1、12.1工藝過程開發(fā)及工藝路線選擇2.2 工藝設計的內容及設計文件 2.3 工藝設計中的全局性問題第二章工藝開發(fā)與工藝設計概述2 過程工業(yè)是以裝置為中心進行生產的工業(yè),整個生產工藝過程都在裝置內完成。生產工藝是過程裝置的軟件，過程裝置是實施生產工藝的硬件，因此一座工廠或一套裝置設計的核心是工藝設計，它決定了整個設計的概貌，看一個工廠是否先進，首先看它的工藝是否先進。 2.1工藝過程開發(fā)及工藝路線選擇工程實例32.1.1 工藝過程開發(fā)程序信息研究實驗性研究可行性研究(1)小試模型試驗中試概念設計可行性研究(3)可行性研究(2)初步設計施工設計施工過程研究工程設計研究圖2-1 過程工業(yè)新產品開發(fā)的

2、基本步驟方案提出方案設計與論證方案審定方案實施4第一階段：方案的提出(一)信息研究必要性:市場對開發(fā)產品的需求量，開發(fā)產品與國民經濟其他部門的關系，市場前景，收益估算，社會效益以及環(huán)境污染情況等。可行性:評估科研水平、社會條件及完成該項目的可能性。信息研究是開發(fā)新產品的第一步。若通過信息研究認為所開發(fā)的技術能帶來顯著的經濟效益或重大的社會效益，才值得投資進行研究與開發(fā)。否則即可就此終止。5(二)實驗性研究 工藝方法：如原料路線、生產路線等研究；工藝條件：溫度、壓力、轉化率、主副反應特點、催化劑等研究；物料平衡、能量平衡和生產成本估算；原材料、半成品和產品的質量的研究；產品用途。6(三)第一次可

3、行性研究1、技術上是否可行原料是否可行、可靠（原料費約等于三分之二生產費用）技術路線的可靠性（生產安全、操作簡便、操作條件彈性大，生產環(huán)節(jié)少，不易出現故障）技術路線的先進性（各種技術指標，如轉化率、選擇率、能耗、設備生產強度、勞動和產率等的高低） 2、經濟上是否可行 指投資、人力、生產費用等支出同產品銷售的收入作比較，估算可能獲得的經濟效益和投資回收情況。73、環(huán)境上是否可行應評估“三廢”治理程度及其對環(huán)境的影響 *三廢廢水、廢氣、廢渣 結論：通過對技術、經濟和環(huán)境的評估，做出該產品是否值得繼續(xù)開發(fā)的決定。如果行，則轉入第二階段。8第二階段：方案設計與論證(一)小試1、制造樣品 在此過程中，對

4、制造工藝、制造條件及控制方法進研究，對原料、產品進行研究，最終編制初步的物料衡算和能量衡算，提出“三廢”治理初步方案。2、與實驗性研究比較 結論：小試時，要通過不斷改變操作條件提高反應的轉化率、選擇率等；并試驗出分離提純的初步方法。9(二)概念設計 1、目的2、內容把小試成果和工作經驗相結合，進行原則流程設計。技術上，確定流程、工藝條件、主要設備型式、三廢治理措施；經濟上，計算基本建設投資和產品成本等主要技術經濟指標。10(三)第二次可行性研究稱作方案論證。其內容與第一次可行性研究差不多。在此之前由于有概念設計、物料衡算和能量衡算，對技術、經濟的分析就比較準確。可進一步估算工廠規(guī)模、投資費用、

5、成本及經濟效益等。第二次可行性研究也要作出開發(fā)應該中止或繼續(xù)的決定。若繼續(xù)進行，還應對下階段的工藝和過程的研究提出指導性意見。第二次可行性研究可以作為同有關部門簽訂合同的依據。11第三階段：方案的審定(一)模型試驗1、任務2、內容對數學模型法建立數學模型；對部分解析法找出放大規(guī)律。 化學反應動力學模型（探討反應機理，主、副反應）；流動模型（通過冷模試驗進行）*冷模試驗只研究物料的流動過程，而不研究化學反應，所以用空氣代氣體，水代液體，河沙代固體，并加入示蹤劑，監(jiān)測示蹤劑濃度變化，建立數學方程，即流動模型。12(二)中試1、定義2、主要任務3、最終目的 中試即中間試驗的簡稱，介于小試和生產之間，

6、如果生產規(guī)模較大，還需要進行若干逐級放大的中試。考察從小試到中試的放大效應。 帶控制點的工藝流程圖、工藝參數、物料衡算和能量衡算的數據等。 13(三)初步設計 總工藝流程，生產方法，工廠組成，總圖布置，水、電、氣的供應方式和用量，關鍵設備及儀表選型，全廠貯遠方案，消防、勞動安全與工業(yè)衛(wèi)生，環(huán)境保護及綜合利用等。1、定義2、主要內容 根據中試結果而進行的生產規(guī)模的全面設計，是工程研究的終結，也是開發(fā)研究成果的表現形式。14(四)第三次可行性研究方案審定 第三次可行性研究除了科研人員和行政領導參加外，凡是與工程審批有關的部門(如投資部門、安全部門等)都應參與審定。審定以后，工程項目被批準，然后轉入

7、工程設計。15第四階段：方案的實施(一)施工設計(二)施工(三)竣工驗收 根據概念設計和初步設計作進一步具體、完善的設計它包括定型設備的規(guī)格，非標設備的結構圖、零件圖以及設備布置圖等。上述設計完成后還要進行管道配制、電路、控制線路等施工設計。施工設計圖是工程建設的指南。 根據施工圖，完成工程前期的技術準備、組織準備與物資準備，進行工程中期的設備安裝，再進行工程后期的試車。16信息研究實驗性研究可行性研究(1)小試模型試驗中試概念設計可行性研究(3)可行性研究(2)初步設計施工設計施工過程研究工程設計研究圖2-1 過程工業(yè)新產品開發(fā)的基本步驟方案提出方案設計與論證方案審定方案實施172.1.2

8、工藝路線的選擇一、工藝路線選擇的復雜性原因：過程工業(yè)具有原料、工藝與產品的多方案性18二、工藝路線選擇的步驟(一)調查文獻專利調查。文獻專利調查方法有利用文摘、索引等二次文獻進行的人工檢索和用存儲二次文獻的數據庫進行的聯機檢索（有及時性和全面性的特點）。為了得列有關工藝的最新情報，向該項工藝技術所有者致函調查是最實際的方法。一般從工藝技術所有者那里可以獲得表21所示的信息?？磿鳳1219(二) 分析根據調查所得到的信息，必要時再通過實驗補充一些數據，進行工藝試設計，掌握技術難點。對工藝過程的靈活性，有關的特殊控制因素，工業(yè)上的效率，對能量的需求，今后發(fā)展的可能性，對廢物和副產品的生成量及處置方

9、式以及各種設備或原料是否容易得到等進行技術分析。經濟方面要對原料價格的變動、產品價格變動所造成的影響及盈虧的關鍵因素進行分析，研究工藝在設想的經濟環(huán)境中的收益性。將某一工藝工業(yè)化，并且獲得預想的收益是不容易的，必須避免采用風險性大的工藝。20(三) 生產成本計算生產成本包括直接材料費、直接燃料及動力費、直接工資和職工福利費及制造費。詳細計算在第3章中再講，如下表。21（四） 評價 工藝評價主要是按現行財稅制度規(guī)定及產品市場價格，在生產成本和費用估算的基礎上，計算所選工藝在財務上的盈利能力。具體計算與評價方法可參考32節(jié)（五）工藝路線的選擇 總的原則是：生產上安全可靠、技術上先進、經濟上合理。2

10、2市場調查報告計算生產成本已知工藝的調查實用數據（本公司）工藝A工藝B工藝C工藝D工藝E（國內公司）（國內公司）（國外承包商）（無專利許可證）（按合同不能用專利）發(fā)送詢函實用數據B實用數據D實用數據EM承包公司M承包公司N（答復不明確）來自研究開發(fā)部門的本公司工藝的數據來自工藝部門的其它公司工藝的數據收益性評價不可行可行本公司工藝（國內公司）（國外公司）第一次工藝評價本公司工藝工藝B明顯不合適工藝EM第二次工藝評價簽訂保密合同裝置考察報 批簽訂合同經濟性可以，無工業(yè)裝置，裝置建設費高，有發(fā)展前途經濟性可以，已建多套工業(yè)裝置，裝置建設費低，原料費高經濟性最佳，已建一套工業(yè)裝置，操作有一定難度，產

11、品質量好本公司工藝不如工藝B工藝E已經陳舊圖2-2 工藝路線選擇的順序圖23二、工藝路線選擇的步驟(一)調查(二) 分析(三) 生產成本計算（四） 評價（五）工藝路線的選擇 總的原則是：生產上安全可靠、技術上先進、經濟上合理。242.2 工藝設計的內容及設計文件 2.2.1工藝設計的內容和程序2.2.2初步設計的設計文件 2.2.3施工圖設計的設計文件 252.2.1工藝設計的內容和程序主要內容有：原料和技術路線的選擇工藝流程設計物料衡算和能量衡算工藝設備設計與選型車間布置設計管道設計非工藝設計項目的考慮編制設計文件，包括設計說明書，附圖（流程圖、布置圖和設備圖等）和附表（設備一覽表和材料匯總

12、表等。）上面這些內容有的在初步設計中完成，有些要在施工設計中才做。26計劃任務書編制工藝流程草圖物料衡算能量衡算設備工藝計算及選型自動控制工藝流程圖設計車間布置設計概算技術經濟分析編寫設計說明書工藝流程總圖物料平衡圖原料用量、消耗定額及“三廢”排放表能量消耗綜合表設備一覽表非定型設備條件圖控制系統圖帶控制點工藝流程圖車間平面及立面布置圖、廠鳥瞰圖技術經濟分析表概算書、投資及材料表初步設計說明書圖2-3 初步設計程序27給排水電力條件暖風條件熱力條件設備安裝總圖1.設備安裝2.土建穿孔預埋螺栓圖儀表施工圖1.自控或集中控制儀表2.儀表一覽表3.儀表預算初步設計圖紙及說明書設備條件土建條件外管道自

13、控條件各項工程 預算管道施工圖1.主管布置圖2.管道布置圖3.單體設備接管圖4.管件圖5.管架、閥架圖6.管道材料表7.和管道施工說明書8.圖紙總目錄車間布置圖管道結構圖預算1.設備安裝預算2.管道安裝預算總預算全工程預算圖2-4 工藝與非工藝設計配合關系282.2.2初步設計的設計文件 設計說明書 ；說明書的附圖、附表。 設計依據設計指導思想設計范圍及工廠組成建廠規(guī)模及產品方案主要原材料和燃料的規(guī)格生產方法及工藝流程、工藝計算廠址概況、公用工程及輔助工程、環(huán)境保護及綜合利用工廠的機械化和自動化水平勞動安全與工業(yè)衛(wèi)生、工作制度及勞動定員存在的問題及解決意見、附圖和附件292.2.3施工圖設計的

14、設計文件 (1)設計說明 設計說明包括工藝設計說明，管道設計說明，隔熱、隔聲設計說明，防腐設計說明等。工藝設計說明包括設計依據，工藝說明，設計范圍。管道設計說明包括管道分區(qū)情況，管道圖表示法有關標準，材料供應情況，設備安裝的注意事項，管道預制及安裝要求，管架，靜電接地采用的國家及部頒標準。隔熱、隔聲設計說明包括隔熱材料的選用，工程中遇到的隔熱等級，采用的隔熱、隔聲結構及標準，施工要求等。防腐設計說明包括涂漆的范圍，采用的涂料名稱，施工要求，涂該的顏色，埋地管道的外防腐，管道的內防腐等。30 (2)有關圖紙 圖紙目錄、首頁圖，管道及儀表流程圖，分區(qū)索引圖，設備布置圖，設備安裝圖，管道布置圖，軟管

15、站布置圖，管道軸測圖，管道軸測圖索引和管段表索引，特殊管架圖管架圖索引特殊管件圖，設備管口方位圖等。 (3)有關表格 設備一覽表，設備地腳螺栓表，管段表及管道物性表管架表，彈簧匯總表，特殊閥門和管道附件表。隔熱材料表，防腐材料表，伴熱管圖和伴熱管表，綜合材料表等。312.3 工藝設計中的全局性問題2.3.1廠址的選擇工廠的地理位置對于企業(yè)的成敗具有重大的影響，廠址選擇的好壞對工廠的建設進度、投資數量、經濟效益以及環(huán)境保護等方面關系密切，所以它是基本建設的一個重要環(huán)節(jié)。在選擇廠址時，應該考慮:原料和市場，能源供應，氣候條件，運輸條件，供水條件，對環(huán)境的影響，勞動力來源，節(jié)約土地，協作條件，防災等

16、。322.3 工藝設計中的全局性問題2.3.2總圖布置即工廠的總體布局，其任務是要總體地解決全廠所有的建筑物和構筑物在平面和豎向上的布置，運輸網和地上、地下工程技術管網的布置，行政管理、福利及美化設施的布置等問題。33原料接收棧橋海上出廠區(qū)原料罐區(qū)半成品及成品區(qū)裝置區(qū)公用工程區(qū)辦公區(qū)34 a生產要求：總體布局首先要求保證徑直和短捷的生產作業(yè)線，盡可能避免交叉和迂回，使各種物料的輸送距離為最小。同時將水、電、汽耗量大的車間盡量集中，形成負荷中心，并使其與供應源靠近，使水、電、汽輸送距離為最小。b安全要求： 化工廠具有易燃、易爆、有毒的特點，廠區(qū)應充分考慮安全布局遵守防火、衛(wèi)生等安全規(guī)范和標準的布

17、關規(guī)定，重點是防止火災和爆炸的發(fā)生。c發(fā)展要求： 廠區(qū)布置要求有較大的彈性，對于工廠的發(fā)展變化有較大的適應性。也就是說，隨著工廠不斷的發(fā)展變化，廠區(qū)的不斷擴大廠內的生產布局和安全布局方面仍能保持合理的布置?？傮w布局主要應該滿足三個方面的要求。352.3.3安全防火與環(huán)境保護a設計中應考慮的防火防爆問題 b設計工作中的防毒與環(huán)境保護362.3.4公用工程 公用工程包括動力、供排水和采暖通風等內容。 a動力 主要是考慮電力問題，比如攪拌機、泵、鼓風機、氣體壓縮機、提升機等通常都由電動機帶動，有時也使用蒸汽透平。 確定是使用電網的電力還是自備發(fā)電廠的電力。自備電廠除得到電力外，還有可能得到副產品蒸汽

18、以供工藝和加熱使用。使用電網電力，則需設置鍋爐房，以生產蒸汽。大型廠為了綜合利用能量，常使供熱系統和生產裝置(例如換熱設備、放出大量反應熱的反應器等)以及動力系統(例如發(fā)電設備、各種機、泵)密切結合，成為工藝動力裝置，可降低能量消耗，甚至做到“能量自給”。37b供排水 自備水源或市政供水系統。若需水量大，自備水源較為經濟。自備水源可來自深井、河流、湖泊及其他蓄水系統。 為節(jié)約用水，大量使用冷卻水的工廠應循環(huán)利用。冷卻塔 R T2T1B W熱交換器 E MR-循環(huán)水量 W-飛濺水量 M-補充水量 B-排放水量 E-蒸發(fā)水量 循環(huán)冷卻水是指反復循環(huán)使用的冷卻水，如圖，換熱后溫度升高的冷卻水，經冷卻

19、塔流下，由于和空氣密切接觸，靠一部分水蒸發(fā)使水溫度降低，再循環(huán)使用。38 c采暖通風 是衛(wèi)生工程，旨在保證廠房具有適宜的工作條件(溫度、濕度以及潔凈的空氣)。因為過程工業(yè)生產在許多情況下勞動條件較差，如高溫和有害氣體或有侵蝕性的氣體，易燃、易爆的原料和粉塵。需設置通風系統以改善勞動條件，保障安全生產。有些生產過程要求室內有一定的溫度和濕度(如纖維廠)，這就需要在通風系統中考慮調節(jié)空氣溫度和濕度，在采暖地區(qū)還要進行冬季采暖的設計。另有一些生產過程則要求室內達到各種無菌級別的衛(wèi)生要求(如某些藥劑車間)。392.3.5自動控制 針對溫度、壓力、流量、液位、成分和物性等參數的控制問題。其基本要求可歸納

20、為如下三項。安全性：是指在整個生產過程中，確保人身和設備的安全，通常采用參數越限報警、事故報警和聯鎖保護等措施加以保證。由于過程工業(yè)高度連續(xù)化和大型化的持點，通過在線故障預測和診斷，設計容錯控制系統等手段，進一步提高運行的安全性。經濟性：旨在通過對生產過程的局部優(yōu)化或整體優(yōu)化控制，達到低生產成本、高生產效率和能量充分利用的目的。穩(wěn)定性：指控制系統具有抑止外部干擾，保持生產過程長期穩(wěn)定運行的能力。 40 過程控制的任務就是在了解、掌握工藝流程和生產過程的靜態(tài)和動態(tài)特性的基礎上根據安全性、經濟性、穩(wěn)定性三項要求，通過對控制對象的分析綜合，采用適宜的技術手段加以實現。 生產過程的自動控制設計主要包括

21、自動檢測系統設計；自動信號聯鎖保護系統設計動操縱系統設計；自動調節(jié)系統設計等，詳見第7章。412.3.6土建設計 土建設計包括全廠所有的建筑物、構筑物(框架、平臺、設備基礎、爬梯等)設計。過程工業(yè)生產有易燃、易爆、腐蝕性等特點，因此對建筑有某些特殊要求，可參照“建筑設計防火規(guī)范”進行設計。為了減少爆炸事故對建筑物的破壞作用，建筑設計中的基本措施就是利用泄壓和抗爆結構。在工廠的土建設計中，結構功能比式樣重要得多。結構功能要適用于工藝要求，如設備安裝要求，擴建要求和安全要求等。42甲醇制氫工藝設計舉例物料衡算、能量衡算氫氣的用途半導體工業(yè)：大規(guī)模和超大規(guī)模及兆位級集成電路制造。需高純及特高純氫氣。

22、非晶硅與太陽能電池：用于沉積大面積、高質量、均勻的Si模，要求氫氣高純。光導纖維和石英光纖的制造：用氫氧火焰加熱（12001500）制造光纖預制棒，要求氫氣高純。石化工業(yè)：加氫裂化及加氫精制。43氫氣的用途許多精細化工領域，依據不同的生產規(guī)模，也需要數量大小不等的氫氣。 一旦生產過程需要氫氣時，設計技術人員就有必要對制氫工藝路線，包括制氫原料（如價格及來源）、生產技術（是否先進）以及工藝過程（是否成熟）等進行比較和選擇。44制氫工藝路線的評判與選擇 依據原料及工藝路線，目前制氫的方法有以下幾種：水電解法氯堿工業(yè)中電解食鹽水副產氫氣烴類水蒸氣轉化法烴類部分氧化法煤氣化和煤水蒸汽轉化法氨或甲醇催化

23、裂解法石油煉制與石油化工過程中的各種副產氫合成氨廠和焦化廠的各種富含氫的廢氣45制氫工藝路線的評判與選擇 依據原料及工藝路線，目前制氫的方法有以下幾種：水電解法能耗大，趨于淘汰氯堿工業(yè)中電解食鹽水副產氫氣烴類水蒸氣轉化法目前世界應用最普遍，規(guī)模大，工藝復雜烴類部分氧化法規(guī)模大，工藝復雜，流程長煤氣化和煤水蒸汽轉化法氨或甲醇催化裂解法石油煉制與石油化工過程中的各種副產氫合成氨廠和焦化廠的各種富含氫的廢氣46甲醇蒸汽轉化制氫工藝的特點 隨著精細化工行業(yè)的發(fā)展，當氫氣用量在2003000m3/h時，甲醇氫氣轉化制氫技術表現出良好的技術經濟指標，受到許多國家的重視。該工藝的特點：與大規(guī)模的天然氣、輕油蒸氣轉化制氫或水煤氣制氫相比，投資省，能耗低（50%）。反應溫度低（260280）。與電解水制氫相比，單位氫氣成本低，一套規(guī)模為1000m3/h的甲醇制氫裝置的單位氫氣成本低于1.2元/m3，電解水為35元/m3 。甲醇原料易得，運輸、貯存方便。可以做成組裝式或可移動的裝置，操作方便，搬運靈活。47甲醇蒸汽轉化制氫工藝設計48分離方