化工过程开发与设计

版权所有化工过程开发与设计化工过程开发与设计•课程性质：新的化工产品或新的化工工艺经由实验室研究、放大试验到工业化生产的全过程为化工产品开发。课程涉及合成、工艺、工程、设备、控制、经济、环保等多种学科知识。内容实用性强，是学生从学习知识到应用知识的桥梁。•课程目的：学生了解新的化工产品开发的过程，掌握新的化工产品开发的方法和相关的知识。化工过程开发与设计•过程开发•设计化工过程开发与设计课程形式•专业必修•32课时•考查参考书1.于遵宏编，化工过程开发，华东理工大学出版社，2.郑洁修等编，化工过程开发概要，高等教育出版社，3.武汉大学主编，化工过程开发概要，高等教育出版社，4.陆震维编译，化工过程开发，化学工业出版社，化工过程开发与设计市场调研与预测2选题和立项3化工过程开发实验中的实验设计与数据处理4物料衡算5能量衡算6化工过程开发与设计概述1目录化工工艺流程设计7化工过程放大8计算机在化工过程开发与设计中的应用9技术经济评价10化工过程开发与技术转让中的相关问题11化工过程开发与设计绪论化工过程开发的定义：由实验室研究成果（新工艺、新产品等）到实现工业化的科学技术活动。化工过程开发与设计绪论化工发展化工过程开发与设计现代化学工业石油化工（包括其衍生的有机化工）煤化工（包括其衍生的有机化工）无机化工精细化工及中间体化肥工业农药工业医药工业轻工（造纸、玻璃、塑料、合成橡胶等）染料、油墨、化妆品、清洁剂生物化工石油化工煤化工医药化工生物化工化学工业是所有高新技术产业的支撑工业，如能源、电子、信息、生物、材料等领域，都离不开化学工业提供的物质支撑。从化学工业的发展看，各种新产品、新工艺和新技术，在它们实现工业化之前，大多都是从实验室研究开始的。由于物料处理量等许多条件相差悬殊，实验室研究和化工生产之间存在很大差别，实验室成果往往不能真实反映工业生产的情况。为什么实验室研究成果不能直接用于大规模化工生产？实验室工业生产实验室工业生产间歇操作连续操作物料不回收物料回收实验条件精确控制实验条件控制不精确设备容量小，很小考察传质传热等条件设备容量大，对传热传质的影响考察多设备受限设备大，考虑生产诸多条件不考虑设备腐蚀对生产影响必须考虑设备腐蚀对生产影响此外，工业生产还必须从经济角度考虑：◆原材料的品级及供应渠道◆产品质量及市场销售◆能源供应及消耗◆建设投资和生产成本◆“三废”治理和环境保护这些都是在实验室研究中很少考虑的一些问题。因此，将实验室研究成果直接用于大规模工业生产是不合适的。如何才能使实验室研究成果用于大规模化工生产？所以在实验室研究完成后，还必须对研究成果进行多种形式的研究和反复论证，采用不同的研究方法和手段考察在实验室条件下未能获得的各种技术经济信息，并论证该研究成果放大成为工业规模的可行性。只有经过科学论证，确认其工艺技术路线在技术上的可靠性、经济上的合理性，并能提供设计生产装置的精确数据，才能进一步建立生产装置投入工业生产。这种由实验室研究过渡到建立生产装置的全过程，就是化工新产品、新工艺或新技术的开发过程，统称为“化工过程开发”。化工过程开发是一种综合性的工程技术化工过程开发与设计绪论1．计算化学工程发展迅速2．认识时空多尺度结构及其效应3．与产品工程的联系日趋紧密4．绿色化学工程与工业生态园区建设成为化工研发的前沿化工过程开发与设计绪论1．计算化学工程发展迅速计算流体力学的发展（CFD)数学模型的建立主要体现在-----计算机辅助化工过程设计计算辅助化工过程设计软件系统的发展情况：第一代商品化软件系统20世纪60年代，以美国各高校联合开发的CHESS软件系统为代表。Chem.Eng.SimulationSystem20世纪70年代初，以美国Monsanto公司牵头开发的FLOWTRAN软件系统代表。第二代商品化软件系统FlowsheetTranslator第三代商品化软件系统20世纪80年代，以ASPEN和PROCESSII两大软件系统代表。AdvancedSystemforProcessEng.化工过程开发与设计过程工业绿色化的其主要内容包括：（1）建立资源（2）原子经济性化学反应处于绿色过程的核心地位，理想的绿色化学反应，即原料中的原子100％地转变为产物，不产生副产物或废弃物，实现废弃物的零排放。（3）运用环境（4）发展生物转化技术，洁净能源和可再生资源替代技术。（5）模拟自然界物种共生、互生、能量与元素传递循环网络，建立物质分层多级循环优化利用的生态化产业体系。化工过程开发与设计绪论现代化学工业发展方向新物质经济合理的大批量高质量柔性化绿色化多尺度化工过程开发与设计其中：化学工业绿色化的含义：以“减量化、再利用、资源化”为基本原则，也就是所谓的“3R”原则（Reduce、Recycle、Resource）具体体现在：（1）、减少化工过程的能耗、物耗；（2）、减少有害物质的使用或生成；（3）、减少废弃物，并使废弃物在系统类在利用；（4）、尽量将排放的废弃物转化为可用的再生资源；（5）、尽量延长产品的生命周期。ReduceRecycleResource化工过程开发与设计通过学习化工过程开发与设计了解化工开发流程及注意事项化工过程开发与设计第1章化工过程开发与设计概述化工工艺设计1.2二十一世纪化工过程开发与设计的新发展1.3化工过程开发及工艺路线选择1.1工艺设计中的全局性问题1.4化工过程开发与设计1.1化工过程开发及工艺路线选择12化工过程开发程序工艺路线选择3可行性研究化工过程开发是一种综合性的工程技术，它包括：立项前的可行性研究，实验室小试，放大模型试验、中试，技术经济评价，设计生产装置，安装、调试、开车等多个步骤，涉及化学，化学工艺，化学工程，化工机械，测量与控制，经济分析，系统优化等多种学科。因此必须把整个开发过程看作一个系统，使系统内各个相互联系和相互作用的要素协调配合，才能合理而有效地完成化工过程开发任务。化工过程开发与设计1.1.1化工过程开发程序图1.1过程工业新产品开发的基本步骤化工过程开发与设计1.1.1化工过程开发程序1．信息研究2．实验性研究3．第一次可行性研究4．小试5．概念设计6．第二次可行性研究化工过程开发与设计1.1.1化工过程开发程序7．模型试验8．中试9．基础设计10．第三次可行性研究11．工程设计12．施工化工过程开发与设计1.1.2工艺路线选择在选择化工产品的工艺路线时应考虑下面几方面的问题。（1）技术上可行，经济上合理（2）原料路线（3）环境保护（4）公用工程中的水源及电力供应（5）安全生产化工过程开发与设计1.1.3可行性研究1．可行性研究报告的基本要求（1）化工建设项目可行性研究报告的基本要求（2）可行性研究报告编写中应注意的问题化工过程开发与设计1.1.3可行性研究2．化工建设项目可行性研究报告的内容（1）总论（2）需求预测（3）产品的生产方案及生产规模（4）工艺技术方案（5）原材料、燃料及水、电、汽的来源与供应（6）建厂条件及厂址方案、布局方案（7）公用工程和辅助设施方案化工过程开发与设计1.1.3可行性研究（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）投资估算和资金筹措（14）经济评价及社会效益评价（15）结论1.2化工工艺设计12化工工艺设计的内容化工工艺设计程序与设计文件化工过程开发与设计1.2.1化工工艺设计的内容（1）原料路线和技术路线的选择；（2）工艺流程设计；（3）物料计算；（4）能量计算；（5）工艺设备的设计和选型；化工过程开发与设计1.2.1化工工艺设计的内容（6）车间布置设计；（7）化工管路设计；（8）非工艺设计项目的考虑，即由工艺设计人员提出非工艺设计项目的设计条件；（9）编制设计文件；包括编制设计说明书、附图和附表。化工过程开发与设计1.2.2化工工艺设计程序与设计文件1．初步设计的目的与初步设计的主要内容(1)总论(2)技术经济(3)总图运输(4)化工工艺(5)空压站、氮氧站、冷冻站……化工过程开发与设计1.2.2化工工艺设计程序与设计文件2．初步设计说明书的附图、附表（1）工艺物料流程图；（2）带控制点的工艺流程图；（3）设备布置图；（4）设备一览表；（5）物料流程表。化工过程开发与设计1.2.2化工工艺设计程序与设计文件3．施工图设计的主要内容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，满足建筑工程施工、设备及管道安装、设备的制作及自动控制工程等建筑造价的要求。化工过程开发与设计1.2.2化工工艺设计程序与设计文件4．施工图设计的设计文件（1）工艺设计说明（2）管道仪表流程图（3）辅助管路系统图（4）首页图（5）设备布置图化工过程开发与设计1.2.2化工工艺设计程序与设计文件（6）设备一览表（7）管路布置图（8）管架和非标准管架图（9）管架表（10）综合材料表（11）设备管口方位图化工过程开发与设计1.3二十一世纪化工过程开发与设计的新发展12化工过程强化与微化工技术分子计算科学成为化学工程新的生长点3绿色过程系统工程发展迅速化工过程开发与设计1.3.1化工过程强化与微化工技术绿色化学侧重从化学反应本身来消除环境污染、充分利用资源、减少能源消耗；化工过程强化则强调在生产能力不变的情况下，在生产和加工过程中运用新技术和设备，极大地减小设备体积或者极大地提高设备的生产能力，显著地提升能量效率，大量地减少废物排放。化工过程开发与设计1.3.2分子计算科学成为化学工程新的生长点目前化学工业受关注的新技术包括单元操作集成技术、表面及界面技术、膜技术、超临界技术、纳米技术、生物化工技术等。这些技术涉及聚合物、两亲分子、电解质、生物活性分子等复杂物质，临界和超临界、液晶、超导、超微等复杂状态，界面、膜、溶液、催化等复杂现象。化工过程开发与设计1.3.3绿色过程系统工程发展迅速1．层次设计法2．人工智能法3．夹点分析法4．数学规划法5．模拟优化法6．产品生命周期分析法7.复合式方法化工过程开发与设计1.3.3绿色过程系统工程发展迅速图1.2过程系统和环境之间1.4工艺设计中的全局性问题12厂址的选择总图布置与设计34安全与工业卫生公用工程56电气设计自动控制7土建设计化工过程开发与设计1.4.1厂址的选择1.厂址选择的原则(1)厂址应符合国家工业布局，城市或地区的规划要求(2)厂址宜选在原料、燃料供应和产品销售便利的地区……化工过程开发与设计1.4.1厂址的选择2.选厂报告（1）新建厂的工艺生产路线及选厂的依据；（2）建厂地区的基本情况；（3）厂址方案及厂址技术条件的比较，并对建设费用及经营费用进行评估；（4）对各个厂址方案的综合分析和结论；（5）当地政府和主管部门对厂址的意见；（6）厂区总平面布置示意图；（7）各项协议文件。化工过程开发与设计1.4.2总图布置与设计1.总图设计的内容2.工厂总图布置应遵循的基本原则3.对总图的要求4.总平面布置设计的主要技术经济指标化工过程开发与设计1.4.2总图布置与设计表1-2主要技术经济指标序号名称单位数量备注1厂区占地面积m22厂外工程占地面积m23厂区内建、构筑物占地面积m24厂内露天堆场、作业场地占地面积m25道路、停车场占地面积m26铁路长度及其占地面积m，m27管线、管沟、管架占地面积m28围墙长度m（1）评价总图设计的合理性与否的技术经济指标化工过程开发与设计1.4.2总图布置与设计续上表序号名称单位数量备注9厂区内建筑总面积m210厂区内绿化占地面积m211建筑系数%12利用系数%13容积率14绿化（用地）系数%15土石方工程量m2化工过程开发与设计1.4.2总图布置与设计（2）建筑系数（1-1）（3）利用系数利用系数=建筑系数+管道及管廊占地系数+道路占地系数+铁路占地系数（1-2）100%建筑物构筑物露天设备露天堆场及操作占地面积占地面积占地面积场地占地面积建筑系数厂区占地面积化工过程开发与设计1.4.2总图布置与设计（4）建筑容积率建