化工設(shè)計-1

1、化工設(shè)計（Chemical Engineering Design）課程概論,一、化工設(shè)計課程的基本情況,1、本課程的主要內(nèi)容,（1）化工廠設(shè)計及化工工藝設(shè)計；（2）化工技術(shù)經(jīng)濟分析與評價；（3）計算機輔助化工設(shè)計。,2、本課程的特點,（1）綜合性（多專業(yè)基礎(chǔ)課知識的綜合與集成）；（2）實踐性（面向?qū)嶋H化工工藝設(shè)計、化工廠設(shè)計的工程運用）；,3、教學(xué)的目的,（1）了解國內(nèi)外有關(guān)化工工藝設(shè)計、化工廠設(shè)計的先進理念；（2）掌握化工工

2、藝設(shè)計的內(nèi)容、步驟及方法。,課程目標(biāo),對化工設(shè)計階段的劃分，各設(shè)計階段的工作內(nèi)容和設(shè)計文檔有一個總體的了解；能夠在設(shè)計工作中自主地綜合運用化學(xué)、熱力學(xué)、單元操作、化學(xué)工藝學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、化工機械與設(shè)備等專業(yè)基礎(chǔ)知識；初步掌握一種通用和一種化工專業(yè)CAD工具軟件，以及基本的化工CAD方法；完成模擬項目的設(shè)計。,4、本課程學(xué)習(xí)的教材及參考書,（1）陳聲宗. 化工設(shè)計（第三版），化學(xué)工業(yè)出版社，2012年；（2）王靜康. 化工過程設(shè)

3、計，化學(xué)工業(yè)出版社，2006年；（3）曹湘洪主編. 石油化工流程模擬技術(shù)進展及應(yīng)用，中國石化出版社；（4）中國石化集團上海工程有限公司編. 化工工藝設(shè)計手冊（第四版）（上、下冊），化學(xué)工業(yè)出版社；（5）時鈞、汪家鼎、余國琮、陳敏恒，化學(xué)工程手冊，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年；（6）上海醫(yī)藥工業(yè)設(shè)計研究院主編，化工設(shè)計手冊，化學(xué)工業(yè)出版社，2003年；（7）蘇健民，化工技術(shù)經(jīng)濟，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年；（8）彭秉璞，化工系統(tǒng)

4、分析與模擬，化學(xué)工業(yè)出版社，2001年。,Δ現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)覆蓋的范圍,我國化學(xué)工業(yè)的分類與美國、歐盟關(guān)于化學(xué)工業(yè)的范疇有一些區(qū)別，但逐步在接軌，按美國、歐盟的化學(xué)工業(yè)年鑒，現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)覆蓋以下范圍：,現(xiàn)代化學(xué)工業(yè),,石油化工（包括其衍生的有機化工）,煤化工（包括其衍生的有機化工）,無機化工,精細(xì)化工及中間體,化肥工業(yè),農(nóng)藥工業(yè),醫(yī)藥工業(yè),輕工（造紙、玻璃、塑料、合成橡膠等）,染料、油墨、化妝品、清潔劑,生物化工,二、化工設(shè)計概論,1、化學(xué)

5、工業(yè)覆蓋的范圍及其在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地位,Δ化學(xué)工業(yè)在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地位,化學(xué)工業(yè)是所有高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支撐工業(yè)，如能源、電子、信息、生物、材料等領(lǐng)域，都離不開化學(xué)工業(yè)提供的物質(zhì)支撐。,化學(xué)工業(yè)絕不是所謂的“夕陽產(chǎn)業(yè)”，它現(xiàn)在仍然正在平穩(wěn)高速的發(fā)展，將來必將持續(xù)快速發(fā)展。,,,,2、化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向、化學(xué)工程倫理學(xué)及責(zé)任關(guān)懷制度,2.1 現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向,人類發(fā)展化學(xué)工業(yè)的目的：滿足人類對化學(xué)物質(zhì)（分子式、數(shù)量、質(zhì)量、多尺度形態(tài)

6、）的不斷需求。,現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)發(fā)展方向,,新物質(zhì),經(jīng)濟合理的大批量,高質(zhì)量,柔性化,綠色化,多尺度,,化學(xué)工業(yè)綠色化的含義：,以“減量化、再利用、資源化”為基本原則，也就是所謂的“3R”原則。 （Reduce、Recycle、Resource）,具體體現(xiàn)在：,（1）、減少化工過程的能耗、物耗；（2）、減少有害物質(zhì)的使用或生成；（3）、減少廢棄物，并使廢棄物在系統(tǒng)類在利用；（4）、盡量將排放的廢棄物轉(zhuǎn)化為可用的再生資源；（5）

7、、盡量延長產(chǎn)品的生命周期。,,Reduce,,Recycle,,Resource,2.2 化學(xué)工程倫理學(xué)及責(zé)任關(guān)懷制度,在化學(xué)工程領(lǐng)域?qū)嵤┳怨こ處熤贫龋诨瘜W(xué)工程師心目中樹立倫理學(xué)觀念，建立責(zé)任關(guān)懷制度。開始逐步成為國際化學(xué)工程領(lǐng)域的一個發(fā)展大趨勢。,倫理學(xué)理念體現(xiàn)在：,（1）、自覺維護化工過程的安全；（2）、自覺保護環(huán)境的意識；（3）、自覺節(jié)約資源的意識；（4）、對業(yè)主、化工廠操作人員、同事負(fù)責(zé)的精神。,責(zé)任關(guān)懷制度的含義：,

8、（1）、提高對安全、健康、環(huán)保、資源的認(rèn)知和行動；（2）、充分報道成績、行動計劃，但不回避缺陷；（3）、與公眾溝通，并傾聽意見的日?；鹊?。,,3、化工設(shè)計的目標(biāo)及內(nèi)容,化工設(shè)計的主要目標(biāo)：,確定最佳流程及最佳操作條件，達到最優(yōu)投入產(chǎn)出比。在定量計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家的經(jīng)驗，考慮安全、健康、環(huán)保的因素，確定出一個綜合的設(shè)計方案。,化工設(shè)計的內(nèi)容：,其基本核心內(nèi)容是化工工藝設(shè)計，其附帶內(nèi)容是針對化工工藝設(shè)計，對它的配套部分如公用工程

9、、外管設(shè)計等進行深入設(shè)計和完善。,4、計算機輔助過程設(shè)計——軟件工具,Aspen Tech 的Aspen One for Engineering系列軟件工具，主要軟件包括：Aspen Plus，Aspen Properties ，Aspen Energy Analyzer，Aspen Process Economic Analyzer ，Aspen HISYS　等。,Advanced System for Process Eng.,另

10、外還有：SimSci 的Pro II 。ChemStations 的ChemCAD。WinSim 的 DesignII,我國最早由寰球工程公司、中國成達化學(xué)工程公司（原化工部八院）等單位于上世紀(jì)90年代率先引進ASPEN軟件系統(tǒng)?，F(xiàn)在，國內(nèi)各設(shè)計院基本都已經(jīng)使用ASPEN或Process II軟件系統(tǒng)進行計算機輔助化工過程設(shè)計。,,5、化工設(shè)計的類別和任務(wù),提出項目建議書,工程設(shè)計,可行性研究,應(yīng)用基礎(chǔ)研究,應(yīng)用研究,施工建設(shè),投

11、產(chǎn)驗收,正常生產(chǎn),,,,,,,,,,概念設(shè)計,工程設(shè)計,,,,編制設(shè)計任務(wù)書,項目建議書,定義： 將收集到的有關(guān)項目的資料（信息）整理成文，由某地區(qū)、部門、企業(yè)向其上級主管部門提出的申請項目投資立項的文件。（即由建設(shè)單位編制）,項目建議書應(yīng)該包括的主要內(nèi)容：,（1）、項目的背景、意義；（2）、產(chǎn)品價格和市場需求預(yù)測分析；（3）、產(chǎn)品方案和建設(shè)規(guī)模；（4）、工藝技術(shù)路線和技術(shù)來源；（5）、原料、燃料、動力、水的供應(yīng)、

12、運輸，產(chǎn)品運輸?shù)?；?）、廠址選擇和廠址條件；（7）、環(huán)保方案；（8）、消防及安全措施；（9）、工廠定員及人力資源來源；,,（10）、投資估算、資金籌措方案；（11）、基建及投資規(guī)劃；（12）、經(jīng)濟效益初步分析與評價；（13）、結(jié)論及建議,項目建議書的實質(zhì)： 想投資該項目的主體，將它前期收集的所有資料（信息），經(jīng)過加工（初步定量計算、并結(jié)合專家經(jīng)驗）處理，按以上主要章節(jié)整理成一本文件。其目的就是要打動上級決策

13、者，讓決策人下決心上該項目。,項目建議書被批準(zhǔn)后，才能往下接著進行項目的可行性研究。,可行性研究階段,6、化工設(shè)計的具體內(nèi)容與工作程序,工程設(shè)計階段,建設(shè)施工階段,投產(chǎn)驗收階段,應(yīng)用研究階段,,編制設(shè)計任務(wù)書,,過程概念設(shè)計,中試裝置設(shè)計,項目的可行性研究,可行性研究的定義： 根據(jù)國家、地區(qū)、行業(yè)、部門的經(jīng)濟整體規(guī)劃或布局，對擬建項目的技術(shù)、經(jīng)濟和工程、安全、環(huán)保等問題進行詳細(xì)的研究與分析。就該項目是否該建、是否緩建、如何

14、建提出建議，為投資決策提供更可靠的依據(jù)。,可行性研究的目的：,,,Δ從原料、經(jīng)過各個工藝過程、到產(chǎn)品，行否？Δ產(chǎn)品是否有銷路？可銷時間周期？有多少效益？Δ通過分析比較，從而選擇出技術(shù)上先進，經(jīng)濟上合理的優(yōu)化方案，以保證獲得盡可能好的經(jīng)濟效益。,Δ供主管部門審批；Δ作為編制設(shè)計任務(wù)書的依據(jù)；Δ作為初步設(shè)計的基礎(chǔ)。,可行性研究報告的用途：,可行性研究報告的內(nèi)容：,可行性研究報告內(nèi)容很多，可歸納為三大部分：（1）市場調(diào)查（2）技術(shù)

15、方案（3）經(jīng)濟評價,可行性研究報告的實質(zhì)： 主要內(nèi)容就是項目的技術(shù)經(jīng)濟分析報告，要求針對業(yè)主自己做出的項目建議書的內(nèi)容逐一地進行論證研究與分析。,相對于項目建議書，可行性研究報告在以下方面需要加強：（1）重新收集信息資料，尤其是要求重新做市場預(yù)測分析；（2）做初步的工藝計算，對項目的投資、產(chǎn)品成本、經(jīng)濟效益盡可能詳細(xì)估算；（3）加強不確定性、風(fēng)險性分析；（4）得出明確的結(jié)論與建議,設(shè)計任務(wù)書,設(shè)計任務(wù)書由建設(shè)單位

16、的有關(guān)主管部門委托設(shè)計單位或技術(shù)咨詢單位編制。,設(shè)計任務(wù)書批準(zhǔn)后不得隨意修改。如確需改變，需經(jīng)原批準(zhǔn)單位審批。批準(zhǔn)后的任務(wù)書是進行化工廠初步設(shè)計的依據(jù)。,,,設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容，各類項目不盡相同，大中型項目應(yīng)包括以下內(nèi)容：(1) 建設(shè)的目的和依據(jù)(上級確定任務(wù)的文件或指示)。(2) 建設(shè)規(guī)模，職工人數(shù)和組織管理制度(3) 產(chǎn)品方案(或工藝原則)，銷路，盈利水平和竟?fàn)幠芰Α?4) 原材料、燃料、動力(煤、電、油及廠礦內(nèi)的熱平衡)供

17、水、運輸條件。(5) 占地環(huán)境條件，與其它企業(yè)關(guān)系，與城市規(guī)劃的關(guān)系。,設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容,設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容（續(xù)）,（6）環(huán)境影響與評價，三廢綜合利用。（7）投資控制數(shù)，資金來源，經(jīng)濟效益預(yù)測和投資回收年限。投資估算與初步設(shè)計預(yù)算的誤差應(yīng)不大于±10%。（8）設(shè)計單位，設(shè)計進度，設(shè)計階段的確定，及建廠期限和工期。（9）技術(shù)經(jīng)濟總評價。（10）存在問題和解決辦法。,,工程設(shè)計階段,初步設(shè)計,施工圖設(shè)計,初步設(shè)計的內(nèi)容：

18、 ·工藝流程詳細(xì)設(shè)計 ·物料衡算 ·熱量衡算 ·設(shè)備工藝特性設(shè)計 ·非工藝專業(yè)配套設(shè)計 ·工廠布置設(shè)計 ·工程概算,非工藝專業(yè)配套設(shè)計包含：,（1）土建設(shè)計（2）設(shè)備設(shè)計（3）給排水設(shè)計（4）自動控制與儀表設(shè)計（5）熱工設(shè)計（6）電氣設(shè)計（7）采暖通風(fēng)（8）安全和環(huán)保設(shè)計,,初步設(shè)計的作用,（1）為項目實施方案的審批提供依據(jù)；（2

19、）作為施工圖設(shè)計基礎(chǔ)；（3）提供項目訂貨依據(jù)（原材料、定型設(shè)備等）；,初步設(shè)計的評審,初步設(shè)計結(jié)束后,一般要進行專家評審, 評審?fù)ㄟ^后才能進行施工圖設(shè)計。 到初步設(shè)計階段結(jié)束為止, 前面所做的一切工作稱為項目建設(shè)的前期工作, 施工圖設(shè)計及以后的各項工作, 稱為項目建設(shè)的后期工作。,其中，各種圖紙隨設(shè)計的深入，分成多個版本。,（1）工藝流程示意圖 Process Block Diagram (2) 過

20、程物料流程圖（PFD) Process Flowsheet Diagram (3)帶控制點的物料流程圖(PID) Process Instruments Diagram (4) 管道及儀表流程圖（P&ID) Piping & Instruments Diagram (5)計算機模擬流程圖 Flowsheet for Simulation（6）公用工程儀

21、表管道流程圖（UID) Utility Instrument Diagram（7）公用工程物料流程圖（UFD) Utility Flowsheet Diagram,工藝流程圖的主要類型,工藝流程示意圖,,物料流程圖（PFD）,,帶控制點物料流程圖 Process Instruments Diagram（PID）,,管道及儀表流程圖Piping & Instruments Diagram(P&I

22、D),,計算機模擬流程圖,,施工圖設(shè)計包括：管道及儀表流程設(shè)計車間布置設(shè)計管道布置設(shè)計保溫和防腐設(shè)計工程預(yù)算,施工圖設(shè)計,,施工圖設(shè)計是最詳細(xì)、最深入的工程設(shè)計階段。只有它的設(shè)計文件，才能交給施工隊進行施工建設(shè)。是針對初步設(shè)計或擴初設(shè)計的完全具體化。,對化工工藝部分的設(shè)計，施工圖設(shè)計要出的主要文件：1、PID最終版；2、UID圖；3、所有設(shè)備的施工圖；4、平立面布置圖；5、配管圖（配管設(shè)計圖）；6、施工材料明細(xì)表；

23、7、工程預(yù)算書；8、施工圖設(shè)計說明書，等。,按項目工程的大小及復(fù)雜程度、上級主管部門的要求、設(shè)計能力等情況，設(shè)計階段分成三種情況：,簡單工程： 一步直接做施工圖設(shè)計中等復(fù)雜工程： 初步設(shè)計 施工圖設(shè)計復(fù)雜、創(chuàng)新工程： 初步設(shè)計 擴初設(shè)計 施工圖設(shè)計,,,,最后的落腳點都是施工圖設(shè)計,施工圖設(shè)計注意事項：,（1

24、）施工圖設(shè)計一般不再上報審批，由設(shè)計單位負(fù)責(zé)，故不能隨意改動初步設(shè)計，如確實非改不可，則應(yīng)另行編制修改概算，并報原審批部門核準(zhǔn)。（2）各設(shè)計專業(yè)間的聯(lián)系十分密切，設(shè)計條件多次往返，故一定要做好各專業(yè)間的協(xié)同配合。,建設(shè)施工階段:,駐現(xiàn)場設(shè)計代表解釋設(shè)計文檔設(shè)計方案調(diào)整監(jiān)督施工單位嚴(yán)格按設(shè)計方案施工,投產(chǎn)驗收階段:,指導(dǎo)開車過程考核設(shè)計指標(biāo)驗收結(jié)題,化工廠廠址選擇的工作程序,廠址選擇準(zhǔn)備階段,,現(xiàn)場考察工作,,多方案比較,,完

25、成廠址選擇報告,從全廠工藝及發(fā)展的眼光出發(fā)，確定用地大小，初選幾處，收集當(dāng)?shù)厮摹⒌刭|(zhì)、天氣、人文、歷史、用地政策、投資政策等信息。,在項目建議書階段不強求有選址報告，但選址報告一定要同步于可行性研究報告（或先于“可研”）完成?？梢宰鳛榭尚行匝芯繄蟾娴莫毩⒄鹿?jié)。,7、 化工廠設(shè)計中的一些全局性問題,7.1 化工廠廠址的選擇,廠址選擇是在基建的投資決策階段必須解決的重要問題，由工藝系統(tǒng)專業(yè)部的總圖專業(yè)牽頭完成。廠址選擇的結(jié)果，直接影響到

26、設(shè)計、投資、運營成本、生產(chǎn)情況。,化工廠廠址選址的幾個基本原則,（1）應(yīng)符合國家、地區(qū)、行業(yè)、部門發(fā)展大局的需要；（2）應(yīng)選在原料、燃料、動力充足，運輸方便，產(chǎn)品銷售便利的地區(qū)。并在公用工程、生活設(shè)施有良好基礎(chǔ)的地區(qū)；（3）化工廠廠址附近應(yīng)該有良好、充足的水源； （化工類企業(yè)對水有強烈的需求依賴）（4）應(yīng)該注意節(jié)約用地及占地種類，并考慮工廠發(fā)展的需要；（5）應(yīng)考慮附近居民的安全與健康，廠址的氣候及防災(zāi)害能力。（6）避免

27、建在國家或地區(qū)的水利、歷史、自然、文化等各類保護區(qū)。,,此外，廠址地方的投資及稅收政策、人力資源及成本、管理是否方便、協(xié)作關(guān)系等社會因素也應(yīng)綜合考慮。,7.2 化工廠總圖布置,總圖布置（工廠布置、總圖運輸），由總圖專業(yè)牽頭完成。,化工廠廣義的“車間”包括以下部分：,化工廠,,主要生產(chǎn)車間,輔助生產(chǎn)車間（機修、電儀修、中央化驗室、倉庫等）,服務(wù)型車間（廠區(qū)辦公樓、職工宿舍、醫(yī)藥、食堂等）,公用工程車間（水、電、汽、氣、冷凍）,主要生產(chǎn)車

28、間的含義：,車間,,,輸入物流,輸出物流,特點： 輸入物流和輸出物流，其物質(zhì)在分子層面、形態(tài)、純度等性質(zhì)發(fā)生了變化。,總圖布置的定義 在全面掌握工廠工藝概況的前提下，結(jié)合廠區(qū)的各種內(nèi)、外部條件，對化工廠的所有車間在廠址范圍內(nèi)進行合理的布局，以期獲得安全、經(jīng)濟的人流及物流流動路線。,總圖布置樣圖,化工廠總圖布置的幾條基本原則,（1）應(yīng)盡量考慮生產(chǎn)工藝流程的要求，避免物流交叉，縮短物流路線。并盡量減少人流和物流的

29、交叉。,（2）對公用工程有大需求的車間，應(yīng)考慮其與外界的聯(lián)系，并盡量靠近其供應(yīng)源。同時遵守“負(fù)荷集中”原則。（3）廠區(qū)內(nèi)與外界有大運輸量的車間應(yīng)盡量布置在廠區(qū)外緣。（4）廠區(qū)內(nèi)同類型或相似類型的車間應(yīng)盡量集中布置。（“同類集中”原則）（如制藥廠內(nèi)同類藥品、劑型集中，放射、有毒、易燃易爆類分別集中）（5）廠區(qū)布置應(yīng)考慮防火、防爆及衛(wèi)生健康的要求。 （易燃易爆車間不要布置在廠區(qū)中央，并考慮相鄰車間的安全。有粉塵、氣味的車間盡量

30、布置在下風(fēng)口）（6）工廠布置應(yīng)考慮工廠、車間發(fā)展的需要。,7.3 化工廠的車間布置,化工廠車間的構(gòu)成,,生產(chǎn)部分,,原料工段生產(chǎn)工段成品工段回收工段控制室,輔助部分,,變配電室通風(fēng)空調(diào)室車間化驗室機電儀修室各類中轉(zhuǎn)室,生活部分,,車間辦公室工人休息室浴室及更衣間衛(wèi)生間,化工廠的一個車間,車間布置的任務(wù)： 在化工廠總圖布置的框架下，按車間生產(chǎn)流程的工藝要求，同時考慮安全、操作方便、設(shè)備維修、經(jīng)濟合理

31、等因素，將車間內(nèi)生產(chǎn)部分、輔助部分、生活部分的所有硬件（主要是生產(chǎn)流程中的所有設(shè)備），在車間廠房的三維空間內(nèi)進行合理的布局。,車間布置（車間平立面布置）,,車間各層平面布置圖,車間的立面布置圖（各種剖面）,車間平立面布置需要的主要資料：1、化工廠總圖布置圖，廠房土建結(jié)構(gòu)圖；2、PID圖；3、物料衡算及能量衡算結(jié)果、物性數(shù)據(jù)；4、設(shè)備一覽表（尺寸、重量、安裝及保溫情況）；5、車間公用工程用量及車間外管情況；6、車間定員（人數(shù)

32、、男女比例、倒班情況）。,車間平立面布置樣圖,化工廠總圖布置與車間布置的關(guān)系：（1）總圖布置是大局，車間布置是局部。車間布置服從于總圖布置；（2）總圖布置先完成，再進行車間布置。少數(shù)情況下，二者可能同步進行。,8、設(shè)計結(jié)果的表達與設(shè)計文檔的編制,設(shè)計文檔的主要類型,,電子文檔,過程穩(wěn)態(tài)模擬模型過程動態(tài)模擬模型設(shè)備ＣＡＤ模型工廠三維模型,,可打印文檔,設(shè)計說明書工程圖紙設(shè)計條件表、圖設(shè)備、材料一覽表經(jīng)濟分析圖表,,設(shè)計說

33、明書的主要類型：,項目建議書可行性研究報告初步設(shè)計說明書施工圖設(shè)計說明,初步設(shè)計說明書的內(nèi)容 HG/T 20688-2000,,1.總論　 2. 技術(shù)經(jīng)濟3. 總圖運輸　　 4. 化工工藝及系統(tǒng)5. 布置與配管 6. 空壓站、氮氧站、冷凍站6. 廠區(qū)外管　　 8. 分析化驗9. 設(shè)備(含機泵、工業(yè)爐) 10. 自動控制及儀表 11. 供配電

34、 12. 電信13. 土建 14. 給水、排水15. 供熱系統(tǒng) 16. 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)17. 維修 18. 液體原料、產(chǎn)品儲運19. 固體原料、產(chǎn)品儲運 20. 全廠設(shè)備、材料倉庫21.消防專篇 22. 環(huán)境保護專篇23. 勞動安全衛(wèi)生專篇 24. 節(jié)能專篇25. 行政管理設(shè)施及居住區(qū)

35、26. 概算,初步設(shè)計說明書的內(nèi)容——化工工藝,,1、概述 2、生產(chǎn)流程簡述 3、工藝計算概述及結(jié)果 4、主要設(shè)備選型及計算 5、原材料、動力消耗定額及消耗量 6、主要生產(chǎn)控制指標(biāo) 7、機構(gòu)及定員 8、三廢治理措施 9、生產(chǎn)成本估算10、附錄圖紙和表格,化工設(shè)計工程圖紙的主要類型,,工廠布置圖工藝流程圖設(shè)備圖設(shè)備布置圖管道圖,化工設(shè)計條件表、圖的主要類型,,非定形設(shè)備條件表、圖土建條件表、圖