第二章 工艺设计概述

1、第二章第二章 工艺开发与工艺设计概述工艺开发与工艺设计概述 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，工艺设计决定了整个设计的概貌。 工艺设计涉及的内容 工艺过程的分析综合 工艺路线的选择 经济分析与评价 工艺流程设计 物料衡算 能量衡算 设备的工艺计算与选型 设备的布置设计 管道系统设计等非工艺设计项目 土建设计 公用工程设计（供电、供热、给排水、采暖通风） 机修、电修等辅助车间设计 外管设计 工程概算和预算本章重点 工艺过程的开发程序 工艺设计的内容 21 工艺过

2、程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发程序工艺过程开发程序 工艺路线选择工艺路线选择 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序 (1)信息研究 市场前景，收益估算，社会效益以及环境污染 科研水平、社会条件及完成该项目的可能性 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序工艺方法-原料路线和生产路线等的研究； 工艺条件-转化率、选择率

3、、主副反应的特点、催化剂、反应条件、产品分离方式等；物料平衡、能量平衡和生产成本估算；对原材料、半成品和产品的质量进行研究；产品用途及应用产品质量的研究等。(2)实验性研究21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.12.1.1工艺过程开发程工艺过程开发程序序(3)第一次可行性研究 根据信息研究及实验性研究结果对技术、经济、环境综合的可行性研究。21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择 技术可行性研究主要是指原料路线和技术路线的可行性、可靠性和先进性。 原料路线-来源充足 技术路线-安全、可靠、操作简便、转化率、选择率、能耗、设备生产强度、劳动生产率等的

4、高低 (3)第一次可行性研究2.1.12.1.1工艺过程开发程工艺过程开发程序序21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择经济可行性研究 投资、人力、生产费用等支出同产品销售的收入作比较，估计可能获得的经济效益和投资回收情况。 2.1.12.1.1工艺过程开发程工艺过程开发程序序(3)第一次可行性研究 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择环境综合的可行性研究评估“三废”治理程度及其对环境的影响。 2.1.12.1.1工艺过程开发程工艺过程开发程序序(3)第一次可行性研究 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.12.1.1工艺过程

5、开发程序工艺过程开发程序(4)小试 目的在于对制造工艺、制造条件及控制方法进行研究。对原料、产品的质量进行研究。 在小试时，应认真观察，发现新问题，并通过改变操作方法和工艺条件来保持或提高反应的转化率和选择率等。 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择 (5)概念设计(方案设计 )2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序 根据研究提供的概念和数据，确定流程和工艺条件，主要设备的型式和材料，以及“三废”处理措施等，最终得出基本建设投资和产品成本等主要技术经济指标 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程

6、开发程序(6)第二次可行性研究（方案论证） 进一步估算工厂规模、投资费用、成本及经济效益 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择(7)模型试验 2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序模型试验的任务： 对数学模型法来说是建立数学模型，对部分解析法来说是找出放大规律。 建立化学反应动力学模型，实验性研究的基础上进一步探讨化学反应机理，搞清楚哪一些因素重要，哪一些因素次要，哪一些因素甚至可以忽略。然后，在这个基础上，进行合理简化，建立反映实际情况的化学反应动力学模型。21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择(7)模型试验 2.1.12.1.1工艺过

7、程开发程序工艺过程开发程序模型试验的任务： 建立流动模型是通过冷模试验实现的。冷模试验的装置较大至少达到实验工厂的规模。冷模试验只研究传递过程，不研究化学反应，所以叫做冷模。它可以用空气代替气体，用水代替液体，用黄沙或某些廉价的颗粒物料代替固体，向气体或液体注入示踪剂，然后在装置的出口处或装置的特定部位监测示踪剂浓度的变化，并据此建立气体或液体物料状况的数学方程，即流动模型。 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择(7)模型试验 2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序 有一些传递过程，如流体在管内的流动、在颗粒床层中的流动，传热过程和吸收、蒸馏等过程，它们的放

8、大方法，可以通过准数关联式、物料衡算式、能量衡算式以及理论计算等来解决，因此没有必要作冷模试验。 有一些化学反应过程所用的反应器基本上是理想反应器。理想反应器的流动模型已经作了充分研究，可以直接引用其数学表达式。21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择(8)中试 2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序 中间试验介于小试和生产之间的试验。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才需进行中试。21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择(8)中试 2.1.12.1.1工艺过

9、程开发程序工艺过程开发程序 中间试验介于小试和生产之间的试验。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才需进行中试。21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择(8)中试 2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序中试的主要任务：验证基础研究得到的规律；考察从小试到中试的放大效应；研究一些由于各种因素没有条件在实验室进行研究的课题；进行新设备、新材料、新仪器、新控制方案的试验。21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择(8)中试 2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开

10、发程序中试的要求除了工艺条件的研究之外，对模型进行验证和修正。对材料在反应条件下，进行长期运转的耐腐蚀性试验；观察和解决在较长时间的运转中杂质是否积累，是否影响反应结果和产品质量；提出物料的综合利用和“三废”治理的措施。最后在中试总结报告中提出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。21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序(9)基础设计(初步设计) 它是根据中试结果而进行的生产规模的全面设计。 基础设计的主要内容：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

11、厂贮运方案，消防、劳动安全与工业卫生，环境保护及综合利用等。21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序(10)第三次可行性研究 应在中试总结报告的基础上进行，着重在工程投资和经济效益方面作出详细评价。如有可能，还应对该产品在未来的若干年内的发展趋势作出科学的预测。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。 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序

12、(11)工程设计 工程设计也称作施工图设计，是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。 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.12.1.1工艺过程开发程序工艺过程开发程序(12)施工 经过工程设计，得到一系列设计成品，可以进行施工前的准备工作(如购置定型设备、联系非定型设备的加工单位、订购各种材料、联系施工单位等)。接着是厂房施工，机器设备就位，工艺配管，水、电、气等工程安装。经过全面施工后，生产系统已经建成。然后经试车、试生产及正式投

13、入生产等步骤，产品的开发工作即告结束。 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.22.1.2工艺工艺路线选择路线选择 过程工业具有原料、工艺与产品的多方案性，即过程工业可以从不同原料出发，制得同一种产品；也可从同一种原料出发，经过不同的加工工艺，得到不同的产品；有时从同一种原料制取同一种产品，还可有许多不同的加工工艺来达到。 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.22.1.2工艺工艺路线选择路线选择 (1)调查 文献专利调查: 利用文摘、索引等二次文献进行的人工检索 联机检索 联机文献检索具有及时性和全面性的特点，可以大大缩短调查时间，是有

14、效的调查手段。 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.22.1.2工艺工艺路线选择路线选择 通过文献专利的调查可以掌握一般的技术动向，也可以掌握现有的工艺技术和不久的将来可能实现的工艺技术。为了得到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。 来自工艺所有者的信息 来自工艺所有者的信息 来自工艺所有者的信息 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.22.1.2工艺工艺路线选择路线选择 (2)分析 进行工艺试设计，掌握技术上的难点。并对工艺过程的灵活性，特殊控制因素，效率，能量的需求，今后发展的可能性，对废物和副产品的生成

15、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。 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。21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.22.1.2工艺工艺路线选择路线选择 (3)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及制造费等。21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.22.1.2工艺工艺路线选择路线选择 (4)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。其评价指标主要有：投资利润率，投资利税率，

16、资本金净利润率和投资回收期等。 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.22.1.2工艺工艺路线选择路线选择 (5)工艺路线的选择 选择工艺路线总的原则是：生产上安全可靠、技术上先进、经济上合理。 技术资料是否有困难，特殊设备的设计和加工是否可能，以及该工艺是否成熟。对于高温高压等操作条件和易燃易爆及有毒物质的处理是否有相应的安全措施。 必须考虑“三废”治理，要求做到环保设施与主体工程同时设计、同时施工、同时投产。 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择2.1.22.1.2工艺工艺路线选择路线选择 技术资料是否有困难，特殊设备的设计和加工是否可能，

17、以及该工艺是否成熟。对于高温高压等操作条件和易燃易爆及有毒物质的处理是否有相应的安全措施。 必须考虑“三废”治理，要求做到环保设施与主体工程同时设计、同时施工、同时投产。 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择典型的工艺路线选择顺序典型的工艺路线选择顺序 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择典型的工艺路线选择顺序典型的工艺路线选择顺序 21 工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择典型的工艺路线选择顺序典型的工艺路线选择顺序 22 工艺设计的内容及设计文件工艺设计的内容及设计文件 真正需求是应具备能生产优质产品的具有特定工艺性能的装置。而装

18、置工艺性能的好坏，则取决于工艺设计。 重点在于工艺设计的内容及设计文件。 22 工艺设计的内容及设计文件工艺设计的内容及设计文件221工艺设计的内容工艺设计的内容 过程工艺设计包括的内容有： 原料和技术路线的选择；工艺流程设计；物料衡算；能量衡算；工艺设备设计与选型；车间布置设计；管道设计； 由工艺设计人员提出非工艺设计项目的设计条件；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)。 22 工艺设计的内容及设计文件工艺设计的内容及设计文件221工艺设计的内容工艺设计的内容 实际上根据设计内容的深度，可把工艺设计分为两个阶段：初步设计施工图设计。

19、22 工艺设计的内容及设计文件工艺设计的内容及设计文件221工艺设计的内容工艺设计的内容 (1)初步设计的主要内容和程序 初步设计的主要内容和程序可用图23表示。22 工艺设计的内容及设计文件工艺设计的内容及设计文件221工艺设计的内容工艺设计的内容 22 工艺设计的内容及设计文件工艺设计的内容及设计文件221工艺设计的内容工艺设计的内容 初步设计的主要内容和程序 22 工艺设计的内容及设计文件工艺设计的内容及设计文件221工艺设计的内容工艺设计的内容 初步设计的主要内容和程序22 工艺设计的内容及设计文件工艺设计的内容及设计文件221工艺设计的内容工艺设计的内容 (2)施工图设计的主要内容和

20、程序 工艺施工设计的内容、程序以及此阶段工艺与非工艺设计的相互配合交叉进行。22 工艺设计的内容及设计文件工艺设计的内容及设计文件221工艺设计的内容工艺设计的内容 图2-4工艺与非工艺设计配合关系 23 工艺设计中的全局性问题工艺设计中的全局性问题 在工厂整套设计过程中，需要考虑的因素很多。如果考虑不周，会对工程项目的经济状况发生影响，甚至于使建成的工厂无利可图。例如厂址的选定、总图布置、安全与卫生、公用工程、自动控制、土建设计、技术经济等，都是十分重要的，它们是整套设计中必须考虑的全局性问题。本节只作简要讨论。 (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

21、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。 23 工艺设计中的全局性问题工艺设计中的全局性问题 (2)总图布置 总图布置设计的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，亦即工厂的总体布局。工厂总体布局主要应该满足三个方面的要求。 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

22、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。工厂总体布局还应使人流和货流的交通路线径直和短捷，避免交叉和重叠。 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、严格遵守防火、卫生等安全规范和标准的有关规定，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。 23 工艺设计中的全局性问题工艺设计中的全局性问题 (3)安全防火与环境保护 化学工业，特别是石油化

23、学工业，由于生产上的特点，火灾、爆炸的危险性以及环境污染的问题甚于其他企业，因此，设计中的安全防火和、环境保护必须高度重视。 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 23 工艺设计中的全局性问题工艺设计中的全局性问题 (4)公用工程 a. 动力设计时，需要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。在大型工厂，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。这样做的结果，可以大大降低能量消耗，甚至做到“能量自给”。 23 工艺设计中的全局性问题工艺设计中的全局性问题b.供排水 工厂用水可以取自工厂的自备水源或市政供水系统。如果需要的水量大，工厂自备水源较为经济。自备水源可来自深井、河流、湖泊及其他蓄水系统，可靠的水源(质和量)是建设工厂的先决条件。 为了节约工业用水，大量使用冷却水的工厂应循环使用冷却水，将经过换热设备温度升高的冷却的水，送人冷却塔或喷水池降温。大型工厂使用循环冷却水是十分普遍的，循环水水质好且稳定，能满足长期连续稳定操作的要求，只需补充少量新鲜水和排出少量循环水即可。 c.采暖通风 是卫生工程，旨在保证厂房具有适宜的工作