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第1章 设计导论1

1．1引言1

1．2设计的性质1

1．2．1设计目标（需求）2

1．2．2数据采集2

1．2．3可能的设计解决方案的创立2

1．2．4选择3

1．3化工生产过程的剖析4

1．4化工设计工程的组织5

1．5工程文档7

1．6规范和标准8

1．7工厂安全（设计系数）9

1．8单位系统10

1．9自由度和设计变量 设计问题的机械表示法11

1．9．1信息流量和设计变量11

1．9．2设计变量的选择13

1．9．3信息流向和设计问题的结构14

1．10优化17

1．10．1通用步骤17

1．10．2简单模型18

1．10．3多变量问题19

1．10．4线性规划20

1．10．5动态规划20

1．10．6间歇式和连续式过程的优化20

参考文献21

术语22

习题22

第2章 物料平衡基础24

2．1概述24

2．2质能方程24

2．3质量守恒24

2．4用于表示组成的单位25

2．5化学计量学26

2．6系统边界的选择27

2．7计算基准的选择29

2．8独立组分数29

2．9流量和组成的约束条件30

2．10一般代数法31

2．11关联组分32

2．12过量试剂33

2．13转化率和产率34

2．14再循环过程36

2．15 净化38

2．16分流39

2．17非稳态计算39

2．18物料平衡问题的一般步骤41

参考文献（扩展阅读）42

术语42

习题42

第3章 能量衡算基础（和能量利用）45

3．1概述45

3．2能量守恒45

3．3能量的形式（每单位质量或物料）45

3．3．1势能45

3．3．2动能46

3．3．3内能46

3．3．4功46

3．3．5热量46

3．3．6电能46

3．4能量平衡46

3．5比焓的计算49

3．6平均比热容50

3．7压力对比热容的影响52

3．8混合物的焓53

3．9焓-浓图54

3．10反应热56

3．11标准生成热59

3．12燃烧热59

3．13气体压缩与膨胀60

3．13．1莫利尔图61

3．13．2多边压缩与膨胀62

3．13．3多级压缩机64

3．13．4电力驱动70

3．14能量平衡计算70

3．15 非稳态能量平衡76

3．16能量回收77

3．16．1热交换78

3．16．2换热器网络78

3．16．3废热锅炉79

3．16．4高温反应器79

3．16．5低级燃料80

3．16．6高压过程物流82

3．16．7热泵83

3．17过程整合和夹点技术84

3．17．1夹点技术85

3．17．2题解表法87

3．17．3换热器网络89

3．17．4最低换热器数91

3．17．5阈值问题92

3．17．6多夹点和多动力设施93

3．17．7过程集成：其他过程操作的集成93

参考文献96

术语97

习题99

第4章 工艺流程图102

4．1概述102

4．2流程图的表示法102

4．2．1方框图102

4．2．2图形表示法103

4．2．3物流流速的表示法103

4．2．4收录信息103

4．2．5设计规划图104

4．2．6数据精度108

4．2．7计算基础108

4．2．8间歇式过程108

4．2．9动力服务设施108

4．2．10设备标识108

4．2．11计算机辅助作图108

4．3手工流程图计算109

4．3．1流程图计算基础110

4．3．2单个单元的流程图计算110

4．4计算机辅助流程图129

4．5全稳态模拟程序129

4．6再循环物流的手工计算132

4．6．1分流分率概念132

4．6．2方法举例134

4．6．3估计分流分率系数的准则141

参考文献143

术语144

习题144

第5章 管道仪表149

5．1概述149

5．2管道仪表流程图149

5．2．1符号和规划图149

5．2．2基本符号150

5．3阀门选择151

5．4泵153

5．4．1泵的选择153

5．4．2管道的压降154

5．4．3泵吸液体的功率条件158

5．4．4离心泵特性曲线160

5．4．5系统曲线（工作曲线）160

5．4．6净正吸入压头（NPSH）161

5．4．7泵和其他杆轴的密封163

5．5管道系统的机械设计164

5．5．1壁厚：管道尺寸清单164

5．5．2管架165

5．5．3管道配件165

5．5．4管道应力165

5．5．5规划与设计166

5．6管道尺寸的选择166

5．7控制与仪表装置173

5．7．1仪表173

5．7．2仪表装置和控制目标173

5．7．3自动控制方案174

5．8典型的控制系统174

5．8．1液面控制174

5．8．2压力控制175

5．8．3流量控制175

5．8．4换热器175

5．8．5级联控制176

5．8．6比率控制177

5．8．7蒸馏塔控制177

5．8．8反应器控制178

5．9报警系统和安全释放机构及互锁装置179

5．10过程控制的计算机和微处理器181

参考文献181

术语182

习题184

第6章 成本核算和工程评价186

6．1概述186

6．2投资成本核算的精度和目的186

6．3固定资本和营运资本187

6．4成本逐增（通货膨胀）187

6．5基建成本快速估算方法189

6．5．1实际成本189

6．5．2计步法190

6．6成本估算的因子加算法191

6．6．1 Lang因子191

6．6．2详细的因子加算法192

6．7设备进货成本估算193

6．8因子加算法的小结197

6．9营运成本198

6．10工程的经济评估206

6．10．1现金流量和现金流量图206

6．10．2税金与折旧207

6．10．3折现现金流量207

6．10．4回报率计算207

6．10．5折现现金流量回报率（DCFRR）208

6．10．6投资回收时间208

6．10．7通货膨胀的处理208

6．10．8敏感性分析208

6．10．9小结209

6．11成本核算和工程评估的计算机辅助方法212

参考文献212

术语212

习题213

第7章 结构材料216

7．1概述216

7．2材料性能216

7．3机械性能217

7．3．1拉伸强度217

7．3．2刚性218

7．3．3韧性218

7．3．4硬度218

7．3．5疲劳218

7．3．6蠕变218

7．3．7温度对机械性能的影响218

7．4耐腐蚀性219

7．4．1均一腐蚀219

7．4．2电化学腐蚀220

7．4．3点蚀221

7．4．4晶间腐蚀221

7．4．5应力效应221

7．4．6磨蚀-腐蚀221

7．4．7高温氧化222

7．4．8氢脆性222

7．5耐腐蚀性的选择222

7．6材料成本223

7．7污染223

7．8常用的结构材料224

7．8．1钢铁224

7．8．2不锈钢225

7．8．3镍227

7．8．4蒙乃尔合金227

7．8．5铬镍铁合金227

7．8．6哈斯特洛依合金227

7．8．7铜和铜合金227

7．8．8铝及其合金227

7．8．9铅228

7．8．10钛228

7．8．11钽228

7．8．12锆228

7．8．13银228

7．8．14金228

7．8．15铂228

7．9化工厂的塑料结构材料228

7．9．1聚氯乙烯（PVC）229

7．9．2聚烯烃229

7．9．3聚四氟乙烯（PTFE）229

7．9．4聚偏氟乙烯（PVDF）230

7．9．5玻璃纤维强化塑料（GRP）230

7．9．6橡胶230

7．10陶瓷材料（硅酸盐材料）230

7．10．1玻璃231

7．10．2粗陶231

7．10．3耐酸砖和瓦片231

7．10．4耐火材料231

7．11碳231

7．12保护性涂层232

7．13耐腐蚀设计232

参考文献232

参考书目233

术语233

习题234

第8章 信息和数据设计236

8．1概述236

8．2生产过程的信息源236

8．3物理性质的通用信息源238

8．4工程数据的精度239

8．5物理性质的预测239

8．6密度240

8．6．1液体240

8．6．2气体和蒸气密度（比容）241

8．7黏度242

8．7．1液体242

8．7．2气体244

8．8热导率245

8．8．1固体245

8．8．2液体245

8．8．3气体245

8．8．4 混合物246

8．9比热容246

8．9．1固体和液体246

8．9．2气体248

8．10蒸发焓（潜热）251

8．11蒸气压253

8．12扩散系数（扩散率）253

8．12．1气体254

8．12．2液体255

8．13表面张力256

8．14临界常数258

8．15 反应焓和生成焓260

8．16相平衡数据260

8．16．1实验数据260

8．16．2相平衡260

8．16．3状态方程261

8．16．4液相活度系数的相关性262

8．16．5气-液平衡的预测266

8．16．6烃类的K值267

8．16．7酸-水体系267

8．16．8高压下的气-液平衡267

8．16．9液-液平衡267

8．16．10设计计算的相平衡选择269

8．16．11气体溶解度270

8．16．12状态方程估算密度和比焓的用途270

参考文献272

参考书目：物理性质的一般来源274

术语275

习题277

第9章 安全与防损措施279

9．1概述279

9．2本质安全和非本质安全279

9．3危险因素280

9．3．1毒性280

9．3．2可燃性282

9．3．3爆炸283

9．3．4火源283

9．3．5离子化辐射284

9．3．6压力285

9．3．7 温度偏移286

9．3．8噪声286

9．4道氏（Dow）火灾爆炸指数287

9．4．1道氏F＆EI指数的计算287

9．4．2潜在损失290

9．4．3基本的预防保护措施292

9．4．4蒙得失火、爆炸以及毒性指数292

9．4．5小结293

9．5风险和可操作性研究295

9．5．1基本原理296

9．5．2引导词的解释296

9．5．3程序和步骤297

9．6风险分析300

9．7可接受风险和安全优先等级301

9．8安全检查列表302

9．9主要风险304

参考文献306

书目307

习题308

第10章 设备的选择、规格与设计309

10．1概述309

10．2分离过程310

10．3固-固分离310

10．3．1筛分（筛选）法311

10．3．2液-固旋流312

10．3．3水力分离器和大小分拣器（分级器）312

10．3．4水簸机313

10．3．5摇床313

10．3．6分级离心机313

10．3．7重介质分离器（沉浮工艺）313

10．3．8浮选分离器313

10．3．9磁力分离器314

10．3．10静电分离器314

10．4液-固（固-液）分离器314

10．4．1增稠器和澄清器315

10．4．2过滤315

10．4．3离心318

10．4．4水力旋风分离器（液体旋风分离器）323

10．4．5加压（压榨）326

10．4．6固体干燥326

10．5溶解固体的分离332

10．5．1蒸发器332

10．5．2结晶334

10．6液-液分离336

10．6．1倾析器（沉降器）336

10．6．2板式分离器339

10．6．3聚结器339

10．6．4离心分离器340

10．7溶解液体的分离340

10．8气-固分离（气体净化）341

10．8．1重力沉降器（沉降室）342

10．8．2撞击式气-液分离器342

10．8．3离心分离器（旋风分离器）342

10．8．4过滤器347

10．8．5 湿式洗涤器（冲洗）348

10．8．6静电沉淀器348

10．9气-液分离器349

10．9．1沉降速率349

10．9．2立式分离器349

10．9．3卧式分离器350

10．10压碎和碾磨（粉碎）设备352

10．11混合设备354

10．11．1气体混合354

10．11．2液体混合354

10．11．3固体和浆料358

10．12物料的传输和储藏359

10．12．1气体359

10．12．2液体361

10．12．3固体362

10．13反应器363

10．13．1反应器的主要类型363

10．13．2设计流程365

参考文献366

参考书目368

术语369

习题371

第11章 分离塔（蒸馏、吸收和萃取）373

11．1概述373

11．2连续蒸馏：工艺描述373

11．2．1回流374

11．2．2进料定位375

11．2．3塔压的选择375

11．3连续蒸馏：基本原则375

11．3．1塔板方程375

11．3．2露点和泡点376

11．3．3闪蒸平衡的计算376

11．4蒸馏设计变量378

11．5二元体系的设计方法380

11．5．1基本方程380

11．5．2 McCabe-Thiele法381

11．5．3低浓度产品383

11．5．4 Smoker方程386

11．6多组分蒸馏：一般要素389

11．6．1关键组分390

11．6．2塔的数量和顺序390

11．7多组分蒸馏：塔板简捷计算法和回流条件391

11．7．1假二元体系391

11．7．2 Smith-Brinkley方法394

11．7．3经验算法395

11．7．4非关键组分的分布（图表法）397

11．8多组分体系：精确求解方法（计算机方法）408

11．8．1 Lewis-Matheson方法409

11．8．2 Thiele-Geddes方法410

11．8．3松弛法410

11．8．4线性代数法410

11．9其他蒸馏体系411

11．9．1间歇蒸馏411

11．9．2水蒸气蒸馏411

11．9．3反应蒸馏412

11．10塔板效率412

11．10．1板效率的预测413

11．10．2 O’Connell’s关系414

11．10．3 Van Winkle’s关系式415

11．10．4 AIChE方法416

11．10．5雾沫夹带418

11．11塔尺寸的近似419

11．12板式接触器419

11．12．1板型的选择420

11．12．2塔板构造421

11．13板液压设计423

11．13．1塔板设计步骤424

11．13．2塔板面积425

11．13．3塔径425

11．13．4液流排布426

11．13．5雾沫夹带426

11．13．6漏液点427

11．13．7堰顶液体的高度427

11．13．8堰的尺寸427

11．13．9孔的面积428

11．13．10孔径428

11．13．11孔间距429

11．13．12液压梯度429

11．13．13液体流程429

11．13．14塔板压降429

11．13．15 降液管设计［储备］430

11．14填充塔438

11．14．1填料类型439

11．14．2填充床高度442

11．14．3传质单元高度（HTU）的预测445

11．14．4塔径（容量）448

11．14．5塔内部构造453

11．14．6润湿速率456

11．15 塔辅助设备456

11．16溶剂萃取（液-液萃取）457

11．16．1萃取装置457

11．16．2萃取器的设计458

11．16．3萃取塔461

11．16．4超临界流体萃取461

参考文献461

术语464

习题469

第12章 换热设备473

12．1概述473

12．2基本的设计过程和理论473

12．3总传热系数475

12．4结垢因素（污垢因素）477

12．5列管式换热器：结构细节477

12．5．1换热器标准和法规480

12．5．2换热管480

12．5．3外壳482

12．5．4管板设计图（换热管的计数）482

12．5．5外壳类型（壳程）483

12．5．6壳、管设计484

12．5．7隔板484

12．5．8支撑板和固定杆485

12．5．9管板485

12．5．10外壳和联管喷嘴486

12．5．11流动诱导的管振动486

12．6平均温差（温度驱动力）486

12．7列管式换热器：一般设计的注意事项490

12．7．1流体分配：壳或管490

12．7．2壳体和管道流速491

12．7．3流体温度491

12．7．4压降491

12．7．5流体物理性质491

12．8管侧传热系数和压降（单相）492

12．8．1传热492

12．8．2管侧压降495

12．9壳侧传热和压降（单相）496

12．9．1流动模式496

12．9．2设计方法497

12．9．3 Kern法497

12．9．4 Bell法514

12．9．5外壳和管束结构521

12．9．6结垢对压降的影响523

12．9．7压降极限523

12．10冷凝器526

12．10．1传热的基本原理526

12．10．2水平换热管外的冷凝作用527

12．10．3立式换热管内外侧的冷凝作用528

12．10．4水平换热管内的冷凝作用531

12．10．5蒸气的冷凝过程531

12．10．6平均温差532

12．10．7脱过热和过冷532

12．10．8混合物的冷凝作用533

12．10．9冷凝器中的压降535

12．11再沸器和蒸发器539

12．11．1沸腾换热的理论基础541

12．11．2池沸腾542

12．11．3对流沸腾544

12．11．4强制循环再沸器的设计547

12．11．5热虹吸式再沸器547

12．11．6釜式再沸器设计554

12．12板式换热器558

12．12．1垫片板式换热器558

12．12．2焊接板换热器564

12．12．3板翅式换热器564

12．12．4螺旋式换热器564

12．13直接接触式换热器565

12．14翅管式换热器566

12．15 套管换热器567

12．16空冷式换热器567

12．17明火加热器（熔炉和锅炉）567

12．17．1基本结构568

12．17．2设计569

12．17．3传热569

12．17．4压降570

12．17．5过程侧的传热和压降570

12．17．6烟道设计570

12．17．7热效率571

12．18容器的热传递571

12．18．1夹套容器571

12．18．2内部螺旋管573

12．18．3搅拌容器573

参考文献576

书目579

术语580

习题585

第13章 化工设备的机械设计589

13．1概述589

13．2压力容器的规范和标准590

13．3基本原理和方程590

13．3．1主应力591

13．3．2断裂理论591

13．3．3弹性稳定性592

13．3．4旋转壳中的膜应力592

13．3．5平板596

13．3．6容器的膨胀598

13．3．7次应力599

13．4一般设计注意事项：压力容器599

13．4．1设计压力599

13．4．2设计温度600

13．4．3材料600

13．4．4设计应力（标准设计强度）600

13．4．5焊接接头的效率和结构类目601

13．4．6腐蚀裕量601

13．4．7设计载荷602

13．4．8最小壁厚602

13．5内压薄壁容器的设计602

13．5．1圆柱形和球形外壳602

13．5．2封头和封盖603

13．5．3平板盖的设计604

13．5．4球形圆顶封盖的设计604

13．5．5圆锥部分和端盖605

13．6开口和分支的补偿607

13．7承外压容器的设计608

13．7．1圆柱形壳608

13．7．2加强环的设计610

13．7．3容器封盖610

13．8承受组合载荷的容器设计612

13．8．1重量载荷615

13．8．2风载荷（高塔容器）616

13．8．3地震载荷617

13．8．4偏心荷载（高容器）618

13．8．5扭矩618

13．9容器支座621

13．9．1鞍形支座621

13．9．2裙支座624

13．9．3托臂支座629

13．10拴接法兰接头630

13．10．1法兰类型和选择630

13．10．2密封衬垫631

13．10．3法兰面632

13．10．4法兰设计633

13．10．5标准法兰635

13．11换热器管板636

13．12焊接接头设计638

13．13容器的疲劳评价639

13．14压力试验639

13．15 高压容器640

13．15．1基本方程640

13．15．2复合容器642

13．15．3自应力加工643

13．16液体储存容器644

13．17离心机的机械设计644

13．17．1离心机压力644

13．17．2转鼓和心轴的运动：临界转速645

参考文献647

书目648

标准648

术语649

习题654

第14章 工厂选址的常规因素657

14．1概述657

14．2工厂选址和场地选择657

14．3工地规划659

14．4工艺过程的布局660

14．5动力设施663

14．6环境因素664

14．6．1废物管理665

14．6．2噪声667

14．6．3视觉效应667

14．6．4立法667

14．6．5环境评价667

参考文献668

附录A669

附录B675

附录C694

附录D725

附录E727

附录F731

附录G751

附录H754