氨合成塔说明书

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摘 要

氨合成塔被称为合成氨厂的心脏,它是整个合成氨厂生产过程中的主要关键设备之一。

本次氨合成塔设计的内容包括工艺流程的设计、内件结构、材料、外壳结构的选择、工艺计算、强度计算、消防及其它辅助设备的设计、主要零部件的制造工艺、安装、检查与维修。是以提高其工作能力、生产效率为目的而设计的操作方案。本题目涉及的知识面很广,包括工程制图、材料力学、机械原理、机械设计、化工原理、过程机械制造、过程流体机械、过程设备设计、GB12337-1998及GB150-1998等。

关键字: 氨合成塔 工艺计算 强度计算 辅助设备设计

I

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Abstract

Synthetic ammonia tower known as the heart of synthetic ammonia plant, which is the synthetic ammonia plant production process one of the key equipment.

This is the design of synthetic ammonia tower, the design includes processes for the design, within a structure, materials, mechanical structure choice, crafts calculation, the calculation of intensity, fire and other ancillary equipment design, the main components of manufacturing processes, installation, inspection and maintenance. Is working to enhance its capacity, efficiency of production design for the purpose of the operation. The topics covered a wide range of knowledge, including engineering mapping, materials mechanics, mechanical principles, mechanical design, chemical engineering principles, process engineering, process fluid machinery process equipment design, GB12337-1998 and GB150-1998

Key word: synthetic ammonia tower;crafts calculation;the calculation of

intensity;ancillary equipment design

II

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目录

摘 要..................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................. II 第1章 绪 论.................................................................................................... 1

1.1 氨合成塔的发展状况............................................................................. 1 1.2 氨合成塔的设计要求............................................................................. 1 1.3 氨合成塔的设计原则............................................................................. 1 第2章 氨合成塔的工艺设计............................................................................ 3

2.1 氨合成塔的工艺流程............................................................................. 3 2.2工艺条件.................................................................................................. 3 2.3 物料衡算................................................................................................. 4 2.4 热量衡算................................................................................................. 4 第3章 氨合成塔的结构设计............................................................................ 6

3.1 材料选用................................................................................................. 6 3.2触媒筐方案计算...................................................................................... 6

3.2.1已知条件....................................................................................... 6 3.2.2 内件结构选型.............................................................................. 6 3.2.3 触媒筐结构方案.......................................................................... 7 3.2.4 各传热系数的计算...................................................................... 8 3.2.5 对计算结果进行校验................................................................ 12 3.3 热交换器的计算................................................................................... 14

3.3.1 设备选型及设计条件................................................................ 14 3.3.2 换热器热量计算........................................................................ 14 3.3.3 换热器有效长度的计算............................................................ 16 3.3.4 计算总传热系数K.................................................................... 20 3.3.5 换热器管板厚的确定................................................................ 21 3.3.6 换热管稳定性校核.................................................................... 22 3.4 氨合成塔筒体设计............................................................................... 23 3.5 氨合成塔封头的设计........................................................................... 24

3.5.1 封头的结构形式........................................................................ 24 3.5.2 封头的设计计算........................................................................ 24 3.6确定群座壁厚........................................................................................ 25 3.7 风载荷计算........................................................................................... 26 3.8 地震载荷的计算................................................................................... 28 3.9 各种载荷产生的轴向应力计算........................................................... 28

III

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3.10 塔体强度及轴向稳定性校验............................................................. 29 3.11 裙座强度及轴向稳定性校验............................................................. 30 3.12 基础环设计......................................................................................... 31 第4章 氨合成塔的安装和维护检查.............................................................. 33

4.1 氨合成塔的安装................................................................................... 33

4.1.1 底座的安装................................................................................ 33 4.1.2 外筒的氨装................................................................................ 33 4.1.3 内件的安装................................................................................ 34 4.3 氨合成塔的检查................................................................................... 35

4.3.1 定期检查.................................................................................... 36 4.3.2 非定期检查................................................................................ 36

结论...................................................................................................................... 37 参考文献.............................................................................................................. 38 致 谢.................................................................................................................. 39

IV

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第1章 绪 论

1.1 氨合成塔的发展状况

我国的氨合成工业从薄弱迅速发展起来,在短短几年里设计和采用了三套管、单管并流、两次合成等多种新型氨合成塔;换热器的型式也发生了很大的变化,从单一转化为多样化,高效传热,回收热能、节省能源,使氨合成塔的生产能力大大提高,技术经济指标有所改善。有很多知识分子投入氨生产的研究和生产当中,大多数的氨合成厂都在进一步的扩建当中。

随着合成氨技术的不断发展,氨合成塔向单系列、大型化、节能型方向发展。目前我国有大型氨合成装置30 套,所使用氨合成塔有5 种类型,即凯洛格型、托普索型、伍德型、布朗型、卡萨利型。这些塔型根据气体流动方向不同,分为轴向流型、径向流型和轴径向流型,各有所长。轴向流塔操作稳定,催化剂装量多;径向流塔效率高,压力降小,操作敏感性强,要求高效催化。

总之,我国的氨合成工艺经过赶上了发达国家水平,为我国的工农业生产作出了重大的贡献,所以我们必须不断探讨和掌握氨合成塔的规律,使氨合成塔的设计、制造、生产、安装、维护都达到一个新的水平,而且要继续攀登新的高峰,夺取胜利。

应对氨合成塔进行以下改进:增大触媒装填容积,提高利用率;采用新型触媒,充分发挥触媒的活性;降低气体阻力,改善气体分布的均匀性;采用两进两出两次合成新工艺;强化传热,合理安排冷热交换,提高热能回收比率;改善温度分布,使其达到最佳;简化系统,使操作集中,提高系统运转的可靠性[1]。

1.2 氨合成塔的设计要求

(1) 气体均布

气体均布理论我国在20 世纪70 年代就有研究,主要体现在分布器的设计、加工上。要求分布器筒体的加工精度高,增大气流使气体均布,但会引起局部气体分布不均,需增加再分布器。再分布器既要起到再分布的效果,又要节省高压空间。

(2) 用材、焊接要求高

氨合成塔内件处于高温、高压、氢介质环境,对用材要求高,一般用不锈钢,并且对Cr 、Ni 及铁素体的含量有严格要求,关键部位用Inconel 600Incoloy ,确保不腐蚀开裂。焊接应注意焊接接头的化学成份和金相组成、焊接接头和热影响区的硬度及焊缝表面质量。

(3) 解决热应力

解决热应力的方法有设置膨胀节、设置填料密封、采用迷宫密封和自由膨胀结构,进行精确计算并严控加工质量,以改善管板受力状态[2]。

1.3 氨合成塔的设计原则

1

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氨合成塔的工艺参数和结构型式的选择即取决于所担负的生产任务和原料气的成分以及操作条件(如压力、温度等),又与合成工段其他设备的能力大小和配置有关。各部件的具体结构和尺寸不仅取决于结构的要求,而且也取决于所选用的材料性能、强度和刚度的要求、制造和运输的条件、设备的投资和先进性等因素。所以我们设计的内容包括很多,如工艺流程的设计、内件结构、材料、外壳结构的选择、工艺计算、强度计算以及很多辅助操作。必须以提高其工作能力、生产效率为目的而设计更多的操作方案。

结构设计原则:满足工艺要求;满足强度要求;可靠、安全;容易制造、结构简单、省材料、重量轻、应力分布均匀。

材料设计原则:在满足强度和刚度的要求下主要满足防腐要求;在满足设计条件(处理量、设计温度)下尽量选择便宜易加工的材料,做到经济、耐用、实惠[3]。[3]

2

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第2章 氨合成塔的工艺设计

2.1 氨合成塔的工艺流程

工业上采用的氨合成流程形式多种多样,设备结构与操作条件各不相同,但是他们的基本合成步骤大致相同:经过净化的氢氮混合气体经压缩机压缩到一定的压力后,自塔顶沿塔壁与内筒之间的间隙流下进入热交换器内与反应后的热气体逆流换热,然后直接进入中间的出门筐,经预热后的气体经过上触媒筐中心管及其中的电加热器返入触媒层,气体在触媒作用下逐段进行反应,反应热由层间冷却盘管中的高压循环水导出,反应后的气体最后流经换热器管间而出塔。有些混合气不能完全反应生成氨气,必须将剩下的气体经循环压缩机补充压力与压缩机送入的新鲜气体混合后再次进行合成,如有些循环多次操作使惰性气体超标,则必须放空。

工艺流程的好坏直接影响着合成塔的工作效率和正常工作,所以我们要选择最佳的工艺流程。根据所给的设计条件以及实习现场的观察,我们采用了不副产蒸汽的氨合成流程图,如图2-1所示[3]。

图2.1 氨合成流程图

2.2工艺条件

(1) 气体处理量:80000Nm3/h (2) 原始数据:

设计压力:29.4MPa 设计温度 :200℃ 塔内径:Φ800 换热器的设计参数

壳程入口温度:60℃ 出口温度:360℃

3

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管程入口温度:470℃

2.3 物料衡算

气体处理量

8000022.4?3571.4kmol/h,假设进塔气成分为H2 61.5%,N2

20.5%,NH3 2.6%,CH4?Ar 15.4%,出塔气氨含量为14%.

计算基准:100公斤分子进塔气体

由下式计算氨产量

Na??yaNT11?ya221?(0.14?0.026)?1001?0.14?10公斤分子 (2-1)

出塔气体流量NT?NT?Na?100?10?90公斤分子 出塔气体成分

3H2?N2??0.6889(1?ya1?yI1)NT1?2NaNT23414?(1?0.026?0.154)?100?2090

其中H2=0.6889?N2=0.6889? CH4?Ar=

=0.5167

?0.1722

?0.1711

yI1NT1NT2?0.154?10090所以出塔气体成分为:

H251.67%,N217.22%,NH314%,CH4?Ar17.11%.

由下式计算合成率

x?2NaNT1(1?ya1?yI1)?2?10(1?0.026?0.154)?100?0.2439 (2-2)

?合成率为24.39%。

2.4 热量衡算

设进塔气体温度为30℃,操作压力为29.4MPa,热损失不计,假设出塔气温度为178℃。

进塔气体平均温度=

30?1782?104℃

由附录中混合气热容图查得29.4MPa压力下含惰性气体15.4%,氨2.6%得混合气体104℃时得热容为7.4千卡/公斤分子·℃。由图9-4-3查得178℃时-

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?HR?12165千卡/公斤分子[1]。

?ya(??HR)(1?ya2)Cp(0.14?0.038)?12165(1?0.74)?7.4由下式:

?t???147℃ (2-3)

计算值与假定值基本相符,计算有效。

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第3章 氨合成塔的结构设计

3.1 材料选用

外筒温度小于200℃,故其选材只需考虑机械强度、焊接性能和冷热加工性即可。筒体:内筒直接与介质接触,要求防腐蚀好、耐高压、高温,可选用0Cr18Ni9外部层板不与介质接触且要求强度高、韧性好,可选用15MnVR。上端盖:需要具有耐氢腐蚀的性能材料,且应使平盖厚度尽量减小些,选用强度较好的20MnMoNb即可,上端法兰及下端的球形封头须锻造和冲压,要求强度好、耐腐蚀的材料,可选用18MnMoNbR。换热器的管板:换热器、壳体、挡板、隔热板等重要部件应采用Cr18Ni9,而麻花铁等辅助部件选用A3F(普通碳素结构钢)即可。触媒筐及、花板、壳体、中心管、冷气副线等均可采用Cr18Ni9。对于其他的一些辅助部件的材料选则见装配图的明细表。[4]

3.2触媒筐方案计算 3.2.1已知条件

(1) 操作压力:294大气压

(2) 进塔气成分:氨含量yNH?0.026

3 氨分解基惰性气yI0?0.154 氢氮比为3

(3) 采用A6型触媒,粒度以3.3~4.4毫米的为主,还原后床层高度收缩量取为3%。

3.2.2 内件结构选型

触媒筐是氨合成塔的心脏,它的设计好坏直接影响合成塔的产量和消耗定额,一个好的触媒筐设计应具备如下要求:

(1) 能保证触媒筐在升温还原过程中均能得到充分的还原,尽可能的提高触媒的活性,达到最大的生产强度。

(2) 能有效的移走反应热,合理的控制触媒层的温度分布,使其逼近最佳的操作温度线,并进可能的缩小同平面温差,提高氨净值和触媒的使用寿命。

(3) 能保证气体均匀地通过触媒层那嘎,阻力小、气体处理量大、提高氨产量。

(4) 充分利用高压空间,尽可能多装触媒,提高容积利用系数。 (5) 操作稳定、调节方便,能适应各种操作条件的变化。

(6) 结构简单、运转可靠,装卸触媒方便,制造、安装和检修方便。 (7) 妥善处理各种内件的连接和保温,避免产生热应力,允许内件在塔内能自由胀缩等。

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床层对冷管的相当直径 Dt?Dtde?4??0.119246?0.05745米

0.057450.0069631?8.25

0.1320.05745??b?2.17(4761)0.52(8.25)0.8(1?1.3?0.057453.448)?2158(千卡/米·小

时·℃)

冷管内气体对管壁的给热系数: 冷管总通气截面积=46??4(0.018)2.5680.011712?0.01171米2

2

冷管内气体重量流速G=?219.3公斤/米·秒

假定冷管内气体平均温度为375℃,据此计算得气体物性数据为C=7.855千卡/公斤分子·℃;??268?10?7公斤/米·妙;??0.138千卡/米·小时·℃.

Re?0.018?219.3268?10?7?1.473?105

Pr?0.5038

??0?0.023(1.473?10)50.8(0.5038)0.30.1380.018?1957千卡/米2·小时·℃

?650千卡/米·小时·℃

2

Kbo?10.021957?0.018?0.022158?0.022?0.0005?0.002403.2.5 对计算结果进行校验

(1) 各假定条件的校验,见下表。

表3-2条件的校验

项 目 上绝热层出口气体氨浓度 上绝热层出口气体温度 冷管层出口气体氨浓度 冷管层内气体平均温度 冷管内气体平均温度 12

假 定 值 0.103 510 0.16 490 375 计 算 值 0.1005 513.7 0.1585 484 380 假定值对计算值的误差 ﹢2.5﹪ ﹣0.72﹪ ﹢0.95﹪ ﹢1.24﹪ ﹣1.32﹪ 长春理工大学本科毕业设计

下绝热层出口气体氨浓度 下绝热层出口气体温度 上绝热层中心管内气体平均温度 下降管内气体平均温度 0.165 470 310 315 0.1630 466.1 313 317 ﹢1.23﹪ ﹢0.84﹪ ﹣0.97﹪ ﹣0.6﹪ 假定值与计算值间误差很小,最大为2.5﹪,因此可以认为原假定值是正确的,计算结果有效,不必重新假定条件调整计算。

(2) 热平衡核算

入热:反应放热 Q?Na(??HR) 反应量 Na?NT1?yNH31?(yNH3)2?3570(0.14?0.026)1?0.163?97公斤分子

由图9-4-3查得300大气压下,420℃时??HR?14930千卡/公斤分子. 所以 357?14930?5.33?106千卡 出热:(1) 环隙间气体吸热 触媒床高≈5.5米

Q1?NT1Cp?t?3570?7.42?5.5?3?0.436?10千卡

6(2) 冷气体吸热

Q2?NT1Cp?t?3570?7.82?(470?360)?3.58?106千卡

(3) 热气体吸热

Q3?NT1Cp?t??1.31?10千卡6NT11?yNH31?(yNH3)2????1?3570?1.0261.14?8.8?(470?360)

(4) 总出热

?Q?Q1?Q2?Q3?0.436?10?3.58?10?1.31?106666

?5.33?10千卡进、出热量基本相符。 (5) 生产能力核算

合成塔产氨量=357公斤分子/小时≈6069公斤/小时,放空、泄漏损失取为塔产量的5%,则实际产氨量为

6069?(1?0.05)?5765公斤/小时

与前面的值基本相符,故此触媒筐可以满足要求并略有余量。

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3.3 热交换器的计算 3.3.1 设备选型及设计条件

(1) 设备选型:氨合成塔内氮氢混合气体在高温、高压合触媒作用下反应生成氨,反应后的气体温度很高,而进入合成塔的反映温度又很低,为了达到塔内合成氨反应的自身热平衡,合理安冷热交换、回收气体的热量,维持触媒层适宜温度,需要换热器通常在塔内换热,设在塔的下部

【4】

合成塔内换热器主要有列管式、螺旋管式、波纹管式、平板式以及列管和盘管混合使用的形式,其中列管式较多,因为列管换热器坚固、制造工艺成熟,容易清理、修复,且选用材料范围广泛,但是它占据空间较大。塔内换热器要求换热效率高、占空间小,所以广泛采用了小管密排,减少泄漏短路,提高传热系数等强化传热措施和采用高校传热设备。

合成塔内换热器的共同特点:①换热器中均有一个冷气副线以控制和调节反应气进触媒层的温度。②换热器换热的面积要有适宜的富裕量以获得最好的换热效果。列管式换热器是各种形式塔内换热器中使用较广泛较成熟的一种,它易于制造,生产成本较低,本次设计就选择列管式换热器,但要小管密排,减少应用空间,降低材料消耗,提高传热效率,减少规格,增加互换性。

(2) 设计条件:

壳程入口温度 60℃ 出口温度 360℃ 管程入口温度 470℃

3.3.2 换热器热量计算

利用热量衡算应有壳程介质吸收的热量等于管程介质放出热量,即

Q吸=Q放。

其中Q吸=Ns?CPs??TCs?TRs? ,Q放=Nt?CPt??TCt?TRt? 根据所给气体处理量8000Nm3/h可得:

Ns=

由式Na?NT1??ya1?ya2800022.4?3571.43Kmol/h

来计算氨的产量。

其中NT1?Ns?3571.43Kmol/h,ya2?0.148,ya1=0.043 所以: Na?NT1??ya1?ya2

3471.43??0.148?0.0431?0.148??326.66Kmol/h

Nt=Ns-Na=3571.43-326.66=3244.23Kmol/h

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由已知TRs=60℃,TCs=360℃, 平均温度为

TMs=(TRs?TCs)?2160?3602?210℃

查[1-735]附图(1-5-26)[文献6]可得CPs=7.46Kcal/Kmol?C. 假设出口温度为166℃,则平均温度为

TMt?12(TRt?TCt)?12(470?166)?318℃

利用pˊ=p?y计算管程介质各组分的分压pˊ,其中Pt为已知28.6MPa,y为组分含量,已知:yH2=0.54 yN2=0.183 yNH3=0.148 yCH4=0.084 yAr=0.045 则:

?PH2?Pt?yH2?28.6?0.54?15.544MPa?PN2?Pt?yN2?28.6?0.183?5.234MPa?PNH3?Pt?yN2?28.6?0.148?4.233MPa PAr?Pt?yAr?28.6?0.045?1.287MPaPCH4?Pt?yCH4?28.6?0.084?2.402MPa根据TMt及上述五个分压值查[1-719~726]图[1-5~1-8]文献[6]可得各组分的比热见下表:

表3-3各组分的比热

组分 含量 CPt(P?TMt) H2 54 7.04 Cpt?N2 18.3 7.3 yiCpi(pi?TMt)NH3 14.8 11.463 CH4 8.4 12.55 Ar 4.5 4.997 ?

?0.54?7.04?0.183?7.3?0.148?11.463?0.084?12.55?0.045?4.997?8.113Kcal/Kmol?C(3-4)

将上述各值代入下式

Q吸=Q放

Q吸=Ns?CPs??TCs?TRs? (3-5)

Q放=Nt?CPt??TCt?TRt? (3-6)

得:TCt=166.29℃

所得出口温度与假设温度很接近,假设成立。 已知管程及壳程的组成见下表:

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表3-4管程及壳程的组成

组成 壳程组分% 管程组分% 54 18.3 14.8 8.4 4.5 H2 63 N2 20.7 NH3 4.3 CH4 8 Ar 4 则管程及壳程的介质平均分子量Mt及s分别为:

Mt?2?0.54?28?0.183?17?0.148?16?0.084?40?0.045?11.864Ms

?2?0.63?28?0.207?17?0.043?16?0.08?40?0.04?10.667

3.3.3 换热器有效长度的计算

1.dcp确定

换热管选用?10?1.5的管子,则其外径Dh=10mm内径 dn-dH-2?1.5?10?3?7mm

故其平均直径dcp=(dn?dH)?8.5mm

212.换热面积F0的计算

(1) ?tm的计算(利用对数平均法)

?tm???TRt?TCs???TCt?TRs????470?360???166?60???ln??TRt?TCs?/?TCt?TRs??ln??470?360?/?166?60??o(3-7)

?107.988C(2) k的计算

根据P=29.4MPa及TMs=210℃查图[1-738]及附图[1-6]到[1-8]和附图[1-6-14][文献6]可得壳程介质各组的粘度及修正系数如下表:

表3-5壳程介质各组的粘度及修正系数

组分 含量% ?i?10Kg/ms 7H2 63 127 1 N2 20.7 288 0.916 NH3 4.3 320 1.21 CH4 8 208 0.956 Ar 4 403 1 Ci 根据Pt6=28.6MPa及TMt=318℃,同样可查得管程介质各组分得粘度及修正系数如下表:

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结论

所设计的氨合成塔完全满足预先给定的主体材料及各项技术参数与指标的要求,可保证其在给定的工作介质的条件下正常工作,且有一定的裕度。

经工艺计算、强度计算和结构设计,并考虑了上述标准中推荐的各管件、标准件规格,最终确定各主要零部件的规格尺寸如下:

氨合成塔总高12m,筒体壁厚84mm;触媒筐结构尺寸:外筒内径?=505mm,外环隙?=m,保温铁皮?=2mm,保温层??14mm,内筒?=456?8,内径

?440mm,中心管?=108?6,一根热电偶外套管?=32?2.5,两根下降管外套管?46?3,四根下降管内管?38?2,四根升气管?38?2,四根上、下环管?76?4,

一根环管中心圆?260,冷管?22?2,46根,上绝热层触媒装载高度(还原前)1440mm,冷管层触媒装载高度(还原前)3570mm,下绝热层触媒装载高度(还原前)500mm,冷管传热面积A 9.98m2,触媒体积V0.678m 3,比冷面14.7m2/m3,外筒容积1.4105m3;内部换热器有效长度2.558m;各接管口尺寸:裙座入口400 mm, 温度计口32 mm,气体进口450 mm,加料口100 mm, 压力计口25 mm,气体出口150 mm,回流口100 mm, 取样口25 mm,液面计口15 mm,出料口125 mm。

总体结构汇总与装配图上,某些细部尺寸标识于相应零部件图中。 由于接管选用的厚度较大,避免了开孔补强。但鉴于给定的工作介质属易燃易爆物质,故建议在水压试验合格的基础上,尚需通过气密性试验。所设计氨合成塔的工作条件受限于给定的主体材料、工作介质及相应技术参数与指标,因此如变换使用条件,必须经过严格的论证和验证。

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参考文献

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长春理工大学本科毕业设计

致 谢

在孟老师的悉心教导和严格要求下,经过三个多月的努力学习和实践,我终于完成了氨合成塔的设计。通过学习和实践,使我对氨合成塔尤其是其内件结构有了深刻的了解,知道了氨合成塔的工作要求和整个工作过程。而且对工程设计有了初步的了解并掌握了初步的设计技巧。通过设计,使我更加熟练计算机制图软件(Auto CAD)以及文档编辑软件(Word)和专题计算方法和技巧等。这对我在以后的工作学习中能更顺利的运用所学知识。

通过本次设计,使我的专业英语翻译能力有了进一步的提高,同时也锻炼了我的综合概述和整理能力,也使我认识到了自己的许多不足,在今后的工作学习中,我会更加努力充实自己。

在整个设计过程中,我得到了孟老师和同学们的许多帮助和关心,在此,我表示衷心感谢!

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