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1、化工设计（化工过程设计）教 案（PPT版）,天津大学化工学院结晶中心：张美景Tel：02227405754 27406483,二零零九年六月 （第三版）,课程基本情况：,一、天津大学化工学院关于“化工设计”课程的开设情况,1、天津大学原化工系从1989年开始，在全国范围内率先开设“化工设计”本科课程。 教材从自编教材 化工设计，王静康主编，北京，化学工业出版社，1995年 化工过程设计，王静康主编，北京，化学工业出版社，2006年。,2、本课程的主要内容,主要内容,、化工厂设计及化工工艺设计；,、化工技术经济分析与评价；,、计算机辅助化工设计。,3、“化工设计”课程在化学工程与工艺专业大学本科
2、教学中的地位,“大三”下半年或“大四”才能开设，已经偏向于“专业课”，要求大家学完“化工原理”、“反应工程”、“化工热力学”、“物理化学”、“化工设备基础”等一系列专业基础课后，才能开始学习本课程。,综合利用同学们以前学完的大量专业基础课知识，在化工工艺设计乃至化工厂设计的过程中综合运用。,“化工设计”课程学得好不好，比其它课程更能体现一个化学工程与工艺本科学生综合素质的高低。,4、本课程的特点,、综合性（多专业基础课知识的综合与集成）；,、实践性（面向实际化工工艺设计、化工厂设计的工程运用）；,5、“化工设计”课程教学的目的,、了解国内外有关化工工艺设计、化工厂设计的先进理念；,、掌握化工工
3、艺设计的内容、步骤及方法。,二、本课程学习的教材及参考书,1、化工过程设计，王静康主编，北京，化学工业出版社，2006年。 （主教材）,2、化工技术经济，苏健民主编，北京，化学工业出版社，2002年。,3、化工系统分析与模拟，彭秉璞主编，北京，化学工业出版社，2001年。,4、化学工程手册，时钧、汪家鼎、余国琮、陈敏恒主编，北京，化学工业出版社，2002年。,5、化工设计手册，上海医药工业设计研究院主编，北京，化学工业出版社，2003年。,6、Process Design Principles (Synthesis, Analysis and Evaluation),7、Analysis, S
4、ynthesis and Design of Chemical Engineering,8、Introduction to the Material and Heat Balance in Chemical Engineering,除此之外，国内还有10余个版本的“化工设计”教材，它们的侧重面不尽相同，有兴趣的同学，可以看看这些教材作为参考。,第一章 化工过程设计,一、化学工业的发展历史、化学工业覆盖的范围及其在现代经济体系中的地位,1、化学工业的发展历史,化学工业历经了古代、近代、现代三个主要发展阶段。,化学工业发展阶段,、古代化学工业：从数千年前人类阳光晒盐、地下卤水煮盐开始，萌发了古老的
5、化学工业。,、近代化学工业：从18世纪中叶，欧洲造纸、玻璃、肥皂的大规模生产开始，表明近代化学工业的形成。,、现代化学工业：上世纪40年代开始，随着合成橡胶、石油炼制、合成纤维工业的迅速发展，随着化工单元操作理论的日益成熟，在科学技术和生产规模二个层面上，揭示现代化学工业开始形成。,2、化学工业属于过程工业型制造业（流程型制造业）,现代制造业,离散型制造业 （例如汽车工业等）,过程工业型制造业（又称“流程型制造业”） （例如化学工业、冶金行业等）,流程型制造业一般是能耗大户，也是排放的大户。其节能、降耗、减排的任务十分艰巨。,例如：一个年产值不过仅10亿元人民币的合成原料药制造企业，它每天的耗
6、水量可高达5000立方米。,3、现代化学工业覆盖的范围,我国化学工业的分类与美国、欧盟关于化学工业的范畴有一些区别，但逐步在接轨，按美国、欧盟的化学工业年鉴，现代化学工业覆盖以下范围：,现代化学工业,石油化工（包括其衍生的有机化工）,煤化工（包括其衍生的有机化工）,无机化工,精细化工及中间体,化肥工业,农药工业,医药工业,轻工（造纸、玻璃、塑料、合成橡胶等）,染料、油墨、化妆品、清洁剂,生物化工,4、化学工业在现代经济体系中的地位,化学工业是所有高新技术产业的支撑工业，如能源、电子、信息、生物、材料等领域，都离不开化学工业提供的物质支撑。,化学工业绝不是所谓的“夕阳工业”、“夕阳产业”，它现在
7、仍然正在平稳高速的发展，将来必将持续快速发展。,1990年1999年，美国、欧盟化学工业的发展速度是其全部工业平均增长速度的2.69倍。,美国化学工业的规模一直雄居世界化学工业总量的30左右，是美国为数不多在国际贸易体系内具有贸易顺差的制造业之一。,在世界500强企业中，以化工为主或涉足化工领域的企业为数不少。,二、化工过程设计的基本内容,1、化工设计、化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计四个名词之间的联系与区别,化工设计是泛称，在不同场合可分别指称化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计，其内涵最广，但意义不明确。,Chemical Design,英文中没有如此名词！,化工厂设计,化工过程设
8、计（核心）,化工厂房建筑、结构设计,总图设计，.等,非工艺部分设计,化工工艺设计（核心）,公用工程设计、外管设计，等,化工过程设计是针对化工工艺设计的深入、配套与完善。,2、化工过程设计的目标及内容,美国国家顾问团在其“化学工程的新领域”著作中，简明阐述了化工过程设计的主要目标：,确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优投入产出比。在定量计算的基础上，结合专家的经验，考虑安全、健康、环保的因素，确定出一个综合的设计方案。,化工过程设计的内容：,其基本核心内容是化工工艺设计，其附带内容是针对化工工艺设计，对它的配套部分如公用工程、外管设计等进行深入设计和完善。,3、化工过程设计的深化改革,化工过程设
9、计发展方向,复杂大型化工厂的设计,柔性化工厂的设计,自主创新设计,与国际工程设计的接轨,我国化工设计院，原来的专业部门进行了相应的改革调整。,原来的工艺专业部,工艺专业部（大部分为化学工程与工艺专业人员）,工艺系统专业部（少量化学工程与工艺专业人员，大量其它辅助专业）,工艺专业部：侧重化工工艺设计工艺系统专业部：侧重化工过程设计中除了化工工艺设计以外与工艺有关的内容,工艺专业部：侧重出PID图、PFD图,工艺系统专业部：侧重出UID图、UFD图,PID （Process Instrument Diagram） 带控制点的工艺仪表管道流程图,PFD （Process Flowsheet Diag
10、ram） 过程物料流程图,UID （Utility Instrument Diagram） 公用工程仪表管道流程图,UFD （Utility Flowsheet Diagram） 公用工程物料流程图,其中，各种图纸随设计的深入，分成多个版本。,工艺专业部与工艺系统专业部之间，在设计工作过程中有许多需要交流的条件、文件（“条件表”），有发出条件的主导专业，有接收“条件表”的接收专业。,我国化工设计院的专业种类,化学工程与工艺,化工机械,自动化及仪表,总图,概预算（工程经济）,建筑、结构、暖通、给排水、强弱电,热工、环境工程（环保）、工业炉,三、计算机辅助化工过程设计,在20世纪20年代以前，化工
11、过程设计几乎没有理论作指导，几乎是完全凭经验。,在20世纪20年代60年代，化工过程设计已经开始有化工单元操作理论作指导，可以定量计算设计，但几乎完全凭手工计算与绘图完成设计工作。,在20世纪60年代以后，计算机辅助化工过程设计得到了发展。,为什么直到20世纪60年代后，在化工设计领域开开始出现计算机辅助化工过程设计呢？,计算机软、硬件技术的发展,化工单元操作等理论的不断成熟,数学计算技术的发展,计算机辅助化工过程设计的优势（优点）：,、设计工作效率高,、规范性好,、设计水平高（可进行优化设计）,效率对比： 一个年产30万吨的乙烯的工程，如果全凭手工计算与绘图，400个设计工程师要花费近1年的
12、时间，才能完成一个流程方案的设计。而借助计算机辅助化工过程设计系统，200个设计工程师花费8个星期，就能完成一个流程方案。 后者的设计工作效率比前者高出10多倍。,计算辅助化工过程设计软件系统的发展情况：,第一代商品化软件系统,20世纪60年代，以美国各高校联合开发的CHESS软件系统为代表。,Chem. Eng. Simulation System,20世纪70年代初，以美国Monsanto公司牵头开发的FLOWTRAN软件系统代表。,第二代商品化软件系统,Flowsheet Translator,第三代商品化软件系统,20世纪80年代，以 ASPEN 和 PROCESS II 两大软件系统
13、代表。,Advanced System for Process Eng.,我国最早由寰球、化工部八院等单位于上世纪90年代率先引进ASPEN软件系统。现在，国内各设计院基本都已经使用ASPEN或Process II软件系统进行计算机辅助化工过程设计。,天津大学拥有正版的ASPEN和Process II 软件系统（教学版）。,计算机辅助化工过程设计软件系统的发展方向（趋势）：,（1）、单元操作模块的种类数；（2）、物性数据库的大小及数据的估算方法；（3）、能处理的流股数量和组份数量；（4）、计算技术方法（求解方法）；（5）、能处理的流股相态； （气、液、固、胶体、电解质等）（6）、软件系统的人性
14、化界面及开放程度；（7）、流程图形输入及识别技术。等等,四、现代化学工业的发展方向、化学工程伦理学及责任关怀制度,1、现代化学工业的发展方向,人类发展化学工业的目的：,满足人类对化学物质（分子式、数量、质量、多尺度形态）的不断需求。,这个目标由化学家和化学工程师，在技术层面上共同完成。,现代化学工业发展方向,新物质,经济合理的大批量,高质量,柔性化,绿色化,多尺度,其中： 化学工业绿色化的含义：,以“减量化、再利用、资源化”为基本原则，也就是所谓的“3R”原则。 （Reduce、Recycle、Resource）,具体体现在：,（1）、减少化工过程的能耗、物耗；（2）、减少有害物质的使用或生成
15、；（3）、减少废弃物，并使废弃物在系统类在利用；（4）、尽量将排放的废弃物转化为可用的再生资源；（5）、尽量延长产品的生命周期。,Reduce,Recycle,Resource,2、化学工程伦理学及责任关怀制度,在化学工程领域实施注册工程师制度，在化学工程师心目中树立伦理学观念，建立责任关怀制度。开始逐步成为国际化学工程领域的一个发展大趋势。,伦理学理念体现在：,（1）、自觉维护化工过程的安全；（2）、自觉保护环境的意识；（3）、自觉节约资源的意识；（4）、对业主、化工厂操作人员、同事负责的精神。,责任关怀制度的含义：,（1）、提高对安全、健康、环保、资源的认知和行动；（2）、充分报道成绩、行动计划，但不回避缺陷；（3）、与公众沟通，并倾听意见的日常化。等等。,
