前言化工设计是高等学校化工类专业的必修课，要求学生运用所学的专业基础知识，用技术经济观点系统分析和解决实际工程问题，具有极强的综合性和实践性。现有的化工设计教材主要介绍化工设计的基础原理、项目建设基本程序、物料和能量衡算、工艺流程设计、设备选择及设计、工厂车间布置设计、管道布置等。在设计过程中，除了化工专业基础知识外，往往还需要机械设备、仪表控制、安全领域的专业知识，现有的化工设计教材不能很好地满足学生拓宽知识面的需求。在汲取国内外教材长处的基础上，编著者将化学工程与工艺、过程装备与控制工程、自动化、安全工程及相关专业知识融合起来，编著了跨学科工程设计的首本教材，2016年7月由化学工业出版社出版，被遴选为卓越工程师教育培养计划系列教材，2018年获;中国石油和化学工业优秀出版物奖教材奖一等奖。随着国家;新工科建设的进一步推进，有必要对本教材进行修订，强化教材在人才培养过程中;培根铸魂、启智增慧的功能。本教材在第一版基础上进行修订，引入南京工业大学入选;中国化工 百年百人的八位化工科学家事迹，引导学生学习校友们心怀家国、勇担使命、敢为人先、精益求精的精神，为实现高水平化工科技自立自强、建设化工科技强国做出应有的贡献。本教材展现化工设计在;碳达峰、碳中和背景下的作用，进一步建立学生的现代化工设计理念，提高学生的整体工程设计能力，培养学生的跨学科思维和安全环保意识，对第2章化工过程工艺设计内容进行了更新，同时第5章增加了化工过程本质安全设计和基于风险的简化设计内容，强化创新意识和社会责任感。为了适应化工设计课程教学的需要，将修订后的教材名称变更为《化工设计跨学科设计与实例》。修订后的教材具有如下特色。①教材内容广：本教材不以单一学科知识为中心，突破了学科的界限，着眼于把不同学科知识有机融合在一起，形成了跨学科的化工设计知识体系，克服了现有知识体系无法有效解决复杂工程问题的缺点。以学生解决复杂工程问题能力的培养为目标，以实际工程案例为切入点，以典型工艺流程为主线，教材内容将化工过程工艺设计、化工过程设备设计、化工过程控制设计、化工过程安全设计等内容相互融合。学生在使用教材过程中，接受了跨学科知识的训练，有利于形成符合社会需求的复合型知识理念。②组织形式新：为了便于学习，本教材对传统结构进行了较大的调整，全部内容围绕工艺设计?设备设计?控制设计?安全设计主线展开，内容集中，系统性强，衔接自然，逻辑性好，便于学生学习和掌握。③产教融合深：本教材注重产教融合，以紧扣产业高质量发展、引领行业转型升级的工程案例为切入点，融入了近年中国石油和化学工业联合会技术发明奖、江苏省科学技术进步奖等原创成果，为学生营造跨学科工程训练环境，培养学生综合应用专业知识的能力，实现各专业的内在融合。通过本教材的学习，学生可以熟悉实际工程设计的操作程序，积极完成各专业工种的配合工作，成为既具备深厚专业理论基础，又具有面向未来产业发展眼光的专业技术人才。本教材共分10章。第1章介绍了跨学科工程设计实施可行性及培养体系，由管国锋编写；第2章介绍了工艺流程设计，物料衡算与能量衡算，工艺设备、车间布置及管道布置设计，由管国锋、万辉、潘宜昌编写；第3章介绍了过程设备强度与稳定性，换热设备、塔设备和储存设备设计，由董金善、沈国栋编写；第4章介绍了过程控制系统、检测与变送系统、计算机集成监控系统、供配电与电气控制系统设计，由薄翠梅编写；第5章介绍了化工过程本质安全设计，基于风险的简化设计，化工过程危险、有害因素分析，过程安全设计，由生迎夏、李蒙编写；第6章以Aspen Plus化工流程模拟软件为应用工具，介绍了Aspen Plus图形界面与模型建立，分离单元、换热单元和反应单元模拟计算，及模型分析工具和动态流程模拟，由管国锋、万辉、张春冬编写；第7章～第10章及线上二维码文件以;醋酸甲酯制醋酸和;稀氨水提浓为工程训练案例，分别给出了过程工艺设计、过程装备设计、过程控制设计、过程安全设计的具体实现过程和设计结果。全书由管国锋、万辉、薄翠梅等编著，由董金善负责主审。编著者希望相关专业学生通过本教材的学习，能够掌握化学工程与工艺、过程装备与控制工程、自动化与安全工程等专业设计的基本理论及工程设计方法，具备按照工程设计标准要求开展化工工程设计的能力，为以后从事化工工程设计工作打下良好基础。由于编著者水平有限，书中疏漏在所难免，恳请读者批评指正。

编著者2025年3月于南京

第一版前言随着现代过程工业的快速发展，社会对复合型创新人才需求日益高涨，需要工程教育进行改革和创新，强化培养学生的工程能力和创新能力。化学工业是我国经济的支柱性产业之一，其生产过程涉及化学工程与工艺、过程装备与控制工程、自动化及安全工程等多个学科专业，为适应现代化学工业的发展要求，必须将各专业知识彼此融合，实现团队工程设计与现代化学工业无缝对接，这对专业建设和卓越工程师培养具有重要的指导意义和应用价值。本教材以化学工程与工艺、过程装备与控制工程、自动化、安全工程组成的学科群为基础，打破专业壁垒，通过学科之间的交叉、渗透与融合，在一个总设计目标规定约束下，结合工程案例，以化工工艺、装备、控制、安全的工程设计为主线，建立了与生产实际紧密结合的培养环境，构建了一套基于;设计院模式的化学产品多学科融合立体式工程实训体系。这种既独立又合作的工程实践训练，使不同专业学生在工程设计过程中，建立起现代化工整体设计思想，协调处理各专业领域之间的交叉与融合，有力地推动教学内容的改革与创新，提高学生整体工程设计能力及团队协作创新能力，培养学生的节能环保意识与社会责任感。本教材解决了高等教育长期分专业教学、缺乏一体化工程设计训练问题，可成为化工类多学科工程能力培养的首本教材。本教材共分10章。第1 章介绍了化工类多学科工程设计实施可行性及培养体系；第2章介绍了工艺流程设计，物料衡算和能量衡算，工艺设备、车间布置及管道布置设计；第3章介绍了过程设备强度与稳定性，换热设备、塔设备、储存设备设计；第4章介绍了过程控制系统、检测与变送系统、计算机集成监控系统、供配电与电气控制系统设计；第5章介绍了化工过程危险、有害因素分析，过程安全设计及安全设计审查；第6章以Aspen Plus化工流程模拟软件为应用工具，介绍了流体输送单元、换热单元、分离单元和反应单元模拟计算及模型分析工具、动态流程模拟；第7章～第10章以;醋酸甲酯制醋酸为工程训练实例，分别给出了工艺过程设计、过程装备设计、过程控制设计、过程安全设计的具体实现过程和设计结果。全书由南京工业大学管国锋、董金善、薄翠梅、万辉和生迎夏编著，管国锋教授负责统稿。全体参编教师经过近几年跨学科团队毕业设计的组织与实施，多次获得江苏省本科毕业论文（设计）优秀团队和优秀论文奖，以此为主要支撑材料的教学研究成果;多学科融合的复合型创新人才工程能力培养体系的探索与实践获得江苏省优秀教学成果二等奖。将团队毕业设计成果用于本教材建设，获得江苏省普通高等学校重点教材建设立项和江苏省品牌专业建设项目（PPZY2015A044、PPZY2015A022）资助。编者希望相关专业学生通过本教材的学习，能够掌握化工工艺、过程装备、控制工程与安全工程的设计基本理论及工程设计方法，具备按照工程设计标准要求开展化工工程设计的能力，为后续走上社会从事化工类工程设计工作打下良好基础。由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，恳请读者批评指正。

编著者2016年7月于南京

《化工设计跨学科设计与实例》（第二版）针对高等学校化工类学生拓宽知识面的需求，将化学工程与工艺、过程装备与控制工程、自动化、安全工程及相关专业知识融合起来，面向设计过程和工程应用，使学生建立起现代化工设计思想，提高学生整体工程设计能力。主要内容包括：绪论、化工过程工艺设计、化工过程设备设计、化工过程控制设计、化工过程安全设计、工艺过程模拟计算、醋酸甲酯制醋酸和含氨废水提浓过程设计案例（二维码部分）。既有基本原理介绍，又有工程设计案例描述，设计过程详尽。本教材强调化工类跨学科工程设计能力训练，既可作为高等学校化工类及相关专业本科生和研究生的教材，也可作为从事工程设计技术人员的参考书。

无

第1章绪论11.1化工设计的定义和作用11.1.1化工设计的定义11.1.2化工设计的作用11.2跨学科设计的构思与起源21.2.1跨学科工程设计培养的必要性31.2.2跨学科工程设计培养的可行性41.2.3跨学科工程设计培养的特色51.3跨学科工程设计的培养体系61.3.1培养体系的构成61.3.2工程设计阶段划分71.3.3工程设计各阶段的深度要求81.3.4化工工艺设计要求101.3.5过程装备设计要求121.3.6自控工程设计要求141.3.7安全工程设计要求151.4责任关怀151.4.1责任关怀的实施理念161.4.2责任关怀的指导原则161.4.3责任关怀的实施准则17思考题17

第2章化工过程工艺设计182.1工艺流程设计182.1.1工艺流程设计方法182.1.2工艺流程图的绘制202.1.3工艺设计包272.2物料衡算和能量衡算312.2.1物料衡算312.2.2能量衡算322.3工艺设备设计332.3.1化工设备选型和设计原则332.3.2化工设备的选型和设计332.3.3化工设备图412.4车间布置设计422.4.1车间厂房布置设计422.4.2车间设备布置设计442.5管道布置设计462.5.1管道设计与布置的内容462.5.2管道及阀门的选用472.5.3管道压力降计算472.5.4管道热补偿设计472.5.5管道的绝热设计482.5.6管道的防腐与标志482.5.7典型设备的管道布置482.5.8管道轴测图552.5.9管架图与管件图55思考题56

第3章化工过程设备设计573.1过程设备设计基础573.1.1压力容器结构573.1.2压力容器分类573.1.3压力容器受压元件603.1.4压力容器法规与标准643.1.5压力容器材料673.2过程设备强度与稳定性设计713.2.1内压设备的强度计算723.2.2外压设备的稳定性计算753.2.3压力试验的强度计算783.2.4过程设备强度计算软件793.3换热设备设计803.3.1管壳式换热器基本类型803.3.2管壳式换热器结构设计803.3.3管壳式换热器设计计算933.4塔设备设计983.4.1塔设备基本类型983.4.2塔设备结构设计983.4.3塔设备设计计算993.4.4裙座壳及地脚螺栓座的设计计算1063.5储存设备设计1063.5.1卧式储罐基本结构1063.5.2卧式储罐强度及稳定性计算1063.5.3卧式储罐用鞍式支座设计112思考题112

第4章化工过程控制设计1134.1过程控制系统设计1134.1.1化工生产过程控制1134.1.2简单控制系统1144.1.3串级控制系统1164.1.4比值控制系统1184.1.5前馈控制系统1184.1.6选择控制系统1194.1.7分程控制系统1204.1.8先进控制系统1204.2精馏塔过程控制系统1214.2.1控制目标与控制变量1224.2.2精馏塔的基本控制方案1224.2.3精馏塔的复杂控制方案1244.2.4精馏塔的先进控制方案1254.3化学反应器过程控制系统1264.4检测与变送系统设计1274.4.1选型原则1274.4.2温度测量仪表的选择1274.4.3压力测量仪表的选择1284.4.4流量测量仪表的选型1294.4.5物位测量仪表的选型1294.4.6控制阀的选型1304.5计算机集成监控系统设计1314.5.1DCS集散控制系统1314.5.2DCS控制方案设计1314.5.3控制方案组态实现1324.5.4安全联锁系统设计1334.6供配电与电气控制系统设计1344.6.1系统的整体连接1344.6.2电缆的连接1354.6.3电气控制系统设计136思考题137

第5章化工过程安全设计1385.1化工本质安全设计1385.1.1本质安全设计基本策略1385.1.2本质安全设计基础1395.1.3本质安全设计原则1395.2基于风险的简化设计1405.3化工过程危险、有害因素分析1415.3.1危险、有害因素1415.3.2过程危险、有害因素分析方法1435.3.3风险评价1475.4过程安全设计1495.4.1平面布置1495.4.2工艺装置安全设计1535.4.3储运设施安全设计1575.4.4管道布置1615.4.5消防设计1635.4.6电气安全1665.4.7职业危害防护1675.4.8其他安全设计168思考题168

第6章工艺过程模拟计算1706.1Aspen Plus图形界面与模型建立1706.1.1Aspen Plus图形界面1706.1.2Aspen Plus模型建立1706.2分离单元模拟计算1716.2.1精馏简捷计算模块1716.2.2精馏严格计算模块1726.2.3萃取计算模块1756.3换热单元模拟计算1766.3.1Heater换热器1766.3.2HeatX换热器1776.3.3EDR设计1796.4反应单元模拟计算1826.4.1Rplug模块输入1836.4.2Rplug计算结果1856.5模型分析工具1856.5.1设计规定1856.5.2灵敏度分析1876.6动态流程模拟188思考题190

第7章醋酸甲酯制醋酸工艺过程设计1917.1工程概况1917.1.1工程意义1917.1.2工程设计内容1917.2醋酸甲酯制醋酸工艺的模拟与优化1927.2.1醋酸甲酯制醋酸工艺流程1927.2.2醋酸甲酯原料规格及处理要求1937.2.3热力学分析1937.2.4反应动力学1967.2.5醋酸甲酯制醋酸工艺参数的优化1967.3醋酸甲酯制醋酸工艺包设计2017.3.1设计基础2017.3.2工艺说明2037.3.3物料平衡2107.3.4消耗量2107.3.5界区条件表2117.3.6卫生、安全、环保说明2117.3.7分析化验项目表2127.3.8工艺管道及仪表流程图（Pamp;ID）2177.3.9建议的设备布置图及说明2177.3.10工艺设备表2237.3.11工艺设备2257.3.12自控仪表2387.3.13安全阀规格书240思考题245

第8章醋酸甲酯制醋酸过程装备设计2468.1设备布置设计2468.1.1设计一般要求2468.1.2设备布置图2478.2管道布置设计2488.2.1设计一般要求2488.2.2管道布置图2508.3换热设备设计2508.3.1结构设计2508.3.2强度计算2538.3.3施工图绘制2578.4塔设备设计2578.4.1结构设计2578.4.2强度计算2598.4.3施工图绘制2638.5储存设备设计2638.5.1催化精馏塔回流罐结构设计2638.5.2强度计算2638.5.3施工图绘制2668.6工程技术经济评价2678.6.1装置投资预算2678.6.2生产成本估算2688.6.3盈亏平衡分析268思考题269

第9章醋酸甲酯制醋酸过程控制设计2709.1控制方案设计2709.1.1控制目标与要求2709.1.2灵敏板位置确定2709.1.3控制自由度分析2709.1.4控制系统设计方法2719.1.5厂级过程控制方案的设计2729.2醋酸甲酯水解工艺控制系统动态模拟2749.2.1Aspen稳态模拟系统2749.2.2稳态模拟转到动态模拟2749.2.3控制方案1的动态模拟系统2769.3DCS控制系统的实现2799.3.1浙大中控DCS软件2799.3.2I/O点设置2799.3.3控制方案的组态实现2819.3.4监控组态画面设计2829.3.5组态调试284思考题285

第10章醋酸甲酯制醋酸过程安全设计28610.1工艺危险、有害因素辨识28610.1.1物料的危险性28610.1.2生产工艺的危险性28810.1.3设备装置的危险性28810.2工艺安全风险分析28910.3安全防护措施29310.3.1防爆设计29310.3.2防火设计29310.3.3可燃气体检测报警系统设计29410.3.4工艺防雷、防静电设计29410.3.5控制与安全联锁设计29510.3.6设备、设施的安全防护设计29510.3.7警示标志设置295思考题296

参考文献297

附录醋酸甲酯制醋酸过程装备设计图样298