30万吨年乙烯装置脱甲烷塔进料冷却器设计

大连理工大学本科毕业设计（论文）30 万吨/年乙烯装置脱甲烷塔进料冷却器设计Design of demethanizer feed cooler for ethylene plant with 300 thound tons / year学 院（系）： 化工与环境生命学部 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 大连理工大学Dalian University of Technology30 万 吨 /年 乙 烯 装 置 脱 甲 烷 塔 进 料 冷 却 器 设 计- I -摘 要乙烯产品是石油化工装置中的重要产品，乙烯工业的发展程度是衡量一个国家石化工业水平的重要标志之一，扬子乙烯装置就是我国在 20 世纪 60 年代从国外引进的代表性乙烯装置之一。本设计是 30 万吨/年产乙烯装置中脱甲烷塔进料冷却装置的设计。脱甲烷塔分四段进料，每段进料温度各不相同，本次设计是针对其中一股进料的冷却装置设计。在进料时增加冷却器，可以有效减少塔底再沸器的负荷，降低成本。在设计换热器时，除了需要考虑换热器能否满足工艺需求外，还需充分了解各种换热器所适用的场合、优缺点，以便综合考虑，选择出成本最低的方案；本次设计通过分析，最终选择单管程、单壳程的固定管板式换热器；根据工艺要求，进行工艺计算，初算换热器尺寸大小；根据国标，对换热器进行机械设计和校核，同时进行附件选择，完成换热器装配图纸。本次设计的重点是设备结构设计和强度校核。本文设计内容包括：工艺计算、设备选型、材料选择、设备结构设计、强度校核、附件选择以及用 CAD 绘制换热器装配图 1 张，零件图 4 张。关键词：换热器；固定管板；应力分析；强度校核；附件选择30 万 吨 /年 乙 烯 装 置 脱 甲 烷 塔 进 料 冷 却 器 设 计- II -Design of demethanizer feed cooler for ethylene plant with 300 thound tons / yearAbstract Ethylene products are important products in petrochemical plants. The development of ethylene industry is one of the important symbols to measure the level of petrochemical industry. One of the representative ethylene plants imported from abroad in China in the 1960s.In this work, the cooler is designed for the 300 thound tons / year ethylene plant in the removal of methane process feed cooler design. Demethylation tower is divided into four feeds, each feed temperature is different, this design is for one of the feed cooling device design. Adding the cooler to the feed can effectively reduce the load on the bottom reboiler and reduce the cost. In the design of heat exchangers, in addition to the need to consider whether the heat exchanger to meet the process requirements, but also need to fully understand the various heat exchanger applications, advantages and disadvantages, in order to consider, choose the lowest cost of the program; through the analysis design, the final choice is single-tube, single-shell fixed tube plate heat exchanger; according to process requirements, making the process calculation, getting the size of the initial heat exchanger; according to the national standard, doing mechanical design and strength check for the heat exchanger ,as well as chose the annex, complete heat exchanger assembly drawings. The focus of this design is the design of the equipment structure and strength check.The design of this article includes: process calculation, equipment selection, material selection, equipment structure design, strength check, accessories selection and CAD drawing with heat exchanger assembly diagram 1 as well as part 4 sheet.Key Words： Heat exchanger; Fixed pipe plate; Stress analysis; Strength check; Attachment selection30 万 吨 /年 乙 烯 装 置 脱 甲 烷 塔 进 料 冷 却 器 设 计III目 录摘 要 .IAbstract .II1 文献综述.11.1 乙烯装置简介.11.2 换热器介绍.21.2.1 板面式换热器.21.2.2 热管换热器.41.2.3 管式换热器.41.3 换热器优化.51.3.1 表面特性及选择.61.3.2 结构设计.61.3.3 模拟软件.61.4 换热器的设计方法.61.4.1 试算并初选设备规格.71.4.2 计算管壳程压强降.71.4.3 核算总传热系数.71.5 设计方案分析.82 换热器工艺设计.92.1 物性数据.92.2 估算设备尺寸.102.3 换热器核算.112.3.1 热流量核算.112.3.2 传热管和壳体壁温核算.142.3.3 流体阻力核算.143 换热器机械设计.163.1 壳体壁厚计算.163.2 管箱壁厚计算.163.3 封头壁厚计算.173.4 固定管板计算.173.5 判断是否需要膨胀节.243.5.1 壳体和管子承受的最大应力.2430 万 吨 /年 乙 烯 装 置 脱 甲 烷 塔 进 料 冷 却 器 设 计IV3.5.2 管子拉脱力.253.5.3 比较.263.6 计算与校核.263.7 管箱接管开孔补强校核.403.8 壳体接管开孔补强校核.404 流体诱发振动.424.1 计算横流速度.424.2 计算卡门漩涡频率.434.3 计算湍流抖振主频率.444.4 计算声频.444.5 换热管的固有频率.444.6 临界横流速度.454.7 计算振幅.464.8 结论.46设 计 总 结.47参 考 文 献.48附录 A 结构设计 .49A.1 保温层 .49A.2 接管 .49A.2.1 接管伸出长度 .49A.2.2 接管安装位置 .50A.3 管箱 .50A.3.1 管箱最小长度 .50A.3.2 管箱法兰 .50A.4 防冲板 .50A.5 折流板及拉杆布置 .51A.6 支座 .51A.7 吊耳 .52附录 B 换热器数据表 .53致 谢.5530 万 吨 /年 乙 烯 装 置 脱 甲 烷 塔 进 料 冷 却 器 设 计11 文献综述1.1 乙烯装置简介乙烯产量占石油化工产品的百分之七十五，在世界经济中占有很大比重，乙烯工业更是石油化工产业的核心工业。乙烯工业的发展程度已经成为世界上衡量一个国家石化工业发展水平的重要标志之一。20 世纪七十年代末期，我国引进了一批年产 30 万吨规模的大型乙烯生产装置，扬子乙烯装置既是其中之一。随着改革开放的深入和经济建设的发展，我国石油化学工业的生产规模和工艺技术水平也在迅速地扩展和提高，已成为国民经济的支柱产业之一。其中，乙烯工艺近十多年来发展尤为迅速。扬子 30 万吨/年乙烯装置是扬子石油化工装置的组成部分，扬子乙烯装置的原料除了石脑油之外，还可以使用本公司生产的直溜石脑油、常压柴油、加氢裂化尾油、丙烷和丁烷等。扬子乙烯装置主要裂解原料是轻柴油和石脑油。裂解油在裂解炉中经过裂解会生成各种碳化合物、氢化物及其他产品。裂解气体在经过废锅初步冷却后，进入裂解油回收部分。首先经过急冷、汽油分离塔等急冷区分离出其中的重组分，当离开水急冷塔塔顶时，裂解气的温度已降至 45左右，其中的柴油，以及比柴油更重的组分已基本完全分离。然后经过压缩和常温冷凝以及醇胺洗涤、碱洗和分子筛干燥后，将其中的 、 和裂解汽油以及大部分水蒸气分离出2 2来，硫化物会影响聚合级烯烃产品的质量， 在低温时会凝结为固体，在低温设备CO中发生堵塞。随后将裂解气通入碱洗塔，可以进一步除去酸性气体。分离乙烯及其联产物的主要设备精馏塔，是根据化合物沸点的差别，将乙烯、丙烯、 和 等逐步分4C5离出来。扬子乙烯装置脱甲烷系统采用裂解气在高温下换冷降温，在低压下脱除甲烷、顺序分离的流程。脱甲烷塔是乙烯装置冷区部分的核心设备；其中裂解气分离装置中耗能最大，投资最大的两个的环节分别是裂解其中甲烷和氢的脱除。其中，氢和甲烷的脱除需要在-90 以下低温条件的深冷分离装置中进行，其冷冻功耗大约占整个装置冷冻功耗的 50%左右。目前，世界乙烯年产量已大幅上升，2015 年，乙烯产量最高的三个地区的产量分别为：亚太地区 5300 万吨/年，北美地区 3640 万吨 /年，中东地区 2918 万吨/年。2015年，占世界乙烯总产能的 14.7%的世界前 10 大乙烯联合装置的总参能为 2256.6 万吨/年 1。当前，世界排名前三的乙烯联合装置，分别为美国的埃克森美孚化学公司、中国台塑集团和加拿大诺瓦化学公司的乙烯生产装置，其产能分别为 350 万吨/年、293.5 万30 万 吨 /年 乙 烯 装 置 脱 甲 烷 塔 进 料 冷 却 器 设 计2吨/年、281.2 万吨/年。我国于 2013 年在陕西榆林建成 150 万吨/年催化裂解制乙烯装置反应器。30 万 吨 /年 乙 烯 装 置 脱 甲 烷 塔 进 料 冷 却 器 设 计31.2 换热器介绍换热器是工业生产过程中冷热物流之间进行热量交换的一类设备。尤其是在发展迅速的的化工、石油等工业生产中，换热器的应用更是十分广泛。通常的建设中，换热设备的投资约整个生产装置工艺投资的 20% 30%左石 油 、 化 工 厂右。在化工生产中的工艺流程中，进行着各种不同形式的流体之间的热量交换。这些热量之间的传递就是通过换热器来实现的，在工业生产中，为了满足工艺需求，有时需要在冷热物流之间进行热量传递，换热器便是传递热量的媒介。换热器可以依据使用目的将其分为： 等；依据冷、热热 交 换 器 、 加 热 器 、 冷 却 器 、 蒸 发 器 和 再 沸 器流体的流动方向可分为： ；依据热量的传递形顺 流 式 、 逆 流 式 、 错 流 式 、 混 流 式式可分为： 2；其中 两股流体被固混 合 式 、 间 壁 式 、 蓄 热 式 间 壁 式 换 热 器 冷 、 热体表面分开，热量交换是通过避免进行的，因此，又被称为 ，是应用表 面 式 换 热 器最为广泛的一类热交换设备。1.2.1 板面式换热器（1） 板式换热器板式换热器一般可分为焊接板式和可拆式。可拆式换热器由于可以进行拆卸清洗，可灵活增加板块依次增加换热面积，在供热工程中使用较多。且橡胶垫密封用焊接结构进行代替的焊接板式换热器，可消除由于垫片材料因温度、压力和腐蚀性等带来的限制。焊接板式换热器适用于不易结垢的流体之间的换热，且焊板片内部的清洗方法不能选择机械方式 2。总的来说，板式热交换器具有以下的优点和缺点：优点：a. 换热效率高； b. 针对性强，有多种波纹形式和材料可供不同工况条件、介质选择；c. 结构紧凑，重量轻；d. 适应性强，绝大多数的换热工艺可用；e. 热损失小，板式换热器为全封闭的设备，不会与空气发生热量损失，热能完全被加以转移和利用；f. 拆装维修方便，拆卸时不需要额外空间，板片可以卸下清洗，密封垫更换容易。缺点：a. 承压性能较低，且设备越大，承压性能越差；b. 工作温度较低；30 万 吨 /年 乙 烯 装 置 脱 甲 烷 塔 进 料 冷 却 器 设 计4c. 不适用于杂质较多的介质，当杂质较多时，易堵塞留道，降低换热效果，且杂质容易损坏板片；d. 操作不当易造成泄露。（2） 螺旋板式换热器在回收废液、废气中的能量等场合国内外较早使用的是 ，螺旋螺 旋 板 式 换 热 器板式换热器主要由螺旋形 和连接管等基本部件构成。流体在流传 热 板 、 隔 板 、 头 盖道内流动时因结构形状的原因产生离心力，在流道内外侧之间形成二次流，可以很大程度上增强流体扰动，强化传热 2。 优点：体积小、结构紧凑、效率高、制造简单、成本低，单位面积提供的传热面很大。流体在螺旋板内允许流速较高，并沿螺旋方向流动，边界层薄，故传热系数大，传热效率高。此外还因流速大，脏物不易滞留。缺点：要求焊接质量高，检修比较困难，重量大，刚性差。（3） 板翅式换热器板翅式换热器被认为是最具有发展前途的新型换热设备之一 3。优点：a. 传热效率高，流体在流道中产生的二次流形成的扰动，有效降低热阻，提高了传热效率；b. 结构紧凑； c. 轻巧、牢固； d. 适应性大，可适用多种介质热交换，亦可用作冷凝或蒸发；e. 经济性好。缺点：流道狭小，易堵塞，发生堵塞或腐蚀易造成串漏，维修困难。（4） 板壳式换热器板壳式换热器最早由欧美发达国家在 20 世纪 80 年代开发研制，其基本结构类似板式换热器的结构，但板间距较板壳式换热器较大，各板之间采用焊接法连接，取消了垫片，适用于介质清洁、压降小、换热面积大的场合。（5） 伞板式换热器伞板式换热器的传热元件是带波纹的伞板，其结构基本上与板式换热器相同。20世纪 60 年代初期，由我国和瑞典各自独立创制。伞板换热器适用于高粘度、小流量、小温差的流体之间的换热 4。优点：a. 板片制作简单，成本低；b.板片增减自如，拆卸、清洗方便，能适应传热面积的变化。缺点：a. ；密 封 周 边 长 ， 容 易 泄 露30 万 吨 /年 乙 烯 装 置 脱 甲 烷 塔 进 料 冷 却 器 设 计5b. ，不能用于高温、高压场合；受 垫 片 材 料 性 能 限 制c. 流动阻力大。1.2.2 热管换热器热管换热器最早被应用