化工设计讲义学生.docx
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化工设计讲义学生
化工原理课程设计讲义
一、概述
化工工艺设计指生产方式的选择、生产工艺流程设计、工艺计算（物料平衡和能量平衡）、非标准化工设备的设计、标准设备的选型及管线的配置，并对公用工程（水、电、汽等）提出工艺要求。
设计是一项创造劳动，是设计者对许多构思加以综合、应用基础知识和专业知识去实现设计目标的一个过程。
设计是一门综合学科，涉及面很广，它要求设计者要有扎实的理论基础、较强的实践能力和高度的责任感，应用正确的设计思想，从国情出发、从实际出发，采用先进的科学技术，有效利用资源，做到技术上先进、经济上合理，使设计处于多方位优化状态。
1.1化工原理课程设计的目的
化工原理课程设计是化工类相关专业的学生运用化工原理及有关先修课程的基本知识去完成某一设计任务的一次较为全面的化工初步设计训练，是化工原理课程最后一个重要的教学环节，其基本目的包括：
（1）使学生初步掌握化工单元操作设计的基本方法和程序；
（2）训练学生的基本技能，如计算、绘图、运用设计资料（手册、标准和规范）、使用经验数据，进行经验估算和处理数据等；
（3）提高学生运用工程语言（简洁的文字、清晰的图表、正确的计算）表达设计思想的能力；
（4）培养学生理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用己学过的理论和实际知识去分析和解决工程问题的能力。
1.2化工原理课程设计的内容和步骤
1.2.1课程设计的基本内容
化工原理课程设计的基本内容如下。
（1）设计方案简介对给定或选定的工艺流程、主要的设备型式进行简要的论述。
（2）主体设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计、流体力学验算。
（3）典型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规格的选定。
（4）带控制点的工艺流程简图以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点。
（5）主体设备工艺条件图图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表及组成设备的各部件名称等。
1.2.2课程设计的方法与步骤
（1）明确设计任务与条件
①原料（或进料）与产品（或出料）的流量、组成、状态（温度、压力、相态等）、物理化学性质、流量波动范围；
②设计目的、要求和设备功能；
③公用工程条件，如冷却水温度，加热蒸汽压力，气温和湿度等；
④其他特殊要求。
（2）调查待设计设备的国内外状况及发展趋势，有关新技术及专利状况，所涉及的计算方法等。
收集有关物料的物性数据及材料的腐蚀性质等。
（3）确定操作条件和流程方案
①确定设备的操作条件，如温度、压力和物流比等；
②确定设备结构型式，评比各类设备结构的优缺点，结合本设计的具体情况，选择高效、可靠的设备型式；
③热能的综合利用、安全和环保措施等；
④确定单元设备的工艺流程。
（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，如传热中的换热器，蒸发中的蒸发器，蒸馏和吸收中的塔设备（板式塔和填料塔），干燥中的干燥器等。
①主体设备的物料与热量衡算；
②设备特性尺寸计算，如精镏、吸收设备的塔径、塔高，换热设备的传热面积等,可根据有关设备的规范和不同结构设备的流体力学，传质、传热动力学计算公式来计算；
③流体力学验算，如流动阻力与操作范围验算。
（5）结构设计在设备型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。
如填料塔要设计液体分布器、再分布器、填料支承、填料压板、各种接口等；板式塔要确定塔板布置、溢流管、各种进出料口结构、塔板支承、液体收集箱与侧线出人口、破沫网等。
（6）编写设计说明书。
（7）备好绘图工具，绘制带控制点的工艺流程简图和主体设备工艺条件图。
1.3化工原理课程设计的任务要求
完整的课程设计由设计说明书和图纸两大部分组成。
化工原理课程设计的任务要求每一位学生编写设计说明书1份，绘制图纸2张。
各部分的具体要求如下。
1.3.1设计说明书的编排和要求
说明书是设计的书面总结，也是后续设计工作的主要依据，说明书的编排顺序一般如下:
（1）封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间）
（2）目录
（3）设计任务书
（4）设计方案简介
（5）设计条件及主要物性参数表
（6）工艺设计计算
（7）辅助设备的计算及选型
（8）设计结果汇总表
（9）设计评述及设计收获
（10）参考资料
设计说明书要求内容完整，条理清晰，书面清洁，字迹工整，误差小于设计要求，计算要求方法正确，计算公式和所用数据必须注明出处；图表应能简要表达计算的结果。
1.3.2设计图纸要求
（1）工艺流程图本设计要求画“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的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点。
（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型式、工艺尺寸，然后提出附有工艺条件图的“设备设计条件单”。
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。
本设计要求画“主体设备工艺条件图”一张,采用Al（841mm×594mm）或A2（594mm×420mm）图纸。
一般按1:
100比例绘制，图面上应包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。
图纸要求：
布局美观，图面整沽，图表清楚，尺寸标识准确，字迹工整，各部分线形粗细符合国家化工制图标准。
1.3.3设计的有关说明
（1）课程设计不同于解习题，设计计算时的依据和答案往往不是唯一的。
故在设计过程中选用经验数据时，务必注意从技术上的可行性与经济上的合理性两个方面进行分析比较。
一个合理的设计往往必须进行多方案的比较，必须进行反复多次设计计算方能得到。
（2）在设计过程中指导教师原则上不负责审核运算数字的正确性。
因此学生从设计一开始就必须以严肃认真的态度对待设计工作，要训练自己独立分析判断结果正确性的能力。
（3）整个设计由论述、计算和绘图三部分组成，所以只有计算，缺少论述或绘图草率的设计是不允许的。
（4）设计中，每人在完成规定任务的同时，各人还可以酌情在某些方面加深、提高。
如可以对精馏方案的选定，多查阅一些参考资料以便充实设计方案的论证材料；塔板结构的设计计算进行多种方案的选择比较；还可适当增加辅助设备的设计计算内容，或增加自行编程计算等。
1.4CAD及仿真技术在化工设计中的应用
随着计算机技术的飞速发展，计算机在化工设计领域中的应用日益扩大。
对化工设计而言，从分子结构出发预测物质的物性到工艺过程的设计、分析直至绘图，以及环境评价，经济效益和社会效益分析等大量的工作，均可借助计算机辅助设计CAD（computeraideddesign）完成。
CAD在化工设计中的应用可以概括为：
模拟计算、绘图和智能系统。
化工仿真技术也是当今化学工程技术发展趋势之一，它是以现有的计算机软件为基础，在深入了解具体化工生产过程、设备结构、工作原理、控制系统及各种工艺条件的基础上，充分研究化工生产过程中所发生的物理、化学现象，通过建立数学模型，对生产过程进行的动态模拟。
1.4.1模拟计算
化工设计中工艺计算、结构计算的计算量大，计算复杂，且必须经多次反复计算，如逐板法计算理论塔板数目，试差法确定灵敏板位置等，计算时若数据选取不当或某一部分有错，整个计算必须重新进行。
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算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。
这样就在化工放大中为数学模拟放大方法的采用提供了可行性，使化学工业的发展产生了一个崭新的变革，也大大丰富了化学工程的内容。
过去一个新的化工流程的发展，往往要从实验室的试验到小试再到中间试验，甚至要经过工业规模的试验，最后才能应用到工业生产上去。
这样一个复杂烦琐的过程，不但周期非常长，而且还消耗大量的人力物力。
与此同时，虽然在化工流程发展上出现了“相似模拟放大”和“规模效应放大”的理论，然而应用并不广泛，尤其是“规模效应放大”方法很少见实例。
另外，在某些情况下如一些复杂的化学反应器，由于相似放大不研究化学变化规律，很难实现完全相似。
后来也有人提出过用“数学模拟放大”解决，但由于受计算工具的限制也无法实现，这些问题在电子计算技术广泛应用之后得到了解决。
所谓“数学模拟放大”,就是用分析的方法来研究化工过程，并将分析的结果用数学方程式来表示化工过程的内在规律，再借助于电子计算机,进行化工放大设计。
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。
1.4.2图形绘制
所谓计算机绘图，狭义地理解即为用计算机驱动绘图仪或打印机画出所需的图形。
而事实上，在绘图输出之前，通常要把所画图形预先显示在计算机显示器上，以使人们对所画图形是否正确加以判断，一旦发现错误，即重新调试。
这样就可将很多错误消灭在绘图输出之前，以保证所绘图形正确无误。
所以计算机绘图可广泛地应用在化学工业中。
随着微电子技术的飞速发展，超大规模集成电路的成本不断降低，图形输出设备的种类和功能日益增强，价格也不断下降。
图形输出设备按输出平台大体可分为图像显示器、数字化绘图仪和打印机。
目前,市场上有各种规模适合各种需要的计算机图形软件出售,这些图形往往具有交互功能，操作者可利用鼠标、键盘方便地与计算机进行对话、输入和修改。
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。
1.4.3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，而且某些软件能“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。
1.4.4化工过程仿真技术
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。
二、化工设计计算及绘图基础
2.1化工设计计算基础
2.1.1物料衡算
物料衡算是化工设计计算中最基本、最重要的内容之一。
设计设备决定其尺寸之前,要定出所处理的物料量。
整个过程或其某一步骤中，原料、产物、副产物等量之间的关系，可通过物料衡算确定。
2.1.1.1物料衡算式
根据质量守恒定律可得，进入任何过程的物料质量，应等于从该过程离开的物料质量与积存于该过程中的物料质量之和，即：
输入=输出十累积（2-1a）
若此过程为稳态过程，其物料衡算关系便简化为：
输入=输出（2-1b）
上述关系，可在整个过程的范围内使用，亦可在一个或几个设备的范围内使用。
它既可针对全部物料运用，在没有化学反应发生时还可针对混合物的任一组分来运用。
2.1.1.2衡算步骤
①画出简单过程流程图，用箭头指明进出料流，把有关的已知量、未知量标在图上；
②写出化学方程式（如果有的话）；
③用一虚线框标明物料衡算范围；
④确定衡算对象,并选择计算基准；
⑤建立方程式求解。
2.1.2热量衡算
化工生产中所需的能量以热能为主，用于改变物料的温度与聚集状态，以及提供反应所需热量等。
若操作中有几种能量相互转化，则其间的关系可通过能量衡算确定；若只涉及到热能，能量衡算便简化为热量衡算。
2.1.2.1热量衡算式
根据能量守恒定律，对热量衡算可写成：
.∑QI=∑Qo＋∑QL（2-2）
式中∑QI—随物料进入系统的总热量；
∑Qo—随物料离开系统的总热量；
∑QL一向系统周围散失的热量。
热量衡算中需要考虑的项目是进出设备的物料本身的焓与从外界加入或向外界输出的热量，有化学反应时则还包括反应所吸收或放出的热（反应热）。
2.1.2.2衡算基本方法及步骤
热量衡算有两种情况：
一种是在设计时，根据给定的进出物料量及已知温度求另一股物料的未知物料量或温度，常用于计算换热设备的蒸汽用量或冷却水用量；另一种是在原有的装置上，对某个设备，利用实际测定（有时也要作一些相应的计算）的数据，计算出另一些不能或很难直接测定的热量或能量，由此对设备作出能量上的分析。
如根据各股物料进出口量及温度，找出该设备的热利用和热损失情况。
热量衡算也需要确定基准，画出流程图，列出热量衡算表等。
此外，由于焓值的大小与温度有关，因而热量衡算还要指明基准温度。
物料的焓值常从0℃算起，若以0℃为基准，亦可不再指明。
有时为方便计算，以进料温度或环境温度作为基准温度，或采用数据资料的基温（例如反应热的基温是25℃），此时一定要指明。
2.1.3物性数据的查取和估算
设计计算中的物性数据应尽可能使用实验测定值，此类数据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、《化工工艺手册》、《化工工艺算图》等工具书中查取。
有些物性，特别是混合物的性质，查取困难，此时可用经验的方法估算和推算。
在此着重介绍混合物物性数据的求法。
2.1.3.1密度
（1）混合液体的密度混合液体的密度ρm用下式计算：
式中wi—混合液中i组分的质量分数；
ρi—混合液中i组分的密度,kg/m3。
（2）纯气体和混合气体密度
①纯气体的密度。
若纯气体的密度从手册中查不到时，可进行估算。
压力不高时,就工程计算而言，可用pV=nRT来计算纯气体（或蒸汽）的密度：
式中ρ—气体或蒸汽的密度,kg/m3；
M—气体或蒸汽的摩尔质量,kg/kmol；
P—气体或蒸汽的绝对压力,Pa；
T—气体或蒸汽的温度，K。
如压力较高或要求更高的精度，可用压缩因子法或其他方法进行处理，可参阅有关文献。
②混合物气体的密度。
混合物气体的密度可用下式计算：
（2-5）
式中yi—混合气体i组分的摩尔分数；
Pi—混合气体i组分的密度,kg/m3。
当混合气体压力不太高时，可按下式计算：
ρm=pMm/（RT）（2-6）
式中p—混合气体压力,Pa；
Mm—混合气体的平均摩尔质量,kg/kmol；
T—混合气体热力学温度，K；
R—气体常数，8.314k]/（kmol·K）。
2.1.3.2黏度
（1）混合液的黏度对于互溶非缔合性混合液体，可用下列公式：
（2-7）
式中：
μi—与液体混合物同温度下i组分的黏度，mPa·s；
xi—液体混合物中i组分的摩尔分数。
也可用下列公式进行简单估算：
（2-8）
（2）纯气体黏度和混合气体的黏度
①若纯气体的黏度从手册中查不到时，可采用下列工程估算式：
（2-9）
式中μ—低压下纯气体的黏度，mPa·s；
Pc—临界压力，MPa；
Tr—对比温度；
M一纯气体的摩尔质量，kg/kmol。
②低压下混合物气体的黏度可用平方根规律估算：
（2-10）
式中μm—气体混合物的黏度，mPa·s；
Mi—i组分的摩尔质量，kg/kmol；
yi—i组分的摩尔分数；
μi—i组分的黏度，mPa·s。
2.1.3.3比热容
混合物的摩尔比热容用下述公式计算：
（2-11）
式中Cpm一混合物的比热容，k]/（kmol·K）；
Mi—组分的摩尔质量，kg/kmol；
xi一i组分的摩尔分数；
cpi一i组分的比热容，kJ/（kg-K）。
2.1.3.4汽化潜热
混合液体汽化潜热可按叠加法计算
（2-12）
式中xi—i组分的摩尔分数；
γi—i组分的汽化潜热，kJ/kmol。
2.1.3.5热导率
（1）混合液体热导率
①有机化合物的互溶混合物的热导率估算式为：
（2-13）
式中λm—混合液体的热导率，W/（m-K）；
wi——组分的质量分数；
λi—组分的热导率，W/（m·K）。
②有机化合物的水溶液的热导率估算式为：
（2-14）
（2）混合气体的热导率低压混合气体的热导率估算式为：
（2-15）
式中γi—按系统总压力及温度考虑的i组分的热导率，W/（m·K）；
Mi一混合气体中i组分的摩尔质量，kg/kmol；
yi—混合气体中i组分的摩尔分数。
2.1.3.6表面张力
（1）非水溶液混合物非水溶液混合物的表面张力一般用快速估算法：
（2-16）
式中σi—混合物中i组分的表面张力,10-3N/m；
xi—液相中i组分的摩尔分数。
对于大多数混合物γ=1，若为了更好符合，γ可在-3~+1之间选择。
（2）含水溶液的表面张力有机分子中烃基是疏水性的，有机物在表面的浓度小于主体部分的浓度，因而当少量的有机物溶于水时，足以影响水的表面张力，如有机溶质含量不超过1%时,可应用下式求取溶液的表面张力σ：
（2-17）
式中σw—纯水的表面张力,10-3N/m；
x—有机溶质的摩尔分数；
α—物性常数，见表2-1。
表2-1式（2-17）中的物性常数α值
化合物
α×104
化合物
α×104
化合物
α×104
丙酸
26
异丁醇
7
异戊酸
1.7
正丙醇
26
甲醇丙酯
8.5
正戊醇
1.7
异丙醇
26
乙酸乙酯
8.5
异戊醇
1.7
乙酸甲酯
26
丙酸甲酯
8.5
丙酸丙酯
1.0
正丙胺
19
二乙酮
8.5
正己酸
0.75
甲乙酮
19
丙酸乙酯
3.1
正庚酸
0.17
正丁酸
7
乙酸丙酯
3.1
正辛酸
0.034
异丁酸
7
正戊酸
1.7
正酸
0.0025
正丁醇
7
二元有机物-水溶液的表面张力在宽浓度范围内可用下式求取：
（2-18）
式中
，
。
并以下列关联式求出
、
：
（2-19）
（2-20）
A=B+Q（2-21）
（2-22）
（2-23）
（2-24）
（2-25）
式中下角w、o、s分别指水、有机物及表面部分；xw、xo指主体部分的摩尔分数；Vw、Vo指主体部分的摩尔体积；σw、σo为纯水及有机物的表面张力。
q值决定于有机物型式与分子的大小,见表2-2。
表2-2某些物质的q值
物质
q
举例
脂肪酸、醇
碳原子数
乙醇q=2
酮类
碳原子数减一
丙酮q=2
脂肪酸的卤代衍生物
碳原子数乘以卤代衍生物与原脂肪酸摩尔体积之比
氯代乙醇
若用于非水溶液,q=溶质体积/溶剂摩尔体积。
本法对14个水系统,2个醇-醇系统,当q值小于5时,误差小于10%；q值大于5时,误差小于20%。
（3）乙醇水混合液的表面张力对乙醇一水混合液,在25℃时的表面张力可由图2-1很方便地查得。
图2-1乙醇一水混合液的表面张力（25℃）
其他温度（T2）下的表面张力（σ2）,可由己知温度（T1）下的表面张力（σ1）,利用下式求得：
（2-26）
式中Tc为混合物的临界温度,，K。
当Tc无法查到时,可用下式估算：
（2-27）
式中Tc—混合物的临界温度,K；
xi—组分的摩尔分数；
Tic—组分的临界温度，K（乙醇的临界温度为516K，水的临界温度为647.2K）。
2.2化工设计绘图基础
化工工艺图和化工设备图是化工行业中常用的工程图样。
化工工艺图是以化工工艺人员为主导，根据所生产的化工产品及其有关技术数据和资料，设计并绘制的反映工艺流程的图样。
化工工艺图的设计绘制是化工工艺人员进行工艺设计的主要内容，也是进行工艺安装和指导生产的重要技术文件。
化工工艺人员以此为依据，向化工设备、土建、采暖通风、给排水、电气、自动控制及仪表等专业人员提出要求，以达到协调一致，密切配合，共同完成化工厂设计。
化工工艺图主要包括工艺流程图、设备布置图和管道布置图。
化工设备图是表达化工设备的结构、形状、大小、性能和制造、安装等技术要求的工程图样。
为了能完整、正确、清晰地表达化工设备，常用的图样有化工设备总图、装配图、部件图、零件图、管口方位图、表格图及预焊接件图，作为施工设计文件的还有工程图、通用图和标准图等。
2.2.1工艺流程图的分类
工艺流程图用于表示出由原料到成品的整个生产过程中物料被加工的顺序以及各股物料的流向，同时表示出生产中所采用的化学反应、化工单元操作及设备之间的联系，据此可进一步制定化工管道流和计量-控制流程，它是化工过程技术经济评价的依据。
在化工原理设计中主要绘制工艺流程图。
按照设计阶段不间，先后有工艺流程草（简）图（simplifiedflowsheet）、工艺物料流程图（processflowsheet）、带控制点的工艺流程图（processandcontrolflowsheet）等种类。
2.2.1.1工艺流程草（简）图
工艺流程草（简）图是在工艺路线选定后定性地表达物料由原料到成品或半成品的工艺流程，以及所采用的各种化工过程及设备的一种流程图。
它是一个半图解式的工艺流程图，只带有示意的性质，供化工计算时使用，不列入设计文件。
工艺流程草图主要包括以下两个方面的内容。
（1）设备用示意图表示生产过程中所使用的机器、设备；用文字、字母、数字注写设备的名称和位号。
（2）工艺流程用工艺流程线及文字定性地表达物料由原料到成品或半成品的工艺流程。
方案流程图一般只保留在设计说明书中，施工时不使用，因此,方案流程图的图幅无统一规定，图框和标题栏也可以省略。
2.2.1.2工艺物料流程图
工艺物料流程图是在工艺流程草（简）图的基础上，用图形与表格相结合的形式，反映设计中物料衡算和热量衡算结果的图样。
物料流程图为审查提供资料,又是进一步设计的依据，同时它还可以为实际生产操作提供参考。
工艺物料流程图列入初步设计阶段的设计文件中。
工艺物料流程图除了设备和工艺流程外，还包括以下两个方面。
（1）在设备位号及名称的下方加注了设备特性数据或参数，如换热设备的换热面积,塔设备的直径、高度，储罐的容积，机器的型号等。
（2）流程的起始处以及使物料产生变化的设备后
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