化工过程开发导论及内容课件.pptx

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1、1化工过程开发化工过程开发教学目的和要求教学目的和要求本课程是研究实验室研究成果向社会生产力转化的共性规律与步骤；各步骤所涉及的共性工程技术知识及其研究方法和设计方法。涉及化学工艺、化学工程、机械设备、调节控制、材料及防腐、技术经济、环境污染、循环经济等；同时还包括实验研究、设计方法、安装调试、生产运行等各个环节。故是一门综合工程技术。2教学目的和要求教学目的和要求在实验室开发研究阶段就应实行工艺研究与工程研究的早期结合，联系生产实际，提高分析问题解决问题的能力和效率。一种新产品、新工艺或新技术能否开发成功，除纯技术问题之外，还涉及市场、经济、资源、环保、能源、投资条件等多侧面的社会经济问题。

2、尤其是国民经济可持续发展已成为世界经济发展的主流，清洁生产，绿色能源、生态工业、循环经济等绿色GDP已成为国家经济发展水平的最重要指标。3教学目的和要求教学目的和要求 因此遵循开发过程的有关规律，掌握开发研究的思维方法，对增强主动性，减少盲目性是必要的，因此这是一门综合性的学科基础课程。如何缩短从实验室到工业化的开发周期，自觉运用化学工程理论与方法，发挥数学模拟、计算机模拟技术与技术集成，加上经验积累与综合判断能力，少走弯路是本课程的主要目的。4 第一讲第一讲 绪论绪论5造成我国科技成果转化率较低的原因有两条：造成我国科技成果转化率较低的原因有两条：一是科学研究及技术开发与市场脱节；一是科学研

3、究及技术开发与市场脱节；二是技术不成熟，从实验室研究到工业规模生产之间的桥梁二是技术不成熟，从实验室研究到工业规模生产之间的桥梁没有架通。没有架通。6 定义：定义：从实验室成果过渡到第一套工业装置的全部过程。从实验室成果过渡到第一套工业装置的全部过程。78原油加工概念流程图原油加工概念流程图91011国民经济结构国民经济结构农农 业业工工 业业其其 它它服服务务业业第第一一产产业业第第二二产产业业第第三三产产业业第第四四产产业业采采 掘掘能能 源源制制造造业业11.0%10.2%78.8%装装备备工工业业流流程程工工业业15.4%44.4%33.5%6.7%如建筑业53.1%46.9%过程工业

4、在国民经济中的地位过程工业在国民经济中的地位过程工业是我国工业的重要组成部门，国家财税收入的主要来源 过程工业的发展对解决我国供给短缺，加快工业化进程发挥了不可替代的作用 我国过程工业尚有较大的发展空间，未来将继续保持较高的增长速度 过程工业是资金密集型工业，发展速度与资金投入关系密切 过程工业具有较高的劳动生产率，但经济效益却较低 过程工业的科技投入以技术改造为主，技术创新水平低于装备工业 1213工艺基础过程工业现存的主要问题和制约因素过程工业现存的主要问题和制约因素主要问题主要问题资源能源浪费，环境污染严重自主研发能力很弱，过程放大和量化设计水平低产量和质量都不能满足需求无法满足高新技术

5、发展的需求，已严重影响到一些高技术的发展 制约因素制约因素 过程工业的研发投入不足，导致过程工业技术进步缓慢区域和部门壁垒影响过程工业的资源优化配置和产业结构调整。科研、设计、生产严重隔离，无法发挥集成优势，技术转移困难 企业管理粗放，经济增长质量不高 14循环经济循环经济所谓循环经济，本质上是一种生态经济，它要求运用生态学规律而不是机械论规律来指导人类社会的经济活动。循环经济倡导的是一种与环境和谐的经济发展模式。它要求把经济活动组织成一个“资源产品再生资源”的反馈式流程，其特征是低开采、高利用、低排放。“减量化(reduce)、再利用(reuse)、再循环(recycle)”是循环经济最重要

6、的实际操作原则(3R原则)。15循环经济与传统经济的比较循环经济与传统经济的比较16绿色绿色GDP绿色GDP是在现行的GDP中对环境资源进行核算，从中扣除环境成本和对环境资源的保护费用，同时考虑外部影响，包括外部经济性和外部不经济性，依次来衡量扣除自然资源损失后的真正的国民财富。绿色GDP推出具有重大意义。它比较客观真实地反映了包括国内生产总值在内的一系列经济指标，可避免人们对经济形势的盲目乐观，时刻给人们敲响警钟。对我国而言，也可以促使政府实施可持续发展战略，而不以牺牲环境为代价片面追求GDP的高增长。17第二节第二节 化工发展简史化工发展简史18化工化工是化学工艺、化学工业与化学工程的简称

7、。是一门研究物质和能量的传递和转化的技术科学。A 化学工艺：化学工艺是以化学反应为手段，以创造新产品为目的的生产技术和过程，研究重点是原料路线，催化技术、反应路线，工艺路线，针对的是个性问题；B 化学工业：是运用化学工艺生产化学品的工厂企业形成的产业部类。C 化学工程：以探求“三传一反”的共同规律为手段，以创造新设备、新技术，优化设计、强化生产为目的的工程研究，研究重点是传递过程、热力学、反应工程、分离工程，针对的是共性问题；D 化工过程：在化工生产中，从原料到产品，物流经过一系列物理和化学加工处理步骤，人们称这一系列加工处理步骤为化工过程。19原料原料预处理预处理化学反应化学反应分离与提纯分

8、离与提纯循环循环化工生产流程模式化工生产流程模式废料废料产品产品202122过程开发工作框图过程开发工作框图23概念设计各级经济评价基础设计工程设计工 程 研 究小试验大型冷模试验中间试验过 程 研 究化学试验化学反应规律传递规律验证和修改数学模型过程开发工作框图过程开发工作框图过程开发的起点是化学试验（应用研究成果）；成果是工程设计。开发工程包括过程研究与工程研究。过程研究包含小型试验、大型冷模试验、中间试验三个环节；工程研究包含概念设计、各级经济评价、基础设计三个环节，通过开发研究工作，可基本回答由应用研究成果过渡到第一套工业装置所面临的问题。24过程开发工作框图过程开发工作框图与逐级经验

9、放大方法相比，上述过程开发工作框图有如下两大特点：（1）提出了过程研究与工程研究的框架与内涵，并十分重视两者自始至终的结合，特别是早期的结合。（2）体现了化学工程理论、方法论、工程经验对过程开发的指导作用。重视实验方法在过程开发中的重要作用。工程研究者及早介入过程研究，充分发挥工程经验的指导作用。25第二章第二章 化工过程开发程序和内容化工过程开发程序和内容262.1 基本概念基本概念科学与技术科学与技术科学是人对客观世界的认识，是反映客观世界和规律的知识和知识体系，是一项与上述内容相关活动的事业。发现规律，形成理论。技术的基本内容也是一种知识体系，包含硬件（如设备）和软件（如工艺、方法）两方

10、面，并通过社会协作完成既定的目标。科学研究（科学研究（R&D）创造和应用知识的探索工作2728A 基础研究（基础研究（BR）没有特定的商业目的，以创新探索知识为目标的研究，称为基础研究。其核心是在高水平上创新。如果有特定的目标，运用基础研究的方法进行的基础研究，称为应用基础研究。29科学研究（科学研究（R&D）B 应用研究（应用研究（AR）运用基础研究成果和相关知识，为创新新产品、新方法、新技术、新材料的技技术术基基础础所进行的研究。例如新型反应器，反应过程强化，反应器的模拟和放大，新型节能技术，“三废”处理新技术等。C 技术开发研究（技术开发研究（D）应用基础研究与应用研究成果和相关知识，为

11、创新新产品、新方法、新技术、新材料以生产产品或完成工程任务为目的以生产产品或完成工程任务为目的而进行的技术研究活动。技术开发研究包括过程研究和工程研究。其中过程研究包括：小型工艺试验、大型冷模试验、中试；工程研究包括：概念设计、经济评价和基础设计。30基础研究基础研究应用研究应用研究开发研究开发研究成果成果新发现、新理论、新发现、新理论、新规律与定律新规律与定律发明发明将实验室研究成果转化将实验室研究成果转化为第一套工业装置为第一套工业装置表现形式表现形式学术论文学术论文或学术著作或学术著作专利专利论文论文著作著作研究报告、论文、图纸研究报告、论文、图纸以及以及装置、设备、产品等装置、设备、产

12、品等研究方法研究方法原始创新性、原始创新性、科学性、完整性、科学性、完整性、逻辑性逻辑性技巧创新，局部、实用、技巧创新，局部、实用、可行与可靠可行与可靠31R&D/GDP：标志国家对科技的重视和依靠程度，也是一个国家发达程度的表现。发达国家大多在23，而发展中国家大多在1以下。32我国现行国家科技计划我国现行国家科技计划 火炬计划火炬计划星火计划星火计划国家科技攻关计划国家科技攻关计划国家高技术研究发展计划国家高技术研究发展计划(863计划计划)国家基础研究重大计划国家基础研究重大计划(973计划计划)重大产业化项目重大产业化项目重大项目重大项目重要方向项目重要方向项目 33科技部科技部中科院

13、中科院发改委发改委2023/6/2342.2 化工过程开发步骤化工过程开发步骤立项前的可行性研究立项前的可行性研究实验室研究实验室研究收集资料收集资料概念设计概念设计技术经济评价技术经济评价模型试验模型试验中试中试基础设计基础设计工程设计工程设计建立生产装置建立生产装置35放大和优化放大和优化一、立项前的可行性研究一、立项前的可行性研究发展生产和市场需要发展生产和市场需要发展生产：考察课题的新颖性、先进性和采用技术的成熟程度等市场：成本和质量合理的原料路线合理的原料路线原料供应来源稳定而充足，质量符合生产要求，价格合理，储运方便和安全无毒等能够生产出合格的产品能够生产出合格的产品工艺技术路线的

14、先进性和可靠性较好的社会效益和经济效益较好的社会效益和经济效益社会效益：对国民经济和地区经济发展的意义和作用经济效益：项目的投资、盈利和投资回收期36二、二、实验室研究实验室研究37实实验验室室研研究究基础研究基础研究小小 试试筛选技术路线和工艺方法筛选技术路线和工艺方法测定有关物性数据测定有关物性数据测定反应动力学数据测定反应动力学数据测定热力学参数测定热力学参数筛选分析方法筛选分析方法研制催化剂研制催化剂工艺路线工艺路线优化工艺条件优化工艺条件目的：从试验中收集与过程开发有关的基础数据或技术信息目的：从试验中收集与过程开发有关的基础数据或技术信息三、收集资料三、收集资料38资料获取：文献或

15、互联网调查，社会调研资料获取：文献或互联网调查，社会调研第一套第一套生产装置生产装置核心技术核心技术产品产品副产品副产品废弃物处理废弃物处理经济效益经济效益原料来源原料来源能源种类能源种类工艺技术工艺技术公用工程公用工程四、概念设计四、概念设计概念设计又称“预设计”，是根据实验室取得的研究成果，并结合收集的各种技术经济信息，对被开发过程的工业化方案提出一个初步设想。39四、概念设计四、概念设计40概概念念设设计计工艺技术路线和工艺方法的说明工艺技术路线和工艺方法的说明工艺流程简图工艺流程简图简单的物料简单的物料/能量衡算能量衡算初步确定原材料和能耗指标初步确定原材料和能耗指标主要设备型式主要设

16、备型式预计预计“三废三废”排放量及毒害程度排放量及毒害程度估算投资和生产成本估算投资和生产成本小试存在的问题小试存在的问题对模型试验或中试提出的建议或设计对模型试验或中试提出的建议或设计四、概念设计四、概念设计概念设计时应注意的问题：概念设计时应注意的问题：设计的重点应放在合理安排工艺流程上应尽可能对已由实验室研究确定的技术路线从理论分析和计算中寻找合理的技术依据尽可能对全工艺流程系统作物料衡算和能量衡算，以便提供估算投资和成本的所需数据41五、技术经济评价五、技术经济评价目的：对被开发项目的工艺技术方案进行科学论证，以便为该目的：对被开发项目的工艺技术方案进行科学论证，以便为该方案的实施作出

17、决策。方案的实施作出决策。42初步评价初步评价中间评价中间评价最终评价最终评价六、模型试验六、模型试验模型试验一般都是对工业生产中的某些重要过程作放大的模型试验一般都是对工业生产中的某些重要过程作放大的工业模拟试验。多数情况下不涉及整个工艺流程和各工艺工业模拟试验。多数情况下不涉及整个工艺流程和各工艺步骤间的衔接。步骤间的衔接。模型试验设备一般比实验室研究规模大并具有工业设备的模型试验设备一般比实验室研究规模大并具有工业设备的仿真性质仿真性质研究的主要内容：最佳工艺条件、工程因素的影响；放大研究的主要内容：最佳工艺条件、工程因素的影响；放大效应；测定放大所需的有关数据或判据效应；测定放大所需的

18、有关数据或判据考察的重点是工程和工艺问题考察的重点是工程和工艺问题两者形式：冷模试验和热模试验两者形式：冷模试验和热模试验43冷模试验冷模试验：采用物理性质与实际工业生产物料相近的惰性物质进行试验，不发生化学反应，只单纯考察过程的物理规律。如传热、传质及物料流动和混合规律热模试验热模试验：用实际生产物料并按实际操作条件进行的试验，属于综合性试验考察考察内容：工艺条件的优化具有工艺试验性质，便于测取工艺参数和发现放大效应44在化工过程开发中，如果不需要对工艺技术作全流程考察，往往用热模试验代在化工过程开发中，如果不需要对工艺技术作全流程考察，往往用热模试验代替中试来测取过程放大的技术信息。这样可

19、以缩小中试规模和降低中试费用。替中试来测取过程放大的技术信息。这样可以缩小中试规模和降低中试费用。七、中试（七、中试（Pilot plant）是一次较大规模的对开发的技术方案作全面的试验考察是一次较大规模的对开发的技术方案作全面的试验考察可作为基础设计的依据可作为基础设计的依据内容：内容：检验小试确定的工艺方案和工艺条件检验小试确定的工艺方案和工艺条件考察工艺系统连续运转的可靠性考察工艺系统连续运转的可靠性考察设备放大效应的程度，分析产生的原因，寻找消除的方法考察设备放大效应的程度，分析产生的原因，寻找消除的方法确定检测方法确定检测方法考察物料对设备材质的腐蚀考察物料对设备材质的腐蚀提供一定量

20、的产品供应用考察提供一定量的产品供应用考察考察考察“三废三废”的生产量、危害程度和治理方法的生产量、危害程度和治理方法为估算投资和成本，以及建立生产工作岗位的操作规程提供资料为估算投资和成本，以及建立生产工作岗位的操作规程提供资料45八、基础设计八、基础设计46基基础础设设计计设计说明书设计说明书工艺流程说明及流程图工艺流程说明及流程图物料物料/能量衡算能量衡算设备型式和规格的明细表设备型式和规格的明细表“三废三废”排放与治理排放与治理投资和成本预算投资和成本预算辅助原材料和公用工程的消耗和要求辅助原材料和公用工程的消耗和要求检测方法和检测仪表检测方法和检测仪表测控要求和测控点位置测控要求和测

21、控点位置概概念念设设计计九、工程设计九、工程设计依据基础设计来编制有关工程实施的技术文件依据基础设计来编制有关工程实施的技术文件内容：除基础设计所有内容外，还应增加说明设计程序的设计说内容：除基础设计所有内容外，还应增加说明设计程序的设计说明书，详细的定型设备型号、规格、零部件及材质的明细表，非明书，详细的定型设备型号、规格、零部件及材质的明细表，非定型设备加工制造的图纸和装配图，指导装置安装的详细工艺流定型设备加工制造的图纸和装配图，指导装置安装的详细工艺流程图，带控制点的流程图和管线图，设备的平面布置图和立面布程图，带控制点的流程图和管线图，设备的平面布置图和立面布置图等。此外，也有详细的

22、消耗定额、投资和成本概算，置图等。此外，也有详细的消耗定额、投资和成本概算，“三废三废”排放量和非排放点说明等文件。排放量和非排放点说明等文件。工程设计一般是由工程设计人员来编制。工程设计一般是由工程设计人员来编制。47十、建立生产装置十、建立生产装置购进和制作设备，安装生产装置，按工艺要求进行调试、开车和试生产。482.2 化工过程开发的程序化工过程开发的程序化学试验49工艺小试中 试工程设计传统开发工作程序50数模开发及计算机应用概念设计初步评价基础设计最终评价数据处理中间评价基础研究扩大试验模型试验工程设计基本建设项目设想中间试验技术经济情报停止改进改进改进停止停止基础开发研究阶段过程开发研究（工艺研究）阶段工程设计建设阶段工程开发研究现代化工过程开发程序现代化工过程开发程序习习 题题1.基础研究与开发研究的对象与方法有哪些基础研究与开发研究的对象与方法有哪些 不同？不同？2.请论述化工过程开发的全过程，主要特征是什么？请论述化工过程开发的全过程，主要特征是什么？3.请论述化工过程开发在中科院创新工程中的作用与地位？请论述化工过程开发在中科院创新工程中的作用与地位？4.化工过程开发在可持续发展三大瓶颈问题化工过程开发在可持续发展三大瓶颈问题?51