石油、天然气和化工行业常用的反应器、工艺塔、高压容器、锅炉、炉膛、储罐、交换器、过滤器、管道、阀门、干燥器、喷射器、空气冷却器等静态设备。
静态设备是一个术语，用来描述不移动的机械。这些机械部件与泵、压缩机、鼓风机、涡轮机、搅拌器和离心机等旋转设备协同工作。此外，通常包括在混合设备系统，如冷却器，冷却塔，原水处理装置，砂过滤系统，化学注入装置，氮生成系统，冷凝抛光装置和废水处理装置。
在化学和工业加工厂，过程和热设计是由涉及这些元素组合的操作带来的。
根据商业研究公司的数据，全球静态和旋转设备市场规模预计将从2022年的240亿美元增加到2027年的324.2亿美元。快速的工业化和技术发展是这些设备市场的两大推动力，其可靠的功能对工业机械的运行至关重要。
优化机械设备的良好热设计的关键在于它具有较低的总体成本，包括初始成本和运行成本。设施业主对价值驱动型机械和热设计服务的需求要求提供紧密结合的机械/工艺和热工程，使业主能够更好地规划和管理整体运营。
拥有熟悉机械加工/工程的热设计师/工程师，可以最有效地帮助设施所有者实现其运营目标。建模、燃料系统设计、管道应力分析、泵选择和建筑/现场安全是这些双重工程师所拥有的知识领域。他们提供高质量、创造性和符合代码的设计。理想情况下，每项工作都是从收集输入数据开始的。优化热设计所需的重要数据包括:
- 流量:入口和出口汽、液、汽、水和不凝物完全分解的流量。
- 入口和出口温度。
- 热释放曲线:热负荷和重量分数随温度变化的曲线。
- 操作压力:对气体和蒸气最为重要，因为密度随着压力的变化而显著变化。
- 允许压降。
- 污垢热阻。
- 物理性能:粘度，导热系数，密度和比热是基本性能。对于单相流体，工程师需要在进口和出口温度下的这些特性值，而对于双相换热器，我们将需要在进口和出口之间的间歇阶段的这些特性值。这是因为单相交换器的物理性质曲线是线性的，而双相交换器的物理性质曲线是非线性的。
- 使用类型:冷凝或蒸发。
- 表面张力。
- 临界压力和临界温度。
确定交换器的类型将有助于在性能和成本方面优化设计，这是下一个重要步骤。计算管道尺寸和布局、管板、浮头、周长法兰、阀盖、喷嘴位置、喷嘴与喷嘴之间的干涉、支撑位置和挡板间距，必须使用由Heat Transfer Research Inc. (HTRI)开发的Xchanger Suite等软件进行复杂的热力学计算。
机械设计的艺术
对于给定的一组工艺条件，工程师可以创建许多设计。确定最佳设计是科学让位于艺术的地方。
开发满足传热要求的设计并不仅仅局限于热交换器的配置和机械细节。它包括优化整个系统，包括工艺柱、泵和管道。
热负荷、压降、流体速度等重要参数不仅影响换热器的设计，而且影响连接的设备和管道。因此，人们必须将整个系统可视化，并了解如何以具有成本效益的方式设计整个系统以最大化性能。随着3D建模成为工厂设计的标准做法，传热设备的设计师可以更好地从整体上研究设备系统，并有效地介入帮助设备布局。
Burns & McDonnell机械小组通过比许多人认为正常的更早完成热交换器的完整设计来完成项目。在完整的热学和机械设计中，有一些重要的考虑因素——尺寸信封、重量和其他——会影响沿途各个站点的3D建模。
以热虹吸再沸器为例。它的操作在很大程度上依赖于与精馏塔相连的管道回路的液压系统。根据再沸器和出口管道中底部单相流体和两相流体的密度差，塔内液体的静水头应通过进气管道、再沸器和出口管道提供足够的循环回塔。
因此，从塔到换热器的进气管道和从换热器到塔的出口-回流管道必须在再沸器的热设计中进行详细设计。为了匹配塔中可用的静态水头，必须对整个回路(进口管道、再沸器和出口管道)的压降进行彻底分析。如果回路中的压降不满足静态水头，则需要调整再沸器的流量。
这种热和水力分析有助于最终确定管道尺寸、再沸器设计和柱裙高度。设计的可行性应在设备尺寸和喷嘴位置方面提前确定。像我们这样精通热工和机械工程的团队，可以通过对静态和旋转设备设计的“早期详细说明”，为客户提供重要的计划和价格优势。
如果机械工程团队足够早地开始全面的设计，就有可能在不造成巨大延误的情况下，生产与塔设计兼容的再沸器设计。一旦设计完成，热评级最终确定，根据HTRI标准开发数据表。数据表和大纲图可以帮助供应商在投标周期结束时给出公司定价，这种定价应该不会有太大变化。例如，我们的机械组使用可以直接导入HTRI模型的RCS win软件生成轮廓图。在项目早期阶段生成的轮廓图不仅可以帮助供应商，还可以帮助管道和土木工程团队。
这种让热工程师和机械工程师更早参与概念化过程的工程方法，可以使最终设计以更少的变化进入详细设计，从而减少80%的返工。像我们这样精通热工和机械工程的团队，可以通过静态和旋转设备设计的“早期细节”为客户提供重要的计划和价格优势。
简单地说，在成本和进度方面，热设计确实可以改变工艺工厂工程的游戏规则，如果尽早可行的话。
彻底的流程整合对于石油、天然气和化工行业的最佳运作至关重要。
