基本信息出版社：化学工业出版社
页码：339 页
出版日期：2009年03月
ISBN：7122045013/9787122045010
条形码：9787122045010
版本：第1版
装帧：平装
开本：16
正文语种：中文

内容简介 《化工厂的简单与稳健化设计》是一本介绍现代化工厂设计理念和方法的著作，系统讲述了如何使化工厂达到安全可靠、环保节能、自动操作、经济运行的优化设计方法，书中给出了大量示例，展示了设计简单、稳健化工厂的途径。具体包括：过程综合与设计优化、过程简化和强化、基于可靠性的过程设计、操作和控制自动化、操作优化，以及化工厂有效设计和持续改进的方法等。对于当前社会及公众关心的安全、能源和环境问题，也给出诸如本质安全、能量集成等设计方法；也讲述了经济全球化下的过程工厂生产链和世界级制造的设计和操作方法。
编辑推荐 《化工厂的简单与稳健化设计》可供化工厂及相关的过程工厂的设计、建造、运行工程技术人员和管理者阅读，也适合大专院校相关专业的师生、设计研究院的工程技术人员参考。
目录
概述1
1.1 新的变革1
1.2 21世纪的过程工厂：简单和稳健3
1.3 设计理念6
1.3.1 精简设备及管线6
1.3.2 除非有经济或安全方面的原因，否则就面向可靠、稳健的单一元件进行设计6
1.3.3 优化设计6
1.3.4 巧妙的过程集成6
1.3.5 减少人工干预7
1.3.6 通过操作优化赚钱7
1.3.7 准时制生产（JIP）7
1.3.8 面向全面质量控制（TQC）的设计8
1.3.9 本质安全的设计9
1.3.1 0环境友好的设计9
1.4 过程综合和设计优化9
1.5 过程简化和强化技术10
1.6 基于可靠性的设计10
1.7 联合体的优化及其脆弱性评估11
1.8 仪表、自动化及控制设计11
1.9 操作优化12
1.10 高质量过程工厂的有效设计和操作12
1.11 过程设计的概览性示例13
1.12 小结15
参考文献16

2 简单、稳健工厂的设计17
2.1 何谓“简单”？17
2.2 复杂性程度18
2.3 何以更加可靠？22
2.4 什么是稳健？23
2.4.1 机械稳健性23
2.4.2 控制稳健性24
2.4.3 操作稳健性24
2.5 小结25
参考文献25

3 设计理念26
3.1 特性数据26
3.2 模型化26
3.2.1 过程模型化是改进过程的途径27
3.3 设计理念28
3.3.1 利润28
3.3.2 长效性29
3.3.3 将设备、管路和仪表减到最少29
3.3.4 面向可靠、稳健的单一元件进行设计32
3.3.5 优化设计33
3.3.6 巧妙的过程集成35
3.3.7 减少人工干预36
3.3.8 通过操作优化赚钱39
3.3.9 准时制生产（JIP）40
3.3.10 面向全面质量管理（TQC）的设计41
3.3.11 本质安全的设计44
3.3.12 环境友好的设计46
3.4 各种设计理念的统一48
参考文献49

4 过程综合和设计优化51
4.1 过程综合52
4.1.1 概念设计的层级结构53
4.1.2 过程综合的约束条件57
4.1.3 过程综合的研究范围60
4.1.4 经济核算61
4.1.5 优化方法62
4.1.6 创造性67
4.2 过程综合方法68
4.2.1 反应68
4.2.2 分离76
4.2.3 过程集成86
4.2.4 可控性分析101
4.2.5 流程的优化103
4.2.6 后勤与现场集成103
参考文献105

5 过程简化与过程强化108
5.1 引言108
5.2 过程功能的避免与消除109
5.2.1 储罐与容器109
5.2.2 流体输送110
5.2.3 回收系统111
5.3 过程功能的耦合111
5.3.1 反应112
5.3.2 精馏115
5.3.3 萃取、蒸发和挤出121
5.3.4 加热炉122
5.4 过程装置的集成123
5.5 过程功能的强化126
5.5.1 构筑更紧凑的单元127
5.5.2 强化传热、传质与脉冲128
5.5.3 借助离心力场的“超重力”131
5.6 总体过程简化132
5.6.1 总体过程设计的改进133
5.6.2 单套设备的设计138
5.6.3 供应与储存方面的策略140
5.6.4 单一元件设计策略140
5.7 各单元操作的简化与分级142
5.7.1 反应器143
5.7.2 精馏与吸收149
5.7.3 液惨狠腿153
5.7.4 吸附与化学吸附153
5.7.5 热交换154
5.7.6 流体输送155
5.7.7 管路155
5.7.8 仪表157
5.8 简化与集成设计之间有无冲突？159
参考文献161

6 基于可靠性的过程设计164
6.1 引言164
6.1.1 迈向更优设计的可靠性工程165
6.2 可靠性的基本理论166
6.2.1 可用性和不可用性169
6.2.2 可靠性数据及分布170
6.2.3 失效参数估值172
6.2.4 可靠性的模型化173
6.3 用于过程工厂设计的可靠性工程技术方法176
6.4 过程和公用工厂的可靠性研究179
6.4.1 连续过程工厂的可靠性研究179
6.4.2 公用蒸汽工厂的可靠性研究181
6.5 可靠性、可用性及可维护性（RAM）标准184
6.6 小结185
6.7 定义186
参考文献187

7 集成的过程工厂联合体的优化及其脆弱性评估189
7.1 引言189
7.2 化学联合体190
7.2.1 基于氮的联合体190
7.2.2 基于烃的联合体190
7.2.3 基于氯的联合体191
7.2.4 炼厂联合体191
7.2.5 集群联合体191
7.3 集成联合体的设计理念191
7.4 现场的选择192
7.5 集成联合体的优化193
7.5.1 现场流程193
7.5.2 现场公用工程集成195
7.6 储存能力的优化200
7.6.1 工厂失效200
7.6.2 储罐201
7.6.3 模拟及结果202
7.6.4 生产过程链205
7.7 现场的脆弱性207
7.8 小结212
参考文献213

8 操作/控制仪表和自动化215
8.1 引言215
8.2 仪表216
8.2.1 仪表216
8.2.2 仪表系统218
8.2.3 仪表设计218
8.2.4 安全仪表系统（SIS）222
8.3 操作自动化224
8.3.1 仪表选型（模拟输入、输出和数字输入、输出）225
8.3.2 基于操作策略的操作自动化225
8.3.3 仪表安全防护系统234
8.3.4 联锁239
8.3.5 监测239
8.3.6 仪表自动化系统241
8.3.7 概述：操作自动化242
8.4 控制设计244
8.4.1 基本控制层的策略设计245
8.4.2 控制目标界定246
8.4.3 评估开环稳定性247
8.4.4 过程分解为独立工段247
8.4.5 确定自由度247
8.4.6 确定受控变量、操作变量、待测变量和扰动变量248
8.4.7 工厂和单元范围控制中可行配对方案选取250
8.4.8 评估配对备选方案中的静态相互作用258
8.4.9 评估减少后选定配对方案中的动态相互作用259
8.4.1 0建立最终配对并设计控制器260
8.4.1 1采用动态模拟开发并测试控制性能260
8.4.1 2基本控制层上的模型控制261
8.5 小结263
参考文献264

9 操作优化266
9.1 引言266
9.2 发展历史266
9.3 连续过程的广义操作优化268
9.3.1 动机268
9.3.2 连续过程269
9.4 性能（绩效）计量271
9.4.1 性能计量的设计272
9.5 闭环定态优化274
9.5.1 优化技术274
9.5.2 优化循环279
9.6 操作优化的项目方法287
9.6.1 可行性研究：步骤0287
9.6.2 范围界定：步骤1291
9.6.3 开发、安装性能测量并开始跟踪过程性能：步骤2292
9.6.4 开发含CVS，MVS和DOFS的控制结构：步骤3292
9.6.5 面向定态检测和性能计量构建执行器并执行数据分析：步骤4296
9.6.6 开发并验证反应器模型：步骤5M297
9.6.7 开发含反应器模型和优化器的过程模型298
9.6.8 依据过程条件及价格测试过程模型的稳健性298
9.6.9 针对选定的数据执行数据分析并评估定态工况：步骤9299
9.6.10 执行数据协调：步骤10299
9.6.11 执行同时的数据协调和参数估值—R和PE）：步骤11299
9.6.12 验证模型：步骤12299
9.6.13 执行CLO：步骤13302
9.6.14 评估项目并构建维护结构302
9.6.15 其他类型的优化303
9.7 操作优化的实用方法305
9.8 附录：基于Lagrange乘子法以及测量与模型化协调结果分析的优化技术308
参考文献310

10 从组织角度进行高质量过程工厂的有效设计和持续改进312
10.1 引言312
10.2 高质量工厂的持续改进312
10.2.1 过程能力313
10.2.2 过程可靠性和可用性313
10.2.3 操作质量314
10.2.4 最优操作315
10.2.5 设计改进的机遇316
10.3 高质量工厂的设计316
10.3.1 工作过程317
10.3.2 设计的质量方面：VIPs322
参考文献333

11 综述：简单、稳健的过程工厂的设计335
11.1 设计理念335
11.2 实现简单、稳健的过程工厂的设计理念335
11.3 过程综合和设计优化335
11.4 过程简化和强化336
11.4.1 避免或消除功能336
11.4.2 功能的耦合336
11.4.3 功能的强化336
11.4.4 总体过程简化337
11.4.5 简单单元设计的排序337
11.5 基于可靠性的过程设计337
11.6 过程工厂集成联合体的优化及其脆弱性评估337
11.7 仪表，操作/自动化及控制338
11.8 操作优化338
11.9 高质量过程工厂的有效设计和持续改进339
译后记340
……
序言 二次世界大战后，化学工业的发展迅速；与此相伴，化学工程学科也快速发展。同时，工程学科的同步发展也为过程工厂制造出了更好的新设备和仪器。在20世纪70年代，效率空前提高；时至今日，过程工业的一些研究者还坚持认为，正是在那个时期过程工业发展成熟了。然而，来自大众的新需求使得对安全以及环境保护方面的关注日益增长。而且，在数学、信息、物理以及电子领域的进展为化学工程师提供了机遇；今天，多数设备设计方法已变为软件，许多常规任务都可在计算机上完成。
近年来，原材料和能源紧张以及对环境保护的高度重视促使不同相关学科间的交叉日益频繁。此外，化工企业的全球化造就了许多较大型的化学公司以及世界范围的激烈竞争态势，这就要求，与其他竞争者比较，公司对于自己在专业知识上的优势和缺点方面要有清醒的认识，竞争也要求对投资严格控制。公司总是在效益最大的地点建厂，因此建厂的投资需要精打细算。投资的节省意味着同样的资金可以建更多的工厂，况且在21世纪，还有更大的新需求需要应对！评价技术的标准是其可持续性，未来，我们日常生活中的商品、能源和燃料必须使用新型的可再生原料。而且，生产过程也必须加倍可靠。
多年来，许多科学家都在思考工程学科的基础，包括过程工程的策略以及化学制造的后勤学。这引出许多系统方面的研究甚至过程设计工程师学派。对于系统研究、生产组织以及生产后勤学，虽然已提出许多规则和条例，但是它们很少实际用于过程工业。我们从消费品大规模生产的成功中可以学到许多东西。的确，化学工程师可以自问，我们是否达到了消费品制造者那样成熟的水平？
Jan Koolen是一位具有几十年经验的过程设计工程师，这个优势使他可以长期思考过程设计工程师的本质任务。Jan感到，较之其他产品，即使是一个相对简单单元（如冰箱）的设计和生产对化工厂设计师来说也是一个挑战，同时也是促使化工厂设计师做出改进的巨大动力。冰箱能够运行15年而无需照料，即使与烯烃工厂制冷单元的控制相比其控制也极为简单。故此，Jan认为必须进一步推进采用简单、稳健的工厂。
文摘 插图：


已扩展到水和氢的集成，而且实际上已考虑到所有可回用的物流。从定态角度而言，集成度越高收益也就越多。集成的不利一面是需要对“服役”物流的可用性及其动态过程有全面的认识。需要加以区分的是：①单元内的集成，此时必须关注的是开车以及单元的稳定性；②不同单元（或过程）的集成，此时需要精心设计系统，以应对扰动和可用性问题。在动态研究中，倾听控制工程师的意见是必要的，这有助于利用硬、软件条件解决解耦问题，以实现稳健控制和操作的设计。
1.3.5 减少人工干预
人类能够开发和利用新事物。事物既有有利的一面，也有不利的一面，这取决于环境。人类也常常在正确和错误之间学习和改进，但这也意味着他们做事并不连贯一致。对于化工厂的操作，这是一个可导致许多过程失误的缺点，并且常常必须通过人的智力在事后解决。克服的最好方法是使常规操作高度自动化并实施稳健控制设计，以实现可靠的闭环运行。近来，为达到所需的操作质量，多数过程的控制环中都有一个操作器。
1.3.6 通过操作优化赚钱
过程工厂通常在变动的商业环境中运行，这会影响工厂的经济运营。原材料、能源和产品价格及其需求的变动在很大程度上影响工厂的经济性能。这类变动可以天、周或月计，当然也可以在1小时内发生。其他常见的变动有：
昼夜间温度的循环：这可能给持续进行的操作能力的优化带来困难；
生产调度，产品扰动；
原料组成；
结垢或催化剂老化。
由于上述变数均对面向操作的经济优化产生影响，因此，着力这方面的优化（通常适宜做闭环优化）是非常值得的。优化的目标是使操作的利润最大化。引入利润计量器（参见Krist等，1993）是操作优化的必要步骤。利润计量器以工厂物流的质量平衡为基础（优选通过工厂质量平衡协调进行计算），并计及每一股物流经济价格的变化，如此得到连续、实时的经济平衡，以支持实时优化。世界级制造展望1.3.7 准时制生产（JIP）
这个概念早在20世纪80年代初就已提出，主要与单一元件的生产或成组的集成元件的生产有关。使原料、中间产物以及产品的储存最少的原则在过程工业中也是适用的，并且与简单、稳健设计的基本原则完全一致。储存最少可通过将生产线和运输中的储存集成来实现。先前，储存最少甚至零储存只是针对诸如氢、甲烷、乙烯、溴和氨等低沸点液体或极度危险物料。
后记 几年前，天津大学化工学院的王日杰教授向我们推荐了本书，并热心联系了本书的出版事宜。王教授在大学里从事工业催化专业的教学和科研工作，同时也有若干成果实现了工业化。他对于化学工厂的设计以及操作在实现科研成果向工业化转化的重要性有深切的体会，这或许是他对本书感兴趣的主要原因。
我们拿到本书后，初读之下：自然为书中独特而先进的设计理念简单和稳健的过程工厂所吸引。无疑，为应对当前全球化环境下日益严峻的能源紧张、资源短缺、CO2减排、废物治理、过程安全、产品质量等诸多问题，以及化学工厂作为经济实体在日趋激烈的竞争中如何实现效益最大化的问题，化学工厂的设计以及操作在理念和实践上均需要变革，这在本书的序言中以及正文中均有详细的阐述，此处不赘。
同时，作为培养化学（过程）工程专门人才的教师，我们也在思考是否在人才培养环节为应对上述挑战做好了准备。化学工程学科在其发展过程中已形成了自己的“学科文化”，这典型地这表现为诸如单元操作、传递过程、理论级、速率限制步骤、停留时间分布、模型化等学科范式上。从本世纪之初开始，国际化学工程界就开始思考本学科“范式的转变”，大多认为在经历单元操作以及传递过程之后，将迎来面向产品的时代。如果将化学工程学科分为工程和工艺两类，我们发现难以将本书内容归人上述哪一类，这主要是因为本书既包括设计过程也包括操作过程，且内容多学科交叉，具有综合性。因此，本书对于关心化学工程学科建设的教师也是有参考价值的。
上海交通大学阎建民副教授翻译了本书第2、3、4、5章；中国石化工程建设公司杨茹工程师翻译了第8章；北京化工大学刘辉教授翻译了序言、致谢以及第1、6、7、9、10、11章，并做了最后的统稿工作。
北京化工大学高金吉院士欣然为中文译本作序，同时，本书的翻译工作也得到高院士负责的国家科技支撑（863）计划专题“典型装置智能安全预警与自愈防范技术研究”项目（No.2006BAKOlB01）的支持。中国天辰化学工程公司李荣高级工程师审阅了全部中文译稿并提出了宝贵的意见。化学工业出版社傅聪智编辑为本书顺利出版做了耐心而细致的编辑工作，对本书风格的统一以及减少错讹做了有益的工作。北京化工大学研究生徐闽和周丽丽做了本书部分章节的排版工作。谨致谢忱。
本书涉及的学科和内容广泛，限于译者的学识，译文或有不当之处，我们真诚希望得到读者的指正）。
刘辉
2009年1月