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工艺开发与工艺设计概述过程工程工业是以装置是以装置为中心中心进行生行生产的工的工业,整个整个生生产工工艺过程都在装置内完成。生程都在装置内完成。生产工工艺是是过程装程装置的置的软件，件，过程装置是程装置是实施生施生产工工艺的硬件，因此的硬件，因此一座工厂或一套装置一座工厂或一套装置设计的核心是工的核心是工艺设计，它决，它决定了整个定了整个设计的概貌，看一个工厂是否先的概貌，看一个工厂是否先进，首先，首先看它的工看它的工艺是否先是否先进。2.1工艺过程开发及工艺路线选择工艺过程开发及工艺路线选择工程实例22.1.1 工艺过程开发程序工艺过程开发程序信息信息研究研究实验性性研究研究可行性研可行性研究究(1)(1)小小试模型模型试验中中试概概念念设计可行性可行性研究研究(3)(3)可行性研可行性研究究(2)(2)初初步步设计施施工工设计施施工工过程研究程研究工程工程设计研究研究图图2-1 过程工业新产品开发的基本步骤过程工业新产品开发的基本步骤方案提出方案提出方案设计与论证方案设计与论证方案审定方案审定方案实施方案实施3第一阶段：方案的提出第一阶段：方案的提出(一一)信息研究信息研究必要性必要性:市市场对开开发产品的需求量，开品的需求量，开发产品与国品与国民民经济其他部其他部门的关系，市的关系，市场前景，收益估算，社会前景，收益估算，社会效益以及效益以及环境境污染情况等。染情况等。可行性可行性:评估科研水平、社会条件及完成估科研水平、社会条件及完成该项目的目的可能性。可能性。信息研究是开发新产品的第一步。若通过信息研究信息研究是开发新产品的第一步。若通过信息研究认为所开发的技术能带来显著的经济效益或重大的认为所开发的技术能带来显著的经济效益或重大的社会效益，才值得投资进行研究与开发。否则即可社会效益，才值得投资进行研究与开发。否则即可就此终止。就此终止。4(二二)实验性研究实验性研究 工工艺方法：如原料路方法：如原料路线、生、生产路路线等研究；等研究；工工艺条件：温度、条件：温度、压力、力、转化率、主副反化率、主副反应特点、特点、催化催化剂等研究；等研究；物料平衡、能量平衡和生物料平衡、能量平衡和生产成本估算；成本估算；原材料、半成品和原材料、半成品和产品的品的质量的研究；量的研究；产品用途。品用途。5(三三)第一次可行性研究第一次可行性研究1、技术上是否可行、技术上是否可行原料是否可行、可靠原料是否可行、可靠（原料（原料费约等于三分之二生等于三分之二生产费用）用）技术路线的可靠性技术路线的可靠性（生（生产安全、操作安全、操作简便、操作条件便、操作条件弹性大，生性大，生产环节少，不易出少，不易出现故障）故障）技术路线的先进性技术路线的先进性（各种技（各种技术指指标，如，如转化率、化率、选择率、率、能耗、能耗、设备生生产强度、度、劳动和和产率等的高低）率等的高低）2、经济上是否可行、经济上是否可行 指投指投资、人力、生、人力、生产费用等支出用等支出同同产品品销售的收入作比售的收入作比较，估算可能，估算可能获得的得的经济效益和投效益和投资回收情况。回收情况。63、环境上是否可行、环境上是否可行应评估估“三三废”治理程度及其治理程度及其对环境的影响境的影响*三三废废水、水、废气、气、废渣渣 结论：结论：通过对技术、经济和环境的评估，做通过对技术、经济和环境的评估，做出该产品是否值得继续开发的决定。如果行，则出该产品是否值得继续开发的决定。如果行，则转入第二阶段。转入第二阶段。7第二阶段：方案设计与论证第二阶段：方案设计与论证(一一)小试小试1、制造样品、制造样品在此在此过程中，程中，对制造工制造工艺、制造条件及控制方法、制造条件及控制方法进研究，研究，对原料、原料、产品品进行研究，最行研究，最终编制初步的物制初步的物料衡算和能量衡算，提出料衡算和能量衡算，提出“三三废”治理初步方案。治理初步方案。2、与实验性研究比较、与实验性研究比较 结论：结论：小试时，要通过不断改变操作小试时，要通过不断改变操作条件提高反应的转化率、选择率等；条件提高反应的转化率、选择率等；并试验出分离提纯的初步方法。并试验出分离提纯的初步方法。8(二二)概念设计概念设计 1、目的、目的2、内容、内容把小把小试成果和工作成果和工作经验相相结合，合，进行行原原则流程流程设计。技技术上，确定流程、工上，确定流程、工艺条件、主要条件、主要设备型式、型式、三三废治理措施；治理措施；经济上，上，计算基本建算基本建设投投资和和产品成本等主要技品成本等主要技术经济指指标。9(三三)第二次可行性研究第二次可行性研究称作称作方案方案论证。其内容与第一次可行性研究差不多。其内容与第一次可行性研究差不多。在此之前由于有概念在此之前由于有概念设计、物料衡算和能量衡算，、物料衡算和能量衡算，对技技术、经济的分析就比的分析就比较准确。可准确。可进一步估算工厂一步估算工厂规模、投模、投资费用、成本及用、成本及经济效益等。效益等。第二次可行性研究也要作出开第二次可行性研究也要作出开发应该中止或中止或继续的决的决定。若定。若继续进行，行，还应对下下阶段的工段的工艺和和过程的研究程的研究提出指提出指导性意性意见。第二次可行性研究可以作第二次可行性研究可以作为同有关部同有关部门签订合同的依合同的依据。据。10第三阶段：方案的审定第三阶段：方案的审定(一一)模型试验模型试验1、任务、任务2、内容、内容对数学模型法建立数学模型；数学模型法建立数学模型；对部分解析法找出放大部分解析法找出放大规律。律。化学反化学反应动力学模型（探力学模型（探讨反反应机理，主、副反机理，主、副反应）；）；流流动模型（通模型（通过冷模冷模试验进行）行）*冷模试验只研究物料的流动过程，而不研究化学反应，所冷模试验只研究物料的流动过程，而不研究化学反应，所以用空气代气体，水代液体，河沙代固体，并加入示踪剂，监以用空气代气体，水代液体，河沙代固体，并加入示踪剂，监测示踪剂浓度变化，建立数学方程，即流动模型。测示踪剂浓度变化，建立数学方程，即流动模型。11(二二)中试中试1、定义、定义2、主要任务、主要任务3、最终目的、最终目的中中试即中即中间试验的的简称，介于小称，介于小试和生和生产之之间，如果，如果生生产规模模较大，大，还需要需要进行若干逐行若干逐级放大的中放大的中试。考察从小考察从小试到中到中试的放大效的放大效应。带控制点的工控制点的工艺流程流程图、工、工艺参参数、物料衡算和能量衡算的数据等。数、物料衡算和能量衡算的数据等。12(三三)初步设计初步设计总工工艺流程，生流程，生产方法，工厂方法，工厂组成，成，总图布置，布置，水、水、电、气的供、气的供应方式和用量，关方式和用量，关键设备及及仪表表选型，型，全厂全厂贮远方案，消防、方案，消防、劳动安全与工安全与工业卫生，生，环境保境保护及及综合利用等。合利用等。1、定义、定义2、主要内容、主要内容 根据中根据中试结果而果而进行的生行的生产规模的全面模的全面设计，是工，是工程研究的程研究的终结，也是开，也是开发研究成果的表研究成果的表现形式。形式。13(四四)第三次可行性研究第三次可行性研究方案审定方案审定第三次可行性研究除了科研人第三次可行性研究除了科研人员和行政和行政领导参加外，参加外，凡是与工程凡是与工程审批有关的部批有关的部门(如投如投资部部门、安全部、安全部门等等)都都应参与参与审定。定。审定以后，工程定以后，工程项目被批准，然后目被批准，然后转入工程入工程设计。14第四阶段：方案的实施第四阶段：方案的实施(一一)施工设计施工设计(二二)施工施工(三三)竣工验收竣工验收 根据概念根据概念设计和初步和初步设计作作进一步具体、完善的一步具体、完善的设计它包括定型它包括定型设备的的规格，非格，非标设备的的结构构图、零件、零件图以及以及设备布置布置图等。上述等。上述设计完成后完成后还要要进行管道配制、行管道配制、电路、控制路、控制线路等施工路等施工设计。施工。施工设计图是工程建是工程建设的指南。的指南。根据施工根据施工图，完成工程前期的技，完成工程前期的技术准准备、组织准准备与物与物资准准备，进行工程中期的行工程中期的设备安装，再安装，再进行工程后期的行工程后期的试车。15信息信息研究研究实验性性研究研究可行性研可行性研究究(1)(1)小小试模型模型试验中中试概概念念设计可行性可行性研究研究(3)(3)可行性研可行性研究究(2)(2)初初步步设计施施工工设计施施工工过程研究程研究工程工程设计研究研究图图2-1 过程工业新产品开发的基本步骤过程工业新产品开发的基本步骤方案提出方案提出方案设计与论证方案设计与论证方案审定方案审定方案实施方案实施162.1.2 工艺路线的选择工艺路线的选择一、工艺路线选择的复杂性一、工艺路线选择的复杂性原因：原因：过程工程工业具有原料、工具有原料、工艺与与产品的多方案性品的多方案性17二、工艺路线选择的步骤二、工艺路线选择的步骤(一一)调查调查文献文献专利利调查。文献。文献专利利调查方法有利用文摘、方法有利用文摘、索引等二次文献索引等二次文献进行的行的人工人工检索和用存索和用存储二次二次文献的数据文献的数据库进行的行的联机机检索（有及索（有及时性和全性和全面性的特点）。面性的特点）。为了得列有关工了得列有关工艺的最的最新情新情报，向，向该项工工艺技技术所有者所有者致函致函调查是最是最实际的方法。一般从工的方法。一般从工艺技技术所有者那里可以所有者那里可以获得表得表21所示的信息。所示的信息。看书看书P1218(二二)分析分析根据根据调查所得到的信息，必要所得到的信息，必要时再通再通过实验补充一些数充一些数据，据，进行工行工艺试设计，掌握技，掌握技术难点。点。对工工艺过程的灵活性，有关的特殊控制因素，工程的灵活性，有关的特殊控制因素，工业上的上的效率，效率，对能量的需求，今后能量的需求，今后发展的可能性，展的可能性，对废物和副物和副产品的生成量及品的生成量及处置方式以及各种置方式以及各种设备或原料是否容易或原料是否容易得到等得到等进行技行技术分析。分析。经济方面要方面要对原料价格的原料价格的变动、产品价格品价格变动所造成的所造成的影响及盈影响及盈亏的关的关键因素因素进行分析，研究工行分析，研究工艺在在设想的想的经济环境中的收益性。境中的收益性。将某一工将某一工艺工工业化，并且化，并且获得得预想的收益是不容易的，想的收益是不容易的，必必须避免采用避免采用风险性大的工性大的工艺。19(三三)生产成本计算生产成本计算生生产成本成本包括包括直接材料直接材料费、直接燃料直接燃料及及动力力费、直接工直接工资和和职工福利工福利费及及制造制造费。详细计算在第算在第3章中再章中再讲，如下表。，如下表。20（四）（四）评价评价工工艺评价主要是按价主要是按现行行财税制度税制度规定及定及产品市品市场价格，价格，在生在生产成本和成本和费用估算的基用估算的基础上，上，计算所算所选工工艺在在财务上上的盈利能力。具体的盈利能力。具体计算与算与评价方法可参考价方法可参考32节（五）工艺路线的选择（五）工艺路线的选择总的原的原则是：生是：生产上安全可靠、技上安全可靠、技术上先上先进、经济上合理。上合理。21市场调查报告市场调查报告计算生产成本计算生产成本已知工艺的调查已知工艺的调查实用数据实用数据（本公司）（本公司）工艺工艺A工艺工艺B工艺工艺C工艺工艺D工艺工艺E（国内公司）（国内公司）（国内公司）（国内公司）（国外承包商）（国外承包商）（无专利许可证）（无专利许可证）（按合同不能用专利）（按合同不能用专利）发送询函发送询函实用数据实用数据B实用数据实用数据D实用数据实用数据EM承包公司承包公司M承包公司承包公司N（答复不明确）（答复不明确）来自研究开发部门的来自研究开发部门的本公司工艺的数据本公司工艺的数据来自工艺部门的其来自工艺部门的其它公司工艺的数据它公司工艺的数据收益性评价收益性评价不可行不可行可行可行本公司工艺本公司工艺（国内公司）（国内公司）（国外公司）（国外公司）第一次工艺评价第一次工艺评价本公司工艺本公司工艺工艺工艺B明显不合适明显不合适工艺工艺EM第二次工艺评价第二次工艺评价签订保密合同签订保密合同装置考察装置考察报报 批批签订合同签订合同经济性可以，无工业装置，经济性可以，无工业装置，装置建设费高，有发展前途装置建设费高，有发展前途经济性可以，已建多套工业装置，经济性可以，已建多套工业装置，装置建设费低，原料费高装置建设费低，原料费高经济性最佳，已建一套工业装置，经济性最佳，已建一套工业装置，操作有一定难度，产品质量好操作有一定难度，产品质量好本公司工艺不如工艺本公司工艺不如工艺B工艺工艺E已经陈旧已经陈旧图图2-2 工艺路线选择的顺序工艺路线选择的顺序图图22二、工艺路线选择的步骤二、工艺路线选择的步骤(一一)调查调查(二二)分析分析(三三)生产成本计算生产成本计算（四）（四）评价评价（五）工艺路线的选择（五）工艺路线的选择总的原的原则是：生是：生产上安全可靠、技上安全可靠、技术上先上先进、经济上合理。上合理。232.2 工艺设计的内容及设计文件工艺设计的内容及设计文件 工艺设计的内容和程序工艺设计的内容和程序初步设计的设计文件初步设计的设计文件施工图设计的设计文件施工图设计的设计文件 24工艺设计的内容和程序工艺设计的内容和程序主要内容有：主要内容有：原料和技原料和技术路路线的的选择工工艺流程流程设计物料衡算和能量衡算物料衡算和能量衡算工工艺设备设计与与选型型车间布置布置设计管道管道设计非工非工艺设计项目的考目的考虑编制制设计文件，包括文件，包括设计说明明书，附，附图（流程（流程图、布置、布置图和和设备图等）和附表（等）和附表（设备一一览表和材料表和材料汇总表等。）表等。）上面这些内容有的在初步设计中完成，有上面这些内容有的在初步设计中完成，有些要在施工设计中才做。些要在施工设计中才做。25计划任务书计划任务书编制工艺流程草图编制工艺流程草图物料衡算物料衡算能量衡算能量衡算设备工艺计算及选型设备工艺计算及选型自动控制自动控制工艺流程图设计工艺流程图设计车间布置设计车间布置设计概算概算技术经济分析技术经济分析编写设计说明书编写设计说明书工艺流程总图工艺流程总图物料平衡图物料平衡图原料用量、消耗定额及原料用量、消耗定额及“三废三废”排放排放表表能量消耗综合表能量消耗综合表设备一览表设备一览表非定型设备条件图非定型设备条件图控制系统图控制系统图带控制点工艺流程图带控制点工艺流程图车间平面及立面布置图、厂鸟瞰图车间平面及立面布置图、厂鸟瞰图技术经济分析表技术经济分析表概算书、投资及材料表概算书、投资及材料表初步设计说明书初步设计说明书图图2-3 初步设计程序初步设计程序26给排水给排水电力条件电力条件暖风条件暖风条件热力条件热力条件设备安装总图设备安装总图1.设备安装设备安装2.土建穿孔预埋土建穿孔预埋螺栓图螺栓图仪表施工图仪表施工图1.自控或集中控自控或集中控制仪表制仪表2.仪表一览表仪表一览表3.仪表预算仪表预算初步设计图纸初步设计图纸及说明书及说明书设备条件设备条件土建条件土建条件外管道外管道自控条件自控条件各项工程各项工程 预算预算管道施工图管道施工图1.主管布置图主管布置图2.管道布置图管道布置图3.单体设备接管图单体设备接管图4.管件图管件图5.管架、阀架图管架、阀架图6.管道材料表管道材料表7.和管道施工说明书和管道施工说明书8.图纸总目录图纸总目录车间布置图车间布置图管道结构图管道结构图预算预算1.设备安装预算设备安装预算2.管道安装预算管道安装预算总预算总预算全工程预算全工程预算图图2-4 工艺与非工艺设计配合关系工艺与非工艺设计配合关系27初步设计的设计文件初步设计的设计文件 设计说明书设计说明书；说明书的附图、附表。；说明书的附图、附表。设计依据设计依据设计指导思想设计指导思想设计范围及工厂组成设计范围及工厂组成建厂规模及产品方案建厂规模及产品方案主要原材料和燃料的规格主要原材料和燃料的规格生产方法及工艺流程、工艺计算生产方法及工艺流程、工艺计算厂址概况、公用工程及辅助工程、环境保护及综合利用厂址概况、公用工程及辅助工程、环境保护及综合利用工厂的机械化和自动化水平工厂的机械化和自动化水平劳动安全与工业卫生、工作制度及劳动定员劳动安全与工业卫生、工作制度及劳动定员存在的问题及解决意见、附图和附件存在的问题及解决意见、附图和附件28施工图设计的设计文件施工图设计的设计文件 (1)设计说明设计说明设计说明包括工明包括工艺设计说明，管道明，管道设计说明，隔明，隔热、隔、隔声声设计说明，防腐明，防腐设计说明等。明等。工艺设计说明包括设计依据，工艺说明，设计范围。工艺设计说明包括设计依据，工艺说明，设计范围。管道设计说明包括管道分区情况，管道图表示法有关标准，管道设计说明包括管道分区情况，管道图表示法有关标准，材料供应情况，设备安装的注意事项，管道预制及安装要材料供应情况，设备安装的注意事项，管道预制及安装要求，管架，静电接地采用的国家及部颁标准。求，管架，静电接地采用的国家及部颁标准。隔热、隔声设计说明包括隔热材料的选用，工程中遇到的隔热、隔声设计说明包括隔热材料的选用，工程中遇到的隔热等级，采用的隔热、隔声结构及标准，施工要求等。隔热等级，采用的隔热、隔声结构及标准，施工要求等。防腐设计说明包括涂漆的范围，采用的涂料名称，施工要防腐设计说明包括涂漆的范围，采用的涂料名称，施工要求，涂该的颜色，埋地管道的外防腐，管道的内防腐等。求，涂该的颜色，埋地管道的外防腐，管道的内防腐等。29(2)有关图纸有关图纸图纸目目录、首、首页图，管道及，管道及仪表流程表流程图，分，分区索引区索引图，设备布置布置图，设备安装安装图，管道布置，管道布置图，软管站布置管站布置图，管道，管道轴测图，管道，管道轴测图索索引和管段表索引，特殊管架引和管段表索引，特殊管架图管架管架图索引特索引特殊管件殊管件图，设备管口方位管口方位图等。等。(3)有关表格有关表格设备一一览表，表，设备地脚螺栓表，管段表及地脚螺栓表，管段表及管道物性表管架表，管道物性表管架表，弹簧簧汇总表，特殊表，特殊阀门和管道附件表。隔和管道附件表。隔热材料表，防腐材料表，伴材料表，防腐材料表，伴热管管图和伴和伴热管表，管表，综合材料表等。合材料表等。302.3 工艺设计工艺设计中的全局性问题中的全局性问题厂址的选择厂址的选择工厂的地理位置对于企业的成败具有重大工厂的地理位置对于企业的成败具有重大的影响，厂址选择的好坏对工厂的建设进的影响，厂址选择的好坏对工厂的建设进度、投资数量、经济效益以及环境保护等度、投资数量、经济效益以及环境保护等方面关系密切，所以它是基本建设的一个方面关系密切，所以它是基本建设的一个重要环节。重要环节。在选择厂址时，应该考虑在选择厂址时，应该考虑:原料和市场，原料和市场，能源供应，气候条件，运输条件，供水条能源供应，气候条件，运输条件，供水条件，对环境的影响，劳动力来源，节约土件，对环境的影响，劳动力来源，节约土地，协作条件，防灾等。地，协作条件，防灾等。312.3 工艺设计工艺设计中的全局性问题中的全局性问题总图布置总图布置即工厂的总体布局，其任务是要总体地解决全厂即工厂的总体布局，其任务是要总体地解决全厂所有的建筑物和构筑物在平面和竖向上的布置，所有的建筑物和构筑物在平面和竖向上的布置，运输网和地上、地下工程技术管网的布置，行政运输网和地上、地下工程技术管网的布置，行政管理、福利及美化设施的布置等问题。管理、福利及美化设施的布置等问题。32原料接收栈桥原料接收栈桥海上出海上出厂区厂区原料原料罐区罐区半成品及半成品及成品区成品区装置区装置区公用工公用工程区程区办公区办公区33 a生产要求：生产要求：总体布局首先要求保证径直和短捷总体布局首先要求保证径直和短捷的生产作业线，尽可能避免交叉和迂回，使各种物的生产作业线，尽可能避免交叉和迂回，使各种物料的输送距离为最小。同时将水、电、汽耗量大的料的输送距离为最小。同时将水、电、汽耗量大的车间尽量集中，形成负荷中心，并使其与供应源靠车间尽量集中，形成负荷中心，并使其与供应源靠近，使水、电、汽输送距离为最小。近，使水、电、汽输送距离为最小。b安全要求：安全要求：化工厂具有易燃、易爆、有毒的特化工厂具有易燃、易爆、有毒的特点，厂区应充分考虑安全布局遵守防火、卫生等安点，厂区应充分考虑安全布局遵守防火、卫生等安全规范和标准的布关规定，重点是防止火灾和爆炸全规范和标准的布关规定，重点是防止火灾和爆炸的发生。的发生。c发展要求：发展要求：厂区布置要求有较大的弹性，对于厂区布置要求有较大的弹性，对于工厂的发展变化有较大的适应性。也就是说，随着工厂的发展变化有较大的适应性。也就是说，随着工厂不断的发展变化，厂区的不断扩大厂内的生工厂不断的发展变化，厂区的不断扩大厂内的生产布局和安全布局方面仍能保持合理的布置。产布局和安全布局方面仍能保持合理的布置。总体布局主要应该满足三个方面的要求。总体布局主要应该满足三个方面的要求。34安全防火与环境保护安全防火与环境保护a设计中应考虑的防火防爆问题设计中应考虑的防火防爆问题 b设计工作中的防毒与环境保护设计工作中的防毒与环境保护35公用工程公用工程 公用工程包括公用工程包括动力动力、供排水供排水和和采暖通风采暖通风等内容。等内容。a动力动力 主要是考虑电力问题，比如搅拌机、泵、主要是考虑电力问题，比如搅拌机、泵、鼓风机、气体压缩机、提升机等通常都由电动机带鼓风机、气体压缩机、提升机等通常都由电动机带动，有时也使用蒸汽透平。动，有时也使用蒸汽透平。确定是使用电网的电力还是自备发电厂的电力。确定是使用电网的电力还是自备发电厂的电力。自备电厂除得到电力外，还有可能得到副产品自备电厂除得到电力外，还有可能得到副产品蒸汽以供工艺和加热使用。使用电网电力，则需设蒸汽以供工艺和加热使用。使用电网电力，则需设置锅炉房，以生产蒸汽。大型厂为了综合利用能量，置锅炉房，以生产蒸汽。大型厂为了综合利用能量，常使供热系统和生产装置常使供热系统和生产装置(例如换热设备、放出大量例如换热设备、放出大量反应热的反应器等反应热的反应器等)以及动力系统以及动力系统(例如发电设备、各例如发电设备、各种机、泵种机、泵)密切结合，成为工艺密切结合，成为工艺动力装置，可降低动力装置，可降低能量消耗，甚至做到能量消耗，甚至做到“能量自给能量自给”。36b供排水供排水 自备水源或市政供水系统。若需水量大，自备水源或市政供水系统。若需水量大，自备水源较为经济。自备水源可来自深井、河流、湖自备水源较为经济。自备水源可来自深井、河流、湖泊及其他蓄水系统。泊及其他蓄水系统。为节约用水，大量使用冷却水的工厂应循环利用。为节约用水，大量使用冷却水的工厂应循环利用。冷却塔冷却塔 RT2T1B W热交换器热交换器 E MR-循环水量循环水量 W-飞溅水量飞溅水量 M-补充水量补充水量 B-排放水量排放水量 E-蒸发水量蒸发水量 循循环冷却水是冷却水是指反复循指反复循环使用的使用的冷却水，如冷却水，如图，换热后温度升高的冷后温度升高的冷却水，却水，经冷却塔流冷却塔流下，由于和空气密下，由于和空气密切接触，靠一部分切接触，靠一部分水蒸水蒸发使水温度降使水温度降低，再循低，再循环使用。使用。37 c采暖通风采暖通风 是卫生工程，旨在保证厂房具有是卫生工程，旨在保证厂房具有适宜的工作条件适宜的工作条件(温度、湿度以及洁净的空气温度、湿度以及洁净的空气)。因为过程工业生产在许多情况下劳动条件较差，因为过程工业生产在许多情况下劳动条件较差，如高温和有害气体或有侵蚀性的气体，易燃、如高温和有害气体或有侵蚀性的气体，易燃、易爆的原料和粉尘。需设置通风系统以改善劳易爆的原料和粉尘。需设置通风系统以改善劳动条件，保障安全生产。有些生产过程要求室动条件，保障安全生产。有些生产过程要求室内有一定的温度和湿度内有一定的温度和湿度(如纤维厂如纤维厂)，这就需要，这就需要在通风系统中考虑调节空气温度和湿度，在采在通风系统中考虑调节空气温度和湿度，在采暖地区还要进行冬季采暖的设计。另有一些生暖地区还要进行冬季采暖的设计。另有一些生产过程则要求室内达到各种无菌级别的卫生要产过程则要求室内达到各种无菌级别的卫生要求求(如某些药剂车间如某些药剂车间)。38自动控制自动控制 针对温度、压力、流量、液位、成分和物性等参数针对温度、压力、流量、液位、成分和物性等参数的控制问题。其基本要求可归纳为如下三项。的控制问题。其基本要求可归纳为如下三项。安全性：安全性：是指在整个生产过程中，确保人身和设备是指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全，通常采用参数越限报警、事故报警和联锁的安全，通常采用参数越限报警、事故报警和联锁保护等措施加以保证。由于过程工业高度连续化和保护等措施加以保证。由于过程工业高度连续化和大型化的持点，通过在线故障预测和诊断，设计容大型化的持点，通过在线故障预测和诊断，设计容错控制系统等手段，进一步提高运行的安全性。错控制系统等手段，进一步提高运行的安全性。经济性：经济性：旨在通过对生产过程的局部优化或整体优旨在通过对生产过程的局部优化或整体优化控制，达到低生产成本、高生产效率和能量充分化控制，达到低生产成本、高生产效率和能量充分利用的目的。利用的目的。稳定性：稳定性：指控制系统具有抑止外部干扰，保持生产指控制系统具有抑止外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。过程长期稳定运行的能力。39 过程控制的任务就是在了解、掌握工艺流程和过程控制的任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上根据安全性、生产过程的静态和动态特性的基础上根据安全性、经济性、稳定性三项要求，通过对控制对象的分经济性、稳定性三项要求，通过对控制对象的分析综合，采用适宜的技术手段加以实现。析综合，采用适宜的技术手段加以实现。生产过程的自动控制设计主要包括自动检测系生产过程的自动控制设计主要包括自动检测系统设计；自动信号联锁保护系统设计动操纵系统统设计；自动信号联锁保护系统设计动操纵系统设计；自动调节系统设计等，详见第设计；自动调节系统设计等，详见第7章。章。40土建设计土建设计 土建设计包括全厂所有的建筑物、构筑物土建设计包括全厂所有的建筑物、构筑物(框架、框架、平台、设备基础、爬梯等平台、设备基础、爬梯等)设计。设计。过程工业生产有易燃、易爆、腐蚀性等特点，过程工业生产有易燃、易爆、腐蚀性等特点，因此对建筑有某些特殊要求，可参照因此对建筑有某些特殊要求，可参照“建筑设计建筑设计防火规范防火规范”进行设计。进行设计。为了减少爆炸事故对建筑物的破坏作用，建筑为了减少爆炸事故对建筑物的破坏作用，建筑设计中的基本措施就是利用泄压和抗爆结构。设计中的基本措施就是利用泄压和抗爆结构。在工厂的土建设计中，结构功能比式样重要得在工厂的土建设计中，结构功能比式样重要得多。结构功能要适用于工艺要求，如设备安装要多。结构功能要适用于工艺要求，如设备安装要求，扩建要求和安全要求等。求，扩建要求和安全要求等。41甲醇制氢工艺设计举例物料衡算、能量衡算物料衡算、能量衡算氢气的用途氢气的用途半导体工业半导体工业：大规模和超大规模及兆位级集成电路制造。：大规模和超大规模及兆位级集成电路制造。需高纯及特高纯氢气。需高纯及特高纯氢气。非晶硅与太阳能电池非晶硅与太阳能电池：用于沉积大面积、高质量、均匀的：用于沉积大面积、高质量、均匀的Si模，要求氢气高纯。模，要求氢气高纯。光导纤维和石英光纤的制造光导纤维和石英光纤的制造：用氢氧火焰加热（：用氢氧火焰加热（12001500）制造光纤预制棒，要求氢气高纯。）制造光纤预制棒，要求氢气高纯。石化工业石化工业：加氢裂化及加氢精制。：加氢裂化及加氢精制。42氢气的用途氢气的用途许多精细化工领域，依据不同的生产规模，也需要数量大许多精细化工领域，依据不同的生产规模，也需要数量大小不等的氢气。小不等的氢气。一旦生产过程需要氢气时，设计技术人员就有必要对制一旦生产过程需要氢气时，设计技术人员就有必要对制氢工艺路线，包括制氢原料（如价格及来源）、生产技术氢工艺路线，包括制氢原料（如价格及来源）、生产技术（是否先进）以及工艺过程（是否成熟）等进行比较和选择。（是否先进）以及工艺过程（是否成熟）等进行比较和选择。43制氢工艺路线的评判与选择制氢工艺路线的评判与选择 依据原料及工艺路线，目前制氢的方法有以下几种：依据原料及工艺路线，目前制氢的方法有以下几种：水电解法水电解法氯碱工业中电解食盐水副产氢气氯碱工业中电解食盐水副产氢气烃类水蒸气转化法烃类水蒸气转化法烃类部分氧化法烃类部分氧化法煤气化和煤水蒸汽转化法煤气化和煤水蒸汽转化法氨或甲醇催化裂解法氨或甲醇催化裂解法石油炼制与石油化工过程中的各种副产氢石油炼制与石油化工过程中的各种副产氢合成氨厂和焦化厂的各种富含氢的废气合成氨厂和焦化厂的各种富含氢的废气44制氢工艺路线的评判与选择制氢工艺路线的评判与选择 依据原料及工艺路线，目前制氢的方法有以下几种：依据原料及工艺路线，目前制氢的方法有以下几种：水电解法水电解法能耗大，趋于淘汰能耗大，趋于淘汰氯碱工业中电解食盐水副产氢气氯碱工业中电解食盐水副产氢气烃类水蒸气转化法烃类水蒸气转化法目前世界应用最普遍，规模大，目前世界应用最普遍，规模大，工艺复杂工艺复杂烃类部分氧化法烃类部分氧化法规模大，工艺复杂，流程长规模大，工艺复杂，流程长煤气化和煤水蒸汽转化法煤气化和煤水蒸汽转化法氨或甲醇催化裂解法氨或甲醇催化裂解法石油炼制与石油化工过程中的各种副产氢石油炼制与石油化工过程中的各种副产氢合成氨厂和焦化厂的各种富含氢的废气合成氨厂和焦化厂的各种富含氢的废气45甲醇蒸汽转化制氢工艺的特点 随着精细化工行业的发展，当氢气用量在随着精细化工行业的发展，当氢气用量在2003000m3/h时，时，甲醇氢气转化制氢技术表现出良好的技术经济指标，受到许多甲醇氢气转化制氢技术表现出良好的技术经济指标，受到许多国家的重视。国家的重视。该工艺的特点：该工艺的特点：与大规模的天然气、轻油蒸气转化制氢或水煤气制氢相比，与大规模的天然气、轻油蒸气转化制氢或水煤气制氢相比，投资省，能耗低（投资省，能耗低（50%）。反应温度低（）。反应温度低（260280）。）。与电解水制氢相比，单位氢气成本低，一套规模为与电解水制氢相比，单位氢气成本低，一套规模为1000m3/h的甲醇制氢装置的单位氢气成本低于的甲醇制氢装置的单位氢气成本低于1.2元元/m3，电解水为，电解水为35元元/m3。甲醇原料易得，运输、贮存方便。甲醇原料易得，运输、贮存方便。可以做成组装式或可移动的装置，操作方便，搬运灵活。可以做成组装式或可移动的装置，操作方便，搬运灵活。46甲醇蒸汽转化制氢工艺设计47分离方法的选择 通常产品氢气要求纯度通常产品氢气要求纯度99.99%，COCO2 20106分离方法：分离方法：变压吸附（变压吸附（PSA）：）：变压吸附是利用吸附吸附是利用吸附剂对不同气体不同气体组分的吸附分的吸附特性不同，及吸附量随特性不同，及吸附量随压力力变化而化而变化的特性，通化的特性，通过压力力变换过程程实现气气体分离。体分离。膜分离膜分离：利用各种气体利用各种气体组分在透分在透过纤维膜膜时的溶解度和的溶解度和扩散系数不同，散系数不同，导致不同气体在膜中的相致不同气体在膜中的相对渗透速率不同，渗透速率不同，对气体气体进行提行提纯（在原料气的（在原料气的各各组分中分中氢气的相气的相对渗透速率最快，从而可将渗透速率最快，从而可将氢气分离提气分离提纯）。）。48甲醇制氢工艺设计工艺路线：工艺路线：甲醇裂解甲醇裂解吸收法脱吸收法脱CO2(碳酸丙烯酯碳酸丙烯酯)变压吸附氢提纯变压吸附氢提纯物料流程图物料流程图49甲醇制氢物料衡算（1）依据：）依据：50甲醇制氢物料衡算（2）投料量计算：）投料量计算：（醇水投料比（醇水投料比1:1.5）51甲醇制氢物料衡算（3）原料液储槽（）原料液储槽（V0101）：）：52甲醇制氢物料衡算（4）换热器）换热器(E0101)、汽化塔、汽化塔(T0101)、过热器、过热器(E0103)：没有物流变化没有物流变化53甲醇制氢物料衡算（5）转化器（）转化器（R0101）：）：54甲醇制氢物料衡算（5）转化器（）转化器（R0101）：）：55甲醇制氢物料衡算（6）吸收塔（）吸收塔（T0102）、解析塔（）、解析塔（T0103）：）：560.3811.7757甲醇制氢物料衡算（6）吸收塔（）吸收塔（T0102）、解析塔（）、解析塔（T0103）：）：58甲醇制氢物料衡算（6）吸收塔（）吸收塔（T0102）、解析塔（）、解析塔（T0103）：）：59甲醇制氢物料衡算各节点的物料量：各节点的物料量：60甲醇制氢热量衡算（1）汽化塔（）汽化塔（T0101）顶温确定：）顶温确定：在已知汽相组成和总压的情况下，可根据汽液平衡关系确定汽化塔的操作温度。在已知汽相组成和总压的情况下，可根据汽液平衡关系确定汽化塔的操作温度。甲醇和水的蒸气压数据可查手册。甲醇和水的蒸气压数据可查手册。61甲醇制氢热量衡算（1）汽化塔（）汽化塔（T0101）顶温确定：）顶温确定：62甲醇制氢热量衡算（2）转化器（）转化器（R0101）：）：63甲醇制氢热量衡算（3）过热器（）过热器（E0102）：）：64甲醇制氢热量衡算（4）汽化塔（）汽化塔（T0101）：）：65甲醇制氢热量衡算（5）预热器（）预热器（E0101）：）：66甲醇制氢热量衡算（6）冷凝器（）冷凝器（E0103）：）：67设备设计条件图68Thank You世界触手可及世界触手可及携手共携手共进，齐创精品工程精品工程