开题报告：30万吨年稳定汽油换热器的设计

PAGEPAGE3开题报告题目：30.0万吨/年稳定汽油换热器的设计学科部：专业：班级：学号：姓名：指导教师：填表日期：年月日选题的依据及意义：换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的一种设备，它是化工、炼油、动力、油田储运集输系统和原子能及其许多工业部门广泛应用的一种通用设备，是保证工艺流程和条件，利用二次能源实现余热回收和节约能源的主要设备，在化工厂换热器约占总投资的10～20%；在炼油厂换热器约占全部工艺设备投资的35～40%。由于工艺流程不同，生产中往往进行着加热、冷却、蒸发或冷凝等过程。通过换热器热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺需要。换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常广泛，特别是在耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、工况、温度和压力的换热器，其结构和型式也不相同。按传热原理分类如下：1、间壁式换热器间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。间壁式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。间壁式换热器是目前应用最为广泛的换热器。2、蓄热式换热器蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。3、流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。4、直接接触式换热器又被称为混合式换热器，这种换热器是两种流体直接接触，彼此混合进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。5、复式换热器兼有汽水面式间接换热及水水直接混流换热两种换热方式的设备。同汽水面式间接换热相比，具有更高的换热效率；同汽水直接混合换热相比具有较高的稳定性及较低的机组噪音。众多换热器中以间壁式换热器使用最为广泛。而间壁式换热器中又以列管式换热器应用最广。因此本课题进行列管式换热器的设计。二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）：在世界范围内，虽然目前管壳式换热器仍占主导地位，但各种板式换热器的竞争力在逐渐上升。世界换热器产业在产品与技术方面的发展趋势主要体现在产品的大型化、高效化、节能化，此外，换热器新材料的开发应用、产品技术的更新换代、不同应用领域产品的细分化也都是行业的发展趋势。随着工业装置的大型化及高效化，世界换热器也趋于大型化，并向低温差，低压力损失方向发展，在大型化的同时也提高了产品的换热效率，更加体现节能减排。在管壳式换热器直径已经突破4.5m，部分甚至达到了5m以上，出现了换热面积超过10000m2的超大型管壳式换热器；目前，板式换热器、空气预热器的最大单台换热面积也都超过了10000m2。在产品类型上，为提高换热器传热效率，各种新型换热器产品层出不穷。螺旋折流板换热器、双纹管换热器、丝状花内插物换热器、变形翅片管换热器、喷涂翅片管冷却器、非钎焊金属丝缠绕翅片管换热器、螺旋绕管式换热器、带纽带插入物的湍流增强式换热器、麻花扁管换热器、提箱式全焊板式换热器、防振结构换热器等新产品不断推向市场。目前，大型可拆式板壳式换热器、新型节能焊接板式换热器、系统集成应用换热机组、强化传热管式换热器、板式蒸发器等产品日益成为市场的主流。在材料应用上，未来随着原材料价格的变动，更经济、更耐腐蚀的新型材料制成的换热器产品将日益增长。904L、254SMO、654SMO等超级奥氏体不锈钢已在外国获得大量使用，钛合金、镍合金、铜合金、石墨等可适应更苛刻工作环境和要求的新材料制成的换热器产品日益增长。同时，在板式换热器领域，使用板式的材料越来越薄，向更节省材料、更经济、更低成本的方向发展。在应用领域上，换热器产品根据不同的应用要求被不断细分化。如高粘度介质场合适用的宽通道板式换热器、较高温度压力场合应用的焊接板式换热器、大流量场合应用的大型板式换热器、应用于海水的铜制板式换热器、应用于核电常规岛和核电领域的大型板式换热器、应用于兆瓦级风电机组的换热器等等。风电、核电产业的日益崛起同时也带动了新型换热器的发展。中国换热器产业起步较晚。1963年抚顺机械设备制造有限公司按照美国TEMA标准制造出中国第一台管式换热器，1965年兰州石油机械研究所研制出我国第一台板式换热器，苏州新苏化工机械有限公司在20世纪60年代研制出我国第一台螺旋板式换热器。之后，兰州石油机械研究所首次引进德国斯密特（Schmidt）换热器技术，原四平换热器总厂引进法国维卡勃（Vicarb）换热器技术，国内换热器行业在消化吸收国外技术的基础上，开始获得较快发展。进入21世纪后，大量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。最近几年，我国还在大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板式换热器、大型板式空气预热器方面获得了巨大突破。2008年，有中国石化集团上海工程公司与中国第一重型机械公司、兰州石油机械研究所、镇海炼化公司共同承担研制的镇海炼化百万吨/年乙烯项目-EO/EG装置大型管壳式换热器国产化研制通过鉴定，标志着我国在大型管壳式换热器领域获得了重大突破。该换热器是国内正在研制的首台换热面积超过10000m2的超大型管壳式换热器。2009年4月，中国石化组织专家对“大直径螺纹锁紧环高压换热器国产化研制攻关”项目进行了科学技术鉴定。该项目是依托中国石化青岛炼油化工有限责任公司千万吨级炼油项目中的320万吨\年加氢处理装置开展的，由中国石油工程建设公司、中国石化青岛炼油化工有限责任公司、兰州兰石机械设备有限责任公司、抚顺机械设备制造有限公司联合承担。该换热器的国产化标志着我国已经具备设计和制造DN2000以下的螺纹锁紧环高压换热器的能力，大大降低了石油化工建设成本，单台即可节约采购资金1400万元，且缩短了交货期，打破了国外公司的垄断地位。2009年6月，由甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司研制开发的国产首台10500m2高效节能板壳式换热器暨国产首台100万吨/年PX装置10910m2板式空气预热器在上海通过出厂验收。该换热器将应用在中国石油乌鲁木齐石化分公司100万吨\年芳烃联合装置，是目前国内单台换热面积最大的国产板式换热器，其采用的RZ4版型、T型分布器等多项技术属国际领先，换热器整体已达到国际先进水平。10500m2高效节能板式换热器的研制成功是国产板式换热器发展的一个重要里程碑，标志着国产板式换热器已跨入国际领先行列，并结束同类产品依靠进口的历史。尽管我国在部分重要换热器产品领域获得了突破，但我国换热器技术基础仍然薄弱，与国外先进水平相比，我国换热器产业最大的技术差距在于换热器产品的基础研究和原理研究，尤其是缺乏介质物性数据，对于流场、温度场、流动状态等工作原理研究不足。在换热器制造上，我国目前还以仿制为主，虽然在整体制造水平上差距不大，但在模具加工水平和板片压制方面还与发达国家还有一定的差距。在设计标准上，我国换热器设计标准和技术较为滞后。目前，我国的管壳式换热器标准的最大直径还仅停留在2.5米，而随着石油化工领域的大型化要求，目前对管壳式换热器直径已经达到了4.5米甚至5米，超出了我国换热器设计标准范围，使得我国换热器设计企业不得不按照美国TEMA标准设计。更为严重的是，我国在大型专业化换热器设计软件方面的严重滞后。目前我国在换热器设计过程中还不能实现虚拟制造，仿真制造，缺乏自主知识产权的大型专业计算软件。由于在换热器的相关工艺计算、传热计算和振动模型的计算方面缺少大型专业化软件支持，使得我国对设计出来的换热器产品无法准确预计其使用效果，这使得我国企业在换热器产品招标过程中处于不利地位。本课题研究内容1、题目：30.0万吨/年稳定汽油换热器的设计2、原始数据及技术要求处理能力：30.0万吨/年汽油设备形式：列管式换热器热流体：汽油，进口温度150℃，出口温度90℃冷流体：冷却水，进口温度30℃，出口温度70℃管程工作压力为1.98MPa，壳程工作压力为2.42MPa每年按330天计，每天24小时连续运行3、工作要求：运用所学的知识，独立解决设计中碰到的以下问题（1）．设计方案简介，对给定或选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要论述。（2）．根据原始数据进行工艺计算、物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。（3）．主要受压元件强度计算；计算热交换器各部件尤其受压部件（如壳体）的应力大小，检查其强度是否在允许范围内。在考虑强度时，应该尽量采用中国生产的标准材料和部件，按照国家压力容器安全技术规定进行计算或核算。计算机绘图及说明书的编写；利用AutoCAD软件绘制出固定管壳式换热器的装配图及各个零件图，并编写说明书。本课题研究方案根据课题原始数据及技术要求查阅相关文献资料，初步确定设计方案和整体结构。紧接着确定相关结构参数及换热器内部细节。然后确定全部具体尺寸。最后进行计算机绘图并编写设计说明书。研究目标、主要特色及工作进度：1．研究目标列管式换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。列管式换热器包括浮头、填料函式、U型管式。浮头式换热器优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。填料函式换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。U型管式换热器的每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。结合本课题研究题目，研究目标是在综合考虑上述三种列管式换热器的优缺点后，选出一种最符合使用要求、工艺要求、经济要求的方案，并进行相关设计、计算、校核。最后计算机绘图和编写说明书。2．主要特色本次设计需要综合运用所学的《过程设备设计》、《化工原理》、《过程装制造与检测》、《过程装备控制技术及应用》等课程知识。在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。本次设计采用常规设计方法，按照GB151《管壳式换热器》相关设计准则，系统性的将列管式换热器工艺设计、设备结构设计、设备强度计算的设计顺序，分别对储罐的管箱、管板、壳体、鞍座、折流板、管束进行设计。3．工作进度1-2周 利用中国知网的中外文数据库搜索文献资料，了解国内外换热器特别是列管式换热器的研究与发展状况，并完成一份外文翻译；3-4周 进行文献的初步阅读与消化工作，拟定小论文研究的主要内容并完成毕业设计开题报告；5-6周 查询各方面资料，熟悉课题，对课题形成直观的了解，实地考察搜集资料7-8周 整理上述查阅的资料，对在设计中可能用到的软件（Word、Excel、PPT、AutoCAD和1SW6-1998等）进行熟悉，查找相关专业资料；9-10周 初步设定列管式换热器的设计方案，通过反复比较验证并从中选择最优方案；11-12周 初步对列管式换热器进行设计，结合相关的专业资料，反复论证设计的合理性，依据设计步骤根据设计计算的结果通过AutoCAD绘图软件绘制出设备完整的装备图以及对应的零件图、部件图、管口方位图等；13-14周 根据设计计算的结果书写设计说明书初稿，自行检查无误后提交指导老师进行审阅，若有问题再根据指导老师的意见对设计说明书进行修改，直到指导老师满意为止，然后提交设计说明书正式稿；15-16周 对自己的设计再次进行熟悉，准备答辩；17-18周答辩后再对设计图纸、说明书进行修改、更正，整理相关资料进行汇集，最后刻录光盘上交。六、参考文献：[1]郑津洋，董其伍，桑芝富．过程设备设计[M]．北京：化学工业出版社，2011．[2]王志魁，刘丽英，刘伟．化工原理[M]．北京：化学工业出版社，2010．[3]董其伍．换热器[M]．北京：化学工业出版社．2008．[4]方利国．计算机辅助化工制图与设计[M]．北京：化学工业出版社．2010．[5]中华人民共和国国家标准．压力容器．GB150-2011[S]．北京：中国标准出版社，2012．[6]中华人民共和国国家标准．管壳式换热器．GB151-2012[S]．北京：中国标准出版2012．[7]中华人民共和国行业标准．容器支座．JB/T4712-2007[S]．北京：中国标准出版社，2007．[8]中华人民共和国行业标准．钢制管法兰．HG/T20592-2009[S]．北京：中国标准出版2009．[9]中华人民共和国行业标准．压力容器法兰．NB/T47020-2012[S]．北京：中国标准出版社，2012．[10]吴立军．管壳式换热器的优化设计[Ｄ]．天津．天津大学．2008．[11]李云花．Ｕ型管式换热器的研究与优化设计[Ｄ]．山东．青岛科技大学．2006．[12]张芸豫．换热器综合性能的优化设计方法研究[Ｄ]．兰州．兰州理工大学．2009．[13]董宝春．管壳式换热器的工艺设计[J]．甘肃石油和化工．2009.（3）：34－38．[14]中国机械工业联合会．四平市换热器产业发展规划[R]．2009．[15]黄庆军，任俊超，苏是，黄蕾．中国换热器产业现状及发展趋势[J]．石油与化工装备．2010．（13）：5－8．[16]黄蕾，黄庆军．世界换热器产业发展综述[J]．石油与化工装备．2011．(14)：5－10．[17]于风叶．管壳式换热器的设计原则[J]．石油化工设计．2009．26（4）：19－21．[18]CynthiaFabianMascone．CPIstrivetoimproveheattransferintube[J]．ChemicalEngineering．1986．93(3)：22－25．