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《化工原理课程设计》指导书

一、 课程设计目标和性质
化工原理课程设计是化工原理课程一个实践性、总结性和综合性教学步骤，是学生深入学习、掌握化工原理课程关键组成部分，也是培养学生综和利用课堂所学知识分析、处理实际问题所必不可少教学过程。
现代工业要求相关工程技术人员不仅应是一名工艺师，还应该含有按工艺要求进行生产设备和生产线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工程设计能力培养和训练，为后续专业课程学习及深入培养学生工程意识、实践意识和创新意识打下基础。
二、课程设计基础要求
(1)在设计过程中深入掌握和正确利用所学基础理论和基础知识，了解工程设计基础内容，掌握设计程序和方法，培养发觉问题、分析问题和处理问题独立工作能力。
(2)在设计中要表现兼顾技术上优异性、可行性和经济上合理性，注意劳动条件和环境保护，树立正确设计思想，培养严谨、求实和科学工作作风。
(3)正确查阅文件资料和选择计算公式，正确而快速地进行过程计算及关键设备工艺设计计算。
(4)用简练文字和清楚图表表示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，冷却介质采取循环水，循环冷却水压力为0.4MPa，循环水入口温度为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，冷却介质采取循环水，循环冷却水压力为0.4MPa，循环水入口温度为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，冷却介质采取循环水，循环冷却水压力为0.4MPa，循环水入口温度为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、课程设计任务（内容）要求和进度
1．搜集资料、阅读教材，确定设计方案 (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) 试算和初选换热器规格
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（设备关键结构设计及其尺寸确实定等） (0.5周)
1) 管板设计
2) 壳体直径及壳体壁厚确实定
3) 管板和壳体连接
4) 管子和管板连接
5) 管箱设计
6）管程分程和折流板设计
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（包含设备各类尺寸、技术特征表等，用1号图纸绘制） (0.5周)
5．编写设计说明书（包含封面、目录、设计任务书、概述或引言、设计方案说明和论证、设计计算和说明、对设计中相关问题分析讨论、设计结果汇总、参考文件目录、总结及感想等。） (0.5周)

五、课程设计方法和步骤
1、经过阅读教材、查阅文件资料和本指导书所列示例，了解题目相关工艺和设备知识，熟悉工艺设计、计算和设备结构设计方法、步骤；
2、依据设计任务书给定生产任务和操作条件，进行工艺设计及计算；
3、依据工艺设计及计算结果，进行设备结构设计；
4、以工艺设计及计算为基础，结合设备结构设计结果，绘制设备装配图；
5、编写设计说明书对整个设计工作进行书面总结，设计说明书应该用简练文字和清楚图表表示设计思想、计算过程和设计结果。

六、成绩评定标准
学习态度20分，技术水平和实际能力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，提交设计资料，答辩情况等进行综合评定。
课程设计成绩评定表
项目
分值
优异
(100≥x≥90)
良好
(90>x≥80)
中等
(80>x≥70)
及格
(70>x≥60)
不及格(x<60)
评分
学习态度
20
学习态度认真，工作作风严谨，严格遵守教学纪律，确保设计按进度要求进行，能圆满完成设计任务。
学习态度好，工作作风认真，遵守教学纪律，能按期圆满完成设计任务。
学习态度尚好，遵守教学纪律很好，能按设计作息时间作业，能很好地按期完成各项工作。
学习态度尚可，能遵守教学纪律，能按期完成任务，完成质量通常。
学习态度马虎，纪律涣散，工作作风不严谨，不能按设计作息时间作业，不能按期完成任务或完成质量差

技术水平和实际能力
30
技术路线正确，论证合理充足，能把文件报道新技术应用于设计中，引用数据正确，计算正确。
技术路线正确，论证较合理、较充足，能把文件报道新技术应用于设计中，引用数据正确，计算正确。
技术路线正确，论证较合理、较充足，能把文件报道新技术应用于设计中，引用数据较正确，计算基础正确。
技术路线基础正确，论证较合理、较充足，引用数据较正确，计算基础正确。
技术路线不正确，论证不合理、不充足，引用数据不正确，计算不正确。

论文(计算书、图纸)撰写质量
50
设计说明书写作结构严谨、合理，逻辑性强，层次清楚，语言正确，文字流畅，书写工整或用计算机打印成文。图纸规范。
设计说明书写作结构合理，逻辑性较强，层次分明，语言正确，文字流畅，书写工整或用计算机打印成文。图纸规范。
设计说明书写作结构较合理，层次较分明，文理较通顺，书写较工整或计算机打印成文。图纸较规范。
设计说明书写作结构基础合理，逻辑基础清楚，文字尚通顺，书写较工整，图纸基础规范。
设计说明书写作内容空泛，结构混乱，文字表示不清，错别字较多，达不到规范化要求。图纸不规范。

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、依据作业质量、作业期间指导答疑和提交作业时答辩情况，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内容完整性、设计计算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程度、分析和处理问题能力及完成设计能力进行综合评分。

八、参考文件
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》 劳感人事出版社
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、参考文件摘录和设计计算示例

列管式换热器工艺设计和计算例
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、壳程压降小于0.152Mpa，试设计选择适宜列管式换热器。
解：本题为两流体无相变传热。
1. 试算和初选换热器规格
（1） 确定流体定性温度和物性
原油粘度很大，其定性温度可按以下经验式计算，即：
tm=0.4th+0.6tc
式中：th—流体进、出口温度中较高温度，℃；tc—流体进、出口温度中较低温度，℃
故：原油tm=0.4×122.1+0.6×53.7=81℃；回流液Tm=（th+tc）/2=（194+101.8）/2=147.9℃
依据两流体定性温度，查得各流体物性参数列表以下：

流体 定性温度(℃) 密度(ρ,kg/m3) 粘度μ(cp) 比热(cp,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：

由热量衡算式，可求原油流量为：

（3） 计算两流体平均温度差Δtm（暂按单壳程、多管程计算）

由R和P查单壳程、多管程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P—φΔt图得：φΔt=0.92，故：

（4） 初选换热器规格、尺寸
依据两流体情况，先由经验选择总传热系数K选＝300 W/m℃，则

因为Tm－tm=147.9－81=66.9>50℃，温差应力较大，需考虑热赔偿问题，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，依据初步计算传热面积S，选择换热器规格尺寸为：

壳径D 公称压强Pg 管子排列 管子中心距t 公称面积S0 管程数Np 管数n 折流板间距h
600 mm 16 atm 正三角形 25 mm 130 m2 4 368 300 mm
管长L 管径d0 壳程流通面积A0=hD(1－d0/t) 管程流通面积Ai
6 m ￠19×2 0.0414 m2 0.0162 m2
两台换热器实际传热面积为；
S0=2[πd0(L－2b)n]=2×3.14×0.019×(6－0.1)×368=259 m2
式中：b—管板厚度，取b=50 mm=0.05 m
采取此传热面积换热器所需总传热系数为：

2. 校核总传热系数K
(1) 管程传热系数αi计算

而　

故　（湍流）

　　(２) 壳程传热膜系数α0

而　
故（滞流）

而
说明：以上准数方程，可参见《化工原理》上册（天津大学编）。因为流体被加热，取φμ=1.05
则
（3）确定污垢热阻Rs
从相关手册查得：Rsi=0.0002 m℃/W ；Rso=0.0004 m℃/W

（4）计算并校核总传热系数

式中：λm—管壁导热系数，取λm =45 W/m℃
K计>K0，说明所选设备能满足传热要求，设备安全系数为：

3. 校核管、壳程压降
（1） 管程压降计算
∑⊿Pi=(⊿P1+⊿P2)FtNpNs
Ft—结垢校正系数；Np—管程数；Ns—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

此例中Ft=1.5，Np=4，Ns=2
故： ∑⊿Pi=(8800+1830)×1.5×4×2=1.28×105 N/m2=0.128 MPa
（2） 壳程压降计算
∑⊿Po=(⊿P1′+⊿P2′)FsNs
此例中Fs=1.15

F=0.5；n0=1.1n0.5=1.1×3680.5=21；NB=L/h－1=6/0.3－1=19
则
又
故 ∑⊿Po=(53620+1)×1.15×2=1.5×105 N/m2=0.15MPa
由计算结果可知，管、壳程压降满足设计要求。