第六章過程設(shè)計(1)案例.ppt

1、第六章 過程設(shè) 計,任務(wù) 過程設(shè)計是以化工廠或化工生產(chǎn)裝置的建設(shè)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(shè)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(shè)備選型及其他非工藝專業(yè)等內(nèi)容。,在化工設(shè)計中，應(yīng)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(shè)計基礎(chǔ)知識 2.工藝路線 3.物料衡算和能量衡算 4.工藝流程設(shè)計 5.化工設(shè)備的選型和設(shè)計計

2、算,1.化工設(shè)計基礎(chǔ)知識,1.1化工生產(chǎn)特點 1.2設(shè)計原則 1.3 設(shè)計種類 1.4 設(shè)計內(nèi)容 1.5 工藝專業(yè)的主要設(shè)計內(nèi)容,1.1 化工生產(chǎn)的特點 (1)工藝流程復(fù)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(shè)備多。,1.2設(shè)計原則,A.設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備等供應(yīng)的難易； (3)時間：允許和需要的設(shè)計時間； (4)人員：素質(zhì)和數(shù)量； (5)產(chǎn)品規(guī)格； (6)建設(shè)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(shè)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(shè)計與單元設(shè)備設(shè)計的差別，前者不僅要求設(shè)計人員掌握各單元設(shè)備的設(shè)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(shè)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(shè)，整個階段一般需要進行兩大類的設(shè)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(shè)計(Conceptual Design)，中試設(shè)計(Pilot-plant Design)和基礎(chǔ)設(shè)計(Foundation Design)等，這一類設(shè)計由研究單位的工程開發(fā)部門負責進行。若研究單位設(shè)計力量不足，可以委托設(shè)計單位或與設(shè)計單位合作進行。,第二類是工

5、程設(shè)計(Engineering Design)，包括可行性研究(Feasibility Study)，初步設(shè)計(Preliminary Design)，施工圖設(shè)計(Detailed design)等，這類設(shè)計是由設(shè)計單位負責進行。,另外，有通用設(shè)計(復(fù)用設(shè)計)、“因地制宜”設(shè)計。也可根據(jù)項目性質(zhì)分為新建項目設(shè)計、技術(shù)改造項目的設(shè)計。,第一類設(shè)計 A.概念設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計 中試的目的是驗證基礎(chǔ)研究得到的規(guī)律，考察從小試到中試的放大效應(yīng)，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(chǔ)設(shè)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(yù)計到的問題。中試裝置設(shè)計的內(nèi)容基本上和工程設(shè)計相同，但規(guī)模小。,C.基礎(chǔ)設(shè)計 是整個技術(shù)開發(fā)階段的研究成果。一般情況下，應(yīng)在研究內(nèi)容全部完成并通過鑒定后進行?；A(chǔ)設(shè)計的內(nèi)容包括將要建設(shè)的生產(chǎn)裝置的一切技術(shù)要點。它將作為工程設(shè)計的依據(jù)，合格的工程設(shè)計技術(shù)人員應(yīng)能根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)設(shè)計須詳細說明工業(yè)生產(chǎn)過程、主要工藝特點、反應(yīng)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(shè)置應(yīng)用的特殊措施等。,1.3.1設(shè)計程序 本節(jié)所述設(shè)計程序是針對工程設(shè)計而言的。根據(jù)原化學工業(yè)部化工設(shè)計管理標準(1992)關(guān)于“設(shè)計工作基本程序”的規(guī)定，化工設(shè)計單位在化工基本建設(shè)過程中根據(jù)建設(shè)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(yù)可行性研究報告； (5)編制可行性研究報告

8、； (6)進行廠址復(fù)查； (7)提出建廠區(qū)域地質(zhì)初勘要求； (8)開展初步設(shè)計；,(9)進行設(shè)備及主要材料的采購； (10)提出詳勘要求； (11)開展施工圖設(shè)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(shè)計回訪； (16)參加項目后評價。,下面針對設(shè)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(shè)前期工作的重要內(nèi)容，是對基本建設(shè)項目的必要性和可行性分析預(yù)測的一種科學方法，是為建設(shè)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(yù)測：包括國內(nèi)外需求情況預(yù)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(shè)備的選擇、工藝和設(shè)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(yīng)； (6)建廠條件和廠址選擇布局方案； (7)公用工程相輔助設(shè)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(xùn)； (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(shè)計 初步設(shè)計是根據(jù)已批準的可行性研究報告，確定全廠性的設(shè)計原則、設(shè)計標準、設(shè)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(yīng)方式和用量、關(guān)鍵設(shè)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(shè)計文件及概算文件。,初步設(shè)計是確定建設(shè)項目的投資額、征用土地、組織主要設(shè)備及材料的采購以及編制施工圖設(shè)計的依據(jù)，也是簽訂建設(shè)總承包合同，銀行貸款及實行投資包干和控制建設(shè)工程撥款

11、的依據(jù)。根據(jù)原化學工業(yè)部對“初步設(shè)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(chǔ)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備(含工業(yè)爐)：設(shè)備技術(shù)特征，主要設(shè)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(fù)雜控制系統(tǒng)，動力供應(yīng)等； (9)供電：電源狀況、負荷等級及供電要求，主要用電設(shè)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(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、對地區(qū)性特殊問題的設(shè)計考慮，對施工的特殊要求、對建筑物內(nèi)高、大、重的設(shè)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(shè)計采用的環(huán)保標準，主要污染源及主要污染物，設(shè)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(shè)施，預(yù)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(shè)計 施工圖設(shè)計是把初步設(shè)計中確定的設(shè)計原則和設(shè)計方案，根據(jù)建筑施工、設(shè)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(shè)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(shè)備布置圖、設(shè)備一覽表、管道布置圖、管架管件圖、設(shè)備管口方位圖、設(shè)備和管路保溫及防腐設(shè)計； (2)設(shè)備專業(yè)有非定型設(shè)備制造圖、設(shè)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(yīng)附有各部分施工說明以及各部分安裝材料表，便于設(shè)備訂貨與制造及安裝材料的選購。,1.4設(shè)計內(nèi)容 1.4.l設(shè)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(yīng)范圍 (4)材質(zhì)使用原則 (5)自動化水平 (6)傳動設(shè)備和易磨損、易腐蝕等設(shè)備的備用原則 (7)

15、考慮發(fā)展規(guī)劃,1.4.2設(shè)計基礎(chǔ) 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(shè)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(yīng)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(yīng)絕對速率和主副反應(yīng)相對速率的影響。 (4)原料濃度對反應(yīng)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(shè)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(shè)備設(shè)計 E.設(shè)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(shè)計程序,2.1一般化

17、工工藝流程,工藝流程設(shè)計是工藝設(shè)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(shè)計涉及各個專業(yè)方面，流程要在設(shè)計中不斷修改完善。所以，在化工設(shè)計中工藝流程的設(shè)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(yù) 處 理,反 應(yīng),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(shè)計的任務(wù)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(shè)備中發(fā)生的變化，同時表示設(shè)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(yīng)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(shè)備的大型化及制造、運輸情況； (8)基本建設(shè)投資、產(chǎn)品成本、占地面積； (9)水、電、氣、燃料的用量及供應(yīng)，主要基建材料的用量及供應(yīng)； (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(shè)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(shè)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(shè)計程序 2.3.1設(shè)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(shè)進展 A.項目建議書階段 B.可行性研究階段 C.初步設(shè)計階段 D.施工圖設(shè)計階段 E.竣工圖設(shè)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(shè)計的基礎(chǔ)。根據(jù)所需設(shè)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(shè)備和輔助設(shè)備進行選型或設(shè)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(shè)計要求。 (2)各設(shè)備的輸入及輸出的物流量和組成。列表，在此基礎(chǔ)上進行設(shè)備的選型及設(shè)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(shè)計及材質(zhì)選擇，儀表及自控設(shè)計等。,B.物料衡算的依據(jù) (1

21、)設(shè)計任務(wù)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(shè)單位或研究單位所提供的要求、設(shè)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(yīng)方程式、反應(yīng)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(wù)。 (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(yīng)發(fā)生的，要寫出其化學反應(yīng)方程式，明確反應(yīng)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(yīng)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(shè)計變量的個數(shù)及全部設(shè)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(yīng)的物料衡算 B.有反應(yīng)的物料衡算 (1)直接計算法； (2)利用反應(yīng)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