作者：王要令 主编 靳遵龙、洪坤 副主编
出版社：化学工业出版社
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化工原理课程设计试读：
前言
化工原理课程设计是化学工程与工艺及相关专业化工原理实践教学的重要环节之一。该课程既是对化工原理课程理论知识的巩固和应用，又是对先修课程所学知识的一个综合应用实训。
化工原理课程设计，从培养学生综合运用基础知识分析和解决问题的能力及工程设计能力出发，按照化工原理课程教学体系的基本要求，结合编者在化工企业的工作经验、高校化工原理课程教学及课程设计、毕业设计的体会和认识，同时参考同类教材的基础上编写而成。
本教材突出工程实用性，既注重理论性，又注重实践性、综合性，力求理论与实践相结合。绪论部分阐述了课程设计的内容、步骤、要求。基础知识部分简明扼要地介绍了设计计算基础和绘图基本知识、要求、规范。典型单元操作部分由实用案例、理论设计原理、设计步骤、设计内容、工艺计算方法、辅助设备的设计和选型、工程案例的详细设计过程、实例任务书等环节组成；工程案例的设计过程是对理论工艺计算知识的应用，可供读者设计时参考；实例设计任务书则可供不同专业学生选择及练习。为强化学生科技论文的撰写能力，后续增加了课程设计说明书撰写的内容及要求。最后附录部分提供了相关的规范、标准、物性参数等。
本书由河南城建学院王要令担任主编。绪论由河南城建学院王要令、淮阴工学院洪坤编写，第1章设计计算基础由武汉华夏理工学院姬乔娜编写，第2章设计绘图基础由河南城建学院王要令编写，第3章板式精馏塔的设计由郑州大学靳遵龙、陈晓堂，淮阴工学院洪坤编写，第4章填料吸收塔的设计由武汉华夏理工学院姬乔娜编写，第5章管壳式换热器的设计由郑州大学靳遵龙、陈晓堂编写，第6章干燥装置的设计由河南城建学院王要令编写，第7章课程设计说明书的撰写由河南城建学院王要令编写，附录由武汉华夏理工学院姬乔娜编写。
本教材的编写得到了河南城建学院、郑州大学、淮阴工学院和武汉华夏理工学院领导和同事的大力支持，并参考了国内许多优秀书籍和资料，在此一并致以诚挚的谢意！
由于时间仓促，编者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请读者批评指正。编者2016年8月0 绪论0.1 化工原理课程设计的性质和目的
化工原理课程设计是化工类相关专业的学生综合运用化工原理及有关先修课程所学知识去完成某一化工单元操作任务的一次较为全面的化工初步设计训练，是化工原理课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，培养学生正确的设计思想和实事求是、严谨负责的工作作风，也为后续课程的课程设计及毕业设计打下基础。其基本目的如下。
①使学生掌握化工设计的基本步骤与方法。
②培养和锻炼学生查阅资料、收集数据和选用公式的能力。通常设计任务是指导教师给定的，但设计过程中许多物料的理化参数等需要设计者从相关手册中查阅、收集，对于复杂的情况有时还需要选取合适的经验公式进行估算。这就要求设计者基础知识扎实，综合运用知识能力强，考虑问题详细而周全。
③在兼顾技术上先进、可行，经济上合理的前提下，能综合分析设计要求，确定工艺流程，选型主体设备。这要求设计者能从工程的角度综合考虑各种因素，包括后期的操作、维修以及对环境的要求等。
④准确而迅速地进行过程计算及主要设备的工艺设计计算。
⑤掌握化工设计的基本内容和要求。
⑥能用精练的语言、简洁的文字和清晰的图表编写设计说明书，表达自己的设计思想。
⑦能根据一般化工制图的基本要求，运用化工CAD或其他相关软件正确绘制图纸并清楚、准确地表达设计结果。0.2 化工原理课程设计的基本内容及步骤0.2.1 化工原理课程设计的基本内容
化工原理课程设计是以化工单元操作的典型设备为对象，要求结合平时的各种实习，从生产中选题，做到真题真做。其基本内容包括以下几点。（1）设计方案的简介
根据任务的条件和要求，通过对实际生产的现场调查及查阅相关文献资料的对比分析，选定合适的流程和主要设备，初步确定方案。并对选定的工艺流程、主要设备进行简要的论述。（2）工艺设计的计算
选定工艺参数，进行物料衡算、能量衡算、单元主体设备的工艺结构计算和流体力学验算。（3）辅助设备的选型和计算
包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号的选定。（4）流程图和主体设备图的绘制
流程图是带控制点的工艺流程图，标出物料流向、物料量、能流量及主要控制点。主体设备图是主体设备设计工艺条件图，包括主要工艺尺寸、技术特性表、接管口及组成设备的各部件名称等。（5）设计说明书的编写
完整的化工原理课程设计报告应包括两部分内容：设计说明书和说明书的附图、附表。0.2.2 化工原理课程设计的基本步骤
①明确设计任务及条件。接受任务，认真阅读、分析下达的设计任务书，明确要完成的主要任务及设计已经具备的条件。
②课程设计的准备工作。为完成指定任务，在已经给定的设计条件下，还需要具备哪些条件？因此需要开展一些具体的准备工作。一方面结合需要完成的任务进行实际生产的调研，譬如相关工艺流程、操作条件、控制指标等；另一方面，查阅、收集相关资料，譬如所涉及物料的物性参数、设备设计的规范等。
③确定操作条件和流程方案。确定操作条件，如温度、压力、物流比等；对于单元主设备结构形式，要比较各类设备结构的优点和缺点，结合设计的任务及给定条件，选择高效、可靠的设备形式；最后从工程的角度综合考虑各种因素，确定单元设备的简单工艺流程图。
④主体设备的工艺设计计算。化工原理课程设计主要强调工艺流程中主体设备的设计。主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备，如传热单元操作中的换热器、吸收单元操作中的吸收塔、精馏单元操作中的精馏塔和干燥单元操作中的干燥器等。
⑤结构设计。在设备形式及主要尺寸确定的基础上，根据各种设备常用结构，参考有关资料与规范，详细设计设备各零部件的结构尺寸。譬如填料塔的液体分布器、再分布器、填料支承、填料压板等；板式塔的塔板布置、溢流管、塔板支承、液体收集箱等。
⑥编写设计说明书。
⑦绘制带控制点的工艺流程图和主体设备工艺条件图。0.3 化工原理课程设计的任务要求
化工原理课程设计任务要求：每一位学生必须编写设计说明书一份；绘制图纸两张，一张工艺流程图和一张主体设备图。整个设计由论述、计算和绘图三部分组成，缺少任何一部分都是不允许的，不符合要求的。0.3.1 设计说明书的编写要求
设计说明书要求内容完整，条理清晰，书面整洁，文字工整，语句通顺；计算误差小于设计要求，思路正确，方法得当，步骤清晰，公式及相关数据来源可靠；方案及流程选取合理，论证充分。
具体的内容编排顺序一般如下：
①封面；
②设计任务书；
③目录；
④设计方案；
⑤工艺流程及说明；
⑥工艺设计计算；
⑦辅助设备的计算及选型；
⑧设计结果一览表；
⑨设计评述或设计收获；
⑩附录/图（工艺流程简图、主体设备工艺条件图）；参考文献。0.3.2 设计图纸要求
图纸要求布局美观，图面整洁，图表清楚，尺寸标注准备且完整，字迹工整，各部分线形粗细符合国家化工制图标准。具体对不同图纸的要求如下。（1）工艺流程图
要求绘制“带控制点的工艺流程图”一张，采用A2（594mm×420mm）或A3（420mm×293mm）图纸。以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备物料流向、物流量、能流量及主要控制点。
流程图中设备以细实线画出设备外形并简略表示主要内容特征。目前，设备的图形符号已有统一的规定，具体可查阅相关参考资料。设备的位号、名称注在相应设备图形的上方或下方，或以引线引出设备编号，在专栏中注明各设备的位号、名称等。管道以粗实线表示，物料流向以箭头表示（流向习惯为从左向右）。辅助物料（如冷却水、加热蒸汽等）的管线以较细的线条表示。（2）主体设备工艺条件图
通常化工工艺设计人员的任务是根据工艺要求通过工艺条件确定设备结构形式、工艺尺寸，然后提出附有工艺条件图的“设备设计条件图”。设备设计人员据此对设备进行机械设计，最后绘制设备装配图。
化工原理课程设计要求绘制“主体设备工艺条件图”一张，采用A1（841mm×594mm）或A2（594mm×420mm）图纸。按一定比例绘制，图面上应包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表、接管表及组成设备的各部件名称等。
主体设备工艺条件图的基本内容如下。
①视图 一般用主（正）视图、剖面图或俯视图表示设备主要结构形状。
②尺寸 图上应注明设备直径、高度以及表示设备总体大小和规格的尺寸。
化工原理课程设计完全不同于平时作业，要求学生必须在规定的时间内按照上述要求完成设计任务，且每位学生的设计计算依据和答案往往不是唯一的。所以要求学生必须独立地确定方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备计算，并对自己的选择做出论证和核算，经过反复多次的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。0.4 化工原理课程设计中计算机的应用
目前，计算机技术已在化工原理课程设计中普遍使用，譬如软件Aspen Plus、VB、Borland C++、Delphi、CAD等。计算机的使用不仅能大大缩短设计时间、提高效率，而且还是提高设计质量的有力保证，尤其是在方案对比、参数选择、优化设计、图形绘制等方面更是如此。0.4.1 CAD软件的应用（1）模拟计算
化工设计中工艺计算及结构计算的计算工作量大，且需要经过多次反复计算，如逐板法计算理论塔板数目、试差法确定灵敏板位置等，并且在计算过程中如果参数选取不当或某一步骤计算出错，那么需要对整个计算过程进行重新计算。因此在实际设计过程中，人们只能采用各种简化方法计算，但由此引起的误差可能对设计结果产生严重影响。利用计算机不仅能够解决化工设计中大量的复杂计算问题，而且由于电子计算技术的应用，还在化学的深入研究、摸清化工过程内在规律方面引起了质的飞跃。
作为在化工计算方面的应用主要有：
①基础数据如化工原料的特性数据计算；
②单元操作的设备结构计算；
③单元操作工艺计算，包括系统最优化计算；
④流程计算。（2）图形绘制
计算机辅助设计（CAD）是利用计算机绘制和生成工程图纸的一种现代高新技术。使用手工绘图，如果图形布局不合理，那么设计师必须先擦除原有的线，然后重新在新位置上绘图。使用Auto CAD系统，用户只需使用相关命令进行修改，即可获得满意结果。
在化工设计中，计算机辅助设计绘图不但可以画工艺流程图、设备总装图、零件图，还可画设备布置图、工艺管线配管图，甚至可以画设备管线的三维图像和任一角度的投影。画图快速，图形工整、清晰，线条尺寸误差在0.3mm以内。（3）智能CAD与专家系统
CAD不但能代替设计者的手工计算和绘图，而且计算速度快、精确度高，图纸质量好，代替大量人工劳动，能够完成人工所不能达到的复杂运算，某些软件还能“辅导”一般设计人员进行分析、判断、决策，这就是智能CAD。
专家系统是将设计专家的知识、经验加以分类，形成规划（软件），存入计算机，因此可以用计算机模拟设计专家的推理、判断、决策过程来解决设计问题。0.4.2 Aspen Plus软件的应用
Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。Aspen Plus是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程软件，它为用户提供了一套完整的单元操作模型，用于模拟各种操作过程，从单个操作单元到整个工艺流程的模拟，能自动地把流程模型与工程知识数据库、投资分析，产品优化和其他许多商业流程结合。Aspen Plus包含数据、物性、单元操作模型、内置缺省值、报告及为满足其他特殊工业应用所开发的功能。
运用Aspen Plus，可以进行工艺过程严格的质量和能量衡算，预测物流的流率、组成和性质，预测操作条件和设备尺寸，减少装置的设计时间，进行设计方案比较，帮助改进当前工艺等。0.4.3 化工过程仿真技术的应用
化工生产行业具有显著的特殊性：工艺过程复杂、工艺参数较多、工艺条件要求十分严格，并伴有高温、高压、易燃、易爆、有毒、腐蚀等不安全因素。化工仿真技术是通过在计算机上进行开车、停车、事故处理等过程实现的操作方法和操作技能的仿真模拟手段。应用这一技术，可以模拟流程在不同工艺条件下运行时可能得到的结果，并对结果进行分析、优选，确定最佳工艺条件或最佳方案。因此，可大大节省过去由试验（小试与中试）探索最佳工艺条件所耗费的大量资金与时间。第1章 设计计算基础1.1 物性数据和物性估算
设计计算中的物性数据应尽可能使用实验测定值或从有关手册和文献中查取。有时手册上也以图表的形式提供某些物性的推算结果。常用的物性数据可由《化工原理》附录、《物理化学》附录、《化学工程手册》、《化工工艺设计手册》、《石油化工设计手册》等工具书查阅。
为方便设计者查取，本书提供一些常见流体的基础物性参数，如比热容、密度、蒸发潜热、表面张力、黏度、热导率、饱和蒸气压等，见附录部分，此处从略。
由于化学工业中化合物品种极多，更要考虑不同温度、压力和浓度下物性值的变化。实测值远远不能满足需要，估算求取化工数据成为极重要的方法。下面就部分常规物系经验混合规则介绍如下。1.1.1 定压比热容
理想气体定压比热容 （1-1） 式中 ——理想气体定压比热容，cal/（mol·K）（1cal=4.18J，下同）；
T——计算比热容所取的温度，K；
A、B、C、D数值见表1-1。表1-1 理想气体比热容方程系数1.1.2 热焓
理想气体在温度T时的热焓可由下式求得： （1-2） 式中 ——温度T下理想气体的比热容。0
求真实气体的热焓H，可先求出理想气体的热焓H，再加上同温下真实气体与理想气体的热焓差，即0000H=H+（H-H） 或H=H-（H-H）
焓差可由状态方程式法、Lee-Kesler法、Yen-Alexander法求取。可参照《化学工程手册》第一册热焓的计算。1.1.3 蒸发潜热（1）Pitzer偏心因子法 （1-3） 式中 ω——偏心因子；
ΔH——在T时的蒸发潜热，cal/mol。vr（2）正常沸点下的蒸发潜热
Riedel法 （1-4） 式中 ΔH——正常沸点时的蒸发潜热，cal/mol；vb
T——临界温度，K；c
pc——临界压力，atm（1atm=101325Pa，下同）；
T——正常沸点时的对比温度；br
R——气体常数，1.987cal/（mol·K）。【案例分析1】计算丙醛在正常沸点下的蒸发潜热，其实验值为6760cal/mol。
解：查《化工工艺设计手册》，得T=321K，T=496K，bcp=47atm，T=321/496=0.647cbr
由Riedel法得1.1.4 液体密度（1）正常沸点下的液体摩尔体积
①Schroeder法 将表1-2中所列原子或结构的数据加和。此法简单，精确度高，一般误差为2％，对高缔合液体误差为3％～4％。表1-2 计算正常沸点下的分子结构常数
②Le Bas法 见表1-2，平均误差为4％，但应用范围比Schroeder法广，对大多数化合物误差相近。
③Tyn-Calus法 （1-5） 3
正常沸点下的体积V与临界体积V的单位为cm/mol。本法除低bc沸点永久气体（He、Ne、Ar、Kr）与某些含氮、磷的极性化合物（HCN、PH）外，一般误差在3％之内。3【案例分析2】计算氯苯在正常沸点下的液体摩尔体积。其实验值33为115cm/mol，V=308cm/mol。c
解：Schroeder法
由表1-2知 CHCl的分子结构常数为6（C）+5（H）+Cl65+（环）+3（双键）3
所以 V=6×7+5×7+24.5-7+3×7=115.5cm/molb
由Le Bas法
由表1-2知 CHCl的分子结构常数为 6（C）+5（H）+Cl65+（六元环）3
所以 V=6×14.8+5×3.7+24.6-15=116.9cm/molb
由Tyn-Calus法1.0483V=0.285×（308）=115.6cm/molb（2）液体的密度
单位质量的物质所占有的容积称为比容，用符号“V”表示，单3位为“米/千克”，即密度的倒数。可用Gumn-Yamada法求取。本法只限于饱和液体比容。 （1-6） 3式中 V——饱和液体比容，cm/mol；
ω——偏心因子；3
V——标准状态下的饱和液体比容，cm/mol；sc，Г——对比温度的函数。
0.2≤T≤0.8时r
0.8 0.1≤T<0.2时r 上式V为对比温度为0.6时的饱和液体摩尔体积。若V未知，0.60.6V可按式（1-7）近似计算：sc （1-7） RR 若已知某参考温度T下的参考体积V，则应用式（1-7）求取。求其他温度T下的体积时，可以消除V，即：sc （1-8） 式中，。 式（1-8）为计算饱和液体密度最精确的方法之一，可以应用于非极性及弱极性的化合物。1.1.5 液体黏度（1）纯液体黏度的计算 （1-9） 式中 μ——液体温度为T时的黏度，mPa·s；1 T——温度，K； A，B——液体黏度常数，见表1-3。表1-3 液体黏度常数（2）液体混合物黏度的计算 对于互溶液体混合物 （1-10） 式中 μ——混合物黏度，mPa·s；m μ——i组分的液体黏度，mPa·s。i1.1.6 表面张力（1）纯物质的表面张力 Macleod-Sugden法 （1-11） 式中 σ——表面张力，mN/m； ［P］——等张比容，可按分子结构因数加和求取；3 ρ——液体密度，g/cm；液3 ρ——与液体同温度下饱和蒸气密度，g/cm。气 由温度T时表面张力σ，求另一温度T时表面张力σ，可由式1122（1-12）计算 （1-12） 式中 T——临界温度，K；c T，T——温度，K。12（2）非水溶液混合液的表面张力 （1-13） 式中 σ——组分i的表面张力，mN/m；i x——组分i的分子分数。i（3）含水溶液的表面张力 二元有机物-水溶液的表面张力在宽浓度范围内可用式（1-14）求取： （1-14） 式中，φ=XV/V；φ=XV/V。swswwssosoos 用下列各关联式求出φ、φswsoφ+φ=1 （1-15）swsoA=B+Q （1-16） （1-17） （1-18） =xV/（xV+xV） （1-19）φwwwwwooφ=xV/（xV+xV） （1-20）ooowwoo 式中，下标w、o、s分别指水、有机物及表面部分；x、x指主wo体部分的摩尔分数；V、V指主体部分的摩尔体积；σ、σ为纯水wowo及有机物的表面张力。q值由有机物的形式与分子的大小决定，举例说明于表1-4。表1-4 q值举例 若用于非水溶液时，q=溶质摩尔体积/溶剂摩尔体积。【案例分析3】计算乙醇水溶液（乙醇摩尔分数为0.207）在25℃时的表面张力σ=71.97dyn/cm（1dyn/cm=1mN/m）；σ=22.0dyn/cm；wo33V=18cm/mol；V=58.39cm/mol。wo 解：按表1-4，查得q=2 由式（1-19）得φ=xV/（xV+xV）=0.793×18/（0.793×wwwwwoo18+0.207×58.39）=0.5415 由式（1-20）得φ=xV/（xV+xV）=0.207×58.39/（0.793×ooowwoo18+0.207×58.39）=0.4585
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]