搜索
2019-03zhumingqiaozju.edu化工设计概论2019-03zhumingqiaozju.edu《化工设计概论》大纲第一讲绪论（2学时）（周一，2月21日）（朱明乔，陈丰秋）第二讲化工开发设计（一）（2学时）（周五，2月25日）（朱明乔）第三讲化工开发设计（二）（2学时）（周一，2月28日）（朱明乔）第四讲化工开发设计（三）（2学时）（周五，3月4日）（朱明乔）第五讲化工开发设计（四）（2学时）（周一，3月7日）（朱明乔）第六讲工艺流程案例分析（2学时）（周五，3月11日）（叶向群）第七讲化工工程设计（一）（2学时）（周一，3月14日）华永康）第八讲化工工程设计（二）（2学时）（周五）3月18日（华永康）第九讲化工设备设计（一）（2学时）（周一，3月21日）（郑传祥）第十讲化工设备设计（二）（2学时）（周五，3月25日）（郑传祥）2019-03zhumingqiaozju.edu《化工设计概论》大纲第十一讲自动控制及仪表设计（一）（2学时）（周一，3月28日）（麻红昭）第十二讲自动控制及仪表设计（二）（2学时）（周五，4月1日）（麻红昭）第十三讲公用工程及其它设计（一）（2学时）（周六补周一，4月2日）（吴晓军）第十四讲公用工程及其它设计（二）（2学时）（周五，4月8日）（吴晓军）第十五讲化工设计项目管理（2学时）（周一，4月1日）（王大春）第十六讲化工设计练习布置（2学时）（周五，4月15日）（朱明乔、叶向群等）主讲教师介绍：浙江大学：陈丰秋（教授、系副主任），朱明乔（副教授），郑传祥（教授），麻红昭（副教授），叶向群（高工）浙江省天正设计工程有限公司：华永康（教授级高工、总工），王大春（高工、副总经理），吴晓军（高工、副总经理）2019-03zhumingqiaozju.edu1绪论朱明乔浙江大学化学工程与生物工程学系ZhuMing-QiaoDepartmentofChemicalandBiologicalEngineeringZhejiangUniversity2019-03zhumingqiaozju.edu1绪论1.1化工设计定义1.2化工设计的机遇1.3化工设计的步骤1.4化工设计中其它问题考虑1.5化工设计常用术语1.6课程成绩考核1.7小结2019-03zhumingqiaozju.edu1.1化工设计定义化工设计是将一个系统（如一个工厂、一个车间或一套装置等）的技术方案、工艺过程、生产装备等转化为工程语言的过程，是一门综合性很强的学科，也是一门名副其实的交叉学科。2019-03zhumingqiaozju.edu1.2化工设计的机遇1.2.1化学产品的生产1.2.2化工设计的机遇1.2.3设计团队2019-03zhumingqiaozju.edu1.2.1化学产品的生产天然资源基础化学产品（大宗和专用化学品、生物材料、高分子材料）生产过程（a）基础化学品工业产品（薄膜、纤维、纸……）生产过程（b）基础化学品工业产品消费用品（透析装置、粘贴本、幻灯片、控制释放药片、化妆品）生产过程（c）图1.1化学产品和生产过程设计的步骤2019-03zhumingqiaozju.edu1.2.2化工设计的机遇（1）许多化学品的生产量很小这些化学品具有特定性能，如强度、黏性、孔隙率、渗透性等，为此设计的挑战性在于要创造一种能获得专利保护的产品，并且这类产品的市场需求能使其拥有极具吸引力的销售价格，当该化学品确认后，通常需要设计一个生产过程。（2）大宗化学品的需求量大如乙烯、苯、甲苯、汽油等，其生产通常只涉及那些确定的小分子，设计的重点是由各种不同原料生产这些化学品的过程。2019-03zhumingqiaozju.edu1.2.2化工设计的机遇（3）设计的机遇①实验室内为满足客户需要搜寻有多种用途性质的改进化学品生产过程设计；②可得到某种便宜的原料，这样新的生产过程常需要新的反应路线和分离方法；③新的市场，如块状经济、区域发展、发展中国家；④工程师强烈的感觉，认为以某种新的化学品或新的工艺路线去生产某种现存的化学品可能效益会更好，或是某种新的化学品存在一定市场。（4）大宗化学品的生产设计项目一般是不太全面的，其重点通常是生产设备设计或是化学过程设计。2019-03zhumingqiaozju.edu1.2.3设计团队（1）为了对某个课题作出陈述或要创立一个课题，可能要组建一个小的设计团队，这个设计团队将包括化学工程师、化学家，可能还有生物化学家，适当的情况下，还有市场开发者，特殊的领域还需要专家。（2）设计团队将遵循一系列公认的化工设计（可延伸为产品和过程设计）步骤处理设计问题。2019-03zhumingqiaozju.edu1.3化工设计的步骤1.3.1化工设计步骤的比较1.3.2初始问题的创建和审查1.3.3发现具有所需性质和性能的化学1.3.4过程创建1.3.5基本方案的开发1.3.6利用算法进行详细过程合成1.3.7全装置范围的可控性评价1.3.8详细设计、设备尺寸确定和优化1.3.9书面设计报告和口头陈述1.3.10装置设计、施工、开车和运转2019-03zhumingqiaozju.edu1.3.1化工设计步骤的比较实验性研究可行性研究(1)过程研究模型试验小试中试工程设计施工概念设计可行性研究(2)基础设计工程设计研究可行性研究(3)信息研究图1.2化学新产品开发设计的基本步骤（1）化学新产品开发设计的基本步骤2019-03zhumingqiaozju.edu（2）国际通用设计程序的阶段划分项目专利商工程公司阶段名称工艺包或基础设计工艺设计基础工程设计或分析和平面设计详细工程设计或最终设计主导专业工艺工艺系统/管道系统/管道主要文件工艺流程图（PFD）工艺控制图（PCD）工艺说明书设备表工艺数据表概略布置图工艺流程图工艺控制图工艺说明书物料平衡表设备表工艺数据表安全备忘录概略布置图主要专业设计条件管道仪表流程图（PID）设备计算及分析草图设备规格说明书材料选择请购文件设备布置图（分区）管道平面图（分区）地下管网图电气单线图各有关专业设计条件管道仪表流程图设备安装平剖面图详细配管图管段图（轴测图）基础图结构图、建筑图仪表设计图电气设计图设备制造图各专业施工图及安装说明用途供工程公司作为工程设计的依据把专利文件转化为工程公司设计文件为详细工程设计、设备材料采购提供全部资料提供施工图纸和文件，作为施工、材料补充订货依据表1.1国际通用设计程序的阶段划分2019-03zhumingqiaozju.edu（3）化学产品和生产过程设计的步骤第四篇装置范围的可控性评价开车评价可靠性和安全性分析过程和/或产品是否仍有希望？是潜在的机会第一篇创建和审查初始问题第一篇寻找具有所要求的性质和功能的化学品和化学品混合物第一篇创建过程是否有令人满意的毛利？是否需要生产化学品的过程？化学结构是否已知？第一篇基本方案的开发第二篇详细过程合成——计算方法第三篇详细设计设备尺寸的确定和优化过程是否仍有希望的？装置设计、建设、开车和操作第五篇书面设计报告和口头陈述过程和/或产品是否仍合理可行？是否否是否是放弃是否是否放弃图1.3化学产品和生产过程设计的步骤2019-03zhumingqiaozju.edu第一篇创建和审定初始问题确定要求、文献调研、产生思路、市场和商业研究、与用户面谈化学结构是否已知？否第一篇寻找具有所要求的性质和功能的化学品和化学品混合物例子：环境友好的聚合物薄膜、制冷剂、清洗和萃取的溶剂、润滑油、药物高分子、热手器溶质和抗张力强度高的陶瓷材料是否需要生产化学品的过程？是第一篇创建过程实验初步过程合成反应、分离、T-P变化操作、任务集成-设备选择、间歇或连续？毛利是否令人满意？否放弃是第一篇基本方案的开发第二篇详细过程合成——计算方法过程是连续的或间歇的？连续化学反应网络的合成分离序列合成反应-分离循环网络的合成第二定律分析热交换器网的合成质量交换器网的合成优化过程步骤的顺序安排第四篇装置范围的可控性评定控制结构的定性分析流程的可控性分析否是第三篇详细设计、确定设备尺寸、优化最终产品是：大众化学品、专用化学品定型消费产品或工业产品(其使用化学品或化学品混合物？)产品设计投资费用估算利润率分析优化否过程和/或产品是否仍有希望？否放弃是开车评定附加设备动态模拟可靠性和安全性分析实验室和中试试验危险分析是第五篇书面设计报告和口头陈述装置设计设计草图、配管图、仪表控制图、设备布置、规模组建构造、投标建设开车操作潜在的机会确定设备尺寸换热器设计、塔设计、泵和压缩机设计创建过程流程过程集成创建详细数据库中试工厂实验改进流程制作模拟流程过程是否仍有希望？初始数据库的创建过程和/或产品是否合理可行？总图2019-03zhumingqiaozju.edu例1.1氯乙烯的生产考虑生产氯乙烯的需要，这是生产聚氯乙烯（PVC）的单体，PVC是一种重要的聚合物，广泛用于硬质塑料管路、管件和类似的产品，为了满足氯乙烯单体的新的需求，已经出现一个机会，即每年36万吨的订单，在海湾的石化联合企业，公司要求现有的工厂每年生产45万吨这种大宗化学产品。因为氯乙烯单体是剧毒物质，要求所有的新设备都必须谨慎设计以满足政府关于健康和安全的法规。例1.2透析装置考虑设计一种廉价（比方说少于10美元）的、为暂时或永久性的肾功能衰竭（ESRD）病人一次性使用的装置的可能性；这种装置仅为肾功能衰竭（ESRD）病人提供一种处理，这些病人的肾脏已不具有正常的功能。这种治疗每周需要三次，每次透析平均为3~4小时，这种装置2019年在美国为20多万病人所使用。1.3.2初始问题的创建和审查（1）典型的初始问题和机遇显然，潜在的机会和初始的问题常常产生于有超前意识的公司、政府和大学的研究环境。2019-03zhumingqiaozju.edu（2）选择方案——审查初始问题思路常常产生于设计团队。有时思路也可能来自潜在的客户，这些客户也许对现有的产品或产品现状不满意。最好在宽松的气氛中讨论有独创性的意见，从而产生思路。最好的思路可能是那些开始遭到最激烈批评的方案。所有思路都经过收集、整理、讨论和仔细地评审（基于技术和市场的考虑）。现考虑下列可供选择的设计方案，这是从上面两个初始问题的各种思路中选择的典型方案。注意，在开始时最好深入地考虑至少两种方案，可能的情况下考虑三种方案。2019-03zhumingqiaozju.edu例1.3（例1.1的再次讨论）为满足每年增加36万吨氯乙烯的需要，选择下面四个看似合理的方案作进一步的研究。方案1：一个竞争者的氯乙烯生产厂，它每年生产90万吨氯乙烯，而该厂座落于150公里以外，它能扩大生产以满足所要求的增加量，而这些产品可用公路或铁路的槽罐车运输。在这种情况下，设计团队提出采购价格和设计贮存装置。这可能是为扩大当地的PVC工厂所需单体的最简单的方法。方案2：从附近电解NaCl溶液的工厂中购买氯并用管道输送。然后用氯和公司内部的乙烯反应生产氯乙烯单体和HCl副产物。方案3：公司现有的石油化工联合企业中，许多生产过程产生HCl副产物，因为这些HCl副产物产生的量大，所以通常可低价得到。HCl与乙炔或乙烯和氧反应，可生成1,2-二氯乙烷，一种可裂解成氯乙烯的中间产物。方案4：设计一个电解装置生产氯。一种可能性是由石油化工联合企业中可得到的HCl，电解获得H2和Cl2，按方案2，将氯进行反应。在该石油化工联合企业的其他区域，将氢和氯反应生成氨，或氢与CO反应生成甲醇。2019-03zhumingqiaozju.edu例1.4（例1.2的再次讨论）为了满足透析产品的需要，可能会产生下面两种可供选择的方案的初步设计。方案1：设计一台血液透析装置，能使尿素、尿酸、肌酸酐、磷酸盐和其他低分子量的代谢物通过扩散从血液中传递到透析液中。该装置还应当让葡萄糖和盐类物质通过扩散反向传递。这种装置应当被设计成一次性使用后就要报废的，故其售价