氨氣冷凝器設計及其要點

石來嗣

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

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氨氣冷凝器設計及其要點

石來嗣

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

本文通過討論采用Aspen EDR設計氨氣冷凝器的實例，闡述了在氨氣冷凝器設計過程中的需要考慮的因素。闡述了一般情況下設計管殼式換熱器換熱器的過程，著重介紹了氨氣冷凝器設計過程中型號等參數(shù)選取以及設計過程的要點。

Aspen EDR 冷凝器 換熱器設計要點

0 前言

在化工行業(yè)中，換熱設備占總裝置費用的近30%和占總運行費用的近90%[1]。由此可見換熱器的能耗在化工行業(yè)中占有巨大的比重，所以換熱器的優(yōu)化顯得尤為重要。

在換熱設備的發(fā)展中，管殼式換熱器較為普遍，但是在不同條件下，由于其結(jié)構(gòu)的局限性，操作條件的不確定性，以及物理性質(zhì)的多變性和優(yōu)化手段的缺乏導致?lián)Q熱器傳熱效率低下，本文就通過Aspen EDR設計氨氣冷凝器模擬計算的案例，來介紹換熱器設計的一些方法以及要點。

1 設計條件

設計一臺汽提塔頂部的氨氣冷凝器，工藝條件如表1：

1.1 換熱器選型

本次設計任務案例屬于純組分飽和蒸汽冷凝，可選用立式殼程冷凝或者臥式殼程冷凝。由于氨氣的冷凝傳熱系數(shù)很高并且不容易結(jié)垢。取立式殼程冷凝，可使冷卻水沿著換熱管內(nèi)壁呈膜狀流下，冷流側(cè)的傳熱系數(shù)就會相應提高，從而使得總傳熱系數(shù)也會相應提高。此種方法對比臥式殼程冷凝效果更優(yōu)，故采用立式殼程冷凝結(jié)構(gòu)。

表1 氨氣冷凝器工藝條件Table 1 Ammonia condenser process conditions

1.2 換熱器結(jié)構(gòu)

氨氣，冷卻水的污垢系數(shù)較小，可選用固定管板形式較為合理，前封頭選B型，殼體選E型，后封頭選M型。換熱器主要部件與代號詳見GB/T151-2014《熱交換器》。

2 物性模擬

在開始設計任務之前，首先需要了解物料的物性，在物性確定的情況下方能進行下一步的設計，否則結(jié)果會出現(xiàn)巨大的偏差。本例中工藝條件表只提供殼程側(cè)入口的流量與壓力，但未給出入口溫度，所以我們需要求出氨氣在16bar下的露點溫度。

Aspen EDR是美國AspenTech公司推出的一款傳熱計算工程軟件套件，其具有完善的物性數(shù)據(jù)庫。在本案例中，我們采用Aspen EDR來模擬物性。熱流體是純組分，我們設定壓力在16bar,溫度范圍0℃至100℃，模擬計算22個點，觀察氨氣在這個范圍內(nèi)的汽化分率，如圖1：

圖1 16bar下氨氣汽化分率Fig.1 Nitrogen vaporization fraction at 16bar

從中可知氨氣在16bar下，從100℃接近42℃時，汽化分率從1直接降至0，因為是純組分流體，可判斷可以判斷氨氣在該點附近開始冷凝，故其露點溫度接近42℃。為了精確露點溫度，溫度范圍40℃至44℃，取10個點，重新模擬，得出精確的露點溫度為41.41℃。

3 設計計算

在設計過程中，有效合理的選取已知條件可以是設計更優(yōu)秀。過量的輸入已知條件，可能會造成過定義現(xiàn)象。

3.1 工藝流程確定

根據(jù)已知條件，其中熱流側(cè)入口溫度定義為42℃。為避免溫差過小引起的水量過大，冷卻水溫升定位5℃[1]。熱側(cè)入口汽化分率為1表示為全蒸汽，出口為0表示為全冷凝。冷流側(cè)未發(fā)生相變，進出口都為0。

冷流側(cè)的質(zhì)量流率未知，留下一個自由度。由于本次設計任務定義熱流側(cè)全部冷凝，冷流側(cè)的質(zhì)量流率未知，若根據(jù)經(jīng)驗確定，軟件將會以數(shù)據(jù)全面的那一側(cè)為基準進行計算，可能會造成過冷現(xiàn)象。

飽和蒸汽在冷凝器中發(fā)生相變，冷凝后的液體流速遠低于氣體，造成在過冷段的傳熱系數(shù)非常小，影響整體的傳熱系數(shù)。過冷段的出現(xiàn)可能還會引起底部積液，積液高度與其平均溫差沒有方法可以計算判斷，此種情況下的傳熱系數(shù)無法確定。

3.2 換熱器結(jié)構(gòu)定義

根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》標準，換熱管外徑定為19mm，壁厚2mm，換熱管中心距定為25mm。折流板選擇常用的單弓形。安裝方式選擇立式。設備材料定義為碳鋼。進入Aspen EDR計算。

3.3 設計計算結(jié)果分析

設計運行結(jié)果如圖2：

從圖中，我們關心的項目有：

1. 熱阻: 殼程與管程的熱阻基本均衡，管程略微偏大，也在允許范圍之內(nèi)，不需要做強化傳熱。

2. 流體壓力降：殼程與管程的壓力降均在工藝要求的條件內(nèi)。

3. 流體流速：管程流速為1.64m/s，處于0.6～3.7m/s范圍內(nèi)，殼程流速1.17m/s小于推薦的最大流速36m/s[2]。

4. 換熱面積余量：換熱面積余量為1%，面積余量過少?？梢詮膬煞矫婵紤]，增加換熱管長度或者增加換熱管布管數(shù)。無疑這兩種方法能解決問題，但是也會增加制造的成本。所以，我們應該通過優(yōu)化流路路徑，以提高總傳熱系數(shù)以提高換熱效果。

5. 進出口壓力降分率：本例中的壓降分率，如圖3。

一般建議進出口的壓力降不超過30%。從結(jié)果分析來看，管程側(cè)的進出口壓力降比率符合要求。殼程進出口的壓力降不合理，可以通過增大管口的方式來實現(xiàn)降低壓力降。

6. 殼程流股分布分率：如圖4。

這次案例中，殼程側(cè)的流股分布。Middle這一欄中錯流(crossflow)分率0.5，可以進一步優(yōu)化。根據(jù)流路分析法，盡量提高錯流(crossflow)的分率有利于傳熱，同時也需要控制其他流股的分率?；痉椒椋?/p>

(1) 減小換熱管與折流板之間的間隙。(2) 減小折流板與筒體內(nèi)徑之間的間隙。(3) 在適當工況下增加旁路擋板。(4) 調(diào)整布管結(jié)構(gòu)保持合理的折流板間距。

圖2 設計結(jié)果Fig.2 Design result

圖3 壓力降分率Fig.3 Pressure drop rate

5 設計校核

將設計計算出來的參數(shù)進行分析，針對不滿足工藝的要求的數(shù)據(jù)進行重新修正，參照現(xiàn)行標準，對設備尺寸進行圓整。方法如下：

(1)根據(jù)現(xiàn)行鋼管標準GB9948-2013《石油裂化用無縫鋼管》選則。設備外徑Φ273，由于之前設計殼程進出口壓降分率過高，所以考慮加大管口。又殼程進口為氣相，所以管口外徑定義為Φ114mm，出口是液相，所以管口直徑可以小一些，選擇外徑Φ60mm。管程進出口因為沒有發(fā)生相變所以都定義為外徑Φ89mm。

(2)根據(jù)GB/T151-2014調(diào)整折流板管孔與換熱管外徑間隙0.4mm，為優(yōu)化錯流流股，折流板與筒體內(nèi)徑間隙可調(diào)整調(diào)整為2mm，標準上為2.5mm。

(3)調(diào)整布管方式，由原來的正三角形排列改為轉(zhuǎn)角三角形排列，增大間隙優(yōu)化錯流流股。同時由于之前設計時的換熱面積余量僅有1%，故換熱管長度調(diào)整為6000mm，此種規(guī)格也是換熱管常用規(guī)格。

設計校核結(jié)果如圖5。

圖4 流股分率Fig.4 Flow fractions

圖5 校核結(jié)果Fig.5 Check results

5 設計結(jié)果

設計結(jié)果為：型號BEM 273-0.3/1.8-24-6/19-2Ⅰ。[3]。

具體結(jié)構(gòu)參數(shù)：內(nèi)徑257mm,換熱管規(guī)格Φ19×2，長度為6000mm的碳鋼管，換熱面積為24m2，管中心為25mm,換熱管數(shù)量為68根，折流板切口42%的單弓形折流板，間距為245mm,管程數(shù)為2。

工藝參數(shù)：換熱面積余量13%，符合規(guī)定。流體壓力降與流速符合規(guī)定。進出口壓力降分率如圖6：

殼體進出口壓力降均在25%以內(nèi)，符合規(guī)定。流股分率，如圖6：

從表中，middle欄中的，錯流(crossflow)提升至0.57，比之前的0.5更為優(yōu)化。

6 小結(jié)

我國的能源利用率低，能源消耗與其他發(fā)達國家相比又偏高。雖然我國能源儲量較多，但人均能源分配與世界其他相比也是處于一個較低的水平，形式不容樂觀。因此，在化工工業(yè)中比重占有40%左右的換熱器，只需將其效率提升一點，對于國家的整個能源來說也是具有重大戰(zhàn)略意義的，所以換熱器的設計優(yōu)化也顯得尤為重要。

圖6 管口壓力降分率Fig.6 Pressure drop rate of pipe

圖7 流股分率Fig.7 Flow fractions

在滿足工藝要求以及安全許可的情況下，用較少的換熱面積，以及較低的壓降，較少的金屬材料，設計出的換熱器無疑能創(chuàng)造更大的利潤。因此，設計開發(fā)換熱器的過程，需要嚴謹對待。

總結(jié)下來，設計換熱器要注重以下幾個要點：

(1)工藝過程：要了解這臺換熱器的用途，要知道用于冷凝，加熱，蒸發(fā)，冷卻等的換熱器的工藝過程，以及各公益工程的特點。

(2)物性：要了解換熱器冷流和熱流的物性數(shù)據(jù)，若是物性不了解，那么操作壓力與各種溫度點都無法確定，下道工序就無法進行。就更不用談優(yōu)化設計。

(3)換熱器結(jié)構(gòu)：換熱器的結(jié)構(gòu)種類繁多，在特定的介質(zhì)與工況下，選擇適當型式的換熱器結(jié)構(gòu)，既能減少工作量，也能優(yōu)化設計的質(zhì)量，更能減少成本與資源消耗。在傳熱設計過程中，第一次的設計往往是不理想的，需要后期校核調(diào)整。在校核時，就是調(diào)整換熱器的幾何尺寸參數(shù)。常見的有調(diào)整換熱管，折流板與筒體的間隙，優(yōu)化錯流分率，提高總傳熱系數(shù)。若對結(jié)構(gòu)不熟悉，便無法調(diào)整優(yōu)化。

(4)換熱器的制造：存在一少部分的換熱器設計人員，由于不了解換熱器的制造，所以設計的換熱器的結(jié)構(gòu)無法生產(chǎn)。比如，將換熱管與折流板的間隙設定過小，管孔公差配合設計過小，導致無法將換熱管穿進折流板之中。過大又會產(chǎn)生漏流，影響整體傳熱效果。

[1] 孫蘭義，馬占華，王志剛等，換熱器工藝設計[M]，北京：中國石化出版社2015.3,1頁.

[2] 劉巍，鄧方義等，冷換設備工藝計算手冊第二版[M]，北京：中國石化出版社2008.7,3頁.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T151-2014.熱交換器.北京：中國標準出版社，2015.

Emphases of Designing Ammonia Condensers

ShiLaisi

(SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240)

This paper described the factors affected in designing ammonia condensers by discussing an example of using Aspen EDR. This paper introduced the process designing for shell & tube exchangers. The selection of parameters in the ammonia condenser designing and the emphases in designing are emphatically introduced.

Aspen EDR Condenser Emphases in shell & tube exchangers Design

1006-8244(2016)03-040-05

石來嗣，

TK172

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