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