1、化工设计专题化工设计专题主讲主讲 李贵贤李贵贤 教授、博士教授、博士2006年年10月月主要内容主要内容第一章第一章 化工厂设计的内容与程序化工厂设计的内容与程序第二章第二章 工艺流程设计工艺流程设计第三章第三章 化工计算化工计算（简）（简）第四章第四章 车间布置设计车间布置设计第五章第五章 管道布置设计管道布置设计第一章第一章 化工厂设计的内容与程序化工厂设计的内容与程序第一节第一节 化工设计的种类化工设计的种类装置改造设计装置改造设计项目项目性质性质新建项目设计新建项目设计重建项目设计重建项目设计化工设计可根据项目性质分类，也可按设计性质分类。化工设计可根据项目性质分类，也可按设计性质分类
2、。一、根据项目性质分类一、根据项目性质分类新技术开发过程设计新技术开发过程设计 设计设计性质性质工程设计工程设计 初步设计初步设计 技术设计（扩大初步设计技术设计（扩大初步设计）施工图设计施工图设计 概念设计概念设计 中试设计中试设计 基础设计基础设计 第二节第二节 化工厂设计的工作程序化工厂设计的工作程序一、项目建议书一、项目建议书1.1.项目建设目的和意义，即项目提出的背景和依据，投资的必要性及项目建设目的和意义，即项目提出的背景和依据，投资的必要性及 经济意义；经济意义；2.2.产品需求初步预测；产品需求初步预测；3.3.产品方案和拟建规模；产品方案和拟建规模；4.4.工艺技术方案（原料
3、路线、生产方法和技术来源）；工艺技术方案（原料路线、生产方法和技术来源）；5.5.资源、主要原材料、燃料和动力的供应；资源、主要原材料、燃料和动力的供应；6.6.建厂条件和厂址初步方案；建厂条件和厂址初步方案；7.7.环境保护；环境保护；8.8.工厂组织和劳动定员估算；工厂组织和劳动定员估算；9.9.项目实施规划设想；项目实施规划设想；10.10.投资估算和资金筹措设想；投资估算和资金筹措设想；11.11.经济效益和社会效益的初步估算。经济效益和社会效益的初步估算。二、可行性研究二、可行性研究1.1.总论；总论；2.2.需求预测；需求预测；3.3.产品的生产方案及生产规模；产品的生产方案及生产
4、规模；4.4.工艺技术方案；工艺技术方案；5.5.原材料、燃料及水电汽的来源与供应；原材料、燃料及水电汽的来源与供应；6.6.建厂条件和厂址选择布局方案；建厂条件和厂址选择布局方案；7.7.公用工程和辅助设施方案；公用工程和辅助设施方案；8.8.环境保护及安全卫生；环境保护及安全卫生；9.9.工厂组织、劳动定员和人员培训；工厂组织、劳动定员和人员培训；10.10.项目实施规划；项目实施规划；11.11.投资估算和资金筹措；投资估算和资金筹措；12.12.经济效益评价及社会效益评价；经济效益评价及社会效益评价；13.13.结论包括综合评价和研究报告的结论等内容。结论包括综合评价和研究报告的结论等
5、内容。1.1.项目设计的目的和依据；项目设计的目的和依据；2.2.生产规模、产品方案、生产方法或工艺原则；生产规模、产品方案、生产方法或工艺原则；3.3.矿产资源、水文地质、原材料、燃料、动力、供水、运输等矿产资源、水文地质、原材料、燃料、动力、供水、运输等协作条件；协作条件；4.4.资源综合利用、环境保护、三废治理的要求；资源综合利用、环境保护、三废治理的要求；5.5.厂址与占地面积和城市规划的关系；厂址与占地面积和城市规划的关系；6.6.防空、防震等的要求；防空、防震等的要求；7.7.建设工期与进度计划；建设工期与进度计划；8.8.投资控制数；投资控制数；9.9.劳动定员及组织管理制度；劳
6、动定员及组织管理制度；10.10.经济效益、资金来源、投资回收年限。经济效益、资金来源、投资回收年限。三、编制设计任务书三、编制设计任务书四、扩大初步设计四、扩大初步设计五、施工图设计五、施工图设计在扩大初步设计的基础上，完善流程图设计和车间布置设计，进而完在扩大初步设计的基础上，完善流程图设计和车间布置设计，进而完成管道配置设计和设备、管路的保温及防腐设计。成管道配置设计和设备、管路的保温及防腐设计。工艺专业主要内容包括：工艺图纸目录、工艺流程图、设备布置图、工艺专业主要内容包括：工艺图纸目录、工艺流程图、设备布置图、设备一览表、非定型设备制造图、设备安装图、管道布置图、管架管设备一览表、非
7、定型设备制造图、设备安装图、管道布置图、管架管件图、设备管口方位图、设备和管路保温及防腐设计等；件图、设备管口方位图、设备和管路保温及防腐设计等；非工艺专业主要内容包括：有土建施工图、供水、供电、给排水、自非工艺专业主要内容包括：有土建施工图、供水、供电、给排水、自控仪表线路安装图等。控仪表线路安装图等。六、设计代表工作六、设计代表工作设计文件编制完毕，工作转入基本建设和试车阶段的时，只需少量各设计文件编制完毕，工作转入基本建设和试车阶段的时，只需少量各专业设计代表参加。专业设计代表参加。各专业设计代表的任务：参加基本建设的现场施工和安装（必要时修各专业设计代表的任务：参加基本建设的现场施工和
8、安装（必要时修正设计），建成化工装置后要参加试车运转工作，使装置达到设计所正设计），建成化工装置后要参加试车运转工作，使装置达到设计所规定的各项指标要求。规定的各项指标要求。一、设计准备工作一、设计准备工作（l l）熟悉设计任务书；）熟悉设计任务书；（2 2）了解化工设计以及工艺设计包括哪些内容，其方法步骤如何。参）了解化工设计以及工艺设计包括哪些内容，其方法步骤如何。参 照设计进度订出个人工作计划。照设计进度订出个人工作计划。（3 3）查阅文献资料；）查阅文献资料；（4 4）收集第一手资料。）收集第一手资料。二、方案设计二、方案设计 确定生产方法和生产流程。确定生产方法和生产流程。第三节第三
9、节 化工工艺设计的程序及设计内容化工工艺设计的程序及设计内容技术上先进、经济上合理、安全上可靠、三废的得以治理、因地制宜技术上先进、经济上合理、安全上可靠、三废的得以治理、因地制宜三、化工计算 内容：物料衡算、能量衡算以及设备选型和计算三个内容。内容：物料衡算、能量衡算以及设备选型和计算三个内容。任务：绘制物料流程图、主要设备图和带控制点工艺流程图。任务：绘制物料流程图、主要设备图和带控制点工艺流程图。用到大量的基本理论、基本概念和基本技能（数据处理、计算技能、用到大量的基本理论、基本概念和基本技能（数据处理、计算技能、绘图能力等）。绘图能力等）。四、车间布置设计四、车间布置设计 工艺人员的主
10、要设计任务之一。工艺人员的主要设计任务之一。主要任务：主要任务：确定整个工艺流程中的全部设备在平面上和空间中的正确确定整个工艺流程中的全部设备在平面上和空间中的正确的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构型式。的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构型式。当化工计算结束，绘出工艺流程图后进行，当化工计算结束，绘出工艺流程图后进行，完成后要绘制完成后要绘制平面与立面的车间布置图平面与立面的车间布置图。五、化工管路设计五、化工管路设计 任务：任务：确定装置的全部管线、阀件、管件及各种管架的位置，以满足确定装置的全部管线、阀件、管件及各种管架的位置，以满足工艺生产的要求。工艺生产的要求。原则：原则：应注
11、意节约管材，便于操作、检查和安装检修，而且做到整齐应注意节约管材，便于操作、检查和安装检修，而且做到整齐美观。美观。六、提供设计条件六、提供设计条件 内容：内容：总图、土建、外管、非定型设备、自控、电气、电讯、电加热、总图、土建、外管、非定型设备、自控、电气、电讯、电加热、采暖通风、空调、给排水、工业炉等非工艺专业的设计条件。采暖通风、空调、给排水、工业炉等非工艺专业的设计条件。确保其确保其完整性和正确性完整性和正确性。七、编制概算书七、编制概算书 概算主要提供了车间建筑、设备及安装工程费用。概算主要提供了车间建筑、设备及安装工程费用。编制概算可帮助判断和促进设计的经济合理性。编制概算可帮助判
12、断和促进设计的经济合理性。八、编制设计文件八、编制设计文件 初步设计阶段与施工图设计阶段的设计工作完成后都要编制设计文件。初步设计阶段与施工图设计阶段的设计工作完成后都要编制设计文件。是设计成果的汇总，是进行下一步工作的依据，是设计成果的汇总，是进行下一步工作的依据，内容：内容：设计说明书、附图（流程图、布置图、设备图等）和附表（设设计说明书、附图（流程图、布置图、设备图等）和附表（设备一览表、材料汇总表等）。备一览表、材料汇总表等）。以上为一般设计程序，实际设计中，往往是交错进行的。以上为一般设计程序，实际设计中，往往是交错进行的。化工设计必须遵循国家和行业的设计规范和相关的政策、法化工设计
13、必须遵循国家和行业的设计规范和相关的政策、法规。如：规。如：1 1、化工企业总图运输设计规范、化工企业总图运输设计规范 HG/T 20649HG/T 20649199819982 2、工矿企业总平面设计规范、工矿企业总平面设计规范 GB 50187GB 50187199319933 3、石油化工工艺装置布置设计通则、石油化工工艺装置布置设计通则 SH3011-2000SH3011-20004 4、石油化工给水排水管道设计图例、石油化工给水排水管道设计图例 SH 3089-1998SH 3089-19985 5、石油化工管道器材标准（合订本、石油化工管道器材标准（合订本19961996年）年）S
14、H 3401-3410SH 3401-34106 6、石油化工管道布置设计通则、石油化工管道布置设计通则 SH3012-2000SH3012-20007 7、石油化工企业给水排水系统设计规范、石油化工企业给水排水系统设计规范 SH3015-2003SH3015-2003第四节第四节 国家和行业的基本设计政策和规范国家和行业的基本设计政策和规范第五节第五节 设计文件设计文件一、扩大初步设计文件一、扩大初步设计文件 设计文件内容：设计说明书和说明书的附图、附表。设计文件内容：设计说明书和说明书的附图、附表。初步设计说明书的内容：初步设计说明书的内容：（一）设计依据（一）设计依据 （1 1）文件，如
15、计划任务书以及其他批文等。）文件，如计划任务书以及其他批文等。（2 2）技术资料，如中试试验报告、调查报告等。）技术资料，如中试试验报告、调查报告等。（二）设计指导思想和设计原则（二）设计指导思想和设计原则 （1 1）设计所遵循的具体方针政策和指导思想。）设计所遵循的具体方针政策和指导思想。（2 2）总括各专业的设计原则，如工艺路线的选择、设备的选型和材质选）总括各专业的设计原则，如工艺路线的选择、设备的选型和材质选用、自控水平等原则。用、自控水平等原则。（三）产品方案（三）产品方案 产品名称和性质；产品名称和性质；产品质量规格；产品质量规格；产品规模（吨年）；产品规模（吨年）；副产副产品数量
16、（吨年）；品数量（吨年）；产品包装方式。产品包装方式。（四）生产方法和工艺流程（四）生产方法和工艺流程 (1)(1)生产方法；生产方法；(2)(2)化学反应方程式；化学反应方程式；(3)(3)工艺流程工艺流程 工艺划分简图，用方块图表示；工艺划分简图，用方块图表示；带控制点工艺流程图和流程简述。带控制点工艺流程图和流程简述。（五）车间（装置）组成和生产制度（五）车间（装置）组成和生产制度 (1)(1)车间（装置）组成；车间（装置）组成；(2)(2)生产制度。生产制度。（六）原料、中间产品的主要技术规格（六）原料、中间产品的主要技术规格 (1)(1)原料、辅助原料的主要技术规格。原料、辅助原料的
17、主要技术规格。(2(2）中间产品及成品的主要技术规格。）中间产品及成品的主要技术规格。（七）工艺计算（七）工艺计算1.1.物料计算物料计算2.2.主要设备的选型、化工计算和材料选择主要设备的选型、化工计算和材料选择3.3.工艺设备以表格形式分类表示计算和选择结果：根据工艺特点列表：工艺设备以表格形式分类表示计算和选择结果：根据工艺特点列表：工艺设备一览表按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制工艺设备一览表按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制4.4.工艺用的水、蒸汽、冷冻用量。工艺用的水、蒸汽、冷冻用量。5.5.分批操作的设备要排列工艺操作时间表和动力负荷曲线。分批操作的设备要排列工艺操作时间
18、表和动力负荷曲线。（八）主要原料、动力消耗定额及消耗量（八）主要原料、动力消耗定额及消耗量（九）生产控制分析（九）生产控制分析 （十）仪表和自动控制（十）仪表和自动控制（十一）技术保安、防火及工业卫生（十一）技术保安、防火及工业卫生（十二）车间布置（十二）车间布置（十三）公用工程（十三）公用工程（十四）（十四）“三废三废”治理及综合利用治理及综合利用（十五）车间维修（十五）车间维修（十六）土建（十六）土建（十七）车间装置定员（十七）车间装置定员（十八）概算（十八）概算（十九）技术经济（十九）技术经济 1.1.投资投资 2.2.产品成本产品成本 技术经济指标技术经济指标（二十）存在问题及建议（二
19、十）存在问题及建议（二十一）扩大初步设计中必要的附表及附图（二十一）扩大初步设计中必要的附表及附图 附表：工艺设备一览表、自控仪表一览表、公用工程设备材料表附表：工艺设备一览表、自控仪表一览表、公用工程设备材料表 附图：带控制点工艺流程图、车间布置图（平面图及剖面图）、关附图：带控制点工艺流程图、车间布置图（平面图及剖面图）、关键设备总图、建筑平面、立面、剖面图键设备总图、建筑平面、立面、剖面图二、施工图文件的编制二、施工图文件的编制(一一)施工图设计文件目录施工图设计文件目录 主项图纸总目录、非定型设备图纸目录和工艺图纸目录。主项图纸总目录、非定型设备图纸目录和工艺图纸目录。(二二)工艺施工
20、图设计文件工艺施工图设计文件 (1)工艺设计说明。工艺设计说明。(2)带控制点工艺流程图（施工流程图）带控制点工艺流程图（施工流程图）(3)辅助管路系统图辅助管路系统图 (4)首页图首页图 (5)设备布置图。设备布置图。(6)设备一览表。设备一览表。定型工艺设备定型工艺设备非定型工艺设备非定型工艺设备(7)管路布置图。管路布置图。(8)配管设计模型。配管设计模型。(9)管段图。管段图。(10)管架和非标准管件图。管架和非标准管件图。(11)管段表。管段表。(12)管架表。管架表。(13)综合材料表综合材料表。综合材料表综合材料表。(14)管口方位图。管口方位图。(15)换热器条件图。换热器条件
21、图。第二章第二章 工艺流程设计工艺流程设计生产方法和工艺流程的选择生产方法和工艺流程的选择;工艺流程设计工艺流程设计;工艺流程图绘制工艺流程图绘制;典型设备的自控流程典型设备的自控流程 主要内容主要内容第一节第一节 生产方法和工艺流程的选择生产方法和工艺流程的选择一、生产方法和工艺流程选择的原则一、生产方法和工艺流程选择的原则 1 1先进性先进性 技术上的先进和经济上的合理可行技术上的先进和经济上的合理可行 2 2可靠性可靠性 所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。3 3结合国情结合国情 不能单纯从技术观点考虑问题，应从国情出发考虑不能单纯从技术观点考
22、虑问题，应从国情出发考虑各种具体问题。各种具体问题。全面衡量、综合考虑、全面分析、反复对比后选出全面衡量、综合考虑、全面分析、反复对比后选出优点较多、符合国情、切实可行的技术路线和工艺流程。优点较多、符合国情、切实可行的技术路线和工艺流程。二、生产方法和工艺流程确定的步骤确定生产方法，选择工艺流程一般要经过三个阶段。1.搜集资料，调查研究2.落实设备3.全面对比全面分析对比的内容很多，主要比较下列几项：几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；产品的质量情况；生产能力及产品规格；原材料、能量消耗情况；建设费用及产品成本；三废的产生及治理情况；其他特殊情况。第二节第二节 工艺流程设计工艺流程设计
23、一、流程设计的任务一、流程设计的任务主要任务：主要任务：一是确定流程各生产过程的具体内容、顺序和一是确定流程各生产过程的具体内容、顺序和 组合方式；组合方式；二是二是绘制工艺流程图绘制工艺流程图.按步骤逐步解决以下问题按步骤逐步解决以下问题:(1)(1)确定整个流程的组成确定整个流程的组成 (2)(2)确定每个过程或工序的组成确定每个过程或工序的组成 (3)(3)确定操作条件确定操作条件 (4)(4)控制方案的确定控制方案的确定 (5)(5)合理利用原料及能量合理利用原料及能量 (6)(6)制定三废的治理方法制定三废的治理方法 (7)(7)制定安全生产措施制定安全生产措施二、工艺流程设计方法二
24、、工艺流程设计方法 工艺流程主要分四个部分工艺流程主要分四个部分:原料预处理、反应、产物后处原料预处理、反应、产物后处理（分离净化）和三废处理。一般的工作方法理（分离净化）和三废处理。一般的工作方法:(1)(1)以反应过程为中心以反应过程为中心;(2)(2)原料预处理过程原料预处理过程;(3)(3)产物的后处理产物的后处理;除了获得目的产物外，由于存在副反应，还生成了副产物。除了获得目的产物外，由于存在副反应，还生成了副产物。由于反应时间等条件的限制或受反应平衡的限制，以及为使反应尽可能完全由于反应时间等条件的限制或受反应平衡的限制，以及为使反应尽可能完全而有过剩组分。而有过剩组分。原料中含有
25、的杂质往往不是反应需要的，在原料的预处理中并未除净，因而原料中含有的杂质往往不是反应需要的，在原料的预处理中并未除净，因而在反应中将会带入产物中，或者杂质参与反应而生成无用且有害的物质。在反应中将会带入产物中，或者杂质参与反应而生成无用且有害的物质。产物的集聚状态要求，也增加了后处理过程。某些反应过程是多相的，而最产物的集聚状态要求，也增加了后处理过程。某些反应过程是多相的，而最终产物是固态的。终产物是固态的。(4)产品的后处理产品的后处理;(5)未反应原料的循环或利用以及副产物的处未反应原料的循环或利用以及副产物的处理理;(6)确定确定“三废三废”排出物的处理措施排出物的处理措施;(7)确定
26、公用工程的配套措施确定公用工程的配套措施;(8)确定操作条件和控制方案确定操作条件和控制方案 (9)制定切实可靠的安全生产措施制定切实可靠的安全生产措施 (10)保温、防腐的设计保温、防腐的设计三、工艺流程设计的基本方法三、工艺流程设计的基本方法方案比较方案比较首先要明确判据首先要明确判据:工程上常用的判据有产物收率、原材料单耗、能量工程上常用的判据有产物收率、原材料单耗、能量单耗、产品成本、工程投资等。此外，也要考虑环保、安全、占地面单耗、产品成本、工程投资等。此外，也要考虑环保、安全、占地面积等因素。积等因素。方案比较的基本前提方案比较的基本前提:保持原始信息不变。保持原始信息不变。第三节
27、第三节 工艺流程图工艺流程图一、工艺流程图概述一、工艺流程图概述 把各个生产单元按照一定的目的要求，有机地组合在一起，形成把各个生产单元按照一定的目的要求，有机地组合在一起，形成一个完整的生产工艺过程，并用图形描绘出来，即是工艺流程图。一个完整的生产工艺过程，并用图形描绘出来，即是工艺流程图。1 1全厂总工艺流程图或物料平衡图全厂总工艺流程图或物料平衡图 2 2物料流程图物料流程图 3 3工艺管道及仪表流程图工艺管道及仪表流程图二、工艺流程草图二、工艺流程草图 工艺流程草图亦称方案流程图、流程示意图、流程简图，是用来工艺流程草图亦称方案流程图、流程示意图、流程简图，是用来表达整个工厂或车间生产
28、流程的图样。它是设计开始时供工艺方案讨表达整个工厂或车间生产流程的图样。它是设计开始时供工艺方案讨论常用的流程图，亦是工艺流程图设计的依据。论常用的流程图，亦是工艺流程图设计的依据。生产工艺流程草图一般由物料流程、图例和设备一览表等三个部生产工艺流程草图一般由物料流程、图例和设备一览表等三个部分组成分组成1 1物料流程物料流程:(1):(1)设备示意图设备示意图;(2);(2)流程管线及流向箭头流程管线及流向箭头;(3);(3)文字注解文字注解2 2图例图例3 3设备一览表设备一览表三、工艺管道及仪表流程图三、工艺管道及仪表流程图又称施工流程图或带控制点的工艺流程图又称施工流程图或带控制点的工
29、艺流程图（一）比（一）比例与图幅例与图幅（二）设备的表示方法（二）设备的表示方法1.1.设备的画法设备的画法 (1)(1)图形图形;(2);(2)相对位置相对位置;(3);(3)相同系统（或设备）的处理相同系统（或设备）的处理2.2.设备的标注设备的标注 (1)(1)标注的内容标注的内容;(2);(2)标注的方式标注的方式（三）管道的表示方法（三）管道的表示方法 一般应画出所有工艺物料和辅助物料一般应画出所有工艺物料和辅助物料（如蒸汽、冷却水、冷冻盐水等）的管（如蒸汽、冷却水、冷冻盐水等）的管道道 1.管道的画法管道的画法 2.管道的标注管道的标注 一般横向管线标注在管线的上方，竖向管一般横向
30、管线标注在管线的上方，竖向管线则标注在管线的左方线则标注在管线的左方(四）阀门与管件的表示方法四）阀门与管件的表示方法 在管道上需要用细实线画出全部阀门和部分管件（如视在管道上需要用细实线画出全部阀门和部分管件（如视镜、阻火器、异径接头、盲板、下水漏斗等）的符号。镜、阻火器、异径接头、盲板、下水漏斗等）的符号。（五）仪表控制点的表示方法（五）仪表控制点的表示方法(1)图形符号图形符号(2)字母代号字母代号 (3)仪表位号仪表位号第四节第四节 典型设备的自控流程典型设备的自控流程介绍常用的化工典型设备（泵、换热器、反应釜、蒸馏塔）的自控流程。介绍常用的化工典型设备（泵、换热器、反应釜、蒸馏塔）的
31、自控流程。一、泵一、泵1 1离心泵离心泵流量调节一般是采用出口节流的方流量调节一般是采用出口节流的方法，也可使用旁路调节法，旁路调法，也可使用旁路调节法，旁路调节耗费能量，但调节阀的尺寸比直节耗费能量，但调节阀的尺寸比直接节流的小是它的优点。接节流的小是它的优点。在离心泵设有分支路时，即一台泵在离心泵设有分支路时，即一台泵要分送几支并联管路时，可采用分要分送几支并联管路时，可采用分支调节方案。支调节方案。2容积式泵（往复泵、齿轮泵、螺杆泵和旋涡泵容积式泵（往复泵、齿轮泵、螺杆泵和旋涡泵等）等）当流量减小时容积式泵的压力急剧上升，因此不能在当流量减小时容积式泵的压力急剧上升，因此不能在容积式泵的
32、出口管道上直接安装节流装置来调节流量，容积式泵的出口管道上直接安装节流装置来调节流量，通常采用旁路调节或改变转速、改变冲程大小来调节流通常采用旁路调节或改变转速、改变冲程大小来调节流程。程。3真空泵真空泵 真空泵可采用吸入支路调节和吸入管阻力调节的方案。真空泵可采用吸入支路调节和吸入管阻力调节的方案。二、换热器的温度控制方案二、换热器的温度控制方案(1)(1)调节换热介质流量调节换热介质流量;(2);(2)调节传热面积调节传热面积;(3);(3)分流调节分流调节三、反应釜三、反应釜1 1进出料管道进出料管道2.2.轴封系统轴封系统3 3温度控制温度控制四、蒸馏塔四、蒸馏塔（一）蒸馏塔的基本控制
33、方案（一）蒸馏塔的基本控制方案基本形式通常只有两种。基本形式通常只有两种。(1)(1)按精馏段指标控制按精馏段指标控制 (2)(2)按提馏段指标控制按提馏段指标控制（二）塔顶的流程与调节方案（二）塔顶的流程与调节方案 塔顶方案的基本要求是：把出塔蒸气的绝大部分冷凝下来，塔顶方案的基本要求是：把出塔蒸气的绝大部分冷凝下来，把不凝性气体排走；调节把不凝性气体排走；调节LRLR和和D D的流量和保持塔内压力稳定。的流量和保持塔内压力稳定。（三）塔底的流程与调节方案（三）塔底的流程与调节方案第三章第三章 化工计算化工计算第一节第一节 化工过程及过程参数化工过程及过程参数 主要内容包括：主要内容包括：化
34、工过程化工过程 化工工艺流程；化工工艺流程；化工过程开发；化工过程开发；化工过程基本参数化工过程基本参数温度、压力、流量、化学组成等基本概念。温度、压力、流量、化学组成等基本概念。11 化工过程化工过程 指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成
35、某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。化工过程中的各种设备所进行的主要操作可归纳为下列几类：化工过程中的各种设备所进行的主要操作可归纳为下列几类：1.化学反应；化学反应；2.分离或提纯，分离或提纯，3.改变温度，改变温度，4.改变压力，改变压力，5.混合等。混合等。12 化工工艺流程化工工艺流程13 化工过程开发化工过程开发 指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装置的全部过程。指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装置的全部过程。14 过程参数过程参数 在化工生产过程中，能影响过程运行和状态的物理量，如温度、在化工生产过程中，能影
36、响过程运行和状态的物理量，如温度、压力、流量及物料的百分组成或浓度等，在指定条件下它的数值恒压力、流量及物料的百分组成或浓度等，在指定条件下它的数值恒定，条件改变其数值也随之变化，这些物理量称为过程参数。这些定，条件改变其数值也随之变化，这些物理量称为过程参数。这些参数常作为控制生产过程的主要指标。参数常作为控制生产过程的主要指标。进行化工计算时，上述参数是基本数据，可以直接测定。对一些不进行化工计算时，上述参数是基本数据，可以直接测定。对一些不易直接测定的参数，可找出与容易测定的参数之间的关系，通过计易直接测定的参数，可找出与容易测定的参数之间的关系，通过计算求得，有时也可以根据经验数据选定
37、。算求得，有时也可以根据经验数据选定。第二节 化工基础数据(1)(1)基本物性数据基本物性数据如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。(2)(2)热力学物性数据热力学物性数据如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。等。(3)(3)化学反应和热化学数据化学反应和热化学数据如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。活
38、化能，化学平衡常数等。(4)(4)传递参数传递参数如粘度、扩散系数、导热系数等。如粘度、扩散系数、导热系数等。通常这些数据可用下列方法得到：通常这些数据可用下列方法得到：1 1、查手册或文献资料、查手册或文献资料 2 2、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参数。数。3 3、用实验直接测定。、用实验直接测定。第三节第三节 物料衡算物料衡算 31 物料衡算式物料衡算式 1、化工过程的类型、化工过程的类型 根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作
39、三类。或者将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。或者将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。2、物料衡算式、物料衡算式物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。物料量积累的物料量输出的物料量输入的物料量积累的物料量输出的消耗的物料量反应生成或物料量输入的如图，表示如图，表示无化学反应无化学反应的连续过程物料流程。图中方框表示一个体系，的连续过程物料流程。图中方框表示一个体系，虚线表示体系边界。共有三个流股，进料虚线表示体系边界。共有三个流股，进料F及出料及出料P和和W。有两个组分。有两个组分。每个流股的流量及组成如图所示。图中
40、每个流股的流量及组成如图所示。图中x为质量分数。为质量分数。123FPWf1f2p1p2w1w2xxxxxx无化学反应的连续过程物料衡算过 程可列出物料衡算式：可列出物料衡算式：总物料衡算式总物料衡算式 F=P+W每种组分衡算式每种组分衡算式 Fxf1=Pxp1+Wxw1 Fxf2=Pxp2+Wxw2对于连续不稳定过程，由于该过程内物料量及组成等随时间而变化，因此，物对于连续不稳定过程，由于该过程内物料量及组成等随时间而变化，因此，物料衡算式须写成以时间为自变量的微分方程，表示体系内在某一瞬时的平衡。料衡算式须写成以时间为自变量的微分方程，表示体系内在某一瞬时的平衡。32 物料衡算的基本方法物
41、料衡算的基本方法1、画物料流程简图。、画物料流程简图。2、计算基准及其选择。、计算基准及其选择。3、物料衡算的步骤、物料衡算的步骤 (1)搜集计算数据。搜集计算数据。(2)画出物料流程简图。画出物料流程简图。(3)确定衡算体系。确定衡算体系。(4)写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量。写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量。(5)选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。(6)列出物料衡算式，然后用数学方法求解。列出物料衡算式，然后用数学方法求解。(7)将计算结果列成输入输出物料表将计算结果列成输入
42、输出物料表(物料平衡表物料平衡表)。(8)校核计算结果校核计算结果第四节第四节 能量衡算能量衡算41 能量衡算的基本概念一、能量的形式要分清不同的能量形式和表示的方法 动能（Ek）运动着的流体具有动能；位能（EP）物体自某一基准面移高到一定距离，由于这种位移而具有 的能量。静压能（Ez）流体由于一定的静压强而具有的能量。内能（U）内能是指物体除了宏观的动能和位能外所具有的能量。二、几个与能量衡算有关的重要物理量1、热量（Q）2、功（W）3、焓(H)HUPV对于纯物质，焓可表示成温度和压力的函数：H=H(T，P)对H全微分：焓差:dPPHdTTHdHTP2112TTpdTCHH4、热容热容是一定
43、量的物质改变一定的温度所需要的热量，可以看作是温度差T和引起温度变化的热量Q之间的比例常数，即QmCT42 能量衡算的基本方法及步骤能量衡算的基本方法及步骤根据能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示为：输入的能量 一 输出的能量 积累的能量1、总能量衡算 连续稳定流动过程的总能量衡算H+Ek+EP Q+W 间歇过程的总能量衡算U+Ek+EP Q+W一般间歇操作，能量、位能差项等于零，即Ek0，EP0，所以上式又可简化为U Q+W此式即为热力学第一定律的数学式，此处W的符号以环境向体系作功为正。2、热量衡算、热量衡算 热量衡算式热量衡算式Q=H=H1 H2 Q=U=U1 U2 (间歇过程间歇过程
44、)热量衡算就是计算在指定的条件下进出物料的焓差，从而确定过程传递的热量衡算就是计算在指定的条件下进出物料的焓差，从而确定过程传递的热量。在实际计算时，由于进出设备的物料不止一个，因此可改写为：热量。在实际计算时，由于进出设备的物料不止一个，因此可改写为：Q=H1 H2 或或 Q=U1 U2 热量衡算的基本方法及步骤热量衡算的基本方法及步骤 有两种情况：有两种情况：一是一是在设计时，根据给定的进出物料量及已知温度求另一殷物料的未知物在设计时，根据给定的进出物料量及已知温度求另一殷物料的未知物料量或温度，常用于计算换热设备的蒸汽用量或冷却水用量。料量或温度，常用于计算换热设备的蒸汽用量或冷却水用量
45、。二是二是在原有的装置上，对某个设备，利用实际测定（有时也要作一些相应在原有的装置上，对某个设备，利用实际测定（有时也要作一些相应的计算）的数据，计算出另一些不能或很难直接测定的热量或能量，由此对设的计算）的数据，计算出另一些不能或很难直接测定的热量或能量，由此对设备作出能量上的分析。如根据各股物料进出口量及温度，找出该设备的热利用备作出能量上的分析。如根据各股物料进出口量及温度，找出该设备的热利用和热损失情况。热量衡算也需要确定基准，画出流程图，列出热量衡算表等。和热损失情况。热量衡算也需要确定基准，画出流程图，列出热量衡算表等。3、机械能衡算、机械能衡算 在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等
46、化工设备中，功、动在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，功、动能、位能的变化，较之传热量、内能和烩的变化，可忽略。能、位能的变化，较之传热量、内能和烩的变化，可忽略。总能量衡算式可以简成总能量衡算式可以简成Q=U(封闭体系）或封闭体系）或Q=H(敞开体系）。敞开体系）。在另一类操作中，情况相反，即传热量、内能的变化与动能在另一类操作中，情况相反，即传热量、内能的变化与动能变化、位能变化、功相比，是次要的。这些操作大多是流体流入变化、位能变化、功相比，是次要的。这些操作大多是流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排放设备。或在这流出贮罐、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排放设备。
47、或在这些设备之间流动。些设备之间流动。连续稳定流动过程总能量衡算式：连续稳定流动过程总能量衡算式：Hu2/2gZ(PV)QW1千克不可压缩流体流动时的机械能衡算式：千克不可压缩流体流动时的机械能衡算式：P/u2/2gZFW43 无化学反应过程的能量衡算无化学反应过程的能量衡算 1、无相变的变温变压过程、无相变的变温变压过程2、相变过程的能量衡算、相变过程的能量衡算 汽化和冷凝、熔化和凝固、升华和凝华汽化和冷凝、熔化和凝固、升华和凝华等相变过程往往伴有显著的内能和焓等相变过程往往伴有显著的内能和焓的变化，常成为过程热量的主体，不容忽视。的变化，常成为过程热量的主体，不容忽视。在恒定的温度和压力下
48、，单位质量或摩尔的物质发生相的变化时的焓变称为在恒定的温度和压力下，单位质量或摩尔的物质发生相的变化时的焓变称为相变热。例如相变热。例如100oC、latm时液体水转变成水汽的焓变时液体水转变成水汽的焓变H等于等于40.6kJ/mol，称为，称为在该温度和压力下水的汽化潜热。在该温度和压力下水的汽化潜热。三种相变的相变热定义如下三种相变的相变热定义如下：汽化潜热汽化潜热(Hv）当）当T和和P不变，单位数量的液休汽化所需的热量不变，单位数量的液休汽化所需的热量。熔化潜热熔化潜热(Hm)翩当翩当T和和P不变，单位数量的固体熔化所需的热量不变，单位数量的固体熔化所需的热量。升华潜热升华潜热(Ht）当
49、）当T和和P不变，单位数量的固体气化所需的热量不变，单位数量的固体气化所需的热量。21TTvvdTCnUQ21TTppdTCnHQ44 化学反应过程的能量衡算化学反应过程的能量衡算 主要讨论反应热的计算方法主要讨论反应热的计算方法1、反应热及其表示、反应热及其表示 恒压反应热恒压反应热 QpHr 恒容反应热恒容反应热 QvUr(T)2、反应热的计算、反应热的计算 反应热可以用实验方法测定，也可用已有的实验数据进行计算。根据盖反应热可以用实验方法测定，也可用已有的实验数据进行计算。根据盖斯（斯（Hess)定律，化学反应热只决定于物质的初态和终态，与过程的途径无定律，化学反应热只决定于物质的初态和
50、终态，与过程的途径无关，反应热可用简单的热量加和法求取。关，反应热可用简单的热量加和法求取。（1）由标准生成热）由标准生成热Hfo计算标准反应热计算标准反应热HroHro生成热生成热i(Hfo)i反应热反应热i(Hfo)i（2）由标准燃烧热）由标准燃烧热Hco计算标准反应热计算标准反应热HroHro反应物反应物i(Hco)i产物产物i(Hco)i 3、化学反应过程的能量衡算、化学反应过程的能量衡算 反应体系能量衡算的方法按计算烩时的基准区分，主要有两种，反应体系能量衡算的方法按计算烩时的基准区分，主要有两种，下面讨论这两种基准以及对应每种基准计算下面讨论这两种基准以及对应每种基准计算H的方法。
