合成氨裝置-中溫加壓變換第一熱交換器設計【浮頭式換熱器含11張CAD圖帶外文翻譯】
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題目：合成氨裝置-中溫加壓變換第一熱交換器一、前言1 課題研究的意義，國內外研究狀況和發(fā)展趨勢（1） 課題的研究背景氨是重要的無機化工產品之一，在國民經濟中占有重要地位。合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。世界上的氨除了少量從焦爐氣中回收外，絕大部分是合成的氨。氨的主要用途是農業(yè)生產，合成氨是我化肥工業(yè)的基礎，氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各種銨鹽肥料，稱之為“化肥氨”，這部分均占 70%的比例； 同時氨也是重要的無機化學和有機化學工業(yè)基礎原料，用于生產銨、胺、染料、炸藥、合成纖維、合成樹脂的原料，約占 30%的比例，稱之為“ 工業(yè)氨” 。據統計 1994 年世界氨產量為 113.46Mt，中國、美國、印度、俄羅斯四個主要產氨國占了一半以上。在化學工業(yè)中合成氨工業(yè)已經成為重要的支柱產業(yè) [1] [2]。合成氨所需原料除天然氣、石油、煤炭等一次能源以外，還需要消耗較多的電力、蒸汽等二次能源，且用量很大，而中國合成氨生產能耗占全國能耗的 4%左右。因此，降低能耗成為衡量合成氨技術與經濟效益的指標。這又引出了合成氨裝置中的換熱器。換熱器是生產裝置中十分重要的熱量交換設備，它是一種在不同溫度的多種介質之間實現熱量傳遞的節(jié)能設備。它可以用低溫介質冷卻高溫介質從而達到降溫、預冷的效果，也可以用高溫介質加熱低溫介質，使其溫度達到工藝流程的規(guī)定標準從而達到生產的需要 [3]。因此通過對換熱器的設計進行優(yōu)化，材料選擇優(yōu)化等等方式，以期能獲得低能耗、高效率、壽命長和養(yǎng)護維修費用低的改進型換熱器成了發(fā)展的必然趨勢。（2）課題的研究意義2017 年，我國全面落實《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》。在經濟效益、資源利用、國家政策的推動下，生產節(jié)能是現在的主流。隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，國家對單位 GDP 的能耗控制指標不斷細化。作為重要過程設備的換熱器在石油、化工、冶金、核電、建材等行業(yè)的熱量回收和綜合利用中發(fā)揮著越來越大的作用。為了全面提高換熱設備的傳熱能力，我國在換熱設備的選型和研究上做了許多卓有成效的工作，主要包括三個方面的內容：研究和采用包括高通量換熱管在內的各種強化傳熱元件技術；對大型管殼式換熱器進行攻關；在高效傳熱結構的基礎上研究大型纏繞管式換熱器和大型板殼式換熱器。除此以外，我國在大型板式換熱器的國產化中也取得了一定的進展 [4]。本課題研究重點是設計一臺用于合成氨裝置-中溫加壓變換第一熱交換器，屬于管殼式換熱器，需要該換熱器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，達到合理利用能源的目的。（3）國外換熱器發(fā)展狀況從 20 世紀 20 年代開始，出現了應用于食品工業(yè)的板式熱交換器，熱交換器開始逐漸的發(fā)展。30 年代初瑞典首次制成螺旋板式熱交換器，30 年代末又制造出第一臺板殼式熱交換器。到 20 世紀 60 年代到 70 年代，為了適應高溫高壓和節(jié)能條件和強化傳熱，又開發(fā)出了熱管式熱交換器。20 世紀 80 年代后，大量的強化傳熱原件出現，與此同時產生了大量的新型高性能熱交換器，如折流桿熱交換器、新結構高效熱交換器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程熱交換器、板殼式熱交換器、表面蒸發(fā)式空冷器等。進入 21 世紀后，大量強化傳熱技術應用于工業(yè)裝置，世界熱交換器產業(yè)在技術水平上獲得了快速的提升。 [3][5]（4） 國內換熱器的發(fā)展狀況我國的換熱器發(fā)展起步較晚，1963 年撫順機械設備制造有限公司制造出了中國第一臺符合美國 TEMA 標準的管殼式換熱器。1965 年蘭州石油機械研究所研制出我國第一臺板式換熱器。二十世紀 60 年代，蘇州新蘇化工機械有限公司研制出了我國第一臺螺旋板式換熱器。二十世紀 80 年代后，我國掀起了自主開發(fā)傳熱技術的熱潮，出現了一些以折流桿換熱器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器為代表的高效換熱器。 [3][5]總結說來，換熱器的技術發(fā)展主要分為三個階段：第一階段主要解決是否能夠實現換熱的問題；第二階段以提升冷卻效率為目標，主要是對傳熱過程的研究和對換熱部件的改進；第三階段強調生產成本、運行成本、環(huán)境消耗成本等綜合成本與冷卻效果的優(yōu)化設計。 [21]（5)管殼式換熱器的研究現狀管殼式換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數，通常在殼體內安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結垢的流體。管殼式換熱器的主要控制參數為加熱面積、熱水流量、換熱量、熱媒參數等。流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。為提高管內流體速度,可在兩端管箱內設置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應用。管殼式換熱器由于管內外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內將產生很大熱應力，導致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當管束與殼體溫度差超過 50℃時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應力。圖 1-管殼式換熱器工作原理根據所采用的補償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型：①固定管板式換熱器管束兩端的管板與殼體聯成一體，結構簡單,但只適用于冷熱流體溫度差不大,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，以減小熱應力。②浮頭式換熱器管束一端的管板可自由浮動，完全消除了熱應力;且整個管束可從殼體中抽出,便于機械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應用較廣，但結構比較復雜，造價較高。③ U 型管式換熱器每根換熱管皆彎成 U 形，兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)，借助于管箱內的隔板分成進出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應力，結構比浮頭式簡單，但管程不易清洗。④新型熱交換器：隨著科技的發(fā)展，誕生了不少新型管殼式熱交換器。包括空心環(huán)管式熱交換器、螺旋折流板列管熱交換器、渦流熱膜換熱器、蒸發(fā)式冷卻器、整體鋁翅片管熱交換器、渦流熱膜熱交換器、集成管箱型熱交換器、階梯式折流板換熱器。 [9]而對于大型管殼式換熱器來說，國外的生產環(huán)氧乙烷/乙二醇規(guī)模從 7 萬 t/a 發(fā)展到 68 萬 t/a，而我國環(huán)氧乙烷/乙二醇生產規(guī)模最大的是中國石化在鎮(zhèn)海所建的項目，生產能力達到 65 萬 t/a，其中工藝技術采用美國的 DOW 化學公司工藝，其換熱器直徑達到 4 700 mm，換熱管的長度超過 20 m，換熱面積最大達到了 10 000 m2 以上。而相對于大直徑、長換熱管的換熱器，在現行的國內外標準中沒有十分適合的計算方法，較小的金屬壁溫差也會導致設置膨脹節(jié)或者增加管板的厚度，其現行的國家標準中超過2000 mm 的壓力容器用膨脹節(jié)需要特殊的設計和制造，而換熱管在超過 20 m 以及接近20 m 的范圍內其質量也得不到保證。我國以常熟華新特殊鋼有限公司和江蘇銀環(huán)精密鋼管股份有限公司為代表率先實現了 30 m 以內的重要材料換熱管的國產化，而中國一重和上海重型在鍛制管板的能力上也有了進一步的提升，其中完成了帶有柔性連接環(huán)的大型薄管板。 [7][8]我國完成了世界上第一臺加氫裂化裝置高壓纏繞管式換熱器的研制，并在中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司 150 萬 t/年加氫裂化裝置中成功使用。Languri 和 Esfahani(2017 年)演示了用石墨烯納米管進行的一種殼管式熱交換器的分析。Kumar 和 Sonawane 測量了/水和/EG 納米流體的傳熱特性。由 Kumar 等人(2017)估算了/水納米流體在雙管換熱器中的傳熱、摩擦因數和有效性分析。 Mousavi 等人(2016) 對雙管式熱交換器內的納米顆粒進行了數值效應模擬。Akbarinia 和 Laur (2009) 和 Akbarinia (2008)研究了固體顆粒直徑對彎曲管中層流納米流體流動、表面摩擦系數和努塞爾數的影響。Naphon (2016)還研究了水平螺旋管中納米流體的傳熱和流動特性?？梢哉f，在太陽能集熱器等熱能裝置中，納米流體的應用正在日益發(fā)展(Michael 和Iiniyan，2015 ；SalavatiMebodi，2 015)。納米流體的應用對于提高板式換熱器（PHE）的傳熱特性具有很大的潛力。 [11]表 1-四種管殼式換熱器的特點(6)換熱器目前存在的不足與未來發(fā)展趨勢Ⅰ.目前存在的不足：（a）在設計中缺乏對于管束的防振認識。在大型換熱器中，介質流較大時，流體橫穿過管束，受到振動和卡門漩渦的影響，可能導致管束振動和聲振動，如果達到一定程 度會造成無法預估的經濟損失。（b）在管板制造時，不僅需要消耗大量的金屬材料，加大鍛造難度，甚至還需要拼焊，如何保證焊接材料和與管板材料性能的一致性以及防止變形等一系列的工管殼式換熱器類型管板與殼體連接方式管板數量 優(yōu)點 缺點 適用范圍固定管板式換熱器兩端管板均與殼體焊接固定兩個 結構緊湊；制造成本低；管內便于清洗殼程不易清洗；管殼程溫差較大時，管與管板的接口脫開易發(fā)生泄露管殼程溫差較??；殼程為清潔流體浮頭換熱器 一端管板固定，另一端可自由浮動兩個 殼體與管束不產生熱應力；管束可抽出，便于殼體檢修和清洗結構復雜，造價高；內浮頭蓋連接處泄露無法發(fā)現；排管數目較少管殼間溫差大殼程介質腐蝕性強、易結構U 型管換熱器管板與殼體固定一個 結構簡單，造價低；管束與殼體分離，消除熱應力；殼程檢修和清洗方便管束中央有空隙的，流體易走短路；管內清洗不方便；只有最外層管子可以更換高溫高壓管內為清潔流體填料函式換熱器一端管板固定，另一端采用填料函密封兩個 結構比浮頭式簡單；殼體與管束間不產生熱應力；殼程檢修和清洗方便填料函處易泄露低壓，小直徑（小于700mm）；無毒、非易燃和易爆藝需要逐步的改進。 （c）換熱器的組裝需提高很多零部件的加工精度，管束重，管子長，折流板多都制約著穿管子的可行度，小直徑剛性差的管子很難控制撓度，需要提出較高的裝配工藝，以及良好的工裝。 （d）管板和換熱管的連接一般分為強度脹接、強度焊接和脹焊并用，脹焊并用我國多采用強度焊和貼脹，而在國外應用密封焊和強度脹較多，當有高速的流體沖刷時很難保證密封的安全，相對而言，國外采取的結構更為可靠些。 （e）小直徑的換熱器的脹接技術和相關接頭的檢測技術和國外的技術水平相比還落后很多。 （f）目前對于管殼式換熱器來說，多數還是采用光滑的傳熱管，有更大的提升空間。（g）高效換熱管在一些特種材料上的應用還是空白，國內現基本以碳鋼、不銹鋼以及一些合金的換熱管為主。 （h）在生產制造中由于板材和鍛件熱應力產生的變形。（j）腐蝕環(huán)境對換熱部件的影響也是值得我們思考的。Ⅱ.未來發(fā)展趨勢工業(yè)生產上對換熱器的要求：傳熱效率高、流體阻力?。粡姸?、剛度、穩(wěn)定性都要足夠；結構合理，節(jié)省材料，成本較低；制造、裝拆、檢修方便；壽命長等。產品高效化、節(jié)能化、大型化都將是換熱器產業(yè)發(fā)展的方向。國家要大力建設節(jié)約型環(huán)保社會，這一方面將促進換熱器產業(yè)的高速發(fā)展，國家提供足夠的支持力度，刺激換熱器行業(yè)的積極性。另一方面也將引領產業(yè)向高效、環(huán)保、節(jié)能方面發(fā)展。 [6] 例如：（1）管板與管頭焊接型式和相應尺寸的新修訂，管板雙面腐蝕裕量的修訂。（2）多種檢測技術的發(fā)展，例如 UT、MT、RT 和 PT 等，但最有代表是TOFT 技術，檢測形式和質量都有了進一步的提升。（3）換熱器的污垢處理。（4）換熱器新材料選用與防腐處理。（5）有限元軟件模擬化設計和計算流體力學（CFD）的廣泛應用。（6）焊接技術的進步等。 [12]2 課題的研究目標、內容和擬解決的關鍵問題（1） 課題的目標a）合成氨裝置 -中溫加壓第一熱交換器的傳熱設計；b）合成氨裝置-中溫加壓第一熱交換器的結構設計；c）合成氨裝置 -中溫加壓第一熱交換器元件的強度校核；d）對熱交換器中某一部件進行有限元強度分析。（2）課題的工作內容 a）傳熱設計熱交換器工藝計算的根本目標是在允許的壓降條件下完成要求的熱負荷，并且設備的重量、體積、面積以及阻力降和功耗達到最小。工藝計算首先根據工藝設計條件結合工程實踐經驗選擇確定設備型式和傳熱面結構特性，然后確定流程布置和基本結構參數；進行熱力計算，確定近似尺寸;進行詳細設計計算。如計算滿足要求，則完成計算，否則需調整參數，重新優(yōu)化計算，直至滿足要求。熱交換器的的工藝計算比較復雜，工藝計算既與傳熱的理論基礎有關，還與流體物性有關，也與設備結構、傳熱元件的選擇有關。目前還沒有通用的傳熱計算方法用于工程設計。b）結構設計包括了設計參數、筒體結構、管箱、管箱封頭、換熱管的選取、防沖擋板與導流筒、管板設計、接管設計、折流板設計、防短路結構、法蘭選取、支座選取。c）強度校核包括了筒體校核計算、管箱與管箱封頭校核計算、接管校核計算、（固定管板式還膨脹節(jié)校核）、管板的校核計算、設備總體質量計算、支座校核計算等。d）有限元強度分析擬選取換熱器的管板進行有限元建模與強度分析并與傳統設計結算結果進行比較。（3） 課題擬解決的關鍵問題a) 熱交換器的工藝計算是極其復雜重要的基礎環(huán)節(jié)。b) 管板和管頭部分的應力計算與防腐蝕、防泄漏處理。二、設計方案的確定1 方案的原理、特點與選擇依據（1）方案原理、特點首先對給定物料進行參數計算，包括換熱面積、阻力降、壓力降等；再根據熱交換的標準與規(guī)范，進行熱交換器規(guī)格與型號的初步選擇；查各標準對材料的各許用應力和經濟性初步了解，為下一步選擇材料做準備；進行換熱器部件的選取和計算；進行各部件的校核計算；進行設備安裝的初步計算選?。蛔詈笳撌龇栏g等方法。圖 2-管殼式換熱器（STHE）傳熱計算流程圖（2） 選擇依據Ⅰ 相關標準和規(guī)范:GB150-2011《壓力容器》GB/151-2014《熱交換器》HG20584-2011《鋼制化工容器制造技術要求》等Ⅱ法律法規(guī)549 號《特種設備安全監(jiān)察條例》TSG 21-2015《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程 》等2 設計步驟（1） 熱交換器的工藝計算a. 確定設計條件和設計方案b. 確定物性數據c. 計算換熱量d. 計算換熱面積e. 計算工藝結構尺寸f. 折流板和接管g. 熱交換器的熱力核算h. 壓強核算（2） 熱交換器的結構計算a. 設計參數的選定b. 筒體結構選型與設計c. 管箱設計d. 管箱封頭設計e. 換熱管的選取f. 防沖擋板及導流筒設計g. 管板設計h. 接管設計j. 折流板的設計k. 防短路結構l. 支座的設計（3）熱交換器的校核計算a. 筒體計算b. 管箱、封頭厚度計算c. 接管計算d. 膨脹節(jié)的設計e. 管板強度計算f. 總體質量計算g.支座的校核（4）CAD 制圖a.熱交換器總裝配繪制b.熱交換器零部件圖繪制（5）對熱交換器中某一部件進行有限元強度分析三、階段性設計計劃、設計目標與應用價值（1） 階段性計劃學期/周次工作內容 檢查方式七/17 與導師見面、布置任務，查閱文獻； 文獻資料檢查包括：中英文書籍、標準、論文，翻譯的原文審核；七/ 18-19 翻譯文獻，撰寫文獻綜述； 翻譯譯文審核，文獻綜述審核（參考文獻數量：中文>15 篇，英文>5篇，參考文獻格式規(guī)范），通過后上傳文獻綜述；假期-八/ 1-2 確定設計方案，工藝設計計算； 提交設計說明書工藝計算部分；八/ 3-4 換熱器結構設計和強度計算； 提交設計說明書結構設計和強度計算部分；八/ 5-6 整理編寫設計說明書，并對說明書進行修改完善； 提交設計說明書檢查；八/7 畢業(yè)實習； 提交畢業(yè)實習報告；八/8-9 計算機繪制總裝配圖，中期檢查； 提交總裝配圖檢查，完成中期檢查報告；八/10-11 計算機繪圖部件圖、零件圖； 提交部件圖、零件圖檢查；八/12 所有圖紙匯總、校對、修改； 小組討論檢查，提交所有圖紙檢查；八/13 基于 Ansys 對熱交換器中的一個零部件進行強度分析 Ansys 強度分析報告檢查；八/14 整理畢業(yè)答辯材料，提交全部畢業(yè)設計材料； 按學校要求提交全部畢業(yè)設計相關材料；八/ 15-16答辯，根據答辯提出的問題進行修改完善。提交修改材料，畢業(yè)設計所有文件定稿。（2）設計目標本課題需要設計一臺用于合成氨裝置-中溫加壓變換第一熱交換器，要求通過本課題的設計全面掌握熱交換器的工藝計算、結構設計、強度計算以及 CAD 制圖，掌握熱交換器的標準化設計方法，基本掌握基于有限元的分析設計方法，具備工程設計的能力。（3）應用價值嚴格按照標準與法規(guī)設計出一臺滿足合成氨生產的第一熱交換器，并通過優(yōu)化設計提高換熱器的傳熱效率和降低能耗，達到更高效、更節(jié)能、使用年限更長的目標。四、參考文獻[1] 陳五平．無機化工工藝上冊［Ｍ］．北京：化學工業(yè)出版社，2000．[2] 蔣德軍．合成氨工藝技術的現狀及其發(fā)展趨勢[J]．現代化工，2005，25(8)： 9-14．[3] 毛文睿，李亞飛，張龍龍等．換熱器的研究現狀及應用進展[J]．河南科技，2014 (1X)：105-106．[4] 陳永東，陳學東．我國大型換熱器的技術進展[J]．機械工程學報，2013，49(10)：134-143．[5] 黃蕾，黃慶軍．世界換熱器產業(yè)發(fā)展現狀綜述[J]．石油和化工設備， 2011 (3)： 5-10．[6] 高廣超，張鑫，李超．換熱器的研究發(fā)展現狀[J]．當代化工研究， 2016 (4)： 83-84．[7] 陳永東，陳學東．我國大型換熱器的技術進展[J]．機械工程學報，2013, 49(10)：134-143．[8] 趙景玉，黃英，趙石軍．大型管殼式換熱器的設計與制造[J]．壓力容器，2015，32(3)： 36-44．[9] 牛東芳．管殼式換熱器設計中易出現的問題[J]．工業(yè) C，2016 (04)：00137-00138．[10]T· 庫潘，錢頌文，廖景娛等．換熱器設計手冊 [M]．中國石化出版社，2004．[11]Hajabdollahi H，Hajabdollahi Z．Numerical study on impact behavior of nanoparticle shapes on the performance improvement of shell and tube heat exchanger[J]．Chemical Engineering Research and 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