绪论

一、化工设计工作的意义和作用

化学工业是国民经济中的重要组成部分，随着化学工业的迅速发展，其产品品种增多，产量大幅度增长，质量也有很大的提高。同时，化工厂技术装备也在不断更新。为了实现把我国建设成为社会主义现代化强国的宏伟目标，根据国民经济的发展规划，化工生产的规模化、现代化、环保化和清洁化的工艺特点在化工设计中逐渐显现出来。

化学工业的发展推动了相关行业的繁荣，为其他工业的发展提供了能源和原料，随着化学工业的快速发展，化工产品已经渗透到社会生产和生活中的许多领域。

化工设计是将一个生产系统（如一个工厂、一个车间、一个工段或一套装置等）全部用工程绘图的方法和手段，转化为工程语言，也就是描绘成图纸、表格及必要的文字说明的过程。在化学工业基本建设上，化工设计发挥着主要作用。如新建、改建、扩建一个化工厂，就需要对生产过程的设备进行生产能力的标定，对所完成的技术经济指标进行评价，并发现生产薄弱环节，挖掘生产潜力；在科学研究中，从小试、中试以及工业化生产都需要与设计有机结合，进行新工艺、新技术、新设备的开发工作；在基本建设施工前，必须先搞好工程设计，要想建成质量优等、工艺先进的工厂，首先要有一个高质量、高水平、高效益的设计。因此，设计工作是生产的前提，是科研成果转化为生产力的必要途径。

二、化工设计的特点

化工设计是政治、经济和技术紧密配合的综合性很强的一门科学技术。化工生产与其他行业的生产一样都有一个规范的生产过程，使得化工设计也具有一般工程设计的共性，但由于化工生产的物料性质、工艺条件及技术要求的特殊性，形成了化工设计的特性。

例如，在确定工艺流程、设备工艺选型、车间工艺布置和管线安排时，必须遵循国家有关法律规范；确保安全生产，符合生产条件的劳动卫生保障，保护环境不被污染；保障良好的操作条件，减轻劳动强度；要重视经济效果，少花钱，多办事，努力做到技术先进、经济合理；化工设计内容涉及面广，综合性强，需各专业协同配合。因此，化工设计要结合国情，尽量采用国内外先进的科学技术，提高技术水平。

为此，要求设计工作者必须具有扎实的理论基础、丰富的实践经验、熟练的专业技能并能够运用先进的设计手段开展设计工作的能力。一个工厂设计的优劣，主要是看工艺生产技术是否可靠、安全适用，在经济上是否合理。具体体现在工艺流程的先进性，选用设备的先进性，工艺控制和工艺条件的先进性和合理性，产品生产技术、经济指标的先进性，对环境不产生污染或污染程度低，是否实现清洁生产等方面。只有全面考虑，才能有高质量的设计。要想建成一个质量优良、水平先进的化工装置，重要的先决条件是要有高质量、高水平的设计。

三、化工设计的种类

化工设计可根据项目性质分类，也可按设计性质分类。

1.根据项目性质分类

（1）新建项目设计　新建项目设计包括新产品设计和采用新工艺或新技术的产品设计。这类设计往往由开发研究单位提供基础设计，然后由工程研究部门根据建厂地区的实际情况进行工程设计。

（2）重复建设项目设计　由于市场需要，有些产品需要再建生产装置，由于新建厂的具体条件与原厂不同，即使产品的规模、规格及工艺完全相同，还是需要由工程设计部门进行设计。

（3）已有装置的改造设计　一些老的生产装置，其产品质量和产量均不能满足客户要求，或者由于技术原因，原材料和能量消耗过高而缺乏竞争能力，必须对旧装置进行改造。已有装置的改造设计主要以优化生产过程操作控制，以及为提高产品产量和质量、提高能量的综合利用率而对局部的工艺或设备改造更新为主。这类设计往往由生产企业的设计部门进行。

2.根据设计性质分类

（1）新技术开发过程中的设计

①概念设计。概念设计又称为“预设计”，是根据开发基础研究结果及收集的技术经济资料，对预定规模的工业生产装置进行的假想设计，亦即对工业化方案提出的初步设想。

概念设计的目的是为了检验基础研究结果是否符合要求；估计技术方案实施后的主要技术经济指标及经济效益；确定模型试验或中试的内容、重点及规模；并估计技术方案实施可能承担的风险。

概念设计的主要内容包括原料和成品规格，生产装置规模的估计，工艺流程图及简要说明，物料衡算和热量衡算，主要设备的规格、型号和材质要求，检测方法，主要技术经济指标，投资和成本估算，投资回收预测，三废治理的初步方案，以及对于中试（或模型试验）研究的建议等。

②中试设计。按照现代技术开发的观点，中试的主要目的是验证模型和数据，即将概念设计中的一些结果和设想通过中试来验证；考察研究结果在工业规模下的技术、经济方面的可行性；考察工业因素对过程和设备的影响；消除不确定性，为工业装置设计提供可靠数据。中试要进行哪些实验项目，规模多大为宜，均要由概念设计来确定，并不是规模越大越好。

③基础设计。基础设计是新技术开发的最终成果，它是工程设计的依据。基础设计有些类似于我国的技术设计，但又有很大的差别。与技术设计不同的是基础设计除了一般的工艺条件外，还包括了大量的化学工程方面的数据，特别是反应工程方面的数据，以及利用这些数据进行设计计算的结果。

（2）工程设计　工程设计可以根据工程的重要性、技术的复杂性和成熟程度以及计划任务书的规定，分为三段设计、两段设计和一段设计。对于重大项目和使用比较复杂技术的项目，为了保证设计质量，可以按初步设计、扩大初步设计及施工图设计三个阶段进行设计。一般技术比较成熟的大中型工厂或车间的设计，可按扩大初步设计及施工图设计两个阶段进行设计。技术上比较简单、规模较小的工厂或车间的设计，可直接按施工图设计，即一个阶段的设计。

四、化工设计的内容与程序

化工设计包括工艺设计和非工艺设计。工艺设计是化工设计的核心，决定了整个化工设计的概貌。非工艺设计是以工艺设计为依据，按照各专业的要求进行的设计，它包括总图运输、公用工程、土建、仪表及其控制等方面。

化工设计的工作程序，按目前我国的情况可分为：以基础设计为依据提出项目建议书；经上级主管部门批准后，写出可行性研究报告；经批准后，编写设计任务书，进行初步设计，施工图设计。化工设计的工作程序见图0-1。

1.项目建议书

项目建议书是进行可行性研究和编制设计任务书的依据，根据《化工建设项目建议书内容和深度的规定》HG/T 20688—2000中的有关规定，项目建议书应包括下列内容。

①项目建设目的和意义，包括项目提出的背景和依据，市场调研及预测分析，投资的经济意义。

②产品生产方案和生产规模。

③工艺技术初步方案，包括原料路线、生产方法和技术来源。

④原材料、能源和动力的来源及供应。

⑤建厂条件和厂址初步方案。

⑥劳动卫生、安全保障及环境保护。

⑦工厂组织和人员配备。

⑧投资估算和资金筹措方案。

⑨经济效益和社会效益的初步评价。

⑩结论与建议。

2.可行性研究

可行性研究是对拟建项目进行全面分析及多方面比较，对其是否应该建设及如何建设做出论证和评价，为企业和上级机关投资决策、编制和审批设计任务书提供可靠的依据。可行性研究报告的内容如下。

①总论。扼要说明工程的建设规模、技术特征；着重综合各设计专业提出的主要技术结论和建设条件，论述可行性研究编制的依据和原则，项目提出的背景、投资必要性和经济意义，研究的范围和主要过程，研究的简要综合结论，存在的主要问题和建议，并附上主要技术经济指标表。

②市场预测。包括通过产品生产技术、生产规模等方面发展趋势，以及国内外市场情况预测和产品的价格分析。

③工艺技术方案。包括工艺技术方案的选择、工艺流程、消耗定额、自控技术方案、主要设备的选择和标准化等内容。

④原料，辅助材料，燃料及水、汽、电的供应。

⑤建厂条件和厂址方案。

⑥公用工程和辅助设施方案。

⑦劳动安全与卫生、“三废”处理与环境保护。

⑧工厂组织和劳动定员。

⑨项目实施规划。包括建设周期的规划、实施进度规划等内容。

⑩投资估算和资金筹措。

结论。

3.编制设计任务书

可行性研究呈报给企业和上级主管部门，经上级主管部门批准后，可编写设计任务书，以作为设计项目的依据。设计任务书的内容主要包括以下几点。

①项目设计的名称、目的和依据。

②建设规模、产品方案、生产方法和工艺原则。

③主要协作关系（建设、水文地质、原材料、燃料、动力、供水、运输等）。

④资源综合利用和环境保护，“三废”治理的要求。

⑤建设地区或地点，占地面积的估算。

⑥地理位置、气象、水文、地形、防震等情况。

⑦建设工期与进度计划。

⑧主要技术经济指标（总投资、消耗定额、成本估算和总定员）。

⑨经济效益、资金来源、投资回报情况。

4.初步设计

根据设计任务书，对设计对象进行全面的研究，寻求技术上可能、经济上合理的最符合要求的设计方案。主要是确定全厂性的设计原则、标准和方案，水、电、汽的供应方式和用量，关键设备的选型及产品成本、项目投资等重大技术经济问题。编制初步设计书，其内容和深度以能使对方了解设计方案、投资和基本出处为准。

5.扩大初步设计

扩大初步设计是根据已批准的初步设计，解决初步设计中的主要技术问题，使之明确、细化，编制准确度能满足控制投资或报价使用的工程概算。扩大初步设计的工作程序和内容如图0-2所示。图中左边的方框流程表示工作程序，右边方框中的内容为设计成品。它的最终成果是编制初步设计文件。

6.施工图设计

（1）施工图设计的任务　根据初步设计审批意见，解决初步设计阶段待定的各项问题，并以它作为施工单位编制施工组织设计、编制施工预算和进行施工的依据。施工图设计的主要工作内容是在初步设计的基础上，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。

（2）施工图设计的主要内容　包括工艺专业和非工艺专业两个方面，工艺专业的内容有工艺图纸目录、工艺流程图、设备布置图、设备一览表、非定型设备设计条件图、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；非工艺专业方面有非定型设备施工图、土建施工图、供水、供电、给排水、自控仪表线路安装图等。除施工图外，还应附有各部分施工说明以及各部分安装材料表。

7.设计代表工作

在以上设计文件编制完毕后，工作转入施工和试车阶段，只需少量的各专业设计代表参加。其任务就是参加基本建设的现场施工、安装（必要时修正设计）和调试工作，使装置达到设计所规定的各项指标要求。试车成功后，各专业的设计代表应做工程总结，积累经验，以利于设计质量的不断提高。

五、化工车间工艺设计的程序及内容

化工厂通常由化工生产车间、辅助生产装置、公用工程、“三废”处理设施等构成。化工生产车间（即工艺界区装置），指直接涉及将原料转变为产品的过程单元区域，它包括与生产操作有关的土建、设备、管道、仪表及位于界区内的水、电、汽供应和界区内的所有管道、阀门、防火设施与“三废”处理。

化工车间（装置）设计是化工设计的核心部分，而车间（装置）设计的主体是工艺设计，工艺设计决定整个设计的概貌，化工车间工艺设计的主要内容和程序如下。

1.设计准备工作

（1）熟悉设计任务书　了解设计任务书提出的工艺条件、技术指标、设计要求、进度计划等，正确领会设计依据及设计意图。

（2）制订设计工作计划　了解化工设计以及工艺设计的内容、方法、步骤。参照设计进度，制订出整体及个人的设计工作计划。

（3）查阅文献资料　按照设计要求，主要查阅与工艺路线、工艺流程和重点设备有关的文献资料，并对资料数据进行加工处理。

（4）收集第一手资料　深入生产与试验现场调查研究，尽可能广泛地收集齐全可靠的原始数据并进行整理。

2.方案设计

方案设计的任务是确定生产方法和工艺流程，是整个工艺设计的基础。要求运用所掌握的各种信息，根据有关的基本理论进行不同生产方法和生产流程的对比分析。

（1）生产方法的选择　化工过程设计，可以针对化工生产的多样性，采用不同的原料和不同的生产方法，进行多种过程设计。在设计时，首要工作是对可供选择的方案进行定量的技术经济比较和筛选，最终筛选出一条技术上先进、经济上合理、安全上可靠、符合环保要求、易于实施的工艺路线。

（2）工艺流程的设计　是确定生产过程的具体内容、顺序和组合方式。包括对构成流程的操作单元的选择、设备选择及设备间的连接方式、操作条件确定等。一般采用图解的方式表示出生产过程的全貌。由于流程设计的周期长，涉及面广，需要做细致的分析、计算和比较工作。

流程设计中可充分运用计算机开发的流程模拟软件，对各种生产方法和工艺流程进行模拟计算和优化。设计时可先凭设计者的经验，拟定几种流程方案，而后再用最优化设计的方法进行计算和筛选，这是国外大型企业和设计单位常用的方法，国内也已逐步推广使用。

3.化工计算

化工计算是工艺设计中的中心环节，它主要包括物料衡算、能量衡算、设备计算与选型三部分内容，并在这三项计算的基础上绘制物料流程图、主要设备图和带控制点的工艺流程图。因此，化工计算的结果关系到整体设计的成败。

这一阶段会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），是理论联系实际，学会发现问题、分析问题和解决问题，进一步锻炼独立思考和独立工作能力的重要过程。目前计算过程多采用计算机流程模拟软件进行，设计人员应准确操作计算过程，并对计算结果进行认真核算。

4.车间布置设计

根据工艺流程图和化工设备选型的计算结果，即可着手进行车间布置设计。车间布置设计应符合设计规范，并满足施工、操作和检修的要求。其主要任务是确定整个工艺流程中的全部设备在平面上和空间中的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构形式。车间布置对生产的正常进行和项目的经济指标都有重要影响，并且为土建、电气、自控、采暖通风、给排水、外管等专业设计的开展提供重要依据。因此，车间布置设计要反复全面考虑，广泛征求有关专业人士的意见，并和非工艺设计人员大力协作，做好这项工作。

车间布置设计完成后，接下来绘制车间布置图。

5.化工管路设计

化工管路设计是化工设计最重要的内容之一，工作量非常大，需要绘制大量图纸，汇编大量表格，而且这一阶段工艺专业与非工艺专业的工作交叉较多，设计条件往返频繁，工作中需要密切协调，并做到细致周到。

化工管路设计的任务是确定生产流程中全部管线、阀门及各种管架的位置、规格尺寸和材料。化工管路设计，应遵循设计规范，设计中应注意节约管材，便于操作、检查和安装检修，而且做到整齐美观。

6.提供设计条件

设计条件是各专业据以进行具体设计工作的依据，工艺专业设计人员应根据设计项目的总体要求，正确贯彻执行各项标准、规范和已经确定的设计方案，保证设计质量，认真负责地编制各专业的设计条件，并确保设计条件的完整性和正确性。同时，向非工艺专业设计人员提供设计条件。

设计条件的内容包括：总图、运输、土建、外管、非定型设备、自控、电气、电讯、采暖通风、空调、给排水、工业炉等。

7.编制概算书及设计文件

（1）工程概算书　应根据《石油化工工程建设设计概算编制办法》（2007年版）进行编制，它是初步设计阶段编制的车间投资的初步估算结果，可以作为投资决策和银行贷款的依据。概算主要提供了车间建筑、设备及安装工程费用。

编制概算可以帮助判断和促进设计的经济合理性。经济考核工作贯穿了整个设计过程。进入初步设计阶段之后，不论是选定的生产方法，还是设计的生产流程，都要反复进行技术经济指标的比较，进行设备设计和车间布置设计时也都要仔细考虑经济合理性。可以说技术上的先进性是由经济合理性来体现的，只有设计的每一步都在经济上合理，最后才能做出既经济节约又合理可行的概算。

（2）编制设计文件　在初步设计阶段与施工图设计阶段的设计工作完成后，都要进行设计文件的编制。它是设计成果的汇总，是进行下一步工作的依据。设计文件的内容包括：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）。对设计文件和图纸要进行认真的自校和复校。对文字说明部分，要求做到内容正确、严谨，重点突出，概念清楚，条理性强，完整易懂；对设计图纸则要求准确无误、整洁清楚、图面安排合理，考虑到施工、安装、生产和维修的需要，尽量满足工艺生产要求。

一般的设计工作可按以上程序。但在实际车间工艺设计过程中，这些设计工作通常是交叉进行的。

六、本课程的内容范围和学习要求

化工设计是一门综合性的学科，是目前高职教育中应用化工技术专业的一门专业课，近年来逐渐受到重视。它是建立在化学、化工制图、化工原理、化工过程及设备、化学反应工程、化工工艺等专业课程基础上的一门综合性的、内容广泛和工程实用性强的课程，也是一门可以学以致用的课程。在设计过程中，既要用到基础知识，又要用到化工方面的专业知识。是基础知识与专业知识密切结合的产物。

该课程的讲授和学习，将有助于培养学生综合分析化工基础和工程问题的能力，有助于增强学生的工程概念和解决实际工程问题的能力，使学生具备化学工程师的基本理论素质。

本课程将对设计过程进行理论联系实际的分析和讨论。通过本课程的教学，使学生初步了解化工生产基本建设的重要意义、一般程序和有关设计文件，学习化工有关工艺设计的基本理论，掌握化工设计的基本内容和方法，培养学生查阅资料，使用手册、标准和规范以及整理数据、提高运算和绘图的能力。同时，根据教学要求，学生在修完本课程后，能运用所学的知识，联系生产实际，进行一次综合性的课程设计过程，并为以后的工作实践打下坚实的基础。