第一篇：四川大學2014年化工設計考試(部分設計)

四川大學2014部分設計考試題（A）

一、填空題（30分，每空一分）。

1、化工廠設計同其他行業基建設計一樣，也有三種設計類型：計、原有工廠的改建和擴建設計以及 車間、廠房的局部修建設計。

2、當化工工藝計算即物料衡算和能量衡算完成后，應繪制 圖。它表達了一個生產工藝過程中的 關鍵設備或主要設備，關鍵節點的物料性質（如溫度、壓力）、流量及組成。

3、管道標注組合號：PG310-300A1A-H表示：物料為為300mm，A1A代表管道壓力等級為150LB，管道材質為鑄鐵，H代表管道需要保溫。

4、廠房建筑的定位軸線包括縱向定位軸線和橫向定位軸線，其中縱向定位

軸線與廠房的長度方向平行，橫向定位軸線與廠房的長度方向垂直。相鄰縱向定位軸線間的距離稱為 跨度，橫向定位軸線間的距離稱為 柱距。

二、判斷正誤，在錯誤后面打×，正確的后面打√

4、管道儀表流程圖中，圖例可以繪制在第一張圖紙的右上角，也可以單獨繪制在一張首頁圖中。（對）

5、管道以儀表圖（PID）無須給常規的放空閥標注管道號（對）

（解析：在PID圖上下列(③④)管道無需編號。①全部工藝管道 ②放空、放凈閥后的放空、放凈管道 ③管道上常規設計的放空管、放凈管 ④控制閥、流量、安全閥等管件的旁路）

三、簡答題：

1、國外設計階段和國內設計階段的劃分有何不同？

答：國外設計階段的劃分為由專利承包的工藝包和由工程公司承擔的工程設計兩大設計階段。

國內設計階段劃分為初步設計、技術設計和施工圖設計三個階段。

2、化工設備的主要類型有哪些？

答：定型設備和非定型設備。定型設備：有廠家生產的單臺或成套設備

等

非定設備：由工藝專業根據需要提出設備設計的工藝要求，由設備專業進行設計制造。

3、在化工設計中EPC指什么？

工程總承包。EPC（Engineering Procurement Construction）是指公司受業主委托，按照合同約定對工程建設項目的設計、采購、施工、試運行等實行全過程或若干階段的承包。通常公司在總價合同條件下，對所承包工程的質量、安全、費用和進度負責。

在EPC模式中，Engineering不僅包括具體的設計工作，而且可能包括整個建設工程內容的總體策劃以及整個建設工程實施組織管理的策劃和具體工作；Procurement也不是一般意義上的建筑設備材料采購，而更多的是指專業設備、材料的采購；Construction應譯為“建設”，其內容包括施工、安裝、試車、技術培訓等。

模式優勢

較傳統承包模式而言，EPC總承包模式具有以下三個方面基本優勢：

(一)強調和充分發揮設計在整個工程建設過程中的主導作用。對設計在整個工程建設過程中的主導作用的強調和發揮，有利于工程項目建設整體方案的不斷優化。

(二)有效克服設計、采購、施工相互制約和相互脫節的矛盾，有利于設計、采購、施工各階段工作的合理銜接，有效地實現建設項目的進度、成本和質量控制符合建設工程承包合同約定，確保獲得較好的投資效益。

(三)建設工程質量責任主體明確，有利于追究工程質量責任和確定工程質量責任的承擔人。

4、5、四、計算題

1、計算一套100kt/a 100%P2O5生產裝置的原料硫酸與磷礦用量（年用量、小時用量）。

已知條件：裝置的年操作日按7200小時計，連續生產。

硫酸：98%H2SO4，過量5%。磷礦：CaO=46.5%，P2O5=32.5%。

磷礦中P2O5的收率為96%。

分子量：CaO=56，H2SO4=98。

解：磷礦的年用量：100000÷32.5%÷96%=320513t/a

磷礦的小時用量：320513÷7200=44.516t/h

磷礦的單耗量：320513÷10000=3.205t /t產品

硫酸的年用量：320513×46.5%÷56×98÷98%×（1＋5%）=297447t/a

硫酸的小時用量：297447÷7200=38.81t/h

硫酸的單耗量：273858÷100000=2.738t/t產品

2、在年生產1500t/a的乙苯脫氫制備苯乙烯裝置中在年生產1500t乙苯脫氫制取苯乙烯裝置中，加入水蒸氣量為2.6kg水蒸氣/kg苯乙烯，進入溫度650℃下乙苯轉化率為44.4%。苯乙烯收率為40%，其余副產為苯3%、甲苯 5%、焦炭2%。裝置年工作日為300天，已知原料乙苯的純度為98%(質量百分數)，其余為甲苯。則反應后氣體的產生總量為()。8.53kg

第二篇：化工設計教案

化工設計教案

為什么要學習《化工設計》

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

(3)幫助我們學會綜合運用各種已學過的知識系統地分析問題和解決問題。

學什么

學設計的基本原理、基本程序和方法。其主要內容有：

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

如何學

(1)多讀幾本書，聽課與自學相結合(2)多應用，理論與實踐相結合化工設計是將一個系統(一個工廠、一個車間)按照工廠工藝技術要求，經工程技術人員的創造，將其全部描繪成的圖紙，表格及必要的文字說明，即把工程技術裝備用工程語言表達出來。然后根據這一“語言”，把這個系統建立起來，并投入運行。或說:設計工作是一項能將人們的設想和想象轉變成現實的一個重要步驟，通過課程的學習，我們可以知道化工廠的建設程序，設計程序，主要設計內容等一些基本概念。化工設計概述

一、化學工業的發展歷史、化學工業覆蓋的范圍及其在現代經濟體系中的地位

1、化學工業的發展歷史：化學工業歷經了古代、近代、現代三個主要發展階段。

化學工業發展階段：① 古代化學工業：從數千年前人類陽光曬鹽、地下鹵水煮鹽開始，萌發了古老的化學工業。②近代化學工業：從18世紀中葉，歐洲造紙、玻璃、肥皂的大規模生產開始，表明近代化學工業的形成。③ 現代化學工業：上世紀40年代開始，隨著合成橡膠、石油煉制、合成纖維工業的迅速發展，隨著化工單元操作理論的日益成熟，在科學技術和生產規模二個層面上，揭示現代化學工業開始形成。

2、化學工業屬于過程工業型制造業（流程型制造業）

現代制造業：

1、離散型制造業（例如汽車工業等）

2、過程工業型制造業（又稱“流程型制造業”）（例如化學工業、冶金行業等）

流程型制造業一般是能耗大戶，也是排放的大戶。其節能、降耗、減排的任務十分艱巨。例如：一個年產值不過僅10億元人民幣的合成原料藥制造企業，它每天的耗水量可高達5000立方米。

3、現代化學工業覆蓋的范圍：我國化學工業的分類與美國、歐盟關于化學工業的范疇有一些區別，但逐步在接軌，按美國、歐盟的化學工業年鑒，現代化學工業覆蓋以下范圍： 現代化學工業：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、農藥工業、醫藥工業、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、化學工業在現代經濟體系中的地位

化學工業是所有高新技術產業的支撐工業，如能源、電子、信息、生物、材料等領域，都離不開化學工業提供的物質支撐。化學工業絕不是所謂的“夕陽工業”、“夕陽產業”，它現在仍然正在平穩高速的發展，將來必將持續快速發展。1990年～1999年，美國、歐盟化學工業的發展速度是其全部工業平均增長速度的2.69倍。美國化學工業的規模一直雄居世界化學工業總量的30％左右，是美國為數不多在國際貿易體系內具有貿易順差的制造業之一。

在世界500強企業中，以化工為主或涉足化工領域的企業為數不少。

二、化工過程設計的基本內容

1、化工設計、化工廠設計、化工過程設計、化工工藝設計四個名詞之間的聯系與區別

化工設計是泛稱，在不同場合可分別指稱化工廠設計、化工過程設計、化工工藝設計，其內涵最廣，但意義不明確。

化工廠設計分為：a、化工過程設計（核心）（包括化工工藝設計（核心），公用工程設計、外管設計，?等；）b、非工藝部分設計（化工廠房建筑、結構設計；總圖設計，?.等）

根據項目性質化工設計可分為：新建項目設計、重復建設項目設計、已有裝置的改造設計。

根據化工過程開發程序化工設計可分為：概念設計、中試設計、基礎設計和工程設計； 其中工程設計又包括：初步設計、擴大初步設計和施工圖設計。

2、化工過程設計的目標及內容

美國國家顧問團在其“化學工程的新領域”著作中，簡明闡述了化工過程設計的主要目標：確定最佳流程及最佳操作條件，達到最優投入產出比。在定量計算的基礎上，結合專家的經驗，考慮安全、健康、環保的因素，確定出一個綜合的設計方案。

化工過程設計的內容：其基本核心內容是化工工藝設計，其附帶內容是針對化工工藝設計，對它的配套部分如公用工程、外管設計等進行深入設計和完善。

化工過程設計發展方向：復雜大型化工廠的設計；自主創新設計；與國際工程設計的接軌 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

（工藝系統專業部）UFD（Utility Flowsheet Diagram）公用工程物料流程圖

現代化學工業的發展方向：新物質、經濟合理的大批量、高質量、柔性化、綠色化、多尺度化學工業綠色化的含義：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）具體體現在：（1）、減少化工過程的能耗、物耗；Reduce（2）、減少有害物質的使用或生成；Reduce（3）、減少廢棄物，并使廢棄物在系統類在利用；Recycle（4）、盡量將排放的廢棄物轉化為可用的再生資源；Resource（5）、盡量延長產品的生命周期。

在化學工程領域實施注冊工程師制度，在化學工程師心目中樹立倫理學觀念，建立責任關懷制度。開始逐步成為國際化學工程領域的一個發展大趨勢。倫理學理念體現在：（1）、自覺維護化工過程的安全；（2）、自覺保護環境的意識；（3）、自覺節約資源的意識；（4）、對業主、化工廠操作人員、同事負責的精神。

責任關懷制度的含義：（1）、提高對安全、健康、環保、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、化工設計的內容與程序

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

四、化工車間工藝設計的程序與內容

內循環優化：

在流程結構不變的前提下，通過修改、調整流程內部的部分設備參數和操作參數，來對流程進行優化設計。內循環優化經常用于老流程的改造，并對實驗室研究開發有指導意義。

外循環優化：

在內循環優化不能滿足優化目標的情況下，重新做流程組織，對流程結構進行改頭換面的大變動，而達到對流程進行優化設計的目的。外循環優化經常用于新廠設計時，對多個流程方案進行分析比較。可行性研究和市場調研

初始考慮

化學工程設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。在設計的后續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。

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

設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

設計的階段：構思和界定，流程圖確定，設備設計，經濟性分析，最優化，報告 信息搜集

項目內容：生產能力，產品規格，原料，公用工程，廠址，預期的市場，生產工藝 候選方案評價（決策）：如何制備，用途，目前的生產和銷售情況，環境問題，公用工程，儲運

案例：

領苯二甲酸酐的生產

技術和經濟可行性研究總述

鄰苯二甲酸酐（苯酐，phthalic anhydride PAN）是白色固體結晶，是環狀酸酐同系物中最簡單的一個。在熔融狀態，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）是其主要生產原料，在20世紀70年代的主要生產原料是萘（naphthalene）。使用空氣進行固定床催化氧化工藝是目前多數生產廠家首選的方法。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量增加緩慢。目前，澳大利亞僅有一家公司生產苯酐，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，這些工廠和該地區的其他幾個生產廠的產量加在一起就可以滿足當地和該區域的需求，大多數工廠實際生產量均低于設計能力20%~40%。

生產苯酐的LAR工藝是最新技術，能夠以低于目前售價（0.95-1.00澳元/kg）的成本進行生產。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品售價可能高達1.45澳元/kg。30000t/a的產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的生產規模也是可行的。年產3萬噸的工廠投資估計在2500萬到7000萬澳元之間；年產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。

從經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。位于該區域的建設項目將得到政府的支持，因為有助于實現主要工業基地的分散化。在該地區，高度發達的基礎設施和交通條件要么已經建成，要么正在籌建。當地的船舶制造業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境的影響將很小。采用LAR工藝的苯酐生產廠還可以副產電力供給當地電網或者附近的工廠。（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。市售狀態可以是熔融狀態或者白色粉末。幾乎所有的鄰二甲苯都消耗在苯酐的生產上，過去使用萘生產苯酐。在可行性研究前期，找到合適的高純鄰二甲苯供應是至關重要的通過選用合適的催化劑，固定床反應器和流化床反應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，并且苯酐自發地與多種有機化合物發生反應。

（1）背景和目標

確定待生產化學品關鍵化學性質，突出的市場問題以及生產中潛在的困難。總結該化學品的主要應用領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工藝，并且初步評價其可行性。

（2）鄰苯二甲酸酐化學結構和物理性質

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

+

3O2 →

C6H4(CO)2O

+

3H2O 在室溫下，苯酐是一種白色結晶固體，沸點284.5℃，熔點131.6℃，冷凝時傾向于凝華。講給回收系統帶來麻煩。在熔融狀態，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）應用和用途

大約50%鄰二甲苯酸酐用于生產PVC的增塑劑。其他應用領域也很重要：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，為建筑行業和汽車工業服務。醇酸樹脂可以用于造船工業。本地無染料市場。

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

（4）基礎化學

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物。

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

苯酐可以反應生成酯、鹽和酸性氯化物。其苯環可以氯化和磺化。其他重要化學反應有：與苯縮合生產蒽醌衍生物，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

生產苯酐有三種可能的原料：鄰二甲苯、萘、正戊烷。傳統原料是煤焦油萘，現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。第一個氣相反應工藝在1917年獲得專利。目前苯酐生產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，但必須保證廉價原料供應。

影響原料選擇的主要因素有：產率，來源和成本。此外還有催化劑，公用工程及產品質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常與苯酐工廠建在一起。

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

典型情況下產品需要達到99.7%的純度。主要雜質是馬來酸酐和單環芳香族化合物。原料和產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的任何場所都應配戴適當的安全護具。

（6）結論

? 通常環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，因此需要配戴適當的安全護具。

? 苯酐主要作為化學中間體，用來生產增塑劑，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，該氣相催化反應是強放熱反應。? 世界范圍內對苯酐的需求增長緩慢，目前需求量已接近生產能力。? 對于新籌建的工廠，鄰二甲苯供應是可行性研究的一項重要內容。

? 反應器可以是固定床，也可以是流化床，但必須考慮采用適當的移除反應熱的措施。

（7）建議

? 確定該地區苯酐生產廠，對苯酐目前的供應和預期供應做出總體評價。? 確定該區域苯酐的最終用戶

? 確定為該區域服務的新建苯酐廠的最經濟規模。? 確定傾向性的工藝路線和反應器類型。

2.1 可行性研究

2.1.1 初步的可行性研究

化工過程設計的可行性研究包括技術可行性和經濟可行性兩部分。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。即考慮特定設備的設計問題，判斷根據某種工藝來設計和建設工廠，并考慮排放和原料供應等問題。同時還應定性說明過程的經濟可行性。2.1.2 初步的市場調研與經濟分析 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品售價。

（2）確定產品的市場與容量。確認市場是萎縮還是增長，分析過去5年內的銷售和生產的趨勢。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濟條件下該產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能力。

（3）確定該產品的傳統用途或主要用途。將注意力集中在用途占比在60%-70%的主要用途上。還要調研新的應用領域。（參考各類經濟數據）（4）確定待建廠的生產能力

（5）找到生產相同產品的現有工廠的總投資數據。這只是一個估計，準確數據要在詳細設計的基礎上得出。要注意現有工廠和待建工廠間的差別，比如土地和原料費用，交通運輸網絡等。

（6）估計工廠可能的運行年數，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）經可行性研究的所有結果以清晰簡明的方式進行書面總結。指出所做的所有假設，可顯著影響該研究結果的因素，以及任何特殊的當地因素。應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。不要只給出一套數據和條件，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。

在設計的大多數階段，最關鍵的問題都是確定做出重要決定是所依據的主要因素。影響大多數項目成敗的普遍因素有：環境問題，安全問題，工廠的經濟運行。

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，則列出此結論所依據的所有假設和限定條件，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？專利和授權許可協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，甚至與生產該產品的公司直接聯系。

2.1.4 對已知文獻進行評價

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

文獻調研是必要的，還是強制要求完成的？

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

設計完成之前，很難做出全面的調研。而一旦設計完成，文獻調研的大多數內容可能沒有多大價值了。

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

案例

鄰苯二甲酸酐生產的初步可行性研究（1）市場評價 生產情況

（a）世界范圍 生產量和市場，生產增長，原料轉變，企業數量，單套裝置生產規模（b）區域范圍 西太平洋地區，運行和建設以及擬建裝置（c）國內范圍 澳大利亞ICI的企業 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。數量少但交易或把數量卻很多（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。如果苯酐終端產品的進口需求可以由本地生產廠滿足，則新的苯酐工廠可以在本地找到市場。（5）生產規模

目前進口很少，出口市場也小。從中長期來看，由于該地區新建項目的發展，增加出口的可能性也不大。澳大利亞目前生產設施陳舊，技術落后，如果投入新裝置，現有的工廠是沒有競爭力的。基本需求可能在25000噸/年左右，預留部分發展空間，建議將工廠規模定為3萬噸/年。第二種選擇6萬噸。這是基于終端產品應用市場的共同開發以及出口市場和現貨市場（2萬噸/ 年）的有利變化而確定的。（6）產品價值和操作費用（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成本，然后按照規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取1.15（工廠成本指數），1990年到1996年通貨膨脹指數取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。最近建設估算

1983年1月日本建成年產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。考慮地域因子和通貨膨脹以后得到的估算數值為4100萬澳元。使用0.7的規模校正指數，則年產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。根據地域、通貨膨脹和原料成本浮動作適當調整后，1996年澳大利亞苯酐廠的生產成本（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（對于產品，為保證苯酐處于熔融狀態需要加熱和保溫）。投資償還與工廠的規模有關，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。如此價位已經是商業銷售的上限，將成為影響產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，產品將沒有用戶。

除了預計的生產成本之外，當地新建鄰苯二甲酸酐工廠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園區這一發展計劃可能得到政府的支持。這種支持在項目開發的前幾年可能以補貼的形式出現，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濟發展做出貢獻。

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，比如聚酯生產廠。如果若干個工廠作為一個發展項目來共同建設，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鄰二甲苯原料）可能會非常盈利，另外澳大利亞政局穩定，應利用這一優勢；因為對于該區域內的其他競爭對手而言，供貨的連續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勢。

（7）結論

? 目前世界范圍內苯酐生產量正接近其生產能力（350萬噸/年），年增長率3%-5%，而在這之前經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。

? 西太平洋區域的苯酐生產主要由日本、韓國和中國臺灣控制，總聲場能力達到了63萬噸/年。該區域計劃建設或正在建設的鄰苯二甲酸酐項目的生產能力還有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2.15萬噸/年的苯酐，這是西太平洋地區規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廠，也沒有主要的苯酐最終工業用戶。? 現貨市場上，熔融態的苯酐產品售價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，增速機的需求是穩定的，而醇酸樹脂的需求是下降的。總體需求緩慢上升。

? 澳大利亞的苯酐進口量經常變化，其平均數不超過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可以使生產成本降低25%；澳大利亞的工廠目前正在非常不利的經濟條件下運轉。? 鄰二甲苯的價格與對二甲苯的價格是關聯的，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，那么它的生產能力應該是3萬噸/年。市場份額的占領鏡通過逼迫ICI關閉其在新南威爾士的工廠以及發展當地的苯酐最終用戶來實現。如果建造更大規模的工廠（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/年規模）和1.05億澳元（6萬噸/年規模）；用最近建設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，下游加工業或者專門合同。

（8）建議

? 選擇經濟上最可行的鄰苯二甲酸酐生產工藝。? 確定主要設備的尺寸和其他設備要求 ? 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模 ? 確定關鍵的工藝條件，評價環境影響。

? 與政府和工業界商榷，成立一個化學品集團公司以探討可能的協作發展。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研后，項目涉及的下一個階段就是對生產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，因為后續工作的展開都以此為基礎。盡管該選擇在后續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是工廠中主要設備聯結關系的圖示；P&ID通常比較復雜，包括了所有的附屬設備，公用工程以及儀表和控制細節。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 反應器

化學工藝的開發常常是圍繞反應器設計和操作這兩方面進行，對于大多數化學品生產過程而言，反應器是過程的核心。3.1.3 產品純度

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

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

通常只能得到成熟的舊過程的詳細工藝數據。對新技術以及由實驗得到的相關設計數據就是秘密。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）該工藝能否生產出用戶所需的產品？

（2）是否能設計、建造和安全經濟地運行該工廠？

（3）是否能獲得必要的設計數據、生產技術、加工方法和材料以及原料？

（4）假設存在某種可接受程度以內的對員工和公眾的危險性時，工廠能否安全運行？（5）工廠是否滿足現有的環保法規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？或者盡可能實現了能量自給自足？（7）對于維護的需求是否已經最小化？

（8）在實際產量小于設計產量時，或者產量超過設計產量時，工廠是否還能正常運轉？（9）沒有用途的副產物的產生是否已經最小化？（10）所有必需的公用工程是否現成？ 3.1.8 選擇和折衷 就像設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。某個過程只有優點而沒有任何缺點很少出現。有時候某個影響因素將決定最終的選擇結果，比如特定原料的供應問題或者冷卻水用量等等。然而，無論如何選擇，都必須滿足初設時所給出的所有判據。3.1.9 優化設計

過程涉及的目標是“總體優化”的工廠，而其中的每個設備不一定都在各自最大效率或者最大生產潛力下運行。為了實現總體的最優，需要在單個設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缺點進行詳細的描述。過程描述應該與PFD或P&ID一同給出，并且通過適當的設備編號系統與設備列表相聯系。在此階段，過程描述應該盡可能詳細，必須參考所有有用的文獻，給出任何已知的數據。指出相互矛盾的數據，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，主要講清楚其優缺點并且解釋為什么不采用這些工藝路線。

3.3 準備設備列表

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

（1）設備的型式

（5）操作溫度上下限（2）尺寸和生產能力

（6）腐蝕裕量（3）材質

（7）特殊的特征（4）操作壓力

（8）備用設備

3.4 經驗法則

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格。最終的能量衡算取決于最終選取的節能措施和工廠布局。盡管大部分數據僅僅是近似數據，但其他設備的尺寸在此階段應盡可能準確掌握。估算設備尺寸和設計可參閱有關文獻。

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），至少應該對于關鍵的設備進行HAZOP分析。

案例研究

工藝選擇和設備清單 找出并評價苯酐生產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備是反應器；切換冷凝器和純化塔。

3.6.1 鄰二甲苯酸酐生產工藝的發展趨勢

很明顯，鄰二甲苯是現代生產鄰苯二甲酸酐的首選原料，目前僅有少數以萘為原料的工廠。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，產率更高（因為所有碳原子都在產品中）。過程效率也更高。將現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放出熱量的綜合利用。這些能量可以用來生產高壓蒸汽，因此應該能夠抵消購買動力的開支。目前已經開發出了循環利用廢氣的低能耗過程。催化劑選擇性也正得到改進，以提高產品質量，消除副反應的發生。可同時用于萘和鄰二甲苯的兩用催化劑也已開發成功，只需要微調操作條件即可實現原料的轉換。

3.6.2 原料

盡管萘和正戊烷都可以用來生產鄰苯二甲酸酐，但是與鄰二甲苯相比二者都不具經濟優勢，只有當它們的供應價格遠低于市場價時，以它們為原料的工藝才可行。由于西澳大利亞沒有萘和正戊烷的供應渠道，所以新建工廠不應考慮使用它們作為原料。因此，鄰二甲苯因其高產率，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新廠將比澳大利亞現有工廠具有顯著的技術優勢。

世界上，鄰二甲苯的三個主要產區是美國、西歐和東亞。其中東亞距離澳大利亞最近，也是發展最快的地區。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，經濟上最具吸引力的選擇是使用澳大利亞石油精煉廠當地二甲苯分離工廠的產品。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，其中包括異構化和分離2個單元。異構化單元用來控制3種異構物產品的比例。對二甲苯需求量最大，鄰苯二甲酸酐的生產消耗了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。間二甲苯沒有商業用途因此全部循環回異構化單元。該領域的最新進展是對混合二甲苯進行反應精餾使之轉化為對苯二甲酸，以及富含鄰二甲苯的副產物，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

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

競爭廠家已經建起了若干不同版本的固定床氣相反應過程。，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勢比其他過程好得多，因而20世紀90年代建設的工廠要么采用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。

根據以上信息，對在西澳大利亞建設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備。圖3.1是LAR法的過程流程圖（PFD），給出了苯酐生產中所用到的主要設備和布局。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），經部分鄰苯二甲酸酐以冷凝而不是凝華的方式從反應氣中加以回收。LEVH法中空氣對鄰二甲苯比例較高，因此要求部分設備具有較大的生產能力，比如空氣壓縮機，反應器，氣體冷卻器和切換冷凝器。

苯酐的生產主要有3個步驟：反應、冷凝和純化。反應是強放熱反應，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移去反應熱，然后，熱的熔鹽被用來生產高壓蒸汽。反應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，經過洗滌或者焚燒處理后排放到大氣中。苯酐粗品經過預處理（將殘存的酸轉化為酸酐）和減壓蒸餾（除去馬來酸酐和其它雜質）而得到純化。產品可以以熔融狀態或者片狀存儲和銷售，并且必須滿足表3.1所示的規格要求。所有的商業過程通常都可以達到或者優于這些指標。

表3.1 鄰苯二甲酸酐產品典型規格要求

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

典型產品的參數 99.9%

0.05%（最高）130.9℃ 10

像水一樣

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

3.6.5 LAR工藝的優勢

近年來鄰苯二甲酸酐生產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（其他技術中該比例大概在20:1），這就可以使催化劑的產率提高40%，顯著地縮小了反應器體積，并且降低其他關鍵設備（包括切換冷凝器和蒸發器）的負荷。風機和泵的能耗降低約60%。反應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量的蒸汽。還可以使用后冷器將大約50%的鄰苯二甲酸酐產品在凝華前以液體的形態加以回收。這樣可以減少進入冷凝器產品物流中的雜質量從而提高產品的純度。

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工藝生產出的苯酐最終售價可能低于用其他競爭過程生產出的產品售價。

3.6.6 LEVH工藝的優勢

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

通過使用一種特殊的催化劑，可以調整VH過程以適應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，反應器的生產能力最大已經達到了5萬噸/年。

LEVH法是一個穩妥的選擇，適合于保守的發展策略。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驗的時候，比較適宜選用該工藝。采用LEVH工藝的生產成本比大多數老廠的成本低，但是比起在同樣基礎上成功運轉的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），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。潛在的節省可能最以抵消任何可能遇到的操作困難。而且，若與本區域的其他工廠采用相同的工藝和技術，最多也只能將最低生產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 初步的設備設計

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

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

苯酐生產工藝有潛力實現蒸汽凈輸出，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內的其他工廠綜合考慮，可以更容易實現蒸汽的平衡。這里假定所有高壓蒸汽鍋爐都是各廠家共用的。同樣，冷卻水設施（水處理部分和冷卻塔）和主煙囪（用于排放廢氣和燃燒產生的氣體）也與其他工廠共用。這些設施的設計計算不在本設計研究的考慮之內，因為它們的處理能力將與共同開發的其他工廠項目密切相關。

鄰苯二甲酸酐具有中度腐蝕性。因此某些設備需要用不銹鋼制造。316型（Ni 11%，Cr 18%，Mo 2.5%，Fe66.5%，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備可以用普通碳鋼制造。

3.6.9 設備清單

1.反應器：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；熔鹽循環量310t/h；材質為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；材質為碳鋼。5.蒸發器：鄰二甲苯流量4625kg/h，空氣流量45t/h（溫度125-350℃）；功率為3.9MW；材質為碳鋼。

6.氣體冷卻器：氣體總流量50t/h；功率為5.0MW；材質為碳鋼。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，用于原料和中間產品的輸送。13.空氣壓縮機：輸送45t/h的空氣到反應器；壓力200-300kPa。14.過濾器：空氣進入反應器之前的過濾。

15.噴射泵系統：為純化系統提供真空（10kPa，絕壓）。

3.6.10 結論

? 作為原料，萘逐漸被淘汰，因為鄰二甲苯更清潔，產率也更高。

? 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品的整體需求緊密相連。對于其他異構體，對二甲苯的市場需求增長很快，而間二甲苯沒有太大用途。? 使用鄰二甲苯作為原料，使用更好的催化劑，并應用能量集成技術的新工藝過程可以將成本減少25%。而澳大利亞現在的工廠在很不利的經濟狀態下運行。

? 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，因為設備體積可以減小。

3.6.11 對后續工作的建議

? 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，以確認設備尺寸和其他的設備需求。確定主要的工藝條件，評價其環境影響。

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

4.1廠址選擇

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

4.1.1當地工業園區

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的其他工業地區。從政府部門那里可以得到一種地圖，上面標注了哪些地區被規劃為重工業發展基地以及現有工廠的位置。即便所選地區被認定為適合工業發展，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。該評述也適用于現有的化工廠基地。在有些情況下，某基地的進一步發展可能會受到政府的限制，原因一般包括：公眾意見、環境影響問題，或者擔心在高度工業化地區發生嚴重事故的風險。工人們一般愿意住在距離工作單位比較近的地方，因此工業基地附近的房地產通常也得到發展，而這些地方以前確是無人居住區，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展工業。

假設可以確定出工業開發區，然后就有必要選擇出具體的廠址。不應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，分項比較他們的優勢和劣勢，最終的結果應該是一個按照優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窮盡了所有的因素：

（1）所選地區被指定為重工業發展地區（“輕“工業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）。

（2）所選地區已經存在類似的化工廠，并且是其他工業中心的所在地。（3）基礎設施和服務設施完備，比如道路，水電氣等。（4）合適的地勢條件、地下構造和排水等。

（5）合適的交通條件（原材料和產品的運輸，建廠時所需的運輸）。（6）臨近主要的交通網絡（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）當地有勞動力資源，與當地社區的距離合適。（8）有生活用水和工廠冷卻水。（9）符合向環境排放廢物的限制。

（10）距離原料的供應地和產品的銷售市場比較近。（11）存在應對大型工廠事故的安全服務設施。

（12）氣候條件，比如適度、最大風速以及主要風向、降雨等。（13）政府已經或者可能提出的有關工業發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）政府為鼓勵地區經濟發展而給予支持（稅收優惠和補貼等）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文獻。

4.1.3 因素的優先順序

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的話，仍然不能最終確定為廠址。這些重要的判據包括：由于負面的公眾輿論而得不到政府的批準、環境法規限制、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（要求的以及已經存在的），并對每一個特征賦予一個主觀的分數（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），只是當地沒有水供應，這樣對于建設化工廠而言，該基地便沒有什么用途。

4.2 廠區布置

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備布置方案。盡管還沒有進行設備的詳細設計，但是初步估計的設備尺寸應該可以根據設備列表獲知。設備尺寸的初步估計與最終估計之間的差別不應過大，在確定設備布局時還要考慮在設備周圍留出合適的空間供操作維修以及安全保障之用。

做出了初步的廠區布置（平面布置圖）后，就可以考慮管線布置和壓力降、設備維修通道、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現該廠區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。為了確保工廠建設的經濟性和操作的高效性，在設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。進行廠區布置時還要考慮到工廠建設時的需要，比如大型吊車的運動等。所采用的廠區布局還會影響到化工廠的安全操作，影響到周圍社區對工廠（以及將來可能的改擴建）的接受程度。

4.2.1 廠區布置策略

在確定廠區布局是可以采用兩種設計方法。第一種設計方法是使設備的布局與其在流程圖上出現的順序一樣，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，經常被小型化工廠所采用。第二種設計方法就是將相似的設備集中布局，稱為相似設備分組布置（groupings of similar plant items），比如將精餾塔、分離設備、反應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點。這兩種設計方法是兩種極端的情況，實際設計多介于兩者之間。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也存在空間限制問題。4.2.2 影響廠區布置的因素

在設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域，要位于主導風向的上風口。（2）反應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備，設備之間距離要合理。（5）設備的提升安裝。

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

（9）為常規維護和設備修理提供合適的操作通道。

（10）應該便于在發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）需用冷卻水的設備要靠近河邊或海灣等。

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

（15）設備之間的間距：專營化工廠保險業務的公司對于特定設備的間距有特別的建議；國家的有關標準和法規中也給出了一些建議。

關于化工廠布局階段需要考慮的特定因素可參考有關文獻。總之，設備布局應該使以下參數最小化：（1）火災或者爆炸時的人員和財產損失；（2）維護費用；

（3）所需工廠人員的數量；（4）操作費用；（5）建設費用；

（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濟性經常需要做出一些平衡。最終的廠區布置將取決于工廠內節能措施的要求，任何后學的修改以及相應的管線布置。

案例研究-廠址選擇和廠區布置

建議在西澳大利亞靠近Bunbury的Kemerton工業園區興建一座年產4萬噸鄰苯二甲酸酐的工廠。該項目應該與其他若干項目共同開發，這些工廠之間存在重要的集成優勢，可以共用原料和終端用戶。之所以選擇該廠址，是因為當地已經有了基礎設施，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分散化的政策。

設定工廠布局時主要考慮安全問題，同時也考慮使管線系統費用最低，且可以最容易地到達設備，并且具有靈活性。當地有足夠的土地供其他相關工廠共同開發，這些相關企業將公共用的一些關鍵的設施（蒸汽、冷卻水、排氣煙囪和辦公建筑）。

4.3.1 背景和目標

根據前期的市場調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，并從新南威爾士現有的技術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3萬噸；二是年產6萬噸。年產6萬噸的情況是樂觀的方案，要依賴于可觀的現貨市場上的出口銷售。在現階段，年產3萬噸的方案似乎更加可行。為了估計設備要求和進行廠址選擇，假定年產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與同一基地的其他企業的生產進行集成。

廠址的選擇對項目總體可行性的影響很大，因為此前已經證明了單獨設立該廠時的盈利可能性不大。可能需要政府對新建工業園區進行資助，還要尋求同其他企業之間的集成。理想的廠址必須能：

（1）滿足所有工藝要求；（2）滿足環保和社區的要求；

（3）使原料和產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。廠區布局應該根據工廠以及所在區域的特點而設定。

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是一個現成的具有一定規模的工業基地，另外3個則只是擁有規劃用于重工業的土地。選擇Perth外圍的廠址（即Geraldton，Karratha，Kemerton）時，在建設階段有可能得到政府以補貼或關稅形式給予的幫助。這些地方將作為新工業園區的一部分而得到開發，目的是將西澳大利亞的重工業分散開來。這對于減少基礎建設的開支并實現盈利很重要。以下企業與鄰苯二甲酸酐工廠有顯著的集成效益，因此，鼓勵以下各企業共同進行開發：

? 二甲苯混合物分離工廠（為苯酐生產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，以保持競爭力）。目前澳大利亞唯一的苯酐生產上是悉尼的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上的安排布局。因此，也需要建設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，這將使新的企業變得很脆弱，并使整個開發計劃變得不經濟。4.3.2.1 Kemerton 西澳大利亞的Kemerton工業園區內已經有若干家新的企業。基礎設施的假設已經達到了使用水平，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或者來自與發展中城市Bunbury（只有15km的距離）。建設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，因此建設項目有可能得到批準。該地區對環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。Perth距離該廠址600km，就辦公條件、緊急反應和原料供應而言還不算太遠。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的基礎設施。雖然也可以指望一些企業間的聯合生產，但是不大可能有足夠的芳香混合物（BTX）供苯酐生產之用。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。位于同一地區的其他相關下游工業的市場原理Karratha，這將無法刺激其參與共同開發。該處港口比較發達，并有現成的海水供冷卻之用。4.3.2.4 Kwinana Kwinana工業園已經相當擁擠，沒有多大空間用于新的化工廠群組的建設。盡管公路、鐵路和海運條件都不錯，建設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。在Kwinana地區開發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可以滿足重工業發展的所有要求以及苯酐工廠的特殊要求。圖4.1和圖4.2是該地區的地圖，可以看到為擬建的工業群而開辟的核心工業園和緩沖區，以及已有的基礎設施。

在Kemerton地區之內有若干個合適的廠址。選擇圖4.2中的3號區域是因為他有足夠的空間容納苯酐工廠以及共同開發的其他廠，同時臨近公路和鐵路。公用設施（蒸汽、冷卻水和煙囪等）可以建在本區域，也可以建在相鄰的區域。由于鄰苯二甲酸酐生產中所需冷卻水很少，因此，如果需要的話，它也可以遠離冷卻水的主要供應管線。類似的，苯酐廠在蒸汽上可以自給自足。該地區的主要風向是西風（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，會產生危害性云霧，因此苯酐廠應該位于其他工廠的下風口。擬在該區域共同建設的其他廠的數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建設的鄰苯二甲酸酐工廠的初步布局，其中包括了主要生產設備和建筑物的位置，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性建筑幾乎不會處于下風口。控制室位于廠區的北面，這樣萬一發生緊急情況時，控制室可以得到保護。由于工廠的總體規模很小，因此可以使控制室遠離位于中心的生產設備。在發生緊急情況，從控制室和辦公室都可以觀察到工廠內的情況。

儲罐與進料點和產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。儲罐之間所留的間距比較小，但是應該可以滿足緊急情況下的要求。

生產設備分別布置在兩個區域內：反應區和純化區。這樣可以將潛在的危險性較大的反應器同其他的設備分開，萬一出現事故，主導風向可以把有害的蒸汽吹離其他設備。根據市場調研，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解決瓶頸問題的主要設備（比如再建設一個反應器），但是沒有預留再建一整套流程的空間。

醫療設施和其他關鍵服務設施將和位于該地區的其他廠共享。高級管理人員、文秘人員、人事和財務人員也將在同一建筑內辦公，遠離生產現場。由于苯酐廠規模小，也就沒有必要讓非操作人員留在工廠內。

4.3.4 結論

? 年產4萬噸鄰苯二甲酸酐工廠是中度可行的。在此基礎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四個地區作為苯酐廠址的可能性

? 最可取的廠址位于Kemerton工業園區。該園區將有助于從Kwinana分散除部分工業。此處有合適的建廠條件、現成的土地、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設施。

? 鄰苯二建酸酐工廠應該作為一個化工廠群組的一部分而進行建設，該群組在同一廠址位置上至少應該包括一個下游加工企業。聚酯廠對于西澳大利亞而言是最合適的選擇，因為它可以為當地的造船工業提供產品。

? 考慮到該地區的偏遠性，在新的化工廠群組的建設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。? 設計了工廠布局，它考慮了對工人和關鍵建筑物的保護，并將有潛在危險性的設備與其它設備分置。廠區布局時還考慮了使管線和泵送費用最低。某些輔助設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境的影響。? 進行更加詳細的物料和能量衡算，以便確認設備的尺寸。

? 以年產4萬噸苯酐為基準，確定主要設備的費用，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

在進行詳細的設備設計之前，必須針對每個設備完成物料和能量衡算。需要對流程圖上及設備列表中的每一個設備進行物料衡算。有時，能量衡算是以一組設備（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器與后續冷卻（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能量的有效利用，并提出節能措施。

即使在設計的這一階段，還是不大可能完成所有的物料和能量核算的細節。此時，應該已知每個設備的操作指標，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備的最終詳細設計完成之后再進行修訂或檢驗。例如，規定某洗滌塔至少應該從氣體物流中脫除一定百分數的某種成分。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計之后才能知道液體的確切流量。設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計的最小值（重要的是，設計出的塔的實際處理氣量不要低于規定值！！）

物料衡算和能量衡算的結果應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計報告的附錄單獨給出。每個單元的物料和能量衡算應該包括一下細節。

（1）單位時間內進出某單元的所有物流的質量。請勿使用摩爾量和體積量。時間段的選取（按每秒，每小時或每天）要使各質量的數值看起來比較方便（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進行。（2）所有的物流使用質量百分組成。

（3）有時也會給出氣體物流的摩爾流量和摩爾百分數。

（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）。

到了進行設計項目的時候，學生們應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編號，比如第1頁（共32頁）。還要標出每個設備的編號。如果能量衡算是以一組設備為基準進行的，則可以給出總的衡算結果。進出每一個設備的總物料量和總能量應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、組成和溫度等參數應該再轉注到流程圖上及設備列表中（要注意對原始估計結果所作的修正）。隨著設計的進展，過程流程圖應當不斷更新，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備設計的數據，還要對其進行充分的利用和分析。根據物料衡算可以知道工廠的哪些地方物料需求量大，哪些地方有副產品，哪些地方需要較多的工藝水。類似地，根據能量衡算可以知道哪些設備能量需求大，以及需要從哪些設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。要注意數字的有效位數。

5.2 初步的設備設計

在完成了物料和能量衡算之后，便可以進行初步的設備設計。最終的設備設計和規格制訂要在詳細的經濟評價和節能研究完成之后方能進行。

通過初步的設計，可以對項目前期所使用的數據和假設進行再評估和修正。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。要確認所用設備的類型（在設備清單中已詳細列出），確定合適的設計方法，還要找出所有必需的設計數據（希望如此）。如果初步設計的設備數據和原始的設備要求有較大的出入，則需要進行考察。在此階段，設計工程師差一點就進入了詳細的設計計算。

5.3計算機輔助設計

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。不應該將它和使用計算機以及相應的繪圖軟件包繪制工程圖紙相混淆，后者有時也稱為CADD（draughting）。對于進行設計工作的化學工程師而言，計算機和CAD已經有了廣泛應用：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備的衡算，成本和經濟分析，過程的優化，以及單個化工設備（比如換熱器和精餾塔）的詳細設計計算等等。雖然還沒有被普遍接受的標準術語，但是最好用CAD來表示主要設備的詳細設計計算，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）。

現在，工業界普遍希望化學工程專業的學生在課程中至少獲得一些最基本的CAD方面的經驗。值得討論一下大學課程應該給學生提供哪些CAD經驗，以及學生離開大學走上工作崗位應該擁有哪些CAD經驗。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，但最關鍵的是要能評估結果的有效性，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果，要讓學生不盲目地相信結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、進行優化設計而達到“最優”解。不建議學生去進行大量的詳細手工計算來校核設計軟件結果的正確性，這既是徒勞的也是不現實的。但是為了進行恰當的計算，應當進行一定的校核，此時學生應該能夠進行這些計算，并能夠評價所用的設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，對每一個設備描述其進料物流和出料物流的狀態。可能需要特別復雜的數學模型來關聯復雜單元的進料和出料狀態。有必要指定各設備模塊的求解次序，比較簡單的設備可以先求解，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，就出現了商業化的“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，可以根據輸入的數據進行計算。這些流程圖式的程序還可以與某一個物性數據庫相連接，這樣就可以自動地獲取各種組分的相關數據，而無需用戶手工輸入。根據工藝過程的復雜性，還可以使用微軟的EXCEL或者LOTUS1-2-3等具有電子數據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自己的衡算方法，那么在正式的設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，還對每一個設備進行了有效的初步設計評估。輸出的計算結果通常包括諸如設備的熱負荷、回流比、公用工程需求和初步的尺寸等細節。如果程序是與物性數據庫相連的，那么還可以得到每一物流的各種物性數據。雖然商業軟件種類很多。但是它們都具有相似的特征和程序結構。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、設備模型的范圍、使用上的難易程度（用戶友好程度）、數據庫的大小以及支持文件的質量。

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

對于化工設計而言，最有用的數據庫應該能夠通過適當的預測方法提供未知的數據（比如用基團貢獻法提供汽液平衡數據），還可以通過使用類似物質的物性數據來替代未知物質的物性數據。如果所缺的物性數據對于計算結果的影響不大，也可以使用粗估的數據。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果產生的影響。這里需要使用者對CAD軟件包的結構和應用有所了解，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，使用者和設計者必須經過一定的培訓，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、有時可能還有優化模塊。所選用的單元設備子程序必須與過程中的設備匹配，需要指定循環物流，并給出適當的求解收斂度。為了高效使用CAD軟件包，很顯然不應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歷以下四個階段：模擬，設計，案例研究和優化。在最初的模擬階段，需要確定輸入數據，選擇合適的設備模塊。此時可以先使用簡單的單元代替復雜的設備，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（盡管此時的輸出結果和產品規格可能還有錯誤之處）。在第二階段，即設計階段，則需要把模擬模型升級為合適的“設計模型”，這一般是通過添加更多的循環（作為信息回路）來實現的。設計過程是迭代的過程，需要適當的收斂程序。此階段所要求的結果是得到一個“模型”，使其能夠在合理的迭代次數之內得到有意義的解。在案例研究階段，就是要使用工廠的實際數據及用于提供設計變量初值的經驗法則。使用設計模型進行靈敏度分析，確定具有顯著影響的參數，并決定是否值得進行全面的優化。優化階段需要設計者投入相當多的時間。進行優化時必須使用合適的軟件，使用者還要具有一定的使用經驗。有必要想單獨對工廠的一個部分進行優化，然后在進行適當的調整和重復計算。在此階段還需要進行全面的經濟分析。

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

這些軟件現在都可以在PC機上運行，學生獲得一些CAD軟件的使用經驗很重要，但是更重要的是，要對CAD的應用以及使用計算機進行設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：培養學生的目的是使其成為能夠進行技術含量很高的詳細設計的職業化學工程師，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而已。如果使用得當的話，計算機是讓生活更加輕松的一個工具。而設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”解釋了為什么工業實際中大量精餾塔的生產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，原因是根據計算機模擬結果進行的設計是不合理的，而其中大部分在設計階段中本應該得到糾正！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品，放出大量的反應熱（21MW）。反應氣中的苯酐產品經過兩級冷卻得到回收，第一級得到液體產品，第二級得到固體產品（通過凝華）。最后對粗品用精餾的方法進行精制。LAR工藝在反應階段需要的空氣量較少，因而與其它生產工藝相比，整個工廠的設備尺寸都較小，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和回收兩部分。反應器及其附屬的加熱和冷卻設備是能量綜合利用的關鍵所在，因為此處的高溫和大流量產生了最大的焓流量。精制設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（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。設備設計

6.1 詳細設備設計

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

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開發出了多種類型的設備以適應不同的應用場合：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；全混釜和管式反應器等等。針對某些單元操作已經發表有很多著作，本章最后的參考文獻中列出了一些十分重要的典籍。在進行本設計項目訓練時，他們應該對這些參考書非常熟悉，因為在其他課程中已經使用過這些書。其中的一些書籍只提供關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。另一些則側重于如何將基本原理應用于設備設計，并包括相關設計方法的細節及有用的設計數據。對于設計工作而言，需要的是設計手冊，本章結尾處同樣列出了一些設計手冊。

關于不同類型設備及其相關結構特點的綜述，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備以及設備設計方面的新進展給出了大量的參考文獻。一些詳細設計信息可參考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計，設計工程師必須隨時注意熟悉新方法和新進展。在某些領域，化工設計的發展變化沒有那么快，一些早期的文獻仍具有很高的參考價值，例如Kern（1950）。然而，為了高效的做出設計，密切關注隨時發生的變化和應用最新知識十分必要。刊登在Chemical 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。

裝置的設計應該遵循下列準則（或其中的一大部分）

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

（d）應盡量減少保養及維護工作，盡量減少操作成本及公用工程需求。

（e）所設計的設備在指定設計能力下運行時各項費用應為最小。通常還要求設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）設備必須在工廠的整個預期年限內都能（正常）運行。（g）設計必須具有可行性（可以建造和操作）。

設計必須被所有的相關部門接受，還可能要滿足其他的一些要求。

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

6.1.1 并非化工專業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化為工程設計的能力有所懷疑。一些學生發現，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，很難適應這種開放式的（經常還是定義得比較模糊的）設計問題。有必要認清的是在設計任務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，這些信息將構成設備設計的基礎。以下列出13條要點的目的是給那些為解決設備設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計方法的書籍，如Ray（1985），Peters和Timmerhaus(1991)，Ulrich（1984），Walas（1988）等，應該會有所幫助，針對一些特定課題，預讀雜志文章和設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計也會感到困難，特別是當他們所獲得優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，但還沒有充分意識到它們的重要性。這些要點在隨后的設計中仍然有用，他們可以幫助確認沒有忽略仁和中藥的設計方面。以下簡要的幾點說明并不是對設計過程的詳細分析，而是給出了一些用于指明大體方向的建議。

怎樣開始設備設計 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.總結

6.2 標準和規范

6.3 設計中的其他問題

7安全與環境問題與經濟評價

第三篇：化工設計大賽

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

隨著社會與科技的飛速發展，化工行業對工程技術人才的要求越來越高。而工程技術人才的創新能力集中體現在工程實踐活動中創造新的技術成果的能力，包括新產品和新技術的研發，新流程和新裝置的設計，新的工廠生產過程操作運行方案等等。

為了多方面培養大學生的創新思維和工程技能，培養團隊協作精神，增強大學生的工程設計與實踐能力，實踐“卓越工程師教育培養計劃”，中國化工學會、中國化工教育協會、教育部高等學校化學工程與工藝專業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”杯大學生化工設計競賽。

第四篇：化工設計大賽

年產**噸丙烯的化工廠設計方案

引言 丙烯是石油化工基本原料之一，可用以生產多種重要有機化工原料，可以生產丙烯腈，環氧丙烷，環氧氯丙烷，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注。一． 制備方法 二． 制備工藝 三． 設備設計及選型 1.工藝設備一覽表 1.概述

2.塔結構尺寸確定依據 3.塔設備設計影響因素 4.塔設備設計舉例 2.典型塔器設計計算與選型 1.概述

2.設計數據及工作參數 3.物料衡算與熱量衡算及結果 4.反應器結構的計算 3.典型反應器設計計算與選型 1.4.典型換熱設備設計計算與選型 四． 總圖設計 1.設計依據與原則 2.工廠布局 五． 自動設計 六． 自動控制 1.生產過程設計 2.檢測設計方案 七． 公用工程建設 1.電氣與通訊 2.給排水 3.蒸汽 4.采暖通風 八． 環境保護 1.設計依據和標準 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.廠區綠化 9.總述 九． 勞動安全消防 1.設計依據 2.勞動安全 3.安全生產原則

4.廠區安全風險具體分析 5.消防安全具體設計 6.消防管理工作 7.職業衛生 8.總述

十． 工廠組織與勞動定員 1.企業文化 2.企業組織形式 3.企業工作制度 4.企業經營管理 5.勞動定員

第五篇：四川大學化工原理流體力學實驗報告

化工原理實驗報告

流體力學綜合實驗

姓名：

學號：

班級號：

實驗日期：2016

實驗成績：

流體力學綜合實驗

一、實驗目的：

1.測定流體在管道內流動時的直管阻力損失，作出λ與Re的關系曲線。

2.觀察水在管道內的流動類型。

3.測定在一定轉速下離心泵的特性曲線。

二、實驗原理

1、求

λ

與Re的關系曲線

流體在管道內流動時，由于實際流體有粘性，其在管內流動時存在摩擦阻力，必然會引起流體能量損耗，此損耗能量分為直管阻力損失和局部阻力損失。流體在水平直管內作穩態流動（如圖1所示）時的阻力損失可根據伯努利方程求得。

以管中心線為基準面，在1、2截面間列伯努利方程:

圖1

流體在1、2截面間穩定流動

因u1=u2，z1=z2，故流體在等直徑管的1、2兩截面間的阻力損失為

流體流經直管時的摩擦系數與阻力損失之間的關系可由范寧公式求得，其表達式為

由上面兩式得：

而

由此可見，摩擦系數與流體流動類型、管壁粗糙度等因素有關。由因此分析法整理可形象地表示為

式中：-----------直管阻力損失，J/kg；

------------摩擦阻力系數；

----------直管長度和管內徑，m；

---------流體流經直管的壓降，Pa；

-----------流體的密度，kg/m3；

-----------流體黏度，Pa.s；

-----------流體在管內的流速，m/s；

流體在一段水平等管徑管內流動時，測出一定流量下流體流經這段管路所產生的壓降，即可算得。兩截面壓差由差壓傳感器測得；流量由渦輪流量計測得，其值除以管道截面積即可求得流體平均流速。在已知管徑和平均流速的情況下，測定流體溫度，確定流體的密度和黏度，則可求出雷諾數，從而關聯出流體流過水平直管的摩擦系數與雷諾數的關系曲線圖。

2、求離心泵的特性曲線

三、實驗流程圖

流體力學實驗流程示意圖

轉子流量計

離心泵

壓力表

真空壓力表

水箱

閘閥1

閘閥2

球閥3

球閥2

球閥1

渦輪流量計

孔板流量計

?35×2鋼管

?35×2鋼管

?35×2銅管

?10×2鋼管

四、實驗操作步驟

1、求

λ

與Re的關系曲線

1)

根據現場實驗裝置，理清流程，檢查設備的完好性，熟悉各儀表的使用方法。

2)

打開控制柜面上的總電源開關，按下儀表開關，檢查無誤后按下水泵開關。

3)

打開球閥1，調節流量調節閘閥2使管內流量約為10.5，逐步減小流量，每次約減少0.5，待數據穩定后，記錄流量及壓差讀數，待流量減小到約為4后停止實驗。

4)

打開球閥2，關閉球閥1，重復步驟（3）。

5)

打開球閥2和最上層鋼管的閥，調節轉子流量計，使流量為40，逐步減小流量，每次約減少4，待數據穩定后，記錄流量及壓差讀數，待流量減小到約為4時停止實驗。完成直管阻力損失測定。

2、求離心泵的特性曲線

1)

根據現場實驗裝置，理清流程，檢查設備的完好性，熟悉各儀表的使用方法。

2)

打開控制柜面上的總電源開關，按下儀表開關，先關閉出口閥門，檢查無誤后按下水泵開關。

3)

打開球閥2，調節流量調節閥1使管內流量，先開至最大，再逐步減小流量，每次約減少1，待數據穩定后，記錄流量及壓差讀數，待流量減小到約為4后停止實驗，記錄9-10組數據。

4)

改變頻率為35Hz，重復操作（3），可以測定不同頻率下離心泵的特性曲線。

五、實驗數據記錄

1、設備參數：；

；

2、實驗數據記錄

1）求

λ

與Re的關系曲線

銅管湍流

鋼管湍流

序號

qv(m3h)

?p(kpa)

序號

qv(m3h)

?p(kpa)

8.7

3.14

11.1

4.65

8.3

2.90

10.5

4.20

7.9

2.66

9.9

3.78

7.5

2.40

9.3

3.38

7.1

2.21

8.7

3.00

6.7

1.97

8.1

2.61

6.3

1.77

7.5

2.25

5.9

1.55

6.9

1.97

5.5

1.38

6.3

1.68

5.1

1.21

5.7

1.40

4.7

1.04

5.1

1.16

鋼管層流

序號

qv(Lh)

?p(pa)

935

701

500

402

340

290

230

165

116

582、求離心泵的特性曲線

30Hz離心泵數據記錄

序號

流量

真空表

壓力表

電機功率

15.65

-2200

28000

694

14.64

-2000

31000

666

13.65

-1800

37000

645

12.65

-1200

40000

615

11.62

200

42000

589

10.68

0

47000

565

9.66

50000

549

8.67

1000

51000

521

7.67

1500

55000

488

6.63

1800

59000

468

5.62

1800

60000

442

4.58

2000

67000

388

0.08

0.0022

0.083

166.9

35Hz離心泵數據記錄

序號

流量

真空表

壓力表

電機功率

18.27

-500

42000

1052

17.26

-400

48000

998

16.24

-300

51000

972

15.26

-300

56000

933

14.27

-200

61000

906

13.28

-200

65000

861

12.27

-200

68000

824

11.27

-100

71000

798

10.26

0

76000

758

9.26

-100

80000

725

8.26

0

82000

682

7.26

-100

89000

653

6.27

150

90000

626

5.26

180

100000

585

4.43

200

110000

528

六、典型計算

1、求

λ

與Re的關系曲線

以銅管湍流的第一組數據為例計算

T=22℃時，ρ≈997.044kg/m3

μ≈1.0×10-3Pa?s

以管中心線為基準面，在1、2截面間列伯努利方程

P1ρ+u12+gz1=P2ρ+u22+gz2+hf

因u1=u2，z1=z2，故流體在等徑管的1、2兩截面間的阻力損失為

hf=?Pρ=3.14*10001000=3.15J/kg

u=qvA=qvπ4d12=8.73600×0.0007548=3.202m/s

;

Re=duρμ=0.031×3.202×997.0440.001=98960.27

因為hf=λ?Pρ

;

所以λ=?Pρd1l2u2=3.15×0.0311.2×23.2022=0.01587

其他計算與此相同。

2、求離心泵的特性曲線

湍流銅管：管長L2=1.2m；管內徑d2=31mm

銅管湍流

序號

qv(m3h)

?p(kpa)

u(ms)

Re

λ

8.7

3.14

3.202

98960.27

0.01587

8.3

2.90

3.055

94410.37

0.01611

7.9

2.66

2.907

89860.48

0.01631

7.5

2.40

2.760

85310.58

0.01633

7.1

2.21

2.613

80760.68

0.01677

6.7

1.97

2.466

76210.78

0.01679

6.3

1.77

2.318

71660.89

0.01706

5.9

1.55

2.171

67110.99

0.01704

5.5

1.38

2.024

62561.09

0.01745

5.1

1.21

1.877

58011.19

0.01780

4.7

1.04

1.730

53461.3

0.01801

鋼管湍流

序號

qv(m3h)

?p(kpa)

u(ms)

Re

λ

11.1

4.65

4.085

126259.7

0.01444

10.5

4.20

3.864

119434.8

0.01458

9.9

3.78

3.643

112610

0.01476

9.3

3.38

3.423

105785.1

0.01495

8.7

3.00

3.202

98960.27

0.01517

8.1

2.61

2.981

92135.43

0.01522

7.5

2.25

2.760

85310.58

0.01530

6.9

1.97

2.539

78485.73

0.01583

6.3

1.68

2.318

71660.89

0.01620

5.7

1.40

2.098

64836.04

0.01649

5.1

1.16

1.877

58011.19

0.01706

湍流鋼管：管長L3=1.2m；管內徑d32=31mm

鋼管層流

層流鋼管：管長L1=2m；管內徑d1=6mm

序號

qv(Lh)

?p(pa)

u(ms)

Re

λ

935

0.393

2351.03

0.06084

701

0.353

2111.74

0.05631

500

0.314

1878.43

0.05083

402

0.275

1645.12

0.05338

340

0.236

1411.81

0.06145

290

0.196

1172.52

0.07547

230

0.157

939.22

0.09353

165

0.118

705.91

0.11928

116

0.079

472.60

0.18869

0.039

233.31

0.377372、離心泵的特性曲線

以第一組數據為例，n=30Hz

T=23℃時，ρ≈997.044Kg/m3

μ≈1.0×10-3Pa?s

以水平地面為基準面，離心泵進口壓力表為1-1截面，離心泵出口壓力表為2-2截面，在此兩截面之間列伯努利方程

P1ρg+u12g+z1+H=P2ρg+u22g+z2+Hf

因為

Hf≈0

;

所以H=

P2-P1ρg+u2-u12g+?Z

?Z=Z2-Z2=0.2m

;

進口直徑D=50mm

;

出口直徑d=40mm

u1=qvA1=qvπ4D2=15.653600×π4×0.052m/s=2.215m/s

;

u2=qvA2=qvπ4d2=15.653600×π4×0.042m/s=3.458m/s、H=3.647mH2O

N=N電?η電?η傳

;

η電=0.75

;

η傳=0.95

N=694×0.75×0.95=494.5W

η=NtN

;

Nt=qHρg=3.647×15.65×997.044×9.81/3600W=155.26W

η=155.26494.5×100%=31.36%

序號

流量Qv(m3h)

揚程

軸功率

效率

15.65

3.647

494.5

31.36%

14.64

3.889

474.5

32.60%

13.65

4.440

459.6

35.83%

12.65

4.647

438.2

36.45%

11.62

4.672

419.7

35.15%

10.68

5.173

402.6

37.29%

9.66

5.439

391.2

36.49%

8.67

5.422

371.2

34.41%

7.67

5.756

347.7

34.50%

6.63

6.113

333.5

33.02%

5.62

6.197

314.9

30.04%

4.58

6.876

276.45

30.95%

30Hz離心泵的特性曲線

35Hz離心泵的特性曲線

序號

流量Qv(m3h)

揚程

軸功率

效率

18.27

5.036

749.55

33.35%

17.26

5.586

711.08

36.84%

16.24

5.833

692.55

37.16%

15.26

6.298

664.76

39.28%

14.27

6.756

645.53

40.58%

13.28

7.125

613.46

41.91%

12.27

7.394

587.10

41.99%

11.27

7.656

568.58

41.23%

10.26

8.125

540.08

41.94%

9.26

8.515

516.56

41.47%

8.26

8.684

485.93

40.11%

7.26

9.387

465.26

39.80%

6.27

9.444

446.03

36.07%

5.26

10.446

416.81

35.82%

4.43

11.455

376.20

36.65%

七、實驗結果分析與討論

1、求

λ

與Re的關系曲線

實驗結果：由關系曲線可以看出，鋼管層流實驗中，雷諾數與摩擦阻力系數在雙對數坐標中呈線性關系，摩擦阻力系數只與流動類型有關，且隨雷諾數的增加而減小，而與管壁粗糙度無關；在銅管湍流與鋼管湍流實驗中，摩擦阻力系數隨雷諾數增加而趨于一個定值，此時流體進入完全阻力平方區，摩擦阻力系數僅與管壁的相對粗糙度有關，與雷諾數的增加無關。

結果分析：實驗結果基本與理論相符合，但是也存在誤差，如：在鋼管層流實驗中，在雷諾數在1870~2000范圍內，雷諾數Re增大，λ并不隨Re增大而減小，反而增大。產生這種現象可能是因為在Re為1870~2000范圍內時已經非常接近于湍流，導致其規律與理論出現偏差。此外，還有可能是因為設備本身存在的誤差，即流量調小至一定程度時，無法保證對流量的精準調節，使結果出現誤差。

減小誤差的措施：a.在實驗正式開始前對設備進行檢查，確認設備無漏水等現象再開始實驗；b.進行流量調節時，每次應以相同幅度減小c.調節好流量后，應等待3分鐘，等讀數穩定后再進行讀數。

2、離心泵的特性曲線

實驗結果：有實驗數據和曲線圖可以看出，揚程隨流量的增加而降低，軸功率隨流量的增加而升高，效率隨流量的增加先升高后降低。隨著轉速增大，三者均增大，由實驗結果可以看出，基本符合Qv＇Qv=n＇n、H＇H=n＇n2、N＇N=n＇n3的速度三角形關系。

結果分析：實驗結果與理論規律基本符合，在轉速為35Hz時結果較理想，但是在轉速為30Hz時，雖然符合基本規律，但是效率明顯過低。造成這種現象的主要原因是轉速過低，設備存在的設備誤差更大，改善方法是在較高轉速下進行實驗。

減小誤差的方法：a.在實驗正式開始前對設備進行檢查，確認設備無漏水等現象再開始實驗；b.進行流量調節時，每次應以相同幅度減小c.調節好流量后，應等待3分鐘，等讀數穩定后再進行讀數。d.在轉速稍高的條件下進行實驗。e.讀數壓力表時指針擺動幅度大，應在均勻擺動時取其中間值。

六、實驗思考與討論問題

1、直管阻力產生的原因是什么？如何測定與計算？

答：流體有粘性，管壁與流體間存在摩擦阻力。用壓力計測定所測流體在所測水平等徑管內流動的壓差,一定要水平等徑，△p=ρhf就可求得直管阻力。

2、影響本實驗測量準確度的原因有哪些？怎樣才能測準數據？

答：管內是否混入氣泡，流體流動是否穩定。排出管內氣泡，改變流速后等待2~3min待流體流動穩定后記錄數據。

3、水平或垂直管中，對相同直徑、相同實驗條件下所測出的流體的阻力損失是否相同？

答：不同，根據伯努利方程可知，垂直管高度差將影響阻力損失。

根據實驗測定數據，如何確定離心泵的工作點？

答：離心泵的工作點就是離心泵特性曲線與管路特性曲線的交點，此時泵給出的能量與管路輸送液體所消耗的能量相等。