液化天然气装备设计技术：液化换热卷 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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在LNG工业领域，大力发展LNG产业，提高天然气能源在消费中的比例是调整我国能源结构的重要途径，LNG既是天然气远洋运输的主要方法，也是天然气调峰的重要手段。随着国内众多LNG工厂的相继投产及沿海LNG接收终端的建设，我国LNG工业进入了高速发展时期，与之相关连的LNG低温制冷装备技术也得到相应快速发展。LNG液化工艺主要包括天然气预处理、液化、储存、运输、接收、再汽化等工艺单元，其中，液化工艺为核心工艺流程，主要应用低温制冷工艺技术制取-162℃低温环境并将天然气液化。

本书主要围绕LNG混合制冷剂液化工艺及贮运工艺中所涉及的主要低温装备，研究开发LNG工艺流程中主要液化换热装备的设计计算技术，主要包括LNG低温液化混合制冷剂多股流缠绕管式主换热装备、LNG低温液化混合制冷剂多股流板翅式换热装备、表面蒸发空冷器等设计计算技术，为LNG液化、LNG换热等关键环节中所涉及4类主要设备的设计计算提供可参考样例，并推进LNG系列液化装备及系统工艺技术的标准化及国产化进程。

内容简介

本书主要围绕液化天然气（LNG）混合制冷剂液化工艺及贮运工艺中所涉及的主要低温装备，研究开发LNG 工艺流程中主要液化换热装备的设计计算技术，主要包括LNG 低温液化混合制冷剂多股流缠绕管式主换热装备、LNG低温液化混合制冷剂多股流板翅式换热装备、表面蒸发空冷器、开架式气化器、低温液氮洗用多股流缠绕管式换热器等设计计算技术，为LNG液化、LNG换热等关键环节中所涉及的主要设备的设计计算提供可参考样例，并推进LNG系列液化装备及系统工艺技术的标准化及国产化进程。

本书不仅可供液化天然气（LNG）、化工机械、制冷及低温工程、石油化工、动力工程及工程热物理等领域的研究人员、设计人员和工程技术人员参考，还可供高等学校化工机械、能源化工、石油化工、低温与制冷工程、动力工程等专业的师生参考。

作者简介

张周卫，兰州交通大学，教授，男，国家“万人计划”领军人才，创新创业人才，国家科技专家库专家，环境科学博士后，动力工程及工程热物理博士，毕业于西安交通大学能源与动力工程学院制冷及低温工程系，高级工程师，教授，主要从事空间低温制冷技术、压缩机械、真空低温设备、LNG过程控制装备、多股流缠绕管式换热装备、螺旋压缩膨胀制冷机等研究，涉及系统耦合传热及传热数值模拟计算，低温节流减压装置、低温系统换热装备、低温冷屏蔽系统、高超声速飞行器空间低温制冷机理研究等；先后参与北京航空航天大学863系统项目子项目“天然气涡旋压缩机”、清华大学航天航空学院973系统子项目“空间气流组织测试模拟环境室”、总装备部“空间低温红外辐射冷屏蔽系统研究”、真空低温国防重点实验室“空间低温流体流动特性实验研究”、国家重点实验室“空间低温流体自密封加注系统研究”等，先后参与项目20多项，主持国家自然基金及国家创新基金等6项、甘肃省创新基金4项、甘肃省自然基金等项目4项，与企业合作4项等；主持申报发明专利46项，发表论文30多篇，出版学术专著3部等；带领创新创业团队获得省级二等以上奖励54人次，厅级以上奖励80多人次，2013年入选江苏省启东市“东疆英才扶持计划”，2014年入选“国家创新人才推进计划”，2016年入选国家“特殊人才支持计划”。

内页插图

目录

第1章绪论
1．1LNG应用领域/001
1．2LNG工厂国内外发展现状/002
1．2．1国外发展及现状/002
1．2．2国内发展及现状/003
1．3LNG产业链/003
1．4LNG产业链各环节主要工艺概述/004
1．4．1LNG净化工艺/004
1．4．2LNG液化工艺/006
1．4．3LNG接收站工艺/009
1．4．4LNG加气站工艺流程/010
1．5LNG主要装备技术/011
参考文献/011

第2章LNG缠绕管式换热器设计计算
2．1LNG多股流低温缠绕管式换热器/012
2．1．1缠绕管式换热器设计计算路线/012
2．1．2MCHE型LNG液化工艺描述/013
2．1．3LNG缠绕管式换热器设计原则/020
2．2缠绕管式换热器换热工艺计算/021
2．2．1换热工艺计算主要内容/021
2．2．2缠绕管式换热器的制冷过程温熵图的绘制/030
2．2．3制冷装备通过真空层向外界辐射散热量的计算/035
2．2．4一级制冷装备传热及管束结构参数计算过程/036
2．2．5二级制冷装备传热及管束结构参数计算过程/048
2．2．6三级制冷装备传热及管束结构参数计算过程/051
2．3缠绕管式换热器结构设计计算/054
2．3．1内筒的强度设计计算/054
2．3．2换热管规格及选型/058
2．3．3管板设计/059
2．3．4法兰与垫片/059
2．3．5保温层及保温材料选择/062
2．3．6开孔补强计算/062
2．3．7中心筒的强度校核/076
2．4塔的强度设计/077
2．4．1塔壳（外筒）的强度计算/077
2．4．2塔的质量载荷计算/082
2．4．3塔的自振周期计算/084
2．4．4地震载荷和地震弯矩的计算/084
2．4．5风载荷和风弯矩计算/087
2．4．6计算各截面的最大弯矩/088
2．4．7塔壳稳定校核/090
2．4．8裙座稳定计算/091
2．4．9地脚螺栓座计算/093
2．4．10裙座与塔壳对接连接焊缝的验算/096
2．4．11设计总汇/097
2．4．12塔器设计主要符号说明/097
2．5本章小结/098
参考文献/098

第3章LNG板翅式换热器设计计算
3．1板翅式换热器简介/101
3．1．1板翅式换热器国内外发展/101
3．1．2板翅式换热器的构造及工作原理/102
3．1．3基于PFHE的LNG液化系统/102
3．1．4基于板翅式换热器的混合制冷剂制冷系统/102
3．1．5液化天然气工艺流程操作及控制/103
3．2板翅式换热器的工艺计算/103
3．2．1板翅式换热器的工艺设计过程/103
3．2．2混合制冷剂参数确定/103
3．2．3基于板翅式换热器的LNG液化流程/104
3．2．4LNG工艺计算过程/105
3．2．5板翅式换热器传热系数、传热面积计算及板束排列及压力降计算/113
3．3板翅式换热器结构设计/139
3．3．1封头设计/139
3．3．2液压试验/144
3．3．3接管确定/146
3．3．4接管补强/149
3．3．5法兰与垫片选择/158
3．3．6隔板导流片封条的选择/161
3．3．7换热器的成型安装/163
参考文献/164

第4章表面蒸发空冷器设计计算
4．1空冷技术概述/166
4．1．1国外空冷技术发展概况/167
4．1．2我国空冷技术发展概况/167
4．1．3工作原理/169
4．1．4蒸发空冷器的特点/169
4．1．5亲水膜/170
4．2空冷器的设计计算/170
4．2．1空冷器的设计计算方法和步骤/170
4．2．2详细计算/175
4．3喷淋系统的设计/198
4．3．1喷头的选用/198
4．3．2喷淋水质的要求/198
4．3．3喷淋系统/198
4．4管束结构与计算/201
4．4．1管束的布管设计/201
4．4．2管箱结构形式/201
4．4．3管束材料/202
4．4．4管束支撑梁的计算/202
4．4．5管束定距结构/208
4．4．6丝堵式焊接矩形管箱的设计计算/209
4．5构架/215
4．5．1构架的型式与参数/215
4．5．2构架载荷的计算/217
4．5．3构架材料选用的一般原则/219
4．6百叶窗/219
4．6．1叶窗的用途/219
4．6．2百叶窗的安装方式/220
4．6．3一般要求/220
4．6．4百叶窗的结构/220
4．7风机的选用/220
4．7．1风机的选型方法/220
4．7．2通风机选型的一般步骤/221
4．7．3轴流式通风机/222
4．7．4性能参数表/222
4．7．5离心式通风机/223
4．7．6风机型式及传动方式/224
4．7．7离心通风机的安装与使用/225
4．7．8通风机噪声/226
4．8空冷器的防冻设计/227
4．8．1确定防冻设计依据/227
4．8．2热损失和防冻要求/227
4．8．3计算最低的管壁温度/227
参考文献/228

第5章开架式气化器设计计算
5．1概述/230
5．1．1背景及意义/230
5．1．2开架式气化器结构和工作原理/230
5．1．3LNG组分及物性/231
5．1．4设计基本参数/231
5．2气化器换热计算/232
5．2．1气化器传热面积的确定/232
5．2．2气化器的气化能力的确定/232
5．2．3气化单位质量液化天然气所需的热量/232
5．2．4气化器的传热系数的确定/233
5．2．5开架式气化器结构尺寸的确定/247
5．3LNG开架式海水气化器设计选材/248
5．3．1气化器概述/248
5．3．2影响气化器选材的因素/249
5．3．3材料传热性能/249
5．3．4材料低温性能/249
5．3．5材料耐腐蚀性能/249
5．3．6常用材料性能比较/250
5．3．7气化器材料选择/250
5．4开架式气化器的海水分布装置/251
5．4．1海水水质的基本要求/251
5．4．2海水分布装置结构/251
5．5LNG换热管道裂纹及腐蚀/252
5．5．1工作环境及工况说明/252
5．5．2开架式气化器基本结构/253
5．5．3LNG换热管道裂纹分析/253
5．5．4传热管开裂成因及解决方案/254
5．6LNG管道腐蚀及应力计算/254
5．6．1铝合金应力腐蚀性能/254
5．6．2铝合金点蚀对应力集中系数影响/255
5．6．3点蚀数目和最深点蚀位置的影响/256
5．6．4点蚀系数对应力集中系数的影响/256
5．7法兰设计/257
5．7．1螺栓法兰连接设计内容/257
5．7．2本设计采用窄面整体法兰/257
5．7．3整体法兰计算/258
参考文献/260

第6章低温液氮洗用多股流缠绕管式换热器
6．1设计方案及流程/262
6．1．1液氮洗工序生产流程图/262
6．1．2设计工艺参数/264
6．1．3缠绕管换热器设计计算过程/264
6．2氮气及制冷剂的状态计算/265
6．2．1高压氮气冷却器的设计/265
6．2．2缠绕管换热器壳程有效面积的计算/266
6．2．3壳侧界膜换热系数的计算/270
6．2．4管侧界膜换热系数的计算/272
6．2．5传热温差计算（利用对数平均温差法计算）/276
6．2．6管侧压力损失/278
6．2．7壳侧压力损失/279
6．3一号原料气体冷却器的设计计算过程/280
6．3．1一号原料气体冷却器螺旋管的确定/280
6．3．2缠绕管换热器壳程有效面积的计算/282
6．3．3壳侧界膜热导率的计算/286
6．3．4管侧界膜热导率的计算/286
6．3．5传热温差计算/291
6．3．6管内侧压力损失/293
6．3．7壳侧压力损失/295
6．4二号原料气体冷却器的设计计算过程/296
6．4．1二号原料气体螺旋管的确定/296
6．4．2缠绕管换热器壳程有效面积的计算/297
6．4．3壳侧界膜热导率的计算/300
6．4．4管侧界膜热导率的计算/302
6．4．5传热温差计算/306
6．4．6管内侧压力损失/308
6．4．7壳侧压力损失/310
6．5换热器机构设计与强度计算/311
6．5．1内筒的强度计算/311
6．5．2外筒（塔壳）的强度计算/316
6．5．3中心筒的强度校核/320
6．5．4管板设计/322
6．5．5法兰与垫片/322
参考文献/326

致谢
附录混合制冷剂物性参数表

前言/序言

随着低温制冷技术的不断发展，低温工艺及装备设计制造技术日趋完善，在工业、农业、国防及科研等领域内的作用日益突显，尤其在石油化工、煤化工、天然气、空分等大型成套装备技术领域具有重要地位，已广泛应用于大型液化天然气（LNG）、百万吨化肥、百万吨甲醇、大型气体液化分离等重大系统装备技术工艺流程中。

在LNG工业领域，大力发展LNG产业，提高天然气能源在消费中的比例是调整我国能源结构的重要途径。LNG既是天然气远洋运输的唯一方法，又是天然气调峰的重要手段。随着国内众多LNG工厂的相继投产及沿海LNG接收终端的建设，我国LNG工业进入了高速发展时期，与之相关联的LNG低温制冷装备技术也得到快速发展。LNG液化工艺主要包括天然气预处理、液化、储存、运输、接收、再气化等工艺单元，其中，液化工艺为核心工艺流程，主要应用低温制冷工艺技术制取-162℃低温环境并将天然气液化。根据不同的LNG液化工艺，可设计并加工制造不同的制冷装备，主要包括天然气压缩机、制冷剂压缩机、天然气冷箱、BOG压缩机、气液分离器、大型空冷器、LNG膨胀机、四级节流阀及各种过程控制装备等。储运工艺技术中还包括大型LNG储罐、LNG立式储罐、LNG气化器、LNG潜液泵等。近年来，30万立方米以上LNG系统多采用混合制冷剂板翅式主换热装备及液化工艺技术，60万立方米以上大型LNG系统多采用混合制冷剂缠绕管式主换热装备及液化工艺技术，这两种混合制冷剂LNG液化工艺技术具有集约化程度高、制冷效率高、占地面积小及非常便于自动化管理等优势，已成为大型LNG液化工艺装备领域内的标准性主流选择，在世界范围内已广泛应用。目前，国内的大型LNG装备一般随着成套工艺技术整体进口，包括工艺技术包及主设备专利技术使用费等，造价非常昂贵，后期维护及更换设备的费用同样巨大。由于大型LNG系统装备及主设备大多仍未国产化，即还没有成型的设计标准，因此给LNG制冷装备的设计计算带来了难题。

《液化天然气装备设计技术：液化换热卷》主要围绕LNG混合制冷剂液化工艺及换热工艺中所涉及的主要低温装备，研究开发LNG液化工艺流程中核心主液化装备的设计计算技术，主要包括LNG低温液化混合制冷剂多股流缠绕管式主换热装备、LNG低温液化混合制冷剂多股流板翅式主换热装备、天然气进气压缩机及混合制冷剂压缩机用表面蒸发空冷器、LNG开架式气化器等装备的设计计算技术，为LNG液化、LNG储运、LNG接收及LNG气化等关键环节中所涉及主要设备的设计计算提供可参考样例，并推进LNG系列装备及LNG系统工艺技术的标准化及国产化研究开发进程。此外，近年来由于低温液氮洗、低温甲醇洗等系统工艺技术在低温气体液化分离领域内占比越来越大，应用越来越广泛，而这两套工艺系统内最具特色的装备为大型多股流缠绕管式主换热装备，是目前世界上设计计算难度最大的系列主设备之一，尤其低温液氮用多股流缠绕管式换热器，内含扩散制冷工艺技术且有10股以上低温流体同时进行低温多股流、多相流换热过程，设计计算难度极大，在换热领域内，同LNG低温液化混合制冷剂多股流缠绕管式主换热装备并列为设计计算难度最大的换热装备，本书作者通过多年研究开发，已系统掌握这两种主换热装备的设计计算技术，并通过本书一并呈送相关领域同行借鉴参考。

（1）LNG缠绕管式主换热装备

以目前最流行的MCHE型混合制冷剂LNG液化工艺为例，MCHE主换热器为多股流缠绕管式换热器，主要用于100×104m3/d以上大型LNG液化系统，是整个LNG液化工艺流程中的核心设备，可一次性将36℃天然气冷却至-162℃，并液化。由于MCHE主换热器为工艺型换热器，内含液化工艺，有5种以上混合制冷剂分凝预冷并同时制冷，是一种多股流回热型换热器，也是目前换热器中体积最大、缠绕过程最复杂、设计计算难度最大的换热器。MCHE型缠绕管式换热器管内介质以螺旋方式流动，壳程介质逆流横向交叉通过绕管，换热器层与层之间换热管反向缠绕，管、壳程介质以纯逆流方式进行传热，即使在较低的雷诺数下其流动形态也为湍流，换热系数较高，其结构相对紧凑、耐高压且密封可靠、热膨胀可自行补偿，易实现大型LNG液化作业。美国APCI是LNG领域MCHE最大的供货商，在1977～2013年间，生产了120套LNG装置，其液化能力累计达到4.3×108t/a。此外，德国Linde公司在近5年内一共生产了累计金属重量达到3120t的多股流缠绕管式换热器应用于LNG工厂。自2010年以来，由兰州交通大学张周卫等主持研究开发LNG缠绕管式换热器等项目，目前，已出版《缠绕管式换热器》专著一部，开发MCHE专用软件一套，申报发明专利12项，发表论文14篇，涉及12类不同温区的缠绕管式换热器，并系统开发了缠绕管式换热器设计计算方法，可用于设计计算LNG专用系统缠绕管式换热器、低温甲醇洗系列缠绕管式换热器、低温液氮洗系列缠绕管式换热器等各种类型缠绕管式换热器。本书给出了专用于计算MCHE型LNG混合制冷剂用缠绕管式换热器的一个计算事例，供相关行业的同行参考。

（2）LNG板翅式换热器

LNG板翅式换热器主要用于30×104m3/d以上大型LNG液化系统，是该系统中的核心设备，一般达到60×104m3/d以上时，采用并联两套的模块化办法，实现LNG系统的大型化。基于板翅式换热器的LNG液化工艺也是目前非常流行的中小型LNG液化系统的主液化工艺。从2013年开始，由兰州交通大学张周卫等开始研究开发大型LNG混合制冷剂用多股流板翅式换热器，并前后开发了LNG混合制冷剂板翅式换热器、LNG一级三股流板翅式换热器、LNG二级四股流板翅式换热器、LNG三级五股流板翅式换热器等系列LNG板翅式换热器，申报发明专利4项。本文根据项目开发情况，给出了LNG混合制冷剂多股流板翅式换热器设计计算模型，供相关行业的同行参考。

（3）表面蒸发空冷器

表面蒸发空冷器常用于天然气压缩机、混合制冷剂压缩机等出口高温气体的冷却过程，其利用管外水膜的蒸发过程进一步强化管外传热过程，从而达到空冷的效果。基本工作原理是用泵将设备下部水池中的循环冷却水输送到位于水平放置的光管管束上方的喷淋水分配器，由分配器将冷却水向下喷淋到传热管表面，使管外表面形成连续均匀的薄水膜；同时用风机将空气从设备下部空气入口吸入，使空气自下而上流动，横掠水平放置的光管管束。此时传热管的管外换热除依靠水膜与空气流间的显热传递外，管外表面水膜的迅速蒸发吸收了大量的热量，强化了管外传热。由于水具有较高的汽化潜热（1atm时为2386kJ/kg），因此管外表面水膜的蒸发大大强化了管外传热，使设备总体传热效率明显提高。本书根据表面蒸发空冷器强化换热原理，给出了一种表面蒸发空冷器的设计计算方法，仅供参考。

（4）LNG开架式气化器

LNG开架式气化器是用海水 液化天然气装备设计技术：液化换热卷 下载 mobi epub pdf txt 电子书 格式