第六章过程设计(1)案例.ppt

1、第六章 过程设 计,任务 过程设计是以化工厂或化工生产装置的建设为目的，以技术先进、生产安全可靠、经济效益和环境效益优良为目标，设计最佳的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等内容。,在化工设计中，应努力做到： (1)符合国家的经济政策和技术政策，合理运用国家的财富和资源； (2)工艺上可靠，经济上合理； (3)尽可能吸收最新科技成果，力求技术先进，经济效益更大； (4)不造成环境污染； (5)符合国家工业安全与卫生要求。,目录 1.化工设计基础知识 2.工艺路线 3.物料衡算和能量衡算 4.工艺流程设计 5.化工设备的选型和设计计

2、算,1.化工设计基础知识,1.1化工生产特点 1.2设计原则 1.3 设计种类 1.4 设计内容 1.5 工艺专业的主要设计内容,1.1 化工生产的特点 (1)工艺流程复杂。 (2)操作状态变化大。 (3)流体输送多。 (4)具有腐蚀性。 (5)具有毒性。 (6)易燃、易爆性。 (7)非标设备多。,1.2设计原则,A.设计要求 (1)产品的数量和质量指标 (2)经济性 (3)安全 (4)环境保护 (5)整个系统必须可操作和可控制,由此可见，设计是一个多目标的优化问题，不是只有唯一正确的答案。设计人员在作出选择和判断时要考虑各种经常是相互矛盾的因素，即技术、经济和环境保护等方面的要求。在允许的条

3、件范围内选择一个兼顾各方面要求的方案，这种选择或决策贯穿了整个设计过程。,B.约束条件 外部约束条件通常是指下列几项： (1)政府制定的各种法律、规定和要求； (2)各种自然规律； (3)安全要求； (4)资源情况； (5)各种必须遵循的标准和规范； (6)经济要求，如投资限额和投资回收期。,内部约束条件是指： (1)生产技术：来源、成熟程度、价格等； (2)材料：原材料、关键设备等供应的难易； (3)时间：允许和需要的设计时间； (4)人员：素质和数量； (5)产品规格； (6)建设单位的具体要求； (7)建厂地区的具体情况。,由于化工装置是一个由各种单元设备以系统的、合理的方式组合起来的整

4、体，因此在进行过程合成与分析时必须从全系统出发。这一点正是化工装置设计与单元设备设计的差别，前者不仅要求设计人员掌握各单元设备的设计方法，而且还要求掌握化工系统工程的基本概念。,1.3设计种类 从一个新产品或一个新技术的试验研究开始到进行工厂或装置的建设，整个阶段一般需要进行两大类的设计。,第一类是新技术开发过程中的几个重要环节，即概念设计(Conceptual Design)，中试设计(Pilot-plant Design)和基础设计(Foundation Design)等，这一类设计由研究单位的工程开发部门负责进行。若研究单位设计力量不足，可以委托设计单位或与设计单位合作进行。,第二类是工

5、程设计(Engineering Design)，包括可行性研究(Feasibility Study)，初步设计(Preliminary Design)，施工图设计(Detailed design)等，这类设计是由设计单位负责进行。,另外，有通用设计(复用设计)、“因地制宜”设计。也可根据项目性质分为新建项目设计、技术改造项目的设计。,第一类设计 A.概念设计 是工程研究的一个环节，根据研究提供的概念和数据，确定流程和工艺条件及主要设备的型式和材质，三废处理措施等，最终得出基建投资和产品成本等主要技术经济指标。通过概念设计，可以及早暴露研究工作中存在的问题和不足之处，从而能及时解决问题，缩短开发

6、周期。,B.中试设计 中试的目的是验证基础研究得到的规律，考察从小试到中试的放大效应，必须在实质上反映工业装置的特性和规律，能得到基础设计所需的全部数据，使得工业装置投产时不会出现没有预计到的问题。中试装置设计的内容基本上和工程设计相同，但规模小。,C.基础设计 是整个技术开发阶段的研究成果。一般情况下，应在研究内容全部完成并通过鉴定后进行。基础设计的内容包括将要建设的生产装置的一切技术要点。它将作为工程设计的依据，合格的工程设计技术人员应能根据基础设计完成一个能顺利投产、达到一定产量和质量等指标的生产装置。,基础设计须详细说明工业生产过程、主要工艺特点、反应原理及工艺参数和操作条件。提出管道

7、流程和控制方案，并对特殊管道的等级公称直径提出要求。确定流程中主要控制方案的原则、控制要求、控制点数据表、主要仪表选型及特殊仪表技术条件。说明装置危险区的划分，列出所处理介质的特性和允许浓度，安全生产、事故处理及劳动保护设置应用的特殊措施等。,1.3.1设计程序 本节所述设计程序是针对工程设计而言的。根据原化学工业部化工设计管理标准(1992)关于“设计工作基本程序”的规定，化工设计单位在化工基本建设过程中根据建设单位的委托，进行以下工作：,(1)接受委托，参加编制项目建议书： (2)参加厂址选择，编制厂址选择报告； (3)进行技术考察； (4)编制预可行性研究报告； (5)编制可行性研究报告

8、； (6)进行厂址复查； (7)提出建厂区域地质初勘要求； (8)开展初步设计；,(9)进行设备及主要材料的采购； (10)提出详勘要求； (11)开展施工图设计； (12)配合现场施工； (13)参加试车、考核； (14)参加竣工验收； (15)工程总结，设计回访； (16)参加项目后评价。,下面针对设计程序中的几个关键步骤进行说明。 1.3.2 可行性研究报告的编制 可行性研究报告是基本建设前期工作的重要内容，是对基本建设项目的必要性和可行性分析预测的一种科学方法，是为建设项目正确决策，保证投入的资金能发挥最大效益所提供的科学依据。,可行性研究报告的内容： (1)总论：包括项目名称、主办单

9、位名称、企业性质及法人、可行性研究的依据、可行性研究的主要内容和论据、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：包括国内外需求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酌情况等内容； (5)原材料、燃料及水电汽的来源与供应； (6)建厂条件和厂址选择布局方案； (7)公用工程相辅助设施方案； (8)节能； (9)环境保护；,(10)劳动保护与安全卫生； (11)工厂组织、劳动定员和人员培训； (12)项目实施规划； (13)投资估算和资

10、金筹措； (14)经济效益评价及社会效益评价； (15)结论：包括综合评价和研究报告的结论、存在问题及建议等内容。,1.3.3 初步设计 初步设计是根据已批准的可行性研究报告，确定全厂性的设计原则、设计标准、设计方案和重大技术问题，如总工艺流程(Process Flow)、生产方法、工厂组成、总图布置、水电汽的供应方式和用量、关键设备及仪表选型、全厂的贮运方案、消防、职业安全、工业卫生、环境保护和综合利用等。编制出初步设计文件及概算文件。,初步设计是确定建设项目的投资额、征用土地、组织主要设备及材料的采购以及编制施工图设计的依据，也是签订建设总承包合同，银行贷款及实行投资包干和控制建设工程拨款

11、的依据。根据原化学工业部对“初步设计说明书”的规定内容如下。,(1)总论； (2)技术经济：基础经济数据，经济分析，附表； (3)总图运输：厂址选择，总平面布置，竖向布置，工厂运输，工厂防护设施，徘渣场，防护，绿化；,(4)化工工艺：原材料及产品的主要技术规格，装置危险性物料表，生产流程叙述，原材料、动力(水电气汽)消耗定额及消耗量，成本估算，车间定员，管道材料等；(表格：设备一览表，综合材料表；图纸：带控制点的工艺流程图，物料流程图，设备布置图) (5)空压站，氮氧站，冷冻站； (6)外部工艺，供热管线；,(7)设备(含工业炉)：设备技术特征，主要设备总图； (8)自动控制全厂自动化水平、信

12、号及联锁，环境特征及仪表选型，复杂控制系统，动力供应等； (9)供电：电源状况、负荷等级及供电要求，主要用电设备材料选择配电所，照明、接地、接零及防静电、车间配电、防雷等； (10)电信；,(11)土建：气象、地质、地震等自然条件资料、地方材料、施工安装条件等，建筑设计、结构设计、对地区性特殊问题的设计考虑，对施工的特殊要求、对建筑物内高、大、重的设备安装要求的说明等； (12)给水排水：自然条件资料(气象资料、水文地质资料等)，给水水源及输水管道，给水处理，厂区给水、厂区排水、污水处理场、定员等；,(13)供热； (14)采暖通风及空气调节； (15)维修(机修、仪修、电修、建修) (16)

13、中央化验室； (17)消防；,(18)环境保护及综合利用：设计采用的环保标准，主要污染源及主要污染物，设计中采取的环保措施及简要处理工艺流程，绿化概况、其他环保措施、环境监测体制、环保投资概算、环保管理机构及定员等；,(19)劳动安全与工业卫生；生产过程中职业危险因素分析及控制措施，劳动安全及工业卫生设施，预期效果及防范评价、劳动安全与工业卫生专业投资情况； (20)节能：主要耗能装置能耗状况，主要节能措施、节能效益等； (21)概算。,1.3.4 施工图设计 施工图设计是把初步设计中确定的设计原则和设计方案，根据建筑施工、设备制造及安装工程的需要进一步具体化。,该阶段工艺专业的设计内容主要包

14、括： (1)工艺图纸目录、带控制点的工艺流程固、公用工程系统图、设备布置图、设备一览表、管道布置图、管架管件图、设备管口方位图、设备和管路保温及防腐设计； (2)设备专业有非定型设备制造图、设备安装图等；,(3)非工艺专业方面有土建施工图，供电、给排水、自控仪表线路安装图等等； (4)除施工图外，还应附有各部分施工说明以及各部分安装材料表，便于设备订货与制造及安装材料的选购。,1.4设计内容 1.4.l设计原则 (1)技术经济评价指标的种类和数值 (2)要求生产的可靠程度 (3)生产能力波动的适应范围 (4)材质使用原则 (5)自动化水平 (6)传动设备和易磨损、易腐蚀等设备的备用原则 (7)

15、考虑发展规划,1.4.2设计基础 A.年操作时间 要考虑下列因素： (1)工艺介质的腐蚀性强弱； (2)生产过程中有无结焦、聚合现象； (3)设备备用系数的高低； (4)建厂地区管理和操作水平； (5)工艺成熟程度。,B.原材料规格 (1)杂质对反应的影响。 (2)杂质对催化剂的影响。 (3)对于惰性杂质，考虑原料浓度降低后对主反应绝对速率和主副反应相对速率的影响。 (4)原料浓度对反应产物提纯系统的影响。 (5)提高原料浓度和纯度所需付出的代价。 (6)提高原料浓度，分离出的其他副产品的价值。,C.产品规格 D.原材料消耗 E.界区(Battery Limits)交接条件 F.公用工程规格

16、(1)电气 (2)冷却水,(3)蒸汽 超高压 11.5 MPa(绝压) 高压 10 MPa(绝压) 中压 2.5、4 MPa(绝压) 低压 0.4，0.5，0.6，1.3，1.6 MPa(绝压) (4)仪表用空气 (5)压缩空气 (6)冷冻,G.公用工程消耗 H.催化剂、干燥剂、助剂及其他各种化学品用量 I.三废的来源、数量、组成和建议的处理方法,1.5工艺专业的主要设计内容 A.物料衡算和能量衡算 B.物料流程图 C.工艺管道及仪表流程图 D.工艺设备设计 E.设备布置图 F.管道布置图 G.材料统计,2.工艺流程,2.1一般化工工艺流程 2.2工艺路线论证 2.3流程设计程序,2.1一般化

17、工工艺流程,工艺流程设计是工艺设计的核心。只有流程确定后，其他各项工作才能开展，同时工艺流程设计涉及各个专业方面，流程要在设计中不断修改完善。所以，在化工设计中工艺流程的设计总是最早开始，最晚结束。,一个典型的化工工艺流程一般可由六个单元组成，如下图所示。,原 料,原 料 贮 存,进 料 预 处 理,反 应,产 品 分 离,产 品 精 制,贮 存 包 装,产 品,2.2工艺路线论证 工艺流程设计的任务主要有两个： (1)确定生产流程中各单元过程和单元操作的组合方式。 (2)绘制工艺流程图。即以流程图的形式表达生产过程中物料在各单元中的流向，以及物料和能量在这些设备中发生的变化，同时表示设备的大

18、致形式以及管路和自控方式。,确定工艺路线一般要经过三个阶段： 2.2.1 搜集资料，调查研究 (1)国内外生产情况，各种生产方法及工艺流程 (2)原料来源及产品应用情况； (3)试验研究报告； (4)安全技术及劳动保护措施； (5)综合利用及三废处理；,(6)生产技术是否先进，生产连续化、自动化程度； (7)设备的大型化及制造、运输情况； (8)基本建设投资、产品成本、占地面积； (9)水、电、气、燃料的用量及供应，主要基建材料的用量及供应； (10)厂址、地质、水文、气象等资料； (11)车间(装置)环境与周围的情况。,2.2.2 落实设备 2.2.3 全面分析对比 (1)国内外采用的情况及

19、发展趋势： (2)产品的质量情况； (3)生产能力及产品规格； (4)原材料、能量消耗情况； (5)建设费用及产品成本； (6)三废的产生及治理情况； (7)其他特殊情况。,2.3流程设计程序 2.3.1设计程序 A.流程框图 B.流程示意图 C.流程草图 D.工艺流程图 (1)物料流程图(PFD图)； (2)带控制点的工艺流程图(PID图)。,2.3.2工程建设进展 A.项目建议书阶段 B.可行性研究阶段 C.初步设计阶段 D.施工图设计阶段 E.竣工图设计阶段,3.1物料衡算 3.2热量衡算 3.3运用计算软件进行化工工艺计算,3.物料衡算与能量衡算,物料衡算是工艺设计的基础。根据所需设计

20、项目的年产量，可以计算出：原料的消耗量、副产品量以及输出过程物料的损耗量及三废生成量；计算出蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗定额；对生产设备和辅助设备进行选型或设计。最终，可以确定产品的技术经济指标以及对项目可行性进行估价。,3.1物料衡算 3.1.1基本原理 A.物料衡算的目的 (1)原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。 (2)各设备的输入及输出的物流量和组成。列表，在此基础上进行设备的选型及设计，并确定三废排放位置、数量及组成，有利于进一步提出三废治理的方法。,(3)作为热量计算的依据。 (4)根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质选择，仪表及自控设计等。,B.物料衡算的依据 (1

21、)设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时间及操作方法。 (2)建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室试验或中试等数据，主要有：,a)化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化率、选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回收使用、安全性能(爆炸上下限)等。 b)原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，加入分离剂的配比。 c)特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。,(3)工艺流程示意图,C.物料衡算基准 (1)时间基准 (2)质量基准 (3)体积基准 (4)干湿基准,D.物料衡算程序 (1)确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对

22、象的草图。 (2)确定计算任务。 (3)确定过程所涉及的组分。 (4)对物流流股进行编号，并标注物流变量。,(5)收集数据资料。 a)生产规模和生产时间。 b)有关的定额和技术指标。 c)原辅材料、产品、中间产品的规格。 d)与过程有关的物理化学参数。 (6)列出物料衡算方程。,(7)列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相关约束式。对于有化学反应发生的，要写出其化学反应方程式，明确反应前后的物料组成和各个组分之间的定量关系，必要时还应指出其转化率和选择性，为计算作准备。约束式有：归一化方程、恒沸组成、相平衡数据、化学平衡方程、回流比、相比等。,(8)选择计算基准。 (9)统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数及全部设计变量。 (10)整理计算结果。 (11)绘制物料流程图。,3.1.2物料衡算举例 A.无反应的物料衡算 B.有反应的物料衡算 (1)直接计算法； (2)利用反应速率进行物料衡算 (3)元素平衡； (4)以化学平衡进行衡算； (5)以结点进行衡算； (6)利用联系组分进行衡算。,C.带循环和旁路过程的物料衡算 (1)试差法。 (2)代数解法。,3.2热量衡算 3.2.1基本原理 A.能量衡算的