處理量4500kgh二硫化碳精餾系統(tǒng)—冷凝器設計含10張CAD圖

處理量4500kgh二硫化碳精餾系統(tǒng)—冷凝器設計含10張CAD圖,處理,kgh,二硫化碳,精餾,系統(tǒng),冷凝器,設計,10,cad 題目： 處理量4500kg/h二硫化碳精餾系統(tǒng)——冷凝器設計 一、 前言 1.課題研究的意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨 1.1 本課題的研究意義 在化工和石油化工廠中，傳熱既是最重要也是應用最多的過程[1]。工廠運轉是否經(jīng)濟常常取決于熱或冷的利用和回收的效率。供氣、供電和供冷等公用工程在生產(chǎn)過程中的應用，關鍵在于使熱的轉化和回收效率最高。?換熱器是在具有不同溫度的兩種和兩種以上流體之間傳遞熱量的設備。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝流程規(guī)定的指標，以滿足過程工藝條件的需要。換熱器是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥，航空及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的通用設備。 在化工廠中，換熱器的投資約占總投資的10%-20%；在煉油廠中，該項的投資約占總投資的35%-40%。?換熱器的種類很多，有多種多樣的結構每種結構形式的換熱器都有其自身的結構特征及其相應的工作特性。 就目前而言換熱器經(jīng)過不斷的發(fā)展，已經(jīng)有不同種類，在不同的場合有不同的換熱器。但是應用較多的是管殼式換熱器管殼式換熱器由于始終受到普遍應用和重視,其理論研究的深度和設備改進的步伐都是板式類換熱器所不能比擬的。 近年來在新的節(jié)能及環(huán)保要求的技術革新中,其技術和發(fā)展速度又有所提高,許多新型高效換熱器不斷涌現(xiàn),如折流桿換熱器、新結構高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、螺紋管換熱器、螺紋鎖緊環(huán)換熱器、環(huán)高壓換熱器、非金屬換熱器以及稀有金屬換熱器等[2]。 熱交換器的發(fā)展呈現(xiàn)多樣化、專門化，有多種分類方法：按照熱交換器傳熱原理可以分為表面式熱交換器、蓄熱式熱交換器、流體連接間接式熱交換器，直接接觸式熱交換器[3]；按用途可以分為加熱器、預熱器、過熱器和蒸發(fā)器等；按熱交換器的結構分類又可以分成板式熱交換器、固定管板式熱交換器、u型管板散熱器、浮頭式熱交換器等類型。按冷熱流體流動方向可以分為逆流式、順流式、混流式錯流式；按傳量方式分為間壁式、混合式、蓄熱式三種類型[4]。設計中的熱交換器為間壁式列管熱交換器，按照用途分為冷卻器。 隨著時代的進步在工業(yè)、制藥業(yè)、化工等行業(yè)的升級，各個領域對換熱器高性能、高效率、低能耗、緊湊型的追求。這就需要不斷的對各種換熱器進行研究對各種換熱器的結構設置、優(yōu)化進行研究。就目前而言我國在新型換熱器的研發(fā)應用方面與國外尚存在較大差距，因此我們可以借鑒國外換熱器發(fā)展中的先進技術和經(jīng)驗，發(fā)展適應本國生產(chǎn)需要的各類高效傳熱設備，以滿足我們的國家在各個需要熱交換器的領域，用以提升本國工業(yè)，故對換熱器的研究尤為需要。 1.2 國內(nèi)熱交換器發(fā)展現(xiàn)狀 在我國換熱器的制造技術遠落后于外國，由于制造工藝和科學水平的限制早期的換熱器只能采用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器[5]，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 進入21世紀后，大量強化傳熱技術應用于工業(yè)裝置，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在技術水平上獲得了快速提升[6]，板式換熱器日漸崛起。最近幾年，我國還在大型管殼式換熱器、大直徑螺紋鎖緊高壓換熱器、高效節(jié)能板殼式換熱器、大型板式空氣預熱器方面獲得了重大突破[7]。 熱管換熱器是一種高效傳熱的新型換熱器[8]，熱管換熱器主要由箱體、管板、熱管元件組成，其中熱管是其關鍵元件。熱管是一種充填了適量工作介質(zhì)的真空密封容器，當熱量傳入熱管的蒸發(fā)段時，工作介質(zhì)吸熱蒸發(fā)流向冷凝段，在那里蒸汽被冷卻，釋放出汽化潛熱，冷凝變成液體，然后在多孔吸液芯的毛細力或重力的作用下返回蒸發(fā)段，如此反復循環(huán)，通過工質(zhì)的相變和傳質(zhì)實現(xiàn)熱量的高效傳遞。熱管換熱器的最大特點是結構簡單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下制造熱管換熱器的金屬耗量少于其它類型的換熱器。 進入21世紀后，大量的強化傳熱技術應用于工業(yè)裝置，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在技術水平上獲得了快速提升，板式換熱器日漸崛起。如蘭石換熱設備公司板式換熱器成功進入國內(nèi)核電建設項目常規(guī)島和核島領域[9]，并陸續(xù)將板式換熱器用于大乙烯項目、鈦白粉生產(chǎn)線等領域。四平巨元瀚洋板式換熱器公司也成功進入大亞灣二期嶺澳核電站的常規(guī)島和核島領域。 最近幾年，我國還在大型管殼式換熱器、大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器、高效節(jié)能板殼式換熱器、大型板式空氣預熱器方面獲得了重大突破。 2008年8月，由中國石化集團上海工程公司與中國第一重型機械公司、蘭州石油機械研究所、鎮(zhèn)海煉化公司共同承擔研制的鎮(zhèn)海煉化百萬噸/年乙烯項目-EO/EG裝置大型管殼式換熱器國產(chǎn)化研制通過技術鑒定，標志著我國在大型管殼式換熱器領域獲得了重大突破。該換熱器是國內(nèi)正在制造的首臺換熱面積超過10000m2的超大型管殼式換熱器[10]。 2009年4月，中國石化組織專家對“大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器國產(chǎn)化研制攻關”項目進行了科學技術成果鑒定。該項目是依托中國石化青島煉油化工有限責任公司千萬噸級煉油項目中的320萬噸/年加氫處理裝置開展的，由中國石化工程建設公司、中國石化青島煉油化工有限責任公司、蘭州蘭石機械設備有限責任公司、撫順機械設備制造有限公司聯(lián)合承擔。 2009年6月，由甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司研制開發(fā)的國產(chǎn)首臺10500m2高效節(jié)能板殼式換熱器暨國產(chǎn)首臺100萬噸/年PX裝置10910m2板式空氣預熱器在上海通過出廠驗收[11]。該10500m2高效節(jié)能板殼式換熱器將應用在中國石油烏魯木齊石化分公司100萬噸/年芳烴聯(lián)合裝置，是目前國內(nèi)單臺換熱面積最大的國產(chǎn)板殼式換熱器，其采用的RZ4板型、T型分布器等多項技術屬國際領先，換熱器整體已達到國際先進水平。10500m2高效節(jié)能板殼式換熱器的研制成功是國產(chǎn)板殼式換熱器發(fā)展的一個重要里程碑，標志著國產(chǎn)板殼式換熱器已跨入國際領先行列，并將結束同類產(chǎn)品依靠進口的歷史。 1.3 國外熱交換器發(fā)展現(xiàn)狀 日本日阪（Hisaka）制作所是熱力工程專家級企業(yè)，在板式換熱器的設計和制造方面具有國際領先的技術。其板式換熱器用于加熱、冷卻、熱回收、熱交換、冷凝、滅菌等方面。日阪熱交換器成功地使用在所有主要工業(yè)部門：化工、食品、鋼鐵、紙漿、機械、汽車、石油加工、紡織、船舶、空調(diào)及發(fā)電廠。 歐美發(fā)達國家于20世紀80年代起開始競相開發(fā)、研制各種型式的板殼式換熱器。板殼式換熱器的基本結構與板式換熱器相似，但板間距增大，取消了墊片，改用焊接法連接各板，形成通道[12]。板殼式換熱器最適合于介質(zhì)清沽、換熱量大和壓降小的場合。法國Packinox公司于20世紀80年代首次在催化重整裝置中用一臺大型板殼式換熱器替代傳統(tǒng)的管殼式換熱器組。20世紀90年代末期，Packinox公司又將大型板殼式換熱器用于加氫裝置，該公司的產(chǎn)品得到UOP(美國聯(lián)合油)的認證。而板殼式換熱器在中國起步比較晚，1999年蘭州石油機械研究所研制成功大型板殼式換熱器，并于1999年5月8日通過中國石化總公司鑒定[13]。 國外對流換熱在多孔介質(zhì)中的重要作用及其在相關行業(yè)中的若干技術應用，例如食品加工，地熱采集，太陽能集熱器技術，地下污染物擴散，谷物儲存，核反應堆熱排放，放熱反應在包裝，床反應器，電子箱等中，它在過去幾十年的幾個基礎研究中一直是一個感興趣的課題。 在該領域最近的研究中，一些研究人員已經(jīng)研究了熱交換器中的傳熱性能，而沒有考慮多孔介質(zhì)[14—18]。 例如，Sheikholeslami等人已經(jīng)對穿孔不連續(xù)螺旋湍流器對雙管水 - 空氣換熱器的傳熱特性的影響進行了實驗研究。 1.4換熱器的發(fā)展趨勢 長期以來，列管式換熱器面臨著各種新型換熱器的挑戰(zhàn)，且某些場合已被一些新型換熱器所取代，但是由于它的高度可靠性和廣泛的適應性，至今仍然居于統(tǒng)治地位。例如在日本其產(chǎn)量占全部換熱器的70%，產(chǎn)值占60%。由于受到挑戰(zhàn)，反過來也促進了它自身的發(fā)展。 例如在高溫、高壓領域，已有用它取代蛇管、套骨式換熱器的趨勢［20］ 。 1.于整體裝置設計的數(shù)據(jù)庫技術傳統(tǒng)的整體裝置設計任務是由各個部門的工作小組分別對其中的某一項進行設計, 并通過設計說明書相互聯(lián)系來完成的, 而最近發(fā)展起來用于整體裝置設計的數(shù)據(jù)庫技術, 可以使這種繁重的任務變得簡單起來。通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng), 不同類型的設計應用軟件可以有機地形成一個整體, 設計者只需通過數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)向應用軟件中輸入相關參數(shù), 便可得到更多的關于設計任務的數(shù)據(jù), 并且這些數(shù)據(jù)可以反饋到數(shù)據(jù)庫中[21]。隨著CAD 軟件包和數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展, 用于整體裝置設計的數(shù)據(jù)庫技術必定會代替手工計算設計方法。 2.計算流體力學( CFD) 和模型化設計的應用在換熱器的熱流分析中, 引入計算機技術, 對換熱器中介質(zhì)的復雜流動過程進行定量的模擬仿真。目前, 基于計算機技術的熱流分析已經(jīng)用于自然對流、剝離流、振動流和湍流熱傳導等的直接模擬仿真, 以及對輻射傳熱、多相流和稠液流的機理仿真模擬等方面[22]。在此基礎上, 在換熱器的模型設計和設計開發(fā)中, 利用CFD 的分析結果和相對應的模型實驗數(shù)據(jù), 使用計算機對換熱器進行更為精確和細致。 3.換熱器強化傳熱技術的發(fā)展以采用強化傳熱元件和改進換熱器結構為主的強化傳熱技術是一種能顯著改善換熱器傳熱性能的節(jié)能技術[23]。根據(jù)傳熱物流條件的不同情況, 殼程傳熱強化的研究必然與強化傳熱管的優(yōu)化組合相聯(lián)系,這是今后換熱器強化傳熱技術發(fā)展的方向。 在世界范圍內(nèi)，雖然目前管殼式換熱器仍占主導地位，但各種板式換熱器的競爭力在逐漸上升。世界換熱器產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)品與技術方面的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為產(chǎn)品大型化、高效化、節(jié)能化，此外，換熱器新材料的開發(fā)應用、產(chǎn)品技術的更新?lián)Q代、不同應用領域產(chǎn)品的細分化也都是行業(yè)的發(fā)展趨勢。 隨著工業(yè)裝置的大型化及高效化，世界換熱器也趨于大型化，并向低溫差、低壓力損失方向發(fā)展，在大型化的同時也提高了產(chǎn)品的換熱效率，更加體現(xiàn)節(jié)能減排。在管殼式換熱器領域，世界大型管殼式換熱器直徑已經(jīng)突破4.5m，部分甚至達到了5m以上，出現(xiàn)了換熱面積超過10000m2的超大型管殼式換熱器[24]；目前，板殼式換熱器、空氣預熱器的最大單臺換熱面積也都超過了10000m2。 2．課題的研究目標、內(nèi)容和擬解決的關鍵問題 本課題的研究目標主要是完成精餾操作系統(tǒng)中的塔頂冷凝器的結構設計。 2.1 主要研究內(nèi)容包括 準備前期材料：翻譯論文和寫文獻綜述 設計計算：換熱校核、筒體強度校核、管板校核 編寫說明書 使用繪圖軟件繪圖并打印 2.2 要重點解決的關鍵問題： 換熱工藝計算；設計合理的結構；管板校核 2.2.1 關于熱交換器的強化傳熱問題和傳熱面積的確定 強化熱交換器的傳熱過程，主要目的就是為了在單位時間和一定的傳熱面積中傳遞盡量多的人，主要意義就是在特定的設備投資和輸送功率的情況下，取得一定的傳熱量，從而使設備容量不斷增加，提高勞動生產(chǎn)率[25]。 根據(jù)傳熱速率方程，(Q：單位時間內(nèi)傳遞的熱量，即功率，單位；K：總傳熱系數(shù)；：對數(shù)平均溫差；：兩端溫差中較大的[10]；：兩端中溫差較小的) 在總功率一定時，傳熱面積大小取決于傳熱系數(shù)和對數(shù)平均溫差。 2.2.2 熱交換器效率的問題 根據(jù)文獻中提出換熱元件的熱效率評價體系計算換熱器效率n作為換熱性能評價指標。是換熱元件的實際換熱熱流量Φ與最大理論換熱熱流量量中。之比.,同時也是冷熱流體中熱容量小的流體的“進出口溫度差”與“冷熱流體進口溫度差”之比,其物理意義為換熱元件中“冷熱流體進口溫度差”的利用率。 由于換熱設備與一般的熱力過程不同，涉及到設備投資、運行經(jīng)費、水電消耗等問題，所以評價熱交換器和熱交換器效率應當綜合考慮，通常經(jīng)濟效率較高的的熱交換器其效率一般在90%左右，否則容易造成不必要的浪費[26]。 2.2.3 熱交換器設計時可能出現(xiàn)的問題 （1）不同結構型式的換熱器的特點 由于換熱器的種類較多，所以不同的換熱器其所具有的特點是不同的，不同的換熱器會選擇不同的方式來處理所遇到的問題。例如：固定管板式換熱器的主要特點結構簡單、緊湊、沒有殼程密封的問題,而且往往是管板兼作法蘭其適用于 a) 管、殼程溫差較大,但壓力不高的場合(因為溫差大,要加膨節(jié),,GB16749 《壓力容器波形膨脹節(jié)》中規(guī)定設計壓力不大6.4MPa)。 b)管、殼程溫差不大,而壓力較高的場合。 c)殼程無法機槭清洗,故要求殼程介質(zhì)干凈;或雖會結垢,但通過化學清而能去除的場。 d)布管多,件少,一次性投資低;但不可更換管束,整臺設備往往由換熱管損壞而更換,故設備運行周期短。 （2）管殼式換熱器設計參數(shù)確定 設計中要嚴格根據(jù)所給的條件進行選去合適的參數(shù)。 （3） 管殼式換熱器材料選取 選擇的材料要滿足條件。 （4）管殼式換熱器結構設計 （5）管殼式換熱器強度計算 二、 設計方案的確定 1 方案的原理、特點與選擇依據(jù) 1.1方案的原理、特點 固定管板式換熱器 （1）優(yōu)點：結構簡單、緊湊，能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便， 管子損壞時易于堵管或者更換。 （2）缺點：當管束與殼體的壁溫或材料的膨脹系數(shù)相差較大時，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的應力。 （3）適用：其適用于殼側介質(zhì)清潔且不易結垢并能進行清洗，管、殼程兩側溫差不大或溫差較大但殼側壓力不高的場合。 根據(jù)以上管殼式換熱器的特點，水走殼程容易結垢所以水應當走管程，殼側走二硫化碳，又根據(jù)固定管板式換熱器結構簡單、緊湊，能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或者更換。所以確定換熱器的類型為固定管板式。 1.2 方案的選擇依據(jù) 由于循環(huán)液是無毒性介質(zhì)，且易結垢、不清凈，所以選擇走管程，這樣可以清洗方便，同時減少泄漏的機會循環(huán)水是被冷卻的流體，可利用殼體散熱，增強冷卻效果，也是較為潔凈介質(zhì)，而且粘度大流量相對較小，因有折流板作用下，可提高流動對流傳熱系數(shù)。所以選擇循環(huán)水走管程程較為合理 2 設計步驟 2.1確定物性數(shù)據(jù) 熱流量 平均傳熱溫差 傳熱面積 2.2工藝結構尺寸 管徑和管內(nèi)流速 管程數(shù)和傳輸管數(shù) 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 殼體內(nèi)徑 折流板 接管 2.3換熱器核算 管板校核 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 污垢熱阻和管壁熱阻 傳熱系數(shù) 應力核算 三、階段性設計計劃、設計目標與應用價值 1 階段性設計計劃 周 次 工 作 內(nèi) 容 第 7 學期 17-19 周 查閱文獻（中文>15 篇，英文>5 篇）撰寫文 獻綜述和開題報告；查閱并翻譯一篇英文文 獻。 第 8 學期 1-2 周 修改翻譯、文獻綜述和開題報告，上傳系統(tǒng)。 3-4 周 確定設計方案，工藝計算；實習 5-6 周 結構和強度設計計算 7 周 撰寫畢業(yè)設計說明書 8-10 周 計算機繪制圖紙（總裝配圖、部件圖、零件 圖） 11-12 周 繪制三維零部件圖 13 周 修改圖紙和畢業(yè)設計說明書、整理畢業(yè)設計 14-16 周 準備畢業(yè)答辯 2 設計目標： 完成精餾操作系統(tǒng)中的塔頂冷凝器的機構設計 3 應用價值： 換熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應用相當廣泛的單元設備之一。據(jù)統(tǒng)計, 在現(xiàn)代化學工業(yè)中換熱器的投資大約占設備總投資的30% , 在煉油廠中占全部工藝設備的40% 左右, 海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。對國外換熱器市場的調(diào)查表明[29], 雖然各種板式換熱器的競爭力在上升,但管殼式換熱器仍占主導地位約64% 。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結果表明, 列管式換熱器已進入一個新的研究時期, 無論是換熱器傳熱管件, 還是殼程的折流結構都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變, 其流體力學性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結構設計等方面也均有了新的進步[30]。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究, 主要包括管程結構和殼程結構強化傳熱的發(fā)展。 三、 參考文獻 [1] 徐茂德.壓力容器與化工設備設計制造新技術及質(zhì)量安全控制標準實用全書[M].河北.銀聲音像出版社,2004年 [2] 崔海亭，姚仲鵬.強化型管殼式換熱器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].火力原子力發(fā)電，1976，27(2):171~182. 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