现代化工设计学概述

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2010-03,zhumingqiao,*,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,化工设计概论,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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）（郑传祥）,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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、副总经理），吴晓军（高工、副总经理）,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1,绪论,朱明乔,浙江大学化学工程与生物工程学系,Zhu Ming-Qiao,Department of Chemical and Biological Engineering,Zhejiang University,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.2,化工设计的机遇,1.2.1,化学产品的生产,1.2.2,化工设计的机遇,1.2.3,设计团队,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.2.1,化学产品的生产,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.3,化工设计的步骤,1.3.1,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,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.3.1,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,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,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,2,）国际通用设计程序的阶段划分,项目,专利商,工程公司,阶段名称,工艺包或基础设计,工艺设计,基础工程设计或分析和平面设计,详细工程设计或最终设计,主导专业,工艺,工艺,系统,/,管道,系统,/,管道,主要文件,工艺流程图（,PFD,）,工艺控制图（,PCD,）,工艺说明书,设备表,工艺数据表,概略布置图,工艺流程图,工艺控制图,工艺说明书,物料平衡表,设备表,工艺数据表,安全备忘录,概略布置图,主要专业设计条件,管道仪表流程图（,PID,）,设备计算及分析草图,设备规格说明书,材料选择,请购文件,设备布置图（分区）,管道平面图（分区）,地下管网图,电气单线图,各有关专业设计条件,管道仪表流程图,设备安装平剖面图,详细配管图,管段图（轴测图）,基础图,结构图、建筑图,仪表设计图,电气设计图,设备制造图,各专业施工图及安装说明,用途,供工程公司作为工程设计的依据,把专利文件转化为工程公司设计文件,为详细工程设计、设备材料采购提供全部资料,提供施工图纸和文件，作为施工、材料补充订货依据,表,1.1,国际通用设计程序的阶段划分,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,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,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,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,第一篇创建和审定初始问题,确定要求、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 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 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 基本方案的开发,第二篇 详细过程合成,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,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 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,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、,规模组建构造、投标,建设,开车,操作,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,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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,34,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,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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-DAK4000,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,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、,Ullmann,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,4,）补充研究,技术可行性,市场,商务,其他,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,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,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,表,1.2,三种类型化学产品的操作过程,操作过程,产品类型,1,原料处理,2 3 4,转化,5,质量控制,6,包装,基本化学产品,工业产品,消费产品,加料,泵送,压缩,加料,泵送,纺丝处理,干燥,脱水,纺丝,/,纤维处理,皮带传送,分散处理,化学反应 提纯,分离,挤压成型 初始成型 二次成型,混合 拉丝 密封、压模,复合 模压成型 热,/,光处理,铸模 定向处理,配件制作 配件组合 抛光,包括冲切 和集成,成模,特性：,物理性质,热力学性质,化学性质,流变学性质,功能性质：,视觉性质,耐气候性,机械强度,可印刷性,功能性质,和使用性质：,耐用性、寿命、易于使用、效能,运输,槽车,管道,包装,桶、包、卷,包装,分装盛器、,塑料包裹（小瓶装，瓶，罐装）,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.3.5,基本方案的开发,创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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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的,难易程度,和受扰动后内在的,回复能力,。对于,最有希望的过程,，能确定最有希望的控制结构。,最后，添加,控制系统,，并进行严格的,动态模拟,，以确认前面讨论的预测近似指标。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.4,化工设计中其它问题考虑,1.4.1,环境保护,1.4.2,安全考虑,1.4.3,工程伦理,1.4.4,计算机的作用,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.4.1,环境保护,自从,20,世纪,70,年代后期,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护问题从次要问题转变为首要问题。,中国从,20,世纪,80,年代后期以来日益重视环境保护问题。,重视的主要手段是,环境法规,通过立法实施。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,1,）典型环境问题,用于发电和运输的化石燃料燃烧：,SO,2,、,NO,X,、,CO,、,CO,2,、粉尘、,C,X,H,Y,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,重要的试探规则之一。,有毒废物处理：,1988,年美国有害废物产生量：废水,2.132,亿吨，占,97%,；固体废物,6.7,百万吨，占,3%,（填埋结果对水源造成普遍的威胁）。,生物积累的化学品：,杀虫剂,DDT,，,1972,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积累作用会持续一段时间。,有害金属和矿物：,20,世纪,60,年代后，发现,Pb,、,Hg,、,Cr,和石棉对动物和人的毒性有作用。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,降低副产物毒性的反应路线,:,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，这一设计概念将被否定，除非是在特殊的情况下。,减少废物及废物再利用,:,装置也可看成一个工程废料。,避免非常规事件,:,降低那些会对环境造成有害影响的事故和泄漏发生。,物料的特性鉴定,:,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是很重要的。,设计目标、约束条件和过程优化：,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。,（2）过程设计中的环境因素,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（2）过程设计中的环境因素,法规：,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。,无形成本：,诉讼、公关、环保团体抗议等，设计团队在设计考虑时应避免。,稀物流的性质：,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学影响很重要。,电解质的性质：,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。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（3）环境设计问题,空气质量：,R134a,冷冻剂,水处理：晶片制造排放物流处理,土壤处理：铅污染场所的植物治理,其它：联合循环发电,相关参考书：,化学工程新领域,过程设计和模拟中环境问题的考虑,化工过程的污染预防,绿色工程：化工过程的环境意识设计,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.4.2,安全考虑,在化工过程的设计和操作中，一个主要的,目标,是使操作人员和生活在工厂附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过一次次事故才能被人们充分认识，美国在,1985,年建立了美国化学工程师协会的化工装置安全中心。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,1,）典型安全问题,着火和爆炸：,许多化学品在燃烧下限和燃烧上限这两个极限值之内，就可能发生燃烧和爆炸。另外，还有自燃温度。,毒物释放和传播模型：,总是希望避免使用对人类、动物和植物有毒的化学品，但毒性问题是难以避免的。设计团队必须考虑在事故期间毒物浓度释放的可能状况。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,2,）安全化工装置的设计方法,预防火灾和爆炸技术：,添加惰性气体，避开爆炸范围,避免静电积累和它所释放的火花,安装防爆装置和仪器,良好的通风条件，露天化,安装洒水灭火系统,驰放装置,如往大气排放,危害鉴定和危险评估,：识别所有事故和危险来源，避免小的失误造成灾难性事故。,物料安全性数据表,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.4.3,工程伦理,1977,年，美国职业工程师学会（,NSPE,）工程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的诚实、荣誉和尊严：,用他们的知识和技能增进人类的福利,具有诚实公正的品格，忠实地为公众和他们的雇员服务,努力增强工程职业的能力和声誉,支持本学科的专业和技术协会,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.4.4,计算机的作用,电子表格,数学软件包和绘图软件,过程模拟软件,计算指南,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.5,化工设计常用术语,化工厂设计三种类型：,新工厂设计,原有工厂的改建,扩建设计,厂房的局部修建设计,新建项目设计三种类型：,工程设计,复用设计,因地制宜设计,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.5,化工设计常用术语,新建项目设计三种类型,工程设计：,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业生产装置。,复用设计：,利用已有装置的技术资料进行新装置的设计。,因地制宜设计：,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进行改建或变更，以适应新装置的要求。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.5,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：,以工厂为单位的工厂化工设计,以车间为单位的车间化工设计。,工厂化工设计内容：,厂址选择、总图设计、化工工艺设计、非工艺设计、技术经济等。,车间化工设计内容：,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置设计等，及其它非工艺设计如机械工程、土建工程、给排水工程、供配电工程、供热供气工程、仪表及自动控制工程、分析及卫生工程等。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.5,化工设计常用术语,化工设计的特点：,政策性强、技术性强、经济性强、综合性强。,化工设计的,“,五化,”,设计原则：,工厂布置一体化、生产装置露天化、建构筑物轻型化、公用工程社会化、引进技术国产化。,国际通用设计程序的阶段：,基础设计、工艺设计、基础工程设计、详细工程设计。,国内化工项目基本建设程序：,可行性研究、化工设计（包括初步设计和施工图设计）、施工、试车和考核。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.6,课程成绩考核,课程成绩由两部分组成,:,平时上课及练习，占,50%,期末设计练习，占,50%,。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,1.7,小结,通过本讲座，应当掌握以下知识：,（,1,）了解对于产品和过程设计团队具有挑战性的各种设计决策问题。,（,2,）对产品和,/,或过程设计中的关键步骤具有正确的评价能力。后续讲座逐讲展开。,（,3,）了解在设计新化学产品和新化工过程时通常要考虑的各类环境和安全问题。,（,4,）正确评价在产品和过程设计中保持高标准伦理原则的重要性。,（,5,）懂得化学工程师是结合手工计算、电子表格、数学计算软件包和工程模拟软件等手段来进行产品和过程设计的。,本讲座虽然没有具体解决任何的设计问题，但在以后的设计详细讲述中会提及这些背景信息。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,谢谢 ！,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,第一篇 创建和审定初始问题：,确定要求文献调研产生思路市场和商业研究与用户面谈,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,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,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,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,第一篇 创建过程,初始数据库的创建,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,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,第一篇 基本方案的开发,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,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,第二篇 详细过程合成,计算方法,过程是连续的或间歇的？,化学反应网络的合成,分离序列合成,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,优化过程步骤顺序安排,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,第三篇 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？,),确定设备尺寸 换热器设计、塔设计、泵和压缩机设计,投资费用估算,利润率分析,优化,产品设计,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,第四篇装置范围的可控性评定,控制结构的定性分析,流程可控性分析,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,第五篇 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、,规模组建构造、投标,建设,开车,操作,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,化工设计概论,朱明乔,浙江大学化学工程与生物工程学系,Zhu Ming-Qiao,Department of Chemical and Biological Engineering,Zhejiang University,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,第二章 化工开发设计,2.1,化工开发设计范围,2.2,选题和立项,2.3,分子结构设计,2.4,化工过程开发实验中的实验设计与数据处理,2.5,化工过程放大,2.6,化工开发设计案例分析,2.7,小结,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.1,化工开发设计范围,化工开发设计范围可定义为,在化工技术开发范围内的设计。,化工技术开发一般按照以下程序：,选题小型试验,(,小试,),中型试验,(,中试,),生产性试验,本课程化工技术开发的内容主要指立项前的可行性研究，在实验室条件下进行的小试，放大的模型试验，以及对工艺技术方案进行初步技术经济评价,得到工艺包。,注：工艺包为工程公司进行工程设计,tigong,依据，如讲座一表,1.1,“,国际通用设计程序的阶段划分,”,所示。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.2,选题和立项,2.2.1,课题的性质和来源,2.2.2,选题的基本原则,2.2.3,化工产品开发策略,选题总是化工过程开发工作之前的重要工作，它关系到开发工作的成败。在选题时，应对立题项目进行可行性研究，并从,技术可靠性、社会效益、经济效益等方面,证明其为可行的立题报告。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.2.1,课题的性质和来源,凡与化工新产品开发、生产技术改造以及新工艺和新技术的推广应用有关的研究成果，均属于化工过程的开发课题。这类课题根据我国现行的科研体制，主要有以下三个来源：,（,1,）计划课题,（,2,）企业委托课题,（,3,）自选课题,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.2.1,课题的性质和来源,对于课题的性质，人们习惯于把当代科学研究活动统称为,“,研究与开发,”,，大体上划分为以下三类：,（,1,）基础研究,（,2,）应用研究,（,3,）技术开发,基础研究,属于,科学发展,的范畴，,技术开发,属于,技术发展,的范畴，,应用研究,则,分跨科学发展和技术发展,两个范畴。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.2.2,选题的基本原则,凡根据国民经济发展和市场需要提出的化工新产品、新材料、新技术、新工艺，具有先进性、合理性、现实性、可行性，可以获得应有的社会效益和经济效益的课题均可作为化工过程开发课题，但应特别注意一下几点：,（,1,）创新性原则,（,2,）需要性原则,（,3,）科学性原则,（,4,）可行性原则,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.2.2,选题的基本原则,选题原则要灵活运用，具体表现为：,（,1,）基础研究选题主要以科学发展为导向,（,2,）应用研究的选题以市场需要为导向,（,3,）技术开发的选题以市场需要为导向,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.2.3,化工产品开发策略,（,1,）前向一体化合作开发模式,（,2,）后向一体化合作开发模式,（,3,）横向一体化合作开发模式,（,4,） 过程一体化开发模式,（,5,）混合一体化合作开发模式,（,6,）合作开发的形式,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,1,）前向一体化合作开发模式,前向一体化合作开发模式是指化工企业与下游用户合作开发新产品的模式。,改善下游产品质量和性能（技术指标）：原料直接影响产品的性能和质量，下游企业往往对原料提出要求以满足其产品的技术指标，模型见图,2.1,。,下游企业需要,研究开发 生产 营销信息与反馈,本企业 下游企业,图,2.1,前向一体化合作开发模式模型（,1,）,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,1,）前向一体化合作开发模式,降低下游产品成本,:,原料直接影响产品的成本，下游企业往往对原料提出要求以降低下游产品成本，模型同图,2.1,。,推广本企业新产品开发下游新产品：化学工业能使用有限的原料创造出丰富多彩的产品。模型如图,2.2,所示。,研究开发 生产 营销信息与反馈,开发下游企业产品,本企业 下游企业,图,2.2,前向一体化合作开发模式模型（,2,）,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,2,）后向一体化合作开发模式,后向一体化合作开发模式是指化工企业与上游供应商合作开发新产品的模式。模型见图,2.3,。,研究开发 生产 营销信息与反馈,上游供应商,上游企业 本企业,图,2.3,后向一体化合作开发模式模型（,1,）,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,2,）后向一体化合作开发模式,改善原料质量和性能（技术指标）,:,原料直接影响产品的性能和质量，通过改变原料来改变企业产品的性能。,降低产品成本,:,原料直接影响产品的成本，化工企业往往对原料提出要求以降低自己产品成本。,应用供应商新产品开发新产品,:,供应商常常向化工企业推介新材料、新能源、新设备、新工艺等，帮助化工企业应用并共同开发新产品，化工企业要紧紧抓住这些机会开发合适的产品。模型如图,2.4,。,研究开发 生产 营销信息与反馈,供应商新产品,上游企业 本企业,图,2.4,后向一体化合作开发模式模型（,2,）,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,(3),横向一体化合作开发模式,横向一体化合作开发模式是指化工企业之间做开发新产品的模式。任何一个化工企业都不可能占有所有的优势，化工企业之间优势互补，合作开发新产品，共同占领市场。图,2.5,表示了研究领域合作开发下游企业需要产品的模型。,研究开发 生产 营销信息与反馈,开发下游企业产品,本企业 下游企业,图,2.5,横向一体化合作开发模式模型,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,(4),过程一体化开发模式,过程一体化开发模式是指化工产品开发阶段就采用研究、设计、制造、营销、采购、财务、供应商及用户介入、参与的并行工作小组方式，对全过程一体化管理。模型见图,2.6,。,上游企业产品,创新构思,研究与开发,设计,制造,市场销售,下游企业需要,上游企业 本企业 下游企业,图,2.6,过程一体化开发模式模型,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,(5),混合一体化合作开发模式,混合一体化合作开发模式是指在化工产品开发过程中不局限于单独采用上述任何一种形式，而根据需要采取两种或两种以上混合的模式。如图,2.7,。,上游企业产品,创新构思,研究与开发,设计,制造,市场销售,下游企业需要,上游企业 本企业 下游企业,横向企业,图,2.7,混合一体化合作开发模式,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,6,）合作开发的形式,合作开发一般以,战略联盟的形式,进行。联盟的形式是多种多样的，主要有合资、研究与开发协议、合作生产营销、相互持股等，也有的是长期供应协议。有些联盟是明确的，有些则不明确，但事实均存在。联盟有些比较紧密，有些比较松散，它与各方的投入及收益等有关。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.2.4,技术经济资料进行收集,如讲座一中所述，尽量利用这些资料进行设计。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.3,分子结构设计,2.3.1,引言,2.3.2,特性评估方法,2.3.3,优化确定分子结构,2.3.4,小结,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.3,分子结构设计,选题和立项之后如果新产品分子结构未确定，还需要进行分子结构设计。如下例子：,具有所要求性质的高分子,如,:,密度、玻璃化转化温度、对水的吸收率；,在低压和规定的温度下沸腾和冷凝的制冷剂，且他们不与臭氧发生反应；,能输送像墨水颜料和涂料之类固体的溶剂，其挥发快，有事无毒和环境友好的；,用于液,-,液萃取、萃取精馏或恒沸精馏的溶剂；,作为药物的大分子，如作为抗体的蛋白质，它们是,Y-,型的多畴蛋白质，其以极精确的选择性与特定抗原或接受体结合；,用于暖手器的溶质，在低温下仍保持过饱和，只有当激活时才结晶放热。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.3.1,引言,要对化学品和化学品混合物性质的技术指标进行,更量化,的确定。,产品开发工作常常与,研究,和,开发,小组的发现密切相关。,当设计产品时，常常可以得到其,估算,方法。,然而，对于,药品、蛋白质,等性质通常不使用估算的方法，由实验室中的实验来确定。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.3.2,特性评估方法,分子结构设计的理论方法要求精确估算物理性质和传递性质。这些一般是从,热力学,和,传递现象,的基本原理出发，运用分子模拟推导得到的。,在近几年中，物质性质的信息系统已能广泛地从计算机软件包中得到。,对于那些数据库中不存在的组分，用估算的方法或者实验数据回归的方法确定各组分的常数和参数。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.3.2,特性评估方法,（,1,） 计算机数据库,（,2,） 性质估算,（,3,） 聚合物性质估算,（,4,） 微观模拟,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,1,） 计算机数据库,纯组分的数据库可看作数据记录收集，每一组都包含某纯化学品的各种常数和参数（如，临界性质（,Tc,、,Pc,、,Vc,），常压沸点（,Tnbp,）、蒸汽压系数、热量系数，偏心因子等等）。,当系统中没有贮存某种化学组分的物性常数和参数数据时，大多数物性信息系统都有回归实验数据的程序（例如蒸气压表、液体密度表和作为温度函数的热容）。,当只能获得不充分的实验数据时，常常是利用有限数据（如常压沸点），由程序提供基,ben,分子结构，用基团和键贡献法进行估算的物性。,这些方法在产品和过程设计的早期阶段，在实验室或中试研究开始前是特别有用的。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,2,） 性质估算,每一个物质性质的信息系统都有一组广泛的子程序，通过回归确定蒸汽压方程（如扩展的,Antoine,方程）、热容方程等的参数和估算得到热物理和传递性质。,在确定化学混合物的状态（呈平衡的相）和它的性质（密度、焓、熵等）时，调用后一类子程序。当计算相平衡时，需要每一相中组分逸度。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,2,） 性质估算,一般地，用键或基团贡献法来估算纯组分的常数和参数时，要利用设计者提供的化学组分的分子结构，例如，如下所示，三氟丙烯：,这里，除氢以外的所有原子被编上号，与每一个碳原子和相邻的编号原子结合的键可指定如下：,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,原子,1,原子,2,键型,编号,类型,编号,类型,1,C,2,C,双键,2,C,3,C,单键,3,C,4,C,单键,3,C,5,F,单键,3,C,6,F,单键,可以估算三氟丙烯与其他化学组分形成的溶液中的活度系数，用于其相平衡的计算。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,对于某个特定的性质，可使用下面的一种进行计算：,和,（,3,） 聚合物性质估算,式中,ni,是聚合物“重复单元”中,i,基团的数目，,N,是在“重复单元”中的基团类型数，,Ai,是与基团,i,有关的贡献值，,Bi,是基团,i,的分子质量，,d,是每种被估算性质的指数,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,3,） 聚合物性质估算,例,2.1,用下面的基团贡献值,(Van Krevelen,，,1990),估算,“,重复单元,”,为,(CH2-CHCl),的聚氯乙烯的玻璃转化温度,Tg,。,基团,A,i,B,i,CH,2,2700,14,CHCl,20000,48.5,解：,这与实验室值,365K(Van Krevelen,，,1972,，,114,页,),相比较，吻合得非常好。,提醒：当使用性质估算法时，特别是基团,-,和键,-,贡献法时，必须注意避免和实验值有较大的偏差，特别是当分子、温度和压力与所用估算方法的参数的条件有重大差异时。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,4,） 微观模拟,两种比基团,-,键,-,贡献法更基础更本质的方法被越来越多地用来改进热物理和传递性质的估算。,这涉及到相互作用分子的小聚集群（典型地,1001000,）的分子动力学和,Monte-Carlo,模拟，通常称之为,微观模拟,。,Monte-Carlo,模拟,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,（,4,） 微观模拟,在,Monte-Carlo,模拟中，通过按要求的概率分布随机移动分子，使分子系统的能量达到最小。在每一次移动后，计算每一个分子的能量。当总能量减少时，这次移动被接受，分子重新分配。继续移动，直到达到平衡。至于分子动力学模拟，则提供势函数。在收敛后，通过取平均值计算平衡状态下的热物理性质。,Monte-Carlo,法，对计算热物理性质，包括相平衡特别有效，,Rowley,（,1994,）对此进行了详细的阐述。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.3.3,优化确定分子结构,分子结构设计是建立在,精确的性质估算方法上的,。,当估算方法足够精确时，调节分子结构中的原子和基团，使性质计算值与指定值之间的差值的平方和最小：,这里,是由设计者指定的一系列目标性质,p,中的,j,性质。,这一最小化过程通常在规定边界的约束下完成；例如：,和,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.3.3,优化确定分子结构,这里,n,i,是分子,j,中的,i,类基团数，,N,是分子,j,中的分子基团的类型数。还有一点是需要明确的，即当一个新的分子基团被添加到一个分子上时，该分子可得到的自由键的附加数为零，而当将重复单元加到聚合物分子上时，自由附加数为,2,。,这可以通过计算自由附加数来检验：,这里,v,i,个是与分子基团,I,相关的化合价，或自由键数。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.3.3,优化确定分子结构,-,制冷剂设计,（,1,）制冷剂设计,令人满意的致冷剂具有以下特点,：,1,）蒸发潜热很大，当移除一定的热负荷时可降低其流量；,2,）低粘度，减少循环动力；,3,）低凝固点，降低凝固的可能性。他的工作导致了人们对许多含,C,、,Cl,、,F,原子被称之为氟利昂的致冷剂的开发。,下面考虑设计一种新的致冷剂产品的问题。指定一定的温度，在这个温度下用蒸发器吸收热量并从致冷剂的冷凝器中放出热量。从选择,k,个基团开始，每一个基团可在候选的致冷剂中出现,n,次直到,nmax,次，各种不同分子设计的数目为：,式中,C,k,，,n,是被同时取了,n,次的,k,基团的结合数（,Joback and Stephanopoulos,，,1989,）。,2010-03,zhumingqiaozju.edu.,2.3.3,优化确定分子结构,-,制冷剂设计,例,2.2,希望设计一种制冷剂，能在低至,30,o,F(-1.1,o,C),的温度下吸热，并在高达,110,o,F(43.3,o,C),的温度下放热。对于本设计，考虑,13,种分子基团：,CH,3,，,CH,2,，,CH,，,C,，,OH,，,O,，,NH,2,，,NH,，,N,，,SH,，,S,，,F,和,Cl,。当这些基团结合时，应当避免往往会聚合的具有双键和三键的化合物。含氟和卤素的化合物也应当避免，因为它们往往有易爆炸性。要求的制冷剂应当具有如下特性：,（,1,）蒸汽压,p,s,-1.11,o,C 1.4bar,，以保证若发生泄漏是从冷冻系统向外泄漏（而不是真空操作，空气和水蒸气能向系统内渗透）；,（,2,）,p,s,43.3,o,C 18.4kJ/mol,，以减少制冷剂的需要量（这里,18.4kJ/mol,是,1987,年禁用