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