《化工原理课程设计》指南(doc 8页)
《化工原理课程设计》指导书
一、课程设计的目的与性质
化工原理课程设计是化工原理课程的一个实践性、总结性和综合性的教学环节，是学生进一步学习、掌握化工原理课程的重要组成部分，也是培养学生综和运用课堂所学知识分析、解决实际问题所必不可少的教学过程。
现代工业要求相关工程技术人员不仅应是一名工艺师，还应当具备按工艺要求进行生产设备和生产线的选型配套及工程设计能力。化工原理课程设计对学生进行初步的工程设计能力的培养和训练，为后续专业课程的学习及进一步培养学生的工程意识、实践意识和创新意识打下基础。
二、课程设计的基本要求
(1)在设计过程中进一步掌握和正确运用所学基本理论和基本知识，了解工程设计的基本内容，掌握设计的程序和方法，培养发现问题、分析问题和解决问题的独立工作能力。
(2)在设计中要体现兼顾技术上的先进性、可行性和经济上的合理性，注意劳动条件和环境保护，树立正确的设计思想，培养严谨、求实和科学的工作作风。
(3)正确查阅文献资料和选用计算公式，准确而迅速地进行过程计算及主要设备的工艺设计计算。
(4)用简洁的文字和清晰的图表表达设计思想和计算结果。
三、设计题目
题目Ⅰ：在生产过程中需将3000kg/h的某种油（在90℃时，密度为825kg/m3；定压比容为2.22kJ/kg·℃；导热系数为0.140W/m·℃；粘度为0.000715Pa·s；污垢热阻为0.000172m2·℃/W）从140℃冷却至40℃，压力为0.3MPa，冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为35℃，出口温度为45℃。设计一列管式换热器满足上述生产需要。
题目Ⅱ：在生产过程中需将5000kg/h的某种油（在90℃时，密度为825kg/m3；定压比容为2.22kJ/kg·℃；导热系数为0.140W/m·℃；粘度为0.000715Pa·s；污垢热阻为0.000172m2·℃/W）从140℃冷却至40℃，压力为0.3MPa，冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为35℃，出口温度为45℃。设计一列管式换热器满足上述生产需要。
题目Ⅲ：在生产过程中需将7000kg/h的某种油（在90℃时，密度为825kg/m3；定压比容为2.22kJ/kg·℃；导热系数为0.140W/m·℃；粘度为0.000715Pa·s；污垢热阻为0.000172m2·℃/W）从140℃冷却至40℃，压力为0.3MPa，冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为35℃，出口温度为45℃。设计一列管式换热器满足上述生产需要。
四、课程设计的任务（内容）要求与进度
1．搜集资料、阅读教材，拟定设计方案(0.3周) 2．换热器工艺设计及计算（物料衡算、能量衡算、工艺参数选定及其计算）(0.7周)
1) 试算与初选换热器规格
2) 校核总传热系数K
3) 校核管、壳程压降
3．换热器结构设计（设备的主要结构设计及其尺寸的确定等）(0.5周)
1) 管板设计
2) 壳体直径及壳体壁厚的确定
3) 管板与壳体的连接
4) 管子与管板的连接
5) 管箱设计
6）管程分程与折流板设计
7）接管设计
8）支坐设计
9）附件设计（密封圈、排气管、排液管等）
4．绘制设备装配图（包括设备的各类尺寸、技术特性表等，用1号图纸绘制）(0.5周) 5．编写设计说明书（包括封面、目录、设计任务书、概述或引言、设计方案的说明和论证、设计计算与说明、对设计中有关问题的分析讨论、设计结果汇总、参考文献目录、总结及感想等。）(0.5周)
五、课程设计方法与步骤
1、通过阅读教材、查阅文献资料和本指导书所列示例，了解题目相关的工艺与设备的知识，熟悉工艺设计、计算和设备结构设计的方法、步骤；
2、根据设计任务书给定的生产任务和操作条件，进行工艺设计及计算；
3、根据工艺设计及计算的结果，进行设备结构设计；
4、以工艺设计及计算为基础，结合设备结构设计的结果，绘制设备装配图；
5、编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结，设计说明书应当用简洁的文字和清晰的图表表达设计思想、计算过程和设计结果。
六、成绩评定标准
学习态度20分，技术水平与实际能力30分，论文(计算书、图纸)撰写质量50分，详见以下课程设计成绩评定表。评定时可从设计过程情况，提交的设计资料，答辩情况等进行综合评定。
课程设计成绩评定表
七、成绩评定方法
1、学生提交作业时进行验收和单独答辩，时间为5～10分钟。
2、根据作业质量、作业期间指导答疑和提交作业时答辩的情况，初步评定课程设计成绩等级。
3、课程设计成绩按设计说明书和设计图纸的内容完整性、设计计算的正确性和合理性及完成质量；作业进度和工作态度、掌握本课程相关知识的程度、分析和解决问题的能力及完成设计的能力进行综合评分。
八、参考文献
1．《食品工程原理》中国轻工业出版社
2．《化工原理》上册天津大学出版社
3．《食品机械学》下册四川教育出版社
4．《换热器设计》上海科技出版社
5．《压力容器手册》劳动人事出版社
6．《钢制石油化工压力容器手册》化学工业出版社
7．《化工管路手册》化学工业出版社
8．化工设备设计全书《化工容器》化学工业出版社
9．《换热器设计手册》化学工业出版社
九、参考文献摘录与设计计算示例
列管式换热器的工艺设计与计算例
例题：用原油将某回流液从194℃冷却到101.8℃，回流液走管程，流量为76.8m3/h，原油最初温度为53.7℃，经换热后升温至122.1℃，要求管、壳程压降不大于0.152Mpa，试设计选择合适的列管式换热器。
解：本题为两流体无相变的传热。
1. 试算与初选换热器规格
（1）确定流体的定性温度和物性
原油粘度很大，其定性温度可按以下经验式计算，即：
t m =0.4t h +0.6t c
式中：t h —流体进、出口温度中较高的温度，℃；t c —流体进、出口温度中较低的温度，℃ 故：原油t m =0.4×122.1+0.6×53.7=81℃；回流液T m =（t h +t c ）/2=（194+101.8）/2=147.9℃ 根据两流体的定性温度，查得各流体的物性参数列表如下：
流体 定性温度(℃) 密度(ρ,kg/m 3) 粘度μ(cp) 比热(c p ,kJ/kg ℃) 导热系数(λ,W/m ℃) 原油 81 798 6.27 2.2 0.131 回流液 147.9 701 0.509 2.89 0.151
（2） 计算热负荷Q ，按回流液计算：
W T T c W Q ph h 632110985.3)8.101194(1089.23600
701
8.76)(?=-????=
-=
由热量衡算式，可求原油的流量为：
s kg t t c Q W pc c /5.26)
7.531.122(102.210985.3)(36
12=-???=-=
（3） 计算两流体的平均温度差Δt m （暂按单壳程、多管程计算）
C t m
ο2.597
.538.1011.122194ln
)
7.538.101()1.122194(=-----='?
35.17.531.1228
.1011941221=--=--=
t t T T R
49.07
.531947
.531.1221112=--=--=
t T t t P
由R 和P 查单壳程、多管程的P —φΔt 图得：φΔt =0.65<0.8，故需选两台单壳程换热器串联操作。重查
双壳程、多管程的P —φΔt 图得：φΔt =0.92，故：
C t t m
t m ο5.542.5992.0=?='?=??? （4） 初选换热器规格、尺寸
根据两流体的情况，先由经验选取总传热系数K 选＝300 W/m ℃，则
26
2445
.5430010985.3m t K Q S m =??=?=
由于T m －t m =147.9－81=66.9>50℃，温差应力较大，需考虑热补偿问题，故选择两台单壳程浮头式换
热器串联操作。由管壳式换热器系列标准，根据初步计算的传热面积S ，选取换热器规格尺寸为：
壳径D 公称压强Pg 管子排列 管子中心距t 公称面积S 0 管程数Np 管数n 折流板间距h 600 mm 16 atm 正三角形 25 mm 130 m 2 4 368 300 mm 管长L 管径d 0 壳程流通面积A 0=hD(1－d 0/t) 管程流通面积A i 6 m ￠19×2 0.0414 m 2 0.0162 m 2 两台换热器的实际传热面积为；
S 0=2[πd 0(L －2b)n]=2×3.14×0.019×(6－0.1)×368=259 m 2 式中：b —管板厚度，取b=50 mm=0.05 m
采用此传热面积的换热器所需的总传热系数为：
C m W t S Q K m 026
00/2825
.5425910985.3=??=?=
2. 校核总传热系数K
(1) 管程传热系数αi 的计算
u
u d i i i ρ
=
Re 而 m mm d d i 015.015221920==?-=-=δ s m A V u i i i /32.10162
.08.76===
故 43
1073.210
509.0701
32.1015.0Re ?=???=
-i （湍流） 74.9151
.010509.01089.233=???==-λu
C P p ri ()()
()
C m W P d a r
i
i ?=?==./162274.91073.2015
.0151
.0023
.0Re 023
.023
.08
.04
3
.08.0λ
(２) 壳程传热膜系数α0
μ
ρ
000Re u d =
而 s m A V u /803.00414
.07895.26000=?==
故
19401027.6798
803.0019.0Re 3
0=???=
-（滞流）
105131
.01027.6102.2330=???==-λu
C P p r 而 μ?λ
3
/16.00
023
.0r e P R d a =
说明：以上的准数方程，可参见《化工原理》上册（天津大学编）。由于流体被加热，取φμ=1.05 则 C m W a 023/16.00/73605.1)105()1940(019
.0131
.023.0=????
= （3）确定污垢热阻Rs
从有关手册查得：Rsi=0.0002 m ℃/W ；Rso=0.0004 m ℃/W
（4）计算并校核总传热系数
C
m W d d
d d Rs d bd Rs K i
i o
i o i m m o o o
02/352015
.01622019
.0015.0019.00002.0017.045019.0002.00004.073611
1
1
=?+?+??++=
+++
+=
αλα计
式中：λm —管壁导热系数，取λm =45 W/m ℃
K 计>K 0，说明所选设备能满足传热要求，设备的安全系数为：
%25%100282
282
352%1000
=?-=
?-K K K 计
3. 校核管、壳程压降 （1） 管程压降的计算
∑⊿P i =(⊿P 1+⊿P 2)F t N p N s
F t —结垢校正系数；N p —管程数；N s —壳程数
设：管壁粗糙度ε=0.1mm ，ε/di=0.1/15=0.007，由图查得：λ=0.036
则 22
21/88002
32.1701015.06036.02m N u d L P i =???==?ρλ
22
2
2/18302
32.1701323m N u P =??==?ρ
此例中F t =1.5，N p =4，N s =2
故： ∑⊿P i =(8800+1830)×1.5×4×2=1.28×105 N/m 2=0.128 MPa （2） 壳程压降的计算
∑⊿P o =(⊿P 1′+⊿P 2′)F s N s 此例中F s =1.15 2
)
1(2
0001u N n Ff P B ρ+='
?
119405Re 5228.0228
.00
0≈?==--f
F=0.5；n 0=1.1n 0.5=1.1×3680.5=21；N B =L/h －1=6/0.3－1=19
则 22
1/536202
8.0798202115.0m N P =??
???='
? 又 22
2
02/120002
8.0798)6.03.025.3(192)25.3(m N u D h N P B =???-?=-='
?ρ
故 ∑⊿P o =(53620+12000)×1.15×2=1.5×105 N/m 2=0.15MPa
由计算结果可知，管、壳程压降满足设计要求。