《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 85萬噸年芳烴生產(chǎn)中加氫工段能量利用分析》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 85萬噸年芳烴生產(chǎn)中加氫工段能量利用分析（31頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、第三章 換熱器的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)熱力計(jì)算書學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 所在學(xué)院： 能源學(xué)院 專 業(yè)： 熱能與動(dòng)力工程 設(shè)計(jì)(論文)題目： 85萬噸/年芳烴生產(chǎn)中加氫工段 能量利用分析 指導(dǎo)教師： 2008 年 4 月 30 日第一章 文 獻(xiàn) 綜 述1.1芳烴生產(chǎn)現(xiàn)狀芳烴(苯、甲苯、二甲苯(BTX)是產(chǎn)量和規(guī)模僅次于乙烯和丙烯的重要有機(jī)化工原料。其衍生物廣泛用于生產(chǎn)合成纖維，合成樹脂，合成橡膠以及各種精細(xì)化學(xué)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年全球苯、甲苯、二甲苯的消費(fèi)量分別為33.6，15.0，23.3 Mt，預(yù)計(jì)2008年將分別達(dá)到42.1，19.1，33.5 Mt，年均增長速率分別為3.8 ，4.1 ，6
2、.3。最初芳烴生產(chǎn)以煤焦化得到的焦油為原料。隨著煉油工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，芳烴生產(chǎn)已轉(zhuǎn)向以催化重整油和裂解汽油為主要原料的石油化工路線1。芳烴是石油化工的重要基礎(chǔ)原料，在總數(shù)約800萬種的已知有機(jī)化合物中，芳烴化合物占了約30，其中BTX芳烴(苯、甲苯、二甲苯)被稱為一級基本有機(jī)原料。由此可見，芳烴的社會(huì)需求量是非常大的，前景是非常誘人的2。1.2芳烴生產(chǎn)技術(shù) 目前，石油芳烴大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)通過現(xiàn)代化的芳烴聯(lián)合裝置來實(shí)現(xiàn)。通常芳烴聯(lián)合裝置包括催化重整，裂解汽油加氫，芳烴轉(zhuǎn)換，芳烴分離等裝置3。但是目前，國內(nèi)在催化重整、甲苯歧化烷基轉(zhuǎn)移及二甲苯異構(gòu)化等技術(shù)領(lǐng)域，都開發(fā)出具有國際同等水平的催化
3、劑4。但是國內(nèi)芳烴生產(chǎn)技術(shù)與國外還有一定的差距，主要表現(xiàn)：缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芳烴生產(chǎn)工藝，目前多數(shù)主要芳烴生產(chǎn)裝置采用國外的工藝技術(shù)；現(xiàn)有芳烴生產(chǎn)技術(shù)缺乏有效的整合，至今尚未提出自主的芳烴生產(chǎn)組合技術(shù)及工藝流程，國內(nèi)的芳烴聯(lián)合裝置全部都以國外的工藝流程為主體進(jìn)行設(shè)計(jì)；國內(nèi)芳烴生產(chǎn)在原料來源，產(chǎn)品系列化進(jìn)程和工業(yè)化程度上與國外存在一定差距5。然而，隨著各種資源的自然減少，我們所面臨的能源危機(jī)愈加嚴(yán)重，煤炭，石油，天氣等各種資源的供應(yīng)已經(jīng)呈現(xiàn)非常緊張的局面。然而，隨著社會(huì)的工業(yè)化，反而需求更多的能源，因此能源的供求矛盾更加凸顯出來4。因此，如何能夠利用盡可能少的能源，創(chuàng)造出更大的工業(yè)利潤來，是
4、人們現(xiàn)在迫切追求的。這就迫使人們認(rèn)真研究各種動(dòng)態(tài)能量的開發(fā)和合理利用，火用的概念引起了人們的高度重視并且得到了廣泛應(yīng)用，解決了熱力學(xué)和能源科學(xué)長期沒有任何一個(gè)參數(shù)可以單獨(dú)評價(jià)能量的價(jià)值的問題?；鹩玫母拍罹哂猩钸h(yuǎn)的理論意義和重大的實(shí)際意義。隨著“節(jié)能減排”的提出，節(jié)能工作的深入，火用分析在能源管理，石油化工，熱能動(dòng)力，制冷領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用78。1.3火用分析法的應(yīng)用凡是實(shí)施把熱量從一種介質(zhì)傳給另一種介質(zhì)的設(shè)施都稱為換熱器,換熱器已是各種能量系統(tǒng)中使用最為廣泛的單元設(shè)備之一,因此,如何對換熱器換熱過程進(jìn)行分析和評價(jià),如何正確設(shè)計(jì)和選擇換熱器,對提高能源利用率,降低能量消耗具有重要意義9。為此,
5、許多學(xué)者從各個(gè)方面對換熱器的性能進(jìn)行了熱力學(xué)分析,提出了許多換熱器熱力學(xué)性能的評價(jià)指標(biāo),諸如火用效率、熵產(chǎn)率、無因次熵產(chǎn)數(shù)、無因次熵產(chǎn)率等。無疑,這些指標(biāo)在評價(jià)換熱器的熱力學(xué)性能上都起到了一定的作用,然而,在大多數(shù)情況下我們還需知道影響換熱器性能的主要因素是什么。即在換熱器的不可逆?zhèn)鳠峄鹩脫p失和流動(dòng)火用損失中,在不同的設(shè)備尺寸和不同的工況下這兩部分損失對換熱器的性能有多少影 1011。在對熱力系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)分析過程中,需要計(jì)算各設(shè)備的火用效率,從而指出熱力學(xué)性能需要改進(jìn)的設(shè)備,并提出改進(jìn)的方案。換熱器是熱力系統(tǒng)中的一種常見設(shè)備,在對熱力系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)分析時(shí),當(dāng)發(fā)現(xiàn)某換熱器的火用效率較低時(shí),人們
6、通常會(huì)認(rèn)為是傳熱溫差過大，熱損失也過大或壓力損失過大所致。因?yàn)?由熱力學(xué)第二定律可知,溫差傳熱過程是不可逆的,溫差越大,不可逆性越大,因此火用效率越低；而熱損失或壓力損失均可造成火用損失,因此會(huì)造成火用效率降低1213。但在熱經(jīng)濟(jì)分析中,有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)某些火用效率較低的換熱設(shè)備,其換熱溫差、熱損失及壓力損失并不大。由此可見,當(dāng)忽略熱損失及壓力損失時(shí),換熱器火用效率的影響因素除了換熱溫差之外,還有其他因素 14 15。為說明系統(tǒng)的火用效率,首先要說明燃料和產(chǎn)品的定義。產(chǎn)品是指系統(tǒng)的目的,以火用參數(shù)來衡量,符號為F。燃料是指系統(tǒng)為獲得該產(chǎn)品所必需消耗的代價(jià),也以火用參數(shù)來衡量,符號為P。就換熱器來說,
7、如果其目的是用熱流體來加熱冷流體,則產(chǎn)品為冷流體火用的增加值,而燃料為熱流體火用的減少值；如果其目的是用冷流體來冷卻熱流體,則產(chǎn)品為熱流體火用的減少值,而燃料為冷流體火用的增加值161718火用效率定義為系統(tǒng)的產(chǎn)品與燃料的比值,即: = 在熱力設(shè)備運(yùn)行的過程中,收益的火用Eg 與付的火用Ep 的比值,稱為該系統(tǒng)的火用效率。即E = (1) 根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知,任何不可逆過程都要引起火用的損失,但是任何系統(tǒng)或過程所引起的火用損失,用符號El 表示。即El = Ep- Eg (2)火用損失量El 與消耗火用量Ep 的比值,稱為該系統(tǒng)的火用損失系數(shù),用符號表示： = (3)將(1) 、(2) 及
8、(3) 式聯(lián)立,則e = 1 - (4)可見,火用效率是消耗火用利用份額,而損失系數(shù)是消耗火用的損失份額。根據(jù)熱力學(xué)第二定律,任何過程的火用效率都不可能大于1。對于理想的可逆過程,由于火用損失等于零,故火用效率等于1 ,而實(shí)際過程都是不可逆的,都有火用損失,故火用效率通過火用平衡分析,可通過綜合能量的量和質(zhì)兩個(gè)方面來正確評價(jià)熱力設(shè)備的完善性,用以指導(dǎo)這些設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造的方向1819。 在一切實(shí)際過程中,由于存在不可逆損失,所以火用值不守恒。用火用的概念對過程進(jìn)行熱力學(xué)分析,把能量的“量”的大小和“質(zhì)”的高低都考慮進(jìn)去了。通過火用值的平衡計(jì)算可以找出真正的損失所在,從而為改進(jìn)過程指出方向。值得
9、注意的是火用損失的數(shù)值是衡量過程不可逆程度的一種度量21。它可以對各種過程的好壞進(jìn)行定量分析。火用損失是一個(gè)絕對量,它無法比較不同工作條件下各過程或各設(shè)備中火用的利用程度,為此,在火用分析中廣泛使用火用效率概念。一般火用效率常用如下定義:ex = 獲得、輸出的火用/ 供給、輸入的火用對可逆過程和可逆循環(huán),不存在火用損失,所以火用效率等于1；對不可逆過程和不可逆循環(huán),存在火用損失,其火用效率小于122 23。因此，一方面要強(qiáng)化目的傳遞過程的傳遞效率, 另一方面要準(zhǔn)確估算和盡可能降低由于傳遞過程強(qiáng)化所引起的不可逆的火用損失的代價(jià)。上述給出的能量傳遞效率與能量損耗( 火用損) 及其與強(qiáng)化傳遞過程推動(dòng)
10、力之間的相互約束關(guān)系表明, 降低能量損耗和提高能量傳遞效率,可以通過協(xié)調(diào)傳遞過程中所包含的不同推動(dòng)力之間的關(guān)系或調(diào)整驅(qū)動(dòng)力與火用損的關(guān)系得以控制,使能量傳遞單元設(shè)計(jì)最優(yōu)化。如改變不同驅(qū)動(dòng)力之間的交角、或者調(diào)整推動(dòng)力的大小。所給出的目標(biāo)函數(shù)可以作為能量傳遞過程強(qiáng)化的熱力學(xué)判據(jù), 以此發(fā)展能量傳遞單元或系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法, 為進(jìn)一步研究能量傳遞過程單元或系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了努力的方向24 25。 參考文獻(xiàn)1 李燕秋,白爾錚,段啟偉.芳烴生產(chǎn)技術(shù)的新進(jìn)展.石油化工J. 2005年第34卷第4期2 米 多.國內(nèi)外芳烴生產(chǎn)及消費(fèi)預(yù)測.技術(shù)經(jīng)濟(jì)與市場.江蘇化工J.第32卷第 6 期3 邱 江.芳烴生產(chǎn)技術(shù)
11、現(xiàn)狀及研究進(jìn)展.當(dāng)代化工J.2006年10月.第35卷第5期4 劉一心,何智勇.輕烴芳構(gòu)化技術(shù)進(jìn)展J.石油與天然氣化工.2005.34(3)1651675 胡德銘我國催化重整裝置發(fā)展空問的探討煉油技術(shù)與工程J.2004.34(10)596 楊寶貴. 石腦油加工流程問題的探討.煉油技術(shù)與工程J.2004 年10月第34卷第10期 7 王松平，華賁，陳清林，尹清華.能量、火用、火無之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系.1997年第2期8 S.H. Amini, J.A.M. Remmerswaal, M.B. Castro, M.A. Reuter. Quantifying the quality loss and r
12、esource efficiency of recycling by means of exergy analysis. Journal of Cleaner Production. 2007. 32. 281296 9 錢偉.淺論節(jié)能潛力分析方法.應(yīng)用能源技術(shù)J.2003年第5期10 劉一心,楊維軍.芳烴生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀評述.石油與天然氣化工J.第35卷第1期11 路守彥.降低芳烴抽提裝置能耗的探討.乙烯工業(yè).2000.12(1)12 Geoffrey P. Hammond. Industrial energy analysis, thermodynamics and sustainabilit
13、y. Applied Energy. 2007. 84. 67570013 葛玉林,沈勝強(qiáng).芳烴產(chǎn)品整體節(jié)能方案探討J.2006年第2期(總第283期)14 Noam Lior, Na Zhang. Energy, exergy, and Second Law performance criteria. Energy.2007.32.28129615 Oleg Ostrovski, Guangqing Zhang. Energy and exergy analyses of direct ironsmelting processes. Energy. 2007. 30. 2772278316
14、馬吉民,王洪泳,耿世彬,張華興.換熱器火用分析計(jì)算和火用焓圖表示.制冷與空調(diào)J.2002年第3期17 邵理堂,舒?zhèn)?換熱器的火用損失分析.淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)J.2000年3月第9卷第1期18 項(xiàng)敬巖,王海青.換熱器火用效率的影響因素及其在熱經(jīng)濟(jì)分析中的作用.沈陽電力高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)J.2003年4月第5卷第2期19 李庚生,李永華,閆順林,苗鑫華.火用經(jīng)濟(jì)學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用華北電力M.No.102006 20 王松平,陳情林,尹清華.能量、火用、火無之間的轉(zhuǎn)換.第2期21 王松平,陳清林,華賁.能量傳遞系統(tǒng)強(qiáng)化的熱力學(xué)判據(jù).華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)J.第34卷第2期2007年3月22 楊麗明.以火用分析法比較
15、制冷工質(zhì)的流動(dòng)換熱性能.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然版)J.第31卷,第6期.2003年6月23 Ahmet Duran Sahin, Ibrahim Dincer, Marc A. Rosen. Thermodynamic analysis of solar photovoltaic cell systems. Solar Energy Materials & Solar Cells. 2007. 91. 15315924 李永達(dá),劉晉玲,肖德倉, 周歡,劉惠寧.用火用分析法評價(jià)熱力設(shè)備的探討.應(yīng)用能源技術(shù)J.2001年第2期(總第68期)25 錢偉.淺論節(jié)能潛力分析方法.應(yīng)用能源技術(shù).2003年
16、第5期(總第83期)第二章 能量利用分析2.1加氫工段主要設(shè)備分類由加氫臺(tái)帳表可知，主要設(shè)備中含有空冷器11臺(tái)、熱交換器89臺(tái)、反應(yīng)器5臺(tái)、塔設(shè)備14臺(tái)、加熱爐5臺(tái)等。以統(tǒng)計(jì)圖表示如下 圖3.1由上統(tǒng)計(jì)圖可以得知：熱交換器占主要設(shè)備的72%.以下是對熱交換器的介紹與分類。 熱交換器介紹：講某種流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給其他流體的設(shè)備，稱為換熱器。在這種設(shè)備內(nèi)，至少有兩種不同溫度的流體參與傳熱。一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體溫度較低，吸收熱量。換熱器的分類多種多樣，按傳熱壁面的形狀，換熱器可分為：U型式，固定管板式，板式，浮頭式，頭蓋式等等。管殼式換熱器是指由圓筒形殼體和裝配在殼體
17、內(nèi)的帶有管板的管束所組成的管式換熱器。因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、流通截面較寬、易于清洗水垢等優(yōu)點(diǎn)，所以在日常生產(chǎn)中大量使用。此工段的加熱器大概分類如下圖 圖3.由統(tǒng)計(jì)圖可以看出，加氫工段中，U型和浮頭式管殼換熱器所占比重較大。U形管式換熱器：U形管式換熱器的管束彎曲成U形，兩管口一端固定在管板上，U形管一端不固定，可以自由伸縮，所以沒有溫差力。U形管式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，只有一個(gè)管板，節(jié)省材料。但這種換熱器管內(nèi)流體為雙程，管束中心有一部分空隙。殼程流體容易走短路。管子不易更換，壞了的管子就只能堵塞不用。U形管式換熱器適用于管內(nèi)走高溫、高壓、腐蝕性較大，但不易結(jié)垢的流體。管外可以走易結(jié)垢的流體。浮
18、頭式換熱器：浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由移動(dòng)。這種浮頭式換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由的。浮頭式換熱器管束可以抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。浮頭式換熱器的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，在運(yùn)行中浮頭處發(fā)生泄露，不易檢查處理2.2設(shè)備熱力計(jì)算主要符號熱流體進(jìn)口溫，K熱流體出口溫度，K冷流體進(jìn)口溫度，K冷流體出口溫度，K熱流體的定壓比熱J/（mol*K）冷流體的定壓比熱J/（mol*K）S熵，J/KE火用，J火用效率T0環(huán)境溫度，KP產(chǎn)品F燃料h焓，J2.2.1火用效率的定義為說明系統(tǒng)的火用效率,首先要說明燃料和產(chǎn)品的定義。產(chǎn)品是指系統(tǒng)的目的,以火用參數(shù)來衡量,符號為
19、F。燃料是指系統(tǒng)為獲得該產(chǎn)品所必需消耗的代價(jià),也以火用參數(shù)來衡量,符號為P。就換熱器來說,如果其目的是用熱流體來加熱冷流體,則產(chǎn)品為冷流體火用的增加值,而燃料為熱流體火用的減少值;如果其目的是用冷流體來冷卻熱流體,則產(chǎn)品為熱流體火用的減少值,而燃料為冷流體火用的增加值?；鹩眯识x為系統(tǒng)的產(chǎn)品與燃料的比值,即2.2.2 火用效率公式推導(dǎo)假設(shè)某換熱器的目的是用熱流體來加熱冷流體,為簡P化分析,假設(shè)參與傳熱的熱冷流體為理想氣體,壓力保持不變,質(zhì)量流量相同并為定值,燃料為：產(chǎn)品為換熱器的火用效率為：2.2.3設(shè)備能量利用分析結(jié)果下表格是對各設(shè)備能量利用分析結(jié)果名稱單位重量換熱量/106J/th)火用
20、收益E106/J/h火用效率h/%單位面積火用收益EF/103J/(m2h)新鮮進(jìn)料/一系列反應(yīng)出料換熱器1814.61532091.073 83.886 1814.615循環(huán)氣/一系列反應(yīng)出料換熱器892.50011950.97884.42847803.912一系列反應(yīng)出料調(diào)節(jié)冷卻器2317.2412700.79859.1225591.714循環(huán)氫/二系列反應(yīng)出料換熱器1570.80011698.45960.04868412.039重石腦油氣提塔釜液/脫戊烷塔釜液換熱器1501.6443266.36284.32722857.676鮮進(jìn)料/二系列反應(yīng)出料換熱器1848.00011414.229
21、58.01767539.814新鮮進(jìn)料/二系列反應(yīng)出料換熱器1848.00011414.22958.01767539.814脫戊烷塔進(jìn)料/二系列反應(yīng)出料換熱器2679.3107566.61357.97447144.004二系列反應(yīng)出料調(diào)節(jié)冷卻器201.395165.93059.758453.361補(bǔ)充氫壓縮機(jī)中間冷卻器1015.647297.86731.6532158.457補(bǔ)充氫壓縮機(jī)后冷卻器736.296238.97735.2511927.234名稱單位重量換熱量/106J/(th)火用收益E106/J/h火用效率h/%單位面積火用收益EF/103J/(m2h)脫戊烷塔塔頂餾分調(diào)節(jié)冷卻器4
22、831.504844.54159.4414373.592氫氣壓縮機(jī)冷卻器1793.750359.19324.9823070.022重石腦油調(diào)節(jié)冷卻器240.22073.11048.137435.960脫丁戊塔冷凝器75.76282.33941.700129.975再生塔冷凝器615.56382.33931.2601306.967再生塔再沸器938.000453.00383.1137550.052C4水冷器1641.500123.887110.4123539.623液化氣水冷器1641.50094.39999.0572551.3342.3 計(jì)算結(jié)果分析 通過對所提供臺(tái)帳中熱交換器的計(jì)算分析，氫氣
23、壓縮機(jī)冷卻器單位面積火用效率很低，需要改進(jìn)的空間較大，以下就是對該設(shè)備的重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而使該熱交換器的火用效率提高。參考文獻(xiàn)1史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)M.南京：東南大學(xué)出版社，2003.2楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)M.第三版.北京：高等教育出版社，1998.3馬吉民，王洪泳等.換熱器火用分析計(jì)算和火用熵圖表示J.制冷與空調(diào)，2002，3：58.4吳雙應(yīng),牟志才，劉澤筠換熱器性能的火用經(jīng)濟(jì)評價(jià)J.熱能動(dòng)力工程，1999，1（84）：437440.5宋長華，羅明坤.換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討J.重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2003，8（4）：1013.6沈維道，蔣智敏，童鈞耕. 工程熱力學(xué)M.第三
24、版.北京：高等教育出版社，2001.第三章 換熱器的設(shè)計(jì)3.1換熱器的分析選擇第二章已經(jīng)分析得出，氫氣壓縮機(jī)冷卻器單位面積火用效率很低，造成的能量損失很大，因此需要對該換熱器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。管殼式換熱器因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、流通截面較寬、易于清洗水垢等優(yōu)點(diǎn)，因此我們將其設(shè)計(jì)為 型的固定管板式換熱器。3.2原始數(shù)據(jù)以及流體的物性參數(shù)氫氣項(xiàng)目符號數(shù)值單位冷卻水項(xiàng)目符號數(shù)值單位進(jìn)口溫度t130進(jìn)口溫度t33出口溫度t43出口溫度t43工作表壓力p0.35MPa工作表壓力p5.8MPa定性溫度t86.5定性溫度t38比熱C14.3 kJ/（kg)比熱C4.178 kJ/(kg)密度0.089 kg
25、/m密度993 kg/m黏度102.5 kg/(ms)黏度52510kg/(ms)導(dǎo)熱系數(shù)8030 W/(m)導(dǎo)熱系數(shù)0.652 W/(m)普朗特?cái)?shù)Pr10.1825-普朗特?cái)?shù)Pr23.36-3.3設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1傳熱量及平均溫差熱損失系數(shù) 取用0.98 換熱量為2392KW冷卻水用量M2=C ()=2065/4.178（43-33）=57.25kg/s氫氣質(zhì)量流量=()=2065/14.3(130-43)=1.66 kg/s逆流時(shí)的對數(shù)平均溫差=35.59參數(shù)P及R P=0.103 R=8.700溫差修正系數(shù)查表得 =0.986有效平均溫差=0.98635.59=35.103.3.2估算傳
26、熱面積及傳熱面結(jié)構(gòu)初選傳熱系數(shù)K查參考資料，以外徑為準(zhǔn)，取K=400W/(m)估算傳熱面積FF=2050/40035.10=146 m管子材料選用碳鋼無縫鋼管尺寸為502.5管程內(nèi)冷卻水的流速選用=1m/s管程所需流通截面A A=0.0577 m每程管數(shù)n n= =40.0577/0.0502=30每根管長L L= F/n=146/7220.050=6.43m 取標(biāo)準(zhǔn)長6m管子排列方式選等邊三角形管中心距s由表取64mm分程隔板槽處管中心距由表取76mm平行于流向的管距ss=scos30=76cos30=55.6mm垂直于流向的管距ss=ssin30=76sin30=38 mm拉桿直徑為16
27、mm六邊形層數(shù)a=5一臺(tái)管子數(shù)n=60根一臺(tái)拉桿數(shù)4根一臺(tái)傳熱面積F=ndL=600.0506=56.5管束中心至最外層管中心距離算出為0.384m管束外緣直徑D D=0.38420.050=0.818m殼體內(nèi)徑Db3=0.25d=25.0mmD= D+2b=0.818+0.05=0.868m按GB151-1999規(guī)定，取標(biāo)準(zhǔn)直徑0.9 m長徑比L/ D=6/0.9=6.7，合理3.3.3管程計(jì)算管程接管直徑DD=1.13=1.13=271 mm,取標(biāo)準(zhǔn)值，接管型號為2737管程雷諾數(shù)Re Re =83222管程換熱系數(shù)=47783.3.4殼程結(jié)構(gòu)及殼程計(jì)算折流板形式選定為弓形折流板缺口高度h
28、, 取h=0.25D=0.250.9=0.225mm折流板的圓心角為120折流板間距取0.60m折流板數(shù)目N=6000/600-1=9個(gè)折流板上管孔數(shù)102-21=81個(gè)折流板上管孔直徑d,由GB151-1999規(guī)定0.O5545m通過折流板上管子數(shù)為52根折流板缺口處管束為18根折流板直徑D由GB151-1999 規(guī)定0.894m折流板缺口面積A A= =0.124268 m錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)F F=0.66缺口處管子所占面積AA= =0.02135 m流體在缺口處流通面積A A= A- A=0.124268-0.02135=0.102916 m流體在兩折流板間錯(cuò)流流通截面積 =0
29、.25 m殼程流通截面積A A=0.1604 m殼程接管直徑D，按=0.1604計(jì)算，并由鋼管標(biāo)準(zhǔn)選相近規(guī)格，選取4509錯(cuò)流區(qū)管排數(shù)N=4 每一缺口內(nèi)的有效錯(cuò)流管排數(shù)N N=0.8=0.80.225/0.0556=3.2旁流通道數(shù)N=1旁通擋板數(shù)N=3對錯(cuò)流面積中旁流面積所占分?jǐn)?shù)F F= =0.288一塊折流板上管子和管孔間泄露面積A A=d=0.0426 m折流板外緣與殼體內(nèi)壁之間泄露面積A A= =0.005652 m殼程雷諾數(shù)Re Re=21805理想管束傳熱因子j查圖得0.010折流板缺口校正因子j查圖得1.08折流板泄露校正因子j 由=0.1930 及=0.1171查圖得j=0.7
30、8旁通校正因子j由=0.5 及F=0.288 查圖得j=0.90殼程傳熱因子j j=jjjj=0.0101.080.780.90=0.0076殼程質(zhì)量流速G G=1.66/0.1604=10.35kg/( ms)殼側(cè)壁面溫度t假定為35壁溫下氫氣的粘度查物性表得23910 kg/(ms)殼側(cè)換熱系數(shù) =jGCPr/ =0.007610.3514300 =8823.3.5需用傳熱面積水垢熱阻查相關(guān)資料得0.00034（m）/W氫氣熱阻查相關(guān)資料得0.00017（m）/W管壁熱阻忽略傳熱系數(shù)K K= =510 W/( m)傳熱面積F F=2065000/51077.54=52.21 m傳熱面積之比
31、F/F=56.5/52.21=1.08檢驗(yàn)殼側(cè)壁溫t t= t-K =50.21，與原假定值差0.043.3.6阻力計(jì)算管內(nèi)摩擦因子f查圖得f=0.0058管側(cè)壁溫t假定為43壁溫下水的粘度查物性表的498.7 kg/(ms)沿程阻力 =4=4 =3307Pa回彎阻力 =4=3972 Pa進(jìn)出口連接管阻力 =1.5=745 Pa管程總阻力=+=3307+3972+745=8024 Pa理想管束摩擦系數(shù)f查圖可得 f=0.2理想管束錯(cuò)流段阻力 =4f=799 Pa理想管束缺口處阻力 =2359 Pa旁路校正系數(shù)R查圖可得 R=0.9折流板泄露校正系數(shù)R查圖可得 R=0.51折流板間距不等的校正系
32、數(shù)R,間距相等，不需校正R=1殼程總阻力= = =26983 Pa總阻力沒有超過管殼式換熱器規(guī)定的范圍。此換熱器設(shè)計(jì)合理。優(yōu)化之前，熱交換器的單位面積火用效率為3.070022106J/(m2h)。優(yōu)化之后，熱交換器的單位面試火用效率為6.355141738106J/(m2h)。3.4強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)計(jì)算3.4.1換熱器的主要技術(shù)特性管殼式換熱器型號：BEM900（1）、公稱直徑DN為900mm，換熱面積F為56.5m2，公稱長度LN為6m。（2）、管程和殼程管程數(shù)Nt為2，殼程數(shù)Ns為1。（3）、壓力（表壓）殼程工作壓力為0.35MPa，設(shè)計(jì)壓力為0.8MPa。管程設(shè)計(jì)壓力為5.8MPa，設(shè)計(jì)
33、壓力為6.4MPa。（4）、溫度殼程工作溫度為52.5，設(shè)計(jì)溫度為46。管程工作溫度為38，設(shè)計(jì)溫度為33。（5）、主要受壓元件材質(zhì)為20號鋼。（6）、物料名稱殼程為冷卻水，管程為氫氣。3.4.2殼體、管箱殼體和封頭的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核，壓力試驗(yàn)（1）、壁厚的確定殼體、管箱殼體和封頭共同組成了管殼式換熱器的外殼。殼體、管箱殼體、封頭的材料選用20號鋼。由熱力計(jì)算，殼體選取標(biāo)準(zhǔn)鋼管9008，管箱殼體內(nèi)徑亦9008，封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，長半軸為442mm，短半軸為221mm，厚度為8mm。（2）、強(qiáng)度校核殼程設(shè)計(jì)壓力MPa管程設(shè)計(jì)壓力MPa1）殼體壁厚校核 查表得，MPa 許用應(yīng)力下的計(jì)算厚度為，mm
34、 名義厚度為，mm8mm 滿足強(qiáng)度要求。2）換熱管壁校核 查表得，MPa 許用應(yīng)力下的計(jì)算厚度為，mm 名義厚度為，mm3mm 滿足強(qiáng)度要求。3）橢圓封頭校核 查表得，MPa 許用應(yīng)力下的計(jì)算厚度為，mm 名義厚度為，mm0.581MPa 管程 MPa0.875MPa 管程、殼程滿足壓力試驗(yàn)強(qiáng)度校核。3.4.3管板與換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)、管板管板是管殼式換熱器的一個(gè)重要元件，它除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器的一個(gè)重要受壓元件。1）管板結(jié)構(gòu)固定式管板換熱器兼作法蘭的管板，法蘭與管板連接的密封面為突面，分程板槽拐角處的倒角為1045。碳鋼隔板槽寬度為12mm，槽深取6mm。2）管板尺寸選用管
35、板尺寸時(shí)，若管板密封面尺寸和螺柱中心孔尺寸與相應(yīng)法蘭標(biāo)準(zhǔn)不符，則以法蘭標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。(2)、換熱管1）換熱管的規(guī)格換熱管標(biāo)準(zhǔn)為GB/T8163-1987輸送液體用無縫鋼管，材料為20號鋼，管子選取標(biāo)準(zhǔn)鋼管503mm。2）換熱管的排列型式管子排列型式等邊三角形排列，因?yàn)楣茏娱g距都相等，所以在同一管板面積可以排相同多的管子數(shù)，而且便于管板的劃線與鉆孔。換熱管中心距：64mm（由熱力計(jì)算）換熱管排列原則a、換熱管的排列應(yīng)使整個(gè)管束完全對稱。b、在滿足布管限定圓直徑和換熱管與防沖板間的距離規(guī)定的范圍內(nèi)，應(yīng)布滿換熱管。c、拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，在靠近折流板缺邊位置處應(yīng)布置拉桿，期間距小于或等于7
36、00mm，拉桿中心折流板缺邊的距離應(yīng)盡量控制在換熱管中心距的（0.51.5）范圍內(nèi)。d、多管程的各程管數(shù)應(yīng)盡量相等。3）管程分程換熱管的換熱面積較大而管子又不很長時(shí)，就得排列較多的管子，為了提高流體在館內(nèi)的流速，增大管內(nèi)傳熱膜系數(shù)，就須將管束分程，本換熱器中管程分2程，每程中的管數(shù)相同。(3)、管孔由表，級管束管板管孔直徑為55.45mm，允許偏差為mm。(4)、進(jìn)出口設(shè)計(jì)在換熱器的殼體和管箱上均裝有接管為進(jìn)出口管，在殼體和管箱底部裝有排液管，上部設(shè)有排氣管。1）接管外伸長度l按表得，管程接管為2737mm，長度l為200mm，殼程接管為2196mm，長度l為200mm。2）接管與殼體，管箱殼
37、體（包括封頭）連接的結(jié)構(gòu)型式，采用插入式焊接結(jié)構(gòu)，接管不得凸出于殼體的內(nèi)表面。3）排氣管、排液管為提高傳熱效率，排除或回收工作殘液（氣）及凝液，凡不能借助其他接管排氣或排液的換熱器，應(yīng)在其殼程和管程的最高、最低點(diǎn)，分別設(shè)置排氣、排液接管，排氣、排液接管的端部必須與殼體或管箱殼體內(nèi)壁齊平。排氣管、排液管：603mm，l=200mm4）接管最小位置為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進(jìn)出口接管應(yīng)盡量靠近兩端管板，而管箱進(jìn)出口接管應(yīng)盡量接近管箱法蘭，可縮短管箱殼體長度，減輕設(shè)備重量。然而，為了保證設(shè)備的制造，安裝，管口距法蘭的距離也不能靠的太近，它受最小位置的限制，通常取l為1.5D（D為接管外徑）
38、。管箱接管位置l=407mm殼程接管位置l=330mm排氣、排液接管位置l=407mm(5)、拉桿1）拉桿與管板焊接，拉桿孔結(jié)構(gòu)2）拉桿的位置拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，任何折流板應(yīng)不少于3個(gè)支撐點(diǎn)。3.4.4殼體與管板、管板與法蘭及換熱管的連接(1)、殼體與管板的連接結(jié)構(gòu)殼體與管板的連接型式為不可拆式，管板與殼體是用焊接連接。(2)、管板與發(fā)生藍(lán)的連接管板兼作法蘭，管箱與法蘭的連接為固定式，比較簡單。除了滿足工藝上的要求，選擇一定的密封面型式外，按壓力，溫度來選用法蘭的結(jié)構(gòu)型式。(3)、管子與管板連接采用焊接，由于管孔不需要開槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，因此制
39、造加工簡便。焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉能力強(qiáng)，當(dāng)焊接部位滲漏時(shí)，可以補(bǔ)焊。如需調(diào)換管子，可采用專用刀具拆卸焊接破漏管，反而比膨脹管方便。3.4.5法蘭、密封面、墊片、螺母、螺柱的選取(1)、法蘭的選取由HG20592-97，法蘭類型：板式平焊法蘭，代號：PL(2)、密封面的選取由HG20592-97，密封面型式：凸面，代號：RF(3)、連接尺寸的選取(4)、墊片的選取由HG20606-97，材料：石棉橡膠板，代號：XB350，墊片表面應(yīng)平整，五翹曲變形，不允許由疙瘩，裂縫，氣泡，外來夾雜及其他可能影響使用的缺陷，邊緣切割應(yīng)整齊。墊片應(yīng)有整張板材制成，不允許拼接。(5)、螺柱、螺母的選取由HG2061
40、3-97選取(6)、數(shù)據(jù)匯總表格密封面尺寸：項(xiàng)目單位管程殼程排氣、排液管殼體dmm4092661181001f1mm2225cmm20201638數(shù)據(jù)來源HG20592-97表8.0.1連接尺寸：項(xiàng)目單位管程殼程排氣、排液管殼體Dmm5304151851115Kmm4603451451050Lmm36361833ThM332M332M16M302n1612428數(shù)據(jù)來源HG20592-97表7-1墊片尺寸：項(xiàng)目單位管程殼程排氣、排液管殼體Dmaxmm32522077920D2mm4172731271017Tmm5553b3334數(shù)據(jù)來源HG20592-97表4.0.2-2螺柱尺寸：項(xiàng)目單位管程
41、殼程排氣、排液管殼體ThmmM332M332M16M302nmm1612428lmm185145100215m10-310626771312430數(shù)據(jù)來源HG20592-97表A0.2-13、18螺母尺寸：ThmmM332M332M16M303m10-3242.8184.429605.2數(shù)據(jù)來源HG20592-97表A0.2-273.4.6其它附件(1)、折流板折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要根據(jù)工藝過程及要求來確定，設(shè)置折流板的主要是為了增加殼程流體的流速，提高殼程的傳熱膜系數(shù)，從而達(dá)到提高總傳熱系數(shù)的目的。同時(shí)折流板對于臥式換熱器的換熱管具有一定的支撐作用，當(dāng)換熱管過長，而管承受的壓應(yīng)力過大時(shí)。在滿足
42、換熱器殼程允許壓降的情況下，增加折流板的數(shù)量，折流板的間距，對緩解換熱器的手里狀況和防止流體流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)有一定的作用。而且設(shè)置折流板也有利于換熱管的安裝。1）折流板的型式弓形（單弓形）2）折流板尺寸 折流板缺口高度為0.225mm（見熱力計(jì)算） 折流板最小厚度為8mm（GB151-1999） 折流板圓心角為120（見熱力計(jì)算） 折流板數(shù)目為9（見熱力計(jì)算） 折流板直徑為0.894m（見熱力計(jì)算）3）折流板管孔 由GB151-1999得，鋼管換熱級管束管孔直徑為55.45mm，允許偏差為mm。4）折流板外直徑的允許偏差 折流板外直徑的允許偏差為mm。5）折流板的布置 折流板的布置一般應(yīng)使管束兩端
43、的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)出口接管，其次折流板按等距布置，靠近管板的折流板與管板的距離可按熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用計(jì)算。 折流板的缺口水平、上下布置 折流板間距600 mm 折流板間距見熱力計(jì)算為600mm(2)、旁路擋板旁路擋板的厚度為8mm（與折流板相同），數(shù)量為1對，應(yīng)與折流板焊接實(shí)用。(3)、分程隔板分程隔板的厚度為10mm（由GB151-1999），槽深為4mm，寬度為12mm。(4).支座的選取 根據(jù)BJ/T712-92選取鞍式支座，3.4.7重量計(jì)算(1).換熱管的重量單位長度重量為3.47kg總重為：3.34(2).殼體與管箱的重量：530kg(3).管板重量：兩個(gè)管板的重量：2(4
44、).折流板重量9塊折流板的重量為： (5).接管重量：殼程接管：管程接管：排氣排液管：(6).法蘭重量：排氣排液管法蘭：1.85kg殼程接管法蘭：6.85kg管程接管：11.9kg殼體法蘭：69.1kg法蘭總重量：(7).支座重量：2(8).封頭重量：59kg( 9).拉桿重量：3.4 小結(jié)重新設(shè)計(jì)的換熱器與原換熱器的參數(shù)比較，見表3-14.表3-14換熱器的參數(shù)比較名稱程數(shù)殼/管換熱面積m2熱負(fù)荷Q/KW傳熱系數(shù)K/w/(m2oC)火用效率h/%單重/噸設(shè)計(jì)的換熱器1/252.21239251048.91.795原換熱器1/21172392694.350.84.8 由上表3-12可以看到換熱
45、器的火用效率和性能指標(biāo)并沒有顯著的變化，傳熱系數(shù)得到了顯著的提高，但換熱面積卻減少了許多，再從單重上看來，降低了很多，發(fā)揮了固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，重量輕的優(yōu)點(diǎn)。由于熱負(fù)荷沒有改變，因而同時(shí)也增加了單位重量的換熱量。從以上看來，此次優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功的。參考文獻(xiàn)1史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)M.南京：東南大學(xué)出版社，2003.2董金善.制冷裝置與鍋爐用壓力容器M.南京：南京工業(yè)大學(xué)，2003.3錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.第四章 結(jié)論與展望本課題應(yīng)用了比較全面的能量分析原理，對85萬噸/年芳烴生產(chǎn)中重整工段的不同設(shè)備進(jìn)行了合理的用能分析。并且針對性能較低或結(jié)構(gòu)
46、不合理的換熱器進(jìn)行了重新的設(shè)計(jì)，達(dá)到了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)并得到了以下結(jié)論：1. 建立了換熱器用能效率計(jì)算通式，并且提出了評價(jià)換熱器性能的性能指標(biāo)，并同時(shí)考慮了換熱器的火用效率、單位面積火用收益，即同時(shí)考慮了換熱器的性能和經(jīng)濟(jì)性。2. 從火用效率的角度來看，有相變的換熱器的性能要高于無相變的換熱器和空冷器的性能，并且性能指標(biāo)隨著火用效率的增加而增加。在本課題的基礎(chǔ)上，建議今后對以下問題進(jìn)一步研究：1. 換熱器火用效率的影響因素及其在熱經(jīng)濟(jì)分析中的作用，從而找出提高火用效率減少火用損失的方法，提高換熱器的性能。2. 流體進(jìn)出口溫度對換熱器熱力學(xué)性能影響的分析，為提高換熱器性能提供參考并進(jìn)一步完善工程上對換熱器的熱力學(xué)性能分析。0
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 85萬噸年芳烴生產(chǎn)中加氫工段能量利用分析
