天津大學(xué)化工設(shè)計教案

1、化工設(shè)計（化工過程設(shè)計）化工設(shè)計（化工過程設(shè)計）教教 案案（PPT版）天津大學(xué)化工學(xué)院結(jié)晶中心：張美景Tel：02227405754 27406483二零零九年六月 （第三版）（第三版）課程基本情況：課程基本情況：一、天津大學(xué)化工學(xué)院關(guān)于一、天津大學(xué)化工學(xué)院關(guān)于“化工設(shè)計化工設(shè)計”課程的開設(shè)情況課程的開設(shè)情況1、天津大學(xué)原化工系從、天津大學(xué)原化工系從1989年開始，在全國范圍內(nèi)率先開設(shè)年開始，在全國范圍內(nèi)率先開設(shè)“化工設(shè)計化工設(shè)計”本科課程。本科課程。 教材從自編教材 化工設(shè)計，王靜康主編，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，1995年 化工過程設(shè)計，王靜康主編，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2006年。2、本課程

2、的主要內(nèi)容、本課程的主要內(nèi)容主要內(nèi)容、化工廠設(shè)計及化工工藝設(shè)計；、化工技術(shù)經(jīng)濟分析與評價；、計算機輔助化工設(shè)計。3、“化工設(shè)計化工設(shè)計”課程在化學(xué)工程與工藝專業(yè)大學(xué)本科教學(xué)中的地課程在化學(xué)工程與工藝專業(yè)大學(xué)本科教學(xué)中的地位位 “大三”下半年或“大四”才能開設(shè)，已經(jīng)偏向于“專業(yè)課”，要求大家學(xué)完“化工原理”、“反應(yīng)工程”、“化工熱力學(xué)”、“物理化學(xué)”、“化工設(shè)備基礎(chǔ)”等一系列專業(yè)基礎(chǔ)課后，才能開始學(xué)習(xí)本課程。 綜合利用同學(xué)們以前學(xué)完的大量專業(yè)基礎(chǔ)課知識，在化工工藝設(shè)計乃至化工廠設(shè)計的過程中綜合運用。 “化工設(shè)計化工設(shè)計”課程學(xué)得好不好，比其它課程更能體現(xiàn)一個化學(xué)工程與課程學(xué)得好不好，比其它課程更

3、能體現(xiàn)一個化學(xué)工程與工藝本科學(xué)生綜合素質(zhì)的高低。工藝本科學(xué)生綜合素質(zhì)的高低。4、本課程的特點、本課程的特點、綜合性綜合性（多專業(yè)基礎(chǔ)課知識的綜合與集成）；、實踐性實踐性（面向?qū)嶋H化工工藝設(shè)計、化工廠設(shè)計的工程運用）；5、“化工設(shè)計化工設(shè)計”課程教學(xué)的目的課程教學(xué)的目的、了解國內(nèi)外有關(guān)化工工藝設(shè)計、化工廠設(shè)計的先進理念；、掌握化工工藝設(shè)計的內(nèi)容、步驟及方法。二、本課程學(xué)習(xí)的教材及參考書二、本課程學(xué)習(xí)的教材及參考書1、化工過程設(shè)計，王靜康主編，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2006年。 （主教材）（主教材）2、化工技術(shù)經(jīng)濟，蘇健民主編，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年。3、化工系統(tǒng)分析與模擬，彭秉璞主編，

4、北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2001年。4、化學(xué)工程手冊，時鈞、汪家鼎、余國琮、陳敏恒主編，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年。5、化工設(shè)計手冊，上海醫(yī)藥工業(yè)設(shè)計研究院主編，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2003年。6、Process Design Principles (Synthesis, Analysis and Evaluation)7、Analysis, Synthesis and Design of Chemical Engineering8、Introduction to the Material and Heat Balance in Chemical Engineering 除此之外，國內(nèi)還

5、有10余個版本的“化工設(shè)計”教材，它們的側(cè)重面不盡相同，有興趣的同學(xué)，可以看看這些教材作為參考。第一章第一章 化工過程設(shè)計化工過程設(shè)計一、化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史、化學(xué)工業(yè)覆蓋的范圍及其在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地一、化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史、化學(xué)工業(yè)覆蓋的范圍及其在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地位位1、化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史、化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史化學(xué)工業(yè)歷經(jīng)了古代、近代、現(xiàn)代三個主要發(fā)展階段。化學(xué)工業(yè)發(fā)展階段、古代化學(xué)工業(yè)：從數(shù)千年前人類陽光曬鹽、地下鹵水煮鹽開始，萌發(fā)了古老的化學(xué)工業(yè)。、近代化學(xué)工業(yè)：從18世紀中葉，歐洲造紙、玻璃、肥皂的大規(guī)模生產(chǎn)開始，表明近代化學(xué)工業(yè)的形成。、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)：上世紀40年代開始，隨著合成橡膠、

6、石油煉制、合成纖維工業(yè)的迅速發(fā)展，隨著化工單元操作理論的日益成熟，在科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模二個層面上，揭示現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)開始形成。2、化學(xué)工業(yè)屬于過程工業(yè)型制造業(yè)（流程型制造業(yè)）、化學(xué)工業(yè)屬于過程工業(yè)型制造業(yè)（流程型制造業(yè)）現(xiàn)代制造業(yè)離散型制造業(yè) （例如汽車工業(yè)等）過程工業(yè)型制造業(yè)（又稱“流程型制造業(yè)”） （例如化學(xué)工業(yè)、冶金行業(yè)等） 流程型制造業(yè)一般是能耗大戶，也是排放的大戶。其節(jié)能、降耗、減排的任務(wù)十分艱巨。 例如：一個年產(chǎn)值不過僅例如：一個年產(chǎn)值不過僅10億元人民幣的合成原料藥制造企億元人民幣的合成原料藥制造企業(yè)，它每天的耗水量可高達業(yè)，它每天的耗水量可高達5000立方米。立方米。3、現(xiàn)代化學(xué)

7、工業(yè)覆蓋的范圍、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)覆蓋的范圍 我國化學(xué)工業(yè)的分類與美國、歐盟關(guān)于化學(xué)工業(yè)的范疇有一些區(qū)別，但逐步在接軌，按美國、歐盟的化學(xué)工業(yè)年鑒，現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)覆蓋以下范圍：現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)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(yè)農(nóng)藥工業(yè)醫(yī)藥工業(yè)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(xué)工業(yè)在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地位、化學(xué)工業(yè)在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地位 化學(xué)工業(yè)是所有高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支撐工業(yè)，如能源、電子、信息、生物、化學(xué)工業(yè)是所有高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支撐工業(yè)，如能源、電子、信息、生物、材料等領(lǐng)域，都離不開化學(xué)工業(yè)提供的物質(zhì)支撐。

8、材料等領(lǐng)域，都離不開化學(xué)工業(yè)提供的物質(zhì)支撐。 化學(xué)工業(yè)絕不是所謂的“夕陽工業(yè)”、“夕陽產(chǎn)業(yè)”，它現(xiàn)在仍然正在平穩(wěn)高速的發(fā)展，將來必將持續(xù)快速發(fā)展。 1990年1999年，美國、歐盟化學(xué)工業(yè)的發(fā)展速度是其全部工業(yè)平均增長速度的2.69倍。 美國化學(xué)工業(yè)的規(guī)模一直雄居世界化學(xué)工業(yè)總量的30左右，是美國為數(shù)不多在國際貿(mào)易體系內(nèi)具有貿(mào)易順差的制造業(yè)之一。 在世界500強企業(yè)中，以化工為主或涉足化工領(lǐng)域的企業(yè)為數(shù)不少。二、化工過程設(shè)計的基本內(nèi)容二、化工過程設(shè)計的基本內(nèi)容1、化工設(shè)計、化工廠設(shè)計、化工過程設(shè)計、化工工藝設(shè)計四個名詞之間、化工設(shè)計、化工廠設(shè)計、化工過程設(shè)計、化工工藝設(shè)計四個名詞之間的聯(lián)系與區(qū)

9、別的聯(lián)系與區(qū)別 化工設(shè)計是泛稱，在不同場合可分別指稱化工廠設(shè)計、化工過程設(shè)計、化工工藝設(shè)計，其內(nèi)涵最廣，但意義不明確。Chemical Design英文中沒有如此名詞！化工廠設(shè)計化工過程設(shè)計（核心）化工廠房建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計總圖設(shè)計，.等非工藝部分設(shè)計化工工藝設(shè)計（核心）公用工程設(shè)計、外管設(shè)計，等化工過程設(shè)計是針對化工工藝設(shè)計的深入、配套與完善?；み^程設(shè)計是針對化工工藝設(shè)計的深入、配套與完善。2、化工過程設(shè)計的目標及內(nèi)容、化工過程設(shè)計的目標及內(nèi)容 美國國家顧問團在其“化學(xué)工程的新領(lǐng)域”著作中，簡明闡述了化工過程設(shè)計的主要目標主要目標： 確定最佳流程及最佳操作條件，達到最優(yōu)投入產(chǎn)出比。在定量計算確

10、定最佳流程及最佳操作條件，達到最優(yōu)投入產(chǎn)出比。在定量計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家的經(jīng)驗，考慮安全、健康、環(huán)保的因素，確定出一的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家的經(jīng)驗，考慮安全、健康、環(huán)保的因素，確定出一個綜合的設(shè)計方案。個綜合的設(shè)計方案。化工過程設(shè)計的內(nèi)容內(nèi)容： 其基本核心內(nèi)容是化工工藝設(shè)計，其附帶內(nèi)容是針對化工工藝設(shè)計，其基本核心內(nèi)容是化工工藝設(shè)計，其附帶內(nèi)容是針對化工工藝設(shè)計，對它的配套部分如公用工程、外管設(shè)計等進行深入設(shè)計和完善。對它的配套部分如公用工程、外管設(shè)計等進行深入設(shè)計和完善。3、化工過程設(shè)計的深化改革、化工過程設(shè)計的深化改革化工過程設(shè)計發(fā)展方向化工過程設(shè)計發(fā)展方向復(fù)雜大型化工廠的設(shè)計柔性化工廠的設(shè)計

11、自主創(chuàng)新設(shè)計與國際工程設(shè)計的接軌我國化工設(shè)計院，原來的專業(yè)部門進行了相應(yīng)的改革調(diào)整。原來的工藝專業(yè)部工藝專業(yè)部工藝專業(yè)部（大部分為化學(xué)工程與工藝專業(yè)人員）工藝系統(tǒng)專業(yè)部工藝系統(tǒng)專業(yè)部（少量化學(xué)工程與工藝專業(yè)人員，大量其它輔助專業(yè)）工藝專業(yè)部：側(cè)重化工工藝設(shè)計工藝系統(tǒng)專業(yè)部：側(cè)重化工過程設(shè)計中除了化工工藝設(shè)計以外與工藝有關(guān)的內(nèi)容工藝專業(yè)部工藝專業(yè)部：側(cè)重出PID圖、PFD圖工藝系統(tǒng)專業(yè)部工藝系統(tǒng)專業(yè)部：側(cè)重出UID圖、UFD圖PID （Process Instrument Diagram） 帶控制點的工藝儀表管道流程圖PFD （Process Flowsheet Diagram） 過程物料流程圖

12、UID （Utility Instrument Diagram） 公用工程儀表管道流程圖UFD （Utility Flowsheet Diagram） 公用工程物料流程圖其中，各種圖紙隨設(shè)計的深入，分成多個版本。其中，各種圖紙隨設(shè)計的深入，分成多個版本。 工藝專業(yè)部與工藝系統(tǒng)專業(yè)部之間，在設(shè)計工作過程中有許多需要交流的條件、工藝專業(yè)部與工藝系統(tǒng)專業(yè)部之間，在設(shè)計工作過程中有許多需要交流的條件、文件（文件（“條件表條件表”），有發(fā)出條件的），有發(fā)出條件的主導(dǎo)專業(yè)主導(dǎo)專業(yè)，有接收，有接收“條件表條件表”的的接收專業(yè)接收專業(yè)。我國化工設(shè)計院的專業(yè)種類化學(xué)工程與工藝化工機械自動化及儀表總圖概預(yù)算（工程

13、經(jīng)濟）建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、強弱電熱工、環(huán)境工程（環(huán)保）、工業(yè)爐三、計算機輔助化工過程設(shè)計三、計算機輔助化工過程設(shè)計 在20世紀20年代以前，化工過程設(shè)計幾乎沒有理論作指導(dǎo)，幾乎是完全憑經(jīng)驗。 在20世紀20年代60年代，化工過程設(shè)計已經(jīng)開始有化工單元操作理論作指導(dǎo)，可以定量計算設(shè)計，但幾乎完全憑手工計算與繪圖完成設(shè)計工作。 在20世紀60年代以后，計算機輔助化工過程設(shè)計得到了發(fā)展。 為什么直到20世紀60年代后，在化工設(shè)計領(lǐng)域開開始出現(xiàn)計算機輔助化工過程設(shè)計呢？計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展化工單元操作等理論的不斷成熟數(shù)學(xué)計算技術(shù)的發(fā)展計算機輔助化工過程設(shè)計的優(yōu)勢（優(yōu)點）：優(yōu)勢（優(yōu)點）：、設(shè)計

14、工作效率高、規(guī)范性好、設(shè)計水平高（可進行優(yōu)化設(shè)計）效率對比： 一個年產(chǎn)30萬噸的乙烯的工程，如果全憑手工計算與繪圖，400個設(shè)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(shè)計。而借助計算機輔助化工過程設(shè)計系統(tǒng)，200個設(shè)計工程師花費8個星期，就能完成一個流程方案。 后者的設(shè)計工作效率比前者高出后者的設(shè)計工作效率比前者高出10多倍。多倍。計算輔助化工過程設(shè)計軟件系統(tǒng)的發(fā)展情況：計算輔助化工過程設(shè)計軟件系統(tǒng)的發(fā)展情況：第一代商品化軟件系統(tǒng)20世紀60年代，以美國各高校聯(lián)合開發(fā)的CHESS軟件系統(tǒng)為代表。Chem. Eng. Simulation System 20世紀70年代初，以美國Mon

15、santo公司牽頭開發(fā)的FLOWTRAN軟件系統(tǒng)代表。第二代商品化軟件系統(tǒng)Flowsheet Translator第三代商品化軟件系統(tǒng) 20世紀80年代，以 ASPEN 和 PROCESS II 兩大軟件系統(tǒng)代表。Advanced System for Process Eng. 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(tǒng)。現(xiàn)在，國內(nèi)各設(shè)計院基本都已經(jīng)使用ASPEN或Process II軟件系統(tǒng)進行計算機輔助化工過程設(shè)計。 天津大學(xué)擁有正版的ASPEN和Process II 軟件系統(tǒng)（教學(xué)版）。計算機輔助化工過程設(shè)計軟件系統(tǒng)的發(fā)展方向（趨勢）：計算機輔助化工過程設(shè)

16、計軟件系統(tǒng)的發(fā)展方向（趨勢）：（1）、單元操作模塊的種類數(shù)；（2）、物性數(shù)據(jù)庫的大小及數(shù)據(jù)的估算方法；（3）、能處理的流股數(shù)量和組份數(shù)量；（4）、計算技術(shù)方法（求解方法）；（5）、能處理的流股相態(tài)； （氣、液、固、膠體、電解質(zhì)等）（6）、軟件系統(tǒng)的人性化界面及開放程度；（7）、流程圖形輸入及識別技術(shù)。等等四、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向、化學(xué)工程倫理學(xué)及責(zé)任關(guān)懷制度四、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向、化學(xué)工程倫理學(xué)及責(zé)任關(guān)懷制度1、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向人類發(fā)展化學(xué)工業(yè)的目的：人類發(fā)展化學(xué)工業(yè)的目的： 滿足人類對化學(xué)物質(zhì)（分子式、數(shù)量、質(zhì)量、多尺度形態(tài)）的不斷需求。這個目標由化學(xué)家和化學(xué)工程師，在技術(shù)層面上共同完成?，F(xiàn)代化學(xué)工業(yè)發(fā)展方向新物質(zhì)經(jīng)濟合理的大批量高質(zhì)量柔性化綠色化多尺度其中： 化學(xué)工業(yè)綠色化的含義：化學(xué)工業(yè)綠色化的含義：以“減量化、再利用、資源化減量化、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(xiàn)在：（1）、減少化工過程的能耗、物耗；（2）、減少有害物質(zhì)的使用或生成；（3）、減少廢棄物，并使廢棄物在系統(tǒng)類在利用；（4）、盡量將排放的廢棄物轉(zhuǎn)化為可用的再生資源；（5）、盡量延長產(chǎn)品的生命周期。ReduceRecycleRes