Chemical Engineering Design（化學工程設計）

引用

Towler, G., & Sinnott, R. (2021). Chemical Engineering Design: Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design (3rd ed.). Elsevier.

章節概要

第三版共20章，分兩部分。第一部分「工藝設計」從流程圖編制講到公用工程、模擬、控制、材料、成本估算、經濟性、安全和最佳化；第二部分「工廠設計」涉及各主要裝置的選擇與設計。出版社稱本書把化學工程原理應用於化工過程與裝置的設計，並說明第三版更新了工廠與裝置成本、法規和技術標準。

第一部分：Process Design（工藝設計）

第1–2章：Introduction to Design；Process Flowsheet Development（設計導論；工藝流程圖的編制）

開篇章節介紹設計以及工藝流程圖的編制。

第3–5章：Utilities and Energy Efficient Design；Process Simulation；Instrumentation and Process Control（公用工程與節能設計；過程模擬；儀表與過程控制）

這幾章講設計中的公用工程與能量方面、過程模擬的使用，以及儀表與控制。

第6章：Materials of Construction（結構材料）

討論結構材料的選擇。

第7–9章：Capital Cost Estimating；Estimating Revenues and Production Costs；Economic Evaluation of Projects（投資成本估算；收入與生產成本估算；專案的經濟評價）

經濟方面的幾章依次是投資成本估算、收入與生產成本估算，以及專案的經濟評價。出版社說明，本版包含學生可有限線上使用的Cost Engineering公司Cleopatra Enterprise成本估算軟體。

第10–12章：Safety and Loss Prevention；General Site Considerations；Optimization in Design（安全與損失預防；廠址的一般考慮；設計中的最佳化）

安全與損失預防、廠址的一般考慮，以及設計中的最佳化。

第二部分：Plant Design（工廠設計）

第13–14章：Equipment Selection, Specification and Design；Design of Pressure Vessels（裝置的選擇、規格與設計；壓力容器設計）

第13章介紹裝置如何選擇、確定規格和設計，第14章轉向壓力容器的設計。

第15–17章：Design of Reactors and Mixers；Separation of Fluids；Separation Columns (Distillation, Absorption and Extraction)（反應器與混合器設計；流體的分離；分離塔（蒸餾、吸收與萃取））

核心的過程裝置：反應器與混合器、流體的分離，以及用於蒸餾、吸收和萃取的分離塔。

第18–20章：Specification and Design of Solids-Handling Equipment；Heat Transfer Equipment；Transport and Storage of Fluids（固體處理裝置的規格與設計；傳熱裝置；流體的輸送與儲存）

固體處理裝置、傳熱裝置，以及流體的輸送與儲存。

核心概念

第一部分：工藝設計（第1–12章）

• 工藝流程圖：設計由此出發的過程表示。
• 過程模擬：用軟體對流程建模。
• 投資成本、收入與生產成本估算：評判設計的經濟基礎。
• 專案經濟評價：在財務基礎上比較備選方案。
• 安全與損失預防：通過設計控制危害。
• 設計中的最佳化：系統地在設計變數中作出選擇。

第二部分：工廠設計（第13–20章）

• 裝置的選擇與規格：使裝置與工藝任務相匹配。
• 壓力容器設計：一類基本裝置的機械設計。
• 反應器、混合器與分離塔：工廠的主要單元操作。
• 傳熱裝置與流體輸送：每個過程都需要的配套裝置。

評析

優點

• 覆蓋設計的全過程。 第一部分涵蓋流程圖、能量、控制、材料、成本、經濟性、安全、廠址和最佳化；第二部分涵蓋裝置。兩者合起來涵蓋了過程設計和實施該過程的工廠設計。
• 作者是實踐中的設計工程師。 出版社指出，本書由有豐富本科教學經驗的在職設計工程師撰寫。
• 大量設計專案。 出版社稱書中有100多個取自不同過程工業的典型工業設計專案。
• 悠久的版本歷史。 作者簡介說明，第一版（作為Coulson和Richardson的第6卷）出版於1983年，此後大約每五年出一版。
• 現行的標準與領域。 第三版採用最新的美國規範與標準，包括API、ASME和ISA設計規範以及ANSI標準，並新增了關於食品、製藥和生物過程以及常用單元操作的內容。

侷限

• 標準以美國為主。 更新的規範與標準是出版社列出的美國規範；在其他法規體系下工作的設計者需要查閱當地標準。
• 以核心課程為前提。 本書面向高年級和畢業設計的學生以及從業人員；書中是應用而不是講授物料與能量衡算、熱力學、傳遞現象、分離和反應工程。
• 廣度大於深度。 20章涵蓋從經濟性到壓力容器的主題，每個主題只有一章，專門的裝置設計可能需要專門的參考書。

在課程中的定位

在本化工過程課程書單中，Towler和Sinnott是設計方面的畢業設計教材。Felder、Rousseau和Bullard的 Elementary Principles of Chemical Processes 與Denn的 Chemical Engineering: An Introduction 講授設計所由出發的衡算；McCabe、Smith和Harriott的 Unit Operations of Chemical Engineering 與Geankoplis的 Transport Processes and Separation Process Principles 提供第15–20章應用於裝置的單元操作與分離理論。

Fogler的 Elements of Chemical Reaction Engineering 提供第15章所用的反應器分析。在這些書之後再讀Towler和Sinnott，目的是把它們綜合運用到設計中。

如何使用本書

出版社所設想的讀者是修讀高年級過程設計或畢業設計課程的化學工程與生物化工專業學生，以及化工過程、生物化工、製藥和石化行業的從業人員。讀者應已修完化學工程的核心課程。

實用的閱讀安排：

• 從這裡開始： 第1–2章，然後是第7–9章，它們為整個專案提供經濟框架。
• 工藝設計： 按專案需要讀第3–6章和第10–12章，第10章（安全）要早讀，不要留到最後。
• 裝置： 第13章，然後讀與自己設計中的裝置相應的章節：反應器與分離讀第15–17章，傳熱裝置讀第19章，流體輸送與儲存讀第20章。
• 畢業設計用法： 從書中的設計專案中選一個，從流程圖一直做到裝置尺寸和成本。