化工设计(3.4)2014.ppt

,化工设计：是将一个系统（例如一个化工厂、一个生产车间或一套装置等）按照其工艺要求，经工程技术人员的创造，将其全部描绘成图纸、表格及必要的文字说明，也就是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。,第二章化工厂设计概述,化工设计的重要性,化工科研成果,化工生产力,化工设计,科学研究的一般程序,研究试验,中间工厂,工程设计,题目开题报告,市场调研及论证,小试,质材,设备,工艺,数模,中试,工程研究,工程设计,根据设计性质分类,概念设计,即方案设计，是设计人员把自己的工作经验与小试结果结合起来，进行生产规模的原则流程设计。1、依据小试结果和有关文献资料，提出工业化的规模和方案，也称预设计2、再将预设计规模缩小到一定程度，制定中试方案和进行中试设计、模型研究，形成“预防大-缩小-放大”的开发放大模式。,中试设计,中间试验，介于小试和生产之间试验。当某些开发项目不能采用数学模型法放大，或其中有若干研究课题无法在小试中进行，一定要通过相应规模的装置才能取得数据或经验时，需进行中试。中试的主要目的是验证模型和数据，即概念设计中的一些结果和设想通过中试来验证。,基础设计,基础设计是新技术开发的最终结果，是工程设计的依据。其利用系统工程理论和计算机模拟技术对工艺流程与工艺参数进行优化，力求降低定额和产品成本及项目投资，提高项目的经济效益。基础设计中对关键技术有详尽的技术说明和数据。,2.1我国化工厂基建的一般程序,基建：基本建设的简称，一个项目从设想到建成投产的过程。,我国化工厂基建的程序如下：,前期资料（信息）收集整理工作,项目建议书,初步或详细可行性研究,初步决策、工程评估、最终决策,计划任务书,投资决策期（阶段）,初步设计,扩初设计,施工图设计,施工,设计及施工期（阶段）,试生产,正式投产运行,试生产期（阶段）,化工厂基建分成三个阶段，其它行业工厂的建立程序也大抵如此。,化工厂设计的工作程序,2.1.1项目建议书,定义：将收集到的有关项目的资料（信息）整理成文，由某地区、部门、企业向其上级主管部门提出的申请项目投资立项的文件。,项目建议书应该包括的主要内容（章节）：,（1）、项目的背景、意义；（2）、产品价格和市场需求预测分析；（3）、产品方案和建设规模；（4）、工艺技术路线和技术来源；（5）、原料、燃料、动力、水的供应、运输，产品运输等；（6）、厂址选择和厂址条件；（7）、环保方案；（8）、消防及安全措施；（9）、工厂定员及人力资源来源；,（10）、投资估算、资金筹措方案；（11）、基建及投资规划；（12）、经济效益初步分析与评价；（13）、结论及建议,项目建议书的实质：想投资该项目的主体，将它前期收集的所有资料（信息），经过加工（初步定量计算、并结合专家经验）处理，按以上主要章节整理成一本文件。其目的就是要打动上级决策者，让决策人下决心上该项目。,项目建议书被批准后，才能往下接着进行项目的可行性研究。,2.1.2项目的可行性研究（简称“可研”）,可行性研究的定义：根据国家、地区、行业、部门的经济整体规划或布局，对拟建项目的技术、经济和工程、安全、环保等问题进行详细的研究与分析。就该项目是否该建、是否缓建、如何建提出建议，为投资决策提供更可靠的依据。,可行性研究报告（按内容深度分）,初步可行性研究,详细可行性研究,可行性研究报告（根据资金来源、投资额、重要性）,业主自行委托,上级主管部门指定,三门峡水库,三门峡水库,1954年4月，国家计委决定，成立黄河规划委员会，在苏联专家组的指导下，编制黄河流域规划；中央决定将三门峡枢纽大坝和水电站委托苏联设计。年底，规划报告出台，仅用了8个月的时间。在这个报告里，选定三门峡水利枢纽为黄河综合利用的第一期重点工程：蓄水位350米，总库容360亿立米。,三门峡水库,三门峡水库主要任务,将黄河上游千年一遇洪水由37000立方米秒降为8000立方米秒；这样，黄河洪水的灾害即可以完全避免，黄河下游的洪水威胁自然解除。拦蓄上游全部来沙，下泄清水，实现“黄河清”，使下游河床不再淤高。调节黄河水量，初期灌溉2220万亩，远景灌溉7500万亩。装机90万千瓦，年发电量46亿度。改善下游航运。结论：巨大的综合效益（与三十多年后的三峡大坝论证结论相同）。,两个严重问题,1、水库将淹没农田207万亩，移民60万。2、泥沙淤积。虽然预留拦沙库容147亿立方米（总库容的25），若不计上游的减沙效益，水库寿命只有2530年。2530年后，黄河在三门峡处梗阻，这个问题怎么解决？,减沙方案,当时给出的方案是“水土保持”。上游水土保持住了，沙就不会流到黄河里了。所以水土保持能否奏效，直接关系三门峡工程的能否上马。在向苏联方面方提出的技术任务书里，关于泥沙，中方给出的数据是：到1967年，来沙可减少到50；50年之后，可减少100。苏联专家就此提出的修改意见是：“水土保持的措施估计得低些，是比较审慎的”，然后就象小学生做算术题一样，笔下一动就将1967年来沙改为“减少20，50年后减少50”。,三门峡水库的负面影响,高坝工程低坝运用，这意味着，仅工程本身，就浪费了大量人力、物力、财力；两次改建，包括至今还在修补那些磨损的洞和水轮机的费用；多淹没的耕地和毁坏的耕地；当时多迁移的30多万人和后来返迁的15万人；水库运用以来，由于河流自然状况的改变，库区包括渭河下游的河道整治、两岸的防洪设施、盐碱地治理，因塌岸、滑坡而必须修建的防护工程；抬高水位引起的良田盐碱化而导致的减产；在“蓄水拦沙”时期，因下放清水而冲刷了的下游生产堤内的良田。,对环境的影响,1、由于水库周围地下水位提高造成耕地盐碱化50多万亩；2、由于水库蓄水导致塌岸而损失的耕地；3、毁掉文化发祥地的珍贵文化古迹。2003年8月24日，一场特大洪灾突然降临陕西渭河流域，洪灾持续到10月5日。117人因灾死亡，20万人被迫撤离家园，大量农田、村庄被淹，直接经济损失超过10亿元。,结论,三门峡水库建成后取得了很大效益，但这是以牺牲库区和渭河流域人民的利益为代价的（水利部副部长索丽生语）；是造成渭河河床淤积抬升、南山支流倒灌的根本原因。三门峡水库建设时只论证了对防洪、灌溉、发电等方面的有利之处，却没有听从不同意见，忽视了水电站的建立可能带来的不利影响，从而导致黄河潼关段水位过高和渭河流域泥沙淤积严重，造成上游水患严重。,可行性研究报告，必须由有相应设计资质或咨询资质的单位来完成。,可行性研究报告的实质：主要内容就是项目的技术经济分析报告，要求针对业主自己做出的项目建议书的内容逐一地进行论证研究与分析。,相对于项目建议书，可行性研究报告在以下方面需要加强：（1）、重新收集信息资料，尤其是要求重新做市场预测分析；（2）、做初步的工艺计算，对项目的投资、产品成本、经济效益尽可能详细估算；（3）、加强不确定性、风险性分析；（4）、得出明确的结论与建议,项目的可行性研究十分重要，是基建程序中替国家、业主把关的关键步骤,1.总论包括项目名称、进行可行性研究的单位、技术负责人、可行性研究的依据、可行性的主要内容和论据、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.工艺技术方案包括工艺技术方案的选择、物料平衡和消耗定额、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电,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。8.节能、环境保护和安全卫生。9.工厂组织、劳动定员和人员培训。10.项目实施规则。11.项目估算和资金筹措。12.经济效益评价及社会效益评价。13.结论。案例：,2.1.3计划任务书（设计计划任务书）,来源：项目可行性报告经过论证会（评审会）通过后，上级主管部门将下达“关于项目可行性研究报告的批复”和“关于项目的设计计划任务书”。,定义：由上级主管部门对拟建项目的地点、规模、投资、建设期、劳动定员等问题，下达的“规定性”文件。它和可行性研究报告一起，共同作为项目的设计依据。,关注我国投资体制的改革问题：（1）、财政资金和限制目录；（2）、谁投资、谁决策、谁收益、谁承担风险的原则；（3）、国家宏观调控下，市场配置资源的原则。,2.1.4化工项目基建的设计阶段,化工项目设计（按设计深度）,初步设计（基础设计）,扩初设计（扩大的初步设计）,施工图设计（施工设计）,一、初步设计是设计深度最浅的设计阶段，一般只要求：1、PID图；2、物料及热量核算计算；3、对土建、公用工程提出要求；4、对工厂布置（总图）和车间布置提出要求、建议；5、工程概算；6、初步设计说明书。,这就是所谓的“三段设计（设计的三个阶段）”,二、扩初设计在初步设计的基础上，针对工程的关键技术（主要指关键设备、关键工艺）工段，补充以下文件：1、关键设备设计图纸；2、关键设备的布置图；3、关键工艺工段操作说明；4、扩初设计说明书。,注意：对于有设备创新、工艺技术创新的化工工程，扩初设计阶段是十分必要的。,但总体而言，扩初设计只是从初步设计到施工图设计的一个过渡阶段，它还不能指导施工建设。,扩大初步设计程序图,三、施工图设计这是最详细、最深入的工程设计阶段。只有它的设计文件，才能交给施工队进行施工建设。是针对初步设计或扩初设计的完全具体化。,对化工工艺部分的设计，施工图设计要出的主要文件：1、PID最终版；2、UID图；3、所有设备的施工图；4、平立面布置图；5、配管图（配管设计图）；6、施工材料明细表；7、工程预算书；8、施工图设计说明书。等等。,非工艺专业在施工设计中的主要工作内容,土建施工图、供水、供电、给排水、自控仪表线路安装。除施工图外，还就附有各部分施工说明，安装材料表、全厂设备一览表、综合材料汇总表、施工图预算表。,注意：按项目工程的大小及复杂程度、上级主管部门的要求、设计能力等情况，设计阶段分成三种情况：,简单工程：一步直接做施工图设计中等复杂工程：初步设计施工图设计复杂、创新工程：初步设计扩初设计施工图设计,最后的落脚点都是施工图设计,每步设计对要进行严格的审查,2.1.5化工项目（工程）的试生产,化工项目（工程）试生产的顺序（步骤）：,1、清理现场,2、清洗设备及管道,（水洗、气冲，并注意清洗顺序）,3、设备的单体试车,（以水代料）,4、整个工程以水代料联动试车,5、投入物料进行试试车,注意：期间穿插人员的安全、健康、工艺操作培训。,此外，试生产一般处于非正常工况。,2.2工艺包设计,1、工艺包的定义工艺包是一个专用的技术名词，特指某个化工产品生产技术方面的全部技术文件的总和。,工艺包是一个化工厂工艺的核心技术文件。,工艺包的来源,国内高等院校、研究院所,国外专利商,2、工艺包（工艺包设计）的主要内容,（1）、工艺包的范围；（2）、工艺的详细说明（原料、公用工程、产品规格，操作条件及流程说明，控制方案，物料性质等。）；（3）、物料及能量核算；,（4）、PID图；（5）、设备一览表（设备规格、材质、数量等）；（6）、布置建议；（7）、化验、检修要领等。,从工艺包的内容来看，它基本达到了工艺初步设计的深度。我国设计院基本都是从接手工艺包开始，直接做项目过程的扩初设计和施工图设计。,2.3化工工艺设计的内容与步骤,化工厂设计除了化工工艺设计外，还包括工厂总图设计、厂房土建设计、公用工程设计、外管设计等等。但化工工艺设计是整个化工厂设计的核心。,化工工艺设计贯穿初步设计、扩初设计、施工图设计每个阶段。,一个化工流程的特性（特点、特征、性能）决定于它内部的一些特性参数：,化工流程的特性参数,流程的单元结构参数,单元的种类、数量,单元之间位置关系,流股走向,关键单元设备的特性参数,关键工艺工段的操作参数,化工工艺设计的内容与步骤,第一步：流程组织（过程合成）,第二步：物料衡算及热量衡算,第三步：设备设计及选型,第四步：PFD图及PID图的设计与绘制,第五步：车间流程的平立面布置设计,第六步：主要材料表及概（预）算（工艺部分）,第七步：对流程的技术经济分析,第八步：编写工艺设计说明书,内循环优化,外循环优化,工艺设计不是一蹴而就的，要做许多回合的优化调整。,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。,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。,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。,外循环优化经常用于新厂设计时，对多个流程方案进行分析比较。,二层循环优化设计，工作量巨大，手工设计很难完成，只有靠计算机辅助设计。,从化工工艺设计的内容与步骤可以看出，设计、技术经济分析、计算机辅助化工设计三者之间的关系：（1）、设计出一个或几个较优的流程是设计的最终目的；（2）、技术经济分析是判断流程优劣的依据（标准）；（3）、计算机辅助化工设计是设计的有力手段。,注意：（1）、在PID图中，关于管路的信息、控制回路的信息十分丰富。（2）、根据设计的不同阶段，化工工艺设计的深度也相应变化。,PID图样本,2.4化工厂设计中的一些全局性问题,2.4.1化工厂厂址的选择,厂址选择是在基建的投资决策阶段必须解决的重要问题，由工艺系统专业部的总图专业牵头完成。,是项目建议书、可行性研究报告中必不可少的内容。,化工厂厂址选择的结果，直接影响到设计、投资、运营成本、生产情况。,一、化工厂厂址选择的工作程序,厂址选择准备阶段,现场考察工作,多方案比较,完成厂址选择报告,从全厂工艺及发展的眼光出发，确定用地大小，初选几处，收集当地水文、地质、天气、人文、历史、用地政策、投资政策等信息。,在项目建议书阶段不强求有选址报告，但选址报告一定要同步于可行性研究报告（或先于“可研”）完成。可以作为可行性研究报告的独立章节。,二、化工厂厂址选址的几个基本原则,1、应符合国家、地区、行业、部门发展大局的需要；2、应选在原料、燃料、动力充足，运输方便，产品销售便利的地区。并在公用工程、生活设施有良好基础的地区；3、化工厂厂址附件应该有良好、充足的水源；（化工类企业对水有强烈的需求依赖）4、应该注意节约用地及占地种类，并考虑工厂发展的需要；5、应考虑附近居民的安全与健康，厂址的气候及防灾害能力。6、避免建在国家或地区的水利、历史、自然、文化等各类保护区。,此外，厂址地方的投资及税收政策、人力资源及成本、管理是否方便、协作关系等社会因素也应综合考虑。,2.4.2化工厂总图布置,总图布置（工厂布置、总图运输），由总图专业牵头完成。,化工厂广义的“车间”包括以下部分：,化工厂,主要生产车间,辅助生产车间（机修、电仪修、中央化验室、仓库等）,服务型车间（厂区办公楼、职工宿舍、医药、食堂等）,公用工程车间（水、电、汽、气、冷冻）,主要生产车间的含义：,车间,输入物流,输出物流,特点：输入物流和输出物流，其物质在分子层面、形态、纯度等性质发生了变化。,一、总图布置的定义在全面掌握工厂工艺概况的前提下，结合厂区的各种内、外部条件，对化工厂的所有车间在厂址范围内进行合理的布局，以期获得安全、经济的人流及物流流动路线。,总图布置样图,二、化工厂总图布置的几条基本原则,1、应尽量考虑生产工艺流程的要求，避免物流交叉，缩短物流路线。并尽量减少人流和物流的交叉。,2、对公用工程有大需求的车间，应考虑其与外界的联系，并尽量靠近其供应源。同时遵守“负荷集中”原则。,3、厂区内与外界有大运输量的车间应尽量布置在厂区外缘。,4、厂区内同类型或相似类型的车间应尽量集中布置。（“同类集中”原则）（如制药厂内同类药品种、剂型集中，放射、有毒、易燃易爆类分别集中）,5、厂区布置应考虑防火、防爆及卫生健康的要求。（易燃易爆车间不要布置在厂区中央，并考虑相邻车间的安全。有粉尘、气味的车间尽量布置在下风口）,6、工厂布置应考虑工厂、车间发展的需要。,2.4.3化工厂的车间布置,一、化工厂车间的构成,生产部分,原料工段生产工段成品工段回收工段控制室,辅助部分,变配电室通风空调室车间化验室机电仪修室各类中转室,生活部分,车间办公室工人休息室浴室及更衣间卫生间,化工厂的一个车间,车间布置的任务：在化工厂总图布置的框架下，按车间生产流程的工艺要求，同时考虑安全、操作方便、设备维修、经济合理等因素，将车间内生产部分、辅助部分、生活部分的所有硬件（主要是生产流程中的所有设备），在车间厂房的