程设计物料衡算和能量衡算工艺设备设计与选型车间布置设计管道设计非工艺设计项目的考虑编制设计文件，包括设计说明书，附图（流程图、布置图和设备图等）和附表（设备一览表和材料汇总表等。）,上面这些内容有的在初步设计中完成，有些要在施工设计中才做。,.,26,图2-3初步设计程序,.,27,图2-4工艺与非工艺设计配合关系,.,28,2.2.2初步设计的设计文件,设计说明书；说明书的附图、附表。,设计依据设计指导思想设计范围及工厂组成建厂规模及产品方案主要原材料和燃料的规格生产方法及工艺流程、工艺计算厂址概况、公用工程及辅助工程、环境保护及综合利用工厂的机械化和自动化水平劳动安全与工业卫生、工作制度及劳动定员存在的问题及解决意见、附图和附件,.,29,2.2.3施工图设计的设计文件,(1)设计说明设计说明包括工艺设计说明，管道设计说明，隔热、隔声设计说明，防腐设计说明等。,工艺设计说明包括设计依据，工艺说明，设计范围。管道设计说明包括管道分区情况，管道图表示法有关标准，材料供应情况，设备安装的注意事项，管道预制及安装要求，管架，静电接地采用的国家及部颁标准。隔热、隔声设计说明包括隔热材料的选用，工程中遇到的隔热等级，采用的隔热、隔声结构及标准，施工要求等。防腐设计说明包括涂漆的范围，采用的涂料名称，施工要求，涂该的颜色，埋地管道的外防腐，管道的内防腐等。,.,30,(2)有关图纸图纸目录、首页图，管道及仪表流程图，分区索引图，设备布置图，设备安装图，管道布置图，软管站布置图，管道轴测图，管道轴测图索引和管段表索引，特殊管架图管架图索引特殊管件图，设备管口方位图等。,(3)有关表格设备一览表，设备地脚螺栓表，管段表及管道物性表管架表，弹簧汇总表，特殊阀门和管道附件表。隔热材料表，防腐材料表，伴热管图和伴热管表，综合材料表等。,.,31,2.3工艺设计中的全局性问题,2.3.1厂址的选择,工厂的地理位置对于企业的成败具有重大的影响，厂址选择的好坏对工厂的建设进度、投资数量、经济效益以及环境保护等方面关系密切，所以它是基本建设的一个重要环节。在选择厂址时，应该考虑:原料和市场，能源供应，气候条件，运输条件，供水条件，对环境的影响，劳动力来源，节约土地，协作条件，防灾等。,.,32,2.3工艺设计中的全局性问题,2.3.2总图布置,即工厂的总体布局，其任务是要总体地解决全厂所有的建筑物和构筑物在平面和竖向上的布置，运输网和地上、地下工程技术管网的布置，行政管理、福利及美化设施的布置等问题。,.,33,原料接收栈桥,海上出厂区,原料罐区,半成品及成品区,办公区,.,34,a生产要求：总体布局首先要求保证径直和短捷的生产作业线，尽可能避免交叉和迂回，使各种物料的输送距离为最小。同时将水、电、汽耗量大的车间尽量集中，形成负荷中心，并使其与供应源靠近，使水、电、汽输送距离为最小。b安全要求：化工厂具有易燃、易爆、有毒的特点，厂区应充分考虑安全布局遵守防火、卫生等安全规范和标准的布关规定，重点是防止火灾和爆炸的发生。c发展要求：厂区布置要求有较大的弹性，对于工厂的发展变化有较大的适应性。也就是说，随着工厂不断的发展变化，厂区的不断扩大厂内的生产布局和安全布局方面仍能保持合理的布置。,总体布局主要应该满足三个方面的要求。,.,35,2.3.3安全防火与环境保护,a设计中应考虑的防火防爆问题,b设计工作中的防毒与环境保护,.,36,2.3.4公用工程,公用工程包括动力、供排水和采暖通风等内容。a动力主要是考虑电力问题，比如搅拌机、泵、鼓风机、气体压缩机、提升机等通常都由电动机带动，有时也使用蒸汽透平。确定是使用电网的电力还是自备发电厂的电力。自备电厂除得到电力外，还有可能得到副产品蒸汽以供工艺和加热使用。使用电网电力，则需设置锅炉房，以生产蒸汽。大型厂为了综合利用能量，常使供热系统和生产装置(例如换热设备、放出大量反应热的反应器等)以及动力系统(例如发电设备、各种机、泵)密切结合，成为工艺动力装置，可降低能量消耗，甚至做到“能量自给”。,.,37,b供排水自备水源或市政供水系统。若需水量大，自备水源较为经济。自备水源可来自深井、河流、湖泊及其他蓄水系统。为节约用水，大量使用冷却水的工厂应循环利用。,.,38,c采暖通风是卫生工程，旨在保证厂房具有适宜的工作条件(温度、湿度以及洁净的空气)。因为过程工业生产在许多情况下劳动条件较差，如高温和有害气体或有侵蚀性的气体，易燃、易爆的原料和粉尘。需设置通风系统以改善劳动条件，保障安全生产。有些生产过程要求室内有一定的温度和湿度(如纤维厂)，这就需要在通风系统中考虑调节空气温度和湿度，在采暖地区还要进行冬季采暖的设计。另有一些生产过程则要求室内达到各种无菌级别的卫生要求(如某些药剂车间)。,.,39,2.3.5自动控制,针对温度、压力、流量、液位、成分和物性等参数的控制问题。其基本要求可归纳为如下三项。安全性：是指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全，通常采用参数越限报警、事故报警和联锁保护等措施加以保证。由于过程工业高度连续化和大型化的持点，通过在线故障预测和诊断，设计容错控制系统等手段，进一步提高运行的安全性。经济性：旨在通过对生产过程的局部优化或整体优化控制，达到低生产成本、高生产效率和能量充分利用的目的。稳定性：指控制系统具有抑止外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。,.,40,过程控制的任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上根据安全性、经济性、稳定性三项要求，通过对控制对象的分析综合，采用适宜的技术手段加以实现。生产过程的自动控制设计主要包括自动检测系统设计；自动信号联锁保护系统设计动操纵系统设计；自动调节系统设计等，详见第7章。,.,41,2.3.6土建设计,土建设计包括全厂所有的建筑物、构筑物(框架、平台、设备基础、爬梯等)设计。过程工业生产有易燃、易爆、腐蚀性等特点，因此对建筑有某些特殊要求，可参照“建筑设计防火规范”进行设计。为了减少爆炸事故对建筑物的破坏作用，建筑设计中的基本措施就是利用泄压和抗爆结构。在工厂的土建设计中，结构功能比式样重要得多。结构功能要适用于工艺要求，如设备安装要求，扩建要求和安全要求等。,.,42,甲醇制氢工艺设计举例物料衡算、能量衡算,氢气的用途,半导体工业：大规模和超大规模及兆位级集成电路制造。需高纯及特高纯氢气。非晶硅与太阳能电池：用于沉积大面积、高质量、均匀的Si模，要求氢气高纯。光导纤维和石英光纤的制造：用氢氧火焰加热（12001500）制造光纤预制棒，要求氢气高纯。石化工业：加氢裂化及加氢精制。,.,43,氢气的用途,许多精细化工领域，依据不同的生产规模，也需要数量大小不等的氢气。一旦生产过程需要氢气时，设计技术人员就有必要对制氢工艺路线，包括制氢原料（如价格及来源）、生产技术（是否先进）以及工艺过程（是否成熟）等进行比较和选择。,.,44,制氢工艺路线的评判与选择,依据原料及工艺路线，目前制氢的方法有以下几种：水电解法氯碱工业中电解食盐水副产氢气烃类水蒸气转化法烃类部分氧化法煤气化和煤水蒸汽转化法氨或甲醇催化裂解法石油炼制与石油化工过程中的各种副产氢合成氨厂和焦化厂的各种富含氢的废气,.,45,制氢工艺路线的评判与选择,依据原料及工艺路线，目前制氢的方法有以下几种：水电解法能耗大，趋于淘汰氯碱工业中电解食盐水副产氢气烃类水蒸气转化法目前世界应用最普遍，规模大，工艺复杂烃类部分氧化法规模大，工艺复杂，流程长煤气化和煤水蒸汽转化法氨或甲醇催化裂解法石油炼制与石油化工过程中的各种副产氢合成氨厂和焦化厂的各种富含氢的废气,.,46,甲醇蒸汽转化制氢工艺的特点,随着精细化工行业的发展，当氢气用量在2003000m3/h时，甲醇氢气转化制氢技术表现出良好的技术经济指标，受到许多国家的重视。该工艺的特点：与大规模的天然气、轻油蒸气转化制氢或水煤气制氢相比，投资省，能耗低（50%）。反应温度低（260280）。与电解水制氢相比，单位氢气成本低，一套规模为1000m3/h的甲醇制氢装置的单位氢气成本低于1.2元/m3，电解水为35元/m3。甲醇原料易得，运输、贮存方便。可以做成组装式或可移动的装置，操作方便，搬运灵活。,.,47,甲醇蒸汽转化制氢工艺设计,.,48,分离方法的选择,通常产品氢气要求纯度99.99%，COCO220106分离方法：变压吸附（PSA）：变压吸附是利用吸附剂对不同气体组分的吸附特性不同，及吸附量随压力变化而变化的特性，通过压力变换过程实现气体分离。膜分离：利用各种气体组分在透过纤维膜时的溶解度和扩散系数不同，导致不同气体在膜中的相对渗透