化工過程模擬

前言

國內(nèi)化工過程模擬始于20世紀(jì)70年代初，迄今已有40年的歷史。當(dāng)前化工過程模擬已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，計(jì)算機(jī)計(jì)算已基本取代手算，化工過程模擬軟件也已普及。然而國內(nèi)相關(guān)的化工過程模擬參考資料卻為數(shù)不多，尤其缺乏從基本原理和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的角度來敘述化工過程模擬的專著。大多數(shù)從事化工過程模擬的技術(shù)人員只能自己在實(shí)踐中摸索，在摸索中前進(jìn)，在前進(jìn)中思考，在思考中提高。能有一部理論結(jié)合實(shí)際的資料來指導(dǎo)模擬工作的開展，相信是大家的期望。  作者從20世紀(jì)70年代初就開始從事化工過程模擬的開發(fā)工作，在設(shè)計(jì)院工作期間，深感化工過程模擬的參考資料少之又少，很希望能夠?qū)⒆约汗ぷ髦蟹e累的過程模擬經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來。1996年調(diào)至華南理工大學(xué)從事教學(xué)和科研工作后，更感到要在高等學(xué)校講解化工過程模擬，幾乎找不到一本合適的教材，于是堅(jiān)定了寫一本關(guān)于化工過程模擬參考書籍的決心。作者在設(shè)計(jì)院時(shí)親自參加了大量的裝置模擬和工程設(shè)計(jì)；到高校后又為許多石化、煉油、油田和精細(xì)化工生產(chǎn)裝置進(jìn)行過模擬和優(yōu)化改造。書中融匯了作者40余年的化工過程模擬和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，希望能夠?qū)ψx者有所裨益。  化工熱力學(xué)和單元過程計(jì)算是過程模擬的基礎(chǔ)，本書主要內(nèi)容集中在這兩方面。雖然從事軟件開發(fā)需要對(duì)數(shù)學(xué)模型和方程處理非常熟悉，但本書目的主要針對(duì)應(yīng)用，并不擬對(duì)此做過多的詳細(xì)介紹，而是從應(yīng)用的角度出發(fā)進(jìn)行闡述。所有章節(jié)的論述重點(diǎn)都緊緊圍繞著基本原理和應(yīng)用，作者始終認(rèn)為化工過程模擬的根本在于對(duì)化工基本概念的認(rèn)識(shí)和掌握。缺乏基本概念等于無源之水，無本之木。  在工業(yè)上，多進(jìn)料蒸餾塔比比皆是，如何劃分它們的精餾段和提餾段?對(duì)于同一烴類混合物在恒壓下可能存在兩個(gè)泡點(diǎn)溫度，蒸餾塔的板效率可以大于100%?熱泵蒸餾是蒸餾節(jié)能手段之一，如何設(shè)計(jì)、選擇熱泵流程?哪些是關(guān)鍵工藝參數(shù)，如何確定它們?對(duì)于傳熱過程，傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算公式在許多場(chǎng)合并不適合，計(jì)算結(jié)果是錯(cuò)誤的，絕對(duì)不能應(yīng)用于換熱器計(jì)算。此外，諸如逆向蒸餾、逆向傳熱、逆向冷凝、逆向汽化、蒸餾夾點(diǎn)等化學(xué)工程專題，凡此種種，本書均一一詳細(xì)給予解答并輔以模擬實(shí)例。希望能夠使讀者的視野更加寬闊，學(xué)識(shí)更加廣博，知識(shí)進(jìn)一步更新。  本書系作者一孔之見，疏漏之處在所難免。殷切期盼讀者和同行不吝賜教，并預(yù)致謝忱。  作者  2010年10月于廣州

內(nèi)容概要

　　《化工過程模擬：原理與應(yīng)用》主要介紹化工過程模擬的基本原理和應(yīng)用，重點(diǎn)敘述熱力學(xué)方法選擇和主要化工單元過程的計(jì)算。對(duì)于文獻(xiàn)資料中較少介紹的蒸餾塔計(jì)算和收斂技巧、蒸餾塔節(jié)能方法、換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算以及流程迭代收斂方法等內(nèi)容，既簡(jiǎn)述原理，又結(jié)合實(shí)際模擬計(jì)算案例給予詳細(xì)說明。本書內(nèi)容是在化工原理和化工熱力學(xué)基礎(chǔ)上的擴(kuò)充與深化，書中還介紹了國內(nèi)文獻(xiàn)中極少探討或未能涉及的一些化學(xué)工程專題，如逆向蒸餾、逆向傳熱、逆向冷凝和逆向汽化現(xiàn)象；蒸餾塔夾點(diǎn)問題；多股進(jìn)料蒸餾塔精餾段和提餾段劃分原則；蒸餾塔塔板效率超過100%的原因；不同類型熱泵蒸餾的模擬及比較等。針對(duì)缺乏有關(guān)蒸餾塔板效率實(shí)際數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，搜集并給出了數(shù)量眾多的各類塔、各種不同物系塔板效率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本書內(nèi)容豐富、新穎、翔實(shí)。　　本書可作為高等學(xué)校研究生、本科生的專業(yè)課教材和教師參考用書，也可作為化工原理、化工熱力學(xué)的補(bǔ)充讀物。對(duì)于化工、石油化工、煉油、油氣田、天然氣、精細(xì)化工等相關(guān)設(shè)計(jì)院、研究院和生產(chǎn)企業(yè)的科研、工程技術(shù)人員也是一本既有理論論述，又注重實(shí)用性的化工過程模擬和優(yōu)化的參考資料。

書籍目錄

第1章緒論  1 1概述  1 2化工過程模擬分類  1 3化工過程模擬發(fā)展簡(jiǎn)史  1 4化工過程模擬的功能  1 4 1新裝置設(shè)計(jì)  1 4 2舊裝置改造  1 4 3新工藝、新流程的開發(fā)研究  1 4 4生產(chǎn)調(diào)優(yōu)、疑難問題診斷  1 4 5科學(xué)研究  1 4 6工業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)管理  1 4 7動(dòng)態(tài)模擬、實(shí)時(shí)優(yōu)化的基礎(chǔ)  1 5化工過程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)的構(gòu)成  1 5 1模擬系統(tǒng)的主要組成部分  1 5 2模擬軟件的基本輸入數(shù)據(jù)——  五大輸入部分  參考文獻(xiàn)  第2章化工過程模擬及相關(guān)高新技術(shù)  2 1化工過程動(dòng)態(tài)模擬  2 1 1動(dòng)態(tài)模擬的主要功能和應(yīng)用領(lǐng)域  2 1 2國外動(dòng)態(tài)模擬的發(fā)展  2 1 3穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬的異同  2 2化工過程先進(jìn)控制  2 2 1概述  2 2 2先進(jìn)控制和DCS控制的主要區(qū)別  2 2 3先進(jìn)控制的特點(diǎn)  2 2 4多變量預(yù)估控制的執(zhí)行步驟  2 2 5先進(jìn)控制的經(jīng)濟(jì)效益  2 2 6國外發(fā)展概況  2 3化工過程實(shí)時(shí)優(yōu)化  2 3 1概述  2 3 2實(shí)時(shí)優(yōu)化的應(yīng)用范圍和功能  2 3 3實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖  2 3 4實(shí)時(shí)優(yōu)化的方程組集形式  2 3 5實(shí)時(shí)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)  2 4四項(xiàng)高新技術(shù)之間的關(guān)系和效益  參考文獻(xiàn)  第3章石油餾分  3 1石油油品的相關(guān)性質(zhì)  3 1 1密度和API重度  3 1 2特性因子  3 1 3雷氏蒸氣壓  3 1 4實(shí)沸點(diǎn)蒸餾  3 1 5恩氏蒸餾(ASTM D86)  3 1 6ASTM D1160蒸餾  3 1 7ASTM D2887、D3710、HTSD蒸餾  3 1 8不同蒸餾曲線的相互轉(zhuǎn)換  3 1 9閃點(diǎn)  3 1 10頃點(diǎn)  3 1 11辛烷值  3 1 12十六烷值  3 2石油餾分在模擬中的處理方法  3 2 1逐一定義石油組分  3 2 2通過油品蒸餾曲線產(chǎn)生石油組分  3 3石油餾分的混合  參考文獻(xiàn)  第4章熱力學(xué)方法  4 1前言  4 2若干基本概念  4 2 1氣液相平衡  4 2 2理想氣體  4 2 3理想溶液  4 2 4輕、重關(guān)鍵組分  4 2 5相對(duì)揮發(fā)度  4 2 6相律  4 2 7干基和濕基  4 3相平衡常數(shù)計(jì)算  4 3 1理想氣體和理想溶液體系相平衡常數(shù)的計(jì)算  4 3 2狀態(tài)方程法——非極性體系相平衡常數(shù)計(jì)算  4 3 3活度系數(shù)方程法——極性體系相平衡常數(shù)計(jì)算  4 3 4通用關(guān)聯(lián)式法  4 4混合物焓值計(jì)算  4 5混合物熵值計(jì)算  4 6從狀態(tài)方程導(dǎo)出逸度系數(shù)、焓及熵計(jì)算公式  4 6 1由狀態(tài)方程導(dǎo)出Z方程  4 6 2由狀態(tài)方程導(dǎo)出逸度系數(shù)計(jì)算公式  4 6 3由狀態(tài)方程導(dǎo)出熵差計(jì)算公式  4 6 4由狀態(tài)方程導(dǎo)出焓差計(jì)算公式  4 7逸度、焓及熵公式的驗(yàn)證  4 8相平衡常數(shù)及焓的偏導(dǎo)數(shù)  4 8 1焓對(duì)溫度偏導(dǎo)數(shù)(ΔH/T)的推導(dǎo)及計(jì)算公式  4 8 2逸度系數(shù)對(duì)溫度偏導(dǎo)數(shù)φ/T的推導(dǎo)及計(jì)算公式  4 8 3逸度系數(shù)對(duì)組成偏導(dǎo)數(shù)φ/x的推導(dǎo)及計(jì)算公式  4 8 4相平衡常數(shù)對(duì)溫度和組成偏導(dǎo)數(shù)K/T、K/x的計(jì)算公式  4 9含水烴類體系相平衡計(jì)算  4 9 1簡(jiǎn)化烴水分層計(jì)算法  4 9 2嚴(yán)格三相平衡計(jì)算法  4 10亨利定律在過程模擬中的應(yīng)用  4 11傳遞性質(zhì)計(jì)算  4 11 1黏度計(jì)算  4 11 2各種商業(yè)軟件中傳遞性質(zhì)的計(jì)算  參考文獻(xiàn)  第5章化工單元過程計(jì)算  5 1化工模擬軟件的主要模塊  5 2模型和算法  5 3閃蒸過程  5 3 1主要計(jì)算功能  5 3 2泡點(diǎn)溫度計(jì)算  5 3 3露點(diǎn)溫度計(jì)算  5 3 4泡、露點(diǎn)溫度計(jì)算的判據(jù)  5 3 5一類無泡點(diǎn)溫度的特殊現(xiàn)象  5 3 6絕熱閃蒸過程計(jì)算  5 3 7逆向冷凝和逆向汽化  5 3 8無逆向冷凝的雙泡點(diǎn)現(xiàn)象  5 3 9雙泡點(diǎn)溫度的取舍  5 4物流混合/物流分支  5 5閥門  5 6泵  5 7壓縮機(jī)/膨脹機(jī)  5 8反饋控制  5 9優(yōu)化器  5 9 1優(yōu)化器的輸入要求  5 9 2優(yōu)化器的輸入條件的確定原則  參考文獻(xiàn)  第6章蒸餾過程計(jì)算  6 1前言  6 2蒸餾過程嚴(yán)格計(jì)算方法的沿革  6 3蒸餾塔類型  6 3 1常規(guī)蒸餾塔  6 3 2復(fù)雜蒸餾塔  6 3 3吸收塔  6 3 4解吸塔  6 3 5吸收蒸出塔  6 4蒸餾過程若干基本概念  6 4 1理想平衡級(jí)（理論板）  6 4 2全回流  6 4 3最小回流比  6 4 4最少理論板數(shù)  6 4 5優(yōu)惠回流比  6 4 6最佳進(jìn)料板位置  6 4 7蒸餾夾點(diǎn)  6 4 8切線夾點(diǎn)  6 4 9恒濃區(qū)  6 5蒸餾塔嚴(yán)格計(jì)算數(shù)學(xué)模型  6 5 1理想平衡級(jí)  6 5 2蒸餾塔嚴(yán)格算法的輸入?yún)?shù)  6 5 3蒸餾塔計(jì)算中的設(shè)計(jì)規(guī)定  6 5 4蒸餾塔工藝參數(shù)的相互影響  6 5 5蒸餾塔設(shè)計(jì)規(guī)定的重要性  6 5 6影響蒸餾過程收斂的其它因素  6 6多股進(jìn)料蒸餾塔精餾段和提餾段的劃分  6 7塔板效率計(jì)算  6 7 1默弗里效率  6 7 2全塔效率  6 7 3全塔效率的經(jīng)驗(yàn)公式  6 7 4默弗里效率和全塔效率的關(guān)系  6 7 5影響塔板效率的主要因素  6 7 6各類物系塔板效率參考數(shù)據(jù)  6 7 7蒸餾塔特殊板相應(yīng)的理論板數(shù)  6 8最小回流比和最小理論板數(shù)的嚴(yán)格計(jì)算  6 8 1最小回流比和理論板數(shù)的嚴(yán)格法計(jì)算  6 8 2求取最小回流比和理論板數(shù)的案例  參考文獻(xiàn)  第7章蒸餾過程節(jié)能和優(yōu)化  7 1前言  7 2蒸餾塔進(jìn)料狀態(tài)優(yōu)化  7 2 1塔頂產(chǎn)品占主要比例  7 2 2塔釜產(chǎn)品占主要比例  7 2 3進(jìn)料狀態(tài)優(yōu)化的方法  7 2 4工業(yè)應(yīng)用案例  7 2 5結(jié)論  7 3蒸餾塔進(jìn)料位置優(yōu)化  7 3 1最佳進(jìn)料板位置  7 3 2蒸餾塔最佳進(jìn)料位置早期計(jì)算方法  7 3 3逆向蒸餾  7 3 4逆向蒸餾產(chǎn)生的原因  7 3 5蒸餾夾點(diǎn)  7 3 6最佳進(jìn)料板位置確定  7 4蒸餾塔熱泵節(jié)能  7 4 1熱泵工作基本原理  7 4 2釜液節(jié)流開式熱泵  7 4 3塔頂氣相壓縮開式熱泵  7 4 4閉式熱泵  7 4 5三種類型熱泵比較  7 4 6結(jié)論  7 5中間再沸器和中間冷凝器  7 5 1中間換熱器節(jié)能原理  7 5 2采用中間換熱器的條件  7 5 3中間換熱器的物料進(jìn)出口位置  7 5 4中間換熱器出口物料的汽化率和冷凝率  7 5 5中間換熱器的物料流量  7 5 6中間換熱器和進(jìn)料狀態(tài)的關(guān)系  參考文獻(xiàn)  第8章?lián)Q熱器計(jì)算  8 1換熱器簡(jiǎn)化計(jì)算  8 2換熱器嚴(yán)格計(jì)算  8 2 1換熱器的TEMA型號(hào)  8 2 2換熱器選型  8 2 3換熱器設(shè)計(jì)中其它問題  8 2 4換熱器基本傳熱公式  8 2 5對(duì)數(shù)平均溫差常規(guī)計(jì)算方法  8 2 6對(duì)數(shù)平均溫差分區(qū)計(jì)算方法  8 3換熱器溫度交叉和逆向傳熱  8 3 1溫度交叉和逆向傳熱現(xiàn)象  8 3 2逆向傳熱的解決方案  8 4再沸器設(shè)計(jì)計(jì)算  8 4 1池沸騰傳熱  8 4 2再沸器汽化率及循環(huán)比  8 4 3再沸器系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟  8 5熱虹吸式再沸器壓力平衡計(jì)算  8 5 1再沸器物料的推動(dòng)力計(jì)算  8 5 2再沸器系統(tǒng)的阻力計(jì)算  8 5 3再沸器系統(tǒng)的壓力平衡計(jì)算  8 5 4再沸器系統(tǒng)阻力降手算方法  8 5 5再沸器系統(tǒng)壓力平衡的計(jì)算機(jī)計(jì)算  8 5 6再沸器系統(tǒng)管線阻力計(jì)算公式的選擇  8 5 7再沸器總推動(dòng)力小于總阻力時(shí)之結(jié)果  8 5 8再沸器總推動(dòng)力大于總阻力時(shí)之結(jié)果  參考文獻(xiàn)  第9章化工流程迭代技術(shù)  9 1前言  9 2流程排序與收斂  9 2 1流程排序  9 2 2流程收斂判據(jù)  9 3流程迭代及加速收斂方法  9 3 1直接迭代法  9 3 2Wegstein方法  9 3 3Broyden方法  9 4影響流程迭代收斂的主要因素  9 5一類永不收斂的流程  參考文獻(xiàn)  第10章化工流程模擬算例  10 1相平衡算例  【例10 1】計(jì)算丙烯在3 033atm下的飽和溫度  【例10 2】計(jì)算氟里昂 22(R 22)在2 402atm下的飽和溫度  【例10 3】計(jì)算三元烴類混合物露點(diǎn)溫度  【例10 4】計(jì)算六元烴類混合物露點(diǎn)溫度  10 2化工單元過程算例  【例10 5】液化氣罐爆炸溫度計(jì)算  【例10 6】渦流管計(jì)算  【例10 7】絕熱閃蒸與膨脹過程  【例10 8】空氣從儲(chǔ)罐泄漏過程模擬  【例10 9】蒸餾塔設(shè)計(jì)算例  【例10 10】原油蒸餾常壓塔計(jì)算  【例10 11】乙酸 水分離塔算例  【例10 12】?jī)?nèi)部熱集成塔——無冷凝器和再沸器的新型蒸餾塔  【例10 13】油吸收脫甲烷塔  10 3簡(jiǎn)單化工流程算例  【例10 14】反饋控制  【例10 15】某乙烯裝置脫甲烷系統(tǒng)  【例10 16】天然氣脫硫流程  【例10 17】膨脹機(jī)回收高壓氣體能量  【例10 18】分凝分餾器模擬  【例10 19】不同品位冷劑價(jià)格計(jì)算——  丙烯機(jī)模擬  10 4大型化工工業(yè)裝置算例——催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)計(jì)算  10 4 1流程簡(jiǎn)述  10 4 2工藝特點(diǎn)  10 4 3解決收斂問題  10 4 4流程分析  10 4 5局部?jī)?yōu)化和總體優(yōu)化  10 4 6吸收穩(wěn)定系統(tǒng)蒸餾塔板數(shù)優(yōu)化  參考文獻(xiàn)

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