化工多学科工程设计与实例

《化工多学科工程设计与实例》针对高校长期分专业教学、缺乏一体化工程设计训练等问题，以化学工程与工艺、过程装备与控制工程、自动化、安全工程等专业组成的学科群为基础，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，构建了一套基于“设计院模式”的化工多学科融合立体式工程设计体系。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，醋酸甲酯制醋酸的工艺过程设计、过程装备设计、过程控制设计以及过程安全设计。既有基本原理介绍，又有工程设计案例描述，设计过程详尽。

本教材强调化工类多学科工程能力培养，既可作为高等学校化学工程与工艺、过程装备与控制工程、自动化、安全工程及相关专业学生的教材，也可作为相关工程技术人员从事工程设计的参考书。

管国锋，南京工业大学，教育部高等学校化工类教学指导委员会委员，教育部化学工程与工艺专业专业认证专家，全国化工高等教育协会常务理事，中国化工学会石油化工专业委员会委员，江苏省化学化工学会理事，教务处处长，1962年生，工学博士，教授，博士生导师，江苏省高等教育教学名师。主要从事化工过程耦合强化技术的开发、离子液体的分子设计、合成及应用研究、规整结构催化剂的制备与应用研究。作为项目负责人主持承担了国家“十二五”科技支撑计划、国家自然科学基金、江苏省科技厅、环保厅、中石化科技开发项目及企业委托科研项目三十余项。兼任南京市化工过程强化工程技术中心主任，南京市萃取分离工程技术中心副主任。

教学获奖：

(1) 2013年获江苏省教学成果二等奖；

(2) 2012年《化工原理》被评为“十二五”国家规划教材；

(3) 2007年化工原理课程获“国家精品课程”称号；

(4) 2006年江苏省高等学校教学名师；

(5) 2007年《化工原理》被评为“十二五”国家规划教材；

(6)2005年《化工原理》被评为江苏省精品教材；

(7)2004年荣获江苏省教学成果特等奖和二等奖。

科研获奖：

(1)2013年获石油和化学工业联合会技术发明一等奖；

(2)2013年获江苏省科学技术进步二等奖。

第1章绪论1

1.1构思与起源1

1.1.1多学科工程设计培养的必要性2

1.1.2多学科工程设计培养的可行性2

1.1.3多学科工程设计培养的特色4

1.2多学科工程设计的培养体系5

1.2.1培养体系的构成5

1.2.2化工工艺设计要求6

1.2.3过程装备设计要求8

1.2.4自动化控制工程设计要求10

1.2.5安全工程设计要求11

1.3教学模式的组织与管理11

1.3.1工程设计选题原则12

1.3.2工程设计组织管理12

1.3.3工程设计团队协作13

1.3.4工程设计考核验收14

1.4责任关怀14

1.4.1责任关怀的实施理念15

1.4.2责任关怀的实施原则15

1.4.3责任关怀的实施准则16

第2章化工过程工艺设计17

2.1工艺流程设计17

2.1.1工艺流程设计方法17

2.1.2工艺流程图的绘制17

2.1.3工艺设计包24

2.2物料衡算和能量衡算28

2.2.1物料衡算29

2.2.2能量衡算30

2.3工艺设备设计30

2.3.1设备设计的基本内容31

2.3.2化工设备图34

2.4车间布置设计34

2.4.1车间厂房布置设计34

2.4.2车间设备布置设计36

2.5管道布置设计38

2.5.1管道设计与布置的内容38

2.5.2管道及阀门的选用38

2.5.3管道压力降计算39

2.5.4管道热补偿设计39

2.5.5管道的绝热设计39

2.5.6管道的防腐与标志40

2.5.7管道布置设计40

2.5.8管道轴测图41

2.5.9管架图与管件图41

第3章化工过程设备设计42

3.1过程设备设计基础42

3.1.1压力容器结构42

3.1.2压力容器分类42

3.1.3压力容器受压元件45

3.1.4压力容器法规与标准49

3.1.5压力容器材料52

3.2过程设备强度与稳定性设计56

3.2.1内压设备的强度计算57

3.2.2外压设备的稳定性计算60

3.2.3压力试验的强度计算63

3.2.4过程设备强度计算软件64

3.3换热设备设计65

3.3.1管壳式换热器基本类型65

3.3.2管壳式换热器结构设计65

3.3.3管壳式换热器设计计算79

3.4塔设备设计84

3.4.1塔设备基本类型84

3.4.2塔设备结构设计84

3.4.3塔设备设计计算85

3.4.4裙座壳及地脚螺栓座的设计计算92

3.5储存设备设计92

3.5.1卧式储罐基本结构92

3.5.2卧式储罐强度及稳定性计算93

3.5.3卧式储罐鞍式支座设计98

第4章化工过程控制设计99

4.1过程控制系统设计99

4.1.1化工生产过程控制99

4.1.2简单控制系统100

4.1.3串级控制系统102

4.1.4比值控制系统102

4.1.5前馈控制系统103

4.1.6选择控制系统103

4.1.7分程控制系统103

4.1.8先进控制系统104

4.2精馏塔过程控制系统104

4.2.1控制目标与控制变量104

4.2.2精馏塔的基本控制方案105

4.2.3精馏塔的复杂控制方案106

4.2.4精馏塔的先进控制107

4.3化学反应器过程控制系统108

4.4检测与变送系统设计109

4.4.1选型原则109

4.4.2温度测量仪表的选择109

4.4.3压力测量仪表的选择110

4.4.4流量测量仪表的选型111

4.4.5物位测量仪表的选型112

4.4.6控制阀的选型113

4.5计算机集成监控系统设计113

4.5.1DCS集散控制系统113

4.5.2DCS控制方案设计113

4.5.3控制方案组态实现114

4.5.4安全联锁系统设计116

4.6供配电与电气控制系统设计116

4.6.1系统的整体连接117

4.6.2电缆的连接118

4.6.3电气控制系统设计119

第5章化工过程安全设计121

5.1化工过程危险、有害因素分析121

5.1.1危险、有害因素121

5.1.2过程危险、有害因素分析方法123

5.1.3风险评价126

5.2过程安全设计128

5.2.1平面布置128

5.2.2工艺装置安全设计133

5.2.3储运设施安全设计137

5.2.4管道布置141

5.2.5消防设计142

5.2.6电气安全145

5.2.7职业危害防护146

5.2.8其他安全设计147

第6章工艺过程模拟计算149

6.1Aspen Plus图形界面与模型建立149

6.1.1Aspen Plus图形界面149

6.1.2Aspen Plus模型建立149

6.2分离单元模拟计算150

6.2.1精馏简捷计算模块150

6.2.2精馏严格计算模块151

6.2.3萃取模块154

6.3换热单元模拟计算155

6.3.1Heater换热器155

6.3.2HeatX换热器156

6.3.3EDR设计160

6.4反应单元模拟计算161

6.4.1Rplug模块的输入162

6.4.2Rplug计算结果163

6.5模型分析工具164

6.5.1设计规定164

6.5.2灵敏度分析165

6.6动态流程模拟167

第7章醋酸甲酯制醋酸工艺过程设计169

7.1工程概况169

7.1.1工程意义169

7.1.2工程设计内容169

7.2醋酸甲酯制醋酸工艺的模拟与优化170

7.2.1醋酸甲酯制醋酸工艺流程170

7.2.2醋酸甲酯原料规格及处理要求171

7.2.3热力学分析171

7.2.4反应动力学174

7.2.5醋酸甲酯制醋酸工艺参数的优化175

7.3醋酸甲酯制醋酸工艺包设计179

7.3.1设计基础179

7.3.2工艺说明182

7.3.3物料平衡188

7.3.4消耗量188

7.3.5界区条件表189

7.3.6卫生、安全、环保说明189

7.3.7分析化验项目表190

7.3.8工艺管道及仪表流程图195

7.3.9建议的设备布置图及说明195

7.3.10工艺设备表201

7.3.11工艺设备203

7.3.12自控仪表221

7.3.13安全阀规格书228

第8章醋酸甲酯制醋酸过程装备设计229

8.1设备布置设计229

8.1.1设计一般要求229

8.1.2设备布置图230

8.2管道布置设计231

8.2.1设计一般要求231

8.2.2管道布置图233

8.3换热设备设计233

8.3.1结构设计233

8.3.2强度计算236

8.3.3施工图绘制241

8.4塔设备设计241

8.4.1结构设计241

8.4.2强度计算243

8.4.3施工图绘制246

8.5储存设备设计247

8.5.1催化精馏塔回流罐结构设计247

8.5.2强度计算247

8.5.3施工图绘制251

8.6工程技术经济评价251

8.6.1装置投资预算251

8.6.2生产成本估算252

8.6.3盈亏平衡分析252

第9章醋酸甲酯制醋酸过程控制设计254

9.1控制方案设计254

9.1.1控制目标与要求254

9.1.2灵敏板位置确定254

9.1.3控制自由度分析254

9.1.4控制系统设计方法255

9.1.5厂级过程控制方案的设计256

9.2醋酸甲酯水解工艺控制系统动态模拟258

9.2.1Aspen稳态模拟系统258

9.2.2稳态模拟转到动态模拟258

9.2.3控制方案1的动态模拟系统260

9.3DCS控制系统的实现263

9.3.1浙大中控DCS软件263

9.3.2I/O点设置264

9.3.3控制方案的组态实现265

9.3.4监控组态画面设计266

9.3.5组态调试269

第10章醋酸甲酯制醋酸过程安全设计270

10.1工艺危险、有害因素辨识270

10.1.1物料的危险性270

10.1.2生产工艺的危险性271

10.1.3设备装置的危险性272

10.2工艺安全评价273

10.2.1安全评价方法选取273

10.2.2作业条件危险性分析273

10.2.3六阶段安全评价法275

10.3安全防护措施286

10.3.1防爆设计286

10.3.2防火设计287

10.3.3可燃气体检测报警系统设计287

10.3.4工艺防雷、防静电设计288

10.3.5控制与联锁安全设计288

10.3.6设备、设施的安全防护设计288

10.3.7警示标志设置289

参考文献290

附录醋酸甲酯制醋酸过程装备设计图样290