魏耀東2014.7化學工業，化工工程，

化學設計，化工裝備

學--科學，工---工業。化學是屬于科學范圍，化工往往與技術有關。需要集成，考慮成本。

化工中的一些基本原理，其實是化工中應用理論力學，流體力學，熱力學，傳熱學等科學問題的應用。

化工中用到的反應，是化學發現的，再應用到工業生產中。化學是探索，化工是用化學的方法生產出市場上需要產品的工業。如果化工是生產商店里的服裝賣的話，化學就是設計走T型臺的概念服裝。化學與化工一、化學工業的發展歷史、化學工業覆蓋的范圍及其在現代經濟體系中的地位1、化學工業的發展歷史化學工業歷經了古代、近代、現代三個主要發展階段。化學工業發展階段①、古代化學工業：從數千年前人類陽光曬鹽、地下鹵水煮鹽開始，萌發了古老的化學工業。②、近代化學工業：從18世紀中葉，歐洲造紙、玻璃、肥皂的大規模生產開始，表明近代化學工業的形成。③、現代化學工業：上世紀40年代開始，隨著合成橡膠、石油煉制、合成纖維工業的迅速發展，隨著化工單元操作理論的日益成熟，在科學技術和生產規模二個層面上，揭示現代化學工業開始形成。工業園區的模式運行，公用工程，產品流通，三廢處理等。2、化學工業屬于過程工業型制造業（流程型制造業）現代制造業離散型制造業（例如汽車工業等）過程工業型制造業（又稱“流程型制造業”）（例如化學工業、冶金行業等）

流程型制造業一般是能耗大戶，也是排放的大戶。其節能、降耗、減排的任務十分艱巨。

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業，它每天的耗水量可高達5000立方米。

過程工業是以流程性物料為主要處理對象、完成一系列化學、物理過程，改變物質的狀態、結構、性質的工業生產總稱。3、現代化學工業覆蓋的范圍

我國化學工業的分類與美國、歐盟關于化學工業的范疇有一些區別，但逐步在接軌，按美國、歐盟的化學工業年鑒，現代化學工業覆蓋以下范圍：現代化學工業石油化工（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農藥工業醫藥工業輕工（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、化學工業在現代經濟體系中的地位

化學工業是所有高新技術產業的支撐工業，如能源、電子、信息、生物、材料等領域，都離不開化學工業提供的物質支撐。

化學工業絕不是所謂的“夕陽工業”、“夕陽產業”，它現在仍然正在平穩高速的發展，將來必將持續快速發展。1990年～1999年，美國、歐盟化學工業的發展速度是其全部工業平均增長速度的2.69倍。

美國化學工業的規模一直雄居世界化學工業總量的30％左右，是美國為數不多在國際貿易體系內具有貿易順差的制造業之一。

在世界500強企業中，以化工為主或涉足化工領域的企業為數不少。世界500強中，很多是化學工業。Shell(2),Sinopec(3),CNPC(4),Exxonmobil(5),BP(6),Total(11),Chevron(12),others,DUPONT,BASF,DOW,ICI,Cnooc(中海油),CONOCOPHILLIPS，……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的聯系與區別

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。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。2、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：

確定最佳流程及最佳操作條件，達到最優投入產出比。在定量計算的基礎上，結合專家的經驗，考慮安全、健康、環保的因素，確定出一個綜合的設計方案。化工過程設計的內容：

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，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發展方向復雜大型化工廠的設計柔性化工廠的設計自主創新設計與國際工程設計的接軌我國化工設計院，原來的專業部門進行了相應的改革調整。原來的工藝專業部工藝專業部（大部分為化學工程與工藝專業人員）工藝系統專業部（少量化學工程與工藝專業人員，大量其它輔助專業）工藝專業部：側重化工工藝設計工藝系統專業部：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部：側重出PID圖、PFD圖工藝系統專業部：側重出UID圖、UFD圖PID

（ProcessInstrumentDiagram）帶控制點的工藝儀表管道流程圖PFD

（ProcessFlowsheetDiagram）過程物料流程圖UID

（UtilityInstrumentDiagram）公用工程儀表管道流程圖UFD

（UtilityFlowsheetDiagram）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。

工藝專業部與工藝系統專業部之間，在設計工作過程中有許多需要交流的條件、文件（“條件表”），有發出條件的主導專業，有接收“條件表”的接收專業。我國化工設計院的專業種類化學工程與工藝化工機械自動化及儀表總圖概預算（工程經濟）建筑、結構、暖通、給排水、強弱電熱工、環境工程（環保）、工業爐三、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，幾乎是完全憑經驗。

在20世紀20年代～60年代，化工過程設計已經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計算機輔助化工過程設計呢？計算機軟、硬件技術的發展化工單元操作等理論的不斷成熟數學計算技術的發展計算機輔助化工過程設計的優勢（優點）：①、設計工作效率高②、規范性好③、設計水平高（可進行優化設計）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，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10多倍。計算輔助化工過程設計軟件系統的發展情況：第一代商品化軟件系統20世紀60年代，以美國各高校聯合開發的CHESS軟件系統為代表。Chem.Eng.SimulationSystem20世紀70年代初，以美國Monsanto公司牽頭開發的FLOWTRAN軟件系統代表。第二代商品化軟件系統FlowsheetTranslator第三代商品化軟件系統20世紀80年代，以ASPEN

和PROCESSII兩大軟件系統代表。AdvancedSystemforProcessEng.

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。現在，國內各設計院基本都已經使用ASPEN或ProcessII軟件系統進行計算機輔助化工過程設計。計算機輔助化工過程設計軟件系統的發展方向（趨勢）：（1）、單元操作模塊的種類數；（2）、物性數據庫的大小及數據的估算方法；（3）、能處理的流股數量和組份數量；（4）、計算技術方法（求解方法）；（5）、能處理的流股相態；（氣、液、固、膠體、電解質等）（6）、軟件系統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、現代化學工業的發展方向、化學工程倫理學責任關懷制度1、現代化學工業的發展方向人類發展化學工業的目的：

滿足人類對化學物質（分子式、數量、質量、多尺度形態）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。現代化學工業發展方向新物質經濟合理的大批量高質量柔性化綠色化多尺度其中：

化學工業綠色化的含義：以“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。ReduceRecycleResource2、化學工程倫理學及責任關懷制度

在化學工程領域實施注冊工程師制度，在化學工程師心目中樹立倫理學觀念，建立責任關懷制度。開始逐步成為國際化學工程領域的一個發展大趨勢。倫理學理念體現在：（1）、自覺維護化工過程的安全；（2）、自覺保護環境的意識；（3）、自覺節約資源的意識；（4）、對業主、化工廠操作人員、同事負責的精神。責任關懷制度的含義：（1）、提高對安全、健康、環保、資源的認知和行動；（2）、充分報道成績、行動計劃，但不回避缺陷；（3）、與公眾溝通，并傾聽意見的日常化。等等。機泵等供貨商初步資料初步設計方案論證業主條件首頁圖統一規定開工報告及協作進度表基本確定PFD、PID、主要機泵、設備選型及設備布置圖設計成品入庫，條件歸檔科室抽取、修改、完善軸測圖與外專業相互會簽設備、土建、自控、機泵、材控、電氣、電信、給排水、消防、暖通、熱工、環保安全衛生、外管依次提出各專業一次條件提防腐、保溫條件完成管道安裝材料表、管道命名表、管架表、地腳螺栓表、綜合材料表、設備表、施工圖說明及圖紙目錄接收自控的安裝條件及控制點位號提管機條件、管口方位圖、調節閥規格單、鋼平臺梯子條件三維建模，設計管道布置圖土建、設備、材料返回一次條件提出土建二次條件與外管核對接點條件完善PID，管架設計接收管機專業關于管架的意見化工設計流程連續精餾裝置的工藝流程操作目的：通過反復的部分汽化與部分冷凝，將混合液中沸點不同的各組分分離成產品。操作代價：消耗能量，塔底需要加熱使塔底液部分汽化；塔頂需要冷卻使塔頂組分冷凝；化工工藝接收設計條件消化資料確定設計基礎展開工藝設計提出相關設計條件完成工藝設計成品文件詳細設計跟蹤服務基礎設計設計完工報告工藝設計工作程序項目經理應提供的條件和資料：●項目建議書●可研報告●裝置平面圖●專利、專有技術資料●工藝設計、基礎設計數據●開工報告●有關會議資料●合同文件接受設計條件：●采用的工藝路線及其依據，產品方案及裝置的設計生產能力、產品及副產品的數量、年操作時數及操作彈性。●原材料、輔助原料、催化劑、化學品的規格要求及界區條件。●產品、中間產品及副產品的規格（產品牌號、規格、性能等）。●公用工程的各項規格要求及界區條件（溫度、壓力等）。●其它設計條。消化資料確定設計基礎：●確定工藝流程方案●工藝計算：物料、能量、設備工藝計算●PFD和初步的UFD●設備表●工藝設備數據表●建議布置圖●原料、公用工程消耗●確定公用系統方案UFD●三廢排放量及建議處理方法●初步的安全分析，危險區劃分●初版PID(A版)開展工藝設計:

●自控條件：工藝控制聯鎖報警●電氣條件：危險區劃分特殊電氣要求電氣聯鎖報警●總圖條件：建議布置圖●設備條件：工藝設備數據表●分析化驗條件：取樣條件表取樣點匯總表●配管條件：操作原則安全規程指南●三廢排放一覽表提出相關設計條件：

●公用工程條件表●消防條件●電信條件●采暖、通風、空調條件●建、構筑物特性條件●安全生產、職業衛生●物性數據●文字說明提出相關設計條件：

工藝說明書●圖紙(圖紙是工程語言)

PFD附物料平衡表建議布置圖●表格：設備表工藝設備數據表界區條件表取樣點匯總表

完成工藝設計成品文件：

精餾塔概述37精餾塔的設計(化工設計)系統、工藝，機械，土建，儀表，公用工程（汽水電）精餾塔的制造精餾塔的運輸和安裝精餾塔儀表安裝和調試材料，制造工藝，零件，機加工，焊接，組裝，檢驗，防腐運輸，車具，吊裝，梯子平臺，接管，保溫，防腐，試壓控制方案，儀表選擇，安裝，布線，控制方法（PID），組裝,系統調試等1、新建項目設計（技術開發）

2、重復建設項目設計（成熟技術）3、已有裝置的改造設計（技術改進）

公用工程換熱網絡分離系統反應系統工藝流程方案優化“洋蔥頭”模型

（由史密斯、林霍夫提供的模型）

整個流程的組成；

每個過程或工序的組成；

工藝操作條件；三傳一反

主要操作參數的控制

主要設備，機器

控制點和控制方法。

一、分餾塔的工藝設計部分三、分餾塔的設計

工藝流程圖（PI，PFD，PID，PCD）

blockflowsheet

simplifiedflowsheet

processflowsheetdiagram.PFD

pipingandinstrumentdiagram,PID

processcontroldiagram,PCD

工藝設計內容（物料、能量、熱量、動量平衡）

熱力學計算

溫度

壓力

組分

操作線

塔盤數

進料位置

回流比

…

水力學計算

操作氣速

塔頂回流量

壓降

溫降

塔高

塔徑

…設計條件分餾塔為例說明材料

塔壁厚度，

封頭

支撐裙座

安全閥

吊柱

地腳螺栓

人孔

梯子平臺

塔盤

保溫

防火

…二、分餾塔的機械設計部分(理論力學，材料力學等)控制參數選擇

控制精度

流量控制

壓力控制

溫度控制

液位控制

簡單控制

串級控制

儀表選擇信號傳輸

控制閥流量特性

PID參數整定

其他

…三、分餾塔的控制設計部分(控制理論，檢測儀表等)分餾塔總圖塔盤總圖布液管脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖乙烯生產過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖（PID）串級控制系統（副控制壓力，也可以是流量）提鎦段的串級控制系統壓力容器與流體機械

靜設備

反應器，塔，換熱器，爐子，儲罐，管線，管線等。

動設備

液體泵

氣體壓縮機活塞式，離心式，軸流式。

裝備部分-實體部分，投資的主體設計，制造，安裝，維護，管理煉油裝置-常減壓-裝置的布置煉油裝置-常減壓-資源共用（熱風）煉油裝置-常