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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HENs401

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O658

17.2.5 维修费用M659

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D661

17.2.9 生产费用COM661

17.2.10 总生产费用C661

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MATLAB862

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DVD887

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