化工设计教案

1、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

2、)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1、 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： 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。 近代化学工

3、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。 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、

4、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

5、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。2、 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

6、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

7、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（Process Instrument Diagram） 带控制点的工艺仪表管道流程图 （工艺专业部）PFD（Process Flowsheet Diagram）过程物料流程图UID （Utility Instrument Diagram）公用工程仪表管道流程图 （工艺系统专业部）UFD（Utility Flowsheet Diagram）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、

8、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）

9、、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

10、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

11、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，phthalic anhydride PAN）是白色固体结晶，是环状酸酐同系物中最简单的一个

12、。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

13、、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

14、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：19681996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

15、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

16、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110120%，粘度与水相似（0.551.2cp）。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%

17、-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

18、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

19、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

20、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l 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。l 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。l 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。l 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。l 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。l 反应器可以是固定床

21、，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l 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。l 确定该区域苯酐的最终用户l 确定为该区域服务的新建苯酐厂的最经济规模。l 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

22、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

23、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。

24、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

25、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

26、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

27、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

28、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。最近建设估算1983年1月日本建成

29、年产6万吨苯酐的工厂花费40.3亿日元（不包括专利使用费和工程费用或催化剂费用）。如果这些附加费用按照总费用20%估算并使用当前的汇率，则折算总投资为2300万澳元。考虑地域因子和通货膨胀以后得到的估算数值为4100万澳元。使用0.7的规模校正指数，则年产3万吨的工厂需要投资2500万澳元。（b）操作费用1987年使用邻二甲苯为原料的苯酐厂总操作费用估计为46.3美分/kg。其中原料费用33.3美分/kg（1.01kg苯酐/kg原料），公用工程费用1.2美分/kg，催化剂费用0.5美分/kg，固定成本（工资，维修，管理，税收，保险等）4.5美分/kg以及工厂折旧费（按投资的10%计）6.6美分

30、/kg。根据地域、通货膨胀和原料成本浮动作适当调整后，1996年澳大利亚苯酐厂的生产成本（即总的操作费用）估计为0.87澳元/kg。（c）大致的售价确定苯酐最终售价是需要考虑操作成本、投资偿还和其他固定成本、运输成本以及要求的利润空间。由于西澳大利亚距离潜在的市场位置较远，初步估计运输费用为0.03澳元/kg（对于原料）和0.07澳元/kg（对于产品，为保证苯酐处于熔融状态需要加热和保温）。投资偿还与工厂的规模有关，出估计为0.08-0.2澳元/kg（以10%利率计），因此，盈亏点价格为1.10-1.20澳元/kg。按照目前苯酐售价0.95-1.00澳元/kg，似乎没有什么盈利空间，如果要是改

31、项目可行而设置20%的利润率，则最终售价将上升到1.45澳元/kg。如此价位已经是商业销售的上限，将成为影响产品在开放市场中竞争力的主要障碍。在这种条件下，如果没有政府补贴，产品将没有用户。除了预计的生产成本之外，当地新建邻苯二甲酸酐工厂的可行性还取决于一些其他因素。有若干大型石化工厂组成的新工业园区这一发展计划可能得到政府的支持。这种支持在项目开发的前几年可能以补贴的形式出现，其目的是使这些工厂为西澳大利亚和整个澳大利亚长远经济发展做出贡献。增加此工厂可行性的最可能的选择是同时兴建下游加工项目，比如聚酯生产厂。如果若干个工厂作为一个发展项目来共同建设，则某个厂的少量亏损可以由其他厂的盈利来弥

32、补。从目前市场情况看，对苯二甲酸工厂（使用来自二甲苯工厂的对二甲苯作为原料，而二甲苯工厂同时给苯酐工厂供应邻二甲苯原料）可能会非常盈利，另外澳大利亚政局稳定，应利用这一优势；因为对于该区域内的其他竞争对手而言，供货的连续性是一个很大的隐患。在这一点上，合同谈判时西澳大利亚就比较有优势。（7）结论l 目前世界范围内苯酐生产量正接近其生产能力（350万吨/年），年增长率3%-5%，而在这之前经历了很长时间的开工不足。l 90%的邻苯二甲酸酐用邻二甲苯作为原料。1971年以后新建的工厂均不使用萘作为原料。l 西太平洋区域的苯酐生产主要由日本、韩国和中国台湾控制，总声场能力达到了63万吨/年。该区域计

33、划建设或正在建设的邻苯二甲酸酐项目的生产能力还有25万吨/年。l ICI公司下属的两个工厂在澳大利亚新南威尔士的Rhodes 和Mayfield两地生产2.15万吨/年的苯酐，这是西太平洋地区规模最小也是唯一使用萘作为原料的工厂。l 在西澳大利亚没有邻苯二甲酸酐生产厂，也没有主要的苯酐最终工业用户。l 现货市场上，熔融态的苯酐产品售价0.95-1.00澳元/kg，实际价格正在下降。l 98%的邻苯二甲酸酐消耗在三种主要的产品上：增塑剂、不饱和聚酯、醇酸树脂。l 聚酯树脂的需求是增长的，增速机的需求是稳定的，而醇酸树脂的需求是下降的。总体需求缓慢上升。l 澳大利亚的苯酐进口量经常变化，其平均数不

34、超过5000吨/年。l 通过使用邻二甲苯作为原料、使用更好的催化剂以及事实能量综合利用等新技术可以使生产成本降低25%；澳大利亚的工厂目前正在非常不利的经济条件下运转。l 邻二甲苯的价格与对二甲苯的价格是关联的，对二甲苯价格目前由于需求旺盛而上涨很快。l 如果将邻苯二甲酸酐工厂建在西澳大利亚，那么它的生产能力应该是3万吨/年。市场份额的占领镜通过逼迫ICI关闭其在新南威尔士的工厂以及发展当地的苯酐最终用户来实现。如果建造更大规模的工厂（6万吨/年），则必须采取进攻性的市场手段来获得部分出口市场。l 用列线法估算投资分别是7000万澳元（3万吨/年规模）和1.05亿澳元（6万吨/年规模）；用最近

35、建设费用法估计的投资分别是2500万澳元和4100万澳元。l 操作费用估计为0.87澳元/kg苯酐。盈亏平衡点的售价估计为1.10-1.20澳元/kg苯酐。l 建厂计划的可行性取决于其他一些因素，比如政府支持，下游加工业或者专门合同。（8）建议l 选择经济上最可行的邻苯二甲酸酐生产工艺。l 确定主要设备的尺寸和其他设备要求l 提出工厂布局，确定空间需求l 考察在西澳大利亚新建苯酐工厂的可能厂址。l 进行更加详细的成本核算已确定最佳的工厂规模l 确定关键的工艺条件，评价环境影响。l 与政府和工业界商榷，成立一个化学品集团公司以探讨可能的协作发展。3 工艺选择与过程描述3.1 工艺选择中的考虑完成

36、初步的可行性评价和市场调研后，项目涉及的下一个阶段就是对生产该化学品的各种工艺进行评价和比较。选出合适的工艺路线就是一项重要决策，因为后续工作的展开都以此为基础。尽管该选择在后续过程中可以修订甚至改变，但是改变该决策将浪费大量的时间和金钱。3.1.1 流程图对于每个工艺路线，要得到工艺流程图（Process Flow Diagram PFD）或者管道和仪表流程图（Piping and Instrumentation Diagram P&ID）。PFD是工厂中主要设备联结关系的图示；P&ID通常比较复杂，包括了所有的附属设备，公用工程以及仪表和控制细节。为了对各种工艺进行初步评价

37、和比较，首先从PFD中简化出方框图（Block Diagram），仅仅画出主要的化工项目（步骤），忽略仪表，机泵和阀门。3.1.2 反应器化学工艺的开发常常是围绕反应器设计和操作这两方面进行，对于大多数化学品生产过程而言，反应器是过程的核心。3.1.3 产品纯度通过可行性研究，应该确定出了最终产品的适当纯度（规格）。产品的纯度必须根据用户的需求来决定，在某些情况下，可能会从工艺中取出一部分纯度较低的产品来满足某种特定的需求，然后对剩余产品进一步纯化，来满足其他客户的需求。应该考察是否有可能更进一步纯化产品，以满足可以预见的新应用领域或者环境限制等需求。3.1.4 工艺条件各种工艺的区别经常反映

38、在工艺条件上（压力，温度，相态等），或者反映在所使用的反应器类型上。这些区别应该在各种工艺的方框图和详细流程图中清楚地标注，因为这些区别常常决定了最终工艺路线的选择。3.1.5 过程数据通常只能得到成熟的旧过程的详细工艺数据。对新技术以及由实验得到的相关设计数据就是秘密。重点是训练。5.1.6 能量效率能效在很大程度上决定了P&ID的复杂程度。3.1.7 工艺评价和选择中的因素工艺选择取决于对以下问题的回答和考虑（1）该工艺能否生产出用户所需的产品？（2）是否能设计、建造和安全经济地运行该工厂？（3）是否能获得必要的设计数据、生产技术、加工方法和材料以及原料？（4）假设存在某种可接受程

39、度以内的对员工和公众的危险性时，工厂能否安全运行？（5）工厂是否满足现有的环保法规要求以及未来可能的限制？（6）过程的能效是否尽可能地提高了？或者尽可能实现了能量自给自足？（7）对于维护的需求是否已经最小化？（8）在实际产量小于设计产量时，或者产量超过设计产量时，工厂是否还能正常运转？（9）没有用途的副产物的产生是否已经最小化？（10）所有必需的公用工程是否现成？3.1.8 选择和折衷就像设计工作的其他许多方面一样，在最终选择工艺时也将在不同工艺过程的不同特点之间做出妥协。某个过程只有优点而没有任何缺点很少出现。有时候某个影响因素将决定最终的选择结果，比如特定原料的供应问题或者冷却水用量等等。

40、然而，无论如何选择，都必须满足初设时所给出的所有判据。3.1.9 优化设计过程涉及的目标是“总体优化”的工厂，而其中的每个设备不一定都在各自最大效率或者最大生产潜力下运行。为了实现总体的最优，需要在单个设备相互矛盾的要求间找到平衡。3.1.10 过程控制和仪表在选择工艺路线时还必须考虑过程控制和仪表要求。需要考虑的问题主要是：能否实施合适的控制，能否获得必要的仪器和仪表，其价格是否合理等。3.2 过程描述一旦选定了工艺过程，就有必要对该过程，特别是对其主要特征以及优缺点进行详细的描述。过程描述应该与PFD或P&ID一同给出，并且通过适当的设备编号系统与设备列表相联系。在此阶段，过程描述

41、应该尽可能详细，必须参考所有有用的文献，给出任何已知的数据。指出相互矛盾的数据，并且对其进行评价。对于其他工艺路线也要给出描述，但是可以不必如此详细，主要讲清楚其优缺点并且解释为什么不采用这些工艺路线。3.3 准备设备列表选定工艺路线后，就有必要准备初步的设备列表（Equipment List or Equipment Schedule）。设备列表应该尽可能详细，但显然，此时是不可能完整的。准备清单的目的就是启动设计项目的文件编制工作，并且为后续阶段建立一个有用信息的数据库。设备列表与P&ID同时使用，图中每个设备都应该有唯一编号，该编号与设备列表中的设备相对应。设备列表中应该包括所有

42、目前已知的信息，这些信息将在后续的详细设计中用到。随着设计进程推进，信息量逐渐增加，设备列表要不断进行更新。设备列表中包括以下内容：（1）设备的型式 （5）操作温度上下限（2）尺寸和生产能力 （6）腐蚀裕量（3）材质 （7）特殊的特征（4）操作压力 （8）备用设备3.4 经验法则在管线布置以及全厂能量衡算完成之前，尚不能准确地确定换热器和泵的尺寸规格，。最终的能量衡算取决于最终选取的节能措施和工厂布局。尽管大部分数据仅仅是近似数据，但其他设备的尺寸在此阶段应尽可能准确掌握。估算设备尺寸和设计可参阅有关文献。3.5 安全问题和初步的HAZOP分析一旦有了初步的P&ID和设备列表，就可以对

43、工厂操作的安全方面进行定量的考虑。此时也有可能和有必要进行初步的危险和可操作性分析（Hazard and Operability Study HAZOP），至少应该对于关键的设备进行HAZOP分析。案例研究 工艺选择和设备清单找出并评价苯酐生产的各种可能工艺路线，显然邻二甲苯是首选原料；倾向于固定床反应器；倾向于选用允许低空气对邻二甲苯比例的催化剂。苯酐工厂中最主要的设备是反应器；切换冷凝器和纯化塔。3.6.1 邻二甲苯酸酐生产工艺的发展趋势很明显，邻二甲苯是现代生产邻苯二甲酸酐的首选原料，目前仅有少数以萘为原料的工厂。1971年以后的新建工厂没有使用萘作为原料。与萘相比，邻二甲苯更便宜，产率

44、更高（因为所有碳原子都在产品中）。过程效率也更高。将现有以萘为原料的工厂改造成以邻二甲苯为原料，可以减少原料成本25%，减少公用工程费用30%。第二个进步是对氧化反应放出热量的综合利用。这些能量可以用来生产高压蒸汽，因此应该能够抵消购买动力的开支。目前已经开发出了循环利用废气的低能耗过程。催化剂选择性也正得到改进，以提高产品质量，消除副反应的发生。可同时用于萘和邻二甲苯的两用催化剂也已开发成功，只需要微调操作条件即可实现原料的转换。3.6.2 原料尽管萘和正戊烷都可以用来生产邻苯二甲酸酐，但是与邻二甲苯相比二者都不具经济优势，只有当它们的供应价格远低于市场价时，以它们为原料的工艺才可行。由于西

45、澳大利亚没有萘和正戊烷的供应渠道，所以新建工厂不应考虑使用它们作为原料。因此，邻二甲苯因其高产率，廉价和高选择性成为首选原料。有一些工艺保留了也可以使用萘为原料的灵活性，以防止因为对二甲苯的需求增加而导致的邻二甲苯价格突然大幅升高。无论如何，选择邻二甲苯为原料来建设新厂将比澳大利亚现有工厂具有显著的技术优势。世界上，邻二甲苯的三个主要产区是美国、西欧和东亚。其中东亚距离澳大利亚最近，也是发展最快的地区。位于西澳大利亚的工程可以使用来自日本，韩国和中国台湾的原料。然而，经济上最具吸引力的选择是使用澳大利亚石油精炼厂当地二甲苯分离工厂的产品。在不久的将来就有可能获得廉价的BTX，因为澳大利亚将出台

46、政策限制汽油中的芳烃含量。二甲苯分离工厂处理二甲苯混合原料，其中包括异构化和分离2个单元。异构化单元用来控制3种异构物产品的比例。对二甲苯需求量最大，邻苯二甲酸酐的生产消耗了98%的邻二甲苯，因此邻二甲苯常亮也反映着苯酐的需求趋势。间二甲苯没有商业用途因此全部循环回异构化单元。该领域的最新进展是对混合二甲苯进行反应精馏使之转化为对苯二甲酸，以及富含邻二甲苯的副产物，该方法能显著降低加工成本。邻二甲苯目前的价格大概是55-75美分/kg，并且有可能上升。因为对二甲苯的需求正旺。3.6.3 过程配置苯酐的生产工艺可以根据所用的反应器类型分类。目前已经开发出了3种投入商业运行的反应器：固定床气相反应

47、器，流化床气相反应器和液相反应器。其中有很多可能的变种，并且已有多种生产过程获得了注册。近年来，固定床气相反应器被证明比其他反应器要优越，因此，最近10年来新建工厂均使用该工艺。而证明流化床反应器维护困难，有腐蚀问题，催化剂损失很大；液相反应器的建设费用则高的让人望而却步。竞争厂家已经建起了若干不同版本的固定床气相反应过程。，它们之间的主要差别在于催化剂性能和操作条件的不同。其中2个过程能量集成方面的优势比其他过程好得多，因而20世纪90年代建设的工厂要么采用LEVH法（low energy Von Heyden），要么采用LAR法（low air ratio）。VGR法（vent gas r

48、ecycle）看起来具有一定潜力。根据以上信息，对在西澳大利亚建设新的苯酐工厂项目作出以下决策：l 使用邻二甲苯作为主要或者唯一的原料l 使用固定床气相反应器l 使用LEVH工艺或者LAR工艺3.6.4 详细的过程描述LAR工艺和LEVH工艺使用基本相同的流程图和类似的设备。图3.1是LAR法的过程流程图（PFD），给出了苯酐生产中所用到的主要设备和布局。LAR法和LEVH法的最重要差别在于LAR法中使用了一个额外的冷凝装置（后冷器），经部分邻苯二甲酸酐以冷凝而不是凝华的方式从反应气中加以回收。LEVH法中空气对邻二甲苯比例较高，因此要求部分设备具有较大的生产能力，比如空气压缩机，反应器，气体

49、冷却器和切换冷凝器。苯酐的生产主要有3个步骤：反应、冷凝和纯化。反应是强放热反应，并且必须在高温下进行（及与热力学考虑）。这就要求用熔盐循环移去反应热，然后，热的熔盐被用来生产高压蒸汽。反应气体被冷却后在切换冷凝器中凝华，得到片状的高纯苯酐。将冷却剂和蒸汽交替通入冷凝器，使得产品首先凝华，然后再融化，得到的苯酐粗品（98%）存放在中间储罐中。从冷凝器排出的气体中仍含有各种有机物，经过洗涤或者焚烧处理后排放到大气中。苯酐粗品经过预处理（将残存的酸转化为酸酐）和减压蒸馏（除去马来酸酐和其它杂质）而得到纯化。产品可以以熔融状态或者片状存储和销售，并且必须满足表3.1所示的规格要求。所有的商业过程通常

50、都可以达到或者优于这些指标。表3.1 邻苯二甲酸酐产品典型规格要求典型产品的参数规格要求邻苯二甲酸酐含量99.9%最低99.7%马来酸酐含量0.05%（最高）0.15%（最高）凝固点130.9130.8（最低）融化时色度1030（最高）融化时外观像水一样清澈的液体3.6.5 LAR工艺的优势近年来邻苯二甲酸酐生产中的主要进展是催化剂活性的提高。LAR工艺中使用的催化剂所要求的空气对邻二甲苯的比例仅为9.5:1（其他技术中该比例大概在20:1），这就可以使催化剂的产率提高40%，显著地缩小了反应器体积，并且降低其他关键设备（包括切换冷凝器和蒸发器）的负荷。风机和泵的能耗降低约60%。反应器中惰性

51、气体的流量减少可以使更多的显热被冷却盐带走。工厂可以做到能量完全自给自足，并且能够向邻近的工厂输出相当数量的蒸汽。还可以使用后冷器将大约50%的邻苯二甲酸酐产品在凝华前以液体的形态加以回收。这样可以减少进入冷凝器产品物流中的杂质量从而提高产品的纯度。与其他工艺相比，LAR工艺的投资较少，操作效率高，这些都直接得益于反应器中低的空气对邻二甲苯的比例。该过程无需电力和燃料，并且可以向厂外输出大量蒸汽。用LAR工艺生产出的苯酐最终售价可能低于用其他竞争过程生产出的产品售价。3.6.6 LEVH工艺的优势LEVH工艺的主要优势是技术成熟，全世界已经有65家工厂使用VH工艺或者LEVH工艺，总的生产能力

52、为140万吨/年，并且其中的大多数都成功运行。另外，维护费用很低（低于每年投资的2%），配套设施可能发展的很完善。通过使用一种特殊的催化剂，可以调整VH过程以适应萘原料或者萘和邻二甲苯混合原料。这样就起到了安全防范作用，以应对邻二甲苯价格的上涨，并且在萘的价格大幅降低时具有灵活性，反应器的生产能力最大已经达到了5万吨/年。LEVH法是一个稳妥的选择，适合于保守的发展策略。在市场有保证的条件下，或者在公司对同样工艺的工厂有着丰富操作经验的时候，比较适宜选用该工艺。采用LEVH工艺的生产成本比大多数老厂的成本低，但是比起在同样基础上成功运转的LAR工艺工厂，则很可能无法有效竞争。3.6.7 工艺选

53、择尽管LAR工艺还不是成熟的工艺（目前世界上只有一家工厂使用该技术），但是对于本项目而言它却是最佳的选择，因为操作成本和资金偿还都可能低于其他工艺过程。潜在的节省可能最以抵消任何可能遇到的操作困难。而且，若与本区域的其他工厂采用相同的工艺和技术，最多也只能将最低生产成本维持在与其他厂大致持平的水平。但由于地域上的不利因素，这将显著降低位于西澳大利亚的工厂的有效竞争力。3.6.8 初步的设备设计在项目的早期阶段就需要得出主要设备的列表（包括大致的尺寸），以便决定所需厂区的面积，进而可以考虑选择合适厂址。设备尺寸的估算是基于现有的使用LAR工艺以邻二甲苯为原料生产苯酐的工厂数据。若生产能力为4万吨

54、/年，开工率90%(每年连续开8000小时)，则可以确定设计基础为：4545kg/h的邻二甲苯以及45t/h的空气（空苯比9.5）对主要设备（反应器、切换冷凝器和纯化塔）进行一定程度的设计，这将单独讨论，而对于其他设备则只是指定其功能和处理能力，并进行粗略的尺寸估算。估算时使用了经验法则和近似处理。相关细节见本章附录苯酐生产工艺有潜力实现蒸汽净输出，当然在该工艺全过程的每一步也都要用到公用蒸汽。通过将苯酐工厂和同一园区内的其他工厂综合考虑，可以更容易实现蒸汽的平衡。这里假定所有高压蒸汽锅炉都是各厂家共用的。同样，冷却水设施（水处理部分和冷却塔）和主烟囱（用于排放废气和燃烧产生的气体）也与其他工

55、厂共用。这些设施的设计计算不在本设计研究的考虑之内，因为它们的处理能力将与共同开发的其他工厂项目密切相关。邻苯二甲酸酐具有中度腐蚀性。因此某些设备需要用不锈钢制造。316型（Ni 11%，Cr 18%，Mo 2.5%，Fe66.5%，C 0.08%，Mn2.0%），该型号不锈钢年腐蚀速率0.025mil（1mil=0.001inch）。在不很苛刻条件下操作的设备可以用普通碳钢制造。3.6.9 设备清单1.反应器：邻二甲苯流量4545kg/h，空气流量45t/h；进口温度350，最高温度500；压力200-300kPa；内部有13400个列管（3m长 直径25mm），催化剂高度2.8m；壳体直径

56、5.9m，高度3.5m；冷却负荷21.4MW；熔盐循环量310t/h；材质为316型不锈钢。2.苯酐预冷凝器：总流量50t/h，苯酐流量2500kg/h；功率为450kW；材质为碳钢。3.切换冷凝器（2个）：总流量47t/h，苯酐流量2500kg/h；功率为450kW；材质为碳钢。4.尾气洗涤塔：总流量45t/h气体，含250kg/h的有机物；材质为碳钢。5.蒸发器：邻二甲苯流量4625kg/h，空气流量45t/h（温度125-350）；功率为3.9MW；材质为碳钢。6.气体冷却器：气体总流量50t/h；功率为5.0MW；材质为碳钢。7.预处理罐：苯酐流量5000kg/h；其他成分流量300kg/h，温度70-270；加热功率为290kW；材质为碳钢。8.提馏塔：苯酐流量5000kg/h，其他成分空气流量300kg/h；在一定真空度下操作；填