化工原理课程设计 - - 换热器

空气压缩机后冷却器设计 设计说明书

目录

一、设计任务 .............................................................................. 1

一、设计任务

1.空气压缩机后冷却器设计操作参数;

（1）空气

处理量: 14m3/min；操作压强：1.45MPa（绝对压）。 空气进口温度 160℃，终温：50℃ （2）冷却剂：常温下的水

初温：25°；终温：30℃；温升（3）冷却器压降： 压降

2.设计项目

（1）确定设计方案，确定冷却器型式，流体流向和流速选择，冷却器的安装方式等。 （2）工艺设计：冷却器的工艺设计和强度计算，确定冷却剂用量，传热系数，传热面积，换人管长，管数，管间距，校对压力等。

（3）结构设计：管子在管板上的固定方式，管程分布和管子排列，分程隔板的连接，管板和壳体的连接，折流挡板等。

（4）机械设计：确定壳体，管板壁的厚度尺寸，选择冷却器的封头、法兰、接管法兰、支座等。

（5）附属设备选型 3.设计分量

（1）设计说明书一份； （2）冷却器装配图； （3）冷却器工艺流程图；

（4冷却器的强度及支座等的估算

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一、设计任务书

二、确定设计方案

2.1 选择换热器的类型

本设计中空气压缩机的后冷却器选用带有折流挡板的固定管板式换热器，这种换热器适用于下列情况：①温差不大；②温差较大但是壳程压力较小；③壳程不易结构或能化学清洗。本次设计条件满足第②种情况。另外，固定管板式换热器具有单位体积传热面积大，结构紧凑、坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单，造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。

采用折流挡板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。

本设计中的固定管板式换热器采用的材料为钢管(20R钢)。

2.2 流动方向及流速的确定

本冷却器的管程走压缩后的热空气，壳程走冷却水。热空气和冷却水逆向流动换热。根据的原则有：

（1）因为热空气的操作压力达到1.1Mpa，而冷却水的操作压力取0.3Mpa，如果热空气走管内可以避免壳体受压，可节省壳程金属消耗量；

（2）对于刚性结构的换热器，若两流体的的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与对流表面传热系数大的流体温度相近，可以减少热应力，防止把管子压弯或把管子从管板处拉脱。

（3）热空气走管内，可以提高热空气流速增大其对流传热系数，因为管内截面积通常比管间小，而且管束易于采用多管程以增大流速。

-1

查阅《化工原理（上）》P201表4－9 可得到，热空气的流速范围为5～30 m·s；冷

-1-1

却水的流速范围为0.2～1.5 m·s。本设计中，假设热空气的流速为8 m·s，然后进行计算校核。

2.3 安装方式

冷却器是小型冷却器，采用卧式较适宜。

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空气

水

空气 水

三、设计条件及主要物性参数

3.1设计条件

由设计任务书可得设计条件如下表： 参 数 类型 空 气（管内） 冷却水（管外） 体积流量 3（标准m/min） 15 － 进口温度 （℃） 148 25 出口温度 （℃） 42 33 操作压力 （Mpa） 1.1 0.3 设计压力 （Mpa） 1.2 0.4 注：要求设计的冷却器在规定压力下操作安全，必须使设计压力比最大操作压力略大，本设计的设计压力比最大操作压力大0.1MPa。

3.2确定主要物性数据

3.2.1定性温度的确定

可取流体进出口温度的平均值。管程气体的定性温度为

T?148?42?95 ℃ 2壳程水的定性温度为

25?33?29 ℃ 23.2.2流体有关物性数据

t?根据由上面两个定性温度数据，查阅《化工原理（上）》P243的附录六：干空气的物理性质（101.33kPa）和P244的附录七：水的物理性质。运用内插法（公式为

y?yb?(ya?yb)/(ta?tb)??tavg?tb? ）,可得壳程和管程流体的有关物性数据。

空气在95℃，1.2MPa下的有关物性数据如下： 物性 密度ρi 3（kg/m） 定压比热容cpi [kJ/(kg℃)] 粘度μi （Pa·s） 导热系数λi -1-1（W·m·℃）

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空气 11.36 1.009 2.17×10 -50.0317 水在29℃的物性数据如下： 物性 水 密度ρo 3（kg/m） 996.0 定压比热容cpo [kJ/(kg℃)] 4.175 粘度μo （Pa·s） 8.21×10-4 导热系数λo -1-1（W·m·℃） 0.0601

注：空气的物性受压力影响较大，而水的物性受压力影响不大。空气密度校正，由《化工原

理实验》P31，公式2-36得： ρi＝1.293

P273-3

＝1.293×(1.2MPa/101.33kPa)×273/(273+95)＝11.36 kg·m'P273?T四、传热过程工艺计算

4.1 估算传热面积

4.1.1热流量

空气的质量流量为 m i = 60 Vi’ Ai(0℃,1atm)=60×83×1.293=6439.14 kg/h 根据《流体力学（上）》P177，公式（4-109），热流量为

Q i = mi Cpi (T1－T2) =6439.14×1.009×（148－42）

=6.887×10 kJ/h = 1.913×10 W

5

5

4.1.2平均传热温差

根据《传热传质过程设备设计》P15，公式1-11，

?tm=

(T1?t2)?(T2?t1)= Ai(0℃,1atm)=51.26℃

T1?t2lnT2?t1‘

-2

-1

4.1.3传热面积

由于管程气体压力较高，故可选较大的总传热系数。初步设定设Ki=200 W·m·℃。根据《传热传质过程设备设计》P14，公式1-2，则估算的传热面积为

S?Qi1913002

m ??18.66Ki'?tm200?51.264.1.4冷却水用量

根据《传热传质过程设备设计》P15，公式1-8

Qi6.887?105mo =??20620 kg/h

cpo(t2?t1)4.175?（33?25）4.2主体构件的工艺结构尺寸

4.2.1管径和管内流速

选用φ25×2.5mm的传热管(碳钢管)；由《传热传质过程设备设计》P7表1－3得管壳

式换热器中常用的流速范围的数据，可设空气流速ui＝8m/s，用u i

计算传热膜系数，然后进行校核。

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4.2.2管程数和传热管数

依《化工单元过程及设备课程设计》P62，公式3-9可依据传热管内径和流速确定单程传热管数

ns??4Vidi2ui?6439.14/(11.36?3600）?63(根) 20.785?0.020?8按单程管计算，所需的传热管长度为

L?S18.66??4.72m ?dins3.14?0.020?63按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 l= 3 m ，则该换热器管程数为

Np=L / l=4.72/3≈2（管程）

传热管总根数 N = 63×2= 126 （根）。

单根传热管质量m??钢l?d0?＝7850×3×3.14×0.0225×0.0025=4.16kg

4.2.3 平均传热温差校正及壳程数

依《化工单元过程及设备课程设计》P63，公式3-13a和3-13b， 平均传热温差校正系数

R＝

T1?T2＝＝13.25

t2?t1P＝

33?25t2?t1＝＝0.065 148?25T1?t1依《传热传质过程设备设计》P16，公式3-13，

温度校正系数为

R2?1×??t?R?1ln1?P1?PR

22?P(1?R?R?1)ln2?P(1?R?R2?1)1?0.0651?0.065?13.25≈0.931

22?0.065(1?13.25?13.25?1)ln2?0.065(1?13.25?13.252?1)＝

13.25?1×13.25?12ln依《传热传质过程设备设计》P16，公式3-14， 平均传热温差校正为

△tm=??t×△tm =51.26×0.931=47.72( ℃ )

’

由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

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五、主要构件的设计计算及选型

5.1

一、设计任务 .............................................................................. 1

壳体

5.1.1壳体直径

根据前面的工艺计算，本次设计采用的换热器壳体内径Di＝450 mm。

查阅《结构与零部件（上）》P123，表1-1-86 的无缝钢管制作筒体时容器的公称直径，本次采用公称直径为DN＝450mm×8mm的壳体，则Do＝466mm，Di＝450 mm。

5.1.2壳体壁厚

查阅《化工设备机械基础》P126，表9-3，采用Q235-A.F钢板(GB3274)，其中钢密度

3

＝7850kg·m

由Po＝0.3 MPa， Di＝500mm，再查阅《化工设备机械基础》P124，表9-6,对壳体与管板采用单面焊，当全部无损探伤时，焊接接头系数?＝0.9。

查阅《化工设备机械基础》P124，表9-4 碳素钢、普通低合金钢板许用应力，得：t

]=113MPa ，σs＝235MPa

[???PoDi0.3?0.45＝≈0.66 (mm) 2?113?0.9?0.32[?]t??Po查阅《化工设备机械基础》P127，表9-10钢板厚度负偏差，取C1＝0.8mm， C2＝1mm。

圆整后： δn=0.66+0.8+1＋△≈8(mm)

5.1.3水压校核

由《过程设备设计》P193，公式（4-88），（4-89），得：

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?T?pT[Di?(?n?C)]

2(?n?C)1.25?0.4?[0.45?(0.008?0.001?0.0008)]

2?(0.008?0.001?0.0008)?＝18.15 MPa

而0.9φσs=0.9×0.9×235=190.35 MPa

因为?T<0.9φσs，所以水压试验时强度足够。

5.1.4壳体质量

壳体长度=2.914m

22

质量=7850×2.914×3.14×（0.466－0.450）/4 =263.17kg

注：个别数据来源于后续步骤。详见附图。

5.2管板

5.2.1管板参数

根据壳体内径尺寸，查阅《换热器设计手册》P161，表1-6-9 管板尺寸表，由于没有适合本次设计的标准管板，根据非标准设计得管板相关参数。具体参数列于下表： 管板参数（管板按非标准设计） 参数名称 管板直径Da/mm 管板外径D/mm 管板厚度ba/mm 螺栓孔直径d2/mm 螺栓规格 螺栓数量n2/个 螺栓孔高度bf/mm 管板螺栓孔间距D1/mm 管板法兰直径Df /mm 管板螺栓内侧边间距D4/mm 管孔直径d1/mm 管孔数/个 换热管外伸长度/mm 3管板体积/m 管板质量/kg 注：管板体积V??参数值 450 565 38 18 M16×80 12 28 530 565 487 19 100 5 0.00591 46.39 ???D42f222?d2n2bf?0.006D4?0.004Da?d12ban1

??=3.14???0.5652?0.0182?12??0.028?0.006?0.4872?0.004?0.452?0.0192?0.038?100?

4?=0.00591m

3

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单块管板质量：m=0.00591×7850＝46.39kg

5.2.2管板与壳体的连接

管板兼作法兰，固定板与壳体采用不可拆焊接式，管板与封头采用法兰连接。

5.2.3管子在管板上的固定方式

采用焊接法在管板上固定管子。根据《换热器设计手册》P172，表1-6-20，管子伸出长度约为5mm。

5.3拉杆

本换热器壳体内径为450mm，查阅《化工单元过程及设备课程设计》P135，表4-7和表4-8得：

拉杆螺纹公称直径：dn=16mm

拉杆长：L1=2.930m L2=2.780m 前螺纹长La=20mm 后螺纹长Lb=60mm 拉杆数：4根

拉杆位置如左图的圆圈位置所示。

左视图

2

拉杆质量：m=7850×（2×2.930+2×2.780）×3.14×0.016/4=18.02 kg

‘’

拉杆外套有定距管，规格与换热管一样，长度：L1=2.77 m，L2=2.67m。 粗略计算定距管质量

22

m’=7850×（2×2.77+2×2.67）×3.14×(0.025－0.02)/4=15.09 kg

5.4分程隔板

查阅《化工单元过程及设备课程设计》P127，表4-1，因本此设计换热器的公称直径Di=450mm<600 ，对于碳钢，得隔板厚度为：b＝10mm 。

分程隔板长L=260+25+112+5+32－10=424mm，其中10mm为管箱嵌入法兰深度，5mm为隔板嵌入管板深度。

分程隔板质量以长方体板粗略估计：m=0.450×0.424×0.010×7850=14.84kg

5.5折流板

5.5.1折流板选型

本次设计的冷却器采用弓形折流板。如右图所示。

前面第四章第四节已算出：

折流板数 NB=19 块

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圆缺高度 h＝110 mm 板间距 B＝150mm

查阅《换热器设计手册》P182，表1-6-26和表1-6-33，得：

折流板直径 Da＝(450－3.5－0.5)mm=446mm 折流板厚度 C＝5 mm。

折流板的管孔，按GB151规定I级换热器，管孔直径=19+0.4=19.4mm 查《换热器设计手册》P184 公式计算：

2 圆缺部分面积：Af=0.20738×Da=0.20738×0.446＝0.0413m

2

2折流板体积 V??????2Da?Af??4?2?????2?dn?d2n2?? C ??114??4??=????3.143.14??3.14???0.4462?0.0413????0.02542?100??0.0162?4??×0.005

4??4????43

=0.000316m

折流板质量：m=19×0.000316×7850=47.13 kg

5.6封头及管箱

5.6.1 封头

查阅《材料与零部件》P332，表2-1-9，本换热器采用椭圆型封头(JB1154—73)两个，

材料采用高合金钢，公称直径Dg＝450mm（以外径为公称直径），曲面高度h1＝112mm，直边高度h2＝25mm，厚度＝8mm,重量=16.6kg。

一个焊接于管箱，一个焊接于法兰。

5.6.2 管箱

管箱长L=260mm，管箱外径=450mm（按非标准设计），壁厚=8mm 管箱质量：m=3.14×0.450×0.260×0.008×7850=23.07 kg。

5.6.3封头法兰及管箱法兰

查阅《材料与零部件（上）》P386，表2-2-22，采用凹法兰，在公称压力1.0～1.6MPa范围内，选取的法兰参数为D=565mm，公称直径=450mm，孔间距D1=510mm，D2=482mm。孔直径＝25mm，厚度b=32mm ，法兰重量=17.80kg 。所用螺栓规格M22×90mm，螺栓数目：12。

一个法兰焊接在管箱，再与前管板连接；另一个法兰焊接在封头，与后管板连接。

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六、附属件的计算及选型

6.1接管及其法兰

根据《流体力学与传热》P207，接管直径公式，同时也考虑到接管内的流体流速为相应管、壳程流速的1.2～1.4倍。

①壳程流体进出口接管：取接管内水的流速为 ui= 0.51m/s，则接管内径为

D1?4Vi4?20620（/3600?996.0）==0.12 m ?ui3.14?0.51取标准管径为 125 mm

查表《材料与零部件（上）》P655表 2-8-1，取管的外径＝133mm，管厚＝4mm，伸出高度＝150mm。

接管质量=3.14×0.129×0.004×0.15×7850=1.91kg

进水口采用凸法兰，出水口采用凹法兰，查阅《材料与零部件》P380，表2-2-19，取法兰直径＝235 mm，厚度b=10mm，螺栓孔间距D1＝200mm，D2=178mm，孔直径＝18mm。法兰重量：凹法兰＝1.54kg，凸法兰=2.42kg，螺栓规格：M16，螺栓数量为4。

222

由于ρiui=996.0×0.51=259.06<2200 kg/(m﹒s)，故不需防冲板。

②管程流体进出口接管：取接管内空气的流速为 uo= 10 m/s，则接管内径为

D2?4Vo4?6439.14/(3600?11.36)==0.142 m ?uo3.14?10取标准管径为 150 mm

查表《材料与零部件》P132无缝钢管（YB231-70），取管的外径＝159mm，管厚＝4.5mm ，

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查阅《材料与零部件（上》P655表 2-8-1，伸出高度＝150mm。

接管质量=3.14×0.1545×0.0045×0.15×7850=2.57kg

进气口采用凹法兰，出气口采用凸法兰。查阅《材料与零件》P380，表2-2-19，法兰的直径＝260mm，厚度b=12mm，螺栓孔间距D1＝225mm，D2=202mm，孔直径＝18mm。法兰重量：凹法兰＝2.18kg，凸法兰=2.75kg，螺栓规格：M16，数量为8。

6.2排气、排液管

查表《材料与零部件》P123无缝钢管（YB231-70），取排气液管：外径＝45mm，管厚＝3.5mm，伸出高度＝80mm。

质量=7850×3.14×0.045×0.0035×0.08=0.29kg。 查阅《材料与零部件》P384，表2-2-23，配套法兰：选用凸法兰，dH=45mm，厚度b=20mm，D=145mm，D1=110mm，D2=88mm，质量m＝2.34kg。

6.3支座设计

6.3.1 支座的设计选型

查《材料与零部件（上）》P627-628，表2-7-1 鞍式支座尺寸，当公称直径＝450mm时，b1=160mm , L=420mm , B=120mm， b=90mm，m=200mm，质量=13.6kg， A＝0.2×3=0.6m，支座间距＝3000－2×5－2×600=1790mm。

6.3.2 支座承载能力校核

（1）换热器的质量统计于下表：

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 各零部件 壳体 管板 壳程接管 壳程接管法兰 管程接管 管程接管法兰 排气液管 排气液管法兰 隔板 封头 封头法兰 传热管 拉杆 定距管 L’1 L’2 折流板 管箱 管箱法兰 数量 （YB231-70） 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 100 2/2 2 2 19 1 1 第 16 页 共 24 页

单件重量/kg 263.17 46.39 1.91 凹3.08/凸4.84 2.57 凹4.36/凸5.5 0.29 2.34 14.84 16.60 17.80 4.16 9.24 / 8.78 7.68 7.41 2.48 23.07 17.80 重量/kg 263.17 92.78 3.82 7.92 5.14 9.86 0.58 4.68 14.84 33.2 17.80 416 18.02 15.09 47.13 23.07 17.80

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18 支座 2 13.6 1018.1 27.2 换热器总重量/kg

（2）传热管和拉杆所占的体积粗略为：

23

V2＝3.14×（0.025/2）×2.914×104=0.149m 壳体体积为：

23

V1＝3.14×（0.450/2）×2.914＝0.463m 忽略隔板体积，水充满整个换热器时的总重为：

M总= 1018.1+（0.463-0.149）×996.0＝1330.84kg。 小于该鞍式支座的最大载荷14吨。

（3）壳体刚度校核 已知公式：

?qx?x?A????qLQ(x)???qx?A?x?L?A? 和

?2??qL?qx?L?A?x?L?换热器的受力可简化为如图：

A

弯矩图为：

q2??x(x?A)?2?qLqAL?q

M(x)???x2?x?(A?x?L?A)22?2?q2qL2(L?A?x?L)??x?Lqx??22A L qL2LqA? 82qA2?

2L=1.790m，M总=1018.1kg，g=9.81N/kg。M总校正为1020kg。 取A=0.34L=0.34×1.790≈0.6086(m)，此时

qL2LqA?=0.025M总gL=0.025×1020×9.81×1.790=705.94Nm Mmax=82?(Do4?Di4)?(0.4664?0.4504)3

抗弯截面模量：WZ===0.0013m

32?0.46632Do?max?Mmaxt

=705.94/0.0013=0.543MPa<[?]=133MPa Wz第 17 页 共 24 页

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故此壳体适用。

七、设计计算结果汇总表

换热器的工艺计算及结构设计的主要结果和主要尺寸汇总于下表：

工艺参数 质量流量/(kg/h) 进/出口温度/℃ 操作压力/MPa 物性参数 定性温度/℃ 密度/(kg/m) 定压比热熔/[kJ/(kg·K)] 粘度/(Pa·s) 热导率/[W/(m·K)] 普朗特准数 工艺主要计算结果 流速/(m/s) 污垢热阻/[m·K/ W] 阻力（压降）/MPa 对流传热系数2/[W/(m·K)] 总传热系数2/[W/(m·K)] 平均传热温差/℃ 热流量/kW 传热面积裕度/% 设备结程数 推荐使用材料 换热器型式 壳体内径/mm 管 径/mm 2 碳钢 固定管板式 450 Ф25×2.5 第 18 页 共 24 页

23管程 6439.14 25/33 1.1 95 11.36 1.009 2.17×100.691 7.95 0.000344 5436.87 281.74 237.80 51.26 191.3 17.84 -5 壳程 20620 148/42 0.3 29 996.0 4.175 8.21×10-4 0.0317 0.601 57.03 0.389 0.000172 6671.03 6408.1 1 碳钢 台数 传热面积/m 折流板型式 21 15.69 上下

空气压缩机后冷却器设计 设计说明书

构设计 管 数/根 管 长/mm 管子排列方式 管间距/mm 封头法兰 拉杆×4根 管箱（非标准） 定距管 壳程接管 管程接管 排气液管 备注 100 3000 △ 32 dH=450mm d=16mm Do=450mm Ф25×2 Ф125×4 Ф150×4.5 Ф45×3.5 折流板数/个 折流板间距/mm 切口高度/mm 封头×2个 隔板 支座 管箱法兰 管板 壳程接管法兰 管程接管法兰 排气液管法兰 19 150 110 Do=450mm b=10mm (JB1167-81)A型 dH=450mm 请参阅说明书P11 dH＝235mm dH=260mm dH=45mm 设备总重取整为1018kg 八、设计总结 此次化工原理课程设计题目是“空气压缩机后冷却器设计”，因为上学期彭老师对传热与换热设备相关内容讲得很详细，印象还比较深，加上这学期正好学习了《过程设备设计》。另外，从图书馆借阅的几本书也非常具有参考性，所以总体来说这次课程设计没有遇到太大的难题。但不可否认的是设计过程很磨练人的耐心和毅力。 一、 数据计算

这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这就需要我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据到确定最终参数，持续了将近一个星期：确定需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算。我在确定传热面积的时候，因为取的管数太多导致后面得到的传热面积裕度超出规定范围，所以又得回去再算一遍，可见在设计过程中，细心是非常重要的，因为它可以减少很多不必要的麻烦。 二、 查资料

以前有个错误的认识：查资料嘛，按部就班就可以了，简单！但是这次课程设计却完全改变了我的认识。其实查资料是很讲究技巧的，也是相对比较灵活的。另外，我这次用到的参考资料有将近10种之多，这在之前是难以想象的。 三、 AutoCAD绘图

这是第一次尝试用专业绘图软件AutoCAD进行绘图。这个软件我们很熟悉也很陌生，熟悉是因为大一学工程制图时有接触到这个软件，陌生是因为正真会用或用得好的同学是凤毛麟角。但是，没有压力哪来动力，在下定决心之后，马上借来几AutoCAD学习的资料，重温各

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空气压缩机后冷却器设计 设计说明书

种操作工具及技巧等。在准备了两天天之后才开始正式画图，不断修改，差漏补缺，知道最后完成整个设计图。 四、 完成设计说明书

这是最后总结性的阶段。需要对前面的数据进行整理归纳，需要一定的耐心。

耐心、细心、决心——是本次课程设计最大的感受。

最后，再次感谢彭老师在整个设计过程中给予的悉心指导！

九、参考资料

【1】钟理, 伍钦，马四朋. 《化工原理（上）》. 北京，化学工业出版社，2008.8. 【2】《材料与零部件（上）》. 上海科学技术出版社. 1982.7. 【3】钱颂文. 《换热器设计手册》，北京，化学工业出版社，2002.8

【4】匡国柱. 《化工单元过程及设备课程设计》. 北京，化学工业出版社，2002 【5】陈锦昌. 《计算机工程制图》. 广州，华南理工大学出版社，2006.8.

【6】郑津洋，董其伍，桑芝富. 《过程设备设计》. 北京，化学工业出版社，2009.1.

【7】赵军. 《化工设备机械基础》. 北京，化学工业出版社. 2000.

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