处理量4500kgh二硫化碳精馏系统—再沸器设计【过程装备与控制工程含1张CAD图】
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二硫化碳
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处理量4500kgh二硫化碳精馏系统—再沸器设计【过程装备与控制工程含1张CAD图】
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题目：处理量 4500kg/h 二硫化碳精馏系统再沸器设计一、 前言1. 引言 1.1 本课题的研究意义目前，我国正处于国民经济快速发展时期，不断快速增长的社会经济使得能源的消费量越来越大，中国已超越美国，成为世界能源生产与消耗的第一大国 1。我国能源资源及生产总量丰富，但人均不可再生能源占有量却远远低于世界平均水平。为保证可持续发展，国家提出构建“资源节约型”社会的战略方针，把节能作为国家解决能源问题的根本途径。在实际工程中，换热设备广泛的应用在石油、油气、化工、轻工业、食品工程等相关领域应用的重要工艺设备。据不完全统计，在现代炼油和石化设备中，换热设备总量大约占装置工艺设备总量的四成，投资资本的 20%左右，换热设备的检修工作量占设备检修总工作量的 60%-70%2.对于国家的节能政策以及工业的高效节能技术来说，换热器以及相关技术十分重要，其传热性能直接影响到能源利用率。提高换热器的传热效率，既可以节省资金，避免大规模的投资，又可以回收更多的余热充分利用资源。换热器按照应用途径可分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器、过热器和再沸器。本文研究课题为再沸器（也称之为重沸器）是化工生产中常用的一种设备，安装于蒸馏塔塔底用于汽化塔底产物，再沸器工作的主要原理为壳程沸腾传热，沸腾传热（boiling heat transfer）是通过气泡的生成、长大脱离壁面而实现的一种带有相变的对流传热 3。沸腾传热以及其高热通量与较小温度差的特性在动力（如核动力工程） 、化工、冶金和制冷等各种工业生产中被广泛应用。通常，再沸器型式大多数是管壳式换热器 4。管壳式换热器是一种最为常见的间壁式换热器，主要零部件包括换热管、折流板、管板、封头以及管壳程进出口接管等，具有制造简单、成本低廉、选材广泛、清洁方便、适应性强、处理量大、可靠性强、能够很好地适应高温与高压等优点。虽然存在结构不紧凑、传热强度不足和材料消耗量大等缺点，但仍然在化工、石油、矿产、能源等领域被广泛的采用 5.6.7，尤其对于沸腾传热工艺，是主要的换热器类型。由于换热器壳程结构的复杂性使得流体在流动过程之中受到折流板、支撑板以及壳体内壁的挤压、碰撞，导致气液两相流动变得复杂，进而对气液两相间的物化作用造成极大的影响 8。在目前阶段，随着实际工程需求条件不断提高，生产设备的要求不断的地向大型化、临界化发展，向高温、高压化发展 9。壳程沸腾传热的研究，既是传热学中的经典传统课题，也是国外正在研究的前沿课题 10 。随着研究可持续深入与不断完善，必将为国民经济建设带来巨大的经济与社会效益。1.2 国内外热交换器的发展现状随着现代新材料，新技术，新工艺的不断发展，以及能源危机的日趋严重，必然要求高性能、高参数的换热设备。换热设备的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用。目前来看，管壳式热交换器是化工行业应用最广泛的一种热交换器。具有结构简单、制造技术成熟、标准规范体系完善，操作弹性大等优点，适用于各种复杂操作工况 11。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约资源、保护环境，而且能大大节约投资成本。 换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，国内外各种研究成果不断出现。随着经济的发展，各种不同结构和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。1.2.1 国内热交换器发展现状换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、钢铁、汽车、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。尤其在化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。根据海关的统计，20012005 年，我国平均每年从国外进口换热器 22.49 万台，总金额达到 14.02 亿美元。其中，仅 2004 年一年就进口了 34.11 万台，共计 4.9 亿美元。虽然，我国的换热器出口数量也不少，但其规模远远小于进口规模。2001 年，我国换热器的进口数量、金额和均价分别比出口数量、金额和均价多 44640 台、8021.6 万美元、245.72 美元/台；但到了 2005 年，进出口间的差距已扩大到 75667 台、34517万美元和 1347.57 美元/台。这说明，我国换热器市场增长的速度远远超过了供给增长的速度。同时，我国出口的换热器均价平均不到进口均价的一半，2005 年更是降到了 25%以下。可以想见，我国出口的产品多是附加值低的中、低端产品，而进口的产品多是附加值高的高端产品。这充分说明我国对高端换热器产品需求旺盛但供给不足的市场现状 12-13。1.2.2 国外热交换器发展现状由于制造工艺和技术水平的限制，早期的 换热器只能采用简单结构，传热面积小、体积较 大、笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的 发展，管壳式换热器的单位体积具有较大的传热 面积，而且传热效果较好，长期以来在工业生产 中成为一种典型的换热器。 20 世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食 品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑、传 热效果好。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热 器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金 材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散 热。30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热 器，用于纸浆生产。在此期间，为解决强腐蚀性 介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器 开始注意。 20 世纪 60年代，由于空间技术和尖端科学 的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热 器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换 热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑 式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自 20世 纪 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换 热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了 进一步的发展。20 世纪 70 年代中期，为了强化传 热，在研究和发展热管的基础上又开发出热管式 换热器。 20 世纪 80 年代后，大量的强化传热元件被推 向市场，如折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳 式换热器、表面蒸发式空冷器等高效换热器。 进入 21 世纪后，大量的强化传热技术应用于 工业装置，世界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 14。1.2.3 列管式式热交换器类型列管式热交换器又称管壳式热交换器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式热交换器。一般是由壳体，传热管束，管板，折流板，管箱等部分构成，分两种液体(或气体)在管束内或壳程内进行换热。广泛应用于能源动力、石油化工、机械等行业，具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，单位体积所具有的传热面积(40-150(m2/m3)材范围广，能够承受高温和高压等特点 15列管式热交换器有多种类型，分别有以下几种：（1）固定管板式热交换器：固定管板式热交换器管束两端的管板与壳体连成一体，结构简单，但只适用于冷热流体温度差距不大，且壳程不需机械清洗时的换热操作，当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。（2）浮头式热交换器：浮头式热交换器的管束一端可以完全自由浮动，消除了热应力，且整个管束可以从壳体中抽出，便于进行清洗和检修。浮头式热交换器的应用较广，但是结构比较复杂，造价较高。（3）U 形管式热交换器：U 形管换热器的热管均弯成 U 型，两端分别固定在同一管板的上下两区。借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种热交换器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但是管程不易清洗。（4）填料函式热交换器：与浮头式换热器类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用该结构，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束可以从壳体抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便(5) 釜式重沸器：可以为浮头式、U 形管式和固定管板式结构，所以具有浮头式、U 形管式换热器的特性。清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温高压 16虽然热交换器的种类结构各有不同，但是其作用均相同。主要目的还是为了在冷热流体间传递热量，能够在一定的条件下提高单位传热面积的传热量，强化传热面积，提高传热系数，合理利用能源，最终制造出一台满足条件的列管式热交换器。1.2.4 换热器的发展趋势换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设施，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设施之一。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设施等近 30 多种产业，相互形成产业链条。据2013-2017 年中国换热器行业发展前景预测与转型升级分析报告1数据显示 2010 年中国换热器产业市场规模在 500 亿元左右，主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模为 150 亿元;电力冶金领域换热器市场规模在 80 亿元左右; 船舶工业换热器市场规模在 40 亿元以上;机械工业换热器市场规模约为 40 亿元;集中供暖行业换热器市场规模超过 30 亿元，食品工业也有近 30 亿元的市场。另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器，这些市场约有 130 亿元的规模。 近年来国内换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长，前瞻网预计 2011 年至 2020 年期间，我国换热器产业将保持年均 10-15%左右的速度增长，到2020 年我国换热器行业规模有望达到 1500 亿元。目前，全国换热设施市场呈现出供不应求的市场状态，换热设施产业正处在黄金增长期 17-20。2课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题本课题的研究目标主要是设计出一套能够满足生产 4500Kg/h 的二硫化碳成套装备精馏系统的再沸器。以及换热工艺计算，设计合理结构，管板强度校核等问题。2.2.1 关于热交换器的强化传热问题和传热面积的确定强化热交换器的传热过程，主要目的就是为了在单位时间和一定的传热面积中传递尽量多的人，主要意义就是在特定的设备投资和输送功率的情况下，取得一定的传热量，从而使设备容量不断增加，提高劳动生产率 13。根据传热速率方程 ，(Q：单位时间内传递的热量，即功率，mQKAt单位 ；K：总传热系数； ：对数平均温差； ：两端温差中较大的；kW1t：两端中温差较小的)2t12lnmt在总功率一定时，传热面积大小取决于传热系数和对数平均温差。2.2.2 热交换器效率的问题热交换器效率是衡量实际换热状态与平衡状态的距离，这种平衡只有在换热面积无限大的时候才能实现。实验表明，效率高并不一定热交换器的热性能好，在某一温度压力状况下换热，传热速率尽可能大的热交换器才是优越的。由于换热设备与一般的热力过程不同，涉及到设备投资、运行经费、水电消耗等问题，所以评价热交换器和热交换器效率应当综合考虑，通常经济效率较高的的热交换器其效率一般在 90%左右，否则容易造成不必要的浪费 21。2.3 主要研究内容外文翻译前期材料设计计算、换热工艺、校核说明书出图二 设计方案的确定1 方案的原理、特点与选择依据1.1 方案的原理、特点管壳式（又称管式、列管式）热交换器是典型的间壁式热交换器，在热交换器产品中占据主导地位。管壳式热交换器主要由壳体、管板、封头、管箱前端、后端等部分组成。壳体大多为圆柱形，内部一般有管束，两端固定于热交换器管板上。在管壳式热交换器中进行换热的两种流体一种在管内流动，称为管程；另一种在管外流动，称为壳程。两种流体不直接接触，但是在管壁上由温度高的流体把热量传递给温度低的流体，借由管壁完成热量交换过程 21。由于管壳式热交换器具有操作可靠，结构简单，可在高温高压下使用。并且近几年来有了较多的研究和发展，已经具有了相当成熟的理论体系和应用方案，成为了一项重要的传热重点研究领域。同时，管壳式热交换器的强化传热已经应用到了实际的热交换器生产当中，并且强化传热技术也不是针对某一方面展开的，他包括了管程强化传热，壳程强化传热和管束强化传热三个部分。强化传热一方面能够节约能源，提高热交换器换热效率，另一方面可以提高热交换器的使用寿命 22-24。同时在对热交换器进行设计时，要对各个参数有明确的认识，首先包括设计的假定条件，比如植物精油的物理化学性质和冷却水的要求，还有对设计中各种工艺的计算和设备的选取，包括热交换器尺寸，折流板数目，传热系数，换热面积和污垢系数等。除了物化参数还包括各种结构的选择，包括管束分程，传热管和管板的选择，折流板的设计，壳体和厚度的设计等等。还要考虑到流体的结垢，以及不同介质所产生的局部腐蚀和泄漏所造成的减少热交换器寿命的结果 25-27。1.2 方案的选择依据热交换器的选型时需要多种方面和多种因素的考虑，主要包括流体的性质、压力、温度、压降及其可允许的范围内；对清洗维修的要求；材料成本及价格；现场安装及维护的便捷性；壁面的工作温度；使用寿命和可靠性等。还有热交换器的腐蚀余量、水压试验压力还有最大压力是否满足要求。由于一台热交换器无法满足以上全部要求，只要考虑某几个因素就可以了 28。其基本的选型标准为：(1) 所选热交换器应当基本满足工艺要求；(2) 热交换器本身应当能够在所要求的工程实际环境之下正常工作；(3) 热交换器应当能够容易维护、清理和维修；(4) 考虑经济性，综合考虑热交换器的安装维护费用，应当尽可能经济；(5) 要考虑到换热介质的性质，对热交换器本身是否有影响；(6) 考虑价格成本及经济问题 29。所以选择釜式重沸器，管程走循环水 壳
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