第一篇：化工設(shè)計教案

化工設(shè)計教案

為什么要學習《化工設(shè)計》

(1)從一個新產(chǎn)品或新工藝的試驗研究開始到進行工廠建設(shè)為止，都需要進行設(shè)計。(2)幫助我們從高等學校走向社會時能適應(yīng)新的工作崗位的需要，迅速實現(xiàn)從大學生向工程師的轉(zhuǎn)化。

(3)幫助我們學會綜合運用各種已學過的知識系統(tǒng)地分析問題和解決問題。

學什么

學設(shè)計的基本原理、基本程序和方法。其主要內(nèi)容有：

(1)當代先進水平的化工裝置設(shè)計有哪些內(nèi)容？如何完成之？(2)如何設(shè)計工藝流程、選擇工藝參數(shù)和設(shè)備？(3)如何進行廠房、車間和管道布置？(4)如何編制設(shè)計文件？

如何學

(1)多讀幾本書，聽課與自學相結(jié)合(2)多應(yīng)用，理論與實踐相結(jié)合化工設(shè)計是將一個系統(tǒng)(一個工廠、一個車間)按照工廠工藝技術(shù)要求，經(jīng)工程技術(shù)人員的創(chuàng)造，將其全部描繪成的圖紙，表格及必要的文字說明，即把工程技術(shù)裝備用工程語言表達出來。然后根據(jù)這一“語言”，把這個系統(tǒng)建立起來，并投入運行?；蛘f:設(shè)計工作是一項能將人們的設(shè)想和想象轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實的一個重要步驟，通過課程的學習，我們可以知道化工廠的建設(shè)程序，設(shè)計程序，主要設(shè)計內(nèi)容等一些基本概念?；ぴO(shè)計概述

一、化學工業(yè)的發(fā)展歷史、化學工業(yè)覆蓋的范圍及其在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地位

1、化學工業(yè)的發(fā)展歷史：化學工業(yè)歷經(jīng)了古代、近代、現(xiàn)代三個主要發(fā)展階段。

化學工業(yè)發(fā)展階段：① 古代化學工業(yè)：從數(shù)千年前人類陽光曬鹽、地下鹵水煮鹽開始，萌發(fā)了古老的化學工業(yè)。②近代化學工業(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，表明近代化學工業(yè)的形成。③ 現(xiàn)代化學工業(yè)：上世紀40年代開始，隨著合成橡膠、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，在科學技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模二個層面上，揭示現(xiàn)代化學工業(yè)開始形成。

2、化學工業(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)：

1、離散型制造業(yè)（例如汽車工業(yè)等）

2、過程工業(yè)型制造業(yè)（又稱“流程型制造業(yè)”）（例如化學工業(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10億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5000立方米。

3、現(xiàn)代化學工業(yè)覆蓋的范圍：我國化學工業(yè)的分類與美國、歐盟關(guān)于化學工業(yè)的范疇有一些區(qū)別，但逐步在接軌，按美國、歐盟的化學工業(yè)年鑒，現(xiàn)代化學工業(yè)覆蓋以下范圍： 現(xiàn)代化學工業(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、化學工業(yè)在現(xiàn)代經(jīng)濟體系中的地位

化學工業(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，都離不開化學工業(yè)提供的物質(zhì)支撐?；瘜W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。美國化學工業(yè)的規(guī)模一直雄居世界化學工業(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

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。

化工廠設(shè)計分為：a、化工過程設(shè)計（核心）（包括化工工藝設(shè)計（核心），公用工程設(shè)計、外管設(shè)計，?等；）b、非工藝部分設(shè)計（化工廠房建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計；總圖設(shè)計，?.等）

根據(jù)項目性質(zhì)化工設(shè)計可分為：新建項目設(shè)計、重復建設(shè)項目設(shè)計、已有裝置的改造設(shè)計。

根據(jù)化工過程開發(fā)程序化工設(shè)計可分為：概念設(shè)計、中試設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計和工程設(shè)計； 其中工程設(shè)計又包括：初步設(shè)計、擴大初步設(shè)計和施工圖設(shè)計。

2、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：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。

化工過程設(shè)計的內(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，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。

化工過程設(shè)計發(fā)展方向：復雜大型化工廠的設(shè)計；自主創(chuàng)新設(shè)計；與國際工程設(shè)計的接軌 PID（Process Instrument Diagram）帶控制點的工藝儀表管道流程圖

（工藝專業(yè)部）PFD（Process Flowsheet Diagram）過程物料流程圖

UID（Utility Instrument Diagram）公用工程儀表管道流程圖

（工藝系統(tǒng)專業(yè)部）UFD（Utility Flowsheet Diagram）公用工程物料流程圖

現(xiàn)代化學工業(yè)的發(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、多尺度化學工業(yè)綠色化的含義：以“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；Reduce（2）、減少有害物質(zhì)的使用或生成；Reduce（3）、減少廢棄物，并使廢棄物在系統(tǒng)類在利用；Recycle（4）、盡量將排放的廢棄物轉(zhuǎn)化為可用的再生資源；Resource（5）、盡量延長產(chǎn)品的生命周期。

在化學工程領(lǐng)域?qū)嵤┳怨こ處熤贫?，在化學工程師心目中樹立倫理學觀念，建立責任關(guān)懷制度。開始逐步成為國際化學工程領(lǐng)域的一個發(fā)展大趨勢。倫理學理念體現(xiàn)在：（1）、自覺維護化工過程的安全；（2）、自覺保護環(huán)境的意識；（3）、自覺節(jié)約資源的意識；（4）、對業(yè)主、化工廠操作人員、同事負責的精神。

責任關(guān)懷制度的含義：（1）、提高對安全、健康、環(huán)保、資源的認知和行動；（2）、充分報道成績、行動計劃，但不回避缺陷；（3）、與公眾溝通，并傾聽意見的日常化。等等。

三、化工設(shè)計的內(nèi)容與程序

我國化工廠基建的程序如下：基建：基本建設(shè)的簡稱，一個項目從設(shè)想到建成投產(chǎn)的過程。

四、化工車間工藝設(shè)計的程序與內(nèi)容

內(nèi)循環(huán)優(yōu)化：

在流程結(jié)構(gòu)不變的前提下，通過修改、調(diào)整流程內(nèi)部的部分設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)，來對流程進行優(yōu)化設(shè)計。內(nèi)循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于老流程的改造，并對實驗室研究開發(fā)有指導意義。

外循環(huán)優(yōu)化：

在內(nèi)循環(huán)優(yōu)化不能滿足優(yōu)化目標的情況下，重新做流程組織，對流程結(jié)構(gòu)進行改頭換面的大變動，而達到對流程進行優(yōu)化設(shè)計的目的。外循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于新廠設(shè)計時，對多個流程方案進行分析比較?？尚行匝芯亢褪袌稣{(diào)研

初始考慮

化學工程設(shè)計項目沒有一套標準的求解步驟，也沒有唯一“正確”的答案。這涉及項目中需要考慮很多不同方面的問題，最終被接受的解決方案通常是若干備選方案中“較好”的方案。設(shè)計研究的重要特征是在每個階段都要作出決策，并且常常需要做出妥協(xié)。在設(shè)計的后續(xù)階段還要重新考察前期所做出的決策，重新尋求解決方案，并重新評價方案。

設(shè)計項目的可行性研究主要包括對候選過程進行的技術(shù)和經(jīng)濟評價。其目的是決定是否進入詳細設(shè)計階段以及隨后的施工建設(shè)階段。此時需要考慮很多因素，比如法律法規(guī)、政策影響等，所有這些方面都應(yīng)該在花費巨大的詳細設(shè)計開始之前予以考慮。

設(shè)計項目包括一個需要解決的問題，一個項目管理人，一個項目工程師團隊，以及各種截止期限。

界定問題→選定方案→剔除不可行方案→形成計劃

其中包括了： 時間管理

設(shè)計的階段：構(gòu)思和界定，流程圖確定，設(shè)備設(shè)計，經(jīng)濟性分析，最優(yōu)化，報告 信息搜集

項目內(nèi)容：生產(chǎn)能力，產(chǎn)品規(guī)格，原料，公用工程，廠址，預期的市場，生產(chǎn)工藝 候選方案評價（決策）：如何制備，用途，目前的生產(chǎn)和銷售情況，環(huán)境問題，公用工程，儲運

案例：

領(lǐng)苯二甲酸酐的生產(chǎn)

技術(shù)和經(jīng)濟可行性研究總述

鄰苯二甲酸酐（苯酐，phthalic anhydride PAN）是白色固體結(jié)晶，是環(huán)狀酸酐同系物中最簡單的一個。在熔融狀態(tài)，它是像水一樣的無色液體。正常沸點280℃，正常熔點131℃，但是在沸點以下很容易產(chǎn)生蒸氣并凝華。在低濃度下（2ppm）顯示出毒性，對皮膚有強烈刺激。與空氣形成爆炸性混合物的濃度范圍是1.7%~10.5%。

目前，鄰二甲苯（ortho-xylene）是其主要生產(chǎn)原料，在20世紀70年代的主要生產(chǎn)原料是萘（naphthalene）。使用空氣進行固定床催化氧化工藝是目前多數(shù)生產(chǎn)廠家首選的方法。苯酐的主要用途是增塑劑、聚酯、醇酸樹脂和染料等。近年來苯酐全球生產(chǎn)量增加緩慢。目前，澳大利亞僅有一家公司生產(chǎn)苯酐，它有兩個工廠，位于新南威爾士。兩個工廠建于20世紀60年代，使用萘為原料，技術(shù)落后。在日本、韓國、中國臺灣有若干大型工廠，這些工廠和該地區(qū)的其他幾個生產(chǎn)廠的產(chǎn)量加在一起就可以滿足當?shù)睾驮搮^(qū)域的需求，大多數(shù)工廠實際生產(chǎn)量均低于設(shè)計能力20%~40%。

生產(chǎn)苯酐的LAR工藝是最新技術(shù)，能夠以低于目前售價（0.95-1.00澳元/kg）的成本進行生產(chǎn)。然而在考慮資金償還和實際利潤空間后，位于西澳大利亞的新工廠的產(chǎn)品售價可能高達1.45澳元/kg。30000t/a的產(chǎn)能即可滿足澳大利亞對苯酐的需求，并且能夠有少量出口。如果能找到合適的市場，60000t/a的生產(chǎn)規(guī)模也是可行的。年產(chǎn)3萬噸的工廠投資估計在2500萬到7000萬澳元之間；年產(chǎn)6萬噸的裝置投資估計在4100萬到1.05億澳元之間。新苯酐工廠的總體可行性很大程度上取決于位于工廠附近的下游加工基地的建設(shè)。

從經(jīng)濟和政策的角度考慮，傾向于選擇位于西澳大利亞西南Kemerton附近的廠址。位于該區(qū)域的建設(shè)項目將得到政府的支持，因為有助于實現(xiàn)主要工業(yè)基地的分散化。在該地區(qū)，高度發(fā)達的基礎(chǔ)設(shè)施和交通條件要么已經(jīng)建成，要么正在籌建。當?shù)氐拇爸圃鞓I(yè)也是苯酐的潛在市場。

盡管工廠的日常運行會存在某些危險，還會排放出一些廢氣和廢水，但是預計新建工廠對環(huán)境的影響將很小。采用LAR工藝的苯酐生產(chǎn)廠還可以副產(chǎn)電力供給當?shù)仉娋W(wǎng)或者附近的工廠。（參考文獻：1968~1996公開出版的46篇專著和期刊）

問題的確定和背景資料 總述

苯酐是一種石化中間體，用于增塑劑（PVC增塑劑）、醇酸樹脂、聚酯和染料。市售狀態(tài)可以是熔融狀態(tài)或者白色粉末。幾乎所有的鄰二甲苯都消耗在苯酐的生產(chǎn)上，過去使用萘生產(chǎn)苯酐。在可行性研究前期，找到合適的高純鄰二甲苯供應(yīng)是至關(guān)重要的通過選用合適的催化劑，固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器都可以得到很高收率，因而均為可行的候選方案。在操作時必須十分小心，因為苯酐粉塵和空氣容易形成爆炸性混合物，并且苯酐自發(fā)地與多種有機化合物發(fā)生反應(yīng)。

（1）背景和目標

確定待生產(chǎn)化學品關(guān)鍵化學性質(zhì)，突出的市場問題以及生產(chǎn)中潛在的困難?？偨Y(jié)該化學品的主要應(yīng)用領(lǐng)域并確定出目前的市場需求。在此階段還要找出可能的生產(chǎn)工藝，并且初步評價其可行性。

（2）鄰苯二甲酸酐化學結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)

苯酐是一種無水酸衍生物，可以有鄰二甲苯經(jīng)過部分氧化得到，反應(yīng)式如下： C6H4(CH3)2

+

3O2 →

C6H4(CO)2O

+

3H2O 在室溫下，苯酐是一種白色結(jié)晶固體，沸點284.5℃，熔點131.6℃，冷凝時傾向于凝華。講給回收系統(tǒng)帶來麻煩。在熔融狀態(tài)，其密度是水的110~120%，粘度與水相似（0.55~1.2cp）。苯酐具有危險性，與空氣形成爆炸性混合物（140℃以上的爆炸極限是1.7%~10.5%（V%））。含量超過2ppm時有毒性，能強烈刺激眼睛，呼吸道，皮膚和粘膜組織。

（3）應(yīng)用和用途

大約50%鄰二甲苯酸酐用于生產(chǎn)PVC的增塑劑。其他應(yīng)用領(lǐng)域也很重要：不飽和聚酯（消耗全部苯酐的15%-20%）；醇酸樹脂（10%-15%）及染料（酚酞和蒽醌）及其他用途。在西澳大利亞，苯酐主要用作增塑劑，為建筑行業(yè)和汽車工業(yè)服務(wù)。醇酸樹脂可以用于造船工業(yè)。本地無染料市場。

從20世紀50年代開始，世界范圍內(nèi)苯酐的生產(chǎn)量以每年3%-5%的穩(wěn)定幅度緩慢增長，估計目前總年產(chǎn)量350萬噸。售價隨需求和產(chǎn)量的起伏波動很大。目前價格0.8-1.0美元/kg。

（4）基礎(chǔ)化學

鄰二甲苯和萘在一定條件下都可以氧化成苯酐，并伴隨水的生成。反應(yīng)歷程先是生成鄰苯二甲酸。如果用萘作為原料，還會生成二氧化碳副產(chǎn)物。

合成反應(yīng)可以在液相或氣相中進行，但是必須使用催化劑以實現(xiàn)高選擇性。反應(yīng)強放熱，必須設(shè)計移除反應(yīng)熱的方法。根據(jù)反應(yīng)式計算得到的最高產(chǎn)率是1.39kg(苯酐)/ kg(鄰二甲苯)，或1.15kg(苯酐)/ kg(萘)。實際生產(chǎn)中的產(chǎn)率分別是1.09kg(苯酐)和0.95kg(苯酐)。

苯酐可以反應(yīng)生成酯、鹽和酸性氯化物。其苯環(huán)可以氯化和磺化。其他重要化學反應(yīng)有：與苯縮合生產(chǎn)蒽醌衍生物，與苯酚縮合生成酚酞，與尿素和金屬的二醋酸鹽生成酞花青金屬鹽。

（5）對各種候選工藝過程的評價

生產(chǎn)苯酐有三種可能的原料：鄰二甲苯、萘、正戊烷。傳統(tǒng)原料是煤焦油萘，現(xiàn)在最普遍的原料是鄰二甲苯。苯酐的第一個專利（BASF，1896）使用濃硫酸在汞鹽作用下進行氧化。第一個氣相反應(yīng)工藝在1917年獲得專利。目前苯酐生產(chǎn)中使用最廣泛的催化劑使用鉀修飾的五氧化二釩（含有鉬氧化物和錳氧化物等助催化劑）。正戊烷法是最新技術(shù)，但必須保證廉價原料供應(yīng)。

影響原料選擇的主要因素有：產(chǎn)率，來源和成本。此外還有催化劑，公用工程及產(chǎn)品質(zhì)量也會影響最終選擇。由于幾乎所有的鄰二甲苯都用用生產(chǎn)苯酐，所以新建工廠不大可能從一般市場上買到充足的鄰二甲苯原料。因此，使用混合二甲苯為原料進行二甲苯分離的工廠經(jīng)常與苯酐工廠建在一起。

除了原料選擇以外，設(shè)計中主要考慮反應(yīng)器類型。固定床和流化床對于氣相工藝都是可行的。氧化反應(yīng)可以在高和低兩種不同的空氣比率下實現(xiàn)，但是該比率對于反應(yīng)器及其下有設(shè)備的設(shè)計產(chǎn)生顯著的影響。從世界范圍來看，不同工廠采用了不同的技術(shù)，包括看似可行性較小的液相反應(yīng)工藝。

典型情況下產(chǎn)品需要達到99.7%的純度。主要雜質(zhì)是馬來酸酐和單環(huán)芳香族化合物。原料和產(chǎn)品都是人體的刺激物。工廠操作人員在有可能接觸到有害物質(zhì)的任何場所都應(yīng)配戴適當?shù)陌踩o具。

（6）結(jié)論

? 通常環(huán)境條件下苯酐是白色晶體。它可以與空氣形成爆炸性混合物，并對人體組織有刺激性，因此需要配戴適當?shù)陌踩o具。

? 苯酐主要作為化學中間體，用來生產(chǎn)增塑劑，醇酸樹脂和不飽和聚酯。? 苯酐主要通過鄰二甲苯用空氣氧化生產(chǎn)，該氣相催化反應(yīng)是強放熱反應(yīng)。? 世界范圍內(nèi)對苯酐的需求增長緩慢，目前需求量已接近生產(chǎn)能力。? 對于新籌建的工廠，鄰二甲苯供應(yīng)是可行性研究的一項重要內(nèi)容。

? 反應(yīng)器可以是固定床，也可以是流化床，但必須考慮采用適當?shù)囊瞥磻?yīng)熱的措施。

（7）建議

? 確定該地區(qū)苯酐生產(chǎn)廠，對苯酐目前的供應(yīng)和預期供應(yīng)做出總體評價。? 確定該區(qū)域苯酐的最終用戶

? 確定為該區(qū)域服務(wù)的新建苯酐廠的最經(jīng)濟規(guī)模。? 確定傾向性的工藝路線和反應(yīng)器類型。

2.1 可行性研究

2.1.1 初步的可行性研究

化工過程設(shè)計的可行性研究包括技術(shù)可行性和經(jīng)濟可行性兩部分。初步的可行性研究僅是一個最初的評價，在此階段，可以傾向于采用某種工藝路線，但最終的生產(chǎn)工藝沒有確定，因此，要獲取各種候選工藝路線的信息并對其在特定項目中的適用性進行評價。即考慮特定設(shè)備的設(shè)計問題，判斷根據(jù)某種工藝來設(shè)計和建設(shè)工廠，并考慮排放和原料供應(yīng)等問題。同時還應(yīng)定性說明過程的經(jīng)濟可行性。2.1.2 初步的市場調(diào)研與經(jīng)濟分析 分為幾個步驟：（1）確定過程中所有原料的價格（交貨價格），確定擬生產(chǎn)化學品的售價（出廠價或市場價），確認所有原料的成本之和低于產(chǎn)品售價。

（2）確定產(chǎn)品的市場與容量。確認市場是萎縮還是增長，分析過去5年內(nèi)的銷售和生產(chǎn)的趨勢。找出趨勢中的異常情況，并分析原因。估計能預見到的最小銷售量，并分析在短期不利經(jīng)濟條件下該產(chǎn)量能否盈利或保持盈虧平衡。比較預期銷售量和待建工廠盈利時的生產(chǎn)能力。

（3）確定該產(chǎn)品的傳統(tǒng)用途或主要用途。將注意力集中在用途占比在60%-70%的主要用途上。還要調(diào)研新的應(yīng)用領(lǐng)域。（參考各類經(jīng)濟數(shù)據(jù)）（4）確定待建廠的生產(chǎn)能力

（5）找到生產(chǎn)相同產(chǎn)品的現(xiàn)有工廠的總投資數(shù)據(jù)。這只是一個估計，準確數(shù)據(jù)要在詳細設(shè)計的基礎(chǔ)上得出。要注意現(xiàn)有工廠和待建工廠間的差別，比如土地和原料費用，交通運輸網(wǎng)絡(luò)等。

（6）估計工廠可能的運行年數(shù)，計算工廠投資的回收期。確定可能的銀行貸款利率，確定每年的固定成本和利息，折算到每噸產(chǎn)品上，粗略估計工廠的操作費用（人工，公用工程，維護）

（7）以每年或每噸產(chǎn)品為基準，計算各單項成本，包括原料、固定投資償還和操作費用等。將各單項費用之和與預期的銷售收入進行比較。

（8）經(jīng)可行性研究的所有結(jié)果以清晰簡明的方式進行書面總結(jié)。指出所做的所有假設(shè)，可顯著影響該研究結(jié)果的因素，以及任何特殊的當?shù)匾蛩亍?yīng)考慮各種可能的情形，比如銷售價格的變化，原料價格的變化，出口市場的增長等，并給出對策。不要只給出一套數(shù)據(jù)和條件，并假定只存在著一種可能性。提出建議并給出其他備選的方法和條件。

在設(shè)計的大多數(shù)階段，最關(guān)鍵的問題都是確定做出重要決定是所依據(jù)的主要因素。影響大多數(shù)項目成敗的普遍因素有：環(huán)境問題，安全問題，工廠的經(jīng)濟運行。

如果可行性研究的答案是否定的，就需要按照重要性理出所有的原因，并且指出那些可能的變化會使答案變成肯定；如果答案是肯定的，則列出此結(jié)論所依據(jù)的所有假設(shè)和限定條件，并按重要性順序排列。

2.1.3 信息來源

進行文獻檢索，最關(guān)鍵的一點是提出并回答：何種類型的信息是我想要的和實際需要的？專利和授權(quán)許可協(xié)議是獲得最新進展的唯一渠道。在進行化學工程資源文獻檢索后，還可以查詢化學文摘，專利文獻，外文雜志，甚至與生產(chǎn)該產(chǎn)品的公司直接聯(lián)系。

2.1.4 對已知文獻進行評價

這一點可以區(qū)分工程師和技師，應(yīng)該通過分析處理所得數(shù)據(jù)，從而作出合理的決策。設(shè)計工作總要進入下一個階段，不應(yīng)該只是單純搜集數(shù)據(jù)，而是要指出下一步工作的方向。設(shè)計項目工作的基本規(guī)格是3D，即Drive，Direction和Decision。2.1.5 關(guān)于文獻調(diào)研的考慮 在文獻調(diào)研之前應(yīng)該考慮：

文獻調(diào)研是必要的，還是強制要求完成的？

文獻調(diào)研應(yīng)該是對與項目特定方面相關(guān)的已知重要信息的綜述。文獻調(diào)研之前，確定需要哪些類型的信息

設(shè)計完成之前，很難做出全面的調(diào)研。而一旦設(shè)計完成，文獻調(diào)研的大多數(shù)內(nèi)容可能沒有多大價值了。

設(shè)計項目包含很多階段和方面，僅進行一次調(diào)研是不夠的，在進行特定項目設(shè)計時，可能需要對該方面有用和已知的信息進行再次評價。

案例

鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)的初步可行性研究（1）市場評價 生產(chǎn)情況

（a）世界范圍 生產(chǎn)量和市場，生產(chǎn)增長，原料轉(zhuǎn)變，企業(yè)數(shù)量，單套裝置生產(chǎn)規(guī)模（b）區(qū)域范圍 西太平洋地區(qū)，運行和建設(shè)以及擬建裝置（c）國內(nèi)范圍 澳大利亞ICI的企業(yè) 21.5kt/a（2）目前和未來的價格

近幾年的苯酐在60-100美分/kg波動。（3）需求

增塑劑，不飽和聚酯，醇酸樹脂三塊市場需求（4）進出口

澳大利亞進出口情況大幅度波動，過去10年間，進口量1000-5000噸/年。數(shù)量少但交易或把數(shù)量卻很多（21個國家），說明沒有固定的進口市場。出口市場已消失。

盡管苯酐交易量不大，但過去10年間聚酯和醇酸樹脂進口量很大。如果苯酐終端產(chǎn)品的進口需求可以由本地生產(chǎn)廠滿足，則新的苯酐工廠可以在本地找到市場。（5）生產(chǎn)規(guī)模

目前進口很少，出口市場也小。從中長期來看，由于該地區(qū)新建項目的發(fā)展，增加出口的可能性也不大。澳大利亞目前生產(chǎn)設(shè)施陳舊，技術(shù)落后，如果投入新裝置，現(xiàn)有的工廠是沒有競爭力的?；拘枨罂赡茉?5000噸/年左右，預留部分發(fā)展空間，建議將工廠規(guī)模定為3萬噸/年。第二種選擇6萬噸。這是基于終端產(chǎn)品應(yīng)用市場的共同開發(fā)以及出口市場和現(xiàn)貨市場（2萬噸/ 年）的有利變化而確定的。（6）產(chǎn)品價值和操作費用（a）固定投資

使用兩種方法估算投資，一是基于列線法，按照廠址和通貨膨脹進行比例增減；二是基于最近的建設(shè)成本，然后按照規(guī)模廠址和通貨膨脹進行比例增減。列線法估算

1982年，西歐年產(chǎn)3萬噸工廠投資2800萬美元，而6萬噸工廠投資4300萬美元。匯率取0.97美元兌1澳元，廠址因子1.4（西歐對澳大利亞），1990年以前通貨膨脹指數(shù)取1.15（工廠成本指數(shù)），1990年到1996年通貨膨脹指數(shù)取1.19（年均3%），則對于澳大利亞新建的3萬噸廠，投資為7000萬澳元；對于6萬噸廠則為1.05億澳元。最近建設(shè)估算

1983年1月日本建成年產(chǎn)6萬噸苯酐的工廠花費40.3億日元（不包括專利使用費和工程費用或催化劑費用）。如果這些附加費用按照總費用20%估算并使用當前的匯率，則折算總投資為2300萬澳元?？紤]地域因子和通貨膨脹以后得到的估算數(shù)值為4100萬澳元。使用0.7的規(guī)模校正指數(shù)，則年產(chǎn)3萬噸的工廠需要投資2500萬澳元。（b）操作費用

1987年使用鄰二甲苯為原料的苯酐廠總操作費用估計為46.3美分/kg。其中原料費用33.3美分/kg（1.01kg苯酐/kg原料），公用工程費用1.2美分/kg，催化劑費用0.5美分/kg，固定成本（工資，維修，管理，稅收，保險等）4.5美分/kg以及工廠折舊費（按投資的10%計）6.6美分/kg。根據(jù)地域、通貨膨脹和原料成本浮動作適當調(diào)整后，1996年澳大利亞苯酐廠的生產(chǎn)成本（即總的操作費用）估計為0.87澳元/kg。（c）大致的售價

確定苯酐最終售價是需要考慮操作成本、投資償還和其他固定成本、運輸成本以及要求的利潤空間。由于西澳大利亞距離潛在的市場位置較遠，初步估計運輸費用為0.03澳元/kg（對于原料）和0.07澳元/kg（對于產(chǎn)品，為保證苯酐處于熔融狀態(tài)需要加熱和保溫）。投資償還與工廠的規(guī)模有關(guān)，出估計為0.08-0.2澳元/kg（以10%利率計），因此，盈虧點價格為1.10-1.20澳元/kg。

按照目前苯酐售價0.95-1.00澳元/kg，似乎沒有什么盈利空間，如果要是改項目可行而設(shè)置20%的利潤率，則最終售價將上升到1.45澳元/kg。如此價位已經(jīng)是商業(yè)銷售的上限，將成為影響產(chǎn)品在開放市場中競爭力的主要障礙。在這種條件下，如果沒有政府補貼，產(chǎn)品將沒有用戶。

除了預計的生產(chǎn)成本之外，當?shù)匦陆ㄠ彵蕉姿狒S的可行性還取決于一些其他因素。有若干大型石化工廠組成的新工業(yè)園區(qū)這一發(fā)展計劃可能得到政府的支持。這種支持在項目開發(fā)的前幾年可能以補貼的形式出現(xiàn)，其目的是使這些工廠為西澳大利亞和整個澳大利亞長遠經(jīng)濟發(fā)展做出貢獻。

增加此工廠可行性的最可能的選擇是同時興建下游加工項目，比如聚酯生產(chǎn)廠。如果若干個工廠作為一個發(fā)展項目來共同建設(shè)，則某個廠的少量虧損可以由其他廠的盈利來彌補。從目前市場情況看，對苯二甲酸工廠（使用來自二甲苯工廠的對二甲苯作為原料，而二甲苯工廠同時給苯酐工廠供應(yīng)鄰二甲苯原料）可能會非常盈利，另外澳大利亞政局穩(wěn)定，應(yīng)利用這一優(yōu)勢；因為對于該區(qū)域內(nèi)的其他競爭對手而言，供貨的連續(xù)性是一個很大的隱患。在這一點上，合同談判時西澳大利亞就比較有優(yōu)勢。

（7）結(jié)論

? 目前世界范圍內(nèi)苯酐生產(chǎn)量正接近其生產(chǎn)能力（350萬噸/年），年增長率3%-5%，而在這之前經(jīng)歷了很長時間的開工不足。

? 90%的鄰苯二甲酸酐用鄰二甲苯作為原料。1971年以后新建的工廠均不使用萘作為原料。

? 西太平洋區(qū)域的苯酐生產(chǎn)主要由日本、韓國和中國臺灣控制，總聲場能力達到了63萬噸/年。該區(qū)域計劃建設(shè)或正在建設(shè)的鄰苯二甲酸酐項目的生產(chǎn)能力還有25萬噸/年。? ICI公司下屬的兩個工廠在澳大利亞新南威爾士的Rhodes 和Mayfield兩地生產(chǎn)2.15萬噸/年的苯酐，這是西太平洋地區(qū)規(guī)模最小也是唯一使用萘作為原料的工廠。? 在西澳大利亞沒有鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)廠，也沒有主要的苯酐最終工業(yè)用戶。? 現(xiàn)貨市場上，熔融態(tài)的苯酐產(chǎn)品售價0.95-1.00澳元/kg，實際價格正在下降。

? 98%的鄰苯二甲酸酐消耗在三種主要的產(chǎn)品上：增塑劑、不飽和聚酯、醇酸樹脂。? 聚酯樹脂的需求是增長的，增速機的需求是穩(wěn)定的，而醇酸樹脂的需求是下降的?？傮w需求緩慢上升。

? 澳大利亞的苯酐進口量經(jīng)常變化，其平均數(shù)不超過5000噸/年。? 通過使用鄰二甲苯作為原料、使用更好的催化劑以及事實能量綜合利用等新技術(shù)可以使生產(chǎn)成本降低25%；澳大利亞的工廠目前正在非常不利的經(jīng)濟條件下運轉(zhuǎn)。? 鄰二甲苯的價格與對二甲苯的價格是關(guān)聯(lián)的，對二甲苯價格目前由于需求旺盛而上漲很快。

? 如果將鄰苯二甲酸酐工廠建在西澳大利亞，那么它的生產(chǎn)能力應(yīng)該是3萬噸/年。市場份額的占領(lǐng)鏡通過逼迫ICI關(guān)閉其在新南威爾士的工廠以及發(fā)展當?shù)氐谋紧罱K用戶來實現(xiàn)。如果建造更大規(guī)模的工廠（6萬噸/年），則必須采取進攻性的市場手段來獲得部分出口市場。

? 用列線法估算投資分別是7000萬澳元（3萬噸/年規(guī)模）和1.05億澳元（6萬噸/年規(guī)模）；用最近建設(shè)費用法估計的投資分別是2500萬澳元和4100萬澳元。

? 操作費用估計為0.87澳元/kg苯酐。盈虧平衡點的售價估計為1.10-1.20澳元/kg苯酐。? 建廠計劃的可行性取決于其他一些因素，比如政府支持，下游加工業(yè)或者專門合同。

（8）建議

? 選擇經(jīng)濟上最可行的鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)工藝。? 確定主要設(shè)備的尺寸和其他設(shè)備要求 ? 提出工廠布局，確定空間需求

? 考察在西澳大利亞新建苯酐工廠的可能廠址。? 進行更加詳細的成本核算已確定最佳的工廠規(guī)模 ? 確定關(guān)鍵的工藝條件，評價環(huán)境影響。

? 與政府和工業(yè)界商榷，成立一個化學品集團公司以探討可能的協(xié)作發(fā)展。工藝選擇與過程描述

3.1 工藝選擇中的考慮

完成初步的可行性評價和市場調(diào)研后，項目涉及的下一個階段就是對生產(chǎn)該化學品的各種工藝進行評價和比較。選出合適的工藝路線就是一項重要決策，因為后續(xù)工作的展開都以此為基礎(chǔ)。盡管該選擇在后續(xù)過程中可以修訂甚至改變，但是改變該決策將浪費大量的時間和金錢。

3.1.1 流程圖

對于每個工藝路線，要得到工藝流程圖（Process Flow Diagram PFD）或者管道和儀表流程圖（Piping and Instrumentation Diagram P&ID）。PFD是工廠中主要設(shè)備聯(lián)結(jié)關(guān)系的圖示；P&ID通常比較復雜，包括了所有的附屬設(shè)備，公用工程以及儀表和控制細節(jié)。為了對各種工藝進行初步評價和比較，首先從PFD中簡化出方框圖（Block Diagram），僅僅畫出主要的化工項目（步驟），忽略儀表，機泵和閥門。3.1.2 反應(yīng)器

化學工藝的開發(fā)常常是圍繞反應(yīng)器設(shè)計和操作這兩方面進行，對于大多數(shù)化學品生產(chǎn)過程而言，反應(yīng)器是過程的核心。3.1.3 產(chǎn)品純度

通過可行性研究，應(yīng)該確定出了最終產(chǎn)品的適當純度（規(guī)格）。產(chǎn)品的純度必須根據(jù)用戶的需求來決定，在某些情況下，可能會從工藝中取出一部分純度較低的產(chǎn)品來滿足某種特定的需求，然后對剩余產(chǎn)品進一步純化，來滿足其他客戶的需求。應(yīng)該考察是否有可能更進一步純化產(chǎn)品，以滿足可以預見的新應(yīng)用領(lǐng)域或者環(huán)境限制等需求。3.1.4 工藝條件

各種工藝的區(qū)別經(jīng)常反映在工藝條件上（壓力，溫度，相態(tài)等），或者反映在所使用的反應(yīng)器類型上。這些區(qū)別應(yīng)該在各種工藝的方框圖和詳細流程圖中清楚地標注，因為這些區(qū)別常常決定了最終工藝路線的選擇。3.1.5 過程數(shù)據(jù)

通常只能得到成熟的舊過程的詳細工藝數(shù)據(jù)。對新技術(shù)以及由實驗得到的相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)就是秘密。重點是訓練。5.1.6 能量效率

能效在很大程度上決定了P&ID的復雜程度。3.1.7 工藝評價和選擇中的因素

工藝選擇取決于對以下問題的回答和考慮（1）該工藝能否生產(chǎn)出用戶所需的產(chǎn)品？

（2）是否能設(shè)計、建造和安全經(jīng)濟地運行該工廠？

（3）是否能獲得必要的設(shè)計數(shù)據(jù)、生產(chǎn)技術(shù)、加工方法和材料以及原料？

（4）假設(shè)存在某種可接受程度以內(nèi)的對員工和公眾的危險性時，工廠能否安全運行？（5）工廠是否滿足現(xiàn)有的環(huán)保法規(guī)要求以及未來可能的限制？

（6）過程的能效是否盡可能地提高了？或者盡可能實現(xiàn)了能量自給自足？（7）對于維護的需求是否已經(jīng)最小化？

（8）在實際產(chǎn)量小于設(shè)計產(chǎn)量時，或者產(chǎn)量超過設(shè)計產(chǎn)量時，工廠是否還能正常運轉(zhuǎn)？（9）沒有用途的副產(chǎn)物的產(chǎn)生是否已經(jīng)最小化？（10）所有必需的公用工程是否現(xiàn)成？ 3.1.8 選擇和折衷 就像設(shè)計工作的其他許多方面一樣，在最終選擇工藝時也將在不同工藝過程的不同特點之間做出妥協(xié)。某個過程只有優(yōu)點而沒有任何缺點很少出現(xiàn)。有時候某個影響因素將決定最終的選擇結(jié)果，比如特定原料的供應(yīng)問題或者冷卻水用量等等。然而，無論如何選擇，都必須滿足初設(shè)時所給出的所有判據(jù)。3.1.9 優(yōu)化設(shè)計

過程涉及的目標是“總體優(yōu)化”的工廠，而其中的每個設(shè)備不一定都在各自最大效率或者最大生產(chǎn)潛力下運行。為了實現(xiàn)總體的最優(yōu)，需要在單個設(shè)備相互矛盾的要求間找到平衡。3.1.10 過程控制和儀表

在選擇工藝路線時還必須考慮過程控制和儀表要求。需要考慮的問題主要是：能否實施合適的控制，能否獲得必要的儀器和儀表，其價格是否合理等。

3.2 過程描述

一旦選定了工藝過程，就有必要對該過程，特別是對其主要特征以及優(yōu)缺點進行詳細的描述。過程描述應(yīng)該與PFD或P&ID一同給出，并且通過適當?shù)脑O(shè)備編號系統(tǒng)與設(shè)備列表相聯(lián)系。在此階段，過程描述應(yīng)該盡可能詳細，必須參考所有有用的文獻，給出任何已知的數(shù)據(jù)。指出相互矛盾的數(shù)據(jù)，并且對其進行評價。

對于其他工藝路線也要給出描述，但是可以不必如此詳細，主要講清楚其優(yōu)缺點并且解釋為什么不采用這些工藝路線。

3.3 準備設(shè)備列表

選定工藝路線后，就有必要準備初步的設(shè)備列表（Equipment List or Equipment Schedule）。設(shè)備列表應(yīng)該盡可能詳細，但顯然，此時是不可能完整的。準備清單的目的就是啟動設(shè)計項目的文件編制工作，并且為后續(xù)階段建立一個有用信息的數(shù)據(jù)庫。設(shè)備列表與P&ID同時使用，圖中每個設(shè)備都應(yīng)該有唯一編號，該編號與設(shè)備列表中的設(shè)備相對應(yīng)。設(shè)備列表中應(yīng)該包括所有目前已知的信息，這些信息將在后續(xù)的詳細設(shè)計中用到。隨著設(shè)計進程推進，信息量逐漸增加，設(shè)備列表要不斷進行更新。設(shè)備列表中包括以下內(nèi)容：

（1）設(shè)備的型式

（5）操作溫度上下限（2）尺寸和生產(chǎn)能力

（6）腐蝕裕量（3）材質(zhì)

（7）特殊的特征（4）操作壓力

（8）備用設(shè)備

3.4 經(jīng)驗法則

在管線布置以及全廠能量衡算完成之前，尚不能準確地確定換熱器和泵的尺寸規(guī)格。最終的能量衡算取決于最終選取的節(jié)能措施和工廠布局。盡管大部分數(shù)據(jù)僅僅是近似數(shù)據(jù)，但其他設(shè)備的尺寸在此階段應(yīng)盡可能準確掌握。估算設(shè)備尺寸和設(shè)計可參閱有關(guān)文獻。

3.5 安全問題和初步的HAZOP分析

一旦有了初步的P&ID和設(shè)備列表，就可以對工廠操作的安全方面進行定量的考慮。此時也有可能和有必要進行初步的危險和可操作性分析（Hazard and Operability Study HAZOP），至少應(yīng)該對于關(guān)鍵的設(shè)備進行HAZOP分析。

案例研究

工藝選擇和設(shè)備清單 找出并評價苯酐生產(chǎn)的各種可能工藝路線，顯然鄰二甲苯是首選原料；傾向于固定床反應(yīng)器；傾向于選用允許低空氣對鄰二甲苯比例的催化劑。苯酐工廠中最主要的設(shè)備是反應(yīng)器；切換冷凝器和純化塔。

3.6.1 鄰二甲苯酸酐生產(chǎn)工藝的發(fā)展趨勢

很明顯，鄰二甲苯是現(xiàn)代生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐的首選原料，目前僅有少數(shù)以萘為原料的工廠。1971年以后的新建工廠沒有使用萘作為原料。與萘相比，鄰二甲苯更便宜，產(chǎn)率更高（因為所有碳原子都在產(chǎn)品中）。過程效率也更高。將現(xiàn)有以萘為原料的工廠改造成以鄰二甲苯為原料，可以減少原料成本25%，減少公用工程費用30%。

第二個進步是對氧化反應(yīng)放出熱量的綜合利用。這些能量可以用來生產(chǎn)高壓蒸汽，因此應(yīng)該能夠抵消購買動力的開支。目前已經(jīng)開發(fā)出了循環(huán)利用廢氣的低能耗過程。催化劑選擇性也正得到改進，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，消除副反應(yīng)的發(fā)生?？赏瑫r用于萘和鄰二甲苯的兩用催化劑也已開發(fā)成功，只需要微調(diào)操作條件即可實現(xiàn)原料的轉(zhuǎn)換。

3.6.2 原料

盡管萘和正戊烷都可以用來生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐，但是與鄰二甲苯相比二者都不具經(jīng)濟優(yōu)勢，只有當它們的供應(yīng)價格遠低于市場價時，以它們?yōu)樵系墓に嚥趴尚?。由于西澳大利亞沒有萘和正戊烷的供應(yīng)渠道，所以新建工廠不應(yīng)考慮使用它們作為原料。因此，鄰二甲苯因其高產(chǎn)率，廉價和高選擇性成為首選原料。有一些工藝保留了也可以使用萘為原料的靈活性，以防止因為對二甲苯的需求增加而導致的鄰二甲苯價格突然大幅升高。無論如何，選擇鄰二甲苯為原料來建設(shè)新廠將比澳大利亞現(xiàn)有工廠具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

世界上，鄰二甲苯的三個主要產(chǎn)區(qū)是美國、西歐和東亞。其中東亞距離澳大利亞最近，也是發(fā)展最快的地區(qū)。位于西澳大利亞的工程可以使用來自日本，韓國和中國臺灣的原料。然而，經(jīng)濟上最具吸引力的選擇是使用澳大利亞石油精煉廠當?shù)囟妆椒蛛x工廠的產(chǎn)品。在不久的將來就有可能獲得廉價的BTX，因為澳大利亞將出臺政策限制汽油中的芳烴含量。

二甲苯分離工廠處理二甲苯混合原料，其中包括異構(gòu)化和分離2個單元。異構(gòu)化單元用來控制3種異構(gòu)物產(chǎn)品的比例。對二甲苯需求量最大，鄰苯二甲酸酐的生產(chǎn)消耗了98%的鄰二甲苯，因此鄰二甲苯常亮也反映著苯酐的需求趨勢。間二甲苯?jīng)]有商業(yè)用途因此全部循環(huán)回異構(gòu)化單元。該領(lǐng)域的最新進展是對混合二甲苯進行反應(yīng)精餾使之轉(zhuǎn)化為對苯二甲酸，以及富含鄰二甲苯的副產(chǎn)物，該方法能顯著降低加工成本。鄰二甲苯目前的價格大概是55-75美分/kg，并且有可能上升。因為對二甲苯的需求正旺。

3.6.3 過程配置

苯酐的生產(chǎn)工藝可以根據(jù)所用的反應(yīng)器類型分類。目前已經(jīng)開發(fā)出了3種投入商業(yè)運行的反應(yīng)器：固定床氣相反應(yīng)器，流化床氣相反應(yīng)器和液相反應(yīng)器。其中有很多可能的變種，并且已有多種生產(chǎn)過程獲得了注冊。近年來，固定床氣相反應(yīng)器被證明比其他反應(yīng)器要優(yōu)越，因此，最近10年來新建工廠均使用該工藝。而證明流化床反應(yīng)器維護困難，有腐蝕問題，催化劑損失很大；液相反應(yīng)器的建設(shè)費用則高的讓人望而卻步。

競爭廠家已經(jīng)建起了若干不同版本的固定床氣相反應(yīng)過程。，它們之間的主要差別在于催化劑性能和操作條件的不同。其中2個過程能量集成方面的優(yōu)勢比其他過程好得多，因而20世紀90年代建設(shè)的工廠要么采用LEVH法（low energy Von Heyden），要么采用LAR法（low air ratio）。VGR法（vent gas recycle）看起來具有一定潛力。

根據(jù)以上信息，對在西澳大利亞建設(shè)新的苯酐工廠項目作出以下決策： ? 使用鄰二甲苯作為主要或者唯一的原料 ? 使用固定床氣相反應(yīng)器 ? 使用LEVH工藝或者LAR工藝

3.6.4 詳細的過程描述

LAR工藝和LEVH工藝使用基本相同的流程圖和類似的設(shè)備。圖3.1是LAR法的過程流程圖（PFD），給出了苯酐生產(chǎn)中所用到的主要設(shè)備和布局。LAR法和LEVH法的最重要差別在于LAR法中使用了一個額外的冷凝裝置（后冷器），經(jīng)部分鄰苯二甲酸酐以冷凝而不是凝華的方式從反應(yīng)氣中加以回收。LEVH法中空氣對鄰二甲苯比例較高，因此要求部分設(shè)備具有較大的生產(chǎn)能力，比如空氣壓縮機，反應(yīng)器，氣體冷卻器和切換冷凝器。

苯酐的生產(chǎn)主要有3個步驟：反應(yīng)、冷凝和純化。反應(yīng)是強放熱反應(yīng)，并且必須在高溫下進行（及與熱力學考慮）。這就要求用熔鹽循環(huán)移去反應(yīng)熱，然后，熱的熔鹽被用來生產(chǎn)高壓蒸汽。反應(yīng)氣體被冷卻后在切換冷凝器中凝華，得到片狀的高純苯酐。將冷卻劑和蒸汽交替通入冷凝器，使得產(chǎn)品首先凝華，然后再融化，得到的苯酐粗品（98%）存放在中間儲罐中。從冷凝器排出的氣體中仍含有各種有機物，經(jīng)過洗滌或者焚燒處理后排放到大氣中。苯酐粗品經(jīng)過預處理（將殘存的酸轉(zhuǎn)化為酸酐）和減壓蒸餾（除去馬來酸酐和其它雜質(zhì)）而得到純化。產(chǎn)品可以以熔融狀態(tài)或者片狀存儲和銷售，并且必須滿足表3.1所示的規(guī)格要求。所有的商業(yè)過程通常都可以達到或者優(yōu)于這些指標。

表3.1 鄰苯二甲酸酐產(chǎn)品典型規(guī)格要求

鄰苯二甲酸酐含量 馬來酸酐含量 凝固點 融化時色度 融化時外觀

典型產(chǎn)品的參數(shù) 99.9%

0.05%（最高）130.9℃ 10

像水一樣

規(guī)格要求 最低99.7% 0.15%（最高）130.8℃（最低）30（最高）清澈的液體

3.6.5 LAR工藝的優(yōu)勢

近年來鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)中的主要進展是催化劑活性的提高。LAR工藝中使用的催化劑所要求的空氣對鄰二甲苯的比例僅為9.5:1（其他技術(shù)中該比例大概在20:1），這就可以使催化劑的產(chǎn)率提高40%，顯著地縮小了反應(yīng)器體積，并且降低其他關(guān)鍵設(shè)備（包括切換冷凝器和蒸發(fā)器）的負荷。風機和泵的能耗降低約60%。反應(yīng)器中惰性氣體的流量減少可以使更多的顯熱被冷卻鹽帶走。工廠可以做到能量完全自給自足，并且能夠向鄰近的工廠輸出相當數(shù)量的蒸汽。還可以使用后冷器將大約50%的鄰苯二甲酸酐產(chǎn)品在凝華前以液體的形態(tài)加以回收。這樣可以減少進入冷凝器產(chǎn)品物流中的雜質(zhì)量從而提高產(chǎn)品的純度。

與其他工藝相比，LAR工藝的投資較少，操作效率高，這些都直接得益于反應(yīng)器中低的空氣對鄰二甲苯的比例。該過程無需電力和燃料，并且可以向廠外輸出大量蒸汽。用LAR工藝生產(chǎn)出的苯酐最終售價可能低于用其他競爭過程生產(chǎn)出的產(chǎn)品售價。

3.6.6 LEVH工藝的優(yōu)勢

LEVH工藝的主要優(yōu)勢是技術(shù)成熟，全世界已經(jīng)有65家工廠使用VH工藝或者LEVH工藝，總的生產(chǎn)能力為140萬噸/年，并且其中的大多數(shù)都成功運行。另外，維護費用很低（低于每年投資的2%），配套設(shè)施可能發(fā)展的很完善。

通過使用一種特殊的催化劑，可以調(diào)整VH過程以適應(yīng)萘原料或者萘和鄰二甲苯混合原料。這樣就起到了安全防范作用，以應(yīng)對鄰二甲苯價格的上漲，并且在萘的價格大幅降低時具有靈活性，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力最大已經(jīng)達到了5萬噸/年。

LEVH法是一個穩(wěn)妥的選擇，適合于保守的發(fā)展策略。在市場有保證的條件下，或者在公司對同樣工藝的工廠有著豐富操作經(jīng)驗的時候，比較適宜選用該工藝。采用LEVH工藝的生產(chǎn)成本比大多數(shù)老廠的成本低，但是比起在同樣基礎(chǔ)上成功運轉(zhuǎn)的LAR工藝工廠，則很可能無法有效競爭。

3.6.7 工藝選擇

盡管LAR工藝還不是成熟的工藝（目前世界上只有一家工廠使用該技術(shù)），但是對于本項目而言它卻是最佳的選擇，因為操作成本和資金償還都可能低于其他工藝過程。潛在的節(jié)省可能最以抵消任何可能遇到的操作困難。而且，若與本區(qū)域的其他工廠采用相同的工藝和技術(shù)，最多也只能將最低生產(chǎn)成本維持在與其他廠大致持平的水平。但由于地域上的不利因素，這將顯著降低位于西澳大利亞的工廠的有效競爭力。

3.6.8 初步的設(shè)備設(shè)計

在項目的早期階段就需要得出主要設(shè)備的列表（包括大致的尺寸），以便決定所需廠區(qū)的面積，進而可以考慮選擇合適廠址。設(shè)備尺寸的估算是基于現(xiàn)有的使用LAR工藝以鄰二甲苯為原料生產(chǎn)苯酐的工廠數(shù)據(jù)。若生產(chǎn)能力為4萬噸/年，開工率90%(每年連續(xù)開8000小時)，則可以確定設(shè)計基礎(chǔ)為：4545kg/h的鄰二甲苯以及45t/h的空氣（空苯比9.5）

對主要設(shè)備（反應(yīng)器、切換冷凝器和純化塔）進行一定程度的設(shè)計，這將單獨討論，而對于其他設(shè)備則只是指定其功能和處理能力，并進行粗略的尺寸估算。估算時使用了經(jīng)驗法則和近似處理。相關(guān)細節(jié)見本章附錄

苯酐生產(chǎn)工藝有潛力實現(xiàn)蒸汽凈輸出，當然在該工藝全過程的每一步也都要用到公用蒸汽。通過將苯酐工廠和同一園區(qū)內(nèi)的其他工廠綜合考慮，可以更容易實現(xiàn)蒸汽的平衡。這里假定所有高壓蒸汽鍋爐都是各廠家共用的。同樣，冷卻水設(shè)施（水處理部分和冷卻塔）和主煙囪（用于排放廢氣和燃燒產(chǎn)生的氣體）也與其他工廠共用。這些設(shè)施的設(shè)計計算不在本設(shè)計研究的考慮之內(nèi)，因為它們的處理能力將與共同開發(fā)的其他工廠項目密切相關(guān)。

鄰苯二甲酸酐具有中度腐蝕性。因此某些設(shè)備需要用不銹鋼制造。316型（Ni 11%，Cr 18%，Mo 2.5%，F(xiàn)e66.5%，C 0.08%，Mn2.0%），該型號不銹鋼年腐蝕速率0.025mil（1mil=0.001inch）。在不很苛刻條件下操作的設(shè)備可以用普通碳鋼制造。

3.6.9 設(shè)備清單

1.反應(yīng)器：鄰二甲苯流量4545kg/h，空氣流量45t/h；進口溫度350℃，最高溫度500℃；壓力200-300kPa；內(nèi)部有13400個列管（3m長 直徑25mm），催化劑高度2.8m；殼體直徑5.9m，高度3.5m；冷卻負荷21.4MW；熔鹽循環(huán)量310t/h；材質(zhì)為316型不銹鋼。

2.苯酐預冷凝器：總流量50t/h，苯酐流量2500kg/h；功率為450kW；材質(zhì)為碳鋼。3.切換冷凝器（2個）：總流量47t/h，苯酐流量2500kg/h；功率為450kW；材質(zhì)為碳鋼。4.尾氣洗滌塔：總流量45t/h氣體，含250kg/h的有機物；材質(zhì)為碳鋼。5.蒸發(fā)器：鄰二甲苯流量4625kg/h，空氣流量45t/h（溫度125-350℃）；功率為3.9MW；材質(zhì)為碳鋼。

6.氣體冷卻器：氣體總流量50t/h；功率為5.0MW；材質(zhì)為碳鋼。7.預處理罐：苯酐流量5000kg/h；其他成分流量300kg/h，溫度70-270℃；加熱功率為290kW；材質(zhì)為碳鋼。

8.提餾塔：苯酐流量5000kg/h，其他成分空氣流量300kg/h；在一定真空度下操作；填料塔（15-20理論級，低壓降）；直徑900mm；大回流比（5-10），再沸器溫度205℃，再沸器功率150kW；材質(zhì)為316型不銹鋼。

9.精餾塔：進料5000kg苯酐/h，20kg殘留物/h；在一定真空度下操作；15-20塊塔板（液體流量很低）；直徑1200mm；很小的回流比（0.1），再沸器溫度245℃，再沸器功率650kW；材質(zhì)為316型不銹鋼。10.各種換熱器（8個）：空氣預熱器；鄰二甲苯預熱器；氣體冷卻器；再沸器（2個）；冷凝器（2個）；凝華器； 11.儲罐（6個）：各種尺寸，用于原料、苯酐粗品、苯酐產(chǎn)品的暫時存儲（能提供14天的儲存量）；

12.泵（8個+備）；各種尺寸，用于原料和中間產(chǎn)品的輸送。13.空氣壓縮機：輸送45t/h的空氣到反應(yīng)器；壓力200-300kPa。14.過濾器：空氣進入反應(yīng)器之前的過濾。

15.噴射泵系統(tǒng)：為純化系統(tǒng)提供真空（10kPa，絕壓）。

3.6.10 結(jié)論

? 作為原料，萘逐漸被淘汰，因為鄰二甲苯更清潔，產(chǎn)率也更高。

? 鄰二甲苯從二甲苯混合物中分離得到，其價格與各種二甲苯產(chǎn)品的整體需求緊密相連。對于其他異構(gòu)體，對二甲苯的市場需求增長很快，而間二甲苯?jīng)]有太大用途。? 使用鄰二甲苯作為原料，使用更好的催化劑，并應(yīng)用能量集成技術(shù)的新工藝過程可以將成本減少25%。而澳大利亞現(xiàn)在的工廠在很不利的經(jīng)濟狀態(tài)下運行。

? 合成鄰苯二甲酸酐的LAR工藝比其他競爭工藝更新一些，但卻最具吸引力，因為設(shè)備體積可以減小。

3.6.11 對后續(xù)工作的建議

? 在西澳大利亞為擬建的鄰苯二甲酸酐工廠選擇合適的廠址。? 確定工廠的布局和用地要求。? ? ? ?

進行更加詳細的物料和能量衡算，以確認設(shè)備尺寸和其他的設(shè)備需求。確定主要的工藝條件，評價其環(huán)境影響。

敦促政府和工業(yè)界一同建立一個化學品公司聯(lián)合體以探尋相互間可能的過程集成。確定主要設(shè)備的費用（以年產(chǎn)4萬噸苯酐為基準）。對過程進行經(jīng)濟評價。廠址選擇與廠區(qū)布局

4.1廠址選擇

IchemE設(shè)定的設(shè)計項目也只要求進行詳細的設(shè)備設(shè)計，而沒有特別規(guī)定廠址選擇方面的設(shè)計要求。然而，為了是設(shè)計項目更加真實，也為了學生在盡可能多的方面得到設(shè)計鍛煉和經(jīng)驗，應(yīng)該對廠址選擇和工廠布局給予一定的考慮。

4.1.1當?shù)毓I(yè)園區(qū)

如果本地沒有該化學品市場，或者沒有合適的建廠地址，那么就有必要考慮本州或者本國內(nèi)的其他工業(yè)地區(qū)。從政府部門那里可以得到一種地圖，上面標注了哪些地區(qū)被規(guī)劃為重工業(yè)發(fā)展基地以及現(xiàn)有工廠的位置。即便所選地區(qū)被認定為適合工業(yè)發(fā)展，也并不意味著可以自動地獲得在那里籌建新化工廠的許可，或該地方確實適合擬建工廠的建設(shè)。該評述也適用于現(xiàn)有的化工廠基地。在有些情況下，某基地的進一步發(fā)展可能會受到政府的限制，原因一般包括：公眾意見、環(huán)境影響問題，或者擔心在高度工業(yè)化地區(qū)發(fā)生嚴重事故的風險。工人們一般愿意住在距離工作單位比較近的地方，因此工業(yè)基地附近的房地產(chǎn)通常也得到發(fā)展，而這些地方以前確是無人居住區(qū)，比如Bhopal。然而這反過來卻會使公眾強烈反對在本地進一步發(fā)展工業(yè)。

假設(shè)可以確定出工業(yè)開發(fā)區(qū)，然后就有必要選擇出具體的廠址。不應(yīng)該把該選擇過程搞成“只有一匹馬參加的比賽”，而要同時考察若干個基地，分項比較他們的優(yōu)勢和劣勢，最終的結(jié)果應(yīng)該是一個按照優(yōu)先順序排列的廠址清單。如果只把注意力集中在一個基地，而忽略了對其他基地的考慮，那么該項目對于政府指令的適應(yīng)性就會很差。

4.1.2 若干重要的因素

若干因素影響著化工廠合適廠址的選擇。以下列出了一些重要的因素，但是不要認為它已經(jīng)窮盡了所有的因素：

（1）所選地區(qū)被指定為重工業(yè)發(fā)展地區(qū)（“輕“工業(yè)通常指電子元器件組裝和小型金屬加工等，大型化工項目輕工業(yè)）。

（2）所選地區(qū)已經(jīng)存在類似的化工廠，并且是其他工業(yè)中心的所在地。（3）基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)設(shè)施完備，比如道路，水電氣等。（4）合適的地勢條件、地下構(gòu)造和排水等。

（5）合適的交通條件（原材料和產(chǎn)品的運輸，建廠時所需的運輸）。（6）臨近主要的交通網(wǎng)絡(luò)（公路，鐵路，機場，水路，港口等）。這是選擇廠址的一個重要因素。在有些情況下，直接用管道輸送原料或者水、氣、油等公用工程物流可能是最經(jīng)濟的途徑。使用集裝箱運輸（公路，鐵路，水運）時；如果往返都能搭載貨物，運輸費用就會降低。

（7）當?shù)赜袆趧恿Y源，與當?shù)厣鐓^(qū)的距離合適。（8）有生活用水和工廠冷卻水。（9）符合向環(huán)境排放廢物的限制。

（10）距離原料的供應(yīng)地和產(chǎn)品的銷售市場比較近。（11）存在應(yīng)對大型工廠事故的安全服務(wù)設(shè)施。

（12）氣候條件，比如適度、最大風速以及主要風向、降雨等。（13）政府已經(jīng)或者可能提出的有關(guān)工業(yè)發(fā)展或者廢物排放的限制。（14）擴展的空間。（15）土地的價格。（16）公眾的輿論。

（17）地震、塌陷和塌方等的可能性。

（18）政府為鼓勵地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展而給予支持（稅收優(yōu)惠和補貼等）的可能性

還可以羅列其他很多因素，而最重要的因素是那些與特定工藝過程要求相關(guān)的因素或者某基地特有的那些因素。其中某些因素的詳細討論可以相關(guān)文獻。

4.1.3 因素的優(yōu)先順序

廠址選擇中最重要的3個因素通常是原料所在地、市場所在地和交通運輸條件。首先確定這3個方面，然后再確定其他的次重要因素并且進行評價。然而，即使某個基地可以滿足某化工過程的很多方面的基本要求，卻不能滿足某一重要的判據(jù)的話，仍然不能最終確定為廠址。這些重要的判據(jù)包括：由于負面的公眾輿論而得不到政府的批準、環(huán)境法規(guī)限制、勞動力資源等。因此，在選擇廠址時有必要將這些因素分成幾類并分別對待：核心要求（這些要求必須得到滿足），主要因素（可能有3到4個，很希望得到滿足），以及期望得到滿足的因素（雖然并非一定要得到滿足，但還是希望盡可能多地得到滿足）。在最終選擇廠址（即按優(yōu)先順序提出一個廠址清單）時，采用以下打分的方法會有所幫助：列出每一個廠址所具備的特征（要求的以及已經(jīng)存在的），并對每一個特征賦予一個主觀的分數(shù)（比如從1到5，或者從1到9），于是每一個廠址都可以得到一個最后的總分。使用這種方法時一定要謹慎，因為該方法并沒有要求一定要排除某些致命的不利因素。比如某廠址可能在其他方面都很理想（或者在排名表上名列第一），只是當?shù)貨]有水供應(yīng)，這樣對于建設(shè)化工廠而言，該基地便沒有什么用途。

4.2 廠區(qū)布置

為化工廠選擇了合適的廠址之后，就有可能也有必要做出初步的設(shè)備布置方案。盡管還沒有進行設(shè)備的詳細設(shè)計，但是初步估計的設(shè)備尺寸應(yīng)該可以根據(jù)設(shè)備列表獲知。設(shè)備尺寸的初步估計與最終估計之間的差別不應(yīng)過大，在確定設(shè)備布局時還要考慮在設(shè)備周圍留出合適的空間供操作維修以及安全保障之用。

做出了初步的廠區(qū)布置（平面布置圖）后，就可以考慮管線布置和壓力降、設(shè)備維修通道、事故和泄漏通道以及控制室和辦公室的位置。初步的工廠布局還有助于發(fā)現(xiàn)該廠區(qū)存在的不利問題和未預見到的問題，甚至可能導致廠址的重新選擇。為了確保工廠建設(shè)的經(jīng)濟性和操作的高效性，在設(shè)計工作的早期階段就必須考慮工廠的布局，并且要詳細到一定的程度。進行廠區(qū)布置時還要考慮到工廠建設(shè)時的需要，比如大型吊車的運動等。所采用的廠區(qū)布局還會影響到化工廠的安全操作，影響到周圍社區(qū)對工廠（以及將來可能的改擴建）的接受程度。

4.2.1 廠區(qū)布置策略

在確定廠區(qū)布局是可以采用兩種設(shè)計方法。第一種設(shè)計方法是使設(shè)備的布局與其在流程圖上出現(xiàn)的順序一樣，稱為順序布置（flow-through layout, flow-line pattern）。這種布局方式可使管線長度最短，壓力降最小，經(jīng)常被小型化工廠所采用。第二種設(shè)計方法就是將相似的設(shè)備集中布局，稱為相似設(shè)備分組布置（groupings of similar plant items），比如將精餾塔、分離設(shè)備、反應(yīng)器和換熱器等分別集中布置。這種布局多為大型化工廠采用，具有容易操作和維護，勞動力成本低、公用工程管線最短以及因此而具有的可以降低輸送物料所需能量的優(yōu)點。這兩種設(shè)計方法是兩種極端的情況，實際設(shè)計多介于兩者之間。實際采用的工廠布局取決于是新建的工廠，還是在原來基礎(chǔ)上的改擴建。在已有基地上新建項目時最常見的限制是空間限制，即便在新的基地上進行建設(shè)也存在空間限制問題。4.2.2 影響廠區(qū)布置的因素

在設(shè)備布局時需要考慮的其他因素有：

（1）控制室和辦公室位置要遠離高位區(qū)域，要位于主導風向的上風口。（2）反應(yīng)器和鍋爐等要遠離化學品儲罐。

（3）儲罐要便于接近，還需要決定是將所有原料和產(chǎn)品儲罐集中布置，還是分散布置在廠址的周圍。

（4）操作人員能夠方便地接近設(shè)備，設(shè)備之間距離要合理。（5）設(shè)備的提升安裝。

（6）要考慮某些特定設(shè)備（比如泵）的要求，充分利用靜壓頭。（7）公用工程（水電氣）的供應(yīng)（8）使管線總長度最小。

（9）為常規(guī)維護和設(shè)備修理提供合適的操作通道。

（10）應(yīng)該便于在發(fā)生泄漏事故時清理泄漏物和分散化學品。（11）意外事故時（便于外界援助）能到達工廠。（12）需用冷卻水的設(shè)備要靠近河邊或海灣等。

（13）工廠的廢物收集系統(tǒng)和廢水排放系統(tǒng)（分開還是合并？）以及處理罐的布局。（14）所選用的工廠布局應(yīng)該能夠限制火災(zāi)或者爆炸事故的范圍。

（15）設(shè)備之間的間距：專營化工廠保險業(yè)務(wù)的公司對于特定設(shè)備的間距有特別的建議；國家的有關(guān)標準和法規(guī)中也給出了一些建議。

關(guān)于化工廠布局階段需要考慮的特定因素可參考有關(guān)文獻?？傊?，設(shè)備布局應(yīng)該使以下參數(shù)最小化：（1）火災(zāi)或者爆炸時的人員和財產(chǎn)損失；（2）維護費用；

（3）所需工廠人員的數(shù)量；（4）操作費用；（5）建設(shè)費用；

（6）工廠改擴建時的費用。

其中某些目標是項目矛盾的，比如（1）和（4），因此，為同時保證安全性和經(jīng)濟性經(jīng)常需要做出一些平衡。最終的廠區(qū)布置將取決于工廠內(nèi)節(jié)能措施的要求，任何后學的修改以及相應(yīng)的管線布置。

案例研究-廠址選擇和廠區(qū)布置

建議在西澳大利亞靠近Bunbury的Kemerton工業(yè)園區(qū)興建一座年產(chǎn)4萬噸鄰苯二甲酸酐的工廠。該項目應(yīng)該與其他若干項目共同開發(fā)，這些工廠之間存在重要的集成優(yōu)勢，可以共用原料和終端用戶。之所以選擇該廠址，是因為當?shù)匾呀?jīng)有了基礎(chǔ)設(shè)施，并且距離公路、鐵路和海運都比較近，因而使總體運輸成本最低。該項目有望得到政府的幫助，因為它符合澳大利亞政府鼓勵工業(yè)分散化的政策。

設(shè)定工廠布局時主要考慮安全問題，同時也考慮使管線系統(tǒng)費用最低，且可以最容易地到達設(shè)備，并且具有靈活性。當?shù)赜凶銐虻耐恋毓┢渌嚓P(guān)工廠共同開發(fā)，這些相關(guān)企業(yè)將公共用的一些關(guān)鍵的設(shè)施（蒸汽、冷卻水、排氣煙囪和辦公建筑）。

4.3.1 背景和目標

根據(jù)前期的市場調(diào)研和初步的可行性分析可知，在澳大利亞新建鄰苯二甲酸酐工廠，看起來還是有市場的。然而，重要的是使用最新的技術(shù)，并從新南威爾士現(xiàn)有的技術(shù)落后的工廠那里搶占市場份額。這里將考慮兩種情況，一是年產(chǎn)3萬噸；二是年產(chǎn)6萬噸。年產(chǎn)6萬噸的情況是樂觀的方案，要依賴于可觀的現(xiàn)貨市場上的出口銷售。在現(xiàn)階段，年產(chǎn)3萬噸的方案似乎更加可行。為了估計設(shè)備要求和進行廠址選擇，假定年產(chǎn)4萬噸。更加準確的投資估算和詳細的盈利分析可能會證明，產(chǎn)量再大些或者再小些更為合適。很重要的一點是使本工廠的生產(chǎn)與同一基地的其他企業(yè)的生產(chǎn)進行集成。

廠址的選擇對項目總體可行性的影響很大，因為此前已經(jīng)證明了單獨設(shè)立該廠時的盈利可能性不大?？赡苄枰畬π陆üI(yè)園區(qū)進行資助，還要尋求同其他企業(yè)之間的集成。理想的廠址必須能：

（1）滿足所有工藝要求；（2）滿足環(huán)保和社區(qū)的要求；

（3）使原料和產(chǎn)品運輸費用最低以使利潤最大化。

一旦選擇了廠址，就必須設(shè)計出令人滿意的工廠布局，它要綜合考慮到安全性和功能性，并使輸送管線成本最低。廠區(qū)布局應(yīng)該根據(jù)工廠以及所在區(qū)域的特點而設(shè)定。

4.3.2 可能的廠址

在西澳大利亞選擇了4個廠址供進一步考慮：Geraldton，Karratha，Kemerton，Kwinana。在這4個地方中，只有Kwinana是一個現(xiàn)成的具有一定規(guī)模的工業(yè)基地，另外3個則只是擁有規(guī)劃用于重工業(yè)的土地。選擇Perth外圍的廠址（即Geraldton，Karratha，Kemerton）時，在建設(shè)階段有可能得到政府以補貼或關(guān)稅形式給予的幫助。這些地方將作為新工業(yè)園區(qū)的一部分而得到開發(fā)，目的是將西澳大利亞的重工業(yè)分散開來。這對于減少基礎(chǔ)建設(shè)的開支并實現(xiàn)盈利很重要。以下企業(yè)與鄰苯二甲酸酐工廠有顯著的集成效益，因此，鼓勵以下各企業(yè)共同進行開發(fā)：

? 二甲苯混合物分離工廠（為苯酐生產(chǎn)提供廉價可靠的原料）

? 鄰苯二甲酸酯工廠（終端用戶，并消耗苯酐廠輸出的蒸汽和能量）? 聚酯樹脂工廠（終端用戶，并消耗苯酐廠輸出的蒸汽和能量）? 馬來酸酐工廠（處理苯酐工廠的副產(chǎn)物）

? 對苯二甲酸工廠（處理二甲苯混合物分離工廠的對二甲苯）

目前，澳大利亞的鄰苯二甲酸酐市場主要在東部各州。為了使位于西澳大利亞的苯酐工廠可行，終端用戶企業(yè)也就需要遷址到西澳大利亞（也正好借此機會來更新他們的技術(shù)，以保持競爭力）。目前澳大利亞唯一的苯酐生產(chǎn)上是悉尼的ICI公司，它所用的原料萘直接由鄰廠提供。在西澳大利亞建苯酐廠時，也要借鑒這種原料供應(yīng)上的安排布局。因此，也需要建設(shè)澳大利亞第一個二甲苯混合物分離工廠，該工廠將處理由BP公司下屬的位于Kwinana的煉油廠的BTX混合物（苯-甲苯-二甲苯）。否則，鄰二甲苯就需要從東南亞進口，這將使新的企業(yè)變得很脆弱，并使整個開發(fā)計劃變得不經(jīng)濟。4.3.2.1 Kemerton 西澳大利亞的Kemerton工業(yè)園區(qū)內(nèi)已經(jīng)有若干家新的企業(yè)?；A(chǔ)設(shè)施的假設(shè)已經(jīng)達到了使用水平，公路、鐵路和海運都可以到達。它是Perth周邊的遠距離廠址中最近的一個，供進一步發(fā)展所需的土地資源十分豐富。勞動力資源可以直接來自于Perth或者來自與發(fā)展中城市Bunbury（只有15km的距離）。建設(shè)費用也會比其他遠距離廠址便宜。4.3.2.2 Geraldton Geraldton附近的Bootenal West有很好的公路、鐵路和海運條件，遠離居民區(qū)，因此建設(shè)項目有可能得到批準。該地區(qū)對環(huán)境問題不是特別敏感，可以使用河水作為冷卻水。土地平坦，適合大型建筑機械的作業(yè)。Perth距離該廠址600km，就辦公條件、緊急反應(yīng)和原料供應(yīng)而言還不算太遠。4.3.2.3 Karratha 在Karratha新建工廠時可以使用正在為西北大陸架的大型油氣項目而建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施。雖然也可以指望一些企業(yè)間的聯(lián)合生產(chǎn)，但是不大可能有足夠的芳香混合物（BTX）供苯酐生產(chǎn)之用。但是，該地方可以較方便地從印度尼西亞獲得鄰二甲苯原料供應(yīng)。位于同一地區(qū)的其他相關(guān)下游工業(yè)的市場原理Karratha，這將無法刺激其參與共同開發(fā)。該處港口比較發(fā)達，并有現(xiàn)成的海水供冷卻之用。4.3.2.4 Kwinana Kwinana工業(yè)園已經(jīng)相當擁擠，沒有多大空間用于新的化工廠群組的建設(shè)。盡管公路、鐵路和海運條件都不錯，建設(shè)費用也可能是幾個基地中最便宜的，但是必須花高價才能得到土地的使用權(quán)。在Kwinana地區(qū)開發(fā)改新項目時不大可能得到政府的幫助。

4.3.3 傾向性的廠址和布局

西澳大利亞的Kemerton是首選的鄰苯二甲酸酐廠址。Kemerton可以滿足重工業(yè)發(fā)展的所有要求以及苯酐工廠的特殊要求。圖4.1和圖4.2是該地區(qū)的地圖，可以看到為擬建的工業(yè)群而開辟的核心工業(yè)園和緩沖區(qū)，以及已有的基礎(chǔ)設(shè)施。

在Kemerton地區(qū)之內(nèi)有若干個合適的廠址。選擇圖4.2中的3號區(qū)域是因為他有足夠的空間容納苯酐工廠以及共同開發(fā)的其他廠，同時臨近公路和鐵路。公用設(shè)施（蒸汽、冷卻水和煙囪等）可以建在本區(qū)域，也可以建在相鄰的區(qū)域。由于鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)中所需冷卻水很少，因此，如果需要的話，它也可以遠離冷卻水的主要供應(yīng)管線。類似的，苯酐廠在蒸汽上可以自給自足。該地區(qū)的主要風向是西風（夏季是西南風，冬季是西北風），但是夏季也常有東風。苯酐如果泄漏的話，會產(chǎn)生危害性云霧，因此苯酐廠應(yīng)該位于其他工廠的下風口。擬在該區(qū)域共同建設(shè)的其他廠的數(shù)量和類型將最終影響每一個廠的位置和走向。

圖4.3給出了擬在Kemerton建設(shè)的鄰苯二甲酸酐工廠的初步布局，其中包括了主要生產(chǎn)設(shè)備和建筑物的位置，工廠的總體布局為南北走向，因為風向多為東西方向，這種直線排列的布局可以使人員和服務(wù)性建筑幾乎不會處于下風口?？刂剖椅挥趶S區(qū)的北面，這樣萬一發(fā)生緊急情況時，控制室可以得到保護。由于工廠的總體規(guī)模很小，因此可以使控制室遠離位于中心的生產(chǎn)設(shè)備。在發(fā)生緊急情況，從控制室和辦公室都可以觀察到工廠內(nèi)的情況。

儲罐與進料點和產(chǎn)品排出點之間的距離要合理，這樣可以使管線和泵送的費用最小，通過正門可以很容易到達裝卸區(qū)。儲罐之間所留的間距比較小，但是應(yīng)該可以滿足緊急情況下的要求。

生產(chǎn)設(shè)備分別布置在兩個區(qū)域內(nèi)：反應(yīng)區(qū)和純化區(qū)。這樣可以將潛在的危險性較大的反應(yīng)器同其他的設(shè)備分開，萬一出現(xiàn)事故，主導風向可以把有害的蒸汽吹離其他設(shè)備。根據(jù)市場調(diào)研，未來進行擴建的可能是是有限的。如果需要的話，還有足夠的空間用于建設(shè)解決瓶頸問題的主要設(shè)備（比如再建設(shè)一個反應(yīng)器），但是沒有預留再建一整套流程的空間。

醫(yī)療設(shè)施和其他關(guān)鍵服務(wù)設(shè)施將和位于該地區(qū)的其他廠共享。高級管理人員、文秘人員、人事和財務(wù)人員也將在同一建筑內(nèi)辦公，遠離生產(chǎn)現(xiàn)場。由于苯酐廠規(guī)模小，也就沒有必要讓非操作人員留在工廠內(nèi)。

4.3.4 結(jié)論

? 年產(chǎn)4萬噸鄰苯二甲酸酐工廠是中度可行的。在此基礎(chǔ)上將考慮更加詳細的可行性問題。

? 考察了西澳大利亞的Geraldton，Karratha，Kemerton，Kwinana四個地區(qū)作為苯酐廠址的可能性

? 最可取的廠址位于Kemerton工業(yè)園區(qū)。該園區(qū)將有助于從Kwinana分散除部分工業(yè)。此處有合適的建廠條件、現(xiàn)成的土地、便利的交通條件，并且距離Perth不遠（200km），因此可以利用那里的服務(wù)設(shè)施。

? 鄰苯二建酸酐工廠應(yīng)該作為一個化工廠群組的一部分而進行建設(shè)，該群組在同一廠址位置上至少應(yīng)該包括一個下游加工企業(yè)。聚酯廠對于西澳大利亞而言是最合適的選擇，因為它可以為當?shù)氐脑齑I(yè)提供產(chǎn)品。

? 考慮到該地區(qū)的偏遠性，在新的化工廠群組的建設(shè)初期以及為保持具有競爭力的價格，政府的幫助是很重要的。? 設(shè)計了工廠布局，它考慮了對工人和關(guān)鍵建筑物的保護，并將有潛在危險性的設(shè)備與其它設(shè)備分置。廠區(qū)布局時還考慮了使管線和泵送費用最低。某些輔助設(shè)施將與同一廠址的其他工廠公用。

4.3.5 建議

? 考察擬在Kemerton新建的苯酐工廠對于環(huán)境的影響。? 進行更加詳細的物料和能量衡算，以便確認設(shè)備的尺寸。

? 以年產(chǎn)4萬噸苯酐為基準，確定主要設(shè)備的費用，估計交通費用，以便進行詳細的盈利分析。

? 以過程危害性最小為目標，對設(shè)計進行修改。

? 在做出P&ID之后，完成詳細的危害和可操作性（HAZOP）研究。物料衡算和能量衡算

5.1 準備物料衡算和能量衡算

在進行詳細的設(shè)備設(shè)計之前，必須針對每個設(shè)備完成物料和能量衡算。需要對流程圖上及設(shè)備列表中的每一個設(shè)備進行物料衡算。有時，能量衡算是以一組設(shè)備（或者工程的一個部分）為單元進行的，比如原料預熱換熱器或者反應(yīng)器與后續(xù)冷卻（冷凝）器，在這些單元中能量在不同的物流之間傳遞。只有在完成能量衡算之后，才有可能考慮工廠內(nèi)能量的有效利用，并提出節(jié)能措施。

即使在設(shè)計的這一階段，還是不大可能完成所有的物料和能量核算的細節(jié)。此時，應(yīng)該已知每個設(shè)備的操作指標，而對于某些物流的流量和溫度卻只能做出估計。此時所做的物料衡能量衡算需要在每個設(shè)備的最終詳細設(shè)計完成之后再進行修訂或檢驗。例如，規(guī)定某洗滌塔至少應(yīng)該從氣體物流中脫除一定百分數(shù)的某種成分。一般情況下，有可能估計出所需液體的流量，但是只有在進行了詳細的設(shè)計之后才能知道液體的確切流量。設(shè)計中將要考慮所需的填料的類型和高度，以及為了保證塔的有效操作而需要的液體流量。因此最終的設(shè)計所能處理的氣體量，可能會高于按照最初估計的液體流量而設(shè)計的最小值（重要的是，設(shè)計出的塔的實際處理氣量不要低于規(guī)定值?。。?/p>

物料衡算和能量衡算的結(jié)果應(yīng)該以列表的形式給出，每個單元單獨用一張紙。必須清晰明了的給出這些信息。詳細的計算過程一般作為設(shè)計報告的附錄單獨給出。每個單元的物料和能量衡算應(yīng)該包括一下細節(jié)。

（1）單位時間內(nèi)進出某單元的所有物流的質(zhì)量。請勿使用摩爾量和體積量。時間段的選?。ò疵棵耄啃r或每天）要使各質(zhì)量的數(shù)值看起來比較方便（比如0-1000，盡量避免使用103或者10-6）。所有的衡算必須在相同的時間基準內(nèi)進行。（2）所有的物流使用質(zhì)量百分組成。

（3）有時也會給出氣體物流的摩爾流量和摩爾百分數(shù)。

（4）每股物流的溫度。溫度的單位要一致（要么用℃，要么用K）。如果溫度低于0℃，最好使用熱力學溫度。

（5）每股物流的壓力。在壓降不顯著時，壓力值給出一次即可。（6）每股物流的焓值（以J，MJ，GJ等表示）。

到了進行設(shè)計項目的時候，學生們應(yīng)該對物料和能量衡算的列表格式化比較熟悉了。習慣上，進入設(shè)備的物流標注的紙的左邊，出料標在右邊（與P&ID中一樣，從左向右流動）。要對物料和能量衡算的每一頁連續(xù)編號，比如第1頁（共32頁）。還要標出每個設(shè)備的編號。如果能量衡算是以一組設(shè)備為基準進行的，則可以給出總的衡算結(jié)果。進出每一個設(shè)備的總物料量和總能量應(yīng)該在每一頁的下面給出。左邊為進料，右邊為出料。這被稱為“總賬衡算”，可以一目了然地知道能否達到了進出平衡。

在衡算中得出的諸如流量、組成和溫度等參數(shù)應(yīng)該再轉(zhuǎn)注到流程圖上及設(shè)備列表中（要注意對原始估計結(jié)果所作的修正）。隨著設(shè)計的進展，過程流程圖應(yīng)當不斷更新，要清楚的標出最近的更新日期。

不要僅僅把物料和能量衡算看作一套用于詳細設(shè)備設(shè)計的數(shù)據(jù)，還要對其進行充分的利用和分析。根據(jù)物料衡算可以知道工廠的哪些地方物料需求量大，哪些地方有副產(chǎn)品，哪些地方需要較多的工藝水。類似地，根據(jù)能量衡算可以知道哪些設(shè)備能量需求大，以及需要從哪些設(shè)備移走大量的多余能量。畫出一個簡單的方塊圖，標出工廠中物流量大，能量輸出多，或者熱量需求大的地方。這種做法通常很有用，它可以使人們對工廠的操作需求一目了然。

需要學生注意的事項

物料衡算并不總是絕對準確的，允許存在一定的誤差（1%，5%或者10%）。如果得到的衡算是絕對準確的，那通常是因為某物流的流量是通過其他物流的流量相減得到的。因此，絕對平衡的衡算結(jié)果并不意味著計算是正確的。

在給出物料和能量衡算時。要注意數(shù)字的有效位數(shù)。

5.2 初步的設(shè)備設(shè)計

在完成了物料和能量衡算之后，便可以進行初步的設(shè)備設(shè)計。最終的設(shè)備設(shè)計和規(guī)格制訂要在詳細的經(jīng)濟評價和節(jié)能研究完成之后方能進行。

通過初步的設(shè)計，可以對項目前期所使用的數(shù)據(jù)和假設(shè)進行再評估和修正。要注意所有明顯需要進行的較大修改以及工藝或者工廠設(shè)計方面的改變，并評估它們對于項目可行性的影響。要確認所用設(shè)備的類型（在設(shè)備清單中已詳細列出），確定合適的設(shè)計方法，還要找出所有必需的設(shè)計數(shù)據(jù)（希望如此）。如果初步設(shè)計的設(shè)備數(shù)據(jù)和原始的設(shè)備要求有較大的出入，則需要進行考察。在此階段，設(shè)計工程師差一點就進入了詳細的設(shè)計計算。

5.3計算機輔助設(shè)計

CAD一詞（computer aided design）在工程界廣泛使用，但對于其含義有多種不同的解釋。不應(yīng)該將它和使用計算機以及相應(yīng)的繪圖軟件包繪制工程圖紙相混淆，后者有時也稱為CADD（draughting）。對于進行設(shè)計工作的化學工程師而言，計算機和CAD已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用：流程圖和P&ID的繪制，總的物料衡算和能量衡算以及單個設(shè)備的衡算，成本和經(jīng)濟分析，過程的優(yōu)化，以及單個化工設(shè)備（比如換熱器和精餾塔）的詳細設(shè)計計算等等。雖然還沒有被普遍接受的標準術(shù)語，但是最好用CAD來表示主要設(shè)備的詳細設(shè)計計算，而其他借助計算機進行的工作則稱為CAPE（computer-aided process engineering）或者CAE（computer-aided engineering）。

現(xiàn)在，工業(yè)界普遍希望化學工程專業(yè)的學生在課程中至少獲得一些最基本的CAD方面的經(jīng)驗。值得討論一下大學課程應(yīng)該給學生提供哪些CAD經(jīng)驗，以及學生離開大學走上工作崗位應(yīng)該擁有哪些CAD經(jīng)驗。好在這兩個方面的差別并不大。不同CAD軟件包要求不同的編程操作方法，但最關(guān)鍵的是要能評估結(jié)果的有效性，二者取決于學生對于化學工程基本原理的理解和掌握。要教學生如何評估軟件包的計算結(jié)果，要讓學生不盲目地相信結(jié)果總是正確的或者總可以適用于特定的情況。使用CAD軟件的目標應(yīng)該是減少進行手工計算的時間，從而能夠考慮大量的替代情形、替代值、替代變量、進行優(yōu)化設(shè)計而達到“最優(yōu)”解。不建議學生去進行大量的詳細手工計算來校核設(shè)計軟件結(jié)果的正確性，這既是徒勞的也是不現(xiàn)實的。但是為了進行恰當?shù)挠嬎悖瑧?yīng)當進行一定的校核，此時學生應(yīng)該能夠進行這些計算，并能夠評價所用的設(shè)計方法或者計算順序是夠合適。CAD軟件包無法取代化學工程師，因為工程是懂得并且能夠應(yīng)用化學工程的基本原理，但是CAD可以減少大量的手工性和重復性計算，從而極大地提高工程師的設(shè)計效率。

進行物料衡算的計算機程序通常包括幾個組成部分：首先，對每一個設(shè)備描述其進料物流和出料物流的狀態(tài)?？赡苄枰貏e復雜的數(shù)學模型來關(guān)聯(lián)復雜單元的進料和出料狀態(tài)。有必要指定各設(shè)備模塊的求解次序，比較簡單的設(shè)備可以先求解，然后再求解方程組。求解次序最好使每個方程式僅有一個未知數(shù)而避免迭代。有時需要求解線性方程組。如果是非線性方程組，就需要使用合適的數(shù)值迭代算法。

即使對于僅包含幾個單元的簡單流程，編制物料衡算計算程序的工作量也是很大的。由于這類程序的實用性，就出現(xiàn)了商業(yè)化的“工藝流程圖”式的軟件包（比如HYSIM，PROII，HYSYS，PROSYS等）。這些軟件包中包含了若干套編制好的、具有通用功能的單元操作子程序，可以根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)進行計算。這些流程圖式的程序還可以與某一個物性數(shù)據(jù)庫相連接，這樣就可以自動地獲取各種組分的相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需用戶手工輸入。根據(jù)工藝過程的復雜性，還可以使用微軟的EXCEL或者LOTUS1-2-3等具有電子數(shù)據(jù)表功能的軟件來進行的物料和能量的衡算。如果學生想通過類似途徑來開發(fā)自己的衡算方法，那么在正式的設(shè)計之前最好相對其正確性進行一些前期測試，以避免浪費時間。

流程圖式的軟件包還可以提供物料和能量衡算之外的很多信息。在進行這些計算的同時，還對每一個設(shè)備進行了有效的初步設(shè)計評估。輸出的計算結(jié)果通常包括諸如設(shè)備的熱負荷、回流比、公用工程需求和初步的尺寸等細節(jié)。如果程序是與物性數(shù)據(jù)庫相連的，那么還可以得到每一物流的各種物性數(shù)據(jù)。雖然商業(yè)軟件種類很多。但是它們都具有相似的特征和程序結(jié)構(gòu)。在使用或者購買軟件前，最好能夠比較一下它們所包含的單元操作范圍、設(shè)備模型的范圍、使用上的難易程度（用戶友好程度）、數(shù)據(jù)庫的大小以及支持文件的質(zhì)量。

所有的設(shè)計都需要物性數(shù)據(jù)，為保證CAD的有效使用，這些數(shù)據(jù)必須以方便計算機運算的形式給出。以圖表方式給出的數(shù)據(jù)的實用性會受到限制，盡管如此，有些數(shù)據(jù)庫仍僅僅包含了測量數(shù)據(jù)。一個更加有效的存儲數(shù)據(jù)的方式是將已有的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)成經(jīng)驗式，再將經(jīng)驗式中所需要的參數(shù)進行存儲（應(yīng)注明經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的適用范圍）。有些數(shù)據(jù)庫僅僅包括計算時所需要的經(jīng)驗參數(shù)，而另外一些數(shù)據(jù)庫還包括了未被加工的原始數(shù)據(jù)。通常使用的物性數(shù)據(jù)庫有：ASPEN-PLUS，CHEMCO，DATABANK，F(xiàn)LOWTRAN，以及PPDS。

對于化工設(shè)計而言，最有用的數(shù)據(jù)庫應(yīng)該能夠通過適當?shù)念A測方法提供未知的數(shù)據(jù)（比如用基團貢獻法提供汽液平衡數(shù)據(jù)），還可以通過使用類似物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)來替代未知物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)。如果所缺的物性數(shù)據(jù)對于計算結(jié)果的影響不大，也可以使用粗估的數(shù)據(jù)。CAD的使用者需要知道這些預測方法的適用條件、他們的準確度以及可能對計算結(jié)果產(chǎn)生的影響。這里需要使用者對CAD軟件包的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用有所了解，并需要基本的化學工程原理的知識。

為了最大程度的利用流程圖式的軟件，使用者和設(shè)計者必須經(jīng)過一定的培訓，一個適用的程序一包包含20-30個標準的單元，大量的求解方程的程序、控制模塊、有時可能還有優(yōu)化模塊。所選用的單元設(shè)備子程序必須與過程中的設(shè)備匹配，需要指定循環(huán)物流，并給出適當?shù)那蠼馐諗慷?。為了高效使用CAD軟件包，很顯然不應(yīng)讓工程軟件取代工程師，二十需要具備各種能力和判斷力強的訓練有素的工程師。

使用軟件包時通常要經(jīng)歷以下四個階段：模擬，設(shè)計，案例研究和優(yōu)化。在最初的模擬階段，需要確定輸入數(shù)據(jù)，選擇合適的設(shè)備模塊。此時可以先使用簡單的單元代替復雜的設(shè)備，比如使用一個“組分分離器”代替精餾塔。在此階段，反復的替代通常即可以獲得收斂，之后，再選用合適的能加速收斂的算法。通過模擬階段的工作可以得到一個簡化的模型，通過它可以收斂初步的解（盡管此時的輸出結(jié)果和產(chǎn)品規(guī)格可能還有錯誤之處）。在第二階段，即設(shè)計階段，則需要把模擬模型升級為合適的“設(shè)計模型”，這一般是通過添加更多的循環(huán)（作為信息回路）來實現(xiàn)的。設(shè)計過程是迭代的過程，需要適當?shù)氖諗砍绦?。此階段所要求的結(jié)果是得到一個“模型”，使其能夠在合理的迭代次數(shù)之內(nèi)得到有意義的解。在案例研究階段，就是要使用工廠的實際數(shù)據(jù)及用于提供設(shè)計變量初值的經(jīng)驗法則。使用設(shè)計模型進行靈敏度分析，確定具有顯著影響的參數(shù)，并決定是否值得進行全面的優(yōu)化。優(yōu)化階段需要設(shè)計者投入相當多的時間。進行優(yōu)化時必須使用合適的軟件，使用者還要具有一定的使用經(jīng)驗。有必要想單獨對工廠的一個部分進行優(yōu)化，然后在進行適當?shù)恼{(diào)整和重復計算。在此階段還需要進行全面的經(jīng)濟分析。

計算機在化工設(shè)計中的廣泛使用以及所帶來的潛在節(jié)約，導致了大量的商用CAD軟件的開發(fā)。有一些軟件僅涉及設(shè)計工作中的特定方面，比如換熱器的詳細設(shè)計（HEATEX），流程圖和工程圖的繪制（PROCEDE，AUTOSKETCH，PRODESIGN，TURBO-CAD），通用的繪圖軟件，以及數(shù)據(jù)庫（PPDS，physical property data service）。很多其他的具有流程圖式結(jié)構(gòu)的軟件包可以進行全過程的模擬和設(shè)計（包括物料和能量衡算在內(nèi)）。這些軟件包括了HYSYS，PROTISS，ASPEN-PLUS以及SPEED-UP等。

這些軟件現(xiàn)在都可以在PC機上運行，學生獲得一些CAD軟件的使用經(jīng)驗很重要，但是更重要的是，要對CAD的應(yīng)用以及使用計算機進行設(shè)計的人員所要具備的技能有所了解，而不是僅有一些使用過多少種軟件的表面經(jīng)驗。

既然有了模擬軟件包，我們還能做哪些工作？

學生會問“為什么某軟件中都有的功能，還要讓我們學習”，我的回答是：培養(yǎng)學生的目的是使其成為能夠進行技術(shù)含量很高的詳細設(shè)計的職業(yè)化學工程師，為此必須讓學生理解單元操作中最基本的理論并能夠進行設(shè)計計算，而計算機的使用不過是使計算過程更加快捷并且可以多考察一些參數(shù)而已。如果使用得當?shù)脑?，計算機是讓生活更加輕松的一個工具。而設(shè)計工程師必須能夠判斷出計算機解的好壞對錯，并且要認識到計算機計算的結(jié)果不一定就是正確的。Sloley(1995)的文章“Why towers do not work”解釋了為什么工業(yè)實際中大量精餾塔的生產(chǎn)效率沒有預想的那樣高。原因有若干條，但讓人吃驚的是，很多情況下，原因是根據(jù)計算機模擬結(jié)果進行的設(shè)計是不合理的，而其中大部分在設(shè)計階段中本應(yīng)該得到糾正！計算機模擬絕對替代不了對于基本原理的理解和認識。Sadeq（1997）的文章解釋了計算機模擬結(jié)果絕對替代不了對于基本原理的理解和認識。

5.4 案例研究-物料和能量衡算以及公用工程

總述

在過量空氣存在的情況下進行鄰二甲苯的部分氧化，可以得到鄰苯二甲酸酐產(chǎn)品，放出大量的反應(yīng)熱（21MW）。反應(yīng)氣中的苯酐產(chǎn)品經(jīng)過兩級冷卻得到回收，第一級得到液體產(chǎn)品，第二級得到固體產(chǎn)品（通過凝華）。最后對粗品用精餾的方法進行精制。LAR工藝在反應(yīng)階段需要的空氣量較少，因而與其它生產(chǎn)工藝相比，整個工廠的設(shè)備尺寸都較小，能量效率也更高。大量的能量（14.6MJ/kg苯酐）可以以高壓蒸汽的方式輸出。

物料和能量主要集中在反應(yīng)和回收兩部分。反應(yīng)器及其附屬的加熱和冷卻設(shè)備是能量綜合利用的關(guān)鍵所在，因為此處的高溫和大流量產(chǎn)生了最大的焓流量。精制設(shè)備在相對溫和的條件及低流量下運行，但是兩個精餾塔之間還是存在著能量集成的可能性。在公用工程方面，需要兩股熱源（蒸汽和導熱油）和四股冷卻介質(zhì)（空氣、冷卻水、冷卻鹽和導熱油）。需要制定出詳細的熱量集成方案以便使公用工程需求最小，使高品位熱能的輸出最大。設(shè)備設(shè)計

6.1 詳細設(shè)備設(shè)計

在所有的初步工作（技術(shù)和經(jīng)濟可行性研究）完成以后，就可以開始詳細的設(shè)計工作了，可以完成設(shè)備的最終設(shè)計，并準備出每個設(shè)備的詳細說明書。在這一階段，應(yīng)該對工藝流程圖P&ID和設(shè)備列表進行檢查和修正，如果與最初設(shè)計有顯著變化，則成本估算也應(yīng)作相應(yīng)修改。這里只給出有關(guān)設(shè)備設(shè)計的一般性討論。

一座化工廠里進行著很多不同的單元操作，例如精餾、傳熱、吸收等，而針對每種操作都已經(jīng)開發(fā)出了多種類型的設(shè)備以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合：包括不同類型的換熱器，例如板式、管殼式、蓄熱式等；填料和板式精餾塔；全混釜和管式反應(yīng)器等等。針對某些單元操作已經(jīng)發(fā)表有很多著作，本章最后的參考文獻中列出了一些十分重要的典籍。在進行本設(shè)計項目訓練時，他們應(yīng)該對這些參考書非常熟悉，因為在其他課程中已經(jīng)使用過這些書。其中的一些書籍只提供關(guān)于某主題的概論性介紹，主要著眼于本科生課程教學，重點在基本理論。另一些則側(cè)重于如何將基本原理應(yīng)用于設(shè)備設(shè)計，并包括相關(guān)設(shè)計方法的細節(jié)及有用的設(shè)計數(shù)據(jù)。對于設(shè)計工作而言，需要的是設(shè)計手冊，本章結(jié)尾處同樣列出了一些設(shè)計手冊。

關(guān)于不同類型設(shè)備及其相關(guān)結(jié)構(gòu)特點的綜述，可參考Bassel(1990)以及Peters和Timmerhaus(1991)，Ulrich（1984），Coulson和Richardson（第6卷，1993），Walas（1988）的書籍。這些書籍就不同類型的設(shè)備以及設(shè)備設(shè)計方面的新進展給出了大量的參考文獻。一些詳細設(shè)計信息可參考Perry化學工程師手冊（1997）。有時候僅依賴于10年前出版的書籍中所提供的方法還不足以完成設(shè)計，設(shè)計工程師必須隨時注意熟悉新方法和新進展。在某些領(lǐng)域，化工設(shè)計的發(fā)展變化沒有那么快，一些早期的文獻仍具有很高的參考價值，例如Kern（1950）。然而，為了高效的做出設(shè)計，密切關(guān)注隨時發(fā)生的變化和應(yīng)用最新知識十分必要?？窃贑hemical Engineering（N.Y.），Hydrocarbon Processing 以及Chemical Engineering Progress上的文章是最新信息的很好的來源。

裝置的設(shè)計應(yīng)該遵循下列準則（或其中的一大部分）

（a）操作必須安全，經(jīng)爆炸、火災(zāi)及針對操作人員的危險降至最低。（b）必須實現(xiàn)預期的功能，滿足設(shè)計要求。（c）必須是經(jīng)濟上可行的設(shè)計

（d）應(yīng)盡量減少保養(yǎng)及維護工作，盡量減少操作成本及公用工程需求。

（e）所設(shè)計的設(shè)備在指定設(shè)計能力下運行時各項費用應(yīng)為最小。通常還要求設(shè)備能在負荷增加或減少時“滿意地”運行，此時運行成本會有所上升。（f）設(shè)備必須在工廠的整個預期年限內(nèi)都能（正常）運行。（g）設(shè)計必須具有可行性（可以建造和操作）。

設(shè)計必須被所有的相關(guān)部門接受，還可能要滿足其他的一些要求。

當裝置設(shè)計完成后，必須寫出完整的設(shè)計技術(shù)報告，其中必須詳細給出所有相關(guān)設(shè)計計算的細節(jié)、使用的數(shù)據(jù)以及所用設(shè)計方法中隱含的假設(shè)/限定條件。要給出完整的設(shè)計說明書及詳細（按比例繪制）的工程圖紙。必須提供足夠的細節(jié)以精確計算設(shè)備的費用，并使設(shè)備能夠得以建造（如果獲得批準）。

6.1.1 并非化工專業(yè)的所有的學生都掌握了已教授的全部基本原理，很多學生對于自己將基本理論轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計的能力有所懷疑。一些學生發(fā)現(xiàn)，在飽嘗了預先把所有條件都給定的課本型練習的“大餐”之后，很難適應(yīng)這種開放式的（經(jīng)常還是定義得比較模糊的）設(shè)計問題。有必要認清的是在設(shè)計任務(wù)的第一階段要對已獲得的信息（有時候這些信息還是矛盾的）進行整理，這些信息將構(gòu)成設(shè)備設(shè)計的基礎(chǔ)。以下列出13條要點的目的是給那些為解決設(shè)備設(shè)計問題而感到困惑的學生提供及時的幫助和指導。參考其它一些詳述一般性設(shè)計方法的書籍，如Ray（1985），Peters和Timmerhaus(1991)，Ulrich（1984），Walas（1988）等，應(yīng)該會有所幫助，針對一些特定課題，預讀雜志文章和設(shè)計案例分析文獻很有必要。（Ray 和Johnston(1989)，Austin和Jeffreys（1979））

有時候一些功課成績較好的學生對于所要求的設(shè)計也會感到困難，特別是當他們所獲得優(yōu)異成績部分地是靠良好的記憶力和對課本類型問題的掌握而取得時。但是好的設(shè)計工作不靠記憶，而依賴于對工程原理的充分認識和理解。好學生一般都具有這樣的品質(zhì)，但還沒有充分意識到它們的重要性。這些要點在隨后的設(shè)計中仍然有用，他們可以幫助確認沒有忽略仁和中藥的設(shè)計方面。以下簡要的幾點說明并不是對設(shè)計過程的詳細分析，而是給出了一些用于指明大體方向的建議。

怎樣開始設(shè)備設(shè)計 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.總結(jié)

6.2 標準和規(guī)范

6.3 設(shè)計中的其他問題

7安全與環(huán)境問題與經(jīng)濟評價

第二篇：化工設(shè)計大賽

年產(chǎn)**噸丙烯的化工廠設(shè)計方案

引言 丙烯是石油化工基本原料之一，可用以生產(chǎn)多種重要有機化工原料，可以生產(chǎn)丙烯腈，環(huán)氧丙烷，環(huán)氧氯丙烷，異丙醇，丁醇，辛醇等，也可直接合成聚丙烯，乙丙烷等。丙烯可做聚丙烯、異丙醇的原料，還可做腈綸，丙烯腈等產(chǎn)品的原料，丙烯在我國的需要量很大，它是三大合成材料的重要原材料。其中丙烷脫氫制丙烯工藝最受關(guān)注。一． 制備方法 二． 制備工藝 三． 設(shè)備設(shè)計及選型 1.工藝設(shè)備一覽表 1.概述

2.塔結(jié)構(gòu)尺寸確定依據(jù) 3.塔設(shè)備設(shè)計影響因素 4.塔設(shè)備設(shè)計舉例 2.典型塔器設(shè)計計算與選型 1.概述

2.設(shè)計數(shù)據(jù)及工作參數(shù) 3.物料衡算與熱量衡算及結(jié)果 4.反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的計算 3.典型反應(yīng)器設(shè)計計算與選型 1.4.典型換熱設(shè)備設(shè)計計算與選型 四． 總圖設(shè)計 1.設(shè)計依據(jù)與原則 2.工廠布局 五． 自動設(shè)計 六． 自動控制 1.生產(chǎn)過程設(shè)計 2.檢測設(shè)計方案 七． 公用工程建設(shè) 1.電氣與通訊 2.給排水 3.蒸汽 4.采暖通風 八． 環(huán)境保護 1.設(shè)計依據(jù)和標準 2.工程概況

3.資源利用與污染物排放 4.廢氣 5.廢水 6.廢渣 7.噪聲 8.廠區(qū)綠化 9.總述 九． 勞動安全消防 1.設(shè)計依據(jù) 2.勞動安全 3.安全生產(chǎn)原則

4.廠區(qū)安全風險具體分析 5.消防安全具體設(shè)計 6.消防管理工作 7.職業(yè)衛(wèi)生 8.總述

十． 工廠組織與勞動定員 1.企業(yè)文化 2.企業(yè)組織形式 3.企業(yè)工作制度 4.企業(yè)經(jīng)營管理 5.勞動定員

第三篇：化工設(shè)計大賽

化工設(shè)計根據(jù)工藝流程以及條件選擇合適的生產(chǎn)設(shè)備、管道及儀表等，進行合理的工廠布局設(shè)計以滿足生產(chǎn)的需要，最終使工廠建成投產(chǎn)，這種設(shè)計的全過程稱為“化工設(shè)計”。

隨著社會與科技的飛速發(fā)展，化工行業(yè)對工程技術(shù)人才的要求越來越高。而工程技術(shù)人才的創(chuàng)新能力集中體現(xiàn)在工程實踐活動中創(chuàng)造新的技術(shù)成果的能力，包括新產(chǎn)品和新技術(shù)的研發(fā)，新流程和新裝置的設(shè)計，新的工廠生產(chǎn)過程操作運行方案等等。

為了多方面培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新思維和工程技能，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神，增強大學生的工程設(shè)計與實踐能力，實踐“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，中國化工學會、中國化工教育協(xié)會、教育部高等學?；瘜W工程與工藝專業(yè)教學指導分委員會在中國石化和三井化學公司的冠名贊助下舉辦“中國石化-三井化學杯”杯大學生化工設(shè)計競賽。

第四篇：化工設(shè)計公司簡介

化工部的九個設(shè)計院

<第一設(shè)計院到第九設(shè)計院，都有自己的特色和專長，現(xiàn)在這些設(shè)計院都重組變成了工程公司

天辰工程公司(化工部第一設(shè)計院)天津華泰工程公司(化工部第二設(shè)計院)太原東華工程公司(化工部第三設(shè)計院)合肥五環(huán)工程公司(化工部第四設(shè)計院)武漢中石化寧波工程公司（原中石化蘭州設(shè)計院，化工部第五設(shè)計院）寧波

華陸工程公司(化工部第六設(shè)計院)西安中石化南化設(shè)計院(化工部第七設(shè)計院)南京成達工程公司(化工部第八設(shè)計院)成都中石油設(shè)計東北公司（原吉化集團公司設(shè)計院，化工部第九設(shè)計院）吉林

氮肥設(shè)計的實力，屬于第一梯隊的為天辰、五環(huán)（氮肥設(shè)計中心站設(shè)于院內(nèi)）和成達，華泰強項在焦化，東華在水處理，華陸在精細化工，寧波、吉林已向石化轉(zhuǎn)移，南京好象在走下坡路。

一院、三院的鈦白粉設(shè)計能力較強，三院承擔了錦州氯化法鈦白粉精制、氧化、后處理三個主要工序的設(shè)計工作。

南化設(shè)計院原來是全國的硫磷設(shè)計中心，硫酸磷肥設(shè)計是其強項，近年也已向化工方向轉(zhuǎn)

成達工程公司是原九個設(shè)計院實力最強的，不僅擁有化工設(shè)計資質(zhì)，還擁有電廠的設(shè)計資質(zhì)； 目前天辰、五環(huán)、寰球和華陸在煤化工方面發(fā)展較快，目前五環(huán)和寰球均在從事煤制烯烴項目的設(shè)計（5000噸/天甲醇，50萬噸/年丙烯等），天辰、華陸做過多套30萬噸/年和60萬噸/年的甲醇項目設(shè)計。另外華陸還擁有軍工設(shè)計資質(zhì)。

華泰在焦化方面有強大的實力，并完成焦爐氣制甲醇項目，據(jù)了解該公司正在做120萬噸/年二甲醚項目。

東華公司在硫酸和磷肥以及鈦白粉方面擁有強大的實力，在煤化工和石化項目方面也有所發(fā)展。

中石化的最強的三大工程公司：

中石化工程公司（SEI），在北京；

中石化洛陽工程公司（簡稱洛派克）；

中石化上海工程公司（SSEI）；

中石油所屬的工程公司：

中國寰球工程公司（HQCEC），在北京；

中石油工程設(shè)計公司(CPE),有北京、西南等8個分公司和迪威爾等5家子公司

第五篇：化工綜合設(shè)計教學大綱(修訂)

化工綜合設(shè)計教學大綱

課程編號：

課程名稱：化工綜合設(shè)計

英文名稱：Integrated Design of Chemical Engineering 學時（周數(shù)）：2周 學分：2 適用專業(yè)：化學工程與工藝

先修或同修課程：物理化學、化工原理、化工設(shè)備機械基礎(chǔ)、化工儀表及自動化

執(zhí)筆人：潘高峰

編寫日期：2012年3月

化工綜合設(shè)計教學大綱

一、設(shè)計教學目標

修完《化工設(shè)計》課程后，需要進一步通過實踐強化所學化工設(shè)計相關(guān)知識，通過綜合設(shè)計訓練，培養(yǎng)學生建立工程概念和工程設(shè)計思維，認識、理解化工設(shè)計規(guī)范，應(yīng)用計算機模擬軟件和繪圖軟件的能力。為今后的畢業(yè)設(shè)計及走上工作崗位從事設(shè)計和工程技術(shù)管理工作打下堅實基礎(chǔ)。

二、設(shè)計內(nèi)容及基本要求

1.查閱、收集、整理和綜合與設(shè)計過程有關(guān)的文獻資料。

2.針對設(shè)計課題，進行概念設(shè)計和部分初步設(shè)計階段的工程設(shè)計，重點進行生產(chǎn)方法的選擇和工藝過程的確立。在工藝路線流程化過程中，要求思路清晰、理由充分、論證合理；物料衡算和熱量衡算作為選做內(nèi)容，并可使用過程模擬軟件輔助計算；充分考慮三廢處理問題，強化環(huán)保意識。

3.對流程中設(shè)備數(shù)量定量化，并結(jié)合設(shè)計規(guī)范對所選設(shè)備定型化，設(shè)備工藝計算作為選作內(nèi)容，可按照需要進行尺寸估定。

4.分析工藝過程中關(guān)鍵設(shè)備的溫度、壓力、液位、組成等控制參數(shù)，設(shè)定部分顯示儀表及建立部分控制方案。

5.嚴格按照某一具體設(shè)計規(guī)范繪制帶控制點的工藝流程圖、設(shè)備平面布置圖和立面圖（或剖視圖）各一張。

要求學生結(jié)合《化工原理課程設(shè)計》和《生產(chǎn)實習》進行自行選題，并保證一人一題，鼓勵學生嘗試使用過程模擬軟件完成部分三算內(nèi)容，完成工藝設(shè)計說明書，必須采用繪圖軟件繪制相關(guān)圖紙，要求學生注意對先修《化工設(shè)計》課程設(shè)計規(guī)范內(nèi)容的理解和運用，進一步強化設(shè)計能力的訓練和培養(yǎng)。

三、設(shè)計安排

本課程為修完《化工設(shè)計》理論課程后的實踐訓練課程，其教學形式主要以學生主體。課程開設(shè)的時間為第七學期《化工設(shè)計》理論課后接續(xù)，設(shè)計時間為2周。

四、成績考核

1、設(shè)計完成后，學生必須遞交工藝設(shè)計說明書和設(shè)計圖紙，并按下列評分標準進行評分。

2、評分標準

優(yōu)秀：設(shè)計方案合理，計算正確，圖紙清晰，報告質(zhì)量高。良好：設(shè)計方案較合理，計算正確，圖紙較清晰，報告質(zhì)量較高。中等：設(shè)計方案一般，計算較正確，圖紙一般，報告質(zhì)量一般。

及格：設(shè)計方案一般，計算基本正確，圖紙尚可，報告質(zhì)量一般。

不及格：設(shè)計方案較差，計算有重大錯誤，圖紙不規(guī)范，報告質(zhì)量差。

五、參考資料

1.李國庭等，《化工設(shè)計概論》，化學工業(yè)出版社.2.其它與化工設(shè)計相關(guān)工具書.2