處理量4500kgh二硫化碳精餾系統(tǒng)—再沸器設(shè)計【過程裝備與控制工程含1張CAD圖】

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題目：處理量 4500kg/h 二硫化碳精餾系統(tǒng)——再沸器設(shè)計一、 前言1. 引言 1.1 本課題的研究意義目前，我國正處于國民經(jīng)濟快速發(fā)展時期，不斷快速增長的社會經(jīng)濟使得能源的消費量越來越大，中國已超越美國，成為世界能源生產(chǎn)與消耗的第一大國 [1]。我國能源資源及生產(chǎn)總量豐富，但人均不可再生能源占有量卻遠遠低于世界平均水平。為保證可持續(xù)發(fā)展，國家提出構(gòu)建“資源節(jié)約型”社會的戰(zhàn)略方針，把節(jié)能作為國家解決能源問題的根本途徑。在實際工程中，換熱設(shè)備廣泛的應(yīng)用在石油、油氣、化工、輕工業(yè)、食品工程等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的重要工藝設(shè)備。據(jù)不完全統(tǒng)計，在現(xiàn)代煉油和石化設(shè)備中，換熱設(shè)備總量大約占裝置工藝設(shè)備總量的四成，投資資本的 20%左右，換熱設(shè)備的檢修工作量占設(shè)備檢修總工作量的 60%--70%[2].對于國家的節(jié)能政策以及工業(yè)的高效節(jié)能技術(shù)來說，換熱器以及相關(guān)技術(shù)十分重要，其傳熱性能直接影響到能源利用率。提高換熱器的傳熱效率，既可以節(jié)省資金，避免大規(guī)模的投資，又可以回收更多的余熱充分利用資源。換熱器按照應(yīng)用途徑可分為加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器、過熱器和再沸器。本文研究課題為再沸器（也稱之為重沸器）是化工生產(chǎn)中常用的一種設(shè)備，安裝于蒸餾塔塔底用于汽化塔底產(chǎn)物，再沸器工作的主要原理為殼程沸騰傳熱，沸騰傳熱（boiling heat transfer）是通過氣泡的生成、長大脫離壁面而實現(xiàn)的一種帶有相變的對流傳熱 [3]。沸騰傳熱以及其高熱通量與較小溫度差的特性在動力（如核動力工程） 、化工、冶金和制冷等各種工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。通常，再沸器型式大多數(shù)是管殼式換熱器 [4]。管殼式換熱器是一種最為常見的間壁式換熱器，主要零部件包括換熱管、折流板、管板、封頭以及管殼程進出口接管等，具有制造簡單、成本低廉、選材廣泛、清潔方便、適應(yīng)性強、處理量大、可靠性強、能夠很好地適應(yīng)高溫與高壓等優(yōu)點。雖然存在結(jié)構(gòu)不緊湊、傳熱強度不足和材料消耗量大等缺點，但仍然在化工、石油、礦產(chǎn)、能源等領(lǐng)域被廣泛的采用 [5.6.7]，尤其對于沸騰傳熱工藝，是主要的換熱器類型。由于換熱器殼程結(jié)構(gòu)的復雜性使得流體在流動過程之中受到折流板、支撐板以及殼體內(nèi)壁的擠壓、碰撞，導致氣液兩相流動變得復雜，進而對氣液兩相間的物化作用造成極大的影響 [8]。在目前階段，隨著實際工程需求條件不斷提高，生產(chǎn)設(shè)備的要求不斷的地向大型化、臨界化發(fā)展，向高溫、高壓化發(fā)展 [9]。殼程沸騰傳熱的研究，既是傳熱學中的經(jīng)典傳統(tǒng)課題，也是國外正在研究的前沿課題 [10] 。隨著研究可持續(xù)深入與不斷完善，必將為國民經(jīng)濟建設(shè)帶來巨大的經(jīng)濟與社會效益。1.2 國內(nèi)外熱交換器的發(fā)展現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代新材料，新技術(shù)，新工藝的不斷發(fā)展，以及能源危機的日趨嚴重，必然要求高性能、高參數(shù)的換熱設(shè)備。換熱設(shè)備的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性起著重要的作用。目前來看，管殼式熱交換器是化工行業(yè)應(yīng)用最廣泛的一種熱交換器。具有結(jié)構(gòu)簡單、制造技術(shù)成熟、標準規(guī)范體系完善，操作彈性大等優(yōu)點，適用于各種復雜操作工況 [11]。世界各國在尋找新能源的同時，也更加注重了節(jié)能新途徑的研發(fā)。強化傳熱技術(shù)的應(yīng)用不但能節(jié)約資源、保護環(huán)境，而且能大大節(jié)約投資成本。 換熱器由于其在化工、石油、動力和原子能等工業(yè)的廣泛應(yīng)用，使得換熱器的強化傳熱技術(shù)一直以來受到研究人員的重視，國內(nèi)外各種研究成果不斷出現(xiàn)。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種不同結(jié)構(gòu)和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。1.2.1 國內(nèi)熱交換器發(fā)展現(xiàn)狀換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、鋼鐵、汽車、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。尤其在化工生產(chǎn)中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用甚為廣泛。近年來，隨著我國石化、鋼鐵等行業(yè)的快速發(fā)展，換熱器的需求水平大幅上漲，但國內(nèi)企業(yè)的供給能力有限，導致?lián)Q熱器行業(yè)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的市場狀態(tài)，巨大的供給缺口需要進口來彌補。根據(jù)海關(guān)的統(tǒng)計，2001～2005 年，我國平均每年從國外進口換熱器 22.49 萬臺，總金額達到 14.02 億美元。其中，僅 2004 年一年就進口了 34.11 萬臺，共計 4.9 億美元。雖然，我國的換熱器出口數(shù)量也不少，但其規(guī)模遠遠小于進口規(guī)模。2001 年，我國換熱器的進口數(shù)量、金額和均價分別比出口數(shù)量、金額和均價多 44640 臺、8021.6 萬美元、245.72 美元/臺；但到了 2005 年，進出口間的差距已擴大到 75667 臺、34517萬美元和 1347.57 美元/臺。這說明，我國換熱器市場增長的速度遠遠超過了供給增長的速度。同時，我國出口的換熱器均價平均不到進口均價的一半，2005 年更是降到了 25%以下?？梢韵胍?，我國出口的產(chǎn)品多是附加值低的中、低端產(chǎn)品，而進口的產(chǎn)品多是附加值高的高端產(chǎn)品。這充分說明我國對高端換熱器產(chǎn)品需求旺盛但供給不足的市場現(xiàn)狀 [12-13]。1.2.2 國外熱交換器發(fā)展現(xiàn)狀由于制造工藝和技術(shù)水平的限制，早期的 換熱器只能采用簡單結(jié)構(gòu)，傳熱面積小、體積較 大、笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的 發(fā)展，管殼式換熱器的單位體積具有較大的傳熱 面積，而且傳熱效果較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn) 中成為一種典型的換熱器。 20 世紀 20 年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食 品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊、傳 熱效果好。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱 器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金 材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散 熱。30 年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱 器，用于紙漿生產(chǎn)。在此期間，為解決強腐蝕性 介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器 開始注意。 20 世紀 60年代，由于空間技術(shù)和尖端科學 的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱 器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換 熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊 式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自 20世 紀 60 年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換 熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了 進一步的發(fā)展。20 世紀 70 年代中期，為了強化傳 熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又開發(fā)出熱管式 換熱器。 20 世紀 80 年代后，大量的強化傳熱元件被推 向市場，如折流桿換熱器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、板殼 式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等高效換熱器。 進入 21 世紀后，大量的強化傳熱技術(shù)應(yīng)用于 工業(yè)裝置，世界換熱器產(chǎn)業(yè)在技術(shù)水平上獲得了 快速提升，板式換熱器日漸崛起 [14]。1.2.3 列管式式熱交換器類型列管式熱交換器又稱管殼式熱交換器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式熱交換器。一般是由殼體，傳熱管束，管板，折流板，管箱等部分構(gòu)成，分兩種液體(或氣體)在管束內(nèi)或殼程內(nèi)進行換熱。廣泛應(yīng)用于能源動力、石油化工、機械等行業(yè)，具有結(jié)構(gòu)堅固，操作彈性大，適應(yīng)性強，單位體積所具有的傳熱面積(40-150(m2/m3))材范圍廣，能夠承受高溫和高壓等特點 [15]列管式熱交換器有多種類型，分別有以下幾種：（1）固定管板式熱交換器：固定管板式熱交換器管束兩端的管板與殼體連成一體，結(jié)構(gòu)簡單，但只適用于冷熱流體溫度差距不大，且殼程不需機械清洗時的換熱操作，當溫度差稍大而殼程壓力又不太高時，可在殼體上安裝有彈性的補償圈，以減小熱應(yīng)力。（2）浮頭式熱交換器：浮頭式熱交換器的管束一端可以完全自由浮動，消除了熱應(yīng)力，且整個管束可以從殼體中抽出，便于進行清洗和檢修。浮頭式熱交換器的應(yīng)用較廣，但是結(jié)構(gòu)比較復雜，造價較高。（3）U 形管式熱交換器：U 形管換熱器的熱管均彎成 U 型，兩端分別固定在同一管板的上下兩區(qū)。借助于管箱內(nèi)的隔板分成進出口兩室。此種熱交換器完全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，但是管程不易清洗。（4）填料函式熱交換器：與浮頭式換熱器類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用該結(jié)構(gòu)，使得管束在殼體軸向可以自由伸縮，不會產(chǎn)生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價比較低廉，且管束可以從殼體抽出，管內(nèi)、管間都能進行清洗，維修方便(5) 釜式重沸器：可以為浮頭式、U 形管式和固定管板式結(jié)構(gòu)，所以具有浮頭式、U 形管式換熱器的特性。清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫高壓 [16]雖然熱交換器的種類結(jié)構(gòu)各有不同，但是其作用均相同。主要目的還是為了在冷熱流體間傳遞熱量，能夠在一定的條件下提高單位傳熱面積的傳熱量，強化傳熱面積，提高傳熱系數(shù)，合理利用能源，最終制造出一臺滿足條件的列管式熱交換器。1.2.4 換熱器的發(fā)展趨勢換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)施，是使熱量由較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到流程規(guī)定的指標，以滿足過程工藝條件的需要，同時也提高能源利用率的主要設(shè)施之一。換熱器行業(yè)涉及暖通、壓力容器、中水處理設(shè)施等近 30 多種產(chǎn)業(yè)，相互形成產(chǎn)業(yè)鏈條。據(jù)《2013-2017 年中國換熱器行業(yè)發(fā)展前景預測與轉(zhuǎn)型升級分析報告》[1]數(shù)據(jù)顯示 2010 年中國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模在 500 億元左右，主要集中于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖、制冷空調(diào)、機械、食品、制藥等領(lǐng)域。其中，石油化工領(lǐng)域仍然是換熱器產(chǎn)業(yè)最大的市場，其市場規(guī)模為 150 億元;電力冶金領(lǐng)域換熱器市場規(guī)模在 80 億元左右; 船舶工業(yè)換熱器市場規(guī)模在 40 億元以上;機械工業(yè)換熱器市場規(guī)模約為 40 億元;集中供暖行業(yè)換熱器市場規(guī)模超過 30 億元，食品工業(yè)也有近 30 億元的市場。另外，航天飛行器、半導體器件、核電常規(guī)島核島、風力發(fā)電機組、太陽能光伏發(fā)電多晶硅生產(chǎn)等領(lǐng)域都需要大量的專業(yè)換熱器，這些市場約有 130 億元的規(guī)模。 近年來國內(nèi)換熱器行業(yè)在節(jié)能增效、提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低壓降、提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績?；谑?、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器行業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長，前瞻網(wǎng)預計 2011 年至 2020 年期間，我國換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均 10-15%左右的速度增長，到2020 年我國換熱器行業(yè)規(guī)模有望達到 1500 億元。目前，全國換熱設(shè)施市場呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的市場狀態(tài)，換熱設(shè)施產(chǎn)業(yè)正處在黃金增長期 [17-20]。2．課題的研究目標、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題本課題的研究目標主要是設(shè)計出一套能夠滿足生產(chǎn) 4500Kg/h 的二硫化碳成套裝備精餾系統(tǒng)的再沸器。以及換熱工藝計算，設(shè)計合理結(jié)構(gòu)，管板強度校核等問題。2.2.1 關(guān)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(shè)備投資和輸送功率的情況下，取得一定的傳熱量，從而使設(shè)備容量不斷增加，提高勞動生產(chǎn)率 [13]。根據(jù)傳熱速率方程 ，(Q：單位時間內(nèi)傳遞的熱量，即功率，mQKAt??單位 ；K：總傳熱系數(shù)； ：對數(shù)平均溫差； ：兩端溫差中較大的；kW1t?：兩端中溫差較小的)2t?12lnmt?????????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熱交換器效率是衡量實際換熱狀態(tài)與平衡狀態(tài)的距離，這種平衡只有在換熱面積無限大的時候才能實現(xiàn)。實驗表明，效率高并不一定熱交換器的熱性能好，在某一溫度壓力狀況下?lián)Q熱，傳熱速率盡可能大的熱交換器才是優(yōu)越的。由于換熱設(shè)備與一般的熱力過程不同，涉及到設(shè)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(yīng)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 [21]。2.3 主要研究內(nèi)容①外文翻譯②前期材料③設(shè)計計算、換熱工藝、校核④說明書⑤出圖二 設(shè)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、特點管殼式（又稱管式、列管式）熱交換器是典型的間壁式熱交換器，在熱交換器產(chǎn)品中占據(jù)主導地位。管殼式熱交換器主要由殼體、管板、封頭、管箱前端、后端等部分組成。殼體大多為圓柱形，內(nèi)部一般有管束，兩端固定于熱交換器管板上。在管殼式熱交換器中進行換熱的兩種流體一種在管內(nèi)流動，稱為管程；另一種在管外流動，稱為殼程。兩種流體不直接接觸，但是在管壁上由溫度高的流體把熱量傳遞給溫度低的流體，借由管壁完成熱量交換過程 [21]。由于管殼式熱交換器具有操作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，可在高溫高壓下使用。并且近幾年來有了較多的研究和發(fā)展，已經(jīng)具有了相當成熟的理論體系和應(yīng)用方案，成為了一項重要的傳熱重點研究領(lǐng)域。同時，管殼式熱交換器的強化傳熱已經(jīng)應(yīng)用到了實際的熱交換器生產(chǎn)當中，并且強化傳熱技術(shù)也不是針對某一方面展開的，他包括了管程強化傳熱，殼程強化傳熱和管束強化傳熱三個部分。強化傳熱一方面能夠節(jié)約能源，提高熱交換器換熱效率，另一方面可以提高熱交換器的使用壽命 [22-24]。同時在對熱交換器進行設(shè)計時，要對各個參數(shù)有明確的認識，首先包括設(shè)計的假定條件，比如植物精油的物理化學性質(zhì)和冷卻水的要求，還有對設(shè)計中各種工藝的計算和設(shè)備的選取，包括熱交換器尺寸，折流板數(shù)目，傳熱系數(shù)，換熱面積和污垢系數(shù)等。除了物化參數(shù)還包括各種結(jié)構(gòu)的選擇，包括管束分程，傳熱管和管板的選擇，折流板的設(shè)計，殼體和厚度的設(shè)計等等。還要考慮到流體的結(jié)垢，以及不同介質(zhì)所產(chǎn)生的局部腐蝕和泄漏所造成的減少熱交換器壽命的結(jié)果 [25-27]。1.2 方案的選擇依據(jù)熱交換器的選型時需要多種方面和多種因素的考慮，主要包括流體的性質(zhì)、壓力、溫度、壓降及其可允許的范圍內(nèi)；對清洗維修的要求；材料成本及價格；現(xiàn)場安裝及維護的便捷性；壁面的工作溫度；使用壽命和可靠性等。還有熱交換器的腐蝕余量、水壓試驗壓力還有最大壓力是否滿足要求。由于一臺熱交換器無法滿足以上全部要求，只要考慮某幾個因素就可以了 [28]。其基本的選型標準為：(1) 所選熱交換器應(yīng)當基本滿足工藝要求；(2) 熱交換器本身應(yīng)當能夠在所要求的工程實際環(huán)境之下正常工作；(3) 熱交換器應(yīng)當能夠容易維護、清理和維修；(4) 考慮經(jīng)濟性，綜合考慮熱交換器的安裝維護費用，應(yīng)當盡可能經(jīng)濟；(5) 要考慮到換熱介質(zhì)的性質(zhì)，對熱交換器本身是否有影響；(6) 考慮價格成本及經(jīng)濟問題 [29]。所以選擇釜式重沸器，管程走循環(huán)水 殼程走二硫化碳 2 設(shè)計步驟一、 確定設(shè)計方案1． 選擇換熱器的類型2． 流程安排二、 確定物性數(shù)據(jù)1． 定性溫度2． 物性參數(shù)三、估算傳熱面積 1.熱流量2.平均傳熱溫差3.傳熱面積四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸 1．管徑和管內(nèi)流速2．管程數(shù)和傳熱管數(shù)3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)4.傳熱管排列和分程方法5.殼體內(nèi)徑6.折流板7.其他附件8.接管 殼程流體進出口接管 管程流體進出口接管二、 階段性設(shè)計計劃、設(shè)計目標與應(yīng)用價值1 階段性設(shè)計計劃周次 工作內(nèi)容 檢查方式7學期17~19周 查閱文獻（中文>25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8學期1~2 修改翻譯、文獻綜述開題報告，上傳系統(tǒng)。3~4 確定設(shè)計方案，工藝計算：實習5~6 結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計計算7 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書8~10 計算機繪制圖紙（總裝配圖、部件圖、零件圖）11~12 繪制三維零部件圖13 修改圖紙和畢業(yè)設(shè)計說明書、整理畢業(yè)設(shè)計14~16 完成設(shè)計、準備答辯PPT 2 設(shè)計目標：設(shè)計一套處理量 4500Kg/h 二硫化碳精餾系統(tǒng)，完成其中塔底再沸器的設(shè)計3 應(yīng)用價值：目前熱交換器的研究已經(jīng)取得了很大的進展，并且在多個領(lǐng)域有所突破。但是在一定程度上還需要做更多的實驗和研究。在熱交換器的實驗研究中，加入計算機模擬技術(shù)對管殼式熱交換器的發(fā)展有著起到一定作用。一方面可以模擬一些難以操作的實驗，另一方面模擬技術(shù)和實際情況還是有一定差距的。不可否認的是，管殼式熱交換器現(xiàn)在依舊在很多方面占主導地位，由于其擁有結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣、解決能力大、成本相對較低等優(yōu)點 [30]。四、參考文獻[1] 楊兆平.基于哈佛框架下中石油財務(wù)報表分析[D].吉林大學，2012[2] 金有海，劉仁桓. 石油化工過程與設(shè)備概論[M]. 北京：中國石化出版社，2008.[3] 沈自求. 沸騰傳熱研究[J]. 大連理工大學學報，2001（03）:253-259. 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