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1、2010- 化工设计概论化工设计概论2010-化工设计概论化工设计概论大纲大纲n第一讲 绪论（2学时）（周一，2月21日）（朱明乔，陈丰秋）n第二讲 化工开发设计（一）（2学时）（周五，2月25日）（朱明乔）n第三讲 化工开发设计（二）（2学时）（周一，2月28日）（朱明乔）n第四讲 化工开发设计（三）（2学时）（周五，3月4日）（朱明乔）n第五讲 化工开发设计（四）（2学时）（周一，3月7日）（朱明乔）n第六讲 工艺流程案例分析（2学时）（周五，3月11日）（叶向群）n第七讲 化工工程设计（一）（2学时）（周一，3月14日）华永康）n第八讲 化工工程设计（二）（2学时）（周五）3月18日（华
2、永康）n第九讲 化工设备设计（一）（2学时）（周一，3月21日）（郑传祥）n第十讲 化工设备设计（二）（2学时）（周五，3月25日）（郑传祥）2010-化工设计概论化工设计概论大纲大纲n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）n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）n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）n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）n第十五讲 化工设计项目管理（2学时）（周一，4月1日）（王大春）n第十六讲 化工设计练习布置（2学时）（周五，
3、4月15日）（朱明乔、叶向群等）n主讲教师介绍：n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）n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）2010-1 绪论绪论 朱明乔朱明乔浙江大学化学工程与生物工程学系浙江大学化学工程与生物工程学系Zhu Ming-QiaoDepartment of Chemical and Biological EngineeringZhejiang University 2010-1 绪论绪论n1.1化工设计定义化工设计定义n1.2化工设计的机遇化工
4、设计的机遇n1.3 化工设计的步骤化工设计的步骤n1.4 化工设计中其它问题考虑化工设计中其它问题考虑n1.5 化工设计常用术语化工设计常用术语n1.6 课程成绩考核课程成绩考核n1.7 小结小结2010-1.1化工设计定义化工设计定义n化工设计化工设计是将一个系统（如一个工厂、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、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。是一门名副其实的交叉学科。2010-1.2化工设计的机遇化工设计
5、的机遇n1.2.1化学产品的生产化学产品的生产n1.2.2化工设计的机遇化工设计的机遇n1.2.3设计团队设计团队2010-1.2.1化学产品的生产化学产品的生产2010-1.2.2化工设计的机遇化工设计的机遇（1）许多化学品的生产量很小）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、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
6、，通常需要设计一个生格，当该化学品确认后，通常需要设计一个生产过程。产过程。（2）大宗化学品的需求量大）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。不同原料生产这些化学品的过程。2010-1.2.2化工设计的机遇化工设计的机遇（3）设计的机遇）设计的机遇实验室内为满足客户需要搜寻有多种用途性质的改进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；化学品生产过程设计；可得到某种便宜的原料，这样新的生产过程常需要新可得
7、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；的反应路线和分离方法；新的市场，如块状经济、区域发展、发展中国家；新的市场，如块状经济、区域发展、发展中国家；工程师强烈的感觉，认为以某种新的化学品或新的工工程师强烈的感觉，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。是某种新的化学品存在一定市场。（4）大宗化学品的生产）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。设计或是化学过程设计。20
8、10-1.2.3设计团队设计团队n（1）为了对某个课题作出陈述或要创立一个）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，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。特殊的领域还需要专家。n（2）设计团队将遵循一系列公认的化工设计）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（可延伸为产品和过程设计）步骤处理设计问题。题。2010-1.3 化工设计的步骤化工
9、设计的步骤n1.3.1 化工设计步骤的比较化工设计步骤的比较n1.3.2 初始问题的创建和审查初始问题的创建和审查n1.3.3 发现具有所需性质和性能的化学发现具有所需性质和性能的化学n1.3.4 过程创建过程创建n1.3.5 基本方案的开发基本方案的开发n1.3.6 利用算法进行详细过程合成利用算法进行详细过程合成n1.3.7 全装置范围的可控性评价全装置范围的可控性评价n1.3.8 详细设计、设备尺寸确定和优化详细设计、设备尺寸确定和优化 n1.3.9 书面设计报告和口头陈述书面设计报告和口头陈述n1.3.10 装置设计、施工、开车和运转装置设计、施工、开车和运转2010-1.3.1 化工
10、设计步骤的比较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)信息研究图图1.2 化学新产品开发设计的基本步骤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）化学新产品开发设计的基本步骤2010-（2）国际通用设计程序的阶段划分）国际通用设计程序的阶段划分项项目目专专利商利商工程公司工程公司阶阶段名称段名称工工艺艺包或基包或基础设计础设计工工艺设计艺设计基基础础工程工程设计设计或分析或分析和平面和平面设计设计详细详细工程工程设计设计或最或最终终设计设计主主导专业导专业工工艺艺工工艺
11、艺系系统统/管道管道系系统统/管道管道主要文件主要文件工工艺艺流程流程图图（PFD）工工艺艺控制控制图图（PCD）工工艺说艺说明明书书设备设备表表工工艺艺数据表数据表概略布置概略布置图图工工艺艺流程流程图图工工艺艺控制控制图图工工艺说艺说明明书书物料平衡表物料平衡表设备设备表表工工艺艺数据表数据表安全安全备备忘忘录录概略布置概略布置图图主要主要专业设计专业设计条件条件管道管道仪仪表流程表流程图图（PID）设备计设备计算及分析草算及分析草图图设备规设备规格格说说明明书书材料材料选择选择请购请购文件文件设备设备布置布置图图（分区）（分区）管道平面管道平面图图（分区）（分区）地下管网地下管网图图电电
12、气气单线图单线图各有关各有关专业设计专业设计条件条件管道管道仪仪表流程表流程图图设备设备安装平剖面安装平剖面图图详细详细配管配管图图管段管段图图（轴测图轴测图）基基础图础图结结构构图图、建筑、建筑图图仪仪表表设计图设计图电电气气设计图设计图设备设备制造制造图图各各专业专业施工施工图图及安装及安装说说明明用途用途供工程公司作供工程公司作为为工程工程设计设计的依据的依据把把专专利文件利文件转转化化为为工程公司工程公司设计设计文件文件为详细为详细工程工程设计设计、设设备备材料采材料采购购提供全部提供全部资资料料提供施工提供施工图纸图纸和文件，和文件，作作为为施工、材料施工、材料补补充充订货订货依据依
13、据表表1.1 国际通用设计程序的阶段划分国际通用设计程序的阶段划分 2010-（3）化学产品和生产过程设计的步骤）化学产品和生产过程设计的步骤第四篇第四篇装置范围的可控性评价装置范围的可控性评价开车评价开车评价可靠性和安全性分析可靠性和安全性分析过程和过程和/或产品或产品是否仍有希望？是否仍有希望？是是潜在的机会潜在的机会第一篇第一篇创建和审查初始问题创建和审查初始问题第第一一篇篇 寻寻找找具具有有所所要要求求的的性性质质和和功功能的化学品和化学品混合物能的化学品和化学品混合物第一篇第一篇 创建过程创建过程是否有令人满意的毛利？是否有令人满意的毛利？是否需要生产化学品的过程？是否需要生产化学品
14、的过程？化学结构是否已知？化学结构是否已知？第一篇第一篇基本方案的开发基本方案的开发第二篇第二篇 详细过程合成详细过程合成计算方法计算方法第三篇详细设计第三篇详细设计设备尺寸的确定和优化设备尺寸的确定和优化过程是否仍有希望的？过程是否仍有希望的？装置设计、建设、开车和操作装置设计、建设、开车和操作第五篇第五篇 书面设计报告和口头陈述书面设计报告和口头陈述过程和过程和/或产品是否仍合理可行？或产品是否仍合理可行？是是否否否否是是否否是是放弃放弃是是否否是是否否放弃放弃图图1.3 化学产品和生产过程设计的步骤化学产品和生产过程设计的步骤 2010-第一篇创建和审定初始问题第一篇创建和审定初始问题确
15、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？是第一篇第一篇 创建过程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？否放弃是第一篇第一篇 基本方案的开发基本方案的开发第二篇第二篇 详细过程合成详细过程合成计算方法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
16、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第四篇装置范围的可控性评定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第三篇 详细设计、确定设备尺寸、优化详细设计、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第五篇书面设计报告和口头陈述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
17、造、投标建设开车操作潜在的机会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？总图总图2010-n例例1.1 氯乙烯的生产氯乙烯的生产 考虑生产氯乙烯的需要，考虑生产氯乙烯的需要，这是生产聚氯乙烯（这是生产聚氯乙烯（PVC）的单体，）的单体，PVC是一是一种重要的聚合物，广泛用于硬质塑料管路、管种重要的聚合物，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，即每年需求，已经出现一个
18、机会，即每年36万吨的订万吨的订单，在海湾的石化联合企业，公司要求现有的单，在海湾的石化联合企业，公司要求现有的工厂每年生产工厂每年生产45万吨这种大宗化学产品。因为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必须谨慎设计以满足政府关于健康和安全的法规。规。n例例1.2 透析装置透析装置 考虑设计一种廉价（比方说少于考虑设计一种廉价（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）病人一次性使用的装置的可能性
19、；这种装置仅为肾功能衰竭（装置仅为肾功能衰竭（ESRD）病人提供一种处理，）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，每次透析平均为周需要三次，每次透析平均为34小时，这种装置小时，这种装置1996年在美国为年在美国为20多万病人所使用。多万病人所使用。1.3.2 初始问题的创建和审查初始问题的创建和审查（1）典型的初始问题和机遇）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。前意识的公司、政府和大学的研究环境。2010-（2
20、）选择方案）选择方案审查初始问题审查初始问题n思路常常产生于设计团队。思路常常产生于设计团队。n有时思路也可能来自潜在的客户，这些客户也许对现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。有的产品或产品现状不满意。n最好在宽松的气氛中讨论有独创性的意见，从而产生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）。审（基于技术和市场的考虑）。现考虑下列可供选择的设计方
21、案，这是从上面两个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开始时最好深入地考虑至少两种两种方案，可能的情况方案，可能的情况下考虑下考虑三种三种方案。方案。2010-例例1.3（例（例1.1的再次讨论）的再次讨论）为满足每年增加为满足每年增加36万吨氯乙烯的需要，选择下面万吨氯乙烯的需要，选择下面四个看似合理的方案作进一步的研究。四个看似合理的方案作进一步的研究。n方案方案1：一个竞争者的氯乙烯生产厂，它每年生产一个竞争者的氯乙烯生产厂，它每年生产9090万吨氯乙万吨氯乙烯，而该厂
22、座落于烯，而该厂座落于150150公里以外，它能扩大生产以满足所要求的公里以外，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大当地的PVCPVC工厂所需单体的最简单的方法。工厂所需单体的最简单的方法。n方案方案2：从附近电解从附近电解NaClNaCl溶液的工厂中购买氯并用管道输送。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然后用氯和公司内部的乙烯反应生产氯乙
23、烯单体和HClHCl副产物。副产物。n方案方案3：公司现有的石油化工联合企业中，许多生产过程产生公司现有的石油化工联合企业中，许多生产过程产生HClHCl副产物，因为这些副产物，因为这些HClHCl副产物产生的量大，所以通常可低价副产物产生的量大，所以通常可低价得到。得到。HClHCl与乙炔或乙烯和氧反应，可生成与乙炔或乙烯和氧反应，可生成1,2-1,2-二氯乙烷，一种二氯乙烷，一种可裂解成氯乙烯的中间产物。可裂解成氯乙烯的中间产物。n方案方案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联合企业中可得到的HClHCl，电解获
24、得，电解获得H2H2和和Cl2Cl2，按方案，按方案2 2，将氯进，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，或氢与成氨，或氢与COCO反应生成甲醇。反应生成甲醇。2010-例例1.4（例（例1.2的再次讨论）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。可供选择的方案的初步设计。n方案方案1：设计一台血液透析装置，能使尿素、尿酸、肌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酸酐、磷酸盐和其他低分
25、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，故其售价应低于后就要报废的，故其售价应低于1010美元，以使新产品的美元，以使新产品的价格和价格和/或性能可与其他公司的人工肾相竞争，如或性能可与其他公司的人工肾相竞争，如C-C-DAK4000DAK4000型人工肾型人工肾19921992年销售了年销售了60006000万只，每只售价仅万只，每只售价仅5-65-6美元。美元。n方案方案2：设计一个腹膜渗析装置（该装
26、置使用血清膜，设计一个腹膜渗析装置（该装置使用血清膜，装在哺乳动物的腹腔），具有与血液透析装置相似的性装在哺乳动物的腹腔），具有与血液透析装置相似的性能。能。注意：随着设计工作的进行，某些方案会被否定，又会产生注意：随着设计工作的进行，某些方案会被否定，又会产生一些新方案。一些新方案。2010-（3）文献调研当产生选择方案的特殊问题时，工业界的设计团队可以利用公司雇员、公司文件和公开文献。但是对于文献进行全面的查阅研究是很重要的。发现最新的数据、流程、设备和模型，它们可导致产品的改进和更有效益的设计。2010-（3）文献调研广泛采用的文献来源有：广泛采用的文献来源有：nSRI设计报告设计报告，
27、即史坦福研究所设计报告。，即史坦福研究所设计报告。n百科全书百科全书，Kirk-Othmer化学技术百科全书、化学化学技术百科全书、化学品加工和设计百科全书、品加工和设计百科全书、Ullmann工业化学百科全工业化学百科全书。书。n手册和参考书手册和参考书，Perry化学工程师手册、化学和物化学工程师手册、化学和物理手册、化学工程手册等。理手册、化学工程手册等。n索引索引，应用科学和技术索引、工程索引、化学文摘、，应用科学和技术索引、工程索引、化学文摘、科学引文索引等科学引文索引等n专利专利，这是重要的信息，要避免复制专利保护的设，这是重要的信息，要避免复制专利保护的设计。计。2010-（4）
28、补充研究）补充研究 n技术可行性n市场n商务n其他 2010-（5）产品设计中的激励创新）产品设计中的激励创新n百分之十五规则百分之十五规则：15%的时间用在自己选择的项目的的时间用在自己选择的项目的工作上。工作上。n技术论坛技术论坛：不同岗位的工作人员之间技术交流和各种：不同岗位的工作人员之间技术交流和各种思路的相互补充。思路的相互补充。n延续目标延续目标：30%的年销售额必须来自最近四年引进的的年销售额必须来自最近四年引进的产品规则。产品规则。n过程创新技术中心过程创新技术中心：一个中心为核心技术开发；一个：一个中心为核心技术开发；一个中心为关键生产过程技术的开发和放大。中心为关键生产过程
29、技术的开发和放大。n六西格玛（六西格玛（Sigma）：质量控制，技术指标的偏差降：质量控制，技术指标的偏差降低到低到3.4次次/100万次。万次。2010-（6）设计中特殊考虑）设计中特殊考虑药物产品药物产品n发现发现n预临床开发预临床开发n临床试验临床试验n报批报批2010-1.3.3 发现具有所需性质和性能的化学品发现具有所需性质和性能的化学品n对于那些已经规定所需性质和性能的初始问题，对于那些已经规定所需性质和性能的初始问题，常常需要确定能满足这些技术要求的化学品，常常需要确定能满足这些技术要求的化学品，类似于产品导向的设计。类似于产品导向的设计。n如在低压和所需温度下沸腾和冷凝的冷冻剂
30、，如在低压和所需温度下沸腾和冷凝的冷冻剂，而且该冷冻剂不与地球同温层中的臭氧发生而且该冷冻剂不与地球同温层中的臭氧发生反应；用于暖手器的溶质，其在常温下保持反应；用于暖手器的溶质，其在常温下保持过饱和，当激活后在低温下固化。这些设计过饱和，当激活后在低温下固化。这些设计问题常常以分子结构计算的方式表示，用优问题常常以分子结构计算的方式表示，用优化方法（如基团贡献法、分子模拟软件即分化方法（如基团贡献法、分子模拟软件即分子动力学和子动力学和Monte-Carlo方法）达到所需的方法）达到所需的性质。性质。n 又如乳剂和膏体，它们都是胶体系统，这些产品又如乳剂和膏体，它们都是胶体系统，这些产品设计
31、成功的关键是达到所要求的产品性质的技术指设计成功的关键是达到所要求的产品性质的技术指标。其设计的步骤为：第一步涉及确定产品品质因标。其设计的步骤为：第一步涉及确定产品品质因素，包括功能品质因素、流变学品质因素、物理品素，包括功能品质因素、流变学品质因素、物理品质因素和感观品质因素；给定了这些技术指标后，质因素和感观品质因素；给定了这些技术指标后，第二步涉及产品的配方；然后接着是过程的创建步第二步涉及产品的配方；然后接着是过程的创建步骤和产品的评价步骤，当然设计团队在此过程中必骤和产品的评价步骤，当然设计团队在此过程中必须真正了解环境、安全、法规等问题，下面加以讨须真正了解环境、安全、法规等问题
32、，下面加以讨论。论。2010-1.3.4 过程创建过程创建n第一步：第一步：初始数据库的汇编，由热物理性质数初始数据库的汇编，由热物理性质数据组成，包括气据组成，包括气-液平衡数据、可燃性数据、液平衡数据、可燃性数据、毒性数据、化学品价格和初步过程合成需要的毒性数据、化学品价格和初步过程合成需要的相关信息。相关信息。n第二步：第二步：启动实验以获取重要的缺失数据，如启动实验以获取重要的缺失数据，如反应、分离等数据。反应、分离等数据。n第三步：第三步：过程合成，包括设备的选择。过程合成，包括设备的选择。n第四步：第四步：操作模式的选择，即连续的、间歇的操作模式的选择，即连续的、间歇的或半连续的。
33、或半连续的。2010-表表1.2 三种类型化学产品的操作过程三种类型化学产品的操作过程 操作操作过过程程产产品品类类型型 1原料原料处处理理2 3 4转转化化 5质质量控制量控制 6包装包装基本化学基本化学产产品品工工业产业产品品消消费产费产品品加料加料泵泵送送压缩压缩加料加料泵泵送送纺丝处纺丝处理理干燥干燥脱水脱水纺丝纺丝/纤维纤维处处理理皮皮带传带传送送分散分散处处理理化学反化学反应应 提提纯纯 分离分离挤压挤压成型成型 初始成型初始成型 二次成型二次成型混合混合 拉拉丝丝 密封、密封、压压模模复合复合 模模压压成型成型 热热/光光处处理理 铸铸模模 定向定向处处理理配件制作配件制作 配件
34、配件组组合合 抛光抛光包括冲切包括冲切 和集成和集成成模成模特性：特性：物理性物理性质质热热力学性力学性质质化学性化学性质质流流变变学性学性质质功能性功能性质质：视觉视觉性性质质耐气候性耐气候性机械机械强强度度可印刷性可印刷性功能性功能性质质和使用性和使用性质质：耐用性、寿命、耐用性、寿命、易于使用、效能易于使用、效能运运输输槽槽车车管道管道包装包装桶、包、卷桶、包、卷包装包装分装盛器、分装盛器、塑料包裹塑料包裹（小瓶装，（小瓶装，瓶，罐装）瓶，罐装）2010-1.3.5 基本方案的开发基本方案的开发 n创建详细的工艺流程图。创建详细的工艺流程图。n物料衡算和能量衡算。物料衡算和能量衡算。n主
35、要设备清单。主要设备清单。n数据库的改进，增加如传递性质和反应动力学、数据库的改进，增加如传递性质和反应动力学、试探规则参数、作为总生产能力函数的设备大试探规则参数、作为总生产能力函数的设备大小和费用等小和费用等（需要中试工厂吗？）（需要中试工厂吗？）。n过程模拟模型。过程模拟模型。n当基本方案设计开发没有前途时，常回到过程当基本方案设计开发没有前途时，常回到过程创建的某一步骤或重新进行方案设计的开发。创建的某一步骤或重新进行方案设计的开发。2010-1.3.6 利用算法进行详细过程合成利用算法进行详细过程合成n当设计团队进行一个或多个基本方案的设计开发时，可能要利用算法进行详细的过程合成。n
36、对于连续的过程，这些计算方法能进行下列工作：n（1）创建和计算将原料转化为产品化学品的化学反应器网络，回收多组分混合物中组分的分离序列和反应器-分离器-循环网络；n（2）确定和减少能量的用量，创建和计算高效热交换器网络，和减少废物的质量交换网络。2010-1.3.6 利用算法进行详细过程合成利用算法进行详细过程合成n对于间歇的过程，这些方法创建和计算优化序列和分批的操作的时间表。n借助这些方法的结果，设计团队可将基本方案与其他有前途的候选方案进行比较，将确定值得进行开发的流程图。2010-1.3.7 全装置范围的可控性评价全装置范围的可控性评价 在详细的工艺流程图完成后，对在详细的工艺流程图完
37、成后，对过程可控过程可控性的评价性的评价就启动了，开始进行全流程图的控制就启动了，开始进行全流程图的控制结构的定性合成。结构的定性合成。然后，在详细设计阶段确定设备尺寸之前，然后，在详细设计阶段确定设备尺寸之前，用各种指标来评价过程控制的用各种指标来评价过程控制的难易程度难易程度和受扰和受扰动后内在的动后内在的回复能力回复能力。对于。对于最有希望的过程最有希望的过程，能确定最有希望的控制结构。能确定最有希望的控制结构。最后，添加最后，添加控制系统控制系统，并进行严格的，并进行严格的动态动态模拟模拟，以确认前面讨论的预测近似指标。，以确认前面讨论的预测近似指标。2010-n1.3.8 详细设计、
38、设备尺寸确定和优化详细设计、设备尺寸确定和优化 n1.3.9 书面设计报告和口头陈述书面设计报告和口头陈述n1.3.10 装置设计、施工、开车和运转装置设计、施工、开车和运转2010-1.4 化工设计中其它问题考虑化工设计中其它问题考虑n1.4.1 环境保护环境保护n1.4.2 安全考虑安全考虑n1.4.3 工程伦理工程伦理n1.4.4 计算机的作用计算机的作用2010-1.4.1 环境保护n自从自从20世纪世纪70年代后期年代后期以来，美国和发达以来，美国和发达国家所发生的最明显的变化之一是环境保国家所发生的最明显的变化之一是环境保护问题从次要问题转变为首要问题。护问题从次要问题转变为首要问
39、题。n中国从中国从20世纪世纪80年代后期以来日益重视环年代后期以来日益重视环境保护问题。境保护问题。n重视的主要手段是重视的主要手段是环境法规环境法规通过立法实施。通过立法实施。2010-（1）典型环境问题）典型环境问题n用于发电和运输的化石燃料燃烧：用于发电和运输的化石燃料燃烧：SO2、NOX、CO、CO2、粉尘、粉尘、CXHYn根据经验估计，净化燃烧产物的费用比从燃料中除去污染根据经验估计，净化燃烧产物的费用比从燃料中除去污染物的费用大约低一个数量级物的费用大约低一个数量级重要的试探规则之一。重要的试探规则之一。n有毒废物处理：有毒废物处理：n1988年美国有害废物产生量：废水年美国有害
40、废物产生量：废水2.132亿吨，占亿吨，占97%；固体废物；固体废物6.7百万吨，占百万吨，占3%（填埋结果对水源造成普遍（填埋结果对水源造成普遍的威胁）。的威胁）。n生物积累的化学品：生物积累的化学品：杀虫剂杀虫剂DDT，1972年被美国环年被美国环保协会禁止使用，但在土壤和植物生命体中的生物保协会禁止使用，但在土壤和植物生命体中的生物积累作用会持续一段时间。积累作用会持续一段时间。n有害金属和矿物：有害金属和矿物：20世纪世纪60年代后，发现年代后，发现Pb、Hg、Cr和石棉对动物和人的毒性有作用。和石棉对动物和人的毒性有作用。2010-n降低副产物毒性的反应路线降低副产物毒性的反应路线:
41、n设计团队预期有大量有毒副产物产生时，就必须设计团队预期有大量有毒副产物产生时，就必须寻找其他的反应路线；当无法找到这种路线时，寻找其他的反应路线；当无法找到这种路线时，这一设计概念将被否定，除非是在特殊的情况下。这一设计概念将被否定，除非是在特殊的情况下。n减少废物及废物再利用减少废物及废物再利用:装置也可看成一个工程废装置也可看成一个工程废料。料。n避免非常规事件避免非常规事件:降低那些会对环境造成有害影响的降低那些会对环境造成有害影响的事故和泄漏发生。事故和泄漏发生。n物料的特性鉴定物料的特性鉴定:采用快速和有效的方法测定排放浓采用快速和有效的方法测定排放浓度，保证低于环境法规限制的浓度
42、是很重要的。度，保证低于环境法规限制的浓度是很重要的。n设计目标、约束条件和过程优化：设计目标、约束条件和过程优化：计团队制定一个计团队制定一个混合的目标函数，试图从经济术语表示环境的改善。混合的目标函数，试图从经济术语表示环境的改善。（2）过程设计中的环境因素）过程设计中的环境因素2010-（2）过程设计中的环境因素）过程设计中的环境因素n法规：法规：环境法规可处理为设计过程中在操作时应当满环境法规可处理为设计过程中在操作时应当满足的约束条件。足的约束条件。n无形成本：无形成本：诉讼、公关、环保团体抗议等，设计团队诉讼、公关、环保团体抗议等，设计团队在设计考虑时应避免。在设计考虑时应避免。n
43、稀物流的性质：稀物流的性质：大多数污染物都是以极低浓度存在于大多数污染物都是以极低浓度存在于化工厂的排出物和排放物流中，搞清在环境中的动力化工厂的排出物和排放物流中，搞清在环境中的动力学影响很重要。学影响很重要。n电解质的性质：电解质的性质：许多水溶液物流中含有低浓度的无机许多水溶液物流中含有低浓度的无机化合物，它们会离解为离子组分。因此，在进行与电化合物，它们会离解为离子组分。因此，在进行与电解质有关的过程设计时，设计团队需要将离子组分的解质有关的过程设计时，设计团队需要将离子组分的性质包括到其热物理性质数据库中。性质包括到其热物理性质数据库中。2010-（3）环境设计问题）环境设计问题n空
44、气质量：空气质量：R134a冷冻剂冷冻剂n水处理：晶片制造排放物流处理水处理：晶片制造排放物流处理n土壤处理：铅污染场所的植物治理土壤处理：铅污染场所的植物治理n其它：联合循环发电其它：联合循环发电n相关参考书：相关参考书：n化学工程新领域化学工程新领域n过程设计和模拟中环境问题的考虑过程设计和模拟中环境问题的考虑n化工过程的污染预防化工过程的污染预防n绿色工程：化工过程的环境意识设计绿色工程：化工过程的环境意识设计2010-1.4.2 安全考虑安全考虑在化工过程的设计和操作中，一个主在化工过程的设计和操作中，一个主要的要的目标目标是使操作人员和生活在工厂附是使操作人员和生活在工厂附近的居民保
45、持在安全的环境中。近的居民保持在安全的环境中。遗憾的是满足这一目标的重要性要经遗憾的是满足这一目标的重要性要经过一次次事故才能被人们充分认识，美过一次次事故才能被人们充分认识，美国在国在1985年建立了美国化学工程师协会年建立了美国化学工程师协会的化工装置安全中心。的化工装置安全中心。2010-（1）典型安全问题）典型安全问题n着火和爆炸：着火和爆炸：许多化学品在燃烧下限和许多化学品在燃烧下限和燃烧上限这两个极限值之内，就可能发燃烧上限这两个极限值之内，就可能发生燃烧和爆炸。另外，还有自燃温度。生燃烧和爆炸。另外，还有自燃温度。n毒物释放和传播模型：毒物释放和传播模型：总是希望避免使总是希望避
46、免使用对人类、动物和植物有毒的化学品，用对人类、动物和植物有毒的化学品，但毒性问题是难以避免的。设计团队必但毒性问题是难以避免的。设计团队必须考虑在事故期间毒物浓度释放的可能须考虑在事故期间毒物浓度释放的可能状况。状况。2010-（2）安全化工装置的设计方法）安全化工装置的设计方法n预防火灾和爆炸技术：预防火灾和爆炸技术：n添加惰性气体，避开爆炸范围添加惰性气体，避开爆炸范围n避免静电积累和它所释放的火花避免静电积累和它所释放的火花n安装防爆装置和仪器安装防爆装置和仪器n良好的通风条件，露天化良好的通风条件，露天化n安装洒水灭火系统安装洒水灭火系统n驰放装置驰放装置如往大气排放如往大气排放n危
47、害鉴定和危险评估危害鉴定和危险评估：识别所有事故和危险来：识别所有事故和危险来源，避免小的失误造成灾难性事故。源，避免小的失误造成灾难性事故。n物料安全性数据表物料安全性数据表2010-1.4.3 工程伦理工程伦理n1977年，美国职业工程师学会（年，美国职业工程师学会（NSPE）工程）工程和技术鉴定委员会批准了以下一段话：和技术鉴定委员会批准了以下一段话：工程师通过以下行为维护和提升工程职业工程师通过以下行为维护和提升工程职业的诚实、荣誉和尊严：的诚实、荣誉和尊严：n用他们的知识和技能增进人类的福利用他们的知识和技能增进人类的福利n具有诚实公正的品格，忠实地为公众和他们的雇具有诚实公正的品格
48、，忠实地为公众和他们的雇员服务员服务n努力增强工程职业的能力和声誉努力增强工程职业的能力和声誉n支持本学科的专业和技术协会支持本学科的专业和技术协会2010-1.4.4 计算机的作用计算机的作用n电子表格电子表格n数学软件包和绘图软件数学软件包和绘图软件n过程模拟软件过程模拟软件n计算指南计算指南2010-1.5 化工设计常用术语化工设计常用术语n化工厂设计三种类型：化工厂设计三种类型：n新工厂设计新工厂设计n原有工厂的改建原有工厂的改建n扩建设计扩建设计n厂房的局部修建设计厂房的局部修建设计n新建项目设计三种类型：新建项目设计三种类型：n工程设计工程设计n复用设计复用设计n因地制宜设计因地制
49、宜设计2010-1.5 化工设计常用术语化工设计常用术语新建项目设计三种类型新建项目设计三种类型n工程设计：工程设计：指没有现成的装置可以参照指没有现成的装置可以参照或仅根据中试或其他实验装置来设计工或仅根据中试或其他实验装置来设计工业生产装置。业生产装置。n复用设计：复用设计：利用已有装置的技术资料进利用已有装置的技术资料进行新装置的设计。行新装置的设计。n因地制宜设计：因地制宜设计：在已有装置技术资料的在已有装置技术资料的基础上，根据即将建设装置的具体情况基础上，根据即将建设装置的具体情况进行改建或变更，以适应新装置的要求。进行改建或变更，以适应新装置的要求。2010-1.5 化工设计常用
50、术语化工设计常用术语化工厂设计两种类型化工厂设计两种类型n化工厂设计两种类型：化工厂设计两种类型：n以工厂为单位的工厂化工设计以工厂为单位的工厂化工设计n以车间为单位的车间化工设计。以车间为单位的车间化工设计。n工厂化工设计内容：工厂化工设计内容：n厂址选择、总图设计、化工工艺设计、非工艺设计、厂址选择、总图设计、化工工艺设计、非工艺设计、技术经济等。技术经济等。n车间化工设计内容：车间化工设计内容：n化工工艺设计如生产方法的选择、生产工艺流程设化工工艺设计如生产方法的选择、生产工艺流程设计、工艺计算、设备选型、车间布置设计及管道布计、工艺计算、设备选型、车间布置设计及管道布置设计等，及其它非