化工原理課程設計

化工原理課程設計（第二版）

本書為高等院校化工原理課程設計教材，全書共分七章，內容包括：化工原理課程設計基礎、攪拌裝置、換熱裝置、蒸發裝置、塔設備、液液萃取裝置、乾燥裝置的工藝設計。為強調化學工程項目設計的實用性和可操作性，本書選編了12個不同類型的化工裝置設計示例，藉此引導學生快速掌握化工裝置的設計技巧與方法。

本書可作為化工、石油、材料、製藥、生物、食品、環境等相關專業的教材，以及完成畢業設計的參考書，亦可供化工領域設計、生產與管理部門工程技術人員參考。

化工原理課程設計是化工原理課程實踐性教學環節之一，是培養學生綜合運用化工原理及有關先修課程的基本知識解決某一設計任務的一次設計性訓練。通過課程設計訓練使學生掌握化工設計的基本程序和基本方法，並在查閱資料、選用公式、合理選定設計參數、用簡潔文字和圖表表達設計結果以及工程製圖能力等方面得到一次基本的訓練，幫助學生樹立正確的設計思想和工程觀點，並在這種設計思想的指導下分析和解決工程實際問題。

化工原理課程設計的對象是化工單元操作設備的工藝設計，是化工工藝設計的主體和重要組成部分。本書第二版延續第一版的風格，增加了換熱器3D總裝圖設計和BTX精餾分離過程的Aspen模擬，充分體現軟體在化工設計中的重要作用。對部分內容作了適當刪減，尤其是第一版附錄中一些過時的或在已有教材中很容易查到的內容全部刪去。除此之外還對部分例題進行了更為詳細的設計計算。為了引導學生自學與總結，在每章開頭增加了【本章導讀指引】、每章結尾增加了【本章具體要求】。

本書第二版中裝置設計示例依然為12個，但略有調整，分別為：（1）釜式攪拌冷卻器（夾套與蛇管同時冷卻）；（2）非標管式換熱器（設計）；（3）標準式管式換熱器（選型）；（4）立式熱虹吸再沸器；（5）循環型蒸發器；（6）篩板塔；（7）浮閥塔；（8）填料塔；（9）BTX精餾分離模擬；（10）轉盤萃取塔；（11）噴霧乾燥塔；（12）流化床乾燥器。通過這些典型實例，為學生順利完成化工原理課程設計提供範本。

本書可作為高等院校化工、石油、材料、製藥、生物、食品、環境等專業化工原理課程設計或化工單元過程與設備課程設計教材，亦可供化工領域設計、生產與管理部門工程技術人員參考。

由於編者經驗不足，水平有限，書中疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正，在此深表謝意。

編者

2016年4月

第1 章　化工原理課程設計基礎 1

1.1 化工設計與化工原理課程設計概述 1

1.1.1 化工設計的分類與化工設計的內容 1

1.1.2 化工工藝設計的主要內容 2

1.1.3 化工原理課程設計的基本要求及基本內容 2

1.2 化工生產工藝流程設計 3

1.2.1 工藝流程圖中常見的圖形符號 4

1.2.2 工藝流程設計 16

1.3 主體設備設計工藝條件圖 22

1.4 混合物物性數據的估算 22

1.4.1 混合物的平均摩爾質量 22

1.4.2 混合物的密度 23

1.4.3 混合物的黏度 23

1.4.4 混合物的熱導率 24

1.4.5 混合物的比熱容 24

1.4.6 混合物的汽化潛熱 25

1.4.7 混合液的表面張力 25

1.5 化工設計中的常用軟體 27

第2 章　攪拌裝置的工藝設計 29

2.1 概述 29

2.1.1 機械攪拌設備的基本結構 29

2.1.2 攪拌器的類型與選擇 30

2.1.3 攪拌器安裝形式與流型 33

2.2 攪拌裝置工藝設計 34

2.2.1 攪拌功率工藝設計計算 34

2.2.2 攪拌器工程放大 39

2.2.3 攪拌器中的傳熱 40

2.2.4 攪拌器主要附件 43

2.3 攪拌裝置工藝設計示例 46

第3 章　換熱裝置的工藝設計 53

3.1 概述 53

3.2 管殼式換熱器的工藝設計 55

3.2.1 確定設計方案 56

3.2.2 管殼式換熱器的結構 60

3.2.3 管殼式換熱器的工藝設計計算 68

3.2.4 管殼式換熱器工藝設計示例 75

3.3 再沸器的工藝設計 89

3.3.1 再沸器的類型 89

3.3.2 再沸器型式的選擇 90

3.3.3 立式熱虹吸再沸器的工藝設計 91

3.3.4 立式熱虹吸再沸器工藝設計示例 98

3.4 換熱器設計任務四則 104

第4 章　蒸發裝置的工藝設計 109

4.1 概述 109

4.1.1 蒸發裝置的結構特點 110

4.1.2 蒸發裝置的選型原則 113

4.1.3 蒸發操作壓力的選擇 114

4.1.4 多效蒸發的效數與流程 114

4.2 多效蒸發過程的工藝計算 116

4.2.1 各效蒸發量和完成液組成的估算 117

4.2.2 各效溶液沸點及有效總溫度差的估算 117

4.2.3 加熱蒸汽消耗量及各效蒸發水量的初步估算 119

4.2.4 傳熱係數K 的確定 119

4.2.5 蒸發器傳熱面積和有效溫差在各效中的分配 120

4.3 蒸發器主要工藝結構尺寸的設計計算 121

4.3.1 加熱管的選擇和管數的初步估計 121

4.3.2 循環管的選擇 122

4.3.3 加熱室直徑及加熱管數目的確定 122

4.3.4 分離室直徑和高度的確定 122

4.3.5 接管尺寸的確定 123

4.4 蒸發裝置的輔助設備 124

4.4.1 氣液分離器 124

4.4.2 蒸汽冷凝器 125

4.5 蒸發裝置工藝設計示例 128

4.6 蒸發裝置設計任務兩則 136

第5 章　塔設備的工藝設計 138

5.1 概述 138

5.2 板式塔的工藝設計 141

5.2.1 設計方案的確定 141

5.2.2 塔板型式的選擇 143

5.2.3 塔內件工藝結構尺寸的設計計算 146

5.2.4 塔板上的流體力學計算和校核 160

5.2.5 氣液負荷性能圖 166

5.2.6 塔體工藝結構尺寸的設計計算 167

5.2.7 塔附件的工藝設計 172

5.2.8 輔助設備的工藝設計 178

5.2.9 篩板塔精餾工藝設計示例 179

5.2.10 浮閥塔精餾工藝設計示例 191

5.3 填料塔的工藝設計 202

5.3.1 設計方案的確定 202

5.3.2 填料型式的選擇 202

5.3.3 填料塔的塔內件 207

5.3.4 填料塔的塔附件 217

5.3.5 填料塔塔體工藝結構計算 218

5.3.6 填料塔流體力學性能的校核 223

5.3.7 填料吸收塔工藝設計示例 227

5.4 BTX精餾分離過程的Aspen模擬示例 246

5.5 塔設備工藝設計任務十則 262

5.5.1 板式塔設計任務六則 262

5.5.2 填料塔設計任務四則 266

第6 章　液-液萃取裝置的工藝設計 270

6.1 概述 270

6.1.1 萃取劑的選擇 271

6.1.2 萃取操作參數的選擇 272

6.1.3 萃取流程的選擇 272

6.1.4 萃取設備的選擇 273

6.2 轉盤萃取塔的工藝設計 275

6.2.1 轉盤萃取塔的基本結構 275

6.2.2 轉盤塔內的流體流動 276

6.2.3 轉盤塔的主要結構參數 276

6.2.4 轉盤塔的流體力學特徵與塔徑的計算 277

6.2.5 傳質和塔高的計算 280

6.2.6 轉盤塔的工藝設計步驟 289

6.3 轉盤塔的結構設計 290

6.3.1 塔體 290

6.3.2 內件 290

6.3.3 附件 294

6.3.4 傳動裝置 294

6.4 轉盤塔工藝設計示例 295

6.5 轉盤萃取塔設計任務一則 300

第7 章　乾燥裝置的工藝設計 302

7.1 概述 302

7.2 噴霧乾燥器的工藝設計 305

7.2.1 噴霧乾燥的原理和特點 305

7.2.2 噴霧乾燥方案的確定 306

7.2.3 噴霧乾燥過程的工藝計算 313

7.2.4 噴霧乾燥塔工藝結構尺寸的設計計算 315

7.2.5 附屬設備的設計和選型 325

7.2.6 噴霧乾燥塔的設計計算示例 331

7.3 流化床乾燥器的設計 340

7.3.1 流態化乾燥的特徵 340

7.3.2 流化床乾燥器的類型 340

7.3.3 多層流化床乾燥過程的數學描述 344

7.3.4 流化床乾燥器的設計計算 350

7.3.5 多層流化床乾燥器的設計示例 355

7.4 乾燥裝置設計任務兩則 364

附錄 366

附錄1 輸送流體用無縫鋼管規格 366

附錄2 泵與風機的性能參數 367

附錄3 換熱器系列標準 371

附錄4 管法蘭 374

附錄5 橢圓形封頭 380

參考文獻 386