化工设计 Chemical Engineering Design(FOURTH EDITION)PDF电子书下载

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A 669

附录B 675

附录C 694

附录D 725

附录E 727

附录F 731

附录G 751

附录H 754