化学工程 卷Ⅵ S1单位，化工设计导论PDF电子书下载

第一章 设计导论 1

1.1 引言 1

1.2 设计的性质 1

1.2.1 设计的目标(需要) 2

1.2.2 资料收集 2

1.2.3 产生有可能性的设计答案 2

1.2.4 选择 3

1.3 对化工生产过程的剖析 4

1.4 化工设计项目的组织 5

1.5 工程项目的文件 6

1.6 规范与标准 8

1.7 安全系数(设计因子) 9

1.8 单位制 9

1.9 自由度和设计变量·设计问题的数学表达法 10

1.9.1 信息流和设计变量 10

1.9.2 设计变量的选择 13

1.9.3 信息流和设计问题的结构 13

1.10 优化 16

1.10.1 总程序 16

1.10.2 简单模型 17

1.10.3 多变问题 17

1.10.4 线性规划 18

1.10.5 动态规划 18

1.10.6 间歇式与半连续工艺过程的优化 18

1.11 参考文献 19

1.12 符号说明 20

第二章 物料平衡基本原理 21

2.1 引言 21

2.2 质量与能量的相当性 21

2.3 质量守恒 21

2.4 表示组成的单位 22

2.5 化学计算 23

2.6 系统边界的选择 23

2.7 计算基准的选择 25

2.8 独立组分的个数 26

2.9 流量和组成的约束因素 26

2.10 一般代数法 27

2.11 连结组分 28

2.12 过量反应物 30

2.13 转化率和收率 30

2.14 循环工艺过程 33

2.15 排放 35

2.16 旁路 36

2.17 不稳定状态的计算 36

2.18 处理物料平衡问题的一般步骤 38

2.19 参考文献(进一步的读物) 38

2.20 符号说明 39

第三章 能量平衡的基本原理 40

3.1 引言 40

3.2 能量守恒 40

3.3 能量的形态(每单位物质的物料) 40

3.3.1 势能 40

3.3.2 动能 40

3.3.3 内能 41

3.3.4 功 41

3.3.5 热 41

3.3.6 电能 41

3.4 能量平衡 41

3.5 比焓的计算 44

3.6 平均热容 45

3.7 压力对热容的影响 46

3.8 混合物的热焓 48

3.8.1 积分溶解热 48

3.9 热焓-浓度图 50

3.10 反应热 50

3.10.1 压力对反应热的影响 51

3.11 标准生成热 53

3.12 燃烧热 54

3.13 气体的压缩和膨胀 55

3.13.1 Mollier图 55

3.13.2 多变压缩和膨胀 57

3.13.3 电驱动设备 61

3.14 简单能量平衡程序 62

3.15 不稳定状态能量平衡 65

3.16 能最回收 66

3.16.1 热交换 67

3.16.2 热交换器网络 67

3.16.3 废热锅炉 67

3.16.4 高温反应器 68

3.16.5 低品位燃料 69

3.16.6 高压工艺物流 71

3.17 参考文献 73

3.18 符号说明 73

第四章 流程图的编制 76

4.1 引言 76

4.2 流程图的表示方法 76

4.2.1 方块流程图 76

4.2.2 图例 76

4.2.3 物流流量的表示 77

4.2.4 图中应包括的资料 77

4.2.5 流程图的布置 79

4.2.6 资料的精确度 79

4.2.7 计算的基础 80

4.2.8 间歇式工艺过程 80

4.2.9 公用工程 80

4.2.10 设备的标识 80

4.3 流程图的手工计算 80

4.3.1 流程计算的基准 81

4.3.2 单个设备的流程图计算 81

4.4 计算机辅助编制流程图 102

4.5 全稳态的模拟程序 102

4.5.1 信息流程图 103

4.6 简单的物料平衡程序 104

4.6.1 简单物料平衡程序的开发 104

4.6.2 例证 106

4.6.3 估算分流分率系数的导则 111

4.6.4 MASSBAL，质量平衡程序 112

4.7 参考文献 114

4.8 符号说明 114

第五章 管道及仪表流程图 116

5.1 引言 116

5.2 P&I图 116

5.2.1 符号与布置 116

5.2.2 基本符号 116

5.3 阀的选择 117

5.4 泵 120

5.5 管道系统的机械设计 122

5.5.1 壁厚：管子表号 122

5.5.2 管架 122

5.5.3 管件 122

5.5.4 管道应力 123

5.6 管道尺寸的选择 123

5.7 控制和仪表 130

5.7.1 仪表 130

5.7.2 仪表和控制目标 131

5.7.3 自动控制方案 131

5.8 典型的控制系统 132

5.8.1 液面控制 132

5.8.2 压力控制 132

5.8.3 流量控制 133

5.8.4 换热器 133

5.8.5 串级控制 134

5.8.6 比例控制 134

5.8.7 蒸馏塔的控制 134

5.8.8 反应器的控制 135

5.9 报警、安全自动断开和联锁 137

5.10 参考文献 138

5.11 符号说明 138

第六章 估价与工程项目评价 140

6.1 引言 140

6.2 投资估算的准确度与目的 140

6.3 固定投资与流动资金 140

6.4 价格的上升(通货膨胀) 141

6.5 快速投资估算法 143

6.6 因子法估价 145

6.6.1 Lang氏因子 145

6.6.2 详细因子估价 145

6.7 购买设备的估价 147

6.8 因子法摘要 151

6.9 操作费用(Operating Cost) 151

6.9.1 操作费用的估算 152

6.10 工程项目的经济评价 158

6.10.1 现金流量和现金流量图 158

6.10.2 税金和折旧 159

6.10.3 折现现金流量(货币的时值) 159

6.10.4 回收率的计算 159

6.10.6 折现现金流量的目收率(DCFRR) 160

6.10.6 偿还期 160

6.10.7 考虑通货膨胀 160

6.10.8 敏感性分析 161

6.10.9 摘要 161

6.11 参考文献 164

6.12 符号说明 164

第七章 结构材料 166

7.1 引言 166

7.2 材料性能 166

7.3 机械性能 167

7.3.1 拉伸强度 167

7.3.2 刚性 167

7.3.3 韧性 167

7.3.4 硬度 168

7.3.5 疲劳 168

7.3.6 蠕变 168

7.3.7 温度对机械性能的影响 168

7.4 耐腐蚀性 168

7.4.1 均匀腐蚀 169

7.4.2 电化腐蚀 170

7.4.3 点蚀 171

7.4.4 晶间腐蚀 171

7.4.5 应力的影响 171

7.4.6 磨蚀-腐蚀 172

7.4.7 高温氧化 172

7.4.8 氢脆 172

7.6 耐腐蚀性能的选择 172

7.6 材料价格 173

7.7 污染 174

7.8 通常使用的结构材料 174

7.8.1 钢铁 174

7.8.2 不锈钢 175

7.8.3 镍 177

7.8.4 蒙乃尔合金(Monel) 177

7.8.5 因康镍(Inconel) 177

7.8.6 海氏合金(Hastelloy) 177

7.8.7 铜及铜合金 177

7.8.8 铝及铝合金 177

7.8.9 铅 177

7.8.10 钛 177

7.8.11 钽 178

7.9 作为建造化工装置的材料——塑料 178

7.9.1 聚氯乙烯(PVC) 178

7.9.2 聚烯烃 179

7.9.3 聚四氟乙烯(PTFE) 179

7.9.4 玻璃钢(GRP) 179

7.9.5 橡胶 179

7.10 陶瓷材料(硅酸盐材料) 179

7.10.1 玻璃 180

7.10.2 陶瓷 180

7.10.3 耐酸砖 180

7.10.4 耐火材料(耐热材料) 180

7.11 石墨 180

7.12 保护涂层 181

7.13 耐腐蚀结构设计 181

7.14 参考文献 181

7.15 符号说明 184

第八章 设计资料和资料 185

8.1 引言 185

8.2 生产工艺资料的来源 185

8.3 物性的一般来源 186

8.4 工程资料需要的准确性 186

8.5 物性的推算 187

8.6 密度 188

8.6.1 液体 188

8.6.2 气体和蒸气的密度(比容) 189

8.7 粘度 189

8.7.1 液体 189

8.7.2 气体 192

8.8 导热率 192

8.8.1 固体 192

8.8.2 液体 192

8.8.3 气体 193

8.8.4 混合物 193

8.9 比热 194

8.9.1 固体和液体 194

8.9.2 气体 196

8.10 气化热焓(潜热) 197

8.10.1 混合物 200

8.11 蒸气压 201

8.12 扩散系数 201

8.12.1 气体 201

8.12.2 液体 203

8.13 表面张力 204

8.13.1 混合物 205

8.14 临界常数 206

8.15 反应热焓和生成热焓 208

8.16 相平衡资料 208

8.16.1 汽-液平衡资料(vle) 208

8.16.2 液相活度系数的关联 210

8.16.3 汽-液平衡的推算 211

8.16.4 烃类的K值 213

8.16.5 高压下的汽-液平衡 214

8.16.6 液-液平衡 214

8.16.7 气体溶解度 214

8.17 参考文献 214

8.18 符号说明 216

第九章 安全和预防损失 218

9.1 引言 218

9.2 本质和非本质安全 218

9.3 危险 219

9.3.1 毒性 219

9.3.2 可燃性 220

9.3.3 爆炸 221

9.3.4 燃烧源 221

9.3.5 离子辐射 222

9.3.6 压力 222

9.3.7 温度偏差 223

9.3.8 噪声 223

9.4 “Dow”火灾和爆炸指数 224

9.4.1. “Dowv火灾和爆炸指数的计算 224

9.4.2 防护措施(P&P)的选择 227

9.4.3 Mond-Dow指数 230

9.4.4 小结 230

9.5 危险性和可操作性研究 232

9.5.1 基本原则 232

9.5.2 引导字码的解释 233

9.5.3 步骤 234

9.6 危险性分析 237

9.7 可以接受的风险和安全优先 238

9.8 安全核查表 239

9.9 参考文献 241

9.10 符号说明 243

第十章 设备选择、规格要求和设计 244

10.1 引言 244

10.2 分离过程 244

10.3 固-固分离 245

10.3.1 筛分 245

10.3.2 液-固旋流器 247

10.3.3 水力分离器和筛子(分选器) 247

10.3.4 水力淘簸筛 247

10.3.5 淘选台 248

10.3.6 分选离心机 248

10.3.7 浓稠介质分离器(浮沉法) 248

10.3.8 浮选分离器(泡沫浮选) 248

10.3.9 磁选机 249

10.3.10 静电分离器 249

10.4 液-固(固-液)分离器 249

10.4.1 增稠器和澄清器 250

10.4.2 过滤 250

10.4.3 离心机 254

10.4.4 旋液分离器(液体旋流器) 259

10.4.5 压榨(挤出) 262

10.4.6 固体干燥 262

10.5 溶解固体的分离 267

10.5.1 蒸发器 268

10.5.2 结晶器 270

10.6 液-液分离 272

10.6.1 倾析器(澄清器) 272

10.6.2 板式分离器 275

10.6.3 聚结器 276

10.6.4 离心分离机 276

10.7 溶解液体的分离 276

10.7.1 溶剂萃取(液-液萃取) 276

10.8 气-固分离(气体净化) 277

10.8.1 重力沈降(沉降槽) 278

10.8.2 撞击式分离器 278

10.8.3 离心分离器(旋风分离器) 278

10.8.4 过滤器 284

10.8.5 湿式洗涤器(洗涤) 284

10.8.6 静电除尘器 285

10.9 气-液分离器 285

10.10 破碎与研磨设备 287

10.11 混合设备 289

10.11.1 气体混合 289

10.11.2 液体混合 289

10.11.3 固体和膏状物 293

10.12 物料的输送与贮存 294

10.12.1 气体 295

10.12.2 液体 297

10.12.3 固体 297

10.13 反应器 299

10.13.1 主要类型的反应器 299

10.13.2 设计步骤 301

10.14 参考文献 302

10.15 符号说明 304

第十一章 分离塔(蒸馏与吸收) 306

11.1 引言 306

11.2 连续蒸馏的过程说明 306

11.2.1 关于回流方面的考虑 307

11.2.2 进料点位置 308

11.2.3 塔压选择 308

11.3 连续蒸馏的基本原理 308

11.3.1 平衡级方程 308

11.3.2 露点和泡点 309

11.3.3 平衡闪蒸的计算 309

11.4 蒸馏中的设计变量 311

11.5 二元系统的设计方法 312

11.5.1 基本方程 313

11.5.2 McCabe-Thiele法 314

11.5.3 低浓度产品 316

11.5.4 Smoker方程 319

11.6 多组分蒸馏的一般原理 323

11.6.1 关键组分 323

11.6.2 塔数 324

11.7 多组分蒸馏、板数和回流比的简捷计算法 324

11.7.1 虚拟二元系统 324

11.7.2 Smith-Brinkley法 327

11.7.3 经验关联法 328

11.7.4 非关键组分的分配(作图法) 331

11.8 多组分系统的严格解法(电算法) 344

11.8.1 Lewis-Matheson法 345

11.8.2 Thiele-Geddes法 345

11.8.3 松弛法 346

11.8.4 线性代数法 346

11.9 间歇蒸法 346

11.10 塔板效率 346

11.10.1 塔板效率的推算 347

11.10.2 O′Connell关联法 348

11.10.3 Van Winkle关联法 350

11.10.4 AIChE法 350

11.10.5 雾沫夹带 353

11.11 近似选定塔的尺寸 353

11.12 板式塔 354

11.12.1 板型选择 356

11.12.2 塔板结构 356

11.13 塔板流体力学计算 359

11.13.1 塔板设计步骤 359

11.13.2 塔板面积 360

11.13.3 塔径 360

11.13.4 液流型式 362

11.13.5 雾沫夹带 362

11.13.6 泄漏点 362

11.13.7 堰上清液层高度 363

11.13.8 溢流堰的尺寸 364

11.13.9 开孔面积 364

11.13.10 孔径 365

11.13.11 孔间距 365

11.13.12 液面梯度 365

11.13.13 液体抛出距离 365

11.13.14 塔板压降 365

11.13.15 降液管设计〔滞液(淹塔)现象〕 367

11.14 填料塔 375

11.14.1 填料形式 377

11.14.2 填料(床)高度 379

11.14.3 传质单元高度的推算(HTU) 382

11.14.4 塔径(能力) 385

11.14.5 塔的内件 391

11.14.6 润湿率 394

11.15 塔的附属设备 394

11.16 参考文献 394

11.17 符号说明 396

第十二章 传热设备 402

12.1 引言 402

12.2 基本的设计方法和理论 402

12.3 总传热系数 403

12.4 污垢系数 405

12.5 列管换热器的结构零件 407

12.5.1 换热器的标准和规范 408

12.5.2 管子 410

12.5.3 壳体 411

12.5.4 管板的布置(管子计数) 412

12.5.5 壳体型式(程数) 414

12.5.6 折流板 414

12.5.7 支承板和拉杆 415

12.5.8 管板 415

12.5.9 壳体与管箱的管口 416

12.5.10 流动引起的管子震动 416

12.6 平均温度差(温度推动力) 416

12.7 列管换热器一般的设计考虑 420

12.7.1 流体流道的选择 420

12.7.2 壳程和管程的流体速度 420

12.7.3 物流的温度 421

12.7.4 压力降 421

12.7.5 流体的物性 421

12.8 管程传热系数和压力降(单相) 422

12.8.1 传热 422

12.8.2 管程压力降 425

12.9 壳程传热和压力降(单相) 427

12.9.1 流动状态 427

12.9.2 设计方法 429

12.9.3 Kern的方法 429

12.9.4 Bell的方法 436

12.9.5 壳体和管束的几何尺寸 443

12.9.6 污垢对压力降的影响 445

12.9.7 压力降的限制 446

12.10 冷凝器 449

12.10.1 传热的基本原理 449

12.10.2 水平管外冷凝 450

12.10.3 垂直管内、外的冷凝 450

12.10.4 水平管内冷凝 454

12.10.5 蒸汽冷凝 454

12.10.6 平均温度差 455

12.10.7 过热降温和过冷 455

12.10.8 混合物的冷凝 456

12.10.9 冷凝器中的压力降 458

12.11 再沸器和气化器 463

12.11.1 沸腾传热的基础 464

12.11.2 槽式沸腾 465

12.11.3 对流沸腾 467

12.11.4 强制循环再沸器的设计 470

12.11.5 热虹吸式再沸器的设计 471

12.11.6 釜式再沸器的设计 474

12.12 板式换热器 478

12.12.1 传热的设计 478

12.12.2 压力降 479

12.13 直接接触式换热器 479

12.14 翅片管 480

12.15 套管换热器 481

12.16 空气冷却器 481

12.17 火加热炉 481

12.18 参考文献 483

12.19 符号说明 485

第十三章 工艺设备的机械设计 491

13.1 引言 491

13.1.1 压力容器的分类 491

13.2 压力容器规范和标准 492

13.3 基本原理和公式 492

13.3.1 主应力 492

13.3.2 失效理论 493

13.3.3 弹性稳定 493

13.3.4 回转壳体的薄膜应力 494

13.3.5 平板 498

13.3.6 容器的胀大变形 500

13.3.7 二次应力 501

13.4 压力容器的设计总则 501

13.4.1 设计压力 501

13.4.2 设计温度 502

13.4.3 材料 502

13.4.4 设计应力(公称设计强度) 502

13.4.5 焊缝系数和结构分类 502

13.4.6 腐蚀裕度 503

13.4.7 设计载荷 504

13.4.8 实用的最小壁厚 504

13.5 内压作用下的薄壁容器设计 504

13.5.1 圆筒和球壳 504

13.5.2 封头和顶盖 505

13.5.3 平封头的设计 506

13.5.4 凸形封头的设计 507

13.5.5 圆锥形部分和端盖 508

13.6 开孔和接管的补强 509

13.7 外压容器的设计 511

13.7.1 圆筒形壳体 511

13.7.2 加强圈的设计 513

13.7.3 容器封头 514

13.8 承受组合载荷的容器设计 515

13.8.1 重量载荷 518

13.8.2 风载荷(高耸容器) 519

13.8.3 地震载荷 521

13.8.4 偏心载荷(高耸容器) 521

13.8.5 扭矩 522

13.9 容器支座 524

13.9.1 鞍式支座 524

13.9.2 裙式支座 528

13.9.3 悬挂式支座 533

13.10 螺栓法兰连接 535

13.10.1 法兰型式及其选择 535

13.10.2 垫片 536

13.10.3 法兰接触面 538

13.10.4 法兰设计 538

13.10.5 标准法兰 541

13.11 换热器管板 542

13.11.2 焊接接头的设计 544

13.13 容器的疲劳估计 546

13.14 压力试验 546

13.15 高压容器 546

13.15.1 基本方程式 547

13.15.2 复合容器 549

13.15.3 自增强处理 550

13.16 液体贮罐 550

13.17 离心机的机械设计 551

13.17.1 离心压力 551

13.17.2 转鼓和主轴的运转，临界转速 552

13.18 参考文献 554

13.19 符号说明 557

第十四章 厂址方面的一般考虑 563

14.1 引言 563

14.2 工厂位置与厂址的选择 563

14.3 厂址的布置 564

14.4 工厂的布置 566

14.4.1 用于厂址与工厂布置的技术 567

14.5 公用工程 567

14.5.1 含水废物处理 569

14.6 参考文献 570

附录A 装置和配管系统图标符号按BS1553：第1部分：1976 571

附录B 一个简单的流程图编制程序MASSBAL 580

附录C 腐蚀表 588

附录D 物理性质数据库 609

附录E 部分常用SI单位的换算系数 630

附录F 标准法兰 633

附录G 设计习题 639