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书名：化工单元操作及设备课程设计——板式精馏塔的设计（第二版）
定价：69.0
ISBN：9787030586285
作者：无
版次：2
出版时间：2018-09
内容提要：
本书共8章，包括绪论、物性数据的查取与计算、板式精馏塔的工艺设计、精馏塔辅助设备的设计和选型、精馏塔的自动控制、塔设备的机械设计、化工流程图及设备图的绘制、化工过程模拟软件Aspen Plus用于精馏塔设计。本书以板式精馏塔的工艺设计及设备设计为主线，通过辅助设备的设计与选型引入换热、流体输送等单元操作，通过精馏塔操作参数的控制引入化工自动控制方法。通过“基本概念+设计实例”的编排形式，将化工原理、物理化学、化工设备、化工过程自动控制、化工制图、化工过程模拟等课程内容有机地融为一体，旨在将理论与设计实践相结合来分析解决工程实际问题。在精馏塔的工艺设计中还引入了Excel及Origin软件的计算及图形处理功能，使数据计算更加准确、快捷，图形的处理更加精确、规范。本书还附有Excel计算泡点的程序、Origin绘制负荷性能图及Aspen Plus模拟精馏过程的视频文件。
目录：
目 录
第二版前言
**版前言
第1章 绪论 1
1.1 化工设计的设计文件及类型 1
1.1.1 设计文件 1
1.1.2 化工设计的类型 3
1.2 课程设计的目的和要求 5
1.3 课程设计的内容和步骤 6
第2章 物性数据的查取与计算 7
2.1 获取物性数据的途径 7
2.2 纯物质物性数据的查取与计算 8
2.2.1 气体或蒸气的密度 8
2.2.2 纯物质的蒸气压 8
2.2.3 纯物质的热容 9
2.2.4 纯物质的气化潜热 10
2.2.5 纯物质的热导率 11
2.2.6 纯物质的表面张力 12
2.2.7 纯物质的临界常数 13
2.3 混合物物性数据的计算 14
2.3.1 混合物的平均摩尔质量 14
2.32 混合物的密度 14
2.3.3 混合物的黯度 14
2.3.4 混合物的蒸气压 15
2.35 混合物的热容 15
2.3.6 混合物的热导率 15
2.3.7 混合物的气化潜热 16
2.3.8 混合物的表面张力 16
2.3.9 混合物的临界常数 17
第3章 板式精锢瞒的工艺设计 19
3.1 概述 19
3.1.1 精馆操作对塔设备的要求 19
3.1.2 板式塔的类型 19
3.1.3 板式精馆塔的设计原则及步骤 20
3.2 板式精馆塔设计方案的确定 21
3.2.1 精饱流程 21
3.2.2 操作压强 22
3.2.3 进料热状态 22
3.2.4 回流比 23
3.2.5 加热方式 23
3.2.6 产品纯度或回收率 23
3.2.7 热能的利用 24
3.3 板式精馆塔塔体的设计 24
3.3.1 物料衡算及操作线方程 24
3.3.2 理论塔板数的计算 26
3.3.3 实际塔板数的确定 28
3.3.4 塔径的计算 30
3.3.5 塔高的计算 31
3.4 板式精情塔培板的设计 33
3.4.1 塔板结构 33
3.4.2 溢流装置的设计 34
3.4.3 塔板板面的设计 38
3.5 塔板的流体力学验算及负荷性能图 40
3.5.1 塔板压阵 40
3.5.2 液面落差 42
3.5.3 漏液 42
3.5.4 液沫夹带 42
3.5.5 液泛 42
3.5.6 负荷性能图 43
3.6 精馆塔接管尺寸的计算 44
3.7 筛板塔的工艺设计实例 46
3.7.1 苯-氯苯连续精馈塔的工艺设计 46
3.7.2 甲醇-水连续精馆塔的工艺设计 63
第4章 精锢塔辅助设备的设计和选型 80
4.1 列管式换热器的设计 80
4.1.1 设计方案的确定 80
4.1.2 列管式换热器的结构 84
4.1.3 列管式换热器的工艺设计 88
4.2 塔釜再沸器的设计 93
4.2.1 再沸器类型及选用 93
4.2.2 立式热虹吸再沸器的工艺设计 95
4.3 换热器的设计实例 103
4.3.1 原料预热榕的设计 103
4.3.2 回流冷凝器的设计 108
4.3.3 塔釜再沸器的设计 113
4.4 流体输送机械的选择 121
4.4.1 泵的类型 121 4.4.2 泵的选用原则 122 4.4.3 离心泵的选用 123 第5章 精馏塔的自动控制 126 5.1 仪表的表达及图形符号 126 5.2 参数的检测及控制 130 5.2.1 参数的检测 130 5.2.2 温度控制 130 5.2.3 压强控制 131 5.2.4 流量控制 132 5.2.5 液位控制 133 5.3 自动控制系统 133 5.3.1 简单控制系统 133 5.3.2 串级控制系统 134 5.3.3 分程控制系统 135 5.3.4 前馈控制系统 136 5.3.5 超驰控制系统 137 5.3.6 比值控制系统 138 5.4 精馏塔的控制方案 140 5.4.1 精馏塔的控制要求 140 5.4.2 精馏过程的干扰因素 140 5.4.3 精馏塔的控制方案 141 5.4.4 精馏塔的控制实例 145 第6章 塔设备的机械设计 149 6.1 板式精馏塔的结构设计 149 6.1.1 塔盘的结构设计 150
6.1.2 裙式支座的结构设计 151 6.1.3 附件的结构设计 157 6.1.4 焊接接头的结构设计 164 6.2 塔设备的强度设计和稳定校核 165 6.2.1 塔设备壁厚确定及质量计算 166 6.2.2 弯矩计算 167 6.2.3 应力计算 172 6.2.4 地脚螺栓座的设计计算 176 6.2.5 裙座与塔壳连接焊缝的强度校核 180 6.2.6 塔设备法兰当量设计压力计算 181 6.3 精馏塔的机械设计实例 181 6.3.1 塔设备壁厚确定及质量计算 182 6.3.2 弯矩计算185 6.3.3应力计算 188 6.3.4 地脚螺栓座的设计计算 190
6.3.5 裙座与培壳连接焊缝的强度校核 192
第7章 化工流程圄及设备固的绘制 195
7.1 化工流程图 195
711 流程固的类型及特点 195
712 流程固的表达和标注 196
7.2 化工设备图 206
7.2.1 设备固的表达特点 206
7.2.2 设备装配固的绘制 213
7.3 AutoCAD在化工制图中的应用 218
7.3.1 AutoCAD概述 218
7.3.2 AutoCAD绘制化工工艺流程圃 219
第8章 化工过程模拟软件Aspen Plos用于精锢曙设计 223
81 化工过程模拟软件概述 223
811 Aspen Plus的特点 223
812 Aspen Plus的基本操作 224
82 Aspen Plus用于精馆塔理论塔板数的计算 224
8.2.1 创建模拟文件 225
8.2.2 组分输入 226
8.2.3 物性计算方法选取及相平衡分析 227
8.2.4 精饱塔简捷计算模块 232
8.2.5 精馆塔严格计算模块 237
83 Aspen Plus用于塔径及塔板的设计和校核 241
8.3.1 塔径及塔板设计 241
8.3.2 塔径及培板校核 242
参考文献 246
附录 247
附录1 二元体系的气一液平衡组成 247
附录2 液体的物理性质 249
附录3 常用加热冷却介质 258
附录4 列管式换热器传热系数的经验值 259
附录5 常见物料的污垢热阻 260
附录6 焊缝代号或接头方式代号的规定 260
附录7 塔设备常用零部件 262
附录8 无缝钢管规格 280
附录9 应用程序及视频文件目录 281
附录10 精馆塔装配图示例
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第1章 绪论
化工单元操作及设备课程设计是综合化工原理、化工设备、化工过程自动控制、化工制图等专业技术基础课进行的设计实践环节，是初步的化工设计训练。为了使学生了解课程设计的基本过程及程序，本章将对化工设计的设计文件、设计的类型、课程设计的基本要求等作简要介绍。
1.1 化工设计的设计文件及类型
化工产品的生产需要在化工生产装置上进行，而化工过程及设备的设计是化工生产装置建设的基础。化工设计的基本任务就是将一个工厂、车间或一套生产装置的建设任务用文字、图、表等形式表述出来.化工设计应满足以下基本要求。
(1)技术性要求。所设计的化工过程及设备在技术上可行，其产品的数量和质量达到规定的指标要求。
(2)经济性要求。一般情况下，化工生产装置不仅应该有利润，而且其技术经济指标应该有竞争性，即要求*经济地使用资金、原材料、公用工程和人力等。要达到这个目标，必须进行流程和参数的优化。
(3)安全性要求。化工生产中大量物质是易燃、易爆或有毒性的。因此，化工设计必须充分考虑各种可能存在的危险，保证生产人员的健康和安全。
(4)环境保护要求。化工生产装置要符合国家及地方各级政府制定的环境保护法律和法规，尽量减少有毒有害物质的使用、产生及排放，对排放的废气、废水、废渣则要有相应的处理、处置措施。
(5)操作性要求。整个系统必须可操作、可控制，化工生产装置的设计不仅要满足常规操作的要求，而且也要满足开停车、检修等非常规操作的要求，同时系统要有可控制性，能抑制外部扰动的影响，安全稳定运行。
这五项要求可以概括为十个字，即"优质、高产、低耗、安全、环保"，这也是化工设计应遵循的*基本的原则。在该设计原则指导下，设计者在做出选择和判断时需要考虑各种常常是相互矛盾的因素，*终结出优化的设计方案。因此，化工设计并非只有**的答案，而是一个多目标的优化问题。一个完整的化工设计不仅仅涉及化工工艺、化工设备的设计，而且还涉及材料、仪表、控制、运输、土建、照明、通风、公用工程、"兰废"处理等多方面的设计内容，化工设计是多学科领域相互渗透与交融的结果。
1.1.1 设计文件
化工设计的基本任务就是将一个工厂、车间或一套生产装置的建设任务用文字、图、表等形式表述出来，这些文字、图、表等称为设计文件。一套完整的化工生产装置的建设不仅包含化工工艺及化工设备的设计，而且包含材料、仪表、控制、运输、土建、照明、通风、公用工程、兰废处理等多方面的设计，而化工工艺及化工设备的设计是整个设计工作的核心。
化工工艺设计的设计文件主要包括设计说明书、流程图(如工艺流程图、管道及仪表流程图等)、布置图(如设备布置图、管道布置图、单线图、管口方位图、平台梯子图及管道轴测图等)、各类表格(如设备一览表、管道等级表、控制点及控制测量仪器仪表汇总表等)。化工设备的设计文件主要包括设备装配圈、部件图、零件困等。
下面对部分设计文件作简要说明。
1.1.1.1 设计说明书
设计说明书主要包括以下内容。
(1)设计依据。包括可行性报告、计划任务书、相关的批文以及实验报告、调查报告等技术资料。
(2)设计原则。设计所遵循的具体政策及规范，工艺路线、设备、材质、自动控制水平等的选用原则。
(3)原材料、产品等的主要技术规格。包括原材料的规格、辅助材料的要求、生产规模、产品的规格、界医条件、公用工程的规格等。
(4)工艺流程简述。结合工艺流程图简述工艺过程，说明所发生的主、副化学反应，说明工艺流程的特点及温度、压强、流量等操作条件。
(5)车间(装置)组成和生产制度。主要包括车间(装置)组成、年操作时间、操作班制、操作方式(间歇或连续生产)等。
(6)工艺计算。主要包括物料衡算、热量衡算、主要设备的计算及选型等。
(7)主要原材料、动力消耗定额及消耗量。列出主要原材料、动力的每日;或每年的消耗量，列出每吨产品的原材料消耗定额。
(8)生产控制。包括流程中主要控制方案的原则及控制要求，并在工艺流程图、管道及仪表流程图上表示出控制方案，同时还要列出控制点及控制测量仪器仪表汇总表。
(9)分析方法及说明。包括分析点的编号和所在位置、分析项目和控制指标、分析频率及分析方法等。
(10)公用工程。包括供电、给排水、蒸汽、冷冻及空压(压缩用气及仪表用气)等。根据系统模拟计算结果，汇总公用工程消耗，列出单位时间和单位产品的消耗量。
(11)"三废"治理及综合利用。对"三废"的排放点、排放量、主要成分及处理方法等予以说明。
(12)土建。对土建、管道及阀门的材质和设计安装等工程设计予以说明，列出车间建筑物、构筑物表等。
(13)安全技术与劳动保护说明。说明装置危险区的划分，列出所处理介质的特性和允许浓度、事故处理及劳动保护应设置的特殊措施等。
(14)车间定员。包括生产工人、分析工、维修工、管理人员等。
(15)产品成本计算。产品成本主要从原材料、动力消耗、工资、副产品及其他回收费用等方面进行计算，列出成本计算表。
(16)存在的问题及建议。说明设计中存在的主要问题，并提出解决的办法和建议。
1.1.1.2 设计围纸
化工设计图纸的内容因设计阶段的不同而异，主要包括工艺流程图、管道及仪表流程图、设备布置图、管道布置图、设备装配图等。
工艺流程图(process flow diagram，PFD)主要表达工艺流程、主要设备、主要工艺管道及介质流向、主要工艺操作条件、物流的流率及物流组成、主要参数的控制方法等，它是化工设计中*重要、*本质、*基础性的图纸。
管道及仪表流程图(piping and instrumentation diagram，PID)除了要给出工艺流程、主要设备外，还要表达所有开停车和正常操作所需的管道以及检测、控制、报警、切断等仪表和联锁系统，同时也要表达出特殊管线的等级、公称直径、保温要求等。PID 的工作重点是管道流程和控制方案。
设备布置图要表达主要建筑结构(如厂房的柱、墙、门、窗、楼梯等)、设备轮廓、定位尺寸(设备、操作台、吊装孔、地坑等的定位尺寸以及柱网间距等)。设备布置国一般由若干张设备的平面布置图及立面布置图组成。
设备装配图则是通过一组视图表达设备的主要结构形状和零部件之间的装配关系，在装配图中要标出表示设备总体大小的总体尺寸、表示规格大小的特性尺寸、表示零部件之间装配关系的装配尺寸、表示设备与外界安装关系的安装尺寸等，提出设备在制造、检验、安装、材料、表面处理、包装和运输等方面的要求，为设备的制造、装配、安装、检验等提供依据。流程图及设备图的基本要求及制固方法详见第7章。
1.1.2 化工设计的类型
当实验研究中有了新发现(如采用了新原料、获得了某种新产品、利用了某种新的催化剂、采用了某种新技术或者是实现了某一新的化学反应等)，在对这种新发现作了充分的技术和经济评价后，就要进行化工过程开发，从而实现从实验室成果到工业生产装置的成功开车和运转。
化工设计是化工过程开发的重要环节，一个新产品或新工艺从实验研究到工厂、车间或生产装置的建成，其不同阶段所需进行的化工设计工作也不同。依据化工过程开发阶段的不同，化工设计一般分为两大类，一是技术开发阶段的设计，二是工程建设阶段的设计。
1.1.2.1 技术开发阶段的设计
技术开发阶段的设计包括概念设计、中试装置设计、基础设计等，这类设计是新技术开发过程的重要环节，一般由研究单位的工程开发部门来完成。
1)概念设计
概念设计是工程研究的重要环节，它是在应用研究进行到一定阶段后，接未来的工业生产装置规模所进行的假想设计，其内容主要是根据研究所提供的概念和数据，确定工艺流程和工艺条件、主要设备的类型和材质、"兰废"处理措施等，*终得出基建投资、产品成本等主要技术经济指标。一般情况下，概念设计在中试以前进行。通过概念设计可判断实验研究得到的工艺条件是否合理，数据是否充分，为工业化提供指导和依据。
2)中试装置设计
当某些开发项目不能采用数学模型法放大，或者其中有若干研究课题元法在小试中进行，一定要通过相当规模的装置才能取得数据或(和)经验时，需要进行中试设计。中试装置的任务包括验证基础研究得到的规律z 考察从小试到中试的放大效应F 研究一些出于各种因素没有条件在实验室进行研究的课题;进行新设备、新仪器、新材料、新控制方案等的试验。
因此，中试装置设计的内容基本上与工程设计相同，但由于规模小，若不影响安装，可以不出管道、仪表、管架等安装图纸。
3)基础设计
基础设计是一个完整的设计技术文件，是化工过程开发阶段的研究成果。基础设计的内容应包含将要建设的生产装置的一切技术要点，是一个能达到一定的产量和质量指标、安全可靠的生产装置的设计。基础设计主要包括以下内容。
(1)设计基础。包括设计依据、技术来源、生产规模、年操作时间、原材料及辅助材料的规格、产品要求、界区条件以及公用工程规格等。
(2)工艺流程说明。详细说明工艺生产过程、主要工艺特点、反应原理、工艺参数和操作条件等。
(3)工艺流程图。在该流程图中应反映出工艺流程、主要工艺操作条件、物流组成、主要设备特性和主要控制要求。
(4)管道及仪表流程图。该流程图包括管道流程及控制方案，并对特殊管线的等级、公称直径、保温等提出要求。
(5)设备布置建议图。表示出主要设备的相对位置，一般由若干张设备的平面布置图及立面布置图组成。
(6)设备名称表和设备规格说明书。主要包括非标准设备的简图、表示设备'性能的主要参数、设备操作温度及压强、材料选择要求等F 对关键设备及有特殊要求的设备提出详细的结构说明、设备结构条件图及防腐要求等。
(7)对工程设计的要求。主要包括对土建的要求、对管道及阀门等的材质和设计安装的要求以及对工程设计的一些特殊要求等。
(8)装置的操作说明。主要包括开停车过程说明、操作原理及故障排除方法等。
(9)自控设计说明。包括流程中主要控制方案的原则及控制要求，控制点数据一览表，主要仪表选型及特殊仪表的技术条件说明等。
(10)分析规程。主要包括分析点的编号和所在位置、分析项目和控制指标、分析频率以及分析方法等。
(11)安全技术与劳动保护说明.阐述装置危险区的划分，列出所处理介质的特性和允许浓度，说明为了安全生产、事故处理以及劳动保护所设置的特殊措施等。
(12)装置的"三废"排放。包括"三废"的排放点、排放量、主要成分及处理方法，对工业卫生及安全生产的要求。
(13)消耗定额。列出原材料、辅助材料、公用工程等的消耗定额。
(14)有关的技术资料、物性数据等。
1.1.2.2 工程建设阶段的设计
工程建设阶段的设计包括初步设计和详细设计，这是化工装置进行基本建设及实施的依据，该阶段的设计需要由具备化工设计资质的单位负责进行。
1)初步设计
初步设计的设计内容比基础设计更完整，它是根据基础设计的内容，再结合建厂的具体条件所作出的设计。
初步设计的作用是为工厂的建设者(或工程主管部门)审查该项目是否先进、安全、环保及投资、原料、燃料、关键设备、其他材料的来源和运输等是否落实提供技术资料，为工厂的建设者(或工程主管部门)*终决定是否进行该项目的建设提供依据。
2)详细设计
详细设计的设计内容比初步设计更深人。它要提供进行工程建设和生产所需的一切施工图和文件，编制精确的技资计算。
初步设计和详细设计的内容可参考化工设计类书籍及手册，在此不再详述。
不同设计阶段所需完成的设计文件和版次如表1-1 所示。
表1-1 备设计阶段完成的文件和版次
1.2 课程设计的目的和要求
作为学生综合运用专业知识进行的一次设计实践，课程设计应达到以下目的和要求。
(1)初步掌握化工设计的基本过程及程序，熟悉物性数据及设计参数的查阅及计算方法；了解相关技术标准的内容，并能合理地使用标准。
(2)培养学生的工程计算能力，掌握物料衡算、热量衡算、设备的工艺设计及结构设计的基本方法，能运用工程技术语言表述设计思想和设计结果，完成工艺及设备的设计计算;掌握设计说明书的基本内容，掌握工艺流程图以及设备装配图的基本要求和绘制方法;了解化工过程模拟软件Aspen Plus 在化工设计中的应用。
(3)培养学生的工程意识和经济观念，在设计时不仅要考虑技术上的先进性与可行性，还要考虑经济上的合理性，同时还应考虑过程和设备的可操作性、安全性以及对环境的保护等，使学生能在"优质、高产、低艳、安全、环保"的设计原则指导下去分析和解决设计中所遇到的问题。
(4)课程设计既需要基础理论的指导，也有很多参数和变量需要学生从工程角度出发自行选择和确定.因此，设计的依据应科学合理，设计的过程应严谨规范，设计的结果应正确可信。通过课程设计，培养学生实事求是的科学态度和严谨认真的工作作风。
定价：69.0
ISBN：9787030586285
作者：无
版次：2
出版时间：2018-09
内容提要：
本书共8章，包括绪论、物性数据的查取与计算、板式精馏塔的工艺设计、精馏塔辅助设备的设计和选型、精馏塔的自动控制、塔设备的机械设计、化工流程图及设备图的绘制、化工过程模拟软件Aspen Plus用于精馏塔设计。本书以板式精馏塔的工艺设计及设备设计为主线，通过辅助设备的设计与选型引入换热、流体输送等单元操作，通过精馏塔操作参数的控制引入化工自动控制方法。通过“基本概念+设计实例”的编排形式，将化工原理、物理化学、化工设备、化工过程自动控制、化工制图、化工过程模拟等课程内容有机地融为一体，旨在将理论与设计实践相结合来分析解决工程实际问题。在精馏塔的工艺设计中还引入了Excel及Origin软件的计算及图形处理功能，使数据计算更加准确、快捷，图形的处理更加精确、规范。本书还附有Excel计算泡点的程序、Origin绘制负荷性能图及Aspen Plus模拟精馏过程的视频文件。
目录：
目 录
第二版前言
**版前言
第1章 绪论 1
1.1 化工设计的设计文件及类型 1
1.1.1 设计文件 1
1.1.2 化工设计的类型 3
1.2 课程设计的目的和要求 5
1.3 课程设计的内容和步骤 6
第2章 物性数据的查取与计算 7
2.1 获取物性数据的途径 7
2.2 纯物质物性数据的查取与计算 8
2.2.1 气体或蒸气的密度 8
2.2.2 纯物质的蒸气压 8
2.2.3 纯物质的热容 9
2.2.4 纯物质的气化潜热 10
2.2.5 纯物质的热导率 11
2.2.6 纯物质的表面张力 12
2.2.7 纯物质的临界常数 13
2.3 混合物物性数据的计算 14
2.3.1 混合物的平均摩尔质量 14
2.32 混合物的密度 14
2.3.3 混合物的黯度 14
2.3.4 混合物的蒸气压 15
2.35 混合物的热容 15
2.3.6 混合物的热导率 15
2.3.7 混合物的气化潜热 16
2.3.8 混合物的表面张力 16
2.3.9 混合物的临界常数 17
第3章 板式精锢瞒的工艺设计 19
3.1 概述 19
3.1.1 精馆操作对塔设备的要求 19
3.1.2 板式塔的类型 19
3.1.3 板式精馆塔的设计原则及步骤 20
3.2 板式精馆塔设计方案的确定 21
3.2.1 精饱流程 21
3.2.2 操作压强 22
3.2.3 进料热状态 22
3.2.4 回流比 23
3.2.5 加热方式 23
3.2.6 产品纯度或回收率 23
3.2.7 热能的利用 24
3.3 板式精馆塔塔体的设计 24
3.3.1 物料衡算及操作线方程 24
3.3.2 理论塔板数的计算 26
3.3.3 实际塔板数的确定 28
3.3.4 塔径的计算 30
3.3.5 塔高的计算 31
3.4 板式精情塔培板的设计 33
3.4.1 塔板结构 33
3.4.2 溢流装置的设计 34
3.4.3 塔板板面的设计 38
3.5 塔板的流体力学验算及负荷性能图 40
3.5.1 塔板压阵 40
3.5.2 液面落差 42
3.5.3 漏液 42
3.5.4 液沫夹带 42
3.5.5 液泛 42
3.5.6 负荷性能图 43
3.6 精馆塔接管尺寸的计算 44
3.7 筛板塔的工艺设计实例 46
3.7.1 苯-氯苯连续精馈塔的工艺设计 46
3.7.2 甲醇-水连续精馆塔的工艺设计 63
第4章 精锢塔辅助设备的设计和选型 80
4.1 列管式换热器的设计 80
4.1.1 设计方案的确定 80
4.1.2 列管式换热器的结构 84
4.1.3 列管式换热器的工艺设计 88
4.2 塔釜再沸器的设计 93
4.2.1 再沸器类型及选用 93
4.2.2 立式热虹吸再沸器的工艺设计 95
4.3 换热器的设计实例 103
4.3.1 原料预热榕的设计 103
4.3.2 回流冷凝器的设计 108
4.3.3 塔釜再沸器的设计 113
4.4 流体输送机械的选择 121
4.4.1 泵的类型 121 4.4.2 泵的选用原则 122 4.4.3 离心泵的选用 123 第5章 精馏塔的自动控制 126 5.1 仪表的表达及图形符号 126 5.2 参数的检测及控制 130 5.2.1 参数的检测 130 5.2.2 温度控制 130 5.2.3 压强控制 131 5.2.4 流量控制 132 5.2.5 液位控制 133 5.3 自动控制系统 133 5.3.1 简单控制系统 133 5.3.2 串级控制系统 134 5.3.3 分程控制系统 135 5.3.4 前馈控制系统 136 5.3.5 超驰控制系统 137 5.3.6 比值控制系统 138 5.4 精馏塔的控制方案 140 5.4.1 精馏塔的控制要求 140 5.4.2 精馏过程的干扰因素 140 5.4.3 精馏塔的控制方案 141 5.4.4 精馏塔的控制实例 145 第6章 塔设备的机械设计 149 6.1 板式精馏塔的结构设计 149 6.1.1 塔盘的结构设计 150
6.1.2 裙式支座的结构设计 151 6.1.3 附件的结构设计 157 6.1.4 焊接接头的结构设计 164 6.2 塔设备的强度设计和稳定校核 165 6.2.1 塔设备壁厚确定及质量计算 166 6.2.2 弯矩计算 167 6.2.3 应力计算 172 6.2.4 地脚螺栓座的设计计算 176 6.2.5 裙座与塔壳连接焊缝的强度校核 180 6.2.6 塔设备法兰当量设计压力计算 181 6.3 精馏塔的机械设计实例 181 6.3.1 塔设备壁厚确定及质量计算 182 6.3.2 弯矩计算185 6.3.3应力计算 188 6.3.4 地脚螺栓座的设计计算 190
6.3.5 裙座与培壳连接焊缝的强度校核 192
第7章 化工流程圄及设备固的绘制 195
7.1 化工流程图 195
711 流程固的类型及特点 195
712 流程固的表达和标注 196
7.2 化工设备图 206
7.2.1 设备固的表达特点 206
7.2.2 设备装配固的绘制 213
7.3 AutoCAD在化工制图中的应用 218
7.3.1 AutoCAD概述 218
7.3.2 AutoCAD绘制化工工艺流程圃 219
第8章 化工过程模拟软件Aspen Plos用于精锢曙设计 223
81 化工过程模拟软件概述 223
811 Aspen Plus的特点 223
812 Aspen Plus的基本操作 224
82 Aspen Plus用于精馆塔理论塔板数的计算 224
8.2.1 创建模拟文件 225
8.2.2 组分输入 226
8.2.3 物性计算方法选取及相平衡分析 227
8.2.4 精饱塔简捷计算模块 232
8.2.5 精馆塔严格计算模块 237
83 Aspen Plus用于塔径及塔板的设计和校核 241
8.3.1 塔径及塔板设计 241
8.3.2 塔径及培板校核 242
参考文献 246
附录 247
附录1 二元体系的气一液平衡组成 247
附录2 液体的物理性质 249
附录3 常用加热冷却介质 258
附录4 列管式换热器传热系数的经验值 259
附录5 常见物料的污垢热阻 260
附录6 焊缝代号或接头方式代号的规定 260
附录7 塔设备常用零部件 262
附录8 无缝钢管规格 280
附录9 应用程序及视频文件目录 281
附录10 精馆塔装配图示例
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第1章 绪论
化工单元操作及设备课程设计是综合化工原理、化工设备、化工过程自动控制、化工制图等专业技术基础课进行的设计实践环节，是初步的化工设计训练。为了使学生了解课程设计的基本过程及程序，本章将对化工设计的设计文件、设计的类型、课程设计的基本要求等作简要介绍。
1.1 化工设计的设计文件及类型
化工产品的生产需要在化工生产装置上进行，而化工过程及设备的设计是化工生产装置建设的基础。化工设计的基本任务就是将一个工厂、车间或一套生产装置的建设任务用文字、图、表等形式表述出来.化工设计应满足以下基本要求。
(1)技术性要求。所设计的化工过程及设备在技术上可行，其产品的数量和质量达到规定的指标要求。
(2)经济性要求。一般情况下，化工生产装置不仅应该有利润，而且其技术经济指标应该有竞争性，即要求*经济地使用资金、原材料、公用工程和人力等。要达到这个目标，必须进行流程和参数的优化。
(3)安全性要求。化工生产中大量物质是易燃、易爆或有毒性的。因此，化工设计必须充分考虑各种可能存在的危险，保证生产人员的健康和安全。
(4)环境保护要求。化工生产装置要符合国家及地方各级政府制定的环境保护法律和法规，尽量减少有毒有害物质的使用、产生及排放，对排放的废气、废水、废渣则要有相应的处理、处置措施。
(5)操作性要求。整个系统必须可操作、可控制，化工生产装置的设计不仅要满足常规操作的要求，而且也要满足开停车、检修等非常规操作的要求，同时系统要有可控制性，能抑制外部扰动的影响，安全稳定运行。
这五项要求可以概括为十个字，即"优质、高产、低耗、安全、环保"，这也是化工设计应遵循的*基本的原则。在该设计原则指导下，设计者在做出选择和判断时需要考虑各种常常是相互矛盾的因素，*终结出优化的设计方案。因此，化工设计并非只有**的答案，而是一个多目标的优化问题。一个完整的化工设计不仅仅涉及化工工艺、化工设备的设计，而且还涉及材料、仪表、控制、运输、土建、照明、通风、公用工程、"兰废"处理等多方面的设计内容，化工设计是多学科领域相互渗透与交融的结果。
1.1.1 设计文件
化工设计的基本任务就是将一个工厂、车间或一套生产装置的建设任务用文字、图、表等形式表述出来，这些文字、图、表等称为设计文件。一套完整的化工生产装置的建设不仅包含化工工艺及化工设备的设计，而且包含材料、仪表、控制、运输、土建、照明、通风、公用工程、兰废处理等多方面的设计，而化工工艺及化工设备的设计是整个设计工作的核心。
化工工艺设计的设计文件主要包括设计说明书、流程图(如工艺流程图、管道及仪表流程图等)、布置图(如设备布置图、管道布置图、单线图、管口方位图、平台梯子图及管道轴测图等)、各类表格(如设备一览表、管道等级表、控制点及控制测量仪器仪表汇总表等)。化工设备的设计文件主要包括设备装配圈、部件图、零件困等。
下面对部分设计文件作简要说明。
1.1.1.1 设计说明书
设计说明书主要包括以下内容。
(1)设计依据。包括可行性报告、计划任务书、相关的批文以及实验报告、调查报告等技术资料。
(2)设计原则。设计所遵循的具体政策及规范，工艺路线、设备、材质、自动控制水平等的选用原则。
(3)原材料、产品等的主要技术规格。包括原材料的规格、辅助材料的要求、生产规模、产品的规格、界医条件、公用工程的规格等。
(4)工艺流程简述。结合工艺流程图简述工艺过程，说明所发生的主、副化学反应，说明工艺流程的特点及温度、压强、流量等操作条件。
(5)车间(装置)组成和生产制度。主要包括车间(装置)组成、年操作时间、操作班制、操作方式(间歇或连续生产)等。
(6)工艺计算。主要包括物料衡算、热量衡算、主要设备的计算及选型等。
(7)主要原材料、动力消耗定额及消耗量。列出主要原材料、动力的每日;或每年的消耗量，列出每吨产品的原材料消耗定额。
(8)生产控制。包括流程中主要控制方案的原则及控制要求，并在工艺流程图、管道及仪表流程图上表示出控制方案，同时还要列出控制点及控制测量仪器仪表汇总表。
(9)分析方法及说明。包括分析点的编号和所在位置、分析项目和控制指标、分析频率及分析方法等。
(10)公用工程。包括供电、给排水、蒸汽、冷冻及空压(压缩用气及仪表用气)等。根据系统模拟计算结果，汇总公用工程消耗，列出单位时间和单位产品的消耗量。
(11)"三废"治理及综合利用。对"三废"的排放点、排放量、主要成分及处理方法等予以说明。
(12)土建。对土建、管道及阀门的材质和设计安装等工程设计予以说明，列出车间建筑物、构筑物表等。
(13)安全技术与劳动保护说明。说明装置危险区的划分，列出所处理介质的特性和允许浓度、事故处理及劳动保护应设置的特殊措施等。
(14)车间定员。包括生产工人、分析工、维修工、管理人员等。
(15)产品成本计算。产品成本主要从原材料、动力消耗、工资、副产品及其他回收费用等方面进行计算，列出成本计算表。
(16)存在的问题及建议。说明设计中存在的主要问题，并提出解决的办法和建议。
1.1.1.2 设计围纸
化工设计图纸的内容因设计阶段的不同而异，主要包括工艺流程图、管道及仪表流程图、设备布置图、管道布置图、设备装配图等。
工艺流程图(process flow diagram，PFD)主要表达工艺流程、主要设备、主要工艺管道及介质流向、主要工艺操作条件、物流的流率及物流组成、主要参数的控制方法等，它是化工设计中*重要、*本质、*基础性的图纸。
管道及仪表流程图(piping and instrumentation diagram，PID)除了要给出工艺流程、主要设备外，还要表达所有开停车和正常操作所需的管道以及检测、控制、报警、切断等仪表和联锁系统，同时也要表达出特殊管线的等级、公称直径、保温要求等。PID 的工作重点是管道流程和控制方案。
设备布置图要表达主要建筑结构(如厂房的柱、墙、门、窗、楼梯等)、设备轮廓、定位尺寸(设备、操作台、吊装孔、地坑等的定位尺寸以及柱网间距等)。设备布置国一般由若干张设备的平面布置图及立面布置图组成。
设备装配图则是通过一组视图表达设备的主要结构形状和零部件之间的装配关系，在装配图中要标出表示设备总体大小的总体尺寸、表示规格大小的特性尺寸、表示零部件之间装配关系的装配尺寸、表示设备与外界安装关系的安装尺寸等，提出设备在制造、检验、安装、材料、表面处理、包装和运输等方面的要求，为设备的制造、装配、安装、检验等提供依据。流程图及设备图的基本要求及制固方法详见第7章。
1.1.2 化工设计的类型
当实验研究中有了新发现(如采用了新原料、获得了某种新产品、利用了某种新的催化剂、采用了某种新技术或者是实现了某一新的化学反应等)，在对这种新发现作了充分的技术和经济评价后，就要进行化工过程开发，从而实现从实验室成果到工业生产装置的成功开车和运转。
化工设计是化工过程开发的重要环节，一个新产品或新工艺从实验研究到工厂、车间或生产装置的建成，其不同阶段所需进行的化工设计工作也不同。依据化工过程开发阶段的不同，化工设计一般分为两大类，一是技术开发阶段的设计，二是工程建设阶段的设计。
1.1.2.1 技术开发阶段的设计
技术开发阶段的设计包括概念设计、中试装置设计、基础设计等，这类设计是新技术开发过程的重要环节，一般由研究单位的工程开发部门来完成。
1)概念设计
概念设计是工程研究的重要环节，它是在应用研究进行到一定阶段后，接未来的工业生产装置规模所进行的假想设计，其内容主要是根据研究所提供的概念和数据，确定工艺流程和工艺条件、主要设备的类型和材质、"兰废"处理措施等，*终得出基建投资、产品成本等主要技术经济指标。一般情况下，概念设计在中试以前进行。通过概念设计可判断实验研究得到的工艺条件是否合理，数据是否充分，为工业化提供指导和依据。
2)中试装置设计
当某些开发项目不能采用数学模型法放大，或者其中有若干研究课题元法在小试中进行，一定要通过相当规模的装置才能取得数据或(和)经验时，需要进行中试设计。中试装置的任务包括验证基础研究得到的规律z 考察从小试到中试的放大效应F 研究一些出于各种因素没有条件在实验室进行研究的课题;进行新设备、新仪器、新材料、新控制方案等的试验。
因此，中试装置设计的内容基本上与工程设计相同，但由于规模小，若不影响安装，可以不出管道、仪表、管架等安装图纸。
3)基础设计
基础设计是一个完整的设计技术文件，是化工过程开发阶段的研究成果。基础设计的内容应包含将要建设的生产装置的一切技术要点，是一个能达到一定的产量和质量指标、安全可靠的生产装置的设计。基础设计主要包括以下内容。
(1)设计基础。包括设计依据、技术来源、生产规模、年操作时间、原材料及辅助材料的规格、产品要求、界区条件以及公用工程规格等。
(2)工艺流程说明。详细说明工艺生产过程、主要工艺特点、反应原理、工艺参数和操作条件等。
(3)工艺流程图。在该流程图中应反映出工艺流程、主要工艺操作条件、物流组成、主要设备特性和主要控制要求。
(4)管道及仪表流程图。该流程图包括管道流程及控制方案，并对特殊管线的等级、公称直径、保温等提出要求。
(5)设备布置建议图。表示出主要设备的相对位置，一般由若干张设备的平面布置图及立面布置图组成。
(6)设备名称表和设备规格说明书。主要包括非标准设备的简图、表示设备'性能的主要参数、设备操作温度及压强、材料选择要求等F 对关键设备及有特殊要求的设备提出详细的结构说明、设备结构条件图及防腐要求等。
(7)对工程设计的要求。主要包括对土建的要求、对管道及阀门等的材质和设计安装的要求以及对工程设计的一些特殊要求等。
(8)装置的操作说明。主要包括开停车过程说明、操作原理及故障排除方法等。
(9)自控设计说明。包括流程中主要控制方案的原则及控制要求，控制点数据一览表，主要仪表选型及特殊仪表的技术条件说明等。
(10)分析规程。主要包括分析点的编号和所在位置、分析项目和控制指标、分析频率以及分析方法等。
(11)安全技术与劳动保护说明.阐述装置危险区的划分，列出所处理介质的特性和允许浓度，说明为了安全生产、事故处理以及劳动保护所设置的特殊措施等。
(12)装置的"三废"排放。包括"三废"的排放点、排放量、主要成分及处理方法，对工业卫生及安全生产的要求。
(13)消耗定额。列出原材料、辅助材料、公用工程等的消耗定额。
(14)有关的技术资料、物性数据等。
1.1.2.2 工程建设阶段的设计
工程建设阶段的设计包括初步设计和详细设计，这是化工装置进行基本建设及实施的依据，该阶段的设计需要由具备化工设计资质的单位负责进行。
1)初步设计
初步设计的设计内容比基础设计更完整，它是根据基础设计的内容，再结合建厂的具体条件所作出的设计。
初步设计的作用是为工厂的建设者(或工程主管部门)审查该项目是否先进、安全、环保及投资、原料、燃料、关键设备、其他材料的来源和运输等是否落实提供技术资料，为工厂的建设者(或工程主管部门)*终决定是否进行该项目的建设提供依据。
2)详细设计
详细设计的设计内容比初步设计更深人。它要提供进行工程建设和生产所需的一切施工图和文件，编制精确的技资计算。
初步设计和详细设计的内容可参考化工设计类书籍及手册，在此不再详述。
不同设计阶段所需完成的设计文件和版次如表1-1 所示。
表1-1 备设计阶段完成的文件和版次
1.2 课程设计的目的和要求
作为学生综合运用专业知识进行的一次设计实践，课程设计应达到以下目的和要求。
(1)初步掌握化工设计的基本过程及程序，熟悉物性数据及设计参数的查阅及计算方法；了解相关技术标准的内容，并能合理地使用标准。
(2)培养学生的工程计算能力，掌握物料衡算、热量衡算、设备的工艺设计及结构设计的基本方法，能运用工程技术语言表述设计思想和设计结果，完成工艺及设备的设计计算;掌握设计说明书的基本内容，掌握工艺流程图以及设备装配图的基本要求和绘制方法;了解化工过程模拟软件Aspen Plus 在化工设计中的应用。
(3)培养学生的工程意识和经济观念，在设计时不仅要考虑技术上的先进性与可行性，还要考虑经济上的合理性，同时还应考虑过程和设备的可操作性、安全性以及对环境的保护等，使学生能在"优质、高产、低艳、安全、环保"的设计原则指导下去分析和解决设计中所遇到的问题。
(4)课程设计既需要基础理论的指导，也有很多参数和变量需要学生从工程角度出发自行选择和确定.因此，设计的依据应科学合理，设计的过程应严谨规范，设计的结果应正确可信。通过课程设计，培养学生实事求是的科学态度和严谨认真的工作作风。