第1章化工设计基本知识思维导图

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2024-11-13

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重复建设项目设计

自控

中试设计

化工设计基本知识内容详述

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思维导图大纲

1.1 化工设计的概念

对于“设计”这个词，大多数人并不陌生，平时人们常说建筑设计、美术设计、工程设计等。设计就是设想、运筹、计划与预算，它是人类为实现某种特定目的而进行的创造性活动。在辞海中将“设计”解释为:根据一定的目的要求，预先制定的方案、图样等。

化工是“化学工艺”、“化学工业”、“化学工程”等的简称，本书所讲的“化工设计”中的“化工”，涵盖了“化学工艺”、“化学工业”、“化学工程”等内容，但主要内涵应是“化学加工”的简称，延伸为“化学加工工程”，即“化工设计”是“化学加工工程设计”或“化工工程设计”的简称。广义的“化工设计”定义为:化工设计是根据化工建设工程和法律法规的要求，对建设工程所需的技术、经济、资源、环境等条件进行综合分析、论证,编制建设工程设计文件，提供相关服务的活动”。设计文件是指从开发、立项、设计、施工安装、试产、验收到正式生产的各个阶段的实践过程形成的图样及技术资料的总称。本书介绍的“化工设计”内容主要是化工项目在基本建设时期的设计文件。

化工设计是把一项化工工程从设想变成现实的一个建设环节，涉及如下多个方面:①政治、经济、技术;资源、产品、市场、用户、环境;②天时地利人和以及国情、国策、标准、法规:③化学、化工、工艺、机械、电气、土建、自控、三废治理、安全卫生、运输，给排水、采暖通风等专业。化工设计是一项综合性很强的技术活动。

化工设计不同于化工原理设计，后者是对某个单元装置的设计，而本书所讲的“化工设计”:是针对一个化工项目，这个项目可能是一个化工厂或一个生产车间的生产装置的整体设计，侧重于化工工艺设计内容。

1.2 化工设计分类

我国传统上对化工设计的分类是依照基本建设项目进行分类的，分为新建工厂设计、原有工厂的改建和扩建设计以及车间、厂房的局部修建设计。下面分别介绍按建设项目性质、项目开发过程及设计范围大小对化工设计进行分类。

1.2.1根据建设项目性质对化工设计进行分类

(1)新建项目设计

新建项目设计包括新产品设计和采用新工艺或新技术的产品设计。这类设计往往由开发研究单位、专利商提供基础设计、工艺包，然后由工程研究部门(国外由工程公司)据厂地区的实际情况进行工程设计。

(2)重复建设项目设计

由于市场需要或者设备老化，有些产品需要再建生产装置，由于新建厂的具体条件与原厂不同，即使产品的规模、规格及工艺完全相同，还是需要由工程设计部门进行设计。

(3)已有装置的改扩建设计

化工厂旧的生产装置，由于其产品质量或产量不能满足客户要求，或者因技术原因，原材料和能量消耗过高而缺乏市场竞争能力，或者因环保要求的提高，为了实现清洁生产，而必须对已有装置进行改造。已有装置的改造包括去掉影响产品产量和质量的“瓶颈”，优化生产过程操作控制，提高能量的综合利用率和局部的工艺或设备改造更新等。这类设计通常由生产企业的设计部门进行设计，对于生产工艺过程复杂的大型装置可以委托工程设计部门进行设计。

1.2.2 按项目开发过程对化工设计进行分类

一个新化工项目的开发过程包含研究、工程化设计和建设三个阶段。在研究阶段，将理论研究成果，通过实验室小试、中试完成全部试验过程，并提供一套完整的设计原始数据(也称设计基础数据)。在工程化设计阶段，经过概念设计、中试设计、基础设计、工艺包设计,基础工程设计、详细工程设计，完成全部设计过程。在建设阶段，业主通过项目建议书、可行性研究、工程设计、施工建设、投等,完成建设的全过程。

概念设计是在应用研究进行到一定阶段后，根据开发性基础研究的成果、文献数据、现有类似的操作数据和工作经验，从工程角度出发按照未来生产规模所进行的一种假想设计。其内容包括:过程合成、分析和优化，得到最佳工艺流程，给出物料流程图:进行全系统的物料衡算、热量衡算和设备工艺计算，确定工艺操作条件及主要设备的型式和材质;进行参数的灵敏度和生产安全性分析，确定“三”处理方案;估算装置投资与产品成本等主要进行参术经济指标。

概念设计的作用是，用以指导过程研究及提出对开发性的基础研究进一步的要求;暴露和提出过程研究中存在的问题，如工艺流程、主要单元作、设备结构及材质、过程控制方案及环保安全等方面的问题，并为解决这些问题提供途径或方案;为技术经济评价提供较为可靠的依据，并得出开发的新产品或新技术是否有工业化价值的结论。若出现不利前景，则应及时终止开发。

(2)中试设计

按照现代新技术开发的观点，中试的主要目的是解决小试不能解决问题,检验和修改个试与大型冷模试验结果所形成的综合模型，考察基础研究结果在工业规模下实现的技术，经济方面的可行性:考察工业因素对过程和设备的影响:消除不确定性,为工业装置设计提供可靠数据。即概念设计中的一些结果和设想，通过中试来验证，在中试中得到未来工程设计中所需要的数据、设计依据。中试装置设计主要为满足中试要求，所以中试装置设计内容比工程设计简单，中试可以不是全流程试验，规模也不是越大越好。中试要进行哪些试验项目，规模多大为宜，均要由概念设计来确定。由于中试装置较小，一般可不画出管道、仪表、管架等安装图纸。

(3)基础设计

基础设计是一个完整的技术软件，是整个技术开发阶段的研究成果，它是工艺包、工程设计依据。基础设计一般在研究内容全部完成并通过鉴定后进行。

基础设计主要内容:

详细的工艺计算；

b.主要设备条件；

c.对仪表、电气、暖通、给排水、土建等专业的要求；

d.经济分析:

e.对工程设计的要求;

f.操作规程；

g.消耗定额；

h.有关的技术资料;

i.安全技术与劳动保护说明。

基础设计的内容应包括新建装置的一切技术要点，合格的工程技术人员应能根据基础设计完成一个能顺利投产，达到一定产量和质量指标的生产装置。

我国传统上对新开发的化工项目的设计，是依据基础设计文件而展开的初步设计、施工图设计。目前国际通用作法将基础设计进一步完善深化，做成“工艺包”商品，出售给业主或工程公司。

（4）工艺包设计

工艺包process package) 是一个专用的技术名词，特指某个化工产品生产技术方面的全部技术文件的总和，化工工艺技术成果的文件表达，是工艺技术对工程设计、采购、建设和生产操作要求的体现，是一个化工厂工艺的核心技术文件，是基础工程设计的主要依据，由化工工艺、工艺系统、分析化验、自控、材料(需要时)、安全卫生(需要时)、环保(需要时)等专业共同完成该化工产品的工艺包设计工作。

工艺包的来源主要是专利商、科研院所、大专院校、掌握生产技术关键的人或单位。具备下列条件之一者，可以进行工艺包设计:本公司已经熟练掌握并成为公司技术专有的化工产品;与科研单位、生产单位共同开发的新工艺、新技术、新产品，已具备工艺包设计所需的各项要求;用户专有技术并提供相近规模的工程设计文件或现有运行的生产装置可供设计参考;无专利权或专利有效期已过的成熟工艺技术。

工艺包是具有知识产权的产品，它浓缩了化工装置的主要工艺技术。科研机构将其试验成果编制成工艺包，成为一个可商业化的产品走向市场，既保护了科研机构自身的知识产权，又有利于推广技术，因而是目前国际上的通行做法。

工艺包提交的内容如下。

①设计基础

a.工艺装置的组成和工艺特性说明本工艺装置由哪些工艺单元组成，与其他工程的联系及协作关系，工艺过程的主要特性，如多相聚合反应、萃取、减压精馏、干燥等工艺过程。 b.生产规模说明本工艺装置的设计规模，主要产品产量，中间产品产量,原料处理量(万吨/年，或t/h)。

c年操作小时说明本工艺装置年操作时数;生产方式(连续、间歇)。

d.原料、催化剂和化学品规格说明本工艺装置对原料、催化剂、化学品的规格要求，分析方法，来源及送入界区的方式，如连续输送，间歇输送、管道输送或桶装。

e.公用工程规格和用量说明本工艺装置需要的主要公用工程规格和数量。

f、产品规格说明本工艺装置的产品和副产品(必要时包括中间产品的详细规格和分析方法)，产品、副产品送出界区的条件(温度、压力)和输送方式。

g.原料和化学品、催化剂的消耗和单耗值。

h.技术保证指标说明本工艺装置的技术保证值和期望值，如反应的转化率、选择性，原料、催化化学品的单耗，催化剂寿命，产品和主要副产品规格。

i.废物(三废)的性质、排放量和建议的处理方法说明本工艺装置的生产方案，生产工艺特点,废物的排放量及处理方法。

j.安全卫生说明本工艺装置危险因素分析、火灾爆炸的危险和毒性物质危险等。

②工艺说明

a.工艺原理说明本工艺的反应原理，列出主反应及主要副反应的化学方程式，并说明控制反应速率和副反应产生的主要因素。如反应温度、反应压力、原料浓度配比、空速、催化剂选择、原料中杂质对反应和催化剂的影响。

b.主要工艺参数说明本工艺的主要操作参数，包括反应、精馏、萃取、传热等主要单元的主要操作参数。有反应的工艺还应列出反应初期和末期的操作参数。

c.工艺流程说明按不同工段的管道及仪表流程图，详细叙述工艺流程。说明原料、中间产品、副产品、产品的去向，进出界区的方式及储存方法;说明主要操作条件，如温度、压力、流量、主要物料配比等;主要控制方案;若为间歇操作，还需说明操作周期和一次(批)的加料量。

技术保证值和期望值、如反应的转化、选择性。原料、催化剂、化学品的单耗，催化剂寿命，产品和主要副产品规格。③工艺流程图 (process flowsheet diagram，简称PFD)概念表示工艺生产所有的主要设备(包括名称、位号)，关键阀门、流量、温度、压力、热负荷以控制方案。

④物料平衡和能量平衡

完成生产装置全过程的物料和能量平衡后，如有必要应考虑负荷的波动及各工况的变化。根据计算结果列出物流表，应包括流程中每股物料组成、状态、流量、相对密度、黏度、温度和压力等。通常这些物流表可由工艺流程模拟计算得到。

⑤管道及仪表流程图

工艺包的管道及仪表流程图(P&ID)从工艺角度来看，已全部表示了工艺过程的设备、机械、驱动设备(具体类型、规格可以在工程设计时确定)，包括相应设备备台;还应表示出工艺过程正常操作、开停车、特殊操作(如再生、烧焦、切换等)等所需的全部管道的管子尺寸、管子材质、阀门类型、保温等;标示出工艺取样分析点;标示出全部的检测、指示和控制功能仪表;对工程设计有特殊要求的需要在P&ID上加以标识注明，如管道的坡向、不可有袋形、两相流管道须固定、最小距离、液封高度，必要时还需要给出保证工艺要求的节点详图。

应该指出:涉及工程设计的内容，如管道等级、管道详细标注、仪表控制的详细标注、压缩机系统的公用工程管线、界区阀门设置、公用工程P&ID的深化，膨胀节、波纹管的设置等，工艺包 P&ID的相应内容是初步的，有时可以没有。需待工程设计深化。

⑥工艺设备表

列出主要工艺设备名称、数量和规格。

⑦主要工艺设备的工艺规格书

按设备类别分类编制工艺规格书，即数据表，如反应器、塔、换热器、储槽、压缩机、泵、工业炉等。应列出工艺设计和操作参数，材质要求。静设备类应附设备草图，动设备类应提出传动机械要求，其深度应满足进行基础工程设计的要求。典型的设备数据见表1.1、表1.2，泵及压缩机设备数据样表参见《化工工艺设计手册》第四版(化学工业出版社)。⑧自动控制和仪表

初步的仪表一览表、PLC开关量输人、输出点，DCS开关量输人、输出点。

b.初步仪表回路规格。

c.工艺控制和联锁系统包括报警系统和联锁系统的参数。

d.仪表系统说明。

⑨管道设计

a.初步的管道一览列出工艺装置主要工艺管道的介质名称、代号，工艺操作条件，管道走向，管路尺寸，管道等级，保温等，详见表1.3管道特性表。

b.初步的管道材料等级列出工艺装置主要工艺和公用工程管道、阀门、管件材料的选用等级表。

C.初步的设备布置图该设备的布置图为工艺专利技术拥有者根据其工程经验和工艺技术要求提出的建议性设备布置，在工程设计时可根据具体总图布置、装置情况作适当调整，但其中工艺技术要求内容必须满足。

d.管道安装设计建议。

e.特殊管件。

⑩电气设计

包括电气设计概况、单线图、危险区域划分图和初步的电动机表等。