西北农林科技大学生命科学学院。
生物工程教研室编。
2024年6月。
第1章概论 1
1.1化工原理课程设计的目的和要求 1
1.2化工原理课程设计的内容和步骤 1
第2章列管式换热器设计 5
2.1设计和选用时应考虑的问题 5
2.2管壳式换热器的给热系数 6
2.3流体通过换热器的阻力损失 8
2.4对数平均温差的修正 8
2.5管壳式换热器的设计和选用步骤 10
3.1收集基础数据。
3.2 工艺流程的选择。
3.3 做全塔的物料平衡。
3.4 确定操作条件。
3.5 确定回流比。
3.6 理论板数与实际板数。
3.7 确定冷凝器与再沸器的热负荷。
3.8 初估冷凝器与再沸器的传热面积。
3.9 塔径计算及板间距确定。
3.10 堰及降液管的设计。
3.11 塔板布置及筛板塔的主要结构参数。
3.12筛板塔的水力学计算。
3.13塔盘结构。
3.14 塔高。
附录。1. 设计任务书格式。
2. 设计说明书格式。
第一章绪论。
1.1化工原理课程设计的目的和要求。
课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。
通过课程设计，学生应该注重以下几个能力的训练和培养：
(1)查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；
(2)树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；
(3)迅速准确的进行工程计算的能力；
(4)用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
1.2化工原理课程设计的内容和步骤。
（1）课程设计的基本内容。
①设计方案简介对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述；
②主要设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计；
③典型辅助设备的选型和计算包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定；
④带控制点的工艺流程简图以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点；
⑤主体设备工艺条件图图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；
完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。说明书是设计的书面总结，也是后续设计工作的主要依据，应包括以下主要内容：
封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间 ）；
目录；设计任务书；
设计方案简介；
工艺设计计算；
辅助设备的计算及选型；
设计结果汇总表；
设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论；
工艺流程图及设备工艺条件图；
参考资料。2）课程设计的步骤。
①动员和布置任务；
②阅读指导书和查阅资料；
③设计计算，绘图和编写说明书；
考核和答辩。
整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。论述应该条理清晰，观点明确；计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处；图表应能简要表达计算的结果。
3) 带控制点的工艺流程图的绘制。
带控制点的工艺流程图是一种示意性的图样，它以形象的图形、符号、代号表示出化工设备、管路、附件和仪表自控等，借以表达出一个生产中物料及能量的变化始末。工艺流程图绘制范围如下：
必须反映出全部工艺物料和产品所经过的设备；
应全部反映出主要物料管路，并表达出进出装置界区的流向；
冷却水、冷冻盐水、工艺用的压缩空气、蒸汽(不包括副产品蒸汽)及蒸汽冷凝液系统等的整套设备和管线不在图内表示，仅示意工艺设备使用点的进出位置；
标出有助于用户确认及上级或有关领导审批用的一些工艺数据(例如：温度、压力、物流的质量流量或体积流量、密度、换热量等)；
包括绘制图例，图画上必要的说明和标注，并按图签规定签署；
必须标注工艺设备，工艺物流线上的主要控制点符及调节阀等。这里指的控制点符包括被测变量的仪表功能(如调节、纪录、指示、积算、连锁、报警、分析、检测及集中，就地仪表等)。
流程图的绘制步骤如下：
用细实线(0.3mm)画出设备简单外形，设备一般按1:100或1:50的比例绘制，如某种设备过高(如精馏塔)，过大或过小，则可适当放大或缩小；
常用设备外形可参照图1-1所示，对于无示例的设备可绘出其象征性的简单外形，表明设备的特征即可；
用粗实线(0.9mm)画出连接设备的主要物料管线，并注出流向箭头；
物料平衡数据可直接在物料管道上用细实线引出并列成表；
辅助物料管道(如冷却水、加热蒸汽等)，用中粗实线(0.6mm)表示；
设备的布置原则上按流程图由左至右，图上一律不标示设备的支脚、支架和平台等，一般情况下也不标注尺寸。
工艺物料的介质**自行编制，一般以分子式及其编写字母表示。辅助物料如公用系统介质代号规定如表1-1。
表1-1 辅助物料和共用系数介质代号。
图上应标注单元设备的代号，单元设备分类代号见表1-2。
表1-2 单元设备分类代号。
4)主体设备工艺条件图(此部分内容教师可根据具体题目有选择的要求)
主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备，如传热中的换热器，蒸发中的蒸发器，蒸馏和吸收中的塔设备(板式塔和填料塔)，干燥中的干燥器等。一般，主体设备在不同单元操作中是不同的，即使同一设备在不同单元操作中其作用也不相同，如某一设备在某个单元操作中为主体设备，而在另一单元操作中就可变为辅助设备。例如，换热器在传热中为主体设备，而在精馏或干燥操作中就变为辅助设备。
泵、压缩机等也有类似情况。
主体设备工艺条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算结果用一张总图表示出来。图面上应包括如下内容：
设备图形指主要尺寸(外形尺寸、结构尺寸、连接尺寸)、接管、人孔等；
技术特性指装置的用途、生产能力、最大允许压强、最高介质温度、介质的毒性和**危险性；
设备组成一览表注明组成设备的各部件的名称等。
应予以指出，以上设计全过程统称为设备的工艺设计。完整的设备设计，应在上述工艺设计基础上再进行机械强度设计，最后提供可供加工制造的施工图。这一环节在高等院校的教学中，属于化工机械专业中的专业课程，在设计部门则属于机械设计组的职责。
图1-1 流程图设备外形图例。
第二章管壳式换热器的设计和选用。
化工生产中所用的换热器类型很多，按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。按其结构分，有列管式、板式等。不同类型换热器，其性能各异，因此要了解各种换热器的特点，以便根据工艺要求选用适当类型，同时还要根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力等。
本章着重对列管式换热器的设计进行详细介绍。
2.1 概述。
列管式换热器是目前应用最广泛的一种换热设备，2.1设计和选用时应考虑的问题。
1) 冷热流体流动通道的选择。
a、不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便，但u形管式的不宜走管程；
b、腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀；
c、压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力；
d、饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易排出；
e、被冷却的流体宜走壳程，便于散热；
f、若两流体温差大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减小热应力；
g、流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程即可达到湍流。但这不是绝对的，如果流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而会得到更高的给热系数。
以上各点常常不可能同时满足，而且有时还会相互矛盾，故应根据具体情况，抓住主要方面，作出适宜的决定。
2) 流动方式的选择。
除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程越多，对流传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。
因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正。
3) 换热管规格和排列选择。
换热管直径越小，换热器单位容积的传热面积越大。因此对于洁净的流体可完管径可取得小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取的大些，以免堵塞。
为了制造和维修的方便，我国目前试行的系列标准规定采用19×2mm和25×2.5mm两种规格，管长有.0m，排列方式：
正三角形、正方形直列和错列排列，见图2-1。
图2-1 换热管排列方式。
各种排列方式的优点：
4)折流挡板。
安装折流挡板的目的是为提高壳程对流传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。
对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由图2-2可以看出，弓形缺口太大或太小都会产生"死区"，既不利于传热，又往往增加流体阻力。挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。
间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.
0倍。a.切除过少 b.切除适当 c.切除过多。
图2-2挡板切除对流动的影响。
2.2管壳式换热器的给热系数。
给热系数包括管内流动的给热系数和壳程给热系数，管内流体的给热系数前面已经学过，而壳程的给热系数与折流挡板的形状、板间距，管子的排列方式、管径及管中心距等因素有关。
壳程中由于设有折流挡板，流体在壳程中横向穿过管束，流向不断变化，湍动增强，当即可达到湍流状态。
2.2.1流体在圆形直管内的强制湍流。
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