緒論

一、化工設計工作的意義和作用

化學工業是國民經濟中的重要組成部分，隨著化學工業的迅速發展，其產品品種增多，產量大幅度增長，質量也有很大的提高。同時，化工廠技術裝備也在不斷更新。為了實現把我國建設成為社會主義現代化強國的宏偉目標，根據國民經濟的發展規劃，化工生產的規模化、現代化、環保化和清潔化的工藝特點在化工設計中逐漸顯現出來。

化學工業的發展推動了相關行業的繁榮，為其他工業的發展提供了能源和原料，隨著化學工業的快速發展，化工產品已經滲透到社會生產和生活中的許多領域。

化工設計是將一個生產系統（如一個工廠、一個車間、一個工段或一套裝置等）全部用工程繪圖的方法和手段，轉化為工程語言，也就是描繪成圖紙、表格及必要的文字說明的過程。在化學工業基本建設上，化工設計發揮著主要作用。如新建、改建、擴建一個化工廠，就需要對生產過程的設備進行生產能力的標定，對所完成的技術經濟指標進行評價，并發現生產薄弱環節，挖掘生產潛力；在科學研究中，從小試、中試以及工業化生產都需要與設計有機結合，進行新工藝、新技術、新設備的開發工作；在基本建設施工前，必須先搞好工程設計，要想建成質量優等、工藝先進的工廠，首先要有一個高質量、高水平、高效益的設計。因此，設計工作是生產的前提，是科研成果轉化為生產力的必要途徑。

二、化工設計的特點

化工設計是政治、經濟和技術緊密配合的綜合性很強的一門科學技術。化工生產與其他行業的生產一樣都有一個規范的生產過程，使得化工設計也具有一般工程設計的共性，但由于化工生產的物料性質、工藝條件及技術要求的特殊性，形成了化工設計的特性。

例如，在確定工藝流程、設備工藝選型、車間工藝布置和管線安排時，必須遵循國家有關法律規范；確保安全生產，符合生產條件的勞動衛生保障，保護環境不被污染；保障良好的操作條件，減輕勞動強度；要重視經濟效果，少花錢，多辦事，努力做到技術先進、經濟合理；化工設計內容涉及面廣，綜合性強，需各專業協同配合。因此，化工設計要結合國情，盡量采用國內外先進的科學技術，提高技術水平。

為此，要求設計工作者必須具有扎實的理論基礎、豐富的實踐經驗、熟練的專業技能并能夠運用先進的設計手段開展設計工作的能力。一個工廠設計的優劣，主要是看工藝生產技術是否可靠、安全適用，在經濟上是否合理。具體體現在工藝流程的先進性，選用設備的先進性，工藝控制和工藝條件的先進性和合理性，產品生產技術、經濟指標的先進性，對環境不產生污染或污染程度低，是否實現清潔生產等方面。只有全面考慮，才能有高質量的設計。要想建成一個質量優良、水平先進的化工裝置，重要的先決條件是要有高質量、高水平的設計。

三、化工設計的種類

化工設計可根據項目性質分類，也可按設計性質分類。

1.根據項目性質分類

（1）新建項目設計　新建項目設計包括新產品設計和采用新工藝或新技術的產品設計。這類設計往往由開發研究單位提供基礎設計，然后由工程研究部門根據建廠地區的實際情況進行工程設計。

（2）重復建設項目設計　由于市場需要，有些產品需要再建生產裝置，由于新建廠的具體條件與原廠不同，即使產品的規模、規格及工藝完全相同，還是需要由工程設計部門進行設計。

（3）已有裝置的改造設計　一些老的生產裝置，其產品質量和產量均不能滿足客戶要求，或者由于技術原因，原材料和能量消耗過高而缺乏競爭能力，必須對舊裝置進行改造。已有裝置的改造設計主要以優化生產過程操作控制，以及為提高產品產量和質量、提高能量的綜合利用率而對局部的工藝或設備改造更新為主。這類設計往往由生產企業的設計部門進行。

2.根據設計性質分類

（1）新技術開發過程中的設計

①概念設計。概念設計又稱為“預設計”，是根據開發基礎研究結果及收集的技術經濟資料，對預定規模的工業生產裝置進行的假想設計，亦即對工業化方案提出的初步設想。

概念設計的目的是為了檢驗基礎研究結果是否符合要求；估計技術方案實施后的主要技術經濟指標及經濟效益；確定模型試驗或中試的內容、重點及規模；并估計技術方案實施可能承擔的風險。

概念設計的主要內容包括原料和成品規格，生產裝置規模的估計，工藝流程圖及簡要說明，物料衡算和熱量衡算，主要設備的規格、型號和材質要求，檢測方法，主要技術經濟指標，投資和成本估算，投資回收預測，三廢治理的初步方案，以及對于中試（或模型試驗）研究的建議等。

②中試設計。按照現代技術開發的觀點，中試的主要目的是驗證模型和數據，即將概念設計中的一些結果和設想通過中試來驗證；考察研究結果在工業規模下的技術、經濟方面的可行性；考察工業因素對過程和設備的影響；消除不確定性，為工業裝置設計提供可靠數據。中試要進行哪些實驗項目，規模多大為宜，均要由概念設計來確定，并不是規模越大越好。

③基礎設計。基礎設計是新技術開發的最終成果，它是工程設計的依據。基礎設計有些類似于我國的技術設計，但又有很大的差別。與技術設計不同的是基礎設計除了一般的工藝條件外，還包括了大量的化學工程方面的數據，特別是反應工程方面的數據，以及利用這些數據進行設計計算的結果。

（2）工程設計　工程設計可以根據工程的重要性、技術的復雜性和成熟程度以及計劃任務書的規定，分為三段設計、兩段設計和一段設計。對于重大項目和使用比較復雜技術的項目，為了保證設計質量，可以按初步設計、擴大初步設計及施工圖設計三個階段進行設計。一般技術比較成熟的大中型工廠或車間的設計，可按擴大初步設計及施工圖設計兩個階段進行設計。技術上比較簡單、規模較小的工廠或車間的設計，可直接按施工圖設計，即一個階段的設計。

四、化工設計的內容與程序

化工設計包括工藝設計和非工藝設計。工藝設計是化工設計的核心，決定了整個化工設計的概貌。非工藝設計是以工藝設計為依據，按照各專業的要求進行的設計，它包括總圖運輸、公用工程、土建、儀表及其控制等方面。

化工設計的工作程序，按目前我國的情況可分為：以基礎設計為依據提出項目建議書；經上級主管部門批準后，寫出可行性研究報告；經批準后，編寫設計任務書，進行初步設計，施工圖設計。化工設計的工作程序見圖0-1。

1.項目建議書

項目建議書是進行可行性研究和編制設計任務書的依據，根據《化工建設項目建議書內容和深度的規定》HG/T 20688—2000中的有關規定，項目建議書應包括下列內容。

①項目建設目的和意義，包括項目提出的背景和依據，市場調研及預測分析，投資的經濟意義。

②產品生產方案和生產規模。

③工藝技術初步方案，包括原料路線、生產方法和技術來源。

④原材料、能源和動力的來源及供應。

⑤建廠條件和廠址初步方案。

⑥勞動衛生、安全保障及環境保護。

⑦工廠組織和人員配備。

⑧投資估算和資金籌措方案。

⑨經濟效益和社會效益的初步評價。

⑩結論與建議。

2.可行性研究

可行性研究是對擬建項目進行全面分析及多方面比較，對其是否應該建設及如何建設做出論證和評價，為企業和上級機關投資決策、編制和審批設計任務書提供可靠的依據。可行性研究報告的內容如下。

①總論。扼要說明工程的建設規模、技術特征；著重綜合各設計專業提出的主要技術結論和建設條件，論述可行性研究編制的依據和原則，項目提出的背景、投資必要性和經濟意義，研究的范圍和主要過程，研究的簡要綜合結論，存在的主要問題和建議，并附上主要技術經濟指標表。

②市場預測。包括通過產品生產技術、生產規模等方面發展趨勢，以及國內外市場情況預測和產品的價格分析。

③工藝技術方案。包括工藝技術方案的選擇、工藝流程、消耗定額、自控技術方案、主要設備的選擇和標準化等內容。

④原料，輔助材料，燃料及水、汽、電的供應。

⑤建廠條件和廠址方案。

⑥公用工程和輔助設施方案。

⑦勞動安全與衛生、“三廢”處理與環境保護。

⑧工廠組織和勞動定員。

⑨項目實施規劃。包括建設周期的規劃、實施進度規劃等內容。

⑩投資估算和資金籌措。

結論。

3.編制設計任務書

可行性研究呈報給企業和上級主管部門，經上級主管部門批準后，可編寫設計任務書，以作為設計項目的依據。設計任務書的內容主要包括以下幾點。

①項目設計的名稱、目的和依據。

②建設規模、產品方案、生產方法和工藝原則。

③主要協作關系（建設、水文地質、原材料、燃料、動力、供水、運輸等）。

④資源綜合利用和環境保護，“三廢”治理的要求。

⑤建設地區或地點，占地面積的估算。

⑥地理位置、氣象、水文、地形、防震等情況。

⑦建設工期與進度計劃。

⑧主要技術經濟指標（總投資、消耗定額、成本估算和總定員）。

⑨經濟效益、資金來源、投資回報情況。

4.初步設計

根據設計任務書，對設計對象進行全面的研究，尋求技術上可能、經濟上合理的最符合要求的設計方案。主要是確定全廠性的設計原則、標準和方案，水、電、汽的供應方式和用量，關鍵設備的選型及產品成本、項目投資等重大技術經濟問題。編制初步設計書，其內容和深度以能使對方了解設計方案、投資和基本出處為準。

5.擴大初步設計

擴大初步設計是根據已批準的初步設計，解決初步設計中的主要技術問題，使之明確、細化，編制準確度能滿足控制投資或報價使用的工程概算。擴大初步設計的工作程序和內容如圖0-2所示。圖中左邊的方框流程表示工作程序，右邊方框中的內容為設計成品。它的最終成果是編制初步設計文件。

6.施工圖設計

（1）施工圖設計的任務　根據初步設計審批意見，解決初步設計階段待定的各項問題，并以它作為施工單位編制施工組織設計、編制施工預算和進行施工的依據。施工圖設計的主要工作內容是在初步設計的基礎上，完善流程圖設計和車間布置設計，進而完成管道配置設計和設備、管路的保溫及防腐設計。

（2）施工圖設計的主要內容　包括工藝專業和非工藝專業兩個方面，工藝專業的內容有工藝圖紙目錄、工藝流程圖、設備布置圖、設備一覽表、非定型設備設計條件圖、設備安裝圖、管道布置圖、管架管件圖、設備管口方位圖、設備和管路保溫及防腐設計等；非工藝專業方面有非定型設備施工圖、土建施工圖、供水、供電、給排水、自控儀表線路安裝圖等。除施工圖外，還應附有各部分施工說明以及各部分安裝材料表。

7.設計代表工作

在以上設計文件編制完畢后，工作轉入施工和試車階段，只需少量的各專業設計代表參加。其任務就是參加基本建設的現場施工、安裝（必要時修正設計）和調試工作，使裝置達到設計所規定的各項指標要求。試車成功后，各專業的設計代表應做工程總結，積累經驗，以利于設計質量的不斷提高。

五、化工車間工藝設計的程序及內容

化工廠通常由化工生產車間、輔助生產裝置、公用工程、“三廢”處理設施等構成。化工生產車間（即工藝界區裝置），指直接涉及將原料轉變為產品的過程單元區域，它包括與生產操作有關的土建、設備、管道、儀表及位于界區內的水、電、汽供應和界區內的所有管道、閥門、防火設施與“三廢”處理。

化工車間（裝置）設計是化工設計的核心部分，而車間（裝置）設計的主體是工藝設計，工藝設計決定整個設計的概貌，化工車間工藝設計的主要內容和程序如下。

1.設計準備工作

（1）熟悉設計任務書　了解設計任務書提出的工藝條件、技術指標、設計要求、進度計劃等，正確領會設計依據及設計意圖。

（2）制訂設計工作計劃　了解化工設計以及工藝設計的內容、方法、步驟。參照設計進度，制訂出整體及個人的設計工作計劃。

（3）查閱文獻資料　按照設計要求，主要查閱與工藝路線、工藝流程和重點設備有關的文獻資料，并對資料數據進行加工處理。

（4）收集第一手資料　深入生產與試驗現場調查研究，盡可能廣泛地收集齊全可靠的原始數據并進行整理。

2.方案設計

方案設計的任務是確定生產方法和工藝流程，是整個工藝設計的基礎。要求運用所掌握的各種信息，根據有關的基本理論進行不同生產方法和生產流程的對比分析。

（1）生產方法的選擇　化工過程設計，可以針對化工生產的多樣性，采用不同的原料和不同的生產方法，進行多種過程設計。在設計時，首要工作是對可供選擇的方案進行定量的技術經濟比較和篩選，最終篩選出一條技術上先進、經濟上合理、安全上可靠、符合環保要求、易于實施的工藝路線。

（2）工藝流程的設計　是確定生產過程的具體內容、順序和組合方式。包括對構成流程的操作單元的選擇、設備選擇及設備間的連接方式、操作條件確定等。一般采用圖解的方式表示出生產過程的全貌。由于流程設計的周期長，涉及面廣，需要做細致的分析、計算和比較工作。

流程設計中可充分運用計算機開發的流程模擬軟件，對各種生產方法和工藝流程進行模擬計算和優化。設計時可先憑設計者的經驗，擬定幾種流程方案，而后再用最優化設計的方法進行計算和篩選，這是國外大型企業和設計單位常用的方法，國內也已逐步推廣使用。

3.化工計算

化工計算是工藝設計中的中心環節，它主要包括物料衡算、能量衡算、設備計算與選型三部分內容，并在這三項計算的基礎上繪制物料流程圖、主要設備圖和帶控制點的工藝流程圖。因此，化工計算的結果關系到整體設計的成敗。

這一階段會用到大量的基本理論、基本概念和基本技能（數據處理、計算技能、繪圖能力等），是理論聯系實際，學會發現問題、分析問題和解決問題，進一步鍛煉獨立思考和獨立工作能力的重要過程。目前計算過程多采用計算機流程模擬軟件進行，設計人員應準確操作計算過程，并對計算結果進行認真核算。

4.車間布置設計

根據工藝流程圖和化工設備選型的計算結果，即可著手進行車間布置設計。車間布置設計應符合設計規范，并滿足施工、操作和檢修的要求。其主要任務是確定整個工藝流程中的全部設備在平面上和空間中的具體位置，相應地確定廠房或框架的結構形式。車間布置對生產的正常進行和項目的經濟指標都有重要影響，并且為土建、電氣、自控、采暖通風、給排水、外管等專業設計的開展提供重要依據。因此，車間布置設計要反復全面考慮，廣泛征求有關專業人士的意見，并和非工藝設計人員大力協作，做好這項工作。

車間布置設計完成后，接下來繪制車間布置圖。

5.化工管路設計

化工管路設計是化工設計最重要的內容之一，工作量非常大，需要繪制大量圖紙，匯編大量表格，而且這一階段工藝專業與非工藝專業的工作交叉較多，設計條件往返頻繁，工作中需要密切協調，并做到細致周到。

化工管路設計的任務是確定生產流程中全部管線、閥門及各種管架的位置、規格尺寸和材料。化工管路設計，應遵循設計規范，設計中應注意節約管材，便于操作、檢查和安裝檢修，而且做到整齊美觀。

6.提供設計條件

設計條件是各專業據以進行具體設計工作的依據，工藝專業設計人員應根據設計項目的總體要求，正確貫徹執行各項標準、規范和已經確定的設計方案，保證設計質量，認真負責地編制各專業的設計條件，并確保設計條件的完整性和正確性。同時，向非工藝專業設計人員提供設計條件。

設計條件的內容包括：總圖、運輸、土建、外管、非定型設備、自控、電氣、電訊、采暖通風、空調、給排水、工業爐等。

7.編制概算書及設計文件

（1）工程概算書　應根據《石油化工工程建設設計概算編制辦法》（2007年版）進行編制，它是初步設計階段編制的車間投資的初步估算結果，可以作為投資決策和銀行貸款的依據。概算主要提供了車間建筑、設備及安裝工程費用。

編制概算可以幫助判斷和促進設計的經濟合理性。經濟考核工作貫穿了整個設計過程。進入初步設計階段之后，不論是選定的生產方法，還是設計的生產流程，都要反復進行技術經濟指標的比較，進行設備設計和車間布置設計時也都要仔細考慮經濟合理性。可以說技術上的先進性是由經濟合理性來體現的，只有設計的每一步都在經濟上合理，最后才能做出既經濟節約又合理可行的概算。

（2）編制設計文件　在初步設計階段與施工圖設計階段的設計工作完成后，都要進行設計文件的編制。它是設計成果的匯總，是進行下一步工作的依據。設計文件的內容包括：設計說明書、附圖（流程圖、布置圖、設備圖等）和附表（設備一覽表、材料匯總表等）。對設計文件和圖紙要進行認真的自校和復校。對文字說明部分，要求做到內容正確、嚴謹，重點突出，概念清楚，條理性強，完整易懂；對設計圖紙則要求準確無誤、整潔清楚、圖面安排合理，考慮到施工、安裝、生產和維修的需要，盡量滿足工藝生產要求。

一般的設計工作可按以上程序。但在實際車間工藝設計過程中，這些設計工作通常是交叉進行的。

六、本課程的內容范圍和學習要求

化工設計是一門綜合性的學科，是目前高職教育中應用化工技術專業的一門專業課，近年來逐漸受到重視。它是建立在化學、化工制圖、化工原理、化工過程及設備、化學反應工程、化工工藝等專業課程基礎上的一門綜合性的、內容廣泛和工程實用性強的課程，也是一門可以學以致用的課程。在設計過程中，既要用到基礎知識，又要用到化工方面的專業知識。是基礎知識與專業知識密切結合的產物。

該課程的講授和學習，將有助于培養學生綜合分析化工基礎和工程問題的能力，有助于增強學生的工程概念和解決實際工程問題的能力，使學生具備化學工程師的基本理論素質。

本課程將對設計過程進行理論聯系實際的分析和討論。通過本課程的教學，使學生初步了解化工生產基本建設的重要意義、一般程序和有關設計文件，學習化工有關工藝設計的基本理論，掌握化工設計的基本內容和方法，培養學生查閱資料，使用手冊、標準和規范以及整理數據、提高運算和繪圖的能力。同時，根據教學要求，學生在修完本課程后，能運用所學的知識，聯系生產實際，進行一次綜合性的課程設計過程，并為以后的工作實踐打下堅實的基礎。