開題報告：30萬噸年穩(wěn)定汽油換熱器的設計

PAGEPAGE3開題報告題目：30.0萬噸/年穩(wěn)定汽油換熱器的設計學科部：專業(yè)：班級：學號：姓名：指導教師：填表日期：年月日選題的依據(jù)及意義：換熱器是在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設備，它是化工、煉油、動力、油田儲運集輸系統(tǒng)和原子能及其許多工業(yè)部門廣泛應用的一種通用設備，是保證工藝流程和條件，利用二次能源實現(xiàn)余熱回收和節(jié)約能源的主要設備，在化工廠換熱器約占總投資的10～20%；在煉油廠換熱器約占全部工藝設備投資的35～40%。由于工藝流程不同，生產(chǎn)中往往進行著加熱、冷卻、蒸發(fā)或冷凝等過程。通過換熱器熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝需要。換熱器作為傳熱設備隨處可見，在工業(yè)中應用非常廣泛，特別是在耗能用量十分大的領域，隨著節(jié)能技術的飛速發(fā)展，換熱器的種類開發(fā)越來越多。適用于不同介質(zhì)、工況、溫度和壓力的換熱器，其結(jié)構(gòu)和型式也不相同。按傳熱原理分類如下：1、間壁式換熱器間壁式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進行換熱。間壁式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。間壁式換熱器是目前應用最為廣泛的換熱器。2、蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器通過固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)達到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱，使之達到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉(zhuǎn)式、閥門切換式等。3、流體連接間接式換熱器流體連接間接式換熱器，是把兩個表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。4、直接接觸式換熱器又被稱為混合式換熱器，這種換熱器是兩種流體直接接觸，彼此混合進行換熱的設備，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。5、復式換熱器兼有汽水面式間接換熱及水水直接混流換熱兩種換熱方式的設備。同汽水面式間接換熱相比，具有更高的換熱效率；同汽水直接混合換熱相比具有較高的穩(wěn)定性及較低的機組噪音。眾多換熱器中以間壁式換熱器使用最為廣泛。而間壁式換熱器中又以列管式換熱器應用最廣。因此本課題進行列管式換熱器的設計。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：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)展趨勢主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的大型化、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；目前，板式換熱器、空氣預熱器的最大單臺換熱面積也都超過了10000m2。在產(chǎn)品類型上，為提高換熱器傳熱效率，各種新型換熱器產(chǎn)品層出不窮。螺旋折流板換熱器、雙紋管換熱器、絲狀花內(nèi)插物換熱器、變形翅片管換熱器、噴涂翅片管冷卻器、非釬焊金屬絲纏繞翅片管換熱器、螺旋繞管式換熱器、帶紐帶插入物的湍流增強式換熱器、麻花扁管換熱器、提箱式全焊板式換熱器、防振結(jié)構(gòu)換熱器等新產(chǎn)品不斷推向市場。目前，大型可拆式板殼式換熱器、新型節(jié)能焊接板式換熱器、系統(tǒng)集成應用換熱機組、強化傳熱管式換熱器、板式蒸發(fā)器等產(chǎn)品日益成為市場的主流。在材料應用上，未來隨著原材料價格的變動，更經(jīng)濟、更耐腐蝕的新型材料制成的換熱器產(chǎn)品將日益增長。904L、254SMO、654SMO等超級奧氏體不銹鋼已在外國獲得大量使用，鈦合金、鎳合金、銅合金、石墨等可適應更苛刻工作環(huán)境和要求的新材料制成的換熱器產(chǎn)品日益增長。同時，在板式換熱器領域，使用板式的材料越來越薄，向更節(jié)省材料、更經(jīng)濟、更低成本的方向發(fā)展。在應用領域上，換熱器產(chǎn)品根據(jù)不同的應用要求被不斷細分化。如高粘度介質(zhì)場合適用的寬通道板式換熱器、較高溫度壓力場合應用的焊接板式換熱器、大流量場合應用的大型板式換熱器、應用于海水的銅制板式換熱器、應用于核電常規(guī)島和核電領域的大型板式換熱器、應用于兆瓦級風電機組的換熱器等等。風電、核電產(chǎn)業(yè)的日益崛起同時也帶動了新型換熱器的發(fā)展。中國換熱器產(chǎn)業(yè)起步較晚。1963年撫順機械設備制造有限公司按照美國TEMA標準制造出中國第一臺管式換熱器，1965年蘭州石油機械研究所研制出我國第一臺板式換熱器，蘇州新蘇化工機械有限公司在20世紀60年代研制出我國第一臺螺旋板式換熱器。之后，蘭州石油機械研究所首次引進德國斯密特（Schmidt）換熱器技術，原四平換熱器總廠引進法國維卡勃（Vicarb）換熱器技術，國內(nèi)換熱器行業(yè)在消化吸收國外技術的基礎上，開始獲得較快發(fā)展。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。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)能板式換熱器、大型板式空氣預熱器方面獲得了巨大突破。2008年，有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)正在研制的首臺換熱面積超過10000m2的超大型管殼式換熱器。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，由中國石油工程建設公司、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。該換熱器的國產(chǎn)化標志著我國已經(jīng)具備設計和制造DN2000以下的螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器的能力，大大降低了石油化工建設成本，單臺即可節(jié)約采購資金1400萬元，且縮短了交貨期，打破了國外公司的壟斷地位。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。該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)板式換熱器，其采用的RZ4版型、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)能板式換熱器的研制成功是國產(chǎn)板式換熱器發(fā)展的一個重要里程碑，標志著國產(chǎn)板式換熱器已跨入國際領先行列，并結(jié)束同類產(chǎn)品依靠進口的歷史。盡管我國在部分重要換熱器產(chǎn)品領域獲得了突破，但我國換熱器技術基礎仍然薄弱，與國外先進水平相比，我國換熱器產(chǎn)業(yè)最大的技術差距在于換熱器產(chǎn)品的基礎研究和原理研究，尤其是缺乏介質(zhì)物性數(shù)據(jù)，對于流場、溫度場、流動狀態(tài)等工作原理研究不足。在換熱器制造上，我國目前還以仿制為主，雖然在整體制造水平上差距不大，但在模具加工水平和板片壓制方面還與發(fā)達國家還有一定的差距。在設計標準上，我國換熱器設計標準和技術較為滯后。目前，我國的管殼式換熱器標準的最大直徑還僅停留在2.5米，而隨著石油化工領域的大型化要求，目前對管殼式換熱器直徑已經(jīng)達到了4.5米甚至5米，超出了我國換熱器設計標準范圍，使得我國換熱器設計企業(yè)不得不按照美國TEMA標準設計。更為嚴重的是，我國在大型專業(yè)化換熱器設計軟件方面的嚴重滯后。目前我國在換熱器設計過程中還不能實現(xiàn)虛擬制造，仿真制造，缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的大型專業(yè)計算軟件。由于在換熱器的相關工藝計算、傳熱計算和振動模型的計算方面缺少大型專業(yè)化軟件支持，使得我國對設計出來的換熱器產(chǎn)品無法準確預計其使用效果，這使得我國企業(yè)在換熱器產(chǎn)品招標過程中處于不利地位。本課題研究內(nèi)容1、題目：30.0萬噸/年穩(wěn)定汽油換熱器的設計2、原始數(shù)據(jù)及技術要求處理能力：30.0萬噸/年汽油設備形式：列管式換熱器熱流體：汽油，進口溫度150℃，出口溫度90℃冷流體：冷卻水，進口溫度30℃，出口溫度70℃管程工作壓力為1.98MPa，殼程工作壓力為2.42MPa每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行3、工作要求：運用所學的知識，獨立解決設計中碰到的以下問題（1）．設計方案簡介，對給定或選定的工藝流程、主要設備的形式進行簡要論述。（2）．根據(jù)原始數(shù)據(jù)進行工藝計算、物料衡算、熱量衡算、工藝參數(shù)的選定、設備的結(jié)構(gòu)設計和工藝尺寸的設計計算。（3）．主要受壓元件強度計算；計算熱交換器各部件尤其受壓部件（如殼體）的應力大小，檢查其強度是否在允許范圍內(nèi)。在考慮強度時，應該盡量采用中國生產(chǎn)的標準材料和部件，按照國家壓力容器安全技術規(guī)定進行計算或核算。計算機繪圖及說明書的編寫；利用AutoCAD軟件繪制出固定管殼式換熱器的裝配圖及各個零件圖，并編寫說明書。本課題研究方案根據(jù)課題原始數(shù)據(jù)及技術要求查閱相關文獻資料，初步確定設計方案和整體結(jié)構(gòu)。緊接著確定相關結(jié)構(gòu)參數(shù)及換熱器內(nèi)部細節(jié)。然后確定全部具體尺寸。最后進行計算機繪圖并編寫設計說明書。研究目標、主要特色及工作進度：1．研究目標列管式換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于60～70℃和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔茫蛻紤]其他結(jié)構(gòu)。列管式換熱器包括浮頭、填料函式、U型管式。浮頭式換熱器優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應力。其缺點為結(jié)構(gòu)復雜，造價高。填料函式換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。U型管式換熱器的每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。結(jié)合本課題研究題目，研究目標是在綜合考慮上述三種列管式換熱器的優(yōu)缺點后，選出一種最符合使用要求、工藝要求、經(jīng)濟要求的方案，并進行相關設計、計算、校核。最后計算機繪圖和編寫說明書。2．主要特色本次設計需要綜合運用所學的《過程設備設計》、《化工原理》、《過程裝制造與檢測》、《過程裝備控制技術及應用》等課程知識。在設計過程中綜合考慮了經(jīng)濟性，實用性，安全可靠性。各項設計參數(shù)都正確參考了行業(yè)使用標準或國家標準，這樣讓設計有章可循，并考慮到結(jié)構(gòu)方面的要求，合理地進行設計。本次設計采用常規(guī)設計方法，按照GB151《管殼式換熱器》相關設計準則，系統(tǒng)性的將列管式換熱器工藝設計、設備結(jié)構(gòu)設計、設備強度計算的設計順序，分別對儲罐的管箱、管板、殼體、鞍座、折流板、管束進行設計。3．工作進度1-2周 利用中國知網(wǎng)的中外文數(shù)據(jù)庫搜索文獻資料，了解國內(nèi)外換熱器特別是列管式換熱器的研究與發(fā)展狀況，并完成一份外文翻譯；3-4周 進行文獻的初步閱讀與消化工作，擬定小論文研究的主要內(nèi)容并完成畢業(yè)設計開題報告；5-6周 查詢各方面資料，熟悉課題，對課題形成直觀的了解，實地考察搜集資料7-8周 整理上述查閱的資料，對在設計中可能用到的軟件（Word、Excel、PPT、AutoCAD和1SW6-1998等）進行熟悉，查找相關專業(yè)資料；9-10周 初步設定列管式換熱器的設計方案，通過反復比較驗證并從中選擇最優(yōu)方案；11-12周 初步對列管式換熱器進行設計，結(jié)合相關的專業(yè)資料，反復論證設計的合理性，依據(jù)設計步驟根據(jù)設計計算的結(jié)果通過AutoCAD繪圖軟件繪制出設備完整的裝備圖以及對應的零件圖、部件圖、管口方位圖等；13-14周 根據(jù)設計計算的結(jié)果書寫設計說明書初稿，自行檢查無誤后提交指導老師進行審閱，若有問題再根據(jù)指導老師的意見對設計說明書進行修改，直到指導老師滿意為止，然后提交設計說明書正式稿；15-16周 對自己的設計再次進行熟悉，準備答辯；17-18周答辯后再對設計圖紙、說明書進行修改、更正，整理相關資料進行匯集，最后刻錄光盤上交。六、參考文獻：[1]鄭津洋，董其伍，桑芝富．過程設備設計[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2011．[2]王志魁，劉麗英，劉偉．化工原理[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2010．[3]董其伍．換熱器[M]．北京：化學工業(yè)出版社．2008．[4]方利國．計算機輔助化工制圖與設計[M]．北京：化學工業(yè)出版社．2010．[5]中華人民共和國國家標準．壓力容器．GB150-2011[S]．北京：中國標準出版社，2012．[6]中華人民共和國國家標準．管殼式換熱器．GB151-2012[S]．北京：中國標準出版2012．[7]中華人民共和國行業(yè)標準．容器支座．JB/T4712-2007[S]．北京：中國標準出版社，2007．[8]中華人民共和國行業(yè)標準．鋼制管法蘭．HG/T20592-2009[S]．北京：中國標準出版2009．[9]中華人民共和國行業(yè)標準．壓力容器法蘭．NB/T47020-2012[S]．北京：中國標準出版社，2012．[10]吳立軍．管殼式換熱器的優(yōu)化設計[Ｄ]．天津．天津大學．2008．[11]李云花．Ｕ型管式換熱器的研究與優(yōu)化設計[Ｄ]．山東．青島科技大學．2006．[12]張蕓豫．換熱器綜合性能的優(yōu)化設計方法研究[Ｄ]．蘭州．蘭州理工大學．2009．[13]董寶春．管殼式換熱器的工藝設計[J]．甘肅石油和化工．2009.（3）：34－38．[14]中國機械工業(yè)聯(lián)合會．四平市換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃[R]．2009．[15]黃慶軍，任俊超，蘇是，黃蕾．中國換熱器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．石油與化工裝備．2010．（13）：5－8．[16]黃蕾，黃慶軍．世界換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展綜述[J]．石油與化工裝備．2011．(14)：5－10．[17]于風葉．管殼式換熱器的設計原則[J]．石油化工設計．2009．26（4）：19－21．[18]CynthiaFabianMascone．CPIstrivetoimproveheattransferintube[J]．ChemicalEngineering．1986．93(3)：22－25．