HTRI軟件在管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的應(yīng)用

劉 佳張 興

山西省化工設(shè)計(jì)院 太原 030024 山西新元通合生物科技有限公司 朔州 036000

HTRI軟件在管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的應(yīng)用

劉 佳*張 興

山西省化工設(shè)計(jì)院 太原 030024 山西新元通合生物科技有限公司 朔州 036000

介紹化工企業(yè)常用的管殼式換熱器的特點(diǎn)和管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程，利用HTRI軟件對(duì)管殼式換熱器工程實(shí)例的工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行分析。

管殼式換熱器 設(shè)計(jì) 優(yōu)化

化工企業(yè)各種換熱設(shè)備的數(shù)量占工藝設(shè)備數(shù)量的30%以上。換熱器設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要作用。管殼式換熱器適用范圍廣、處理量大，制造成本低，清洗方便，工作可靠，是理論研究水平最高、設(shè)計(jì)技術(shù)最完善、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化歷史最悠久以及計(jì)算機(jī)程序軟件開發(fā)最早的換熱設(shè)備[1]，因此管殼式換熱器往往成為首選。

國(guó)內(nèi)常用的換熱器計(jì)算軟件有HTRI和Aspen-EDR，利用這些軟件設(shè)計(jì)出的換熱器更符合實(shí)際工況。本文以HTRI軟件對(duì)管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行介紹。

1 管殼式換熱器的特點(diǎn)

根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常將其分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式、滑動(dòng)管板式、雙管板式、薄管板式等類型[2]。在石油化工企業(yè)應(yīng)用較廣的是前三種類型 ，這三種類型管殼式換熱器的特點(diǎn)及適用范圍見(jiàn)表1 。

2 設(shè)計(jì)方案的確定

2.1 工藝參數(shù)的確定

管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)計(jì)算前需要確定的工藝參數(shù)：熱負(fù)荷(冷或熱流體的流量)、操作壓力、操作溫度、允許壓力降和冷熱流體的進(jìn)出口溫度 、組分、污垢系數(shù)及其物性參數(shù)、換熱器允許尺寸等 。

工藝流體的流量和進(jìn)出口溫度由工藝要求決定。另一種流體即加熱劑或冷卻劑的進(jìn)口溫度，一般由來(lái)源定，但其用量或出口溫度則由設(shè)計(jì)者選定。污垢系數(shù)可參考TEMA標(biāo)準(zhǔn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。冷熱流體的物性參數(shù)，可用Aspen Plus等工藝流程模擬軟件計(jì)算后自動(dòng)導(dǎo)入，也可直接使用HTRI自帶數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)計(jì)算。

表1 管殼式換熱器的特點(diǎn)及適用范圍

2.2 換熱器結(jié)構(gòu)型式的確定

換熱器的結(jié)構(gòu)型式根據(jù)流體的溫差、壓力、結(jié)垢等情況確定。每種換熱器都有其適用場(chǎng)合，上述介紹的三種管殼式換熱器的特點(diǎn)和適用范圍可作為選擇參考。

2.3 流體空間的確定

由于影響選擇流體空間的因素有很多，選擇流體空間時(shí)主要考慮腐蝕和結(jié)垢兩個(gè)因素，一般管側(cè)流體空間選擇優(yōu)先順序：腐蝕性強(qiáng)的流體、冷卻水、易結(jié)垢的流體、低粘度流體、高壓流體、高溫流體；一般殼側(cè)流體空間選擇優(yōu)先順序：需要冷凝的蒸汽(具有腐蝕性的除外)、進(jìn)出口溫差較大的流體、傳熱膜系數(shù)較小的流體、高粘度流體。

2.4 流速的確定

選擇流速時(shí)應(yīng)盡量使流體的流動(dòng)處于湍流流動(dòng)狀態(tài)。增加流體流速，可提高傳熱系數(shù)，減輕結(jié)垢程度，使換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，但流速太高會(huì)增大換熱器的壓力降，使換熱管沖蝕和振動(dòng)破壞加劇，還會(huì)造成動(dòng)力消耗增加。 因此，在換熱器的設(shè)計(jì)中流速應(yīng)控制在允許范圍內(nèi) 。

3 工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

目前管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算基本都采用專業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件。在設(shè)計(jì)模式下將工藝流體的基本信息和相關(guān)參數(shù)輸入到軟件中進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算完成后，通常情況下軟件會(huì)按費(fèi)用最低等原則自動(dòng)選擇一組工藝計(jì)算方案。作為設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)工程實(shí)際情況，以換熱器達(dá)到效率最高、耗能最小、成本最低為目標(biāo)，對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到最優(yōu)的工藝計(jì)算方案。

一般在評(píng)價(jià)換熱器工藝計(jì)算結(jié)果時(shí)應(yīng)考慮并校核以下各項(xiàng)：結(jié)構(gòu)參數(shù)、面積余量、壓力降、流速、傳熱系數(shù)、熱阻分布、壓力降分布、流股分布、振動(dòng)問(wèn)題。參見(jiàn)表3中列出了部分參數(shù)。

以工程實(shí)例對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。工藝設(shè)計(jì)參數(shù)：一解吸氣冷凝器，解吸氣組分(NH3：21%,CO2：29%，H2O：50%)，流量8400kg/h，進(jìn)口壓力0.35MPa(A)，進(jìn)出口溫度分別為116℃、95℃，污垢系數(shù)為0.0002m2·K/W；循環(huán)水壓力為0.45MPa，進(jìn)出口溫度分別為32℃、40℃，污垢系數(shù)為0.00017m2·K/W。

通過(guò)流體特性分析，本換熱器形式選擇BEM，循環(huán)水走管程，解吸氣走殼程，便于散熱。由于場(chǎng)地位置限制，將換熱器設(shè)計(jì)為立式換熱器。

采用HTRI軟件設(shè)計(jì)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，將已知工藝物料參數(shù)輸入，直接用HTRI自帶物性數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算物性，運(yùn)行得到計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果匯總表(1)

由表2可見(jiàn)，設(shè)計(jì)模式給出的殼體內(nèi)徑及折流板的尺寸都不是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，還需進(jìn)行圓整規(guī)格化。此外，分析設(shè)計(jì)欄中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)殼程流體流速太大，可通過(guò)放大殼體直徑、放大支撐板間距、減少管數(shù)等方法進(jìn)行調(diào)節(jié)；殼程工藝介質(zhì)壓降較大，可通過(guò)調(diào)整折流板間距、折流板圓缺率、改變折流板形式或管子排列方式、管間距進(jìn)行調(diào)節(jié)。

將設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)為校核模式，設(shè)計(jì)欄中得到的殼體直徑、折流板間距圓整后輸入，運(yùn)行后分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)上述問(wèn)題仍然存在。調(diào)整參數(shù)，輸入殼體內(nèi)徑600，折流板間距300，圓缺率30%，圓整進(jìn)出口接管直徑，運(yùn)行得到計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2中校核欄數(shù)據(jù)。分析此換熱器流股，各流股示意見(jiàn)圖1，對(duì)比表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，此換熱器流股分布情況較差，一般為保證換熱器有較好的傳熱效率，建議B>0.6，E<0.15，A最好<0.1，但不得大于0.2。C一般小于0.1，F(xiàn)接近0。校核中B流太小，E流太大，可通過(guò)增加折流板間距進(jìn)行調(diào)整；C流太大，可增加密封帶或調(diào)整折流板數(shù)值；F流過(guò)大，可調(diào)整換熱管的排列方式解決。[3]

表2 計(jì)算結(jié)果匯總表(2)

圖1 五個(gè)基本流股

對(duì)校核欄中各數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，設(shè)置折流板圓缺率35%，折流板間距400，換熱管排列方式改為45°轉(zhuǎn)角正方形，優(yōu)化后結(jié)果列于表3中優(yōu)化欄。可以看出此換熱器面積余量、傳熱系數(shù)、壓力降、流速、流股分布結(jié)果均在合理范圍內(nèi)，且無(wú)提示振動(dòng)問(wèn)題，其熱阻分布和壓降分布見(jiàn)表3和表4。

表3 熱阻分布表 (%)

表3中可以看到殼側(cè)、管側(cè)、污垢及管壁熱阻占總熱阻的比例關(guān)系，本例中管側(cè)和殼側(cè)的熱阻基本均衡。壓力降的分布，進(jìn)出口接管的壓力降希望控制在總壓力降30%以下，由表4中壓力降的分布數(shù)據(jù)可以看出，本例壓力降主要分布在折流板錯(cuò)流區(qū)和窗口區(qū)，進(jìn)出口接管的壓力降在合理范圍內(nèi)。

表4 壓降分布表 (%)

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)換熱器工藝計(jì)算后，如何根據(jù)實(shí)際工況，來(lái)判斷結(jié)果是否滿足要求，出現(xiàn)問(wèn)題后如何解決，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)非常重要。一般而言，各設(shè)計(jì)參數(shù)之間不能很好的相互匹配，這就看哪個(gè)因素最重要。不同的情況有不同的要求，如溫升、壓力降、流速、傳熱系數(shù)等，需要確定哪個(gè)是控制因素。只有這樣，才能使換熱器的設(shè)計(jì)既滿足工藝過(guò)程本身的要求，又滿足結(jié)構(gòu)、造價(jià)、維修、消耗等各方面的綜合要求，使企業(yè)降低成本，提高效益。

1 董寶春. 管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì) [J]. 甘肅石油和化工，2009(3)：34-38.

2 董其伍，張垚等. 換熱器[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

3 中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司. 化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2009.

2017-04-25)

*劉 佳：工程師。畢業(yè)于太原理工大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)獲碩士學(xué)位。主要從事化工工藝設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：13453431721， E-mail：hgsiylj@163.com。