化工設(shè)計(jì)教案

1、化工設(shè)計(jì)教案為什么要學(xué)習(xí)化工設(shè)計(jì)(1)從一個(gè)新產(chǎn)品或新工藝的試驗(yàn)研究開始到進(jìn)行工廠建設(shè)為止，都需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。(2)幫助我們從高等學(xué)校走向社會時(shí)能適應(yīng)新的工作崗位的需要，迅速實(shí)現(xiàn)從大學(xué)生向工程師的轉(zhuǎn)化。(3)幫助我們學(xué)會綜合運(yùn)用各種已學(xué)過的知識系統(tǒng)地分析問題和解決問題。學(xué)什么 學(xué)設(shè)計(jì)的基本原理、基本程序和方法。其主要內(nèi)容有：(1)當(dāng)代先進(jìn)水平的化工裝置設(shè)計(jì)有哪些內(nèi)容？如何完成之？(2)如何設(shè)計(jì)工藝流程、選擇工藝參數(shù)和設(shè)備？(3)如何進(jìn)行廠房、車間和管道布置？(4)如何編制設(shè)計(jì)文件？如何學(xué) (1)多讀幾本書，聽課與自學(xué)相結(jié)合 (2)多應(yīng)用，理論與實(shí)踐相結(jié)合 化工設(shè)計(jì)是將一個(gè)系統(tǒng)(一個(gè)工廠、一個(gè)車間

2、)按照工廠工藝技術(shù)要求，經(jīng)工程技術(shù)人員的創(chuàng)造，將其全部描繪成的圖紙，表格及必要的文字說明，即把工程技術(shù)裝備用工程語言表達(dá)出來。然后根據(jù)這一“語言”，把這個(gè)系統(tǒng)建立起來，并投入運(yùn)行?；蛘f:設(shè)計(jì)工作是一項(xiàng)能將人們的設(shè)想和想象轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實(shí)的一個(gè)重要步驟，通過課程的學(xué)習(xí)，我們可以知道化工廠的建設(shè)程序，設(shè)計(jì)程序，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容等一些基本概念。1 化工設(shè)計(jì)概述1、 化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史、化學(xué)工業(yè)覆蓋的范圍及其在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系中的地位1、 化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史：化學(xué)工業(yè)歷經(jīng)了古代、近代、現(xiàn)代三個(gè)主要發(fā)展階段。化學(xué)工業(yè)發(fā)展階段： 古代化學(xué)工業(yè)：從數(shù)千年前人類陽光曬鹽、地下鹵水煮鹽開始，萌發(fā)了古老的化學(xué)工業(yè)。 近代化學(xué)工

3、業(yè)：從18世紀(jì)中葉，歐洲造紙、玻璃、肥皂的大規(guī)模生產(chǎn)開始，表明近代化學(xué)工業(yè)的形成。 現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)：上世紀(jì)40年代開始，隨著合成橡膠、石油煉制、合成纖維工業(yè)的迅速發(fā)展，隨著化工單元操作理論的日益成熟，在科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模二個(gè)層面上，揭示現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)開始形成。2、化學(xué)工業(yè)屬于過程工業(yè)型制造業(yè)（流程型制造業(yè)）現(xiàn)代制造業(yè)：1、離散型制造業(yè)（例如汽車工業(yè)等）2、過程工業(yè)型制造業(yè)（又稱“流程型制造業(yè)”）（例如化學(xué)工業(yè)、冶金行業(yè)等）流程型制造業(yè)一般是能耗大戶，也是排放的大戶。其節(jié)能、降耗、減排的任務(wù)十分艱巨。例如：一個(gè)年產(chǎn)值不過僅10億元人民幣的合成原料藥制造企業(yè)，它每天的耗水量可高達(dá)5000立方米。3、

4、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(jī)化工）、煤化工（包括其衍生的有機(jī)化工）、無機(jī)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。4、 化學(xué)工業(yè)在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)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?；瘜W(xué)工業(yè)絕不是所謂的“夕陽工業(yè)”、“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)

5、快速發(fā)展。 1990年1999年，美國、歐盟化學(xué)工業(yè)的發(fā)展速度是其全部工業(yè)平均增長速度的2.69倍。美國化學(xué)工業(yè)的規(guī)模一直雄居世界化學(xué)工業(yè)總量的30左右，是美國為數(shù)不多在國際貿(mào)易體系內(nèi)具有貿(mào)易順差的制造業(yè)之一。 在世界500強(qiáng)企業(yè)中，以化工為主或涉足化工領(lǐng)域的企業(yè)為數(shù)不少。2、 化工過程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容1、化工設(shè)計(jì)、化工廠設(shè)計(jì)、化工過程設(shè)計(jì)、化工工藝設(shè)計(jì)四個(gè)名詞之間的聯(lián)系與區(qū)別化工設(shè)計(jì)是泛稱，在不同場合可分別指稱化工廠設(shè)計(jì)、化工過程設(shè)計(jì)、化工工藝設(shè)計(jì)，其內(nèi)涵最廣，但意義不明確。化工廠設(shè)計(jì)分為：a、化工過程設(shè)計(jì)（核心）（包括化工工藝設(shè)計(jì)（核心），公用工程設(shè)計(jì)、外管設(shè)計(jì)，等；）b、非工藝部分設(shè)計(jì)（化

6、工廠房建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；總圖設(shè)計(jì)，.等）根據(jù)項(xiàng)目性質(zhì)化工設(shè)計(jì)可分為：新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)、重復(fù)建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、已有裝置的改造設(shè)計(jì)。根據(jù)化工過程開發(fā)程序化工設(shè)計(jì)可分為：概念設(shè)計(jì)、中試設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)；其中工程設(shè)計(jì)又包括：初步設(shè)計(jì)、擴(kuò)大初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)。2、 化工過程設(shè)計(jì)的目標(biāo)及內(nèi)容美國國家顧問團(tuán)在其“化學(xué)工程的新領(lǐng)域”著作中，簡明闡述了化工過程設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)：確定最佳流程及最佳操作條件，達(dá)到最優(yōu)投入產(chǎn)出比。在定量計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)，考慮安全、健康、環(huán)保的因素，確定出一個(gè)綜合的設(shè)計(jì)方案?；み^程設(shè)計(jì)的內(nèi)容：其基本核心內(nèi)容是化工工藝設(shè)計(jì)，其附帶內(nèi)容是針對化工工藝設(shè)計(jì)，對它的配套部分如公用工

7、程、外管設(shè)計(jì)等進(jìn)行深入設(shè)計(jì)和完善?；み^程設(shè)計(jì)發(fā)展方向：復(fù)雜大型化工廠的設(shè)計(jì)；自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)；與國際工程設(shè)計(jì)的接軌PID（Process Instrument Diagram） 帶控制點(diǎn)的工藝儀表管道流程圖 （工藝專業(yè)部）PFD（Process Flowsheet Diagram）過程物料流程圖UID （Utility Instrument Diagram）公用工程儀表管道流程圖 （工藝系統(tǒng)專業(yè)部）UFD（Utility Flowsheet Diagram）公用工程物料流程圖現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向：新物質(zhì)、經(jīng)濟(jì)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、

8、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；Reduce（2）、減少有害物質(zhì)的使用或生成；Reduce（3）、減少廢棄物，并使廢棄物在系統(tǒng)類在利用；Recycle（4）、盡量將排放的廢棄物轉(zhuǎn)化為可用的再生資源；Resource（5）、盡量延長產(chǎn)品的生命周期。在化學(xué)工程領(lǐng)域?qū)嵤┳怨こ處熤贫?，在化學(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(gè)發(fā)展大趨勢。倫理學(xué)理念體現(xiàn)在：（1）、自覺維護(hù)化工過程的安全；（2）、自覺保護(hù)環(huán)境的意識；（3）、自覺節(jié)約資源的意識；（4）

9、、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：（1）、提高對安全、健康、環(huán)保、資源的認(rèn)知和行動；（2）、充分報(bào)道成績、行動計(jì)劃，但不回避缺陷；（3）、與公眾溝通，并傾聽意見的日?；５鹊?。三、化工設(shè)計(jì)的內(nèi)容與程序我國化工廠基建的程序如下：基建：基本建設(shè)的簡稱，一個(gè)項(xiàng)目從設(shè)想到建成投產(chǎn)的過程。四、化工車間工藝設(shè)計(jì)的程序與內(nèi)容內(nèi)循環(huán)優(yōu)化： 在流程結(jié)構(gòu)不變的前提下，通過修改、調(diào)整流程內(nèi)部的部分設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)，來對流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。內(nèi)循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于老流程的改造，并對實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)有指導(dǎo)意義。外循環(huán)優(yōu)化： 在內(nèi)循環(huán)優(yōu)化不能滿足優(yōu)化目標(biāo)的情況下，重新做流程組織，對流程結(jié)構(gòu)進(jìn)行改頭換面

10、的大變動，而達(dá)到對流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。外循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于新廠設(shè)計(jì)時(shí)，對多個(gè)流程方案進(jìn)行分析比較。2 可行性研究和市場調(diào)研初始考慮化學(xué)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目沒有一套標(biāo)準(zhǔn)的求解步驟，也沒有唯一“正確”的答案。這涉及項(xiàng)目中需要考慮很多不同方面的問題，最終被接受的解決方案通常是若干備選方案中“較好”的方案。設(shè)計(jì)研究的重要特征是在每個(gè)階段都要作出決策，并且常常需要做出妥協(xié)。在設(shè)計(jì)的后續(xù)階段還要重新考察前期所做出的決策，重新尋求解決方案，并重新評價(jià)方案。設(shè)計(jì)項(xiàng)目的可行性研究主要包括對候選過程進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評價(jià)。其目的是決定是否進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段以及隨后的施工建設(shè)階段。此時(shí)需要考慮很多因素，比如法律法規(guī)、政策影響

11、等，所有這些方面都應(yīng)該在花費(fèi)巨大的詳細(xì)設(shè)計(jì)開始之前予以考慮。設(shè)計(jì)項(xiàng)目包括一個(gè)需要解決的問題，一個(gè)項(xiàng)目管理人，一個(gè)項(xiàng)目工程師團(tuán)隊(duì)，以及各種截止期限。界定問題選定方案剔除不可行方案形成計(jì)劃 其中包括了：時(shí)間管理設(shè)計(jì)的階段：構(gòu)思和界定，流程圖確定，設(shè)備設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)性分析，最優(yōu)化，報(bào)告信息搜集項(xiàng)目內(nèi)容：生產(chǎn)能力，產(chǎn)品規(guī)格，原料，公用工程，廠址，預(yù)期的市場，生產(chǎn)工藝候選方案評價(jià)（決策）：如何制備，用途，目前的生產(chǎn)和銷售情況，環(huán)境問題，公用工程，儲運(yùn)案例：領(lǐng)苯二甲酸酐的生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性研究總述鄰苯二甲酸酐（苯酐，phthalic anhydride PAN）是白色固體結(jié)晶，是環(huán)狀酸酐同系物中最簡單的一個(gè)

12、。在熔融狀態(tài)，它是像水一樣的無色液體。正常沸點(diǎn)280，正常熔點(diǎn)131，但是在沸點(diǎn)以下很容易產(chǎn)生蒸氣并凝華。在低濃度下（2ppm）顯示出毒性，對皮膚有強(qiáng)烈刺激。與空氣形成爆炸性混合物的濃度范圍是1.7%10.5%。目前，鄰二甲苯（ortho-xylene）是其主要生產(chǎn)原料，在20世紀(jì)70年代的主要生產(chǎn)原料是萘（naphthalene）。使用空氣進(jìn)行固定床催化氧化工藝是目前多數(shù)生產(chǎn)廠家首選的方法。苯酐的主要用途是增塑劑、聚酯、醇酸樹脂和染料等。近年來苯酐全球生產(chǎn)量增加緩慢。目前，澳大利亞僅有一家公司生產(chǎn)苯酐，它有兩個(gè)工廠，位于新南威爾士。兩個(gè)工廠建于20世紀(jì)60年代，使用萘為原料，技術(shù)落后。在日本

13、、韓國、中國臺灣有若干大型工廠，這些工廠和該地區(qū)的其他幾個(gè)生產(chǎn)廠的產(chǎn)量加在一起就可以滿足當(dāng)?shù)睾驮搮^(qū)域的需求，大多數(shù)工廠實(shí)際生產(chǎn)量均低于設(shè)計(jì)能力20%40%。生產(chǎn)苯酐的LAR工藝是最新技術(shù)，能夠以低于目前售價(jià)（0.95-1.00澳元/kg）的成本進(jìn)行生產(chǎn)。然而在考慮資金償還和實(shí)際利潤空間后，位于西澳大利亞的新工廠的產(chǎn)品售價(jià)可能高達(dá)1.45澳元/kg。30000t/a的產(chǎn)能即可滿足澳大利亞對苯酐的需求，并且能夠有少量出口。如果能找到合適的市場，60000t/a的生產(chǎn)規(guī)模也是可行的。年產(chǎn)3萬噸的工廠投資估計(jì)在2500萬到7000萬澳元之間；年產(chǎn)6萬噸的裝置投資估計(jì)在4100萬到1.05億澳元之間。新

14、苯酐工廠的總體可行性很大程度上取決于位于工廠附近的下游加工基地的建設(shè)。從經(jīng)濟(jì)和政策的角度考慮，傾向于選擇位于西澳大利亞西南Kemerton附近的廠址。位于該區(qū)域的建設(shè)項(xiàng)目將得到政府的支持，因?yàn)橛兄趯?shí)現(xiàn)主要工業(yè)基地的分散化。在該地區(qū)，高度發(fā)達(dá)的基礎(chǔ)設(shè)施和交通條件要么已經(jīng)建成，要么正在籌建。當(dāng)?shù)氐拇爸圃鞓I(yè)也是苯酐的潛在市場。盡管工廠的日常運(yùn)行會存在某些危險(xiǎn)，還會排放出一些廢氣和廢水，但是預(yù)計(jì)新建工廠對環(huán)境的影響將很小。采用LAR工藝的苯酐生產(chǎn)廠還可以副產(chǎn)電力供給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)或者附近的工廠。（參考文獻(xiàn)：19681996公開出版的46篇專著和期刊）問題的確定和背景資料總述苯酐是一種石化中間體，用于增塑

15、劑（PVC增塑劑）、醇酸樹脂、聚酯和染料。市售狀態(tài)可以是熔融狀態(tài)或者白色粉末。幾乎所有的鄰二甲苯都消耗在苯酐的生產(chǎn)上，過去使用萘生產(chǎn)苯酐。在可行性研究前期，找到合適的高純鄰二甲苯供應(yīng)是至關(guān)重要的通過選用合適的催化劑，固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器都可以得到很高收率，因而均為可行的候選方案。在操作時(shí)必須十分小心，因?yàn)楸紧蹓m和空氣容易形成爆炸性混合物，并且苯酐自發(fā)地與多種有機(jī)化合物發(fā)生反應(yīng)。（1）背景和目標(biāo)確定待生產(chǎn)化學(xué)品關(guān)鍵化學(xué)性質(zhì)，突出的市場問題以及生產(chǎn)中潛在的困難?？偨Y(jié)該化學(xué)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域并確定出目前的市場需求。在此階段還要找出可能的生產(chǎn)工藝，并且初步評價(jià)其可行性。（2）鄰苯二甲酸酐化學(xué)結(jié)構(gòu)

16、和物理性質(zhì)苯酐是一種無水酸衍生物，可以有鄰二甲苯經(jīng)過部分氧化得到，反應(yīng)式如下：C6H4(CH3)2 + 3O2 C6H4(CO)2O + 3H2O在室溫下，苯酐是一種白色結(jié)晶固體，沸點(diǎn)284.5，熔點(diǎn)131.6，冷凝時(shí)傾向于凝華。講給回收系統(tǒng)帶來麻煩。在熔融狀態(tài)，其密度是水的110120%，粘度與水相似（0.551.2cp）。苯酐具有危險(xiǎn)性，與空氣形成爆炸性混合物（140以上的爆炸極限是1.7%10.5%（V%）。含量超過2ppm時(shí)有毒性，能強(qiáng)烈刺激眼睛，呼吸道，皮膚和粘膜組織。（3）應(yīng)用和用途大約50%鄰二甲苯酸酐用于生產(chǎn)PVC的增塑劑。其他應(yīng)用領(lǐng)域也很重要：不飽和聚酯（消耗全部苯酐的15%

17、-20%）；醇酸樹脂（10%-15%）及染料（酚酞和蒽醌）及其他用途。在西澳大利亞，苯酐主要用作增塑劑，為建筑行業(yè)和汽車工業(yè)服務(wù)。醇酸樹脂可以用于造船工業(yè)。本地?zé)o染料市場。從20世紀(jì)50年代開始，世界范圍內(nèi)苯酐的生產(chǎn)量以每年3%-5%的穩(wěn)定幅度緩慢增長，估計(jì)目前總年產(chǎn)量350萬噸。售價(jià)隨需求和產(chǎn)量的起伏波動很大。目前價(jià)格0.8-1.0美元/kg。（4）基礎(chǔ)化學(xué)鄰二甲苯和萘在一定條件下都可以氧化成苯酐，并伴隨水的生成。反應(yīng)歷程先是生成鄰苯二甲酸。如果用萘作為原料，還會生成二氧化碳副產(chǎn)物。合成反應(yīng)可以在液相或氣相中進(jìn)行，但是必須使用催化劑以實(shí)現(xiàn)高選擇性。反應(yīng)強(qiáng)放熱，必須設(shè)計(jì)移除反應(yīng)熱的方法。根據(jù)反

18、應(yīng)式計(jì)算得到的最高產(chǎn)率是1.39kg(苯酐)/ kg(鄰二甲苯)，或1.15kg(苯酐)/ kg(萘)。實(shí)際生產(chǎn)中的產(chǎn)率分別是1.09kg(苯酐)和0.95kg(苯酐)。苯酐可以反應(yīng)生成酯、鹽和酸性氯化物。其苯環(huán)可以氯化和磺化。其他重要化學(xué)反應(yīng)有：與苯縮合生產(chǎn)蒽醌衍生物，與苯酚縮合生成酚酞，與尿素和金屬的二醋酸鹽生成酞花青金屬鹽。（5）對各種候選工藝過程的評價(jià)生產(chǎn)苯酐有三種可能的原料：鄰二甲苯、萘、正戊烷。傳統(tǒng)原料是煤焦油萘，現(xiàn)在最普遍的原料是鄰二甲苯。苯酐的第一個(gè)專利（BASF，1896）使用濃硫酸在汞鹽作用下進(jìn)行氧化。第一個(gè)氣相反應(yīng)工藝在1917年獲得專利。目前苯酐生產(chǎn)中使用最廣泛的催化劑

19、使用鉀修飾的五氧化二釩（含有鉬氧化物和錳氧化物等助催化劑）。正戊烷法是最新技術(shù)，但必須保證廉價(jià)原料供應(yīng)。影響原料選擇的主要因素有：產(chǎn)率，來源和成本。此外還有催化劑，公用工程及產(chǎn)品質(zhì)量也會影響最終選擇。由于幾乎所有的鄰二甲苯都用用生產(chǎn)苯酐，所以新建工廠不大可能從一般市場上買到充足的鄰二甲苯原料。因此，使用混合二甲苯為原料進(jìn)行二甲苯分離的工廠經(jīng)常與苯酐工廠建在一起。除了原料選擇以外，設(shè)計(jì)中主要考慮反應(yīng)器類型。固定床和流化床對于氣相工藝都是可行的。氧化反應(yīng)可以在高和低兩種不同的空氣比率下實(shí)現(xiàn)，但是該比率對于反應(yīng)器及其下有設(shè)備的設(shè)計(jì)產(chǎn)生顯著的影響。從世界范圍來看，不同工廠采用了不同的技術(shù)，包括看似可行

20、性較小的液相反應(yīng)工藝。典型情況下產(chǎn)品需要達(dá)到99.7%的純度。主要雜質(zhì)是馬來酸酐和單環(huán)芳香族化合物。原料和產(chǎn)品都是人體的刺激物。工廠操作人員在有可能接觸到有害物質(zhì)的任何場所都應(yīng)配戴適當(dāng)?shù)陌踩o(hù)具。（6）結(jié)論l 通常環(huán)境條件下苯酐是白色晶體。它可以與空氣形成爆炸性混合物，并對人體組織有刺激性，因此需要配戴適當(dāng)?shù)陌踩o(hù)具。l 苯酐主要作為化學(xué)中間體，用來生產(chǎn)增塑劑，醇酸樹脂和不飽和聚酯。l 苯酐主要通過鄰二甲苯用空氣氧化生產(chǎn)，該氣相催化反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)。l 世界范圍內(nèi)對苯酐的需求增長緩慢，目前需求量已接近生產(chǎn)能力。l 對于新籌建的工廠，鄰二甲苯供應(yīng)是可行性研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。l 反應(yīng)器可以是固定床

21、，也可以是流化床，但必須考慮采用適當(dāng)?shù)囊瞥磻?yīng)熱的措施。（7）建議l 確定該地區(qū)苯酐生產(chǎn)廠，對苯酐目前的供應(yīng)和預(yù)期供應(yīng)做出總體評價(jià)。l 確定該區(qū)域苯酐的最終用戶l 確定為該區(qū)域服務(wù)的新建苯酐廠的最經(jīng)濟(jì)規(guī)模。l 確定傾向性的工藝路線和反應(yīng)器類型。2.1 可行性研究2.1.1 初步的可行性研究化工過程設(shè)計(jì)的可行性研究包括技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性兩部分。初步的可行性研究僅是一個(gè)最初的評價(jià)，在此階段，可以傾向于采用某種工藝路線，但最終的生產(chǎn)工藝沒有確定，因此，要獲取各種候選工藝路線的信息并對其在特定項(xiàng)目中的適用性進(jìn)行評價(jià)。即考慮特定設(shè)備的設(shè)計(jì)問題，判斷根據(jù)某種工藝來設(shè)計(jì)和建設(shè)工廠，并考慮排放和原料供應(yīng)等

22、問題。同時(shí)還應(yīng)定性說明過程的經(jīng)濟(jì)可行性。2.1.2 初步的市場調(diào)研與經(jīng)濟(jì)分析分為幾個(gè)步驟：（1）確定過程中所有原料的價(jià)格（交貨價(jià)格），確定擬生產(chǎn)化學(xué)品的售價(jià)（出廠價(jià)或市場價(jià)），確認(rèn)所有原料的成本之和低于產(chǎn)品售價(jià)。（2）確定產(chǎn)品的市場與容量。確認(rèn)市場是萎縮還是增長，分析過去5年內(nèi)的銷售和生產(chǎn)的趨勢。找出趨勢中的異常情況，并分析原因。估計(jì)能預(yù)見到的最小銷售量，并分析在短期不利經(jīng)濟(jì)條件下該產(chǎn)量能否盈利或保持盈虧平衡。比較預(yù)期銷售量和待建工廠盈利時(shí)的生產(chǎn)能力。（3）確定該產(chǎn)品的傳統(tǒng)用途或主要用途。將注意力集中在用途占比在60%-70%的主要用途上。還要調(diào)研新的應(yīng)用領(lǐng)域。（參考各類經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)）（4）確定待

23、建廠的生產(chǎn)能力（5）找到生產(chǎn)相同產(chǎn)品的現(xiàn)有工廠的總投資數(shù)據(jù)。這只是一個(gè)估計(jì)，準(zhǔn)確數(shù)據(jù)要在詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上得出。要注意現(xiàn)有工廠和待建工廠間的差別，比如土地和原料費(fèi)用，交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)等。（6）估計(jì)工廠可能的運(yùn)行年數(shù)，計(jì)算工廠投資的回收期。確定可能的銀行貸款利率，確定每年的固定成本和利息，折算到每噸產(chǎn)品上，粗略估計(jì)工廠的操作費(fèi)用（人工，公用工程，維護(hù)）（7）以每年或每噸產(chǎn)品為基準(zhǔn)，計(jì)算各單項(xiàng)成本，包括原料、固定投資償還和操作費(fèi)用等。將各單項(xiàng)費(fèi)用之和與預(yù)期的銷售收入進(jìn)行比較。（8）經(jīng)可行性研究的所有結(jié)果以清晰簡明的方式進(jìn)行書面總結(jié)。指出所做的所有假設(shè)，可顯著影響該研究結(jié)果的因素，以及任何特殊的當(dāng)?shù)匾蛩亍?/p>

24、應(yīng)考慮各種可能的情形，比如銷售價(jià)格的變化，原料價(jià)格的變化，出口市場的增長等，并給出對策。不要只給出一套數(shù)據(jù)和條件，并假定只存在著一種可能性。提出建議并給出其他備選的方法和條件。在設(shè)計(jì)的大多數(shù)階段，最關(guān)鍵的問題都是確定做出重要決定是所依據(jù)的主要因素。影響大多數(shù)項(xiàng)目成敗的普遍因素有：環(huán)境問題，安全問題，工廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。如果可行性研究的答案是否定的，就需要按照重要性理出所有的原因，并且指出那些可能的變化會使答案變成肯定；如果答案是肯定的，則列出此結(jié)論所依據(jù)的所有假設(shè)和限定條件，并按重要性順序排列。2.1.3 信息來源進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是提出并回答：何種類型的信息是我想要的和實(shí)際需要的？專利和

25、授權(quán)許可協(xié)議是獲得最新進(jìn)展的唯一渠道。在進(jìn)行化學(xué)工程資源文獻(xiàn)檢索后，還可以查詢化學(xué)文摘，專利文獻(xiàn)，外文雜志，甚至與生產(chǎn)該產(chǎn)品的公司直接聯(lián)系。2.1.4 對已知文獻(xiàn)進(jìn)行評價(jià)這一點(diǎn)可以區(qū)分工程師和技師，應(yīng)該通過分析處理所得數(shù)據(jù)，從而作出合理的決策。設(shè)計(jì)工作總要進(jìn)入下一個(gè)階段，不應(yīng)該只是單純搜集數(shù)據(jù)，而是要指出下一步工作的方向。設(shè)計(jì)項(xiàng)目工作的基本規(guī)格是3D，即Drive，Direction和Decision。2.1.5 關(guān)于文獻(xiàn)調(diào)研的考慮在文獻(xiàn)調(diào)研之前應(yīng)該考慮：文獻(xiàn)調(diào)研是必要的，還是強(qiáng)制要求完成的？文獻(xiàn)調(diào)研應(yīng)該是對與項(xiàng)目特定方面相關(guān)的已知重要信息的綜述。文獻(xiàn)調(diào)研之前，確定需要哪些類型的信息設(shè)計(jì)完成之

26、前，很難做出全面的調(diào)研。而一旦設(shè)計(jì)完成，文獻(xiàn)調(diào)研的大多數(shù)內(nèi)容可能沒有多大價(jià)值了。設(shè)計(jì)項(xiàng)目包含很多階段和方面，僅進(jìn)行一次調(diào)研是不夠的，在進(jìn)行特定項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，可能需要對該方面有用和已知的信息進(jìn)行再次評價(jià)。案例鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)的初步可行性研究（1）市場評價(jià)生產(chǎn)情況（a）世界范圍 生產(chǎn)量和市場，生產(chǎn)增長，原料轉(zhuǎn)變，企業(yè)數(shù)量，單套裝置生產(chǎn)規(guī)模（b）區(qū)域范圍 西太平洋地區(qū)，運(yùn)行和建設(shè)以及擬建裝置（c）國內(nèi)范圍 澳大利亞ICI的企業(yè) 21.5kt/a（2）目前和未來的價(jià)格近幾年的苯酐在60-100美分/kg波動。（3）需求增塑劑，不飽和聚酯，醇酸樹脂三塊市場需求（4）進(jìn)出口澳大利亞進(jìn)出口情況大幅度波動，過去

27、10年間，進(jìn)口量1000-5000噸/年。數(shù)量少但交易或把數(shù)量卻很多（21個(gè)國家），說明沒有固定的進(jìn)口市場。出口市場已消失。盡管苯酐交易量不大，但過去10年間聚酯和醇酸樹脂進(jìn)口量很大。如果苯酐終端產(chǎn)品的進(jìn)口需求可以由本地生產(chǎn)廠滿足，則新的苯酐工廠可以在本地找到市場。（5）生產(chǎn)規(guī)模目前進(jìn)口很少，出口市場也小。從中長期來看，由于該地區(qū)新建項(xiàng)目的發(fā)展，增加出口的可能性也不大。澳大利亞目前生產(chǎn)設(shè)施陳舊，技術(shù)落后，如果投入新裝置，現(xiàn)有的工廠是沒有競爭力的。基本需求可能在25000噸/年左右，預(yù)留部分發(fā)展空間，建議將工廠規(guī)模定為3萬噸/年。第二種選擇6萬噸。這是基于終端產(chǎn)品應(yīng)用市場的共同開發(fā)以及出口市場和

28、現(xiàn)貨市場（2萬噸/ 年）的有利變化而確定的。（6）產(chǎn)品價(jià)值和操作費(fèi)用（a）固定投資使用兩種方法估算投資，一是基于列線法，按照廠址和通貨膨脹進(jìn)行比例增減；二是基于最近的建設(shè)成本，然后按照規(guī)模廠址和通貨膨脹進(jìn)行比例增減。列線法估算1982年，西歐年產(chǎn)3萬噸工廠投資2800萬美元，而6萬噸工廠投資4300萬美元。匯率取0.97美元兌1澳元，廠址因子1.4（西歐對澳大利亞），1990年以前通貨膨脹指數(shù)取1.15（工廠成本指數(shù)），1990年到1996年通貨膨脹指數(shù)取1.19（年均3%），則對于澳大利亞新建的3萬噸廠，投資為7000萬澳元；對于6萬噸廠則為1.05億澳元。最近建設(shè)估算1983年1月日本建成

29、年產(chǎn)6萬噸苯酐的工廠花費(fèi)40.3億日元（不包括專利使用費(fèi)和工程費(fèi)用或催化劑費(fèi)用）。如果這些附加費(fèi)用按照總費(fèi)用20%估算并使用當(dāng)前的匯率，則折算總投資為2300萬澳元?？紤]地域因子和通貨膨脹以后得到的估算數(shù)值為4100萬澳元。使用0.7的規(guī)模校正指數(shù)，則年產(chǎn)3萬噸的工廠需要投資2500萬澳元。（b）操作費(fèi)用1987年使用鄰二甲苯為原料的苯酐廠總操作費(fèi)用估計(jì)為46.3美分/kg。其中原料費(fèi)用33.3美分/kg（1.01kg苯酐/kg原料），公用工程費(fèi)用1.2美分/kg，催化劑費(fèi)用0.5美分/kg，固定成本（工資，維修，管理，稅收，保險(xiǎn)等）4.5美分/kg以及工廠折舊費(fèi)（按投資的10%計(jì)）6.6美分

30、/kg。根據(jù)地域、通貨膨脹和原料成本浮動作適當(dāng)調(diào)整后，1996年澳大利亞苯酐廠的生產(chǎn)成本（即總的操作費(fèi)用）估計(jì)為0.87澳元/kg。（c）大致的售價(jià)確定苯酐最終售價(jià)是需要考慮操作成本、投資償還和其他固定成本、運(yùn)輸成本以及要求的利潤空間。由于西澳大利亞距離潛在的市場位置較遠(yuǎn)，初步估計(jì)運(yùn)輸費(fèi)用為0.03澳元/kg（對于原料）和0.07澳元/kg（對于產(chǎn)品，為保證苯酐處于熔融狀態(tài)需要加熱和保溫）。投資償還與工廠的規(guī)模有關(guān)，出估計(jì)為0.08-0.2澳元/kg（以10%利率計(jì)），因此，盈虧點(diǎn)價(jià)格為1.10-1.20澳元/kg。按照目前苯酐售價(jià)0.95-1.00澳元/kg，似乎沒有什么盈利空間，如果要是改

31、項(xiàng)目可行而設(shè)置20%的利潤率，則最終售價(jià)將上升到1.45澳元/kg。如此價(jià)位已經(jīng)是商業(yè)銷售的上限，將成為影響產(chǎn)品在開放市場中競爭力的主要障礙。在這種條件下，如果沒有政府補(bǔ)貼，產(chǎn)品將沒有用戶。除了預(yù)計(jì)的生產(chǎn)成本之外，當(dāng)?shù)匦陆ㄠ彵蕉姿狒S的可行性還取決于一些其他因素。有若干大型石化工廠組成的新工業(yè)園區(qū)這一發(fā)展計(jì)劃可能得到政府的支持。這種支持在項(xiàng)目開發(fā)的前幾年可能以補(bǔ)貼的形式出現(xiàn)，其目的是使這些工廠為西澳大利亞和整個(gè)澳大利亞長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。增加此工廠可行性的最可能的選擇是同時(shí)興建下游加工項(xiàng)目，比如聚酯生產(chǎn)廠。如果若干個(gè)工廠作為一個(gè)發(fā)展項(xiàng)目來共同建設(shè)，則某個(gè)廠的少量虧損可以由其他廠的盈利來彌

32、補(bǔ)。從目前市場情況看，對苯二甲酸工廠（使用來自二甲苯工廠的對二甲苯作為原料，而二甲苯工廠同時(shí)給苯酐工廠供應(yīng)鄰二甲苯原料）可能會非常盈利，另外澳大利亞政局穩(wěn)定，應(yīng)利用這一優(yōu)勢；因?yàn)閷τ谠搮^(qū)域內(nèi)的其他競爭對手而言，供貨的連續(xù)性是一個(gè)很大的隱患。在這一點(diǎn)上，合同談判時(shí)西澳大利亞就比較有優(yōu)勢。（7）結(jié)論l 目前世界范圍內(nèi)苯酐生產(chǎn)量正接近其生產(chǎn)能力（350萬噸/年），年增長率3%-5%，而在這之前經(jīng)歷了很長時(shí)間的開工不足。l 90%的鄰苯二甲酸酐用鄰二甲苯作為原料。1971年以后新建的工廠均不使用萘作為原料。l 西太平洋區(qū)域的苯酐生產(chǎn)主要由日本、韓國和中國臺灣控制，總聲場能力達(dá)到了63萬噸/年。該區(qū)域計(jì)

33、劃建設(shè)或正在建設(shè)的鄰苯二甲酸酐項(xiàng)目的生產(chǎn)能力還有25萬噸/年。l ICI公司下屬的兩個(gè)工廠在澳大利亞新南威爾士的Rhodes 和Mayfield兩地生產(chǎn)2.15萬噸/年的苯酐，這是西太平洋地區(qū)規(guī)模最小也是唯一使用萘作為原料的工廠。l 在西澳大利亞沒有鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)廠，也沒有主要的苯酐最終工業(yè)用戶。l 現(xiàn)貨市場上，熔融態(tài)的苯酐產(chǎn)品售價(jià)0.95-1.00澳元/kg，實(shí)際價(jià)格正在下降。l 98%的鄰苯二甲酸酐消耗在三種主要的產(chǎn)品上：增塑劑、不飽和聚酯、醇酸樹脂。l 聚酯樹脂的需求是增長的，增速機(jī)的需求是穩(wěn)定的，而醇酸樹脂的需求是下降的。總體需求緩慢上升。l 澳大利亞的苯酐進(jìn)口量經(jīng)常變化，其平均數(shù)不

34、超過5000噸/年。l 通過使用鄰二甲苯作為原料、使用更好的催化劑以及事實(shí)能量綜合利用等新技術(shù)可以使生產(chǎn)成本降低25%；澳大利亞的工廠目前正在非常不利的經(jīng)濟(jì)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。l 鄰二甲苯的價(jià)格與對二甲苯的價(jià)格是關(guān)聯(lián)的，對二甲苯價(jià)格目前由于需求旺盛而上漲很快。l 如果將鄰苯二甲酸酐工廠建在西澳大利亞，那么它的生產(chǎn)能力應(yīng)該是3萬噸/年。市場份額的占領(lǐng)鏡通過逼迫ICI關(guān)閉其在新南威爾士的工廠以及發(fā)展當(dāng)?shù)氐谋紧罱K用戶來實(shí)現(xiàn)。如果建造更大規(guī)模的工廠（6萬噸/年），則必須采取進(jìn)攻性的市場手段來獲得部分出口市場。l 用列線法估算投資分別是7000萬澳元（3萬噸/年規(guī)模）和1.05億澳元（6萬噸/年規(guī)模）；用最近

35、建設(shè)費(fèi)用法估計(jì)的投資分別是2500萬澳元和4100萬澳元。l 操作費(fèi)用估計(jì)為0.87澳元/kg苯酐。盈虧平衡點(diǎn)的售價(jià)估計(jì)為1.10-1.20澳元/kg苯酐。l 建廠計(jì)劃的可行性取決于其他一些因素，比如政府支持，下游加工業(yè)或者專門合同。（8）建議l 選擇經(jīng)濟(jì)上最可行的鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)工藝。l 確定主要設(shè)備的尺寸和其他設(shè)備要求l 提出工廠布局，確定空間需求l 考察在西澳大利亞新建苯酐工廠的可能廠址。l 進(jìn)行更加詳細(xì)的成本核算已確定最佳的工廠規(guī)模l 確定關(guān)鍵的工藝條件，評價(jià)環(huán)境影響。l 與政府和工業(yè)界商榷，成立一個(gè)化學(xué)品集團(tuán)公司以探討可能的協(xié)作發(fā)展。3 工藝選擇與過程描述3.1 工藝選擇中的考慮完成

36、初步的可行性評價(jià)和市場調(diào)研后，項(xiàng)目涉及的下一個(gè)階段就是對生產(chǎn)該化學(xué)品的各種工藝進(jìn)行評價(jià)和比較。選出合適的工藝路線就是一項(xiàng)重要決策，因?yàn)楹罄m(xù)工作的展開都以此為基礎(chǔ)。盡管該選擇在后續(xù)過程中可以修訂甚至改變，但是改變該決策將浪費(fèi)大量的時(shí)間和金錢。3.1.1 流程圖對于每個(gè)工藝路線，要得到工藝流程圖（Process Flow Diagram PFD）或者管道和儀表流程圖（Piping and Instrumentation Diagram P&ID）。PFD是工廠中主要設(shè)備聯(lián)結(jié)關(guān)系的圖示；P&ID通常比較復(fù)雜，包括了所有的附屬設(shè)備，公用工程以及儀表和控制細(xì)節(jié)。為了對各種工藝進(jìn)行初步評價(jià)

37、和比較，首先從PFD中簡化出方框圖（Block Diagram），僅僅畫出主要的化工項(xiàng)目（步驟），忽略儀表，機(jī)泵和閥門。3.1.2 反應(yīng)器化學(xué)工藝的開發(fā)常常是圍繞反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作這兩方面進(jìn)行，對于大多數(shù)化學(xué)品生產(chǎn)過程而言，反應(yīng)器是過程的核心。3.1.3 產(chǎn)品純度通過可行性研究，應(yīng)該確定出了最終產(chǎn)品的適當(dāng)純度（規(guī)格）。產(chǎn)品的純度必須根據(jù)用戶的需求來決定，在某些情況下，可能會從工藝中取出一部分純度較低的產(chǎn)品來滿足某種特定的需求，然后對剩余產(chǎn)品進(jìn)一步純化，來滿足其他客戶的需求。應(yīng)該考察是否有可能更進(jìn)一步純化產(chǎn)品，以滿足可以預(yù)見的新應(yīng)用領(lǐng)域或者環(huán)境限制等需求。3.1.4 工藝條件各種工藝的區(qū)別經(jīng)常反映

38、在工藝條件上（壓力，溫度，相態(tài)等），或者反映在所使用的反應(yīng)器類型上。這些區(qū)別應(yīng)該在各種工藝的方框圖和詳細(xì)流程圖中清楚地標(biāo)注，因?yàn)檫@些區(qū)別常常決定了最終工藝路線的選擇。3.1.5 過程數(shù)據(jù)通常只能得到成熟的舊過程的詳細(xì)工藝數(shù)據(jù)。對新技術(shù)以及由實(shí)驗(yàn)得到的相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)就是秘密。重點(diǎn)是訓(xùn)練。5.1.6 能量效率能效在很大程度上決定了P&ID的復(fù)雜程度。3.1.7 工藝評價(jià)和選擇中的因素工藝選擇取決于對以下問題的回答和考慮（1）該工藝能否生產(chǎn)出用戶所需的產(chǎn)品？（2）是否能設(shè)計(jì)、建造和安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行該工廠？（3）是否能獲得必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)技術(shù)、加工方法和材料以及原料？（4）假設(shè)存在某種可接受程

39、度以內(nèi)的對員工和公眾的危險(xiǎn)性時(shí)，工廠能否安全運(yùn)行？（5）工廠是否滿足現(xiàn)有的環(huán)保法規(guī)要求以及未來可能的限制？（6）過程的能效是否盡可能地提高了？或者盡可能實(shí)現(xiàn)了能量自給自足？（7）對于維護(hù)的需求是否已經(jīng)最小化？（8）在實(shí)際產(chǎn)量小于設(shè)計(jì)產(chǎn)量時(shí)，或者產(chǎn)量超過設(shè)計(jì)產(chǎn)量時(shí)，工廠是否還能正常運(yùn)轉(zhuǎn)？（9）沒有用途的副產(chǎn)物的產(chǎn)生是否已經(jīng)最小化？（10）所有必需的公用工程是否現(xiàn)成？3.1.8 選擇和折衷就像設(shè)計(jì)工作的其他許多方面一樣，在最終選擇工藝時(shí)也將在不同工藝過程的不同特點(diǎn)之間做出妥協(xié)。某個(gè)過程只有優(yōu)點(diǎn)而沒有任何缺點(diǎn)很少出現(xiàn)。有時(shí)候某個(gè)影響因素將決定最終的選擇結(jié)果，比如特定原料的供應(yīng)問題或者冷卻水用量等等。

40、然而，無論如何選擇，都必須滿足初設(shè)時(shí)所給出的所有判據(jù)。3.1.9 優(yōu)化設(shè)計(jì)過程涉及的目標(biāo)是“總體優(yōu)化”的工廠，而其中的每個(gè)設(shè)備不一定都在各自最大效率或者最大生產(chǎn)潛力下運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)總體的最優(yōu)，需要在單個(gè)設(shè)備相互矛盾的要求間找到平衡。3.1.10 過程控制和儀表在選擇工藝路線時(shí)還必須考慮過程控制和儀表要求。需要考慮的問題主要是：能否實(shí)施合適的控制，能否獲得必要的儀器和儀表，其價(jià)格是否合理等。3.2 過程描述一旦選定了工藝過程，就有必要對該過程，特別是對其主要特征以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的描述。過程描述應(yīng)該與PFD或P&ID一同給出，并且通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備編號系統(tǒng)與設(shè)備列表相聯(lián)系。在此階段，過程描述

41、應(yīng)該盡可能詳細(xì)，必須參考所有有用的文獻(xiàn)，給出任何已知的數(shù)據(jù)。指出相互矛盾的數(shù)據(jù)，并且對其進(jìn)行評價(jià)。對于其他工藝路線也要給出描述，但是可以不必如此詳細(xì)，主要講清楚其優(yōu)缺點(diǎn)并且解釋為什么不采用這些工藝路線。3.3 準(zhǔn)備設(shè)備列表選定工藝路線后，就有必要準(zhǔn)備初步的設(shè)備列表（Equipment List or Equipment Schedule）。設(shè)備列表應(yīng)該盡可能詳細(xì)，但顯然，此時(shí)是不可能完整的。準(zhǔn)備清單的目的就是啟動設(shè)計(jì)項(xiàng)目的文件編制工作，并且為后續(xù)階段建立一個(gè)有用信息的數(shù)據(jù)庫。設(shè)備列表與P&ID同時(shí)使用，圖中每個(gè)設(shè)備都應(yīng)該有唯一編號，該編號與設(shè)備列表中的設(shè)備相對應(yīng)。設(shè)備列表中應(yīng)該包括所有

42、目前已知的信息，這些信息將在后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)中用到。隨著設(shè)計(jì)進(jìn)程推進(jìn)，信息量逐漸增加，設(shè)備列表要不斷進(jìn)行更新。設(shè)備列表中包括以下內(nèi)容：（1）設(shè)備的型式 （5）操作溫度上下限（2）尺寸和生產(chǎn)能力 （6）腐蝕裕量（3）材質(zhì) （7）特殊的特征（4）操作壓力 （8）備用設(shè)備3.4 經(jīng)驗(yàn)法則在管線布置以及全廠能量衡算完成之前，尚不能準(zhǔn)確地確定換熱器和泵的尺寸規(guī)格，。最終的能量衡算取決于最終選取的節(jié)能措施和工廠布局。盡管大部分?jǐn)?shù)據(jù)僅僅是近似數(shù)據(jù)，但其他設(shè)備的尺寸在此階段應(yīng)盡可能準(zhǔn)確掌握。估算設(shè)備尺寸和設(shè)計(jì)可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。3.5 安全問題和初步的HAZOP分析一旦有了初步的P&ID和設(shè)備列表，就可以對

43、工廠操作的安全方面進(jìn)行定量的考慮。此時(shí)也有可能和有必要進(jìn)行初步的危險(xiǎn)和可操作性分析（Hazard and Operability Study HAZOP），至少應(yīng)該對于關(guān)鍵的設(shè)備進(jìn)行HAZOP分析。案例研究 工藝選擇和設(shè)備清單找出并評價(jià)苯酐生產(chǎn)的各種可能工藝路線，顯然鄰二甲苯是首選原料；傾向于固定床反應(yīng)器；傾向于選用允許低空氣對鄰二甲苯比例的催化劑。苯酐工廠中最主要的設(shè)備是反應(yīng)器；切換冷凝器和純化塔。3.6.1 鄰二甲苯酸酐生產(chǎn)工藝的發(fā)展趨勢很明顯，鄰二甲苯是現(xiàn)代生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐的首選原料，目前僅有少數(shù)以萘為原料的工廠。1971年以后的新建工廠沒有使用萘作為原料。與萘相比，鄰二甲苯更便宜，產(chǎn)率

44、更高（因?yàn)樗刑荚佣荚诋a(chǎn)品中）。過程效率也更高。將現(xiàn)有以萘為原料的工廠改造成以鄰二甲苯為原料，可以減少原料成本25%，減少公用工程費(fèi)用30%。第二個(gè)進(jìn)步是對氧化反應(yīng)放出熱量的綜合利用。這些能量可以用來生產(chǎn)高壓蒸汽，因此應(yīng)該能夠抵消購買動力的開支。目前已經(jīng)開發(fā)出了循環(huán)利用廢氣的低能耗過程。催化劑選擇性也正得到改進(jìn)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，消除副反應(yīng)的發(fā)生?？赏瑫r(shí)用于萘和鄰二甲苯的兩用催化劑也已開發(fā)成功，只需要微調(diào)操作條件即可實(shí)現(xiàn)原料的轉(zhuǎn)換。3.6.2 原料盡管萘和正戊烷都可以用來生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐，但是與鄰二甲苯相比二者都不具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，只有當(dāng)它們的供應(yīng)價(jià)格遠(yuǎn)低于市場價(jià)時(shí)，以它們?yōu)樵系墓に嚥趴尚?。由于?/p>

45、澳大利亞沒有萘和正戊烷的供應(yīng)渠道，所以新建工廠不應(yīng)考慮使用它們作為原料。因此，鄰二甲苯因其高產(chǎn)率，廉價(jià)和高選擇性成為首選原料。有一些工藝保留了也可以使用萘為原料的靈活性，以防止因?yàn)閷Χ妆降男枨笤黾佣鴮?dǎo)致的鄰二甲苯價(jià)格突然大幅升高。無論如何，選擇鄰二甲苯為原料來建設(shè)新廠將比澳大利亞現(xiàn)有工廠具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。世界上，鄰二甲苯的三個(gè)主要產(chǎn)區(qū)是美國、西歐和東亞。其中東亞距離澳大利亞最近，也是發(fā)展最快的地區(qū)。位于西澳大利亞的工程可以使用來自日本，韓國和中國臺灣的原料。然而，經(jīng)濟(jì)上最具吸引力的選擇是使用澳大利亞石油精煉廠當(dāng)?shù)囟妆椒蛛x工廠的產(chǎn)品。在不久的將來就有可能獲得廉價(jià)的BTX，因?yàn)榘拇罄麃唽⒊雠_

46、政策限制汽油中的芳烴含量。二甲苯分離工廠處理二甲苯混合原料，其中包括異構(gòu)化和分離2個(gè)單元。異構(gòu)化單元用來控制3種異構(gòu)物產(chǎn)品的比例。對二甲苯需求量最大，鄰苯二甲酸酐的生產(chǎn)消耗了98%的鄰二甲苯，因此鄰二甲苯常亮也反映著苯酐的需求趨勢。間二甲苯?jīng)]有商業(yè)用途因此全部循環(huán)回異構(gòu)化單元。該領(lǐng)域的最新進(jìn)展是對混合二甲苯進(jìn)行反應(yīng)精餾使之轉(zhuǎn)化為對苯二甲酸，以及富含鄰二甲苯的副產(chǎn)物，該方法能顯著降低加工成本。鄰二甲苯目前的價(jià)格大概是55-75美分/kg，并且有可能上升。因?yàn)閷Χ妆降男枨笳?.6.3 過程配置苯酐的生產(chǎn)工藝可以根據(jù)所用的反應(yīng)器類型分類。目前已經(jīng)開發(fā)出了3種投入商業(yè)運(yùn)行的反應(yīng)器：固定床氣相反應(yīng)

47、器，流化床氣相反應(yīng)器和液相反應(yīng)器。其中有很多可能的變種，并且已有多種生產(chǎn)過程獲得了注冊。近年來，固定床氣相反應(yīng)器被證明比其他反應(yīng)器要優(yōu)越，因此，最近10年來新建工廠均使用該工藝。而證明流化床反應(yīng)器維護(hù)困難，有腐蝕問題，催化劑損失很大；液相反應(yīng)器的建設(shè)費(fèi)用則高的讓人望而卻步。競爭廠家已經(jīng)建起了若干不同版本的固定床氣相反應(yīng)過程。，它們之間的主要差別在于催化劑性能和操作條件的不同。其中2個(gè)過程能量集成方面的優(yōu)勢比其他過程好得多，因而20世紀(jì)90年代建設(shè)的工廠要么采用LEVH法（low energy Von Heyden），要么采用LAR法（low air ratio）。VGR法（vent gas r

48、ecycle）看起來具有一定潛力。根據(jù)以上信息，對在西澳大利亞建設(shè)新的苯酐工廠項(xiàng)目作出以下決策：l 使用鄰二甲苯作為主要或者唯一的原料l 使用固定床氣相反應(yīng)器l 使用LEVH工藝或者LAR工藝3.6.4 詳細(xì)的過程描述LAR工藝和LEVH工藝使用基本相同的流程圖和類似的設(shè)備。圖3.1是LAR法的過程流程圖（PFD），給出了苯酐生產(chǎn)中所用到的主要設(shè)備和布局。LAR法和LEVH法的最重要差別在于LAR法中使用了一個(gè)額外的冷凝裝置（后冷器），經(jīng)部分鄰苯二甲酸酐以冷凝而不是凝華的方式從反應(yīng)氣中加以回收。LEVH法中空氣對鄰二甲苯比例較高，因此要求部分設(shè)備具有較大的生產(chǎn)能力，比如空氣壓縮機(jī)，反應(yīng)器，氣體

49、冷卻器和切換冷凝器。苯酐的生產(chǎn)主要有3個(gè)步驟：反應(yīng)、冷凝和純化。反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，并且必須在高溫下進(jìn)行（及與熱力學(xué)考慮）。這就要求用熔鹽循環(huán)移去反應(yīng)熱，然后，熱的熔鹽被用來生產(chǎn)高壓蒸汽。反應(yīng)氣體被冷卻后在切換冷凝器中凝華，得到片狀的高純苯酐。將冷卻劑和蒸汽交替通入冷凝器，使得產(chǎn)品首先凝華，然后再融化，得到的苯酐粗品（98%）存放在中間儲罐中。從冷凝器排出的氣體中仍含有各種有機(jī)物，經(jīng)過洗滌或者焚燒處理后排放到大氣中。苯酐粗品經(jīng)過預(yù)處理（將殘存的酸轉(zhuǎn)化為酸酐）和減壓蒸餾（除去馬來酸酐和其它雜質(zhì)）而得到純化。產(chǎn)品可以以熔融狀態(tài)或者片狀存儲和銷售，并且必須滿足表3.1所示的規(guī)格要求。所有的商業(yè)過程通常

50、都可以達(dá)到或者優(yōu)于這些指標(biāo)。表3.1 鄰苯二甲酸酐產(chǎn)品典型規(guī)格要求典型產(chǎn)品的參數(shù)規(guī)格要求鄰苯二甲酸酐含量99.9%最低99.7%馬來酸酐含量0.05%（最高）0.15%（最高）凝固點(diǎn)130.9130.8（最低）融化時(shí)色度1030（最高）融化時(shí)外觀像水一樣清澈的液體3.6.5 LAR工藝的優(yōu)勢近年來鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)中的主要進(jìn)展是催化劑活性的提高。LAR工藝中使用的催化劑所要求的空氣對鄰二甲苯的比例僅為9.5:1（其他技術(shù)中該比例大概在20:1），這就可以使催化劑的產(chǎn)率提高40%，顯著地縮小了反應(yīng)器體積，并且降低其他關(guān)鍵設(shè)備（包括切換冷凝器和蒸發(fā)器）的負(fù)荷。風(fēng)機(jī)和泵的能耗降低約60%。反應(yīng)器中惰性

51、氣體的流量減少可以使更多的顯熱被冷卻鹽帶走。工廠可以做到能量完全自給自足，并且能夠向鄰近的工廠輸出相當(dāng)數(shù)量的蒸汽。還可以使用后冷器將大約50%的鄰苯二甲酸酐產(chǎn)品在凝華前以液體的形態(tài)加以回收。這樣可以減少進(jìn)入冷凝器產(chǎn)品物流中的雜質(zhì)量從而提高產(chǎn)品的純度。與其他工藝相比，LAR工藝的投資較少，操作效率高，這些都直接得益于反應(yīng)器中低的空氣對鄰二甲苯的比例。該過程無需電力和燃料，并且可以向廠外輸出大量蒸汽。用LAR工藝生產(chǎn)出的苯酐最終售價(jià)可能低于用其他競爭過程生產(chǎn)出的產(chǎn)品售價(jià)。3.6.6 LEVH工藝的優(yōu)勢LEVH工藝的主要優(yōu)勢是技術(shù)成熟，全世界已經(jīng)有65家工廠使用VH工藝或者LEVH工藝，總的生產(chǎn)能力

52、為140萬噸/年，并且其中的大多數(shù)都成功運(yùn)行。另外，維護(hù)費(fèi)用很低（低于每年投資的2%），配套設(shè)施可能發(fā)展的很完善。通過使用一種特殊的催化劑，可以調(diào)整VH過程以適應(yīng)萘原料或者萘和鄰二甲苯混合原料。這樣就起到了安全防范作用，以應(yīng)對鄰二甲苯價(jià)格的上漲，并且在萘的價(jià)格大幅降低時(shí)具有靈活性，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力最大已經(jīng)達(dá)到了5萬噸/年。LEVH法是一個(gè)穩(wěn)妥的選擇，適合于保守的發(fā)展策略。在市場有保證的條件下，或者在公司對同樣工藝的工廠有著豐富操作經(jīng)驗(yàn)的時(shí)候，比較適宜選用該工藝。采用LEVH工藝的生產(chǎn)成本比大多數(shù)老廠的成本低，但是比起在同樣基礎(chǔ)上成功運(yùn)轉(zhuǎn)的LAR工藝工廠，則很可能無法有效競爭。3.6.7 工藝選

53、擇盡管LAR工藝還不是成熟的工藝（目前世界上只有一家工廠使用該技術(shù)），但是對于本項(xiàng)目而言它卻是最佳的選擇，因?yàn)椴僮鞒杀竞唾Y金償還都可能低于其他工藝過程。潛在的節(jié)省可能最以抵消任何可能遇到的操作困難。而且，若與本區(qū)域的其他工廠采用相同的工藝和技術(shù)，最多也只能將最低生產(chǎn)成本維持在與其他廠大致持平的水平。但由于地域上的不利因素，這將顯著降低位于西澳大利亞的工廠的有效競爭力。3.6.8 初步的設(shè)備設(shè)計(jì)在項(xiàng)目的早期階段就需要得出主要設(shè)備的列表（包括大致的尺寸），以便決定所需廠區(qū)的面積，進(jìn)而可以考慮選擇合適廠址。設(shè)備尺寸的估算是基于現(xiàn)有的使用LAR工藝以鄰二甲苯為原料生產(chǎn)苯酐的工廠數(shù)據(jù)。若生產(chǎn)能力為4萬噸

54、/年，開工率90%(每年連續(xù)開8000小時(shí))，則可以確定設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為：4545kg/h的鄰二甲苯以及45t/h的空氣（空苯比9.5）對主要設(shè)備（反應(yīng)器、切換冷凝器和純化塔）進(jìn)行一定程度的設(shè)計(jì)，這將單獨(dú)討論，而對于其他設(shè)備則只是指定其功能和處理能力，并進(jìn)行粗略的尺寸估算。估算時(shí)使用了經(jīng)驗(yàn)法則和近似處理。相關(guān)細(xì)節(jié)見本章附錄苯酐生產(chǎn)工藝有潛力實(shí)現(xiàn)蒸汽凈輸出，當(dāng)然在該工藝全過程的每一步也都要用到公用蒸汽。通過將苯酐工廠和同一園區(qū)內(nèi)的其他工廠綜合考慮，可以更容易實(shí)現(xiàn)蒸汽的平衡。這里假定所有高壓蒸汽鍋爐都是各廠家共用的。同樣，冷卻水設(shè)施（水處理部分和冷卻塔）和主煙囪（用于排放廢氣和燃燒產(chǎn)生的氣體）也與其他工

55、廠共用。這些設(shè)施的設(shè)計(jì)計(jì)算不在本設(shè)計(jì)研究的考慮之內(nèi)，因?yàn)樗鼈兊奶幚砟芰⑴c共同開發(fā)的其他工廠項(xiàng)目密切相關(guān)。鄰苯二甲酸酐具有中度腐蝕性。因此某些設(shè)備需要用不銹鋼制造。316型（Ni 11%，Cr 18%，Mo 2.5%，F(xiàn)e66.5%，C 0.08%，Mn2.0%），該型號不銹鋼年腐蝕速率0.025mil（1mil=0.001inch）。在不很苛刻條件下操作的設(shè)備可以用普通碳鋼制造。3.6.9 設(shè)備清單1.反應(yīng)器：鄰二甲苯流量4545kg/h，空氣流量45t/h；進(jìn)口溫度350，最高溫度500；壓力200-300kPa；內(nèi)部有13400個(gè)列管（3m長 直徑25mm），催化劑高度2.8m；殼體直徑

56、5.9m，高度3.5m；冷卻負(fù)荷21.4MW；熔鹽循環(huán)量310t/h；材質(zhì)為316型不銹鋼。2.苯酐預(yù)冷凝器：總流量50t/h，苯酐流量2500kg/h；功率為450kW；材質(zhì)為碳鋼。3.切換冷凝器（2個(gè)）：總流量47t/h，苯酐流量2500kg/h；功率為450kW；材質(zhì)為碳鋼。4.尾氣洗滌塔：總流量45t/h氣體，含250kg/h的有機(jī)物；材質(zhì)為碳鋼。5.蒸發(fā)器：鄰二甲苯流量4625kg/h，空氣流量45t/h（溫度125-350）；功率為3.9MW；材質(zhì)為碳鋼。6.氣體冷卻器：氣體總流量50t/h；功率為5.0MW；材質(zhì)為碳鋼。7.預(yù)處理罐：苯酐流量5000kg/h；其他成分流量300kg/h，溫度70-270；加熱功率為290kW；材質(zhì)為碳鋼。8.提餾塔：苯酐流量5000kg/h，其他成分空氣流量300kg/h；在一定真空度下操作；填