《精编》现代化工设计学概述

《《精编》现代化工设计学概述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《精编》现代化工设计学概述（284页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、化工设计概论 化工设计概论 大纲 第一讲绪论 2学时 周一 2月21日 朱明乔 陈丰秋 第二讲化工开发设计 一 2学时 周五 2月25日 朱明乔 第三讲化工开发设计 二 2学时 周一 2月28日 朱明乔 第四讲化工开发设计 三 2学时 周五 3月4日 朱明乔 第五讲化工开发设计 四 2学时 周一 3月7日 朱明乔 第六讲工艺流程案例分析 2学时 周五 3月11日 叶向群 第七讲化工工程设计 一 2学时 周一 3月14日 华永康 第八讲化工工程设计 二 2学时 周五 3月18日 华永康 第九讲化工设备设计 一 2学时 周一 3月21日 郑传祥 第十讲化工设备设计 二 2学时 周五 3月25日 郑

2、传祥 化工设计概论 大纲 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 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 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 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 第十五讲化工设计项目管理 2学时 周一 4月1日 王大春 第十六讲化工设计练习布置 2学时 周五 4月15日 朱明乔 叶向群等 主讲教师介绍 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 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

3、理 吴晓军 高工 副总经理 1绪论 朱明乔浙江大学化学工程与生物工程学系ZhuMing QiaoDepartmentofChemicalandBiologicalEngineeringZhejiangUniversity 1绪论 1 1化工设计定义1 2化工设计的机遇1 3化工设计的步骤1 4化工设计中其它问题考虑1 5化工设计常用术语1 6课程成绩考核1 7小结 1 1化工设计定义 化工设计是将一个系统 如一个工厂 一个车间或一套装置等 的技术方案 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 也是一门名副其实的交叉学科 1 2化工设计的机遇 1 2 1化学产品的生产1

4、2 2化工设计的机遇1 2 3设计团队 1 2 1化学产品的生产 1 2 2化工设计的机遇 1 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 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 通常需要设计一个生产过程 2 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 1 2 2化工设计的机遇 3 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

5、程常需要新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 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 或是某种新的化学品存在一定市场 4 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或是化学过程设计 1 2 3设计团队 1 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 特殊的领域还需要专家 2 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 步骤处理设计问题 1 3化工设计的步骤 1 3

6、1化工设计步骤的比较1 3 2初始问题的创建和审查1 3 3发现具有所需性质和性能的化学1 3 4过程创建1 3 5基本方案的开发1 3 6利用算法进行详细过程合成1 3 7全装置范围的可控性评价1 3 8详细设计 设备尺寸确定和优化1 3 9书面设计报告和口头陈述1 3 10装置设计 施工 开车和运转 1 3 1化工设计步骤的比较 图1 2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 2 国际通用设计程序的阶段划分 表1 1国际通用设计程序的阶段划分 3 化学产品和生产过程设计的步骤 第四篇装置范围的可控性评价 开车评价 可靠性和安全性分析 过程和 或产品是否仍有希望 是

7、潜在的机会 第一篇创建和审查初始问题 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 第一篇创建过程 是否有令人满意的毛利 是否需要生产化学品的过程 化学结构是否已知 第一篇基本方案的开发 第二篇详细过程合成 计算方法 第三篇详细设计设备尺寸的确定和优化 过程是否仍有希望的 装置设计 建设 开车和操作 第五篇书面设计报告和口头陈述 过程和 或产品是否仍合理可行 是 否 否 是 否 是 放弃 是 否 是 否 放弃 图1 3化学产品和生产过程设计的步骤 例1 1氯乙烯的生产考虑生产氯乙烯的需要 这是生产聚氯乙烯 PVC 的单体 PVC是一种重要的聚合物 广泛用于硬质塑料管路 管件和类似的产

8、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36万吨的订单 在海湾的石化联合企业 公司要求现有的工厂每年生产45万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必须谨慎设计以满足政府关于健康和安全的法规 例1 2透析装置考虑设计一种廉价 比方说少于10美元 的 为暂时或永久性的肾功能衰竭 ESRD 病人一次性使用的装置的可能性 这种装置仅为肾功能衰竭 ESRD 病人提供一种处理 这些病人的肾脏已不具有正常的功能 这种治疗每周需要三次 每次透析平均为3 4小时 这种装置1996年在美国为20多万病人所使用 1 3 2初始问题的创建和审查 1 典型的初始问题和机遇

9、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 2 选择方案 审查初始问题 思路常常产生于设计团队 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 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 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 在开始时最好深入地考虑至少两种方案 可能的情况下考虑三种方案 例1 3 例1 1的再次讨论 为满足每年增加36万吨氯乙烯的需要 选择下面四个看似合理

10、的方案作进一步的研究 方案1 一个竞争者的氯乙烯生产厂 它每年生产90万吨氯乙烯 而该厂座落于150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PVC工厂所需单体的最简单的方法 方案2 从附近电解NaCl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HCl副产物 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HCl副产物 因为这些HCl副产物产生的量大 所以通常可低价得到 HCl与乙炔或乙烯和氧反应 可生成1 2 二氯乙烷 一种可裂解成氯乙烯的中间产

11、物 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联合企业中可得到的HCl 电解获得H2和Cl2 按方案2 将氯进行反应 在该石油化工联合企业的其他区域 将氢和氯反应生成氨 或氢与CO反应生成甲醇 例1 4 例1 2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可供选择的方案的初步设计 方案1 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后就要报废的 故其售价应低于10美元 以使新产品的价格和 或性能可与其他公司的人工肾相竞争 如C DAK

12、4000型人工肾1992年销售了6000万只 每只售价仅5 6美元 方案2 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能 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 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 3 文献调研 广泛采用的文献来源有 SRI设计报告 即史坦福研究所设计报告 百科全书 Kirk Othmer化学技术百科全书 化学品加工和设计百科全书 Ullm

13、ann工业化学百科全书 手册和参考书 Perry化学工程师手册 化学和物理手册 化学工程手册等 索引 应用科学和技术索引 工程索引 化学文摘 科学引文索引等专利 这是重要的信息 要避免复制专利保护的设计 4 补充研究 技术可行性市场商务其他 5 产品设计中的激励创新 百分之十五规则 15 的时间用在自己选择的项目的工作上 技术论坛 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 延续目标 30 的年销售额必须来自最近四年引进的产品规则 过程创新技术中心 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 六西格玛 Sigma 质量控制 技术指标的偏差降低到3 4次 100万次

14、6 设计中特殊考虑 药物产品 发现预临床开发临床试验报批 1 3 3发现具有所需性质和性能的化学品 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 类似于产品导向的设计 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 分子模拟软件即分子动力学和Monte Carlo方法 达到所需的性质 又如乳剂和膏体 它们都是胶体系统 这些产品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

15、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 下面加以讨论 1 3 4过程创建 第一步 初始数据库的汇编 由热物理性质数据组成 包括气 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相关信息 第二步 启动实验以获取重要的缺失数据 如反应 分离等数据 第三步 过程合成 包括设备的选择 第四步 操作模式的选择 即连续的 间歇的或半连续的 表1 2三种类型化学产品的操作过程 1 3 5基本方案的开发 创

16、建详细的工艺流程图 物料衡算和能量衡算 主要设备清单 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小和费用等 需要中试工厂吗 过程模拟模型 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 1 3 6利用算法进行详细过程合成 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 对于连续的过程 这些计算方法能进行下列工作 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 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 1 3 6利用算法进行详细过程合成 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 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 1 3 7全装置范围的可控性评价 在详细的工艺流程图完成后 对过程可控性的评价就启动了 开始进行全流程图的控制结构的定性合成 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