产品与过程设计原理 合成、分析与评估 synthesis， analysis， and evaluationPDF电子书下载

第一篇 产品和过程的创新——试探规则和分析 3

第1章 设计过程 3

1.0 本章目的 3

1.1 设计的机遇 3

1.1.1 设计团队 5

1.2 产品和过程设计的步骤 5

1.2.1 初始问题的创建和审查 8

1.2.2 发现具有所需性质和性能的化学品或化学品混合物 14

1.2.3 过程创建 15

1.2.4 基本案例过程的开发 15

1.2.5 利用算法进行详细过程合成 17

1.2.6 全装置范围的可控性评价 17

1.2.7 详细设计、设备尺寸确定和优化——定型产品设计 17

1.2.8 书面设计报告和口头陈述 19

1.2.9 装置设计、施工、开车和运转 19

1.2.10 小结 19

1.3 环境保护 20

1.3.1 环境问题 20

1.3.2 过程设计中的环境因素 22

1.3.3 环境设计问题 24

1.4 安全考虑 25

1.4.1 安全问题 26

1.4.2 安全化工装置的设计方法 29

1.5 工程伦理 30

1.6 计算机的作用 36

1.6.1 电子表格 38

1.6.2 数学软件包 38

1.6.3 过程模拟软件 38

1.6.4 计算指南 39

1.7 本章小结 39

参考文献 40

第2章 分子结构设计 42

2.0 本章目的 42

2.1 引言 43

2.1.1 药品的产品设计 44

2.2 特性评估方法 45

2.2.1 计算机数据库 45

2.2.2 性质估算 46

2.2.3 聚合物性质估算 47

2.2.4 微观模拟 48

2.3 优化确定分子结构 49

2.3.1 聚合物设计 50

2.3.2 制冷剂设计 53

2.3.3 溶剂设计 56

2.3.4 用于暖手器的溶质 60

2.4 本章小结 61

参考文献 61

习题 63

第3章 过程创建 64

3.0 本章目的 64

3.1 引言 64

3.2 初始数据库的创建 65

3.2.1 热物理性质数据 65

3.2.2 环境和安全数据 69

3.2.3 化学品价格 70

3.2.4 小结 70

3.3 实验 70

3.4 初步的过程合成 71

3.4.1 化学状态 72

3.4.2 过程操作单元 72

3.4.3 合成步骤 74

3.4.4 连续或间歇加工 75

3.4.5 过程合成案例：氯乙烯的生产 75

3.4.6 合成树（1） 85

3.4.7 试探研究 85

3.4.8 过程合成案例：组织血纤维蛋白溶酶原活化剂（tPA）的生产 86

3.4.9 合成树（2） 96

3.4.10 算法 97

3.5 基础方案设计的开发 97

3.5.1 流程图 97

3.5.2 过程集成 102

3.5.3 详细数据库 103

3.5.4 中间试验 104

3.5.5 过程模拟 104

3.6 本章小结 105

参考文献 105

习题 106

第4章 模拟辅助过程创建 108

4.0 本章目的 108

4.1 引言 109

4.2 定态流程模拟的原则 110

4.2.1 工艺流程和模拟流程 110

4.2.2 单元子程序 122

4.2.3 计算顺序 128

4.2.4 循环 128

4.2.5 循环收敛方法 135

4.2.6 有循环的闪蒸问题 137

4.2.7 闪蒸罐控制 138

4.2.8 面向方程法的结构体系 138

4.3 甲苯加氢脱烷基过程的合成 139

4.3.1 过程模拟 142

4.4 氯苯分离过程的定态模拟 145

4.4.1 过程模拟软件的应用 146

4.5 间歇流程模拟的原则 147

4.5.1 工艺流程和模拟流程 148

4.5.2 设备模型 149

4.6 本章小结 157

参考文献 157

习题 158

第5章 过程合成的试探研究 165

5.0 本章目的 165

5.1 引言 166

5.2 原料和化学反应 167

5.3 化学品的分配 168

5.3.1 惰性组分 169

5.3.2 排放物流 172

5.3.3 循环至完全消失 174

5.3.4 选择性 175

5.3.5 反应分离 177

5.3.6 最优转化率 178

5.4 分离 178

5.4.1 涉及液相和气相混合物的分离 178

5.4.2 涉及固体颗粒的分离 180

5.5 反应器的移热和加热 181

5.5.1 放热反应器的移热 182

5.5.2 吸热反应器的加热 185

5.6 热交换器和加热炉 186

5.7 泵送、压缩、减压、抽真空和固体输送 188

5.7.1 提高压力 188

5.7.2 降低压力 190

5.7.3 泵送液体或压缩气体 191

5.7.4 抽真空 192

5.7.5 输送颗粒固体 192

5.7.6 改变颗粒固体的压力 193

5.8 改变固体的颗粒大小和颗粒的分级 193

5.9 从气体和液体中分离颗粒 195

5.10 本章小结 195

参考文献 199

习题 199

第二篇 详细过程合成——算法 205

第6章 反应器设计和反应器网络合成 205

6.0 本章目的 205

6.1 反应器模型 205

6.1.1 反应化学计量学 206

6.1.2 反应程度 206

6.1.3 平衡 207

6.1.4 动力学 209

6.1.5 理想反应动力学模型——连续搅拌釜式反应器（CSTR）和活塞流反应器（PFR） 210

6.2 复杂结构的反应器设计 213

6.3 利用可达到区域法进行反应器网络设计 219

6.3.1 可达到区域的构成 221

6.3.2 反应不变因子原理 225

6.4 本章小结 228

参考文献 228

习题 229

第7章 分离序列合成 231

7.0 本章目的 231

7.1 引言 231

7.1.1 进料分离系统 232

7.1.2 反应器出料的相分离 232

7.1.3 工业分离操作 238

7.2 分离方法选择判据 241

7.2.1 进料相状态作为判据 241

7.2.2 分离因子作为判据 242

7.2.3 分离理由作为判据 245

7.3 设备选择 245

7.3.1 吸收、气提和精馏 245

7.3.2 液-液萃取 246

7.3.3 膜分离 246

7.3.4 吸附 246

7.3.5 浸取 246

7.3.6 结晶 246

7.3.7 干燥 246

7.4 用于近似理想流体混合物分离的常规精馏塔序列 247

7.4.1 塔压和冷凝器类型 247

7.4.2 常规精馏塔序列数 247

7.4.3 确定最有利序列的试探规则 250

7.4.4 边际气相流率法 252

7.4.5 复杂和热耦合精馏塔 253

7.5 非理想流体混合物分离的操作序列 257

7.5.1 共沸 257

7.5.2 残余曲线 261

7.5.3 简单精馏边界 264

7.5.4 精馏塔 264

7.5.5 精馏线 265

7.5.6 多组分混合物的共沸计算 266

7.5.7 精馏线边界和可行产物组成 267

7.5.8 非均相精馏 269

7.5.9 多重定态 273

7.5.10 变压精馏 275

7.5.11 膜、吸附器和辅助分离器 278

7.5.12 反应精馏 278

7.5.13 分离序列合成 280

7.6 气体混合物的分离系统 286

7.6.1 利用气体渗透的膜分离 287

7.6.2 吸附 288

7.6.3 吸收 288

7.6.4 部分冷凝和深冷精馏 289

7.7 固体-流体系统的分离序列 289

7.8 本章小结 291

参考文献 291

习题 294

第8章 反应器-分离器-循环网络 302

8.0 本章目的 302

8.1 引言 302

8.2 确定分离工段相对于反应工段的位置 303

8.3 涉及循环物流的过程中的协调 307

8.4 最优反应器转化率 308

8.5 循环至完全消失 310

8.6 涉及循环物流的过程控制中的雪球效应 313

8.7 本章小结 313

参考文献 313

习题 314

第9章 热力学第二定律分析 316

9.0 本章目的 316

9.1 引言 316

9.2 系统和环境 319

9.3 能量传递 320

9.4 热力学性质 322

9.4.1 典型熵变 323

9.4.2 热力学有效能 324

9.4.3 典型的有效能变化 326

9.5 用于第二定律分析的方程 328

9.6 损失功计算的例子 332

9.7 热力学效率 335

9.8 功损失的原因 336

9.9 第二定律分析的三个例子 337

9.10 本章小结 349

参考文献 349

习题 350

第10章 热和功集成 359

10.0 本章目的 359

10.1 引言 360

10.2 最小公用工程目标 362

10.2.1 温度区间（TI）法 364

10.2.2 复合曲线法 367

10.2.3 线性规划法 369

10.3 最大能量回收网络 374

10.3.1 挟点处的物流匹配 374

10.3.2 混合整数线性规划 379

10.4 热交换器的最小数目 384

10.4.1 减少热交换器的数目——切断热量回路 384

10.4.2 减少热交换器的数目——物流分裂 389

10.5 温度差阈值 392

10.6 最优温度差 394

10.7 年度费用最小化的超结构 397

10.8 多公用工程 401

10.8.1 借助主复合曲线设计HENs 401

10.9 热集成精馏序列 405

10.9.1 操作压力的影响 405

10.9.2 多效精馏 408

10.9.3 热泵、蒸气再压缩和再沸器闪蒸 409

10.10 热机和热泵 411

10.10.1 确定热机和热泵的适当位置 414

10.10.2 最优设计 416

10.11 本章小结 419

10.11.1 热集成软件 420

参考文献 420

习题 421

第11章 质量集成 430

11.0 本章目的 430

11.1 引言 430

11.2 最小质量分离剂 432

11.2.1 对相平衡的趋近 433

11.2.2 浓度区间（CI）法 433

11.2.3 复合曲线法 437

11.3 获得最小外部MSA的质量交换网络 440

11.3.1 挟点处的物流匹配 440

11.3.2 挟点处的物流分裂 441

11.4 质量交换器的最小数目 443

11.4.1 减少质量交换器的数目——切断质量回路 444

11.5 高级课题 445

11.6 本章小结 445

参考文献 446

习题 446

第12章 间歇过程的最优设计和操作程序 449

12.0 本章目的 449

12.1 引言 449

12.2 间歇过程单元的设计 451

12.2.1 间歇加工 451

12.2.2 进料-间歇加工 452

12.2.3 间歇-产物排出 454

12.3 反应器-分离器过程设计 456

12.4 单一产品加工顺序设计 460

12.4.1 间歇过程的循环时间 461

12.4.2 中间贮存 463

12.4.3 间歇过程的批处理量 463

12.5 多种产品加工顺序设计 464

12.5.1 多种产品装置的加工顺序确定和设计 465

12.6 本章小结 466

参考文献 466

习题 467

第三篇 详细设计、设备尺寸确定和优化——定型产品设计 471

第13章 换热器的设计 471

13.0 本章目的 471

13.1 引言 471

13.1.1 热负荷 472

13.1.2 传热介质 473

13.1.3 传热温差推动力 476

13.1.4 压降 480

13.2 换热设备 481

13.2.1 套管式换热器 481

13.2.2 管壳式换热器 484

13.2.3 空气冷却式换热器 489

13.2.4 紧凑型换热器 490

13.2.5 加热炉 492

13.2.6 管壳式换热器中的温差推动力 492

13.3 传热系数与压降 497

13.3.1 传热总系数的估算 497

13.3.2 传热分系数和摩擦压降的估算 498

13.3.3 光滑直管、渠和圆管中的湍流 500

13.3.4 圆截面光滑直同心管之间环形区域中的湍流 501

13.3.5 管壳式换热器壳程的湍流 502

13.3.6 层流、冷凝、沸腾和紧凑型换热器的传热系数 503

13.4 管壳式换热器的设计 504

13.5 本章小结 509

参考文献 509

习题 510

第14章 分离塔的设计 513

14.0 本章目的 513

14.1 操作条件 513

14.2 用于普通蒸馏的Fenske-Undcrwood-Gilliland（FUG）捷算法 515

14.3 用于吸收和解吸的Kremser捷算法 516

14.4 应用模拟软件的多组分多平衡级严格计算法 518

14.5 板效率和等板高度 521

14.6 塔径 522

14.6.1 板式塔 522

14.6.2 填料塔 524

14.7 压降和漏液 525

14.8 本章小结 528

参考文献 529

习题 529

第15章 泵、压缩机和膨胀机 531

15.0 本章目的 531

15.1 泵 531

15.1.1 离心泵 532

15.1.2 正位移泵 535

15.1.3 模拟软件中泵的模型 536

15.2 压缩机和膨胀机 538

15.2.1 离心式压缩机 538

15.2.2 正位移压缩机 539

15.2.3 膨胀机 540

15.2.4 模拟软件中的压缩机和膨胀机模型 540

15.3 本章小结 542

参考文献 542

习题 543

第16章 费用会计学和投资估算 544

16.0 本章目的 544

16.1 会计学 544

16.1.1 借方和贷方 545

16.1.2 年度报告 546

16.1.3 资产负债表 546

16.1.4 损益表 549

16.1.5 现金流报表 550

16.1.6 财务比率分析 551

16.1.7 费用会计学 553

16.2 大宗化学品的费用指数和投资 554

16.2.1 费用指数 555

16.2.2 大宗化学品 557

16.2.3 规模经济和十分之六因子 558

16.2.4 大宗化学品的典型装置产能和投资 559

16.3 投资费用 560

16.3.1 直接材料和人工（M＆L） 563

16.3.2 间接费用 564

16.3.3 其他投资费用 565

16.3.4 投资估算案例 569

16.4 总投资估算 570

16.4.1 方法1——数量级估算（以Hill法为基础，1956年） 571

16.4.2 方法2——研究估算（以Lang的总因子法为基础，1947a，b，1948年） 573

16.4.3 方法3——初步估算（以Guthrie的个别因子法为基础，1969年，1974年） 575

16.5 使用最广泛的过程设备的购置费用 578

16.5.1 泵和电动机 579

16.5.2 泵和电动机的购置费用 581

16.5.3 通风机、鼓风机和压缩机 587

16.5.4 换热器 595

16.5.5 火焰加热器 598

16.5.6 压力容器和用于精馏、吸收和解吸的塔 599

16.6 其他化工设备的购置费用 609

16.6.1 吸附设备 609

16.6.2 搅拌器（螺旋桨和涡轮） 610

16.6.3 高压釜 610

16.6.4 结晶器 610

16.6.5 电动机以外的驱动机 611

16.6.6 干燥器 611

16.6.7 除尘器 612

16.6.8 蒸发器 613

16.6.9 特殊用途的火焰加热器 613

16.6.10 液-液萃取器 613

16.6.11 膜分离 614

16.6.12 用于粉末、浆料和捏塑体的混合器 615

16.6.13 动力回收 615

16.6.14 筛 615

16.6.15 造粒 616

16.6.16 粉碎设备 616

16.6.17 固液分离设备（增稠器、澄清器、过滤器、离心机和压榨机） 616

16.6.18 固体处理系统 619

16.6.19 贮槽和容器 622

16.6.20 真空系统 623

16.6.21 废水处理 633

16.7 利用Aspen Icarus过程评价软件（IPE）确定设备尺寸估算设备费用 633

16.8 本章小结 639

参考文献 640

习题 641

第17章 年度费用、收入和利润率分析 647

17.0 本章目的 647

17.1 引言 647

17.2 年度销售收入、生产费用和费用表 649

17.2.1 销售收入 650

17.2.2 原材料 651

17.2.3 公用工程 651

17.2.4 与操作有关的人工O 658

17.2.5 维修费用M 659

17.2.6 经营间接费用 660

17.2.7 财产税和保险 660

17.2.8 折旧D 661

17.2.9 生产费用COM 661

17.2.10 总生产费用C 661

17.2.11 税前（毛）收入和税后（净）收入（利润） 663

17.3 经营资本和总投资 664

17.4 近似的利润率指标 665

17.4.1 投资收益（ROI） 666

17.4.2 还本期（PBP） 666

17.4.3 风险利润（VP） 667

17.4.4 年度化费用（C∧） 668

17.4.5 能够赢利的产品销售价 669

17.5 金钱的时间价值 670

17.5.1 复利 670

17.5.2 名义利率和实际利率 672

17.5.3 连续复利 673

17.5.4 年金 674

17.5.5 年金的现值 678

17.5.6 比较可供选择的设备采购 679

17.6 现金流和折旧 681

17.6.1 折旧 682

17.6.2 消耗 688

17.7 严格的利润率指标 690

17.7.1 净现值（NPV） 691

17.7.2 投资者收益率（IRR或DCFRR） 691

17.7.3 通货膨胀 693

17.8 利润分析表 695

17.8.1 应用利润分析-1.0.xls的一般介绍 695

17.9 本章小结 712

参考文献 713

习题 713

第18章 工艺流程的最优化 720

18.0 本章目的 720

18.1 引言 720

18.2 优化问题的通用表述 721

18.2.1 目标函数和决策变量 722

18.2.2 等式约束 722

18.2.3 不等式约束 722

18.2.4 下限和上限 723

18.3 优化问题的分类 723

18.4 线性规划（LP） 727

18.5 单变量非线性规划（NLP） 729

18.5.1 黄金分割搜索 730

18.6 梯度法用于含两个或两个以上决策变量的非线性规划（NLP）的条件 734

18.6.1 一般构成 734

18.6.2 静止条件 734

18.6.3 静止方程的求解 735

18.7 优化算法 736

18.7.1 反复模拟 738

18.7.2 不可行途径法 739

18.7.3 折衷法 739

18.7.4 流程优化的实际问题 739

18.8 流程优化——案例研究 740

18.9 本章小结 743

参考文献 744

习题 745

第19章 产品设计 748

19.0 本章目的 748

19.1 设计工业产品和消费产品的步骤 748

19.1.1 产品设计和制造的六西格玛 750

19.2 血液透析设备 754

19.3 太阳能脱盐装置 760

19.4 暖手器 763

19.4.1 GRABBER MYCOAL暖手器 763

19.4.2 Zap Pak贮热器 764

19.5 多层聚合物镜面 766

19.6 集成电路（IC）制造中多晶硅的化学气相淀积（CVD） 767

19.6.1 初始离解 767

19.7 杀菌表面 772

19.8 防昆虫腕套 772

19.9 汽车燃料电池 773

19.10 环境安全冷冻剂 776

19.11 本章小结 778

参考文献 778

习题 780

第四篇 全装置范围可控性评估 785

第20章 过程设计和过程控制的相互作用 785

20.0 本章目的 785

20.1 引言 785

20.2 控制系统构成 789

20.2.1 过程变量分类 790

20.2.2 被控制（输出）变量的选择 790

20.2.3 操纵变量的选择 791

20.2.4 测量变量的选择 791

20.2.5 自由度分析 791

20.3 定性全装置范围控制系统合成 797

20.4 本章小结 807

参考文献 807

习题 808

第21章 流程可控性分析 811

21.0 本章目的 811

21.1 标准形式线性模型的产生 812

21.2 可控性和缓冲性的定量指标 815

21.2.1 定态RGA（Bristol，1966年） 816

21.2.2 定态RGA的性质 818

21.2.3 动态RGA（McAvoy，1983年） 818

21.2.4 RGA作为过程对不确定性的灵敏度的度量 825

21.2.5 利用扰动成本评估对扰动的缓冲性 825

21.3 流程的C＆R的自动化诊断前景 829

21.3.1 简捷C＆R诊断 829

21.3.2 产生低阶动态模型 830

21.3.3 定态增益矩阵，？ 830

21.3.4 动态矩阵，？｛s｝ 830

21.4 控制器回路定义和调节 838

21.4.1 PID控制回路的定义 839

21.4.2 控制器调节 840

21.4.3 基于模型的PI控制器调节 840

21.5 案例研究 842

21.5.1 案例研究21.1——生产丙二醇的放热反应器的设计（重做例21.1） 842

21.5.2 案例研究21.2——可供选择的两种换热器网络（重做例20.1和21.5） 848

21.5.3 案例研究21.3——MCB分离过程中设计和控制的相互作用 854

21.6 用于C＆R分析的MATLAB 862

21.7 本章小结 865

参考文献 867

习题 868

第五篇 设计报告 875

第22章 书面报告和口头陈述 875

22.0 本章目的 875

22.1 书面报告的内容 876

22.1.1 报告的开头部分 876

22.1.2 过程设计报告的其余部分 877

22.1.3 产品设计报告的其余部分 881

22.1.4 书面报告的准备 882

22.1.5 设计报告样本 884

22.2 口头的设计陈述 885

22.2.1 典型陈述 885

22.2.2 用于陈述的媒体 885

22.2.3 陈述的演练 886

22.2.4 供散发的书面材料 886

22.2.5 口头陈述的评价 886

22.2.6 录像带和DVD 887

22.3 竞奖 887

22.4 本章小结 887

参考文献 889

附录 890

附录Ⅰ 非均相系统的残余曲线 890

附录Ⅱ 设计习题陈述 891

A-Ⅱ.0 目录和介绍 891

A-Ⅱ.1 石油化工产品 894

A-Ⅱ.2 石油产品 908

A-Ⅱ.3 气体制造 909

A-Ⅱ.4 食品 914

A-Ⅱ.5 药品 916

A-Ⅱ.6 聚合物 918

A-Ⅱ.7 环境——大气质量 923

A-Ⅱ.8 环境——水处理 933

A-Ⅱ.9 环境——土壤处理 937

A-Ⅱ.10 其他环境问题 940

附录Ⅲ 结构材料 947

附录Ⅳ 本书部分非SI制单位意义及换算 949

作者索引 950

主题索引 957