化工设计教案
为什么要学习《化工设计》
(1)从一个新产品或新工艺的试验研究开始到进行工厂建设为止，都需要进行设计。 (2)帮助我们从高等学校走向社会时能适应新的工作岗位的需要，迅速实现从大学生向工程师的转化。
(3)帮助我们学会综合运用各种已学过的知识系统地分析问题和解决问题。
学什么
学设计的基本原理、基本程序和方法。其主要内容有：
(1)当代先进水平的化工装置设计有哪些内容？如何完成之？ (2)如何设计工艺流程、选择工艺参数和设备？ (3)如何进行厂房、车间和管道布置？ (4)如何编制设计文件？
如何学
(1)多读几本书，听课与自学相结合 (2)多应用，理论与实践相结合
化工设计是将一个系统(一个工厂、一个车间)按照工厂工艺技术要求，经工程技术人员的创造，将其全部描绘成的图纸，表格及必要的文字说明，即把工程技术装备用工程语言表达出来。然后根据这一“语言”，把这个系统建立起来，并投入运行。或说:设计工作是一项能将人们的设想和想象转变成现实的一个重要步骤，通过课程的学习，我们可以知道化工厂的建设程序，设计程序，主要设计内容等一些基本概念。
1 化工设计概述
一、化学工业的发展历史、化学工业覆盖的范围及其在现代经济体系中的地位
1、化学工业的发展历史：化学工业历经了古代、近代、现代三个主要发展阶段。
化学工业发展阶段：① 古代化学工业：从数千年前人类阳光晒盐、地下卤水煮盐开始，萌发了古老的化学工业。②近代化学工业：从18世纪中叶，欧洲造纸、玻璃、肥皂的大规模生产开始，表明近代化学工业的形成。③ 现代化学工业：上世纪40年代开始，随着合成橡胶、石油炼制、合成纤维工业的迅速发展，随着化工单元操作理论的日益成熟，在科学技术和生产规模二个层面上，揭示现代化学工业开始形成。
2、化学工业属于过程工业型制造业（流程型制造业）
现代制造业：
1、离散型制造业（例如汽车工业等）
2、过程工业型制造业（又称“流程型制造业”）（例如化学工业、冶金行业等）
流程型制造业一般是能耗大户，也是排放的大户。其节能、降耗、减排的任务十分艰巨。 例如：一个年产值不过仅10亿元人民币的合成原料药制造企业，它每天的耗水量可高达5000立方米。
3、现代化学工业覆盖的范围：我国化学工业的分类与美国、欧盟关于化学工业的范畴有一些区别，但逐步在接轨，按美国、欧盟的化学工业年鉴，现代化学工业覆盖以下范围： 现代化学工业：石油化工（包括其衍生的有机化工）、煤化工（包括其衍生的有机化工）、无机化工、精细化工及中间体、化肥工业、农药工业、医药工业、轻工（造纸、玻璃、塑料、合成橡胶等）、染料、油墨、化妆品、清洁剂、生物化工。
4、化学工业在现代经济体系中的地位
化学工业是所有高新技术产业的支撑工业，如能源、电子、信息、生物、材料等领域，都离不开化学工业提供的物质支撑。化学工业绝不是所谓的“夕阳工业”、“夕阳产业”，它现在仍然正在平稳高速的发展，将来必将持续快速发展。 1990年～1999年，美国、欧盟化学工业的发展速度是其全部工业平均增长速度的2.69倍。美国化学工业的规模一直雄居世界化学工业总量的30％左右，是美国为数不多在国际贸易体系内具有贸易顺差的制造业之一。
在世界500强企业中，以化工为主或涉足化工领域的企业为数不少。
二、化工过程设计的基本内容
1、化工设计、化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计四个名词之间的联系与区别
化工设计是泛称，在不同场合可分别指称化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计，其内涵最广，但意义不明确。
化工厂设计分为：a、化工过程设计（核心）（包括化工工艺设计（核心），公用工程设计、外管设计，„等；）b、非工艺部分设计（化工厂房建筑、结构设计；总图设计，„.等）
根据项目性质化工设计可分为：新建项目设计、重复建设项目设计、已有装置的改造设计。
根据化工过程开发程序化工设计可分为：概念设计、中试设计、基础设计和工程设计； 其中工程设计又包括：初步设计、扩大初步设计和施工图设计。
2、化工过程设计的目标及内容
美国国家顾问团在其“化学工程的新领域”著作中，简明阐述了化工过程设计的主要目标：确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优投入产出比。在定量计算的基础上，结合专家的经验，考虑安全、健康、环保的因素，确定出一个综合的设计方案。
化工过程设计的内容：其基本核心内容是化工工艺设计，其附带内容是针对化工工艺设计，对它的配套部分如公用工程、外管设计等进行深入设计和完善。
化工过程设计发展方向：复杂大型化工厂的设计；自主创新设计；与国际工程设计的接轨 PID（Proce Instrument Diagram） 带控制点的工艺仪表管道流程图
（工艺专业部） PFD（Proce Flowsheet Diagram）过程物料流程图
UID （Utility Instrument Diagram）公用工程仪表管道流程图
（工艺系统专业部） UFD（Utility Flowsheet Diagram）公用工程物料流程图
现代化学工业的发展方向：新物质、经济合理的大批量、高质量、柔性化、绿色化、多尺度化学工业绿色化的含义：以“减量化、再利用、资源化”为基本原则，也就是所谓的“3R”原则。（Reduce、Recycle、Resource）具体体现在：（1）、减少化工过程的能耗、物耗；Reduce（2）、减少有害物质的使用或生成；Reduce（3）、减少废弃物，并使废弃物在系统类在利用；Recycle（4）、尽量将排放的废弃物转化为可用的再生资源；Resource（5）、尽量延长产品的生命周期。
在化学工程领域实施注册工程师制度，在化学工程师心目中树立伦理学观念，建立责任关怀制度。开始逐步成为国际化学工程领域的一个发展大趋势。伦理学理念体现在：（1）、自觉维护化工过程的安全；（2）、自觉保护环境的意识；（3）、自觉节约资源的意识；（4）、对业主、化工厂操作人员、同事负责的精神。
责任关怀制度的含义：（1）、提高对安全、健康、环保、资源的认知和行动；（2）、充分报道成绩、行动计划，但不回避缺陷；（3）、与公众沟通，并倾听意见的日常化。等等。
三、化工设计的内容与程序
我国化工厂基建的程序如下：基建：基本建设的简称，一个项目从设想到建成投产的过程。
四、化工车间工艺设计的程序与内容
内循环优化：
在流程结构不变的前提下，通过修改、调整流程内部的部分设备参数和操作参数，来对流程进行优化设计。内循环优化经常用于老流程的改造，并对实验室研究开发有指导意义。
外循环优化：
在内循环优化不能满足优化目标的情况下，重新做流程组织，对流程结构进行改头换面的大变动，而达到对流程进行优化设计的目的。外循环优化经常用于新厂设计时，对多个流程方案进行分析比较。
2 可行性研究和市场调研
初始考虑
化学工程设计项目没有一套标准的求解步骤，也没有唯一“正确”的答案。这涉及项目中需要考虑很多不同方面的问题，最终被接受的解决方案通常是若干备选方案中“较好”的方案。设计研究的重要特征是在每个阶段都要作出决策，并且常常需要做出妥协。在设计的后续阶段还要重新考察前期所做出的决策，重新寻求解决方案，并重新评价方案。
设计项目的可行性研究主要包括对候选过程进行的技术和经济评价。其目的是决定是否进入详细设计阶段以及随后的施工建设阶段。此时需要考虑很多因素，比如法律法规、政策影响等，所有这些方面都应该在花费巨大的详细设计开始之前予以考虑。
设计项目包括一个需要解决的问题，一个项目管理人，一个项目工程师团队，以及各种截止期限。
界定问题→选定方案→剔除不可行方案→形成计划
其中包括了： 时间管理
设计的阶段：构思和界定，流程图确定，设备设计，经济性分析，最优化，报告 信息搜集
项目内容：生产能力，产品规格，原料，公用工程，厂址，预期的市场，生产工艺 候选方案评价（决策）：如何制备，用途，目前的生产和销售情况，环境问题，公用工程，储运
案例：
领苯二甲酸酐的生产
技术和经济可行性研究总述
邻苯二甲酸酐（苯酐，phthalic anhydride PAN）是白色固体结晶，是环状酸酐同系物中最简单的一个。在熔融状态，它是像水一样的无色液体。正常沸点280℃，正常熔点131℃，但是在沸点以下很容易产生蒸气并凝华。在低浓度下（2ppm）显示出毒性，对皮肤有强烈刺激。与空气形成爆炸性混合物的浓度范围是1.7%~10.5%。
目前，邻二甲苯（ortho-xylene）是其主要生产原料，在20世纪70年代的主要生产原料是萘（naphthalene）。使用空气进行固定床催化氧化工艺是目前多数生产厂家首选的方法。苯酐的主要用途是增塑剂、聚酯、醇酸树脂和染料等。近年来苯酐全球生产量增加缓慢。 目前，澳大利亚仅有一家公司生产苯酐，它有两个工厂，位于新南威尔士。两个工厂建于20世纪60年代，使用萘为原料，技术落后。在日本、韩国、中国台湾有若干大型工厂，这些工厂和该地区的其他几个生产厂的产量加在一起就可以满足当地和该区域的需求，大多数工厂实际生产量均低于设计能力20%~40%。
生产苯酐的LAR工艺是最新技术，能够以低于目前售价（0.95-1.00澳元/kg）的成本进行生产。然而在考虑资金偿还和实际利润空间后，位于西澳大利亚的新工厂的产品售价可能高达1.45澳元/kg。30000t/a的产能即可满足澳大利亚对苯酐的需求，并且能够有少量出口。如果能找到合适的市场，60000t/a的生产规模也是可行的。年产3万吨的工厂投资估计在2500万到7000万澳元之间；年产6万吨的装置投资估计在4100万到1.05亿澳元之间。新苯酐工厂的总体可行性很大程度上取决于位于工厂附近的下游加工基地的建设。
从经济和政策的角度考虑，倾向于选择位于西澳大利亚西南Kemerton附近的厂址。位于该区域的建设项目将得到政府的支持，因为有助于实现主要工业基地的分散化。在该地区，高度发达的基础设施和交通条件要么已经建成，要么正在筹建。当地的船舶制造业也是苯酐的潜在市场。
尽管工厂的日常运行会存在某些危险，还会排放出一些废气和废水，但是预计新建工厂对环境的影响将很小。采用LAR工艺的苯酐生产厂还可以副产电力供给当地电网或者附近的工厂。（参考文献：1968~1996公开出版的46篇专著和期刊）
问题的确定和背景资料 总述
苯酐是一种石化中间体，用于增塑剂（PVC增塑剂）、醇酸树脂、聚酯和染料。市售状态可以是熔融状态或者白色粉末。几乎所有的邻二甲苯都消耗在苯酐的生产上，过去使用萘生产苯酐。在可行性研究前期，找到合适的高纯邻二甲苯供应是至关重要的通过选用合适的催化剂，固定床反应器和流化床反应器都可以得到很高收率，因而均为可行的候选方案。在操作时必须十分小心，因为苯酐粉尘和空气容易形成爆炸性混合物，并且苯酐自发地与多种有机化合物发生反应。
（1）背景和目标
确定待生产化学品关键化学性质，突出的市场问题以及生产中潜在的困难。总结该化学品的主要应用领域并确定出目前的市场需求。在此阶段还要找出可能的生产工艺，并且初步评价其可行性。
（2）邻苯二甲酸酐化学结构和物理性质
苯酐是一种无水酸衍生物，可以有邻二甲苯经过部分氧化得到，反应式如下： C6H4(CH3)2
+
3O2 →
C6H4(CO)2O
+
3H2O 在室温下，苯酐是一种白色结晶固体，沸点284.5℃，熔点131.6℃，冷凝时倾向于凝华。讲给回收系统带来麻烦。在熔融状态，其密度是水的110~120%，粘度与水相似（0.55~1.2cp）。 苯酐具有危险性，与空气形成爆炸性混合物（140℃以上的爆炸极限是1.7%~10.5%（V%））。含量超过2ppm时有毒性，能强烈刺激眼睛，呼吸道，皮肤和粘膜组织。
（3）应用和用途
大约50%邻二甲苯酸酐用于生产PVC的增塑剂。其他应用领域也很重要：不饱和聚酯（消耗全部苯酐的15%-20%）；醇酸树脂（10%-15%）及染料（酚酞和蒽醌）及其他用途。 在西澳大利亚，苯酐主要用作增塑剂，为建筑行业和汽车工业服务。醇酸树脂可以用于造船工业。本地无染料市场。
从20世纪50年代开始，世界范围内苯酐的生产量以每年3%-5%的稳定幅度缓慢增长，估计目前总年产量350万吨。售价随需求和产量的起伏波动很大。目前价格0.8-1.0美元/kg。
（4）基础化学
邻二甲苯和萘在一定条件下都可以氧化成苯酐，并伴随水的生成。反应历程先是生成邻苯二甲酸。如果用萘作为原料，还会生成二氧化碳副产物。
合成反应可以在液相或气相中进行，但是必须使用催化剂以实现高选择性。反应强放热，必须设计移除反应热的方法。根据反应式计算得到的最高产率是1.39kg(苯酐)/ kg(邻二甲苯)，或1.15kg(苯酐)/ kg(萘)。实际生产中的产率分别是1.09kg(苯酐)和0.95kg(苯酐)。
苯酐可以反应生成酯、盐和酸性氯化物。其苯环可以氯化和磺化。其他重要化学反应有：与苯缩合生产蒽醌衍生物，与苯酚缩合生成酚酞，与尿素和金属的二醋酸盐生成酞花青金属盐。
（5）对各种候选工艺过程的评价
生产苯酐有三种可能的原料：邻二甲苯、萘、正戊烷。传统原料是煤焦油萘，现在最普遍的原料是邻二甲苯。苯酐的第一个专利（BASF，1896）使用浓硫酸在汞盐作用下进行氧化。第一个气相反应工艺在1917年获得专利。目前苯酐生产中使用最广泛的催化剂使用钾修饰的五氧化二钒（含有钼氧化物和锰氧化物等助催化剂）。正戊烷法是最新技术，但必须保证廉价原料供应。
影响原料选择的主要因素有：产率，来源和成本。此外还有催化剂，公用工程及产品质量也会影响最终选择。由于几乎所有的邻二甲苯都用用生产苯酐，所以新建工厂不大可能从一般市场上买到充足的邻二甲苯原料。因此，使用混合二甲苯为原料进行二甲苯分离的工厂经常与苯酐工厂建在一起。
除了原料选择以外，设计中主要考虑反应器类型。固定床和流化床对于气相工艺都是可行的。氧化反应可以在高和低两种不同的空气比率下实现，但是该比率对于反应器及其下有设备的设计产生显著的影响。从世界范围来看，不同工厂采用了不同的技术，包括看似可行性较小的液相反应工艺。
典型情况下产品需要达到99.7%的纯度。主要杂质是马来酸酐和单环芳香族化合物。原料和产品都是人体的刺激物。工厂操作人员在有可能接触到有害物质的任何场所都应配戴适当的安全护具。
（6）结论
通常环境条件下苯酐是白色晶体。它可以与空气形成爆炸性混合物，并对人体组织有刺激性，因此需要配戴适当的安全护具。
苯酐主要作为化学中间体，用来生产增塑剂，醇酸树脂和不饱和聚酯。 苯酐主要通过邻二甲苯用空气氧化生产，该气相催化反应是强放热反应。 世界范围内对苯酐的需求增长缓慢，目前需求量已接近生产能力。 对于新筹建的工厂，邻二甲苯供应是可行性研究的一项重要内容。
反应器可以是固定床，也可以是流化床，但必须考虑采用适当的移除反应热的措施。
（7）建议
确定该地区苯酐生产厂，对苯酐目前的供应和预期供应做出总体评价。 确定该区域苯酐的最终用户
确定为该区域服务的新建苯酐厂的最经济规模。 确定倾向性的工艺路线和反应器类型。
2.1 可行性研究
2.1.1 初步的可行性研究
化工过程设计的可行性研究包括技术可行性和经济可行性两部分。初步的可行性研究仅是一个最初的评价，在此阶段，可以倾向于采用某种工艺路线，但最终的生产工艺没有确定，因此，要获取各种候选工艺路线的信息并对其在特定项目中的适用性进行评价。即考虑特定设备的设计问题，判断根据某种工艺来设计和建设工厂，并考虑排放和原料供应等问题。同时还应定性说明过程的经济可行性。 2.1.2 初步的市场调研与经济分析 分为几个步骤： （1）确定过程中所有原料的价格（交货价格），确定拟生产化学品的售价（出厂价或市场价），确认所有原料的成本之和低于产品售价。
（2）确定产品的市场与容量。确认市场是萎缩还是增长，分析过去5年内的销售和生产的趋势。找出趋势中的异常情况，并分析原因。估计能预见到的最小销售量，并分析在短期不利经济条件下该产量能否盈利或保持盈亏平衡。比较预期销售量和待建工厂盈利时的生产能力。
（3）确定该产品的传统用途或主要用途。将注意力集中在用途占比在60%-70%的主要用途上。还要调研新的应用领域。（参考各类经济数据） （4）确定待建厂的生产能力
（5）找到生产相同产品的现有工厂的总投资数据。这只是一个估计，准确数据要在详细设计的基础上得出。要注意现有工厂和待建工厂间的差别，比如土地和原料费用，交通运输网络等。
（6）估计工厂可能的运行年数，计算工厂投资的回收期。确定可能的银行贷款利率，确定每年的固定成本和利息，折算到每吨产品上，粗略估计工厂的操作费用（人工，公用工程，维护）
（7）以每年或每吨产品为基准，计算各单项成本，包括原料、固定投资偿还和操作费用等。将各单项费用之和与预期的销售收入进行比较。
（8）经可行性研究的所有结果以清晰简明的方式进行书面总结。指出所做的所有假设，可显著影响该研究结果的因素，以及任何特殊的当地因素。应考虑各种可能的情形，比如销售价格的变化，原料价格的变化，出口市场的增长等，并给出对策。不要只给出一套数据和条件，并假定只存在着一种可能性。提出建议并给出其他备选的方法和条件。
在设计的大多数阶段，最关键的问题都是确定做出重要决定是所依据的主要因素。影响大多数项目成败的普遍因素有：环境问题，安全问题，工厂的经济运行。
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变化会使答案变成肯定；如果答案是肯定的，则列出此结论所依据的所有假设和限定条件，并按重要性顺序排列。
2.1.3 信息来源
进行文献检索，最关键的一点是提出并回答：何种类型的信息是我想要的和实际需要的？专利和授权许可协议是获得最新进展的唯一渠道。在进行化学工程资源文献检索后，还可以查询化学文摘，专利文献，外文杂志，甚至与生产该产品的公司直接联系。
2.1.4 对已知文献进行评价
这一点可以区分工程师和技师，应该通过分析处理所得数据，从而作出合理的决策。设计工作总要进入下一个阶段，不应该只是单纯搜集数据，而是要指出下一步工作的方向。 设计项目工作的基本规格是3D，即Drive，Direction和Decision。 2.1.5 关于文献调研的考虑 在文献调研之前应该考虑：
文献调研是必要的，还是强制要求完成的？
文献调研应该是对与项目特定方面相关的已知重要信息的综述。 文献调研之前，确定需要哪些类型的信息
设计完成之前，很难做出全面的调研。而一旦设计完成，文献调研的大多数内容可能没有多大价值了。
设计项目包含很多阶段和方面，仅进行一次调研是不够的，在进行特定项目设计时，可能需要对该方面有用和已知的信息进行再次评价。
案例
邻苯二甲酸酐生产的初步可行性研究 （1）市场评价 生产情况
（a）世界范围 生产量和市场，生产增长，原料转变，企业数量，单套装置生产规模 （b）区域范围 西太平洋地区，运行和建设以及拟建装置 （c）国内范围 澳大利亚ICI的企业 21.5kt/a （2）目前和未来的价格
近几年的苯酐在60-100美分/kg波动。 （3）需求
增塑剂，不饱和聚酯，醇酸树脂三块市场需求 （4）进出口
澳大利亚进出口情况大幅度波动，过去10年间，进口量1000-5000吨/年。数量少但交易或把数量却很多（21个国家），说明没有固定的进口市场。出口市场已消失。
尽管苯酐交易量不大，但过去10年间聚酯和醇酸树脂进口量很大。如果苯酐终端产品的进口需求可以由本地生产厂满足，则新的苯酐工厂可以在本地找到市场。 （5）生产规模
目前进口很少，出口市场也小。从中长期来看，由于该地区新建项目的发展，增加出口的可能性也不大。澳大利亚目前生产设施陈旧，技术落后，如果投入新装置，现有的工厂是没有竞争力的。基本需求可能在25000吨/年左右，预留部分发展空间，建议将工厂规模定为3万吨/年。第二种选择6万吨。这是基于终端产品应用市场的共同开发以及出口市场和现货市场（2万吨/ 年）的有利变化而确定的。 （6）产品价值和操作费用 （a）固定投资
使用两种方法估算投资，一是基于列线法，按照厂址和通货膨胀进行比例增减；二是基于最近的建设成本，然后按照规模厂址和通货膨胀进行比例增减。 列线法估算
1982年，西欧年产3万吨工厂投资2800万美元，而6万吨工厂投资4300万美元。汇率取0.97美元兑1澳元，厂址因子1.4（西欧对澳大利亚），1990年以前通货膨胀指数取1.15（工厂成本指数），1990年到1996年通货膨胀指数取1.19（年均3%），则对于澳大利亚新建的3万吨厂，投资为7000万澳元；对于6万吨厂则为1.05亿澳元。 最近建设估算
1983年1月日本建成年产6万吨苯酐的工厂花费40.3亿日元（不包括专利使用费和工程费用或催化剂费用）。如果这些附加费用按照总费用20%估算并使用当前的汇率，则折算总投资为2300万澳元。考虑地域因子和通货膨胀以后得到的估算数值为4100万澳元。使用0.7的规模校正指数，则年产3万吨的工厂需要投资2500万澳元。 （b）操作费用
1987年使用邻二甲苯为原料的苯酐厂总操作费用估计为46.3美分/kg。其中原料费用33.3美分/kg（1.01kg苯酐/kg原料），公用工程费用1.2美分/kg，催化剂费用0.5美分/kg，固定成本（工资，维修，管理，税收，保险等）4.5美分/kg以及工厂折旧费（按投资的10%计）6.6美分/kg。根据地域、通货膨胀和原料成本浮动作适当调整后，1996年澳大利亚苯酐厂的生产成本（即总的操作费用）估计为0.87澳元/kg。 （c）大致的售价
确定苯酐最终售价是需要考虑操作成本、投资偿还和其他固定成本、运输成本以及要求的利润空间。由于西澳大利亚距离潜在的市场位置较远，初步估计运输费用为0.03澳元/kg（对于原料）和0.07澳元/kg（对于产品，为保证苯酐处于熔融状态需要加热和保温）。投资偿还与工厂的规模有关，出估计为0.08-0.2澳元/kg（以10%利率计），因此，盈亏点价格为1.10-1.20澳元/kg。
按照目前苯酐售价0.95-1.00澳元/kg，似乎没有什么盈利空间，如果要是改项目可行而设置20%的利润率，则最终售价将上升到1.45澳元/kg。如此价位已经是商业销售的上限，将成为影响产品在开放市场中竞争力的主要障碍。在这种条件下，如果没有政府补贴，产品将没有用户。
除了预计的生产成本之外，当地新建邻苯二甲酸酐工厂的可行性还取决于一些其他因素。有若干大型石化工厂组成的新工业园区这一发展计划可能得到政府的支持。这种支持在项目开发的前几年可能以补贴的形式出现，其目的是使这些工厂为西澳大利亚和整个澳大利亚长远经济发展做出贡献。
增加此工厂可行性的最可能的选择是同时兴建下游加工项目，比如聚酯生产厂。如果若干个工厂作为一个发展项目来共同建设，则某个厂的少量亏损可以由其他厂的盈利来弥补。从目前市场情况看，对苯二甲酸工厂（使用来自二甲苯工厂的对二甲苯作为原料，而二甲苯工厂同时给苯酐工厂供应邻二甲苯原料）可能会非常盈利，另外澳大利亚政局稳定，应利用这一优势；因为对于该区域内的其他竞争对手而言，供货的连续性是一个很大的隐患。在这一点上，合同谈判时西澳大利亚就比较有优势。
（7）结论
目前世界范围内苯酐生产量正接近其生产能力（350万吨/年），年增长率3%-5%，而在这之前经历了很长时间的开工不足。
90%的邻苯二甲酸酐用邻二甲苯作为原料。1971年以后新建的工厂均不使用萘作为原料。
西太平洋区域的苯酐生产主要由日本、韩国和中国台湾控制，总声场能力达到了63万吨/年。该区域计划建设或正在建设的邻苯二甲酸酐项目的生产能力还有25万吨/年。 ICI公司下属的两个工厂在澳大利亚新南威尔士的Rhodes 和Mayfield两地生产2.15万吨/年的苯酐，这是西太平洋地区规模最小也是唯一使用萘作为原料的工厂。 在西澳大利亚没有邻苯二甲酸酐生产厂，也没有主要的苯酐最终工业用户。 现货市场上，熔融态的苯酐产品售价0.95-1.00澳元/kg，实际价格正在下降。
98%的邻苯二甲酸酐消耗在三种主要的产品上：增塑剂、不饱和聚酯、醇酸树脂。 聚酯树脂的需求是增长的，增速机的需求是稳定的，而醇酸树脂的需求是下降的。总体需求缓慢上升。
澳大利亚的苯酐进口量经常变化，其平均数不超过5000吨/年。 通过使用邻二甲苯作为原料、使用更好的催化剂以及事实能量综合利用等新技术可以使生产成本降低25%；澳大利亚的工厂目前正在非常不利的经济条件下运转。 邻二甲苯的价格与对二甲苯的价格是关联的，对二甲苯价格目前由于需求旺盛而上涨很快。
如果将邻苯二甲酸酐工厂建在西澳大利亚，那么它的生产能力应该是3万吨/年。市场份额的占领镜通过逼迫ICI关闭其在新南威尔士的工厂以及发展当地的苯酐最终用户来实现。如果建造更大规模的工厂（6万吨/年），则必须采取进攻性的市场手段来获得部分出口市场。
用列线法估算投资分别是7000万澳元（3万吨/年规模）和1.05亿澳元（6万吨/年规模）；用最近建设费用法估计的投资分别是2500万澳元和4100万澳元。
操作费用估计为0.87澳元/kg苯酐。盈亏平衡点的售价估计为1.10-1.20澳元/kg苯酐。 建厂计划的可行性取决于其他一些因素，比如政府支持，下游加工业或者专门合同。
（8）建议
选择经济上最可行的邻苯二甲酸酐生产工艺。 确定主要设备的尺寸和其他设备要求 提出工厂布局，确定空间需求
考察在西澳大利亚新建苯酐工厂的可能厂址。 进行更加详细的成本核算已确定最佳的工厂规模 确定关键的工艺条件，评价环境影响。
与政府和工业界商榷，成立一个化学品集团公司以探讨可能的协作发展。
3 工艺选择与过程描述
3.1 工艺选择中的考虑
完成初步的可行性评价和市场调研后，项目涉及的下一个阶段就是对生产该化学品的各种工艺进行评价和比较。选出合适的工艺路线就是一项重要决策，因为后续工作的展开都以此为基础。尽管该选择在后续过程中可以修订甚至改变，但是改变该决策将浪费大量的时间和金钱。
3.1.1 流程图
对于每个工艺路线，要得到工艺流程图（Proce Flow Diagram PFD）或者管道和仪表流程图（Piping and Instrumentation Diagram P&ID）。PFD是工厂中主要设备联结关系的图示；P&ID通常比较复杂，包括了所有的附属设备，公用工程以及仪表和控制细节。为了对各种工艺进行初步评价和比较，首先从PFD中简化出方框图（Block Diagram），仅仅画出主要的化工项目（步骤），忽略仪表，机泵和阀门。 3.1.2 反应器
化学工艺的开发常常是围绕反应器设计和操作这两方面进行，对于大多数化学品生产过程而言，反应器是过程的核心。 3.1.3 产品纯度
通过可行性研究，应该确定出了最终产品的适当纯度（规格）。产品的纯度必须根据用户的需求来决定，在某些情况下，可能会从工艺中取出一部分纯度较低的产品来满足某种特定的需求，然后对剩余产品进一步纯化，来满足其他客户的需求。应该考察是否有可能更进一步纯化产品，以满足可以预见的新应用领域或者环境限制等需求。 3.1.4 工艺条件
各种工艺的区别经常反映在工艺条件上（压力，温度，相态等），或者反映在所使用的反应器类型上。这些区别应该在各种工艺的方框图和详细流程图中清楚地标注，因为这些区别常常决定了最终工艺路线的选择。 3.1.5 过程数据
通常只能得到成熟的旧过程的详细工艺数据。对新技术以及由实验得到的相关设计数据就是秘密。重点是训练。 5.1.6 能量效率
能效在很大程度上决定了P&ID的复杂程度。 3.1.7 工艺评价和选择中的因素
工艺选择取决于对以下问题的回答和考虑 （1）该工艺能否生产出用户所需的产品？
（2）是否能设计、建造和安全经济地运行该工厂？
（3）是否能获得必要的设计数据、生产技术、加工方法和材料以及原料？
（4）假设存在某种可接受程度以内的对员工和公众的危险性时，工厂能否安全运行？ （5）工厂是否满足现有的环保法规要求以及未来可能的限制？
（6）过程的能效是否尽可能地提高了？或者尽可能实现了能量自给自足？ （7）对于维护的需求是否已经最小化？
（8）在实际产量小于设计产量时，或者产量超过设计产量时，工厂是否还能正常运转？ （9）没有用途的副产物的产生是否已经最小化？ （10）所有必需的公用工程是否现成？ 3.1.8 选择和折衷 就像设计工作的其他许多方面一样，在最终选择工艺时也将在不同工艺过程的不同特点之间做出妥协。某个过程只有优点而没有任何缺点很少出现。有时候某个影响因素将决定最终的选择结果，比如特定原料的供应问题或者冷却水用量等等。然而，无论如何选择，都必须满足初设时所给出的所有判据。 3.1.9 优化设计
过程涉及的目标是“总体优化”的工厂，而其中的每个设备不一定都在各自最大效率或者最大生产潜力下运行。为了实现总体的最优，需要在单个设备相互矛盾的要求间找到平衡。 3.1.10 过程控制和仪表
在选择工艺路线时还必须考虑过程控制和仪表要求。需要考虑的问题主要是：能否实施合适的控制，能否获得必要的仪器和仪表，其价格是否合理等。
3.2 过程描述
一旦选定了工艺过程，就有必要对该过程，特别是对其主要特征以及优缺点进行详细的描述。过程描述应该与PFD或P&ID一同给出，并且通过适当的设备编号系统与设备列表相联系。在此阶段，过程描述应该尽可能详细，必须参考所有有用的文献，给出任何已知的数据。指出相互矛盾的数据，并且对其进行评价。
对于其他工艺路线也要给出描述，但是可以不必如此详细，主要讲清楚其优缺点并且解释为什么不采用这些工艺路线。
3.3 准备设备列表
选定工艺路线后，就有必要准备初步的设备列表（Equipment List or Equipment Schedule）。设备列表应该尽可能详细，但显然，此时是不可能完整的。准备清单的目的就是启动设计项目的文件编制工作，并且为后续阶段建立一个有用信息的数据库。设备列表与P&ID同时使用，图中每个设备都应该有唯一编号，该编号与设备列表中的设备相对应。 设备列表中应该包括所有目前已知的信息，这些信息将在后续的详细设计中用到。随着设计进程推进，信息量逐渐增加，设备列表要不断进行更新。 设备列表中包括以下内容：
（1）设备的型式
（5）操作温度上下限 （2）尺寸和生产能力
（6）腐蚀裕量 （3）材质
（7）特殊的特征 （4）操作压力
（8）备用设备
3.4 经验法则
在管线布置以及全厂能量衡算完成之前，尚不能准确地确定换热器和泵的尺寸规格，。最终的能量衡算取决于最终选取的节能措施和工厂布局。尽管大部分数据仅仅是近似数据，但其他设备的尺寸在此阶段应尽可能准确掌握。估算设备尺寸和设计可参阅有关文献。
3.5 安全问题和初步的HAZOP分析
一旦有了初步的P&ID和设备列表，就可以对工厂操作的安全方面进行定量的考虑。此时也有可能和有必要进行初步的危险和可操作性分析（Hazard and Operability Study HAZOP），至少应该对于关键的设备进行HAZOP分析。
案例研究
工艺选择和设备清单 找出并评价苯酐生产的各种可能工艺路线，显然邻二甲苯是首选原料；倾向于固定床反应器；倾向于选用允许低空气对邻二甲苯比例的催化剂。苯酐工厂中最主要的设备是反应器；切换冷凝器和纯化塔。
3.6.1 邻二甲苯酸酐生产工艺的发展趋势
很明显，邻二甲苯是现代生产邻苯二甲酸酐的首选原料，目前仅有少数以萘为原料的工厂。1971年以后的新建工厂没有使用萘作为原料。与萘相比，邻二甲苯更便宜，产率更高（因为所有碳原子都在产品中）。过程效率也更高。将现有以萘为原料的工厂改造成以邻二甲苯为原料，可以减少原料成本25%，减少公用工程费用30%。
第二个进步是对氧化反应放出热量的综合利用。这些能量可以用来生产高压蒸汽，因此应该能够抵消购买动力的开支。目前已经开发出了循环利用废气的低能耗过程。催化剂选择性也正得到改进，以提高产品质量，消除副反应的发生。可同时用于萘和邻二甲苯的两用催化剂也已开发成功，只需要微调操作条件即可实现原料的转换。
3.6.2 原料
尽管萘和正戊烷都可以用来生产邻苯二甲酸酐，但是与邻二甲苯相比二者都不具经济优势，只有当它们的供应价格远低于市场价时，以它们为原料的工艺才可行。由于西澳大利亚没有萘和正戊烷的供应渠道，所以新建工厂不应考虑使用它们作为原料。因此，邻二甲苯因其高产率，廉价和高选择性成为首选原料。有一些工艺保留了也可以使用萘为原料的灵活性，以防止因为对二甲苯的需求增加而导致的邻二甲苯价格突然大幅升高。无论如何，选择邻二甲苯为原料来建设新厂将比澳大利亚现有工厂具有显著的技术优势。
世界上，邻二甲苯的三个主要产区是美国、西欧和东亚。其中东亚距离澳大利亚最近，也是发展最快的地区。位于西澳大利亚的工程可以使用来自日本，韩国和中国台湾的原料。然而，经济上最具吸引力的选择是使用澳大利亚石油精炼厂当地二甲苯分离工厂的产品。在不久的将来就有可能获得廉价的BTX，因为澳大利亚将出台政策限制汽油中的芳烃含量。
二甲苯分离工厂处理二甲苯混合原料，其中包括异构化和分离2个单元。异构化单元用来控制3种异构物产品的比例。对二甲苯需求量最大，邻苯二甲酸酐的生产消耗了98%的邻二甲苯，因此邻二甲苯常亮也反映着苯酐的需求趋势。间二甲苯没有商业用途因此全部循环回异构化单元。该领域的最新进展是对混合二甲苯进行反应精馏使之转化为对苯二甲酸，以及富含邻二甲苯的副产物，该方法能显著降低加工成本。邻二甲苯目前的价格大概是55-75美分/kg，并且有可能上升。因为对二甲苯的需求正旺。
3.6.3 过程配置
苯酐的生产工艺可以根据所用的反应器类型分类。目前已经开发出了3种投入商业运行的反应器：固定床气相反应器，流化床气相反应器和液相反应器。其中有很多可能的变种，并且已有多种生产过程获得了注册。近年来，固定床气相反应器被证明比其他反应器要优越，因此，最近10年来新建工厂均使用该工艺。而证明流化床反应器维护困难，有腐蚀问题，催化剂损失很大；液相反应器的建设费用则高的让人望而却步。
竞争厂家已经建起了若干不同版本的固定床气相反应过程。，它们之间的主要差别在于催化剂性能和操作条件的不同。其中2个过程能量集成方面的优势比其他过程好得多，因而20世纪90年代建设的工厂要么采用LEVH法（low energy Von Heyden），要么采用LAR法（low air ratio）。VGR法（vent gas recycle）看起来具有一定潜力。
根据以上信息，对在西澳大利亚建设新的苯酐工厂项目作出以下决策： 使用邻二甲苯作为主要或者唯一的原料 使用固定床气相反应器 使用LEVH工艺或者LAR工艺
3.6.4 详细的过程描述
LAR工艺和LEVH工艺使用基本相同的流程图和类似的设备。图3.1是LAR法的过程流程图（PFD），给出了苯酐生产中所用到的主要设备和布局。LAR法和LEVH法的最重要差别在于LAR法中使用了一个额外的冷凝装置（后冷器），经部分邻苯二甲酸酐以冷凝而不是凝华的方式从反应气中加以回收。LEVH法中空气对邻二甲苯比例较高，因此要求部分设备具有较大的生产能力，比如空气压缩机，反应器，气体冷却器和切换冷凝器。
苯酐的生产主要有3个步骤：反应、冷凝和纯化。反应是强放热反应，并且必须在高温下进行（及与热力学考虑）。这就要求用熔盐循环移去反应热，然后，热的熔盐被用来生产高压蒸汽。反应气体被冷却后在切换冷凝器中凝华，得到片状的高纯苯酐。将冷却剂和蒸汽交替通入冷凝器，使得产品首先凝华，然后再融化，得到的苯酐粗品（98%）存放在中间储罐中。从冷凝器排出的气体中仍含有各种有机物，经过洗涤或者焚烧处理后排放到大气中。苯酐粗品经过预处理（将残存的酸转化为酸酐）和减压蒸馏（除去马来酸酐和其它杂质）而得到纯化。产品可以以熔融状态或者片状存储和销售，并且必须满足表3.1所示的规格要求。所有的商业过程通常都可以达到或者优于这些指标。
表3.1 邻苯二甲酸酐产品典型规格要求
邻苯二甲酸酐含量 马来酸酐含量 凝固点 融化时色度 融化时外观
典型产品的参数 99.9%
0.05%（最高） 130.9℃ 10
像水一样
规格要求 最低99.7% 0.15%（最高） 130.8℃（最低） 30（最高） 清澈的液体
3.6.5 LAR工艺的优势
近年来邻苯二甲酸酐生产中的主要进展是催化剂活性的提高。LAR工艺中使用的催化剂所要求的空气对邻二甲苯的比例仅为9.5:1（其他技术中该比例大概在20:1），这就可以使催化剂的产率提高40%，显著地缩小了反应器体积，并且降低其他关键设备（包括切换冷凝器和蒸发器）的负荷。风机和泵的能耗降低约60%。反应器中惰性气体的流量减少可以使更多的显热被冷却盐带走。工厂可以做到能量完全自给自足，并且能够向邻近的工厂输出相当数量的蒸汽。还可以使用后冷器将大约50%的邻苯二甲酸酐产品在凝华前以液体的形态加以回收。这样可以减少进入冷凝器产品物流中的杂质量从而提高产品的纯度。
与其他工艺相比，LAR工艺的投资较少，操作效率高，这些都直接得益于反应器中低的空气对邻二甲苯的比例。该过程无需电力和燃料，并且可以向厂外输出大量蒸汽。用LAR工艺生产出的苯酐最终售价可能低于用其他竞争过程生产出的产品售价。
3.6.6 LEVH工艺的优势
LEVH工艺的主要优势是技术成熟，全世界已经有65家工厂使用VH工艺或者LEVH工艺，总的生产能力为140万吨/年，并且其中的大多数都成功运行。另外，维护费用很低（低于每年投资的2%），配套设施可能发展的很完善。
通过使用一种特殊的催化剂，可以调整VH过程以适应萘原料或者萘和邻二甲苯混合原料。这样就起到了安全防范作用，以应对邻二甲苯价格的上涨，并且在萘的价格大幅降低时具有灵活性，反应器的生产能力最大已经达到了5万吨/年。
LEVH法是一个稳妥的选择，适合于保守的发展策略。在市场有保证的条件下，或者在公司对同样工艺的工厂有着丰富操作经验的时候，比较适宜选用该工艺。采用LEVH工艺的生产成本比大多数老厂的成本低，但是比起在同样基础上成功运转的LAR工艺工厂，则很可能无法有效竞争。
3.6.7 工艺选择
尽管LAR工艺还不是成熟的工艺（目前世界上只有一家工厂使用该技术），但是对于本项目而言它却是最佳的选择，因为操作成本和资金偿还都可能低于其他工艺过程。潜在的节省可能最以抵消任何可能遇到的操作困难。而且，若与本区域的其他工厂采用相同的工艺和技术，最多也只能将最低生产成本维持在与其他厂大致持平的水平。但由于地域上的不利因素，这将显著降低位于西澳大利亚的工厂的有效竞争力。
3.6.8 初步的设备设计
在项目的早期阶段就需要得出主要设备的列表（包括大致的尺寸），以便决定所需厂区的面积，进而可以考虑选择合适厂址。设备尺寸的估算是基于现有的使用LAR工艺以邻二甲苯为原料生产苯酐的工厂数据。若生产能力为4万吨/年，开工率90%(每年连续开8000小时)，则可以确定设计基础为：4545kg/h的邻二甲苯以及45t/h的空气（空苯比9.5）
对主要设备（反应器、切换冷凝器和纯化塔）进行一定程度的设计，这将单独讨论，而对于其他设备则只是指定其功能和处理能力，并进行粗略的尺寸估算。估算时使用了经验法则和近似处理。相关细节见本章附录
苯酐生产工艺有潜力实现蒸汽净输出，当然在该工艺全过程的每一步也都要用到公用蒸汽。通过将苯酐工厂和同一园区内的其他工厂综合考虑，可以更容易实现蒸汽的平衡。这里假定所有高压蒸汽锅炉都是各厂家共用的。同样，冷却水设施（水处理部分和冷却塔）和主烟囱（用于排放废气和燃烧产生的气体）也与其他工厂共用。这些设施的设计计算不在本设计研究的考虑之内，因为它们的处理能力将与共同开发的其他工厂项目密切相关。
邻苯二甲酸酐具有中度腐蚀性。因此某些设备需要用不锈钢制造。316型（Ni 11%，Cr 18%，Mo 2.5%，Fe66.5%，C 0.08%，Mn2.0%），该型号不锈钢年腐蚀速率0.025mil（1mil=0.001inch）。在不很苛刻条件下操作的设备可以用普通碳钢制造。
3.6.9 设备清单
1.反应器：邻二甲苯流量4545kg/h，空气流量45t/h；进口温度350℃，最高温度500℃；压力200-300kPa；内部有13400个列管（3m长 直径25mm），催化剂高度2.8m；壳体直径5.9m，高度3.5m；冷却负荷21.4MW；熔盐循环量310t/h；材质为316型不锈钢。
2.苯酐预冷凝器：总流量50t/h，苯酐流量2500kg/h；功率为450kW；材质为碳钢。 3.切换冷凝器（2个）：总流量47t/h，苯酐流量2500kg/h；功率为450kW；材质为碳钢。 4.尾气洗涤塔：总流量45t/h气体，含250kg/h的有机物；材质为碳钢。 5.蒸发器：邻二甲苯流量4625kg/h，空气流量45t/h（温度125-350℃）；功率为3.9MW；材质为碳钢。
6.气体冷却器：气体总流量50t/h；功率为5.0MW；材质为碳钢。 7.预处理罐：苯酐流量5000kg/h；其他成分流量300kg/h，温度70-270℃；加热功率为290kW；材质为碳钢。
8.提馏塔：苯酐流量5000kg/h，其他成分空气流量300kg/h；在一定真空度下操作；填料塔（15-20理论级，低压降）；直径900mm；大回流比（5-10），再沸器温度205℃，再沸器功率150kW；材质为316型不锈钢。
9.精馏塔：进料5000kg苯酐/h，20kg残留物/h；在一定真空度下操作；15-20块塔板（液体流量很低）；直径1200mm；很小的回流比（0.1），再沸器温度245℃，再沸器功率650kW；材质为316型不锈钢。 10.各种换热器（8个）：空气预热器；邻二甲苯预热器；气体冷却器；再沸器（2个）；冷凝器（2个）；凝华器； 11.储罐（6个）：各种尺寸，用于原料、苯酐粗品、苯酐产品的暂时存储（能提供14天的储存量）；
12.泵（8个+备）；各种尺寸，用于原料和中间产品的输送。 13.空气压缩机：输送45t/h的空气到反应器；压力200-300kPa。 14.过滤器：空气进入反应器之前的过滤。
15.喷射泵系统：为纯化系统提供真空（10kPa，绝压）。
3.6.10 结论
作为原料，萘逐渐被淘汰，因为邻二甲苯更清洁，产率也更高。
邻二甲苯从二甲苯混合物中分离得到，其价格与各种二甲苯产品的整体需求紧密相连。对于其他异构体，对二甲苯的市场需求增长很快，而间二甲苯没有太大用途。 使用邻二甲苯作为原料，使用更好的催化剂，并应用能量集成技术的新工艺过程可以将成本减少25%。而澳大利亚现在的工厂在很不利的经济状态下运行。
合成邻苯二甲酸酐的LAR工艺比其他竞争工艺更新一些，但却最具吸引力，因为设备体积可以减小。
3.6.11 对后续工作的建议
在西澳大利亚为拟建的邻苯二甲酸酐工厂选择合适的厂址。 确定工厂的布局和用地要求。
进行更加详细的物料和能量衡算，以确认设备尺寸和其他的设备需求。 确定主要的工艺条件，评价其环境影响。
敦促政府和工业界一同建立一个化学品公司联合体以探寻相互间可能的过程集成。 确定主要设备的费用（以年产4万吨苯酐为基准）。对过程进行经济评价。
4 厂址选择与厂区布局
4.1厂址选择
IchemE设定的设计项目也只要求进行详细的设备设计，而没有特别规定厂址选择方面的设计要求。然而，为了是设计项目更加真实，也为了学生在尽可能多的方面得到设计锻炼和经验，应该对厂址选择和工厂布局给予一定的考虑。
4.1.1当地工业园区
如果本地没有该化学品市场，或者没有合适的建厂地址，那么就有必要考虑本州或者本国内的其他工业地区。从政府部门那里可以得到一种地图，上面标注了哪些地区被规划为重工业发展基地以及现有工厂的位置。即便所选地区被认定为适合工业发展，也并不意味着可以自动地获得在那里筹建新化工厂的许可，或该地方确实适合拟建工厂的建设。该评述也适用于现有的化工厂基地。在有些情况下，某基地的进一步发展可能会受到政府的限制，原因一般包括：公众意见、环境影响问题，或者担心在高度工业化地区发生严重事故的风险。工人们一般愿意住在距离工作单位比较近的地方，因此工业基地附近的房地产通常也得到发展，而这些地方以前确是无人居住区，比如Bhopal。然而这反过来却会使公众强烈反对在本地进一步发展工业。
假设可以确定出工业开发区，然后就有必要选择出具体的厂址。不应该把该选择过程搞成“只有一匹马参加的比赛”，而要同时考察若干个基地，分项比较他们的优势和劣势，最终的结果应该是一个按照优先顺序排列的厂址清单。如果只把注意力集中在一个基地，而忽略了对其他基地的考虑，那么该项目对于政府指令的适应性就会很差。
4.1.2 若干重要的因素
若干因素影响着化工厂合适厂址的选择。以下列出了一些重要的因素，但是不要认为它已经穷尽了所有的因素：
（1）所选地区被指定为重工业发展地区（“轻“工业通常指电子元器件组装和小型金属加工等，大型化工项目轻工业）。
（2）所选地区已经存在类似的化工厂，并且是其他工业中心的所在地。 （3）基础设施和服务设施完备，比如道路，水电气等。 （4）合适的地势条件、地下构造和排水等。
（5）合适的交通条件（原材料和产品的运输，建厂时所需的运输）。 （6）临近主要的交通网络（公路，铁路，机场，水路，港口等）。这是选择厂址的一个重要因素。在有些情况下，直接用管道输送原料或者水、气、油等公用工程物流可能是最经济的途径。使用集装箱运输（公路，铁路，水运）时；如果往返都能搭载货物，运输费用就会降低。
（7）当地有劳动力资源，与当地社区的距离合适。 （8）有生活用水和工厂冷却水。 （9）符合向环境排放废物的限制。
（10）距离原料的供应地和产品的销售市场比较近。 （11）存在应对大型工厂事故的安全服务设施。
（12）气候条件，比如适度、最大风速以及主要风向、降雨等。 （13）政府已经或者可能提出的有关工业发展或者废物排放的限制。 （14）扩展的空间。 （15）土地的价格。 （16）公众的舆论。
（17）地震、塌陷和塌方等的可能性。
（18）政府为鼓励地区经济发展而给予支持（税收优惠和补贴等）的可能性
还可以罗列其他很多因素，而最重要的因素是那些与特定工艺过程要求相关的因素或者某基地特有的那些因素。其中某些因素的详细讨论可以相关文献。
4.1.3 因素的优先顺序
厂址选择中最重要的3个因素通常是原料所在地、市场所在地和交通运输条件。首先确定这3个方面，然后再确定其他的次重要因素并且进行评价。然而，即使某个基地可以满足某化工过程的很多方面的基本要求，却不能满足某一重要的判据的话，仍然不能最终确定为厂址。这些重要的判据包括：由于负面的公众舆论而得不到政府的批准、环境法规限制、劳动力资源等。因此，在选择厂址时有必要将这些因素分成几类并分别对待：核心要求（这些要求必须得到满足），主要因素（可能有3到4个，很希望得到满足），以及期望得到满足的因素（虽然并非一定要得到满足，但还是希望尽可能多地得到满足）。在最终选择厂址（即按优先顺序提出一个厂址清单）时，采用以下打分的方法会有所帮助：列出每一个厂址所具备的特征（要求的以及已经存在的），并对每一个特征赋予一个主观的分数（比如从1到5，或者从1到9），于是每一个厂址都可以得到一个最后的总分。使用这种方法时一定要谨慎，因为该方法并没有要求一定要排除某些致命的不利因素。比如某厂址可能在其他方面都很理想（或者在排名表上名列第一），只是当地没有水供应，这样对于建设化工厂而言，该基地便没有什么用途。
4.2 厂区布置
为化工厂选择了合适的厂址之后，就有可能也有必要做出初步的设备布置方案。尽管还没有进行设备的详细设计，但是初步估计的设备尺寸应该可以根据设备列表获知。设备尺寸的初步估计与最终估计之间的差别不应过大，在确定设备布局时还要考虑在设备周围留出合适的空间供操作维修以及安全保障之用。
做出了初步的厂区布置（平面布置图）后，就可以考虑管线布置和压力降、设备维修通道、事故和泄漏通道以及控制室和办公室的位置。初步的工厂布局还有助于发现该厂区存在的不利问题和未预见到的问题，甚至可能导致厂址的重新选择。为了确保工厂建设的经济性和操作的高效性，在设计工作的早期阶段就必须考虑工厂的布局，并且要详细到一定的程度。进行厂区布置时还要考虑到工厂建设时的需要，比如大型吊车的运动等。所采用的厂区布局还会影响到化工厂的安全操作，影响到周围社区对工厂（以及将来可能的改扩建）的接受程度。
4.2.1 厂区布置策略
在确定厂区布局是可以采用两种设计方法。第一种设计方法是使设备的布局与其在流程图上出现的顺序一样，称为顺序布置（flow-through layout, flow-line pattern）。这种布局方式可使管线长度最短，压力降最小，经常被小型化工厂所采用。第二种设计方法就是将相似的设备集中布局，称为相似设备分组布置（groupings of similar plant items），比如将精馏塔、分离设备、反应器和换热器等分别集中布置。这种布局多为大型化工厂采用，具有容易操作和维护，劳动力成本低、公用工程管线最短以及因此而具有的可以降低输送物料所需能量的优点。这两种设计方法是两种极端的情况，实际设计多介于两者之间。实际采用的工厂布局取决于是新建的工厂，还是在原来基础上的改扩建。在已有基地上新建项目时最常见的限制是空间限制，即便在新的基地上进行建设也存在空间限制问题。 4.2.2 影响厂区布置的因素
在设备布局时需要考虑的其他因素有：
（1）控制室和办公室位置要远离高位区域，要位于主导风向的上风口。 （2）反应器和锅炉等要远离化学品储罐。
（3）储罐要便于接近，还需要决定是将所有原料和产品储罐集中布置，还是分散布置在厂址的周围。
（4）操作人员能够方便地接近设备，设备之间距离要合理。 （5）设备的提升安装。
（6）要考虑某些特定设备（比如泵）的要求，充分利用静压头。 （7）公用工程（水电气）的供应 （8）使管线总长度最小。
（9）为常规维护和设备修理提供合适的操作通道。
（10）应该便于在发生泄漏事故时清理泄漏物和分散化学品。 （11）意外事故时（便于外界援助）能到达工厂。 （12）需用冷却水的设备要靠近河边或海湾等。
（13）工厂的废物收集系统和废水排放系统（分开还是合并？）以及处理罐的布局。 （14）所选用的工厂布局应该能够限制火灾或者爆炸事故的范围。
（15）设备之间的间距：专营化工厂保险业务的公司对于特定设备的间距有特别的建议；国家的有关标准和法规中也给出了一些建议。
关于化工厂布局阶段需要考虑的特定因素可参考有关文献。 总之，设备布局应该使以下参数最小化： （1）火灾或者爆炸时的人员和财产损失； （2）维护费用；
（3）所需工厂人员的数量； （4）操作费用； （5）建设费用；
（6）工厂改扩建时的费用。
其中某些目标是项目矛盾的，比如（1）和（4），因此，为同时保证安全性和经济性经常需要做出一些平衡。最终的厂区布置将取决于工厂内节能措施的要求，任何后学的修改以及相应的管线布置。
案例研究-厂址选择和厂区布置
建议在西澳大利亚靠近Bunbury的Kemerton工业园区兴建一座年产4万吨邻苯二甲酸酐的工厂。该项目应该与其他若干项目共同开发，这些工厂之间存在重要的集成优势，可以共用原料和终端用户。之所以选择该厂址，是因为当地已经有了基础设施，并且距离公路、铁路和海运都比较近，因而使总体运输成本最低。该项目有望得到政府的帮助，因为它符合澳大利亚政府鼓励工业分散化的政策。
设定工厂布局时主要考虑安全问题，同时也考虑使管线系统费用最低，且可以最容易地到达设备，并且具有灵活性。当地有足够的土地供其他相关工厂共同开发，这些相关企业将公共用的一些关键的设施（蒸汽、冷却水、排气烟囱和办公建筑）。
4.3.1 背景和目标
根据前期的市场调研和初步的可行性分析可知，在澳大利亚新建邻苯二甲酸酐工厂，看起来还是有市场的。然而，重要的是使用最新的技术，并从新南威尔士现有的技术落后的工厂那里抢占市场份额。这里将考虑两种情况，一是年产3万吨；二是年产6万吨。年产6万吨的情况是乐观的方案，要依赖于可观的现货市场上的出口销售。在现阶段，年产3万吨的方案似乎更加可行。为了估计设备要求和进行厂址选择，假定年产4万吨。更加准确的投资估算和详细的盈利分析可能会证明，产量再大些或者再小些更为合适。很重要的一点是使本工厂的生产与同一基地的其他企业的生产进行集成。
厂址的选择对项目总体可行性的影响很大，因为此前已经证明了单独设立该厂时的盈利可能性不大。可能需要政府对新建工业园区进行资助，还要寻求同其他企业之间的集成。理想的厂址必须能：
（1）满足所有工艺要求； （2）满足环保和社区的要求；
（3）使原料和产品运输费用最低以使利润最大化。
一旦选择了厂址，就必须设计出令人满意的工厂布局，它要综合考虑到安全性和功能性，并使输送管线成本最低。厂区布局应该根据工厂以及所在区域的特点而设定。
4.3.2 可能的厂址
在西澳大利亚选择了4个厂址供进一步考虑：Geraldton，Karratha，Kemerton，Kwinana。在这4个地方中，只有Kwinana是一个现成的具有一定规模的工业基地，另外3个则只是拥有规划用于重工业的土地。选择Perth外围的厂址（即Geraldton，Karratha，Kemerton）时，在建设阶段有可能得到政府以补贴或关税形式给予的帮助。这些地方将作为新工业园区的一部分而得到开发，目的是将西澳大利亚的重工业分散开来。这对于减少基础建设的开支并实现盈利很重要。以下企业与邻苯二甲酸酐工厂有显著的集成效益，因此，鼓励以下各企业共同进行开发：
二甲苯混合物分离工厂（为苯酐生产提供廉价可靠的原料）
邻苯二甲酸酯工厂（终端用户，并消耗苯酐厂输出的蒸汽和能量） 聚酯树脂工厂（终端用户，并消耗苯酐厂输出的蒸汽和能量） 马来酸酐工厂（处理苯酐工厂的副产物）
对苯二甲酸工厂（处理二甲苯混合物分离工厂的对二甲苯）
目前，澳大利亚的邻苯二甲酸酐市场主要在东部各州。为了使位于西澳大利亚的苯酐工厂可行，终端用户企业也就需要迁址到西澳大利亚（也正好借此机会来更新他们的技术，以保持竞争力）。目前澳大利亚唯一的苯酐生产上是悉尼的ICI公司，它所用的原料萘直接由邻厂提供。在西澳大利亚建苯酐厂时，也要借鉴这种原料供应上的安排布局。因此，也需要建设澳大利亚第一个二甲苯混合物分离工厂，该工厂将处理由BP公司下属的位于Kwinana的炼油厂的BTX混合物（苯-甲苯-二甲苯）。否则，邻二甲苯就需要从东南亚进口，这将使新的企业变得很脆弱，并使整个开发计划变得不经济。 4.3.2.1 Kemerton 西澳大利亚的Kemerton工业园区内已经有若干家新的企业。基础设施的假设已经达到了使用水平，公路、铁路和海运都可以到达。它是Perth周边的远距离厂址中最近的一个，供进一步发展所需的土地资源十分丰富。劳动力资源可以直接来自于Perth或者来自与发展中城市Bunbury（只有15km的距离）。建设费用也会比其他远距离厂址便宜。 4.3.2.2 Geraldton Geraldton附近的Bootenal West有很好的公路、铁路和海运条件，远离居民区，因此建设项目有可能得到批准。该地区对环境问题不是特别敏感，可以使用河水作为冷却水。土地平坦，适合大型建筑机械的作业。Perth距离该厂址600km，就办公条件、紧急反应和原料供应而言还不算太远。 4.3.2.3 Karratha 在Karratha新建工厂时可以使用正在为西北大陆架的大型油气项目而建设的基础设施。虽然也可以指望一些企业间的联合生产，但是不大可能有足够的芳香混合物（BTX）供苯酐生产之用。但是，该地方可以较方便地从印度尼西亚获得邻二甲苯原料供应。位于同一地区的其他相关下游工业的市场原理Karratha，这将无法刺激其参与共同开发。该处港口比较发达，并有现成的海水供冷却之用。 4.3.2.4 Kwinana Kwinana工业园已经相当拥挤，没有多大空间用于新的化工厂群组的建设。尽管公路、铁路和海运条件都不错，建设费用也可能是几个基地中最便宜的，但是必须花高价才能得到土地的使用权。在Kwinana地区开发改新项目时不大可能得到政府的帮助。
4.3.3 倾向性的厂址和布局
西澳大利亚的Kemerton是首选的邻苯二甲酸酐厂址。Kemerton可以满足重工业发展的所有要求以及苯酐工厂的特殊要求。图4.1和图4.2是该地区的地图，可以看到为拟建的工业群而开辟的核心工业园和缓冲区，以及已有的基础设施。
在Kemerton地区之内有若干个合适的厂址。选择图4.2中的3号区域是因为他有足够的空间容纳苯酐工厂以及共同开发的其他厂，同时临近公路和铁路。公用设施（蒸汽、冷却水和烟囱等）可以建在本区域，也可以建在相邻的区域。由于邻苯二甲酸酐生产中所需冷却水很少，因此，如果需要的话，它也可以远离冷却水的主要供应管线。类似的，苯酐厂在蒸汽上可以自给自足。该地区的主要风向是西风（夏季是西南风，冬季是西北风），但是夏季也常有东风。苯酐如果泄漏的话，会产生危害性云雾，因此苯酐厂应该位于其他工厂的下风口。拟在该区域共同建设的其他厂的数量和类型将最终影响每一个厂的位置和走向。
图4.3给出了拟在Kemerton建设的邻苯二甲酸酐工厂的初步布局，其中包括了主要生产设备和建筑物的位置，工厂的总体布局为南北走向，因为风向多为东西方向，这种直线排列的布局可以使人员和服务性建筑几乎不会处于下风口。控制室位于厂区的北面，这样万一发生紧急情况时，控制室可以得到保护。由于工厂的总体规模很小，因此可以使控制室远离位于中心的生产设备。在发生紧急情况，从控制室和办公室都可以观察到工厂内的情况。
储罐与进料点和产品排出点之间的距离要合理，这样可以使管线和泵送的费用最小，通过正门可以很容易到达装卸区。储罐之间所留的间距比较小，但是应该可以满足紧急情况下的要求。
生产设备分别布置在两个区域内：反应区和纯化区。这样可以将潜在的危险性较大的反应器同其他的设备分开，万一出现事故，主导风向可以把有害的蒸汽吹离其他设备。根据市场调研，未来进行扩建的可能是是有限的。如果需要的话，还有足够的空间用于建设解决瓶颈问题的主要设备（比如再建设一个反应器），但是没有预留再建一整套流程的空间。
医疗设施和其他关键服务设施将和位于该地区的其他厂共享。高级管理人员、文秘人员、人事和财务人员也将在同一建筑内办公，远离生产现场。由于苯酐厂规模小，也就没有必要让非操作人员留在工厂内。
4.3.4 结论
年产4万吨邻苯二甲酸酐工厂是中度可行的。在此基础上将考虑更加详细的可行性问题。
考察了西澳大利亚的Geraldton，Karratha，Kemerton，Kwinana四个地区作为苯酐厂址的可能性
最可取的厂址位于Kemerton工业园区。该园区将有助于从Kwinana分散除部分工业。此处有合适的建厂条件、现成的土地、便利的交通条件，并且距离Perth不远（200km），因此可以利用那里的服务设施。
邻苯二建酸酐工厂应该作为一个化工厂群组的一部分而进行建设，该群组在同一厂址位置上至少应该包括一个下游加工企业。聚酯厂对于西澳大利亚而言是最合适的选择，因为它可以为当地的造船工业提供产品。
考虑到该地区的偏远性，在新的化工厂群组的建设初期以及为保持具有竞争力的价格，政府的帮助是很重要的。 设计了工厂布局，它考虑了对工人和关键建筑物的保护，并将有潜在危险性的设备与其它设备分置。厂区布局时还考虑了使管线和泵送费用最低。某些辅助设施将与同一厂址的其他工厂公用。
4.3.5 建议
考察拟在Kemerton新建的苯酐工厂对于环境的影响。 进行更加详细的物料和能量衡算，以便确认设备的尺寸。
以年产4万吨苯酐为基准，确定主要设备的费用，估计交通费用，以便进行详细的盈利分析。
以过程危害性最小为目标，对设计进行修改。
在做出P&ID之后，完成详细的危害和可操作性（HAZOP）研究。
5 物料衡算和能量衡算
5.1 准备物料衡算和能量衡算
在进行详细的设备设计之前，必须针对每个设备完成物料和能量衡算。需要对流程图上及设备列表中的每一个设备进行物料衡算。有时，能量衡算是以一组设备（或者工程的一个部分）为单元进行的，比如原料预热换热器或者反应器与后续冷却（冷凝）器，在这些单元中能量在不同的物流之间传递。只有在完成能量衡算之后，才有可能考虑工厂内能量的有效利用，并提出节能措施。
即使在设计的这一阶段，还是不大可能完成所有的物料和能量核算的细节。此时，应该已知每个设备的操作指标，而对于某些物流的流量和温度却只能做出估计。此时所做的物料衡能量衡算需要在每个设备的最终详细设计完成之后再进行修订或检验。例如，规定某洗涤塔至少应该从气体物流中脱除一定百分数的某种成分。一般情况下，有可能估计出所需液体的流量，但是只有在进行了详细的设计之后才能知道液体的确切流量。设计中将要考虑所需的填料的类型和高度 ，以及为了保证塔的有效操作而需要的液体流量。因此最终的设计所能处理的气体量，可能会高于按照最初估计的液体流量而设计的最小值（重要的是，设计出的塔的实际处理气量不要低于规定值！！！！）
物料衡算和能量衡算的结果应该以列表的形式给出，每个单元单独用一张纸。必须清晰明了的给出这些信息。详细的计算过程一般作为设计报告的附录单独给出。每个单元的物料和能量衡算应该包括一下细节。
（1）单位时间内进出某单元的所有物流的质量。请勿使用摩尔量和体积量。时间段的选取（按每秒，每小时或每天）要使各质量的数值看起来比较方便（比如0-1000，尽量避免使用103或者10-6）。所有的衡算必须在相同的时间基准内进行。 （2）所有的物流使用质量百分组成。
（3）有时也会给出气体物流的摩尔流量和摩尔百分数。
（4）每股物流的温度。温度的单位要一致（要么用℃，要么用K）。如果温度低于0℃，最好使用热力学温度。
（5）每股物流的压力。在压降不显著时，压力值给出一次即可。 （6）每股物流的焓值（以J，MJ，GJ等表示）。
到了进行设计项目的时候，学生们应该对物料和能量衡算的列表格式化比较熟悉了。习惯上，进入设备的物流标注的纸的左边，出料标在右边（与P&ID中一样，从左向右流动）。要对物料和能量衡算的每一页连续编号，比如第1页（共32页）。还要标出每个设备的编号。如果能量衡算是以一组设备为基准进行的，则可以给出总的衡算结果。进出每一个设备的总物料量和总能量应该在每一页的下面给出。左边为进料，右边为出料。这被称为“总账衡算”，可以一目了然地知道能否达到了进出平衡。
在衡算中得出的诸如流量、组成和温度等参数应该再转注到流程图上及设备列表中（要注意对原始估计结果所作的修正）。随着设计的进展，过程流程图应当不断更新，要清楚的标出最近的更新日期。
不要仅仅把物料和能量衡算看作一套用于详细设备设计的数据，还要对其进行充分的利用和分析。根据物料衡算可以知道工厂的哪些地方物料需求量大，哪些地方有副产品，哪些地方需要较多的工艺水。类似地，根据能量衡算可以知道哪些设备能量需求大，以及需要从哪些设备移走大量的多余能量。画出一个简单的方块图，标出工厂中物流量大，能量输出多，或者热量需求大的地方。这种做法通常很有用，它可以使人们对工厂的操作需求一目了然。
需要学生注意的事项
物料衡算并不总是绝对准确的，允许存在一定的误差（1%，5%或者10%）。如果得到的衡算是绝对准确的，那通常是因为某物流的流量是通过其他物流的流量相减得到的。因此，绝对平衡的衡算结果并不意味着计算是正确的。
在给出物料和能量衡算时。要注意数字的有效位数。
5.2 初步的设备设计
在完成了物料和能量衡算之后，便可以进行初步的设备设计。最终的设备设计和规格制订要在详细的经济评价和节能研究完成之后方能进行。
通过初步的设计，可以对项目前期所使用的数据和假设进行再评估和修正。要注意所有明显需要进行的较大修改以及工艺或者工厂设计方面的改变，并评估它们对于项目可行性的影响。要确认所用设备的类型（在设备清单中已详细列出），确定合适的设计方法，还要找出所有必需的设计数据（希望如此）。如果初步设计的设备数据和原始的设备要求有较大的出入，则需要进行考察。在此阶段，设计工程师差一点就进入了详细的设计计算。
5.3计算机辅助设计
CAD一词（computer aided design）在工程界广泛使用，但对于其含义有多种不同的解释。不应该将它和使用计算机以及相应的绘图软件包绘制工程图纸相混淆，后者有时也称为CADD（draughting）。对于进行设计工作的化学工程师而言，计算机和CAD已经有了广泛应用：流程图和P&ID的绘制，总的物料衡算和能量衡算以及单个设备的衡算，成本和经济分析，过程的优化，以及单个化工设备（比如换热器和精馏塔）的详细设计计算等等。虽然还没有被普遍接受的标准术语，但是最好用CAD来表示主要设备的详细设计计算，而其他借助计算机进行的工作则称为CAPE（computer-aided proce engineering）或者CAE（computer-aided engineering）。
现在，工业界普遍希望化学工程专业的学生在课程中至少获得一些最基本的CAD方面的经验。值得讨论一下大学课程应该给学生提供哪些CAD经验，以及学生离开大学走上工作岗位应该拥有哪些CAD经验。好在这两个方面的差别并不大。不同CAD软件包要求不同的编程操作方法，但最关键的是要能评估结果的有效性，二者取决于学生对于化学工程基本原理的理解和掌握。要教学生如何评估软件包的计算结果，要让学生不盲目地相信结果总是正确的或者总可以适用于特定的情况。使用CAD软件的目标应该是减少进行手工计算的时间，从而能够考虑大量的替代情形、替代值、替代变量、进行优化设计而达到“最优”解。不建议学生去进行大量的详细手工计算来校核设计软件结果的正确性，这既是徒劳的也是不现实的。但是为了进行恰当的计算，应当进行一定的校核，此时学生应该能够进行这些计算，并能够评价所用的设计方法或者计算顺序是够合适。CAD软件包无法取代化学工程师，因为工程是懂得并且能够应用化学工程的基本原理，但是CAD可以减少大量的手工性和重复性计算，从而极大地提高工程师的设计效率。
进行物料衡算的计算机程序通常包括几个组成部分：首先，对每一个设备描述其进料物流和出料物流的状态。可能需要特别复杂的数学模型来关联复杂单元的进料和出料状态。有必要指定各设备模块的求解次序，比较简单的设备可以先求解，然后再求解方程组。求解次序最好使每个方程式仅有一个未知数而避免迭代。有时需要求解线性方程组。如果是非线性方程组，就需要使用合适的数值迭代算法。
即使对于仅包含几个单元的简单流程，编制物料衡算计算程序的工作量也是很大的。由于这类程序的实用性，就出现了商业化的“工艺流程图”式的软件包（比如HYSIM，PROII，HYSYS，PROSYS等）。这些软件包中包含了若干套编制好的、具有通用功能的单元操作子程序，可以根据输入的数据进行计算。这些流程图式的程序还可以与某一个物性数据库相连接，这样就可以自动地获取各种组分的相关数据，而无需用户手工输入。 根据工艺过程的复杂性，还可以使用微软的EXCEL或者LOTUS1-2-3等具有电子数据表功能的软件来进行的物料和能量的衡算。如果学生想通过类似途径来开发自己的衡算方法，那么在正式的设计之前最好相对其正确性进行一些前期测试，以避免浪费时间。
流程图式的软件包还可以提供物料和能量衡算之外的很多信息。在进行这些计算的同时，还对每一个设备进行了有效的初步设计评估。输出的计算结果通常包括诸如设备的热负荷、回流比、公用工程需求和初步的尺寸等细节。如果程序是与物性数据库相连的，那么还可以得到每一物流的各种物性数据。虽然商业软件种类很多。但是它们都具有相似的特征和程序结构。在使用或者购买软件前，最好能够比较一下它们所包含的单元操作范围、设备模型的范围、使用上的难易程度（用户友好程度）、数据库的大小以及支持文件的质量。
所有的设计都需要物性数据，为保证CAD的有效使用，这些数据必须以方便计算机运算的形式给出。以图表方式给出的数据的实用性会受到限制，尽管如此，有些数据库仍仅仅包含了测量数据。一个更加有效的存储数据的方式是将已有的数据关联成经验式，再将经验式中所需要的参数进行存储（应注明经验关联式的适用范围）。有些数据库仅仅包括计算时所需要的经验参数，而另外一些数据库还包括了未被加工的原始数据。通常使用的物性数据库有：ASPEN-PLUS，CHEMCO，DATABANK，FLOWTRAN，以及PPDS。
对于化工设计而言，最有用的数据库应该能够通过适当的预测方法提供未知的数据（比如用基团贡献法提供汽液平衡数据），还可以通过使用类似物质的物性数据来替代未知物质的物性数据。如果所缺的物性数据对于计算结果的影响不大，也可以使用粗估的数据。CAD的使用者需要知道这些预测方法的适用条件、他们的准确度以及可能对计算结果产生的影响。这里需要使用者对CAD软件包的结构和应用有所了解，并需要基本的化学工程原理的知识。
为了最大程度的利用流程图式的软件，使用者和设计者必须经过一定的培训，一个适用的程序一包包含20-30个标准的单元，大量的求解方程的程序、控制模块、有时可能还有优化模块。所选用的单元设备子程序必须与过程中的设备匹配，需要指定循环物流，并给出适当的求解收敛度。为了高效使用CAD软件包，很显然不应让工程软件取代工程师，二十需要具备各种能力和判断力强的训练有素的工程师。
使用软件包时通常要经历以下四个阶段：模拟，设计，案例研究和优化。在最初的模拟阶段，需要确定输入数据，选择合适的设备模块。此时可以先使用简单的单元代替复杂的设备，比如使用一个“组分分离器”代替精馏塔。在此阶段，反复的替代通常即可以获得收敛，之后，再选用合适的能加速收敛的算法。通过模拟阶段的工作可以得到一个简化的模型，通过它可以收敛初步的解（尽管此时的输出结果和产品规格可能还有错误之处）。在第二阶段，即设计阶段，则需要把模拟模型升级为合适的“设计模型”，这一般是通过添加更多的循环（作为信息回路）来实现的。设计过程是迭代的过程，需要适当的收敛程序。此阶段所要求的结果是得到一个“模型”，使其能够在合理的迭代次数之内得到有意义的解。在案例研究阶段，就是要使用工厂的实际数据及用于提供设计变量初值的经验法则。使用设计模型进行灵敏度分析，确定具有显著影响的参数，并决定是否值得进行全面的优化。优化阶段需要设计者投入相当多的时间。进行优化时必须使用合适的软件，使用者还要具有一定的使用经验。有必要想单独对工厂的一个部分进行优化，然后在进行适当的调整和重复计算。在此阶段还需要进行全面的经济分析。
计算机在化工设计中的广泛使用以及所带来的潜在节约，导致了大量的商用CAD软件的开发。有一些软件仅涉及设计工作中的特定方面，比如换热器的详细设计（HEATEX），流程图和工程图的绘制（PROCEDE，AUTOSKETCH，PRODESIGN，TURBO-CAD），通用的绘图软件，以及数据库（PPDS，physical property data service）。很多其他的具有流程图式结构的软件包可以进行全过程的模拟和设计（包括物料和能量衡算在内）。这些软件包括了HYSYS，PROTISS，ASPEN-PLUS以及SPEED-UP等。
这些软件现在都可以在PC机上运行，学生获得一些CAD软件的使用经验很重要，但是更重要的是，要对CAD的应用以及使用计算机进行设计的人员所要具备的技能有所了解，而不是仅有一些使用过多少种软件的表面经验。
既然有了模拟软件包，我们还能做哪些工作？
学生会问“为什么某软件中都有的功能，还要让我们学习”，我的回答是：培养学生的目的是使其成为能够进行技术含量很高的详细设计的职业化学工程师，为此必须让学生理解单元操作中最基本的理论并能够进行设计计算，而计算机的使用不过是使计算过程更加快捷并且可以多考察一些参数而已。如果使用得当的话，计算机是让生活更加轻松的一个工具。而设计工程师必须能够判断出计算机解的好坏对错，并且要认识到计算机计算的结果不一定就是正确的。Sloley(1995)的文章“Why towers do not work”解释了为什么工业实际中大量精馏塔的生产效率没有预想的那样高。原因有若干条，但让人吃惊的是，很多情况下，原因是根据计算机模拟结果进行的设计是不合理的，而其中大部分在设计阶段中本应该得到纠正！计算机模拟绝对替代不了对于基本原理的理解和认识。Sadeq（1997）的文章解释了计算机模拟结果绝对替代不了对于基本原理的理解和认识。
5.4 案例研究-物料和能量衡算以及公用工程
总述
在过量空气存在的情况下进行邻二甲苯的部分氧化，可以得到邻苯二甲酸酐产品，放出大量的反应热（21MW）。反应气中的苯酐产品经过两级冷却得到回收，第一级得到液体产品，第二级得到固体产品（通过凝华）。最后对粗品用精馏的方法进行精制。LAR工艺在反应阶段需要的空气量较少，因而与其它生产工艺相比，整个工厂的设备尺寸都较小，能量效率也更高。大量的能量（14.6MJ/kg苯酐）可以以高压蒸汽的方式输出。
物料和能量主要集中在反应和回收两部分。反应器及其附属的加热和冷却设备是能量综合利用的关键所在，因为此处的高温和大流量产生了最大的焓流量。精制设备在相对温和的条件及低流量下运行，但是两个精馏塔之间还是存在着能量集成的可能性。在公用工程方面，需要两股热源（蒸汽和导热油）和四股冷却介质（空气、冷却水、冷却盐和导热油）。需要制定出详细的热量集成方案以便使公用工程需求最小，使高品位热能的输出最大。
6 设备设计
6.1 详细设备设计
在所有的初步工作（技术和经济可行性研究）完成以后，就可以开始详细的设计工作了，可以完成设备的最终设计，并准备出每个设备的详细说明书。在这一阶段，应该对工艺流程图P&ID和设备列表进行检查和修正，如果与最初设计有显著变化，则成本估算也应作相应修改。这里只给出有关设备设计的一般性讨论。
一座化工厂里进行着很多不同的单元操作，例如精馏、传热、吸收等，而针对每种操作都已经开发出了多种类型的设备以适应不同的应用场合：包括不同类型的换热器，例如板式、管壳式、蓄热式等；填料和板式精馏塔；全混釜和管式反应器等等。针对某些单元操作已经发表有很多著作，本章最后的参考文献中列出了一些十分重要的典籍。在进行本设计项目训练时，他们应该对这些参考书非常熟悉，因为在其他课程中已经使用过这些书。其中的一些书籍只提供关于某主题的概论性介绍，主要着眼于本科生课程教学，重点在基本理论。另一些则侧重于如何将基本原理应用于设备设计，并包括相关设计方法的细节及有用的设计数据。对于设计工作而言，需要的是设计手册，本章结尾处同样列出了一些设计手册。
关于不同类型设备及其相关结构特点的综述，可参考Bael(1990)以及Peters和Timmerhaus(1991)，Ulrich（1984），Coulson和Richardson（第6卷，1993），Walas（1988）的书籍。这些书籍就不同类型的设备以及设备设计方面的新进展给出了大量的参考文献。一些详细设计信息可参考Perry化学工程师手册（1997）。有时候仅依赖于10年前出版的书籍中所提供的方法还不足以完成设计，设计工程师必须随时注意熟悉新方法和新进展。在某些领域，化工设计的发展变化没有那么快，一些早期的文献仍具有很高的参考价值，例如Kern（1950）。然而，为了高效的做出设计，密切关注随时发生的变化和应用最新知识十分必要。刊登在Chemical Engineering（N.Y.），Hydrocarbon Proceing 以及Chemical Engineering Progre上的文章是最新信息的很好的来源。
装置的设计应该遵循下列准则（或其中的一大部分）
（a）操作必须安全，经爆炸、火灾及针对操作人员的危险降至最低。 （b）必须实现预期的功能，满足设计要求。 （c）必须是经济上可行的设计
（d）应尽量减少保养及维护工作，尽量减少操作成本及公用工程需求。
（e）所设计的设备在指定设计能力下运行时各项费用应为最小。通常还要求设备能在负荷增加或减少时“满意地”运行，此时运行成本会有所上升。 （f）设备必须在工厂的整个预期年限内都能（正常）运行。 （g）设计必须具有可行性（可以建造和操作）。
设计必须被所有的相关部门接受，还可能要满足其他的一些要求。
当装置设计完成后，必须写出完整的设计技术报告，其中必须详细给出所有相关设计计算的细节、使用的数据以及所用设计方法中隐含的假设/限定条件。要给出完整的设计说明书及详细（按比例绘制）的工程图纸。必须提供足够的细节以精确计算设备的费用，并使设备能够得以建造（如果获得批准）。
6.1.1 并非化工专业的所有的学生都掌握了已教授的全部基本原理，很多学生对于自己将基本理论转化为工程设计的能力有所怀疑。一些学生发现，在饱尝了预先把所有条件都给定的课本型练习的“大餐”之后，很难适应这种开放式的（经常还是定义得比较模糊的）设计问题。有必要认清的是在设计任务的第一阶段要对已获得的信息（有时候这些信息还是矛盾的）进行整理，这些信息将构成设备设计的基础。以下列出13条要点的目的是给那些为解决设备设计问题而感到困惑的学生提供及时的帮助和指导。参考其它一些详述一般性设计方法的书籍，如Ray（1985），Peters和Timmerhaus(1991)，Ulrich（1984），Walas（1988）等，应该会有所帮助，针对一些特定课题，预读杂志文章和设计案例分析文献很有必要。（Ray 和Johnston (1989)，Austin和Jeffreys（1979））
有时候一些功课成绩较好的学生对于所要求的设计也会感到困难，特别是当他们所获得优异成绩部分地是靠良好的记忆力和对课本类型问题的掌握而取得时。但是好的设计工作不靠记忆，而依赖于对工程原理的充分认识和理解。好学生一般都具有这样的品质，但还没有充分意识到它们的重要性。这些要点在随后的设计中仍然有用，他们可以帮助确认没有忽略仁和中药的设计方面。以下简要的几点说明并不是对设计过程的详细分析，而是给出了一些用于指明大体方向的建议。
怎样开始设备设计 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.总结
6.2 标准和规范
6.3 设计中的其他问题
7安全与环境问题与经济评价
