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大型空分氮主换热器的优化设计.rar

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    大型 空分氮主 换热器 优化 设计
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    毕业设计报告二 ○ 一 五 届 毕 业 论 文大型空分氮主换热器的优化设计学 院:电子与控制工程学院专 业:自动化姓 名:黄俊心学 号:201132010318指导教师:李 刚完成时间:2015 年 06 月 12 日二〇一五年六月毕业设计报告1摘 要空气分离是以空气压缩、空气净化、换热、制冷与精馏五个主要环节,利用吸附法、膜分离法或低温法的基本方式以实现将空气中的各个组分分离开来的技术。大型空分设备是指 10000m³/h 等级的空分设备。随着冶金、化工、石化和煤化工朝着大型化发展,对单套空分设备的容量也提出了新的要求,单套装置的规模也越来越大,国内超大型制氧机已达到 100000m³/h 等级,但是我国空分行业与国外还有着较大的差距 [1]。换热器是空分装置换热环节中的主要设备。其中板翅式换热器以其传热效率高、适应能力强、成本低等优点在空分设备换热环节中大量使用。换热器的优化设计直接关系到成套空分的生产效率、运行成本等重要因素。大型空分主换热器在我国器属于特种设备,因而本设计中主要依据相关的国家标准,并利用相关热力计算以满足产品的参数需求。由于此设备内部压力很高,因而必须经过严格的强度计算校验以确保在使用过程中的安全。经验算,测试结果表明,本文所设计的氮主换热器可以满足设计要求,并能安全稳定地实现空分设备中的氮换热环节。关键词:空分、制氧机、换热器毕业设计报告2AbstractAir separation is a technique for separating each component from the air. There are some key links in the air separation, which are air compressing, air cleaning, heat exchange, refrigeration and rectification. Adsorption method, membrane separation and low temperature method are the basic methods of air separation. Large-scale air separation is the air separation that its oxygen output is over 10000m³/h. With the development of metallurgy, chemical engineering, petrifaction and coal chemical industry towards large-scale, the new market situation brings forward new demands and the scale is becoming larger and larger. The oxygen output of domestic super-large air separation have been over 100000m³/h, but there is still a big gap compared with foreign products of the same kind.In a set of air separation units, the heat exchanger is the main equipment in the heat exchange link. And plate-fin heat exchanger be used extensively in the heat exchange link because of its virtues such as high efficiency, resilient and low cost. The successful design of the heat exchanger is important with production efficiency, digression and so on.In China, the heat exchanger of a large-scale air separation is special equipment, so the design must base on national standards and the thermodynamic calculation. Because of the high intensity of pressure, the design also be verified by the strength calculation.By the checking calculation, the result show the design of the heat exchanger of a large-scale air separation qualified, and it can work safely.KEY WORDS: Air separation, Oxygenerator, Heat exchanger毕业设计报告3目录摘 要 ..................................................................................................................................1Abstract.................................................................................................................................2第一章 引言 ..........................................................................................................................61.1 研究背景和意义 .....................................................................................................61.2 国内外研究现状 .....................................................................................................61.2.3 国外研究现状 ..............................................................................................61.2.2 国内研究现状 ..............................................................................................91.3 本文的主要内容和组织结构 ...............................................................................11第二章 板翅式换热器 ........................................................................................................122.1 板翅式换热器概述 ...............................................................................................122.2 板翅式换热器特点 ...............................................................................................132.2.1 传热效率高 ................................................................................................132.2.2 紧凑 ............................................................................................................132.2.3 轻巧 ............................................................................................................142.2.4 适应性强 ....................................................................................................142.3 板翅式换热器结构 ...............................................................................................142.3.1 封头 ............................................................................................................142.3.2 封盖 ............................................................................................................142.3.3 隔板与侧板 ................................................................................................152.3.4 垫片 ............................................................................................................152.3.5 翅片 ............................................................................................................152.3.6 封条 ............................................................................................................152.3.7 螺塞 ............................................................................................................162.3.8 导流片 ........................................................................................................16毕业设计报告42.3.9 板束体 ........................................................................................................162.4 板翅式换热器的数学模型 ...................................................................................162.4.1 设计参数 ....................................................................................................172.4.2 热负荷计算 ................................................................................................182.4.3 传热计算 ....................................................................................................182.5 本章小结 ...............................................................................................................18第三章 系统方案设计 ........................................................................................................203.1 总体结构设计 .......................................................................................................203.2 热力计算 ...............................................................................................................243.2.1 选择翅片型式和确定翅片几何参数 ........................................................243.2.2 确定流路型式 ............................................................................................243.2.3 求出对数平均温差 ....................................................................................243.2.4 确定通道数 ................................................................................................243.2.5 确定设计压力 ............................................................................................253.2.6 通道排列 ....................................................................................................253.3 强度计算 ...............................................................................................................263.3.1 强度计算标准 ............................................................................................263.3.2 常规强度计算 ............................................................................................263.3.3 开孔补强计算 ............................................................................................263.3.4 压力试验的应力校验 ................................................................................273.4 本章小结 ...............................................................................................................28第四章 性能测试 ................................................................................................................294.1 气密性试验 ...........................................................................................................294.2 耐压试验 ...............................................................................................................294.3 本章小结 ...............................................................................................................30第五章 总结与展望 ............................................................................................................315.1 本文工作成果 .......................................................................................................31毕业设计报告55.2 今后的工作 ...........................................................................................................31参考文献 ..............................................................................................................................34致 谢 ..................................................................................................................................36毕业设计报告6第一章 引言1.1 研究背景和意义进入 21 世纪以来,冶金、化工、石油等行业朝着大型化发展,因此,与之相关的空分行业也必须快速发展以满其需求。预计未来 10 年,气体行业全国总销售量将达到 1000 亿元,年均增速将保持在 15%左右。庞大的市场需求,使国内对大型空分设备的需求将迎来新一轮高峰。但随着相关行业的发展,大型空分设备国产化以及空分装置流程多样化将成为我国空分设备制造行业做大做强的关键 [2-3]。而整套空分装置中的主换热环节作为空分设备中至关重要的部分,其设计与制造直接影响着整套空分装置的质量。随着空分设备的大型化发展,空分设备中主换热器的设计也变得越来越复杂,其难度也随之提高。设计不当将会导致设备在今后的使用过程中出现严重问题,其可能造成不可估量的严重损失。例如 2015 年刚刚发生的南京石化发生的爆炸,不仅造成了财产的损失,还造成了人员的伤亡。所以大型空分中主换热器科学严谨地设计是至关重要的。1.2 国内外研究现状1.2.3 国外研究现状1902 年,德国林德冷冻机械制造公司创始人卡尔.林德设计制造世界上第一台工业性 10m3/h 制氧机,1903 年开车出氧,世界工业制氧机从此诞生。发展到现在,从流程上讲,从高压节流→中压带膨胀机→高低压带膨胀机→全低压;从设备上讲,从简单到复杂,再从复杂到简单,由小→中→大→特大;从压力上讲,从20MPa→5MPa→0.5MPa,即从高压→中压→低压发展,以求节能降耗;从产品上讲,从单一氧气→氧氮同产并双高→氧、氮、氩→氧氮+五种稀有气体(氩、氖、氦、氪、氙)提取,并气—液并产,或全液体设备 [4]。总之,围绕“节能与安全” ,不断创新发展。至今已 100 多年,已低压化、大型化、特大化、自动化、高纯化、液体化、贮运化、综合化、现场化、投资化。空分设备特点是:特大型、填料塔、无氢毕业设计报告7制氩、内压缩、气液并产、变负荷、多工况、高纯度、高提取率、高自动化、高可靠、低能耗、长周期等等。深冷空分,国外 100 多年,国内 50 多年。我国制氧机制造,解放前是“空白” ,几个主要大城市的几家氧气厂,总共只有 89 套 10~200m 3/h 的洋设备,制氧总量3415m3/h。1953 年,哈尔滨第一机械厂(哈氧前身)受命仿制成 2 套 30m3/h 制氧机,但未就此转向制氧机专业生产。1953 年 6 月,浙江铁工厂(杭氧前身)试制完成我国第一台 40-I 型军用充氧车,随后开始试制制氧机,由陈逸樵担任主任设计师,1955 年底试制完成 30m3/h 制氧机,1956 年 1 月 3 日出氧,当年生产 12 套,我国制氧机制造业从此诞生。随后发展成“八厂二所一公司 ”;改革开放后,又出现股份制公司和民营制造企业,至当前已形成一个行业:气体分离与液化设备行业。当前,我国空分设备与空分技术,已都可参与国际竞争,达到较高的水平,并出口,2007年上半年全行业出口创汇同比增长 12%,实现出口创汇 3151.5 万美元。现世界已有40 多个国家和地区矗立起杭氧的空分设备。当今世界最大并投运的空分设备是法液空提供南非萨索尔公司的3550t/d(~103660m 3/h)特大空分设备,2003 年底开车成功,2004 年 2 月 9 日举行投运落成庆典。法液空 2005 年制造完成当今最大的 3900t/d(~113880m 3/h)空分设备,为加拿大长湖化工项目配套。2006 年安装好,因供电问题,一直没有投运;原欲 2007 年“五一 ”前后开车,仍因电未成。法液空公司声称可以设计制造 18 万 m3/h超大型空分设备。林德公司投运最大的制氧设备为 99000m3/h,投运最大的制氮设备是335000m3/h,共 4 套,供墨西哥海上油田注氮采油用;继而又添造 354000m3/h 制氮设备,仍然供墨西哥海上油田注氮采油用。林德公司 2005 年全球签订了 37 套大型空分设备,其中 2005 年 11 月与沙特阿拉伯国家工业气体公司签订 2 套 92100m3/h特大型空分设备,计划 2008 年 4 月投产。2005 年林德公司与日本三菱重工签订105000m3/h 特大型空分设备,安装于沙特阿拉伯。美国空气产品与化学品公司投运最大的为 3100t/d(~90500m 3/h) ,外签南非萨索尔等为 3500t/d(~102000m 3/h)特大型空分设备。近年,国外公司投标中国空分市毕业设计报告8场的空分设备也特大化,其中有:法液空 2005 年与宝钢(三钢)签“60000”×2;2006 年 5 月与内蒙伊泰煤化工签“52000”×1;2006 年 7 月与天碱签“60000”×2;2007 年 5 月与神华宁夏煤业签“3000t/d” 、 (~“90000”×2) 。林德公司 2005 年与宝钢签“60000”×1,与云南云维集团签“51800”×1,与神华集团签“50000”×2(配煤制油) ;2006 年 1 月与陕西神木签“56000”×1,2006 年 6 月与武钢签“60000”×2 ,2006年 10 月与首钢迁曹妃甸签“75000”×2;2007 年 3 月与新疆广汇集团签 “60000”×2(配甲醇项目) 。美国普莱克斯 2007 年 1 月与江苏镇江索普集团签3000t/d(~90000m 3/h)空分设备 1 套(配醋酸项目) 。液空(杭州)公司,靠京杭大运河轮船码头,2005 年 4 月将 3900t/d 空分下塔“庞然大物”借船出海,运往美国组装后再运加拿大现场安装。原在中国的林德工艺装置有限公司是德国林德公司与大连冰山集团的合资企业,由林德公司控股,其下设两大中心:杭州工程与销售中心(2005 年 5 月 1 日更名为“林德工程(杭州)有限公司”,林德占 75%股份,大连冰山占 25%股份) ;大连制造中心。为制造 10 万m3/h 等级空分设备的需要,林德与冰山于 2005 年 5 月 12 日在大连海港边另行投资成立林德工程(大连)有限公司。这样,德国林德集团在中国有其控股的两大工程公司,体现了与国际模式接轨。2007 年德国《化工简讯》报道,2006 年中国超过日本,成为全球第二化工大国。2006 年全球化工产值的最新排名为:美国、中国和日本。2005 年,中国就取代了德国,登上全球化工产业第三的位置。中国化工的崛起,成为全球第二化工大国。化学工业也已从原来工业气体第二位大用户,成为第一位大用户。2005 年杭氧承接的合同,也第一次出现冶金型空分项目少于化工型空分项目,化工后来居上。当前,国内外最大空分设备的订户,现不再是钢铁企业,而是煤化工或天然气化工企业。2007 年我国连续招标上了三套 3000t/d(~90000m 3/h)特大空分(目前国内最大容量),就都配套于化工项目。2006 年 7 月 5 日川空与河北新能化工公司签订“45000”×2(内压缩) 。2007 年 2 月 8 日,杭氧中标神华包头“60000”×4,也是用于煤化工(煤制烯烃) ;随后,2007 年 3 月 16 日,杭氧与内蒙久泰能源公司签的“40000”×3,也是用于煤化工(二甲醚、甲醇)项目。至此,杭氧已承接“40000”以上特大空毕业设计报告9分设备 22 套。2007 年 7 月 17 日,开空向神华宁夏煤业集团 83 万 t/a 二甲醚工程配套提供“45000”×2 正式签约。据报道,煤气化厂,如用 2000t/d 煤的,要配“48000”空分设备。我国未来 20 年,将进入“重化工” 时代,给特大空分发展带来机遇 [5]。另外,我国钢铁业兼并重组、迁扩建也给空分带来市场。如杭氧 2006 年 6 月与宝钢签订“61000”×1,2007 年与新余钢厂签订“25000”×2,与八一钢厂签“40000”×2。开空2007 年 3 月 13 日与柳钢签订“40000”×1。开元空分公司 2007 年 8 月 30 日与河北迁安九江线材公司签订“30000”×1。1.2.2 国内研究现状自 2000 开始,我国以杭州杭氧股份有限公司(以下简称:杭氧)为代表的中国空分设备制造业,通过自主创新、自主研发,国产化的大型空分设备得到了快速发展,迅速占领了国内大型空分市场的制高点。2002 年 12 月 13 日,杭氧开发的首套国产 30000m3/h 空分设备顺利开车,首次实现了大型空分的国产化,在之后的 10 年内,40000m 3/h、50000m 3/h、60000m 3/h 等级的空分设备也逐步通过自主开发投产成功,标志性产品有:杭氧提供给大唐国际多伦煤化工 3 套 58000m3/h 内压缩空分设备 2009 年 7 月一次开车成功;2010 年 10 月 21 日,由杭氧研制的 6 万等级内压缩空分装置在北京顺利通过中国机械工业联合会组织的鉴定。它的成功研发是我国空分历史上的一个重要里程碑,也标志着杭氧已全面掌握 6 玩等级煤化工大型空分装置的设计、制造换热成套技术,使我国大型空分装置的国产化又跨上了一个新的台阶,成为国际上第五家可以生产 6 万等级煤化工空气分离设备的制造企业。尤其是杭氧 60000m3/h 等级外压缩、内压缩型空分设备相继实现大批量国产化,总量超过了进口空分产品在国内市场的占有率,使这些国产大型空分获得了用户的信任的订购。在目前的重大工业项目中,一次投资少、运行能耗低、占地面积少的特大型低能耗空分设备彰显出极大的竞争优势,深受用户的青睐,将成为未来空分市场的主角。2011 年、2012 年杭氧又先后取得了杭氧盛隆 80000m3/h 和伊朗 12 万 m3/h 成套空分设备的合同订单,其中伊朗 12 万 m3/h 成套空分设备,空气处理量达到 61 万
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