第六章過程設計(1)案例.ppt

1、第六章 過程設 計,任務 過程設計是以化工廠或化工生產(chǎn)裝置的建設為目的，以技術(shù)先進、生產(chǎn)安全可靠、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益優(yōu)良為目標，設計最佳的原料和工藝技術(shù)路線，通過工藝軟件的模擬分析，確定優(yōu)化的工藝流程、工藝條件、設備選型及其他非工藝專業(yè)等內(nèi)容。,在化工設計中，應努力做到： (1)符合國家的經(jīng)濟政策和技術(shù)政策，合理運用國家的財富和資源； (2)工藝上可靠，經(jīng)濟上合理； (3)盡可能吸收最新科技成果，力求技術(shù)先進，經(jīng)濟效益更大； (4)不造成環(huán)境污染； (5)符合國家工業(yè)安全與衛(wèi)生要求。,目錄 1.化工設計基礎知識 2.工藝路線 3.物料衡算和能量衡算 4.工藝流程設計 5.化工設備的選型和設計計

2、算,1.化工設計基礎知識,1.1化工生產(chǎn)特點 1.2設計原則 1.3 設計種類 1.4 設計內(nèi)容 1.5 工藝專業(yè)的主要設計內(nèi)容,1.1 化工生產(chǎn)的特點 (1)工藝流程復雜。 (2)操作狀態(tài)變化大。 (3)流體輸送多。 (4)具有腐蝕性。 (5)具有毒性。 (6)易燃、易爆性。 (7)非標設備多。,1.2設計原則,A.設計要求 (1)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量指標 (2)經(jīng)濟性 (3)安全 (4)環(huán)境保護 (5)整個系統(tǒng)必須可操作和可控制,由此可見，設計是一個多目標的優(yōu)化問題，不是只有唯一正確的答案。設計人員在作出選擇和判斷時要考慮各種經(jīng)常是相互矛盾的因素，即技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境保護等方面的要求。在允許的條

3、件范圍內(nèi)選擇一個兼顧各方面要求的方案，這種選擇或決策貫穿了整個設計過程。,B.約束條件 外部約束條件通常是指下列幾項： (1)政府制定的各種法律、規(guī)定和要求； (2)各種自然規(guī)律； (3)安全要求； (4)資源情況； (5)各種必須遵循的標準和規(guī)范； (6)經(jīng)濟要求，如投資限額和投資回收期。,內(nèi)部約束條件是指： (1)生產(chǎn)技術(shù)：來源、成熟程度、價格等； (2)材料：原材料、關(guān)鍵設備等供應的難易； (3)時間：允許和需要的設計時間； (4)人員：素質(zhì)和數(shù)量； (5)產(chǎn)品規(guī)格； (6)建設單位的具體要求； (7)建廠地區(qū)的具體情況。,由于化工裝置是一個由各種單元設備以系統(tǒng)的、合理的方式組合起來的整

4、體，因此在進行過程合成與分析時必須從全系統(tǒng)出發(fā)。這一點正是化工裝置設計與單元設備設計的差別，前者不僅要求設計人員掌握各單元設備的設計方法，而且還要求掌握化工系統(tǒng)工程的基本概念。,1.3設計種類 從一個新產(chǎn)品或一個新技術(shù)的試驗研究開始到進行工廠或裝置的建設，整個階段一般需要進行兩大類的設計。,第一類是新技術(shù)開發(fā)過程中的幾個重要環(huán)節(jié)，即概念設計(Conceptual Design)，中試設計(Pilot-plant Design)和基礎設計(Foundation Design)等，這一類設計由研究單位的工程開發(fā)部門負責進行。若研究單位設計力量不足，可以委托設計單位或與設計單位合作進行。,第二類是工

5、程設計(Engineering Design)，包括可行性研究(Feasibility Study)，初步設計(Preliminary Design)，施工圖設計(Detailed design)等，這類設計是由設計單位負責進行。,另外，有通用設計(復用設計)、“因地制宜”設計。也可根據(jù)項目性質(zhì)分為新建項目設計、技術(shù)改造項目的設計。,第一類設計 A.概念設計 是工程研究的一個環(huán)節(jié)，根據(jù)研究提供的概念和數(shù)據(jù)，確定流程和工藝條件及主要設備的型式和材質(zhì)，三廢處理措施等，最終得出基建投資和產(chǎn)品成本等主要技術(shù)經(jīng)濟指標。通過概念設計，可以及早暴露研究工作中存在的問題和不足之處，從而能及時解決問題，縮短開發(fā)

6、周期。,B.中試設計 中試的目的是驗證基礎研究得到的規(guī)律，考察從小試到中試的放大效應，必須在實質(zhì)上反映工業(yè)裝置的特性和規(guī)律，能得到基礎設計所需的全部數(shù)據(jù)，使得工業(yè)裝置投產(chǎn)時不會出現(xiàn)沒有預計到的問題。中試裝置設計的內(nèi)容基本上和工程設計相同，但規(guī)模小。,C.基礎設計 是整個技術(shù)開發(fā)階段的研究成果。一般情況下，應在研究內(nèi)容全部完成并通過鑒定后進行。基礎設計的內(nèi)容包括將要建設的生產(chǎn)裝置的一切技術(shù)要點。它將作為工程設計的依據(jù)，合格的工程設計技術(shù)人員應能根據(jù)基礎設計完成一個能順利投產(chǎn)、達到一定產(chǎn)量和質(zhì)量等指標的生產(chǎn)裝置。,基礎設計須詳細說明工業(yè)生產(chǎn)過程、主要工藝特點、反應原理及工藝參數(shù)和操作條件。提出管道

7、流程和控制方案，并對特殊管道的等級公稱直徑提出要求。確定流程中主要控制方案的原則、控制要求、控制點數(shù)據(jù)表、主要儀表選型及特殊儀表技術(shù)條件。說明裝置危險區(qū)的劃分，列出所處理介質(zhì)的特性和允許濃度，安全生產(chǎn)、事故處理及勞動保護設置應用的特殊措施等。,1.3.1設計程序 本節(jié)所述設計程序是針對工程設計而言的。根據(jù)原化學工業(yè)部化工設計管理標準(1992)關(guān)于“設計工作基本程序”的規(guī)定，化工設計單位在化工基本建設過程中根據(jù)建設單位的委托，進行以下工作：,(1)接受委托，參加編制項目建議書： (2)參加廠址選擇，編制廠址選擇報告； (3)進行技術(shù)考察； (4)編制預可行性研究報告； (5)編制可行性研究報告

8、； (6)進行廠址復查； (7)提出建廠區(qū)域地質(zhì)初勘要求； (8)開展初步設計；,(9)進行設備及主要材料的采購； (10)提出詳勘要求； (11)開展施工圖設計； (12)配合現(xiàn)場施工； (13)參加試車、考核； (14)參加竣工驗收； (15)工程總結(jié)，設計回訪； (16)參加項目后評價。,下面針對設計程序中的幾個關(guān)鍵步驟進行說明。 1.3.2 可行性研究報告的編制 可行性研究報告是基本建設前期工作的重要內(nèi)容，是對基本建設項目的必要性和可行性分析預測的一種科學方法，是為建設項目正確決策，保證投入的資金能發(fā)揮最大效益所提供的科學依據(jù)。,可行性研究報告的內(nèi)容： (1)總論：包括項目名稱、主辦單

9、位名稱、企業(yè)性質(zhì)及法人、可行性研究的依據(jù)、可行性研究的主要內(nèi)容和論據(jù)、評價的結(jié)論性意見、存在問題和建議等，并附上主要技術(shù)經(jīng)濟指標表； (2)需求預測：包括國內(nèi)外需求情況預測和產(chǎn)品的價格分析； (3)產(chǎn)品的生產(chǎn)方案及生產(chǎn)規(guī)模；,(4)工藝技術(shù)方案：包括工藝技術(shù)方案的選擇、物料平衡和消耗定額、主要設備的選擇、工藝和設備擬采用標準化酌情況等內(nèi)容； (5)原材料、燃料及水電汽的來源與供應； (6)建廠條件和廠址選擇布局方案； (7)公用工程相輔助設施方案； (8)節(jié)能； (9)環(huán)境保護；,(10)勞動保護與安全衛(wèi)生； (11)工廠組織、勞動定員和人員培訓； (12)項目實施規(guī)劃； (13)投資估算和資

10、金籌措； (14)經(jīng)濟效益評價及社會效益評價； (15)結(jié)論：包括綜合評價和研究報告的結(jié)論、存在問題及建議等內(nèi)容。,1.3.3 初步設計 初步設計是根據(jù)已批準的可行性研究報告，確定全廠性的設計原則、設計標準、設計方案和重大技術(shù)問題，如總工藝流程(Process Flow)、生產(chǎn)方法、工廠組成、總圖布置、水電汽的供應方式和用量、關(guān)鍵設備及儀表選型、全廠的貯運方案、消防、職業(yè)安全、工業(yè)衛(wèi)生、環(huán)境保護和綜合利用等。編制出初步設計文件及概算文件。,初步設計是確定建設項目的投資額、征用土地、組織主要設備及材料的采購以及編制施工圖設計的依據(jù)，也是簽訂建設總承包合同，銀行貸款及實行投資包干和控制建設工程撥款

11、的依據(jù)。根據(jù)原化學工業(yè)部對“初步設計說明書”的規(guī)定內(nèi)容如下。,(1)總論； (2)技術(shù)經(jīng)濟：基礎經(jīng)濟數(shù)據(jù)，經(jīng)濟分析，附表； (3)總圖運輸：廠址選擇，總平面布置，豎向布置，工廠運輸，工廠防護設施，徘渣場，防護，綠化；,(4)化工工藝：原材料及產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格，裝置危險性物料表，生產(chǎn)流程敘述，原材料、動力(水電氣汽)消耗定額及消耗量，成本估算，車間定員，管道材料等；(表格：設備一覽表，綜合材料表；圖紙：帶控制點的工藝流程圖，物料流程圖，設備布置圖) (5)空壓站，氮氧站，冷凍站； (6)外部工藝，供熱管線；,(7)設備(含工業(yè)爐)：設備技術(shù)特征，主要設備總圖； (8)自動控制全廠自動化水平、信

12、號及聯(lián)鎖，環(huán)境特征及儀表選型，復雜控制系統(tǒng)，動力供應等； (9)供電：電源狀況、負荷等級及供電要求，主要用電設備材料選擇配電所，照明、接地、接零及防靜電、車間配電、防雷等； (10)電信；,(11)土建：氣象、地質(zhì)、地震等自然條件資料、地方材料、施工安裝條件等，建筑設計、結(jié)構(gòu)設計、對地區(qū)性特殊問題的設計考慮，對施工的特殊要求、對建筑物內(nèi)高、大、重的設備安裝要求的說明等； (12)給水排水：自然條件資料(氣象資料、水文地質(zhì)資料等)，給水水源及輸水管道，給水處理，廠區(qū)給水、廠區(qū)排水、污水處理場、定員等；,(13)供熱； (14)采暖通風及空氣調(diào)節(jié)； (15)維修(機修、儀修、電修、建修) (16)

13、中央化驗室； (17)消防；,(18)環(huán)境保護及綜合利用：設計采用的環(huán)保標準，主要污染源及主要污染物，設計中采取的環(huán)保措施及簡要處理工藝流程，綠化概況、其他環(huán)保措施、環(huán)境監(jiān)測體制、環(huán)保投資概算、環(huán)保管理機構(gòu)及定員等；,(19)勞動安全與工業(yè)衛(wèi)生；生產(chǎn)過程中職業(yè)危險因素分析及控制措施，勞動安全及工業(yè)衛(wèi)生設施，預期效果及防范評價、勞動安全與工業(yè)衛(wèi)生專業(yè)投資情況； (20)節(jié)能：主要耗能裝置能耗狀況，主要節(jié)能措施、節(jié)能效益等； (21)概算。,1.3.4 施工圖設計 施工圖設計是把初步設計中確定的設計原則和設計方案，根據(jù)建筑施工、設備制造及安裝工程的需要進一步具體化。,該階段工藝專業(yè)的設計內(nèi)容主要包

14、括： (1)工藝圖紙目錄、帶控制點的工藝流程固、公用工程系統(tǒng)圖、設備布置圖、設備一覽表、管道布置圖、管架管件圖、設備管口方位圖、設備和管路保溫及防腐設計； (2)設備專業(yè)有非定型設備制造圖、設備安裝圖等；,(3)非工藝專業(yè)方面有土建施工圖，供電、給排水、自控儀表線路安裝圖等等； (4)除施工圖外，還應附有各部分施工說明以及各部分安裝材料表，便于設備訂貨與制造及安裝材料的選購。,1.4設計內(nèi)容 1.4.l設計原則 (1)技術(shù)經(jīng)濟評價指標的種類和數(shù)值 (2)要求生產(chǎn)的可靠程度 (3)生產(chǎn)能力波動的適應范圍 (4)材質(zhì)使用原則 (5)自動化水平 (6)傳動設備和易磨損、易腐蝕等設備的備用原則 (7)

15、考慮發(fā)展規(guī)劃,1.4.2設計基礎 A.年操作時間 要考慮下列因素： (1)工藝介質(zhì)的腐蝕性強弱； (2)生產(chǎn)過程中有無結(jié)焦、聚合現(xiàn)象； (3)設備備用系數(shù)的高低； (4)建廠地區(qū)管理和操作水平； (5)工藝成熟程度。,B.原材料規(guī)格 (1)雜質(zhì)對反應的影響。 (2)雜質(zhì)對催化劑的影響。 (3)對于惰性雜質(zhì)，考慮原料濃度降低后對主反應絕對速率和主副反應相對速率的影響。 (4)原料濃度對反應產(chǎn)物提純系統(tǒng)的影響。 (5)提高原料濃度和純度所需付出的代價。 (6)提高原料濃度，分離出的其他副產(chǎn)品的價值。,C.產(chǎn)品規(guī)格 D.原材料消耗 E.界區(qū)(Battery Limits)交接條件 F.公用工程規(guī)格

16、(1)電氣 (2)冷卻水,(3)蒸汽 超高壓 11.5 MPa(絕壓) 高壓 10 MPa(絕壓) 中壓 2.5、4 MPa(絕壓) 低壓 0.4，0.5，0.6，1.3，1.6 MPa(絕壓) (4)儀表用空氣 (5)壓縮空氣 (6)冷凍,G.公用工程消耗 H.催化劑、干燥劑、助劑及其他各種化學品用量 I.三廢的來源、數(shù)量、組成和建議的處理方法,1.5工藝專業(yè)的主要設計內(nèi)容 A.物料衡算和能量衡算 B.物料流程圖 C.工藝管道及儀表流程圖 D.工藝設備設計 E.設備布置圖 F.管道布置圖 G.材料統(tǒng)計,2.工藝流程,2.1一般化工工藝流程 2.2工藝路線論證 2.3流程設計程序,2.1一般化

17、工工藝流程,工藝流程設計是工藝設計的核心。只有流程確定后，其他各項工作才能開展，同時工藝流程設計涉及各個專業(yè)方面，流程要在設計中不斷修改完善。所以，在化工設計中工藝流程的設計總是最早開始，最晚結(jié)束。,一個典型的化工工藝流程一般可由六個單元組成，如下圖所示。,原 料,原 料 貯 存,進 料 預 處 理,反 應,產(chǎn) 品 分 離,產(chǎn) 品 精 制,貯 存 包 裝,產(chǎn) 品,2.2工藝路線論證 工藝流程設計的任務主要有兩個： (1)確定生產(chǎn)流程中各單元過程和單元操作的組合方式。 (2)繪制工藝流程圖。即以流程圖的形式表達生產(chǎn)過程中物料在各單元中的流向，以及物料和能量在這些設備中發(fā)生的變化，同時表示設備的大

18、致形式以及管路和自控方式。,確定工藝路線一般要經(jīng)過三個階段： 2.2.1 搜集資料，調(diào)查研究 (1)國內(nèi)外生產(chǎn)情況，各種生產(chǎn)方法及工藝流程 (2)原料來源及產(chǎn)品應用情況； (3)試驗研究報告； (4)安全技術(shù)及勞動保護措施； (5)綜合利用及三廢處理；,(6)生產(chǎn)技術(shù)是否先進，生產(chǎn)連續(xù)化、自動化程度； (7)設備的大型化及制造、運輸情況； (8)基本建設投資、產(chǎn)品成本、占地面積； (9)水、電、氣、燃料的用量及供應，主要基建材料的用量及供應； (10)廠址、地質(zhì)、水文、氣象等資料； (11)車間(裝置)環(huán)境與周圍的情況。,2.2.2 落實設備 2.2.3 全面分析對比 (1)國內(nèi)外采用的情況及

19、發(fā)展趨勢： (2)產(chǎn)品的質(zhì)量情況； (3)生產(chǎn)能力及產(chǎn)品規(guī)格； (4)原材料、能量消耗情況； (5)建設費用及產(chǎn)品成本； (6)三廢的產(chǎn)生及治理情況； (7)其他特殊情況。,2.3流程設計程序 2.3.1設計程序 A.流程框圖 B.流程示意圖 C.流程草圖 D.工藝流程圖 (1)物料流程圖(PFD圖)； (2)帶控制點的工藝流程圖(PID圖)。,2.3.2工程建設進展 A.項目建議書階段 B.可行性研究階段 C.初步設計階段 D.施工圖設計階段 E.竣工圖設計階段,3.1物料衡算 3.2熱量衡算 3.3運用計算軟件進行化工工藝計算,3.物料衡算與能量衡算,物料衡算是工藝設計的基礎。根據(jù)所需設計

20、項目的年產(chǎn)量，可以計算出：原料的消耗量、副產(chǎn)品量以及輸出過程物料的損耗量及三廢生成量；計算出蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額；對生產(chǎn)設備和輔助設備進行選型或設計。最終，可以確定產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟指標以及對項目可行性進行估價。,3.1物料衡算 3.1.1基本原理 A.物料衡算的目的 (1)原材料消耗定額，判斷是否達到設計要求。 (2)各設備的輸入及輸出的物流量和組成。列表，在此基礎上進行設備的選型及設計，并確定三廢排放位置、數(shù)量及組成，有利于進一步提出三廢治理的方法。,(3)作為熱量計算的依據(jù)。 (4)根據(jù)計算結(jié)果繪出物流圖，可進行管路設計及材質(zhì)選擇，儀表及自控設計等。,B.物料衡算的依據(jù) (1

21、)設計任務書中確定的技術(shù)方案、產(chǎn)品生產(chǎn)能力、年工作時間及操作方法。 (2)建設單位或研究單位所提供的要求、設計參數(shù)及實驗室試驗或中試等數(shù)據(jù)，主要有：,a)化工單元過程的主要化學反應方程式、反應物配比、轉(zhuǎn)化率、選擇性、總收率、催化劑狀態(tài)及加入配比量、催化劑是否回收使用、安全性能(爆炸上下限)等。 b)原料及產(chǎn)品的分離方式，各步的回收率，采用物料分離劑時，加入分離劑的配比。 c)特殊化學品的物性，如沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。,(3)工藝流程示意圖,C.物料衡算基準 (1)時間基準 (2)質(zhì)量基準 (3)體積基準 (4)干濕基準,D.物料衡算程序 (1)確定衡算的對象、體系與環(huán)境，并畫出計算對

22、象的草圖。 (2)確定計算任務。 (3)確定過程所涉及的組分。 (4)對物流流股進行編號，并標注物流變量。,(5)收集數(shù)據(jù)資料。 a)生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時間。 b)有關(guān)的定額和技術(shù)指標。 c)原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格。 d)與過程有關(guān)的物理化學參數(shù)。 (6)列出物料衡算方程。,(7)列出過程的全部獨立物料平衡方程式及其他相關(guān)約束式。對于有化學反應發(fā)生的，要寫出其化學反應方程式，明確反應前后的物料組成和各個組分之間的定量關(guān)系，必要時還應指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性，為計算作準備。約束式有：歸一化方程、恒沸組成、相平衡數(shù)據(jù)、化學平衡方程、回流比、相比等。,(8)選擇計算基準。 (9)統(tǒng)計變量個數(shù)與方程個數(shù)，確定設計變量的個數(shù)及全部設計變量。 (10)整理計算結(jié)果。 (11)繪制物料流程圖。,3.1.2物料衡算舉例 A.無反應的物料衡算 B.有反應的物料衡算 (1)直接計算法； (2)利用反應速率進行物料衡算 (3)元素平衡； (4)以化學平衡進行衡算； (5)以結(jié)點進行衡算； (6)利用聯(lián)系組分進行衡算。,C.帶循環(huán)和旁路過程的物料衡算 (1)試差法。 (2)代數(shù)解法。,3.2熱量衡算 3.2.1基本原理 A.能量衡算的