化工設計(化工過程設計)

1、化工設計（化工過程設計）化工設計（化工過程設計）教教 案案（PPT版）天津大學化工學院結晶中心：張美景Tel：02227405754 27406483二零零九年六月 （第三版）（第三版）課程基本情況：課程基本情況：一、天津大學化工學院關于一、天津大學化工學院關于“化工設計化工設計”課程的開設情況課程的開設情況1、天津大學原化工系從、天津大學原化工系從1989年開始，在全國范圍內率先開設年開始，在全國范圍內率先開設“化工設計化工設計”本科課程。本科課程。 教材從自編教材 化工設計，王靜康主編，北京，化學工業(yè)出版社，1995年 化工過程設計，王靜康主編，北京，化學工業(yè)出版社，2006年。2、本課程

2、的主要內容、本課程的主要內容主要內容、化工廠設計及化工工藝設計；、化工技術經(jīng)濟分析與評價；、計算機輔助化工設計。3、“化工設計化工設計”課程在化學工程與工藝專業(yè)大學本科教學中的地課程在化學工程與工藝專業(yè)大學本科教學中的地位位 “大三”下半年或“大四”才能開設，已經(jīng)偏向于“專業(yè)課”，要求大家學完“化工原理”、“反應工程”、“化工熱力學”、“物理化學”、“化工設備基礎”等一系列專業(yè)基礎課后，才能開始學習本課程。 綜合利用同學們以前學完的大量專業(yè)基礎課知識，在化工工藝設計乃至化工廠設計的過程中綜合運用。 “化工設計化工設計”課程學得好不好，比其它課程更能體現(xiàn)一個化學工程與課程學得好不好，比其它課程更

3、能體現(xiàn)一個化學工程與工藝本科學生綜合素質的高低。工藝本科學生綜合素質的高低。4、本課程的特點、本課程的特點、綜合性綜合性（多專業(yè)基礎課知識的綜合與集成）；、實踐性實踐性（面向實際化工工藝設計、化工廠設計的工程運用）；5、“化工設計化工設計”課程教學的目的課程教學的目的、了解國內外有關化工工藝設計、化工廠設計的先進理念；、掌握化工工藝設計的內容、步驟及方法。二、本課程學習的教材及參考書二、本課程學習的教材及參考書1、化工過程設計，王靜康主編，北京，化學工業(yè)出版社，2006年。 （主教材）（主教材）2、化工技術經(jīng)濟，蘇健民主編，北京，化學工業(yè)出版社，2002年。3、化工系統(tǒng)分析與模擬，彭秉璞主編，

4、北京，化學工業(yè)出版社，2001年。4、化學工程手冊，時鈞、汪家鼎、余國琮、陳敏恒主編，北京，化學工業(yè)出版社，2002年。5、化工設計手冊，上海醫(yī)藥工業(yè)設計研究院主編，北京，化學工業(yè)出版社，2003年。6、Process Design Principles (Synthesis, Analysis and Evaluation)7、Analysis, Synthesis and Design of Chemical Engineering8、Introduction to the Material and Heat Balance in Chemical Engineering 除此之外，國內還

5、有10余個版本的“化工設計”教材，它們的側重面不盡相同，有興趣的同學，可以看看這些教材作為參考。第一章第一章 化工過程設計化工過程設計一、化學工業(yè)的發(fā)展歷史、化學工業(yè)覆蓋的范圍及其在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地一、化學工業(yè)的發(fā)展歷史、化學工業(yè)覆蓋的范圍及其在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地位位1、化學工業(yè)的發(fā)展歷史、化學工業(yè)的發(fā)展歷史化學工業(yè)歷經(jīng)了古代、近代、現(xiàn)代三個主要發(fā)展階段?；瘜W工業(yè)發(fā)展階段、古代化學工業(yè)：從數(shù)千年前人類陽光曬鹽、地下鹵水煮鹽開始，萌發(fā)了古老的化學工業(yè)。、近代化學工業(yè)：從18世紀中葉，歐洲造紙、玻璃、肥皂的大規(guī)模生產開始，表明近代化學工業(yè)的形成。、現(xiàn)代化學工業(yè)：上世紀40年代開始，隨著合成橡膠、

6、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，在科學技術和生產規(guī)模二個層面上，揭示現(xiàn)代化學工業(yè)開始形成。2、化學工業(yè)屬于過程工業(yè)型制造業(yè)（流程型制造業(yè)）、化學工業(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)離散型制造業(yè) （例如汽車工業(yè)等）過程工業(yè)型制造業(yè)（又稱“流程型制造業(yè)”） （例如化學工業(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、減排的任務十分艱巨。 例如：一個年產值不過僅例如：一個年產值不過僅10億元人民幣的合成原料藥制造企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業(yè)，它每天的耗水量可高達5000立方米。立方米。3、現(xiàn)代化學

7、工業(yè)覆蓋的范圍、現(xiàn)代化學工業(yè)覆蓋的范圍 我國化學工業(yè)的分類與美國、歐盟關于化學工業(yè)的范疇有一些區(qū)別，但逐步在接軌，按美國、歐盟的化學工業(yè)年鑒，現(xiàn)代化學工業(yè)覆蓋以下范圍：現(xiàn)代化學工業(yè)石油化工（包括其衍生的有機化工）煤化工（包括其衍生的有機化工）無機化工精細化工及中間體化肥工業(yè)農藥工業(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、化學工業(yè)在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地位、化學工業(yè)在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地位 化學工業(yè)是所有高新技術產業(yè)的支撐工業(yè)，如能源、電子、信息、生物、化學工業(yè)是所有高新技術產業(yè)的支撐工業(yè)，如能源、電子、信息、生物、材料等領域，都離不開化學工業(yè)提供的物質支撐。

8、材料等領域，都離不開化學工業(yè)提供的物質支撐。 化學工業(yè)絕不是所謂的“夕陽工業(yè)”、“夕陽產業(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)快速發(fā)展。 1990年1999年，美國、歐盟化學工業(yè)的發(fā)展速度是其全部工業(yè)平均增長速度的2.69倍。 美國化學工業(yè)的規(guī)模一直雄居世界化學工業(yè)總量的30左右，是美國為數(shù)不多在國際貿易體系內具有貿易順差的制造業(yè)之一。 在世界500強企業(yè)中，以化工為主或涉足化工領域的企業(yè)為數(shù)不少。二、化工過程設計的基本內容二、化工過程設計的基本內容1、化工設計、化工廠設計、化工過程設計、化工工藝設計四個名詞之間、化工設計、化工廠設計、化工過程設計、化工工藝設計四個名詞之間的聯(lián)系與區(qū)

9、別的聯(lián)系與區(qū)別 化工設計是泛稱，在不同場合可分別指稱化工廠設計、化工過程設計、化工工藝設計，其內涵最廣，但意義不明確。Chemical Design英文中沒有如此名詞！化工廠設計化工過程設計（核心）化工廠房建筑、結構設計總圖設計，.等非工藝部分設計化工工藝設計（核心）公用工程設計、外管設計，等化工過程設計是針對化工工藝設計的深入、配套與完善?；み^程設計是針對化工工藝設計的深入、配套與完善。2、化工過程設計的目標及內容、化工過程設計的目標及內容 美國國家顧問團在其“化學工程的新領域”著作中，簡明闡述了化工過程設計的主要目標主要目標： 確定最佳流程及最佳操作條件，達到最優(yōu)投入產出比。在定量計算確

10、定最佳流程及最佳操作條件，達到最優(yōu)投入產出比。在定量計算的基礎上，結合專家的經(jīng)驗，考慮安全、健康、環(huán)保的因素，確定出一的基礎上，結合專家的經(jīng)驗，考慮安全、健康、環(huán)保的因素，確定出一個綜合的設計方案。個綜合的設計方案?；み^程設計的內容內容： 其基本核心內容是化工工藝設計，其附帶內容是針對化工工藝設計，其基本核心內容是化工工藝設計，其附帶內容是針對化工工藝設計，對它的配套部分如公用工程、外管設計等進行深入設計和完善。對它的配套部分如公用工程、外管設計等進行深入設計和完善。3、化工過程設計的深化改革、化工過程設計的深化改革化工過程設計發(fā)展方向化工過程設計發(fā)展方向復雜大型化工廠的設計柔性化工廠的設計

11、自主創(chuàng)新設計與國際工程設計的接軌我國化工設計院，原來的專業(yè)部門進行了相應的改革調整。原來的工藝專業(yè)部工藝專業(yè)部工藝專業(yè)部（大部分為化學工程與工藝專業(yè)人員）工藝系統(tǒng)專業(yè)部工藝系統(tǒng)專業(yè)部（少量化學工程與工藝專業(yè)人員，大量其它輔助專業(yè)）工藝專業(yè)部：側重化工工藝設計工藝系統(tǒng)專業(yè)部：側重化工過程設計中除了化工工藝設計以外與工藝有關的內容工藝專業(yè)部工藝專業(yè)部：側重出PID圖、PFD圖工藝系統(tǒng)專業(yè)部工藝系統(tǒng)專業(yè)部：側重出UID圖、UFD圖PID （Process Instrument Diagram） 帶控制點的工藝儀表管道流程圖PFD （Process Flowsheet Diagram） 過程物料流程圖

12、UID （Utility Instrument Diagram） 公用工程儀表管道流程圖UFD （Utility Flowsheet Diagram） 公用工程物料流程圖其中，各種圖紙隨設計的深入，分成多個版本。其中，各種圖紙隨設計的深入，分成多個版本。 工藝專業(yè)部與工藝系統(tǒng)專業(yè)部之間，在設計工作過程中有許多需要交流的條件、工藝專業(yè)部與工藝系統(tǒng)專業(yè)部之間，在設計工作過程中有許多需要交流的條件、文件（文件（“條件表條件表”），有發(fā)出條件的），有發(fā)出條件的主導專業(yè)主導專業(yè)，有接收，有接收“條件表條件表”的的接收專業(yè)接收專業(yè)。我國化工設計院的專業(yè)種類化學工程與工藝化工機械自動化及儀表總圖概預算（工程

13、經(jīng)濟）建筑、結構、暖通、給排水、強弱電熱工、環(huán)境工程（環(huán)保）、工業(yè)爐三、計算機輔助化工過程設計三、計算機輔助化工過程設計 在20世紀20年代以前，化工過程設計幾乎沒有理論作指導，幾乎是完全憑經(jīng)驗。 在20世紀20年代60年代，化工過程設計已經(jīng)開始有化工單元操作理論作指導，可以定量計算設計，但幾乎完全憑手工計算與繪圖完成設計工作。 在20世紀60年代以后，計算機輔助化工過程設計得到了發(fā)展。 為什么直到20世紀60年代后，在化工設計領域開開始出現(xiàn)計算機輔助化工過程設計呢？計算機軟、硬件技術的發(fā)展化工單元操作等理論的不斷成熟數(shù)學計算技術的發(fā)展計算機輔助化工過程設計的優(yōu)勢（優(yōu)點）：優(yōu)勢（優(yōu)點）：、設計

14、工作效率高、規(guī)范性好、設計水平高（可進行優(yōu)化設計）效率對比： 一個年產30萬噸的乙烯的工程，如果全憑手工計算與繪圖，400個設計工程師要花費近1年的時間，才能完成一個流程方案的設計。而借助計算機輔助化工過程設計系統(tǒng)，200個設計工程師花費8個星期，就能完成一個流程方案。 后者的設計工作效率比前者高出后者的設計工作效率比前者高出10多倍。多倍。計算輔助化工過程設計軟件系統(tǒng)的發(fā)展情況：計算輔助化工過程設計軟件系統(tǒng)的發(fā)展情況：第一代商品化軟件系統(tǒng)20世紀60年代，以美國各高校聯(lián)合開發(fā)的CHESS軟件系統(tǒng)為代表。Chem. Eng. Simulation System 20世紀70年代初，以美國Mon

15、santo公司牽頭開發(fā)的FLOWTRAN軟件系統(tǒng)代表。第二代商品化軟件系統(tǒng)Flowsheet Translator第三代商品化軟件系統(tǒng) 20世紀80年代，以 ASPEN 和 PROCESS II 兩大軟件系統(tǒng)代表。Advanced System for Process Eng. 我國最早由寰球、化工部八院等單位于上世紀90年代率先引進ASPEN軟件系統(tǒng)?，F(xiàn)在，國內各設計院基本都已經(jīng)使用ASPEN或Process II軟件系統(tǒng)進行計算機輔助化工過程設計。 天津大學擁有正版的ASPEN和Process II 軟件系統(tǒng)（教學版）。計算機輔助化工過程設計軟件系統(tǒng)的發(fā)展方向（趨勢）：計算機輔助化工過程設

16、計軟件系統(tǒng)的發(fā)展方向（趨勢）：（1）、單元操作模塊的種類數(shù)；（2）、物性數(shù)據(jù)庫的大小及數(shù)據(jù)的估算方法；（3）、能處理的流股數(shù)量和組份數(shù)量；（4）、計算技術方法（求解方法）；（5）、能處理的流股相態(tài)； （氣、液、固、膠體、電解質等）（6）、軟件系統(tǒng)的人性化界面及開放程度；（7）、流程圖形輸入及識別技術。等等四、現(xiàn)代化學工業(yè)的發(fā)展方向、化學工程倫理學及責任關懷制度四、現(xiàn)代化學工業(yè)的發(fā)展方向、化學工程倫理學及責任關懷制度1、現(xiàn)代化學工業(yè)的發(fā)展方向人類發(fā)展化學工業(yè)的目的：人類發(fā)展化學工業(yè)的目的： 滿足人類對化學物質（分子式、數(shù)量、質量、多尺度形態(tài)）的不斷需求。這個目標由化學家和化學工程師，在技術層面上共同完成?，F(xiàn)代化學工業(yè)發(fā)展方向新物質經(jīng)濟合理的大批量高質量柔性化綠色化多尺度其中： 化學工業(yè)綠色化的含義：化學工業(yè)綠色化的含義：以“減量化、再利用、資源化減量化、再利用、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；（2）、減少有害物質的使用或生成；（3）、減少廢棄物，并使廢棄物在系統(tǒng)類在利用；（4）、盡量將排放的廢棄物轉化為可用的再生資源；（5）、盡量延長產品的生命周期。ReduceRecycleRes