轻烃类石化冷却系统的空冷器散热性能及优化技术研究

摘要

空冷器是石油、化工、能源等行业中轻烃类炼化装置广泛使用的冷却设备。但许多空冷器结构设计存在不足,对使用环境要求苛刻。本课题对吐哈油田轻烃炼化装置所使用的湿式空冷器腐蚀、结垢严重等问题展开了研究,通过校核该设备的散热能力,得出了空冷器散热负荷分配比例不当是产生问题的根源,并提出了空冷器以干湿结合冷却为主的结构优化方案及最小散热裕量。同时结合优化前后的温度场和流场分析,为轻烃类冷却系统的空冷器在类似环境中的合理选型和结构优化提供了依据,具有较大的工程应用价值。本课题主要完成的工作如下:根据空冷器传热原理,建立了干式空冷器、湿式空冷器和干湿联合空冷器的数学模型。并通过MATLAB软件设计出了四套空冷器分析及设计程序:干式空冷器散热能力计算程序、干式空冷器设计程序、干湿联合空冷器散热能力计算程序和干湿联合空冷器设计程序。通过干湿联合空冷器散热能力计算程序对吐哈油田湿式空冷器进行校核与分析,找出了吐哈油田湿式空冷器产生腐蚀的原因。根据空冷器设计理论和相关设计程序,完成了干式空冷器、湿式空冷器和干湿联合空冷器的设计。针对吐哈油田湿式空冷器设计了四套方案,并对四套方案进行了评估,提出了目前吐哈油田湿式空冷器以干湿结合冷却为主的最佳结构优化方案。应用有限元分析软件ANSYS,对翅片管管体热应力进行了计算,给出了提高换热效率的可靠途径。并对设计方案中确定的干湿结合空冷器整体管路进行了温度场有限元分析,获得了整体温度场分布云图,为空冷器的优化设计提供了理论支持。应用流场分析软件FLUENT,对新旧方案空冷器内流场进行了数值计算,确定了空冷器内部速度场的分布情况,为空冷器的优化设计具有重要指导意义。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 空冷器发展现状

1.2 课题来源

1.3 课题研究背景

1.4 课题研究意义

1.5 课题的主要内容

第二章 空冷器传热理论与设计方法

2.1 空冷器传热的基本理论

2.2 干式空冷器的传热计算

2.2.1 干式空冷器热阻和传热系数的计算

2.2.2 干式空冷器阻力的计算

2.2.3 干式空冷器散热能力的计算

2.3 湿式空冷器的传热计算

2.3.1 湿式空冷器热阻和传热系数的计算

2.3.2 湿式空冷器阻力的计算

2.3.3 湿式空冷器散热能力的计算

2.4 干湿联合空冷器的传热计算

2.5 空冷器设计的基本原理

2.6 本章总结

第三章 空冷器的设计计算与校核程序的设计

3.1 空冷器程序设计的总体结构

3.2 干湿联合空冷器散热能力计算程序

3.3 干式空冷器散热能力计算程序

3.4 干湿联合空冷器设计程序

3.5 干式空冷器设计程序

3.6 本章总结

第四章 吐哈油田湿式空冷器散热能力分析

4.1 吐哈油田湿式空冷器的现场调研

4.2 吐哈油田湿式空冷器的散热能力计算

4.3 吐哈油田湿式空冷器散热能力结果分析

4.4 本章总结

第五章 湿式空冷器的结构优化

5.1 湿式空冷器结构优化方案的建立

5.2 采用干式空冷器的优化方案

5.2.1 计算依据

5.2.2 干式空冷器优化设计结果

5.2.3 干式空冷器优化方案可行性分析

5.3 采用湿式翅片式空冷器的优化方案

5.3.1 计算依据

5.3.2 湿式翅片式空冷器优化设计结果

5.3.3 湿式翅片式空冷器优化方案可行性分析

5.4 采用干湿联合空冷器的优化方案

5.4.1 计算依据

5.4.2 干湿联合空冷器优化设计结果

5.4.3 干湿联合空冷器优化方案可行性分析

5.5 吐哈油田湿式空冷器结构优化方案的确定

5.6 本章总结

第六章 吐哈油田湿式空冷器翅片管热应力和热场分析

6.1 空冷器翅片管三维模型的建立

6.2 空冷器翅片管单元有限元模型的建立

6.3 空冷器入口处翅片管热场有限元分析

6.4 空冷器入口处翅片管的热应力场与变形分析

6.4.1 空冷器入口处翅片管的热应力分析

6.4.2 空冷器入口处翅片管的变形分析

6.5 本章总结

第七章 空冷器优化前后温度场分析

7.1 空冷器器温度场分析理论

7.2 管内热流体状态的确定

7.3 管内流体局部热场分析

7.4 空冷器整体温度场有限元分析

7.5 设计方案温度场变化趋势的有限元分析

7.5.1 干湿联合空冷器新设计方案的有限元分析

7.5.2 原厂基础上改进设计方案的有限元分析

7.5.3 干式联合空冷器温度场分析结论

7.6 本章总结

第八章 空冷器优化前后流场数值模拟分析

8.1 流场分析目的

8.2 流场模型的建立

8.3 数值计算方法

8.4 结果分析

8.5 空冷器优化方案的数值模拟

8.5.1 优化方案流场模型

8.5.2 优化方案数值计算

8.5.3 优化方案流场结果分析

8.6 流场分析结论

8.7 本章总结

结论

参考文献

致谢

作者简介

附录