李保紅,張玨庭

(1.大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,遼寧大連 116605;2.成功大學(xué)化學(xué)工程系,臺灣臺南 70101)

基于過程模擬軟件的管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)

李保紅1,張玨庭2

(1.大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,遼寧大連 116605;2.成功大學(xué)化學(xué)工程系,臺灣臺南 70101)

提出基于國際流行的 ASPEN PLUS模擬軟件,通過與必要的手工計(jì)算相結(jié)合,高效地設(shè)計(jì)出符合中國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)管殼式換熱器的步驟和方法。復(fù)雜而且繁瑣的能量平衡和壓力降計(jì)算由軟件來完成,設(shè)計(jì)者只需依照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),通過簡單的手工計(jì)算確定出離散變量的取值,再基于模擬軟件的計(jì)算結(jié)果,在壓力降和標(biāo)準(zhǔn)許可的范圍內(nèi),調(diào)整離散變量的取值以便進(jìn)一步提高總傳熱系數(shù),從而節(jié)省傳熱面積。通過重新設(shè)計(jì)一個(gè)文獻(xiàn)實(shí)例來演示所提方法的簡單性和有效性,所得的換熱面積比報(bào)道值節(jié)省了 66.7%。關(guān)鍵詞:管殼式換熱器;優(yōu)化設(shè)計(jì);過程模擬軟件

換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的設(shè)備,廣泛應(yīng)用于化工、冶金、電力、食品等行業(yè)。在化工裝置中換熱設(shè)備占設(shè)備數(shù)量的 40%左右,占總投資的 35%～46%[1]。目前,在換熱設(shè)備中,使用量最大的是管殼式換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中占有絕對優(yōu)勢[2]。一般來講,管殼式換熱器具有易于加工制造、成本低、可靠性高,且能適應(yīng)高溫高壓的特點(diǎn)。隨著新型高效傳熱管的不斷出現(xiàn),使得管殼式換熱器的應(yīng)用范圍得以不斷擴(kuò)大,更增添了管殼式換熱器的生命力[3]。

如何根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝條件設(shè)計(jì)出投資省、能耗低、傳熱效率高、維修方便的換熱器,是工藝設(shè)計(jì)人員重要的工作[4],也是化工類專業(yè)學(xué)生必修的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目之一。換熱器的工藝設(shè)計(jì)主要包括傳熱和阻力計(jì)算兩個(gè)方面。由于換熱器的設(shè)計(jì)方法比較煩雜[5-7],且需要迭代計(jì)算,故借助于日益普及的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)則可以極大地提高工作效率。

目前,工程上已大量使用商業(yè)軟件進(jìn)行換熱器的計(jì)算。最著名的專業(yè)換熱器計(jì)算軟件主要有成立于 1962年的美國傳熱研究公司 (Heat Transfer Research Inc.,即 HTR I)開發(fā)的 Xchanger Suite軟件;成立于 1967年的英國傳熱及流體服務(wù)中心(Heat Transfer and Fluid Flow Service,即 HTFS)開發(fā)的 HTFS系列軟件[1]和 B-JAC軟件[8]。換熱器計(jì)算軟件發(fā)展到今天,在功能上已經(jīng)可以向制造廠商提供設(shè)備條件[4]。

為了便于組織工業(yè)生產(chǎn),換熱器的設(shè)計(jì)要盡可能符合相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對于管殼式換熱器,國外主要標(biāo)準(zhǔn)有 TEMA(Tubular ExchangersManufacturers Association)和AS ME(American Society ofMechanical Engineers);國內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)有國標(biāo)GB151-1999(管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JB/T 4715-92(固定管板式換熱器形式與基本參數(shù))和 HG 21503-92(鋼制固定式薄管板換熱器)。正是這些標(biāo)準(zhǔn)的制約,使得設(shè)計(jì)變量如殼體直徑和管長是非連續(xù)變化的,因而進(jìn)一步增加了優(yōu)化設(shè)計(jì)的難度。

隨著中國科技與經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng),愈來愈多的科研單位和高校引進(jìn)了國際流行的化工過程模擬系統(tǒng)如 ASPEN PLUS、ProII和 HYSYS軟件,這些軟件都具有功能強(qiáng)大的物性計(jì)算系統(tǒng)和嚴(yán)格的換熱器單元計(jì)算模型。但到目前為止,采用這些功能強(qiáng)大的模擬軟件進(jìn)行換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究還鮮有報(bào)道[9]。另外,雖然這些軟件所附帶的說明文檔介紹了軟件功能和使用方法[10],但如何充分利用這些功能高效地解決實(shí)際問題仍是使用者需要仔細(xì)思考的問題。還有從國外引進(jìn)的軟件所用的默認(rèn)值與國內(nèi)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有差異,如何設(shè)計(jì)出符合中國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的換熱器也是需要解決的重要問題。

本文選用在中國較為流行的 ASPEN PLUS模擬軟件 (2006.5版)作為管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的工具,提出高效地設(shè)計(jì)出符合中國相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)管殼式換熱器的詳細(xì)步驟和方法。應(yīng)當(dāng)指出,由于其他的模擬軟件與 ASPEN PLUS在功能上是相通的,因而本文所提出的設(shè)計(jì)步驟和方法也可為使用其他模擬軟件進(jìn)行換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供十分有益的借鑒。

1 問題定義

已知要被加熱或冷卻的工藝物流的流量、壓力、組成、初始和目標(biāo)溫度,以及與之匹配換熱的流股組成、初始和目標(biāo)溫度。要求設(shè)計(jì)出符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的管殼式換熱器,且該換熱器能夠完成指定的熱交換負(fù)荷并符合給定的壓力降要求。優(yōu)化的目標(biāo)是在完成任務(wù)條件下所需的換熱面積最小。

2 設(shè)計(jì)步驟

基于研究者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和ASPEN PLUS(2006.5版)現(xiàn)有的功能,主要的設(shè)計(jì)步驟總結(jié)如下:

(1)根據(jù)換熱流股所涉及的組分、操作溫度和壓力,選擇適合的物性計(jì)算方法 (PropertyMethod)。

(2)選用 ASPEN PLUS中的“Heater”單元模型(只需輸入一個(gè)流股數(shù)據(jù),進(jìn)行能量平衡計(jì)算),輸入工藝物流的相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算出換熱器的負(fù)荷 Q。

(3)選用“HeatX”模型 (換熱器嚴(yán)格計(jì)算模型)替換“Heater”單元模型,并選用模型中的“Shortcut”計(jì)算類型和“Design”模式,以確定匹配熱流股的流量。

(4)參考相關(guān)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)工藝流股與匹配流股的物性以及操作條件,選定殼程與管程流股;選用“HeatX”模型中的“Detailed”計(jì)算類型和“Rating”模式,通過手工計(jì)算來選取離散變量和軟件運(yùn)算來進(jìn)行能量平衡和嚴(yán)格壓力降的計(jì)算;然后再基于所得結(jié)果進(jìn)行調(diào)優(yōu)直至滿意為止,調(diào)優(yōu)的原則是在壓力降和標(biāo)準(zhǔn)許可的范圍內(nèi),調(diào)整離散變量的取值以便提高總傳熱系數(shù),從而節(jié)省傳熱面積。

(5)選用“HeatX”模型中的“Detailed”計(jì)算類型和“Simulation”模式進(jìn)行核算與驗(yàn)證。

(6)若上一步所得設(shè)計(jì)結(jié)果不符合面積裕度或者壓力降約束,則返回至第 4步。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 給定條件

換熱器工藝流程如圖 1,二氟二氯甲烷 (氟里昂 -12)(Freon-12,CCl2F2)作為工藝?yán)淞鞴?流量是 10 560 kg·h-1,壓力為 7.58×105Pa(絕壓,下同),其溫度需要從 240 K升至 300 K;與之匹配換熱的熱流股是乙二醇 (ethylene glycol,C2H6O2),其初始溫度是 350 K,壓力為 2.02×105Pa。要求設(shè)計(jì)管殼式換熱器完成上述任務(wù)。另外,現(xiàn)場工程師推薦乙二醇的出口溫度應(yīng)當(dāng)至少比冷流股的出口溫度高 10 K,且使用碳鋼傳熱管,要求殼程和管程的壓力降均不超過 6.8×104Pa。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是,在完成給定任務(wù)條件下,所需的換熱器面積最小[9]。

圖 1 換熱器工藝流程圖

3.2 設(shè)計(jì)過程

3.2.1 選擇合適的物性計(jì)算方法

由于匹配換熱所涉及的流股組分為極性、非電解質(zhì)且操作壓力小于 1.01×106Pa,故選擇NRTL類模型進(jìn)行相關(guān)的物性計(jì)算[10]。應(yīng)當(dāng)指出,基于流股 Freon-12數(shù)據(jù),既使采用同屬于NRTL類模型的不同物性計(jì)算方法,所得換熱器的加熱負(fù)荷也有明顯差異,具體數(shù)據(jù)見表 1,最大偏差為 6%。由此可見,用可靠的物性數(shù)據(jù)或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來選擇合適的物性計(jì)算方法是十分必要的。這里選擇NRTL-HOC僅用于舉例目的。

表 1 物性計(jì)算方法對熱負(fù)荷的影響

3.2.2 確定換熱負(fù)荷

選用“Heater”單元模型,輸入冷流股 Freon-12的相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算出所需的熱負(fù)荷為173 840.5W(見表 1)。應(yīng)當(dāng)指出,僅用圖 1中 Freon-12流股的數(shù)據(jù)是不足以來計(jì)算熱負(fù)荷的,還需設(shè)定出口壓力或者氣相分率,這里給定的入口到出口的壓力降是 5.05×104Pa。原因是允許的壓力降是6.8×104Pa,若壓力降大于 7.07×104Pa,則該流股在出口處會發(fā)生氣化 (這一點(diǎn)可以由泡點(diǎn)曲線(如圖 2)或者給定出口的氣相分率來確定),意味著換熱過程中涉及相變。這種情況應(yīng)盡可能避免。

圖 2 流股 FREON-12的泡點(diǎn)曲線

3.2.3 確定匹配流股流量

用 HeatX”模型替換“Heater”單元模型,并輸入熱流股相關(guān)數(shù)據(jù),選用“Shortcut”計(jì)算類型進(jìn)行換熱器熱量平衡計(jì)算。此時(shí)乙二醇的流量待求,故在模型運(yùn)行前需輸入其流量的估計(jì)值 6 083 kg·h-1,對應(yīng)的出口溫度是 308.2 K,不符合給定條件。通過“Design Spec(設(shè)計(jì)給定)”模塊,調(diào)整乙二醇的流量使其離開換熱器時(shí)的出口溫度正好為 310 K,計(jì)算得到的值為 6 342.18 kg·h-1,其他的流股數(shù)據(jù)見表 2。由于這一步僅涉及物料和能量平衡計(jì)算,管程和殼程的壓力降不考慮,暫時(shí)均視為零。

表 2 相關(guān)換熱流股數(shù)據(jù)

3.2.4 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用“HeatX”模型中“Detailed”計(jì)算方法和“Rating”模式,進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)。

首先,需要選定殼程與管程流股?；谏弦徊接?jì)算得到的物性數(shù)據(jù),乙二醇流股的粘度在3 cp以上,而 Freon-12的粘度均小于 1 cp;另外,Freon-12的壓力為 7.58×105Pa,大于乙二醇流股的 2.02×105Pa;故選擇 Freon-12流股走管程,乙二醇流股走殼程[5,7]。

其次,設(shè)定以下計(jì)算方法:(a)傳熱溫差LMTD(即 △tm)校正系數(shù)基于“Geometry”(幾何尺寸)計(jì)算;(b)管程與殼程的壓力降均基于“Geometry”計(jì)算;(c)總傳熱系數(shù)U基于“Film Coefficient”(膜系數(shù) ) 計(jì)算 ,即

式中,Uo為以管外側(cè)傳熱面積為基準(zhǔn)的總傳熱膜系數(shù),hi,ho分別為管內(nèi)和管外傳熱膜系數(shù);rif,rof,rt分別為管內(nèi)、管外污垢熱阻以及管壁熱阻。應(yīng)當(dāng)注意,傳熱系數(shù)的計(jì)算是以換熱管外表面為基準(zhǔn)的,因而式 (1)中管內(nèi)膜系數(shù)和污垢熱阻應(yīng)是乘了換熱管的外徑與內(nèi)徑的比 (do/di)之后的校正值;(d)管內(nèi)和管外的分傳熱膜系數(shù)均基于“Geometry”計(jì)算,管內(nèi)外側(cè)的污垢熱阻均取 3.52×10-4m2·K·W-1(依據(jù)國標(biāo) GB151-1999)。

最后,借助手工計(jì)算確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。

①計(jì)算平均傳熱溫差

先按純逆流計(jì)算

②估算傳熱面積

根據(jù)熱流股是乙二醇,其粘度在 1.0 cp以上,冷流股也是有機(jī)物,粘度在 1.0 cp以下,總傳熱系數(shù)的范圍是 150～300 W·m-2·K-1[6]。這里選取 200 W·m-2·K-1作為總傳熱系數(shù),則所需的傳熱面積為

由于總傳熱溫差校正系數(shù)尚未考慮,故實(shí)際傳熱面積取估計(jì)值的 120%,即 14.6×1.2=17.5 m2。

③管徑和管內(nèi)流速

由于冷熱流股的體積流量在 100 L·min-1左右,流量較小,按照固定管板式換熱器形式與基本參數(shù) (JB/T 4715-92標(biāo)準(zhǔn)),選 φ19×2的碳鋼換熱管?？紤]到第(2)步確定的管程流股壓力降應(yīng)不大于 7.07×104Pa,故管內(nèi)流速選取較低值,為1 m·s-1(正常范圍為 0.5～3 m·s-1[5])。

④管程數(shù)和傳熱管總根數(shù)

流股 Freon-12的平均體積流量

⑤查 JB/T 4715-92標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)換熱面積和管程數(shù)以及換熱管根數(shù),選最接近的換熱器配置。這里選定換熱面積為 17.9 m2,殼體公稱直徑為 325 mm(壁厚 12.5 mm),管長為4.5 m,管子總數(shù)為 68根的換熱器。采用正三角形排列,管心距取 25 mm;采用單弓形折流板,缺口率為殼體內(nèi)徑的 25%,折流板間距取 200 mm。

⑥設(shè)定接管尺寸

由于管程與殼程流股均為液態(tài),選定接管內(nèi)流速為 1 m·s-1,按求所需的接管內(nèi)徑。作為示例,殼程和管程流股的平均體積流量取近似值 100 mL·min-1,得到內(nèi)徑Di=46 mm,故殼程和管程的接管直徑均選取 φ57×3.5的無縫鋼管。

⑦數(shù)據(jù)輸入“HeatX”模型

將以上手工計(jì)算的數(shù)據(jù)輸入“HeatX”模型,運(yùn)行后得到初步設(shè)計(jì)結(jié)果,見表 3。表 3中各個(gè)符號所代表的意義見符號說明部分。

表 3 換熱器設(shè)計(jì)方案 1的主要結(jié)果

3.2.5 對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行調(diào)優(yōu)

由表 3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),所得設(shè)計(jì)方案雖然是可行的,但殼程錯流速度和壓力降偏小 (因?yàn)榱魉俚恼７秶?0.2～1.5 m·s-1[5]),需要進(jìn)一步增加流速,從而提高殼程傳熱膜系數(shù)以達(dá)到降低所需傳熱面積的目的。此任務(wù),可以通過縮小折流板間距和殼體直徑的方式來完成。

①折流板間距縮小至 100 mm。即將折流板數(shù)目由 21塊增加至 44塊。所得主要結(jié)果見表 4,可見所得的方案也是可行的。4

表 4 換熱器設(shè)計(jì)方案 2的主要結(jié)果

②由表 4數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),實(shí)際的總傳熱系數(shù)為247.5 W·m-2·K-1,比估計(jì)值大 25%,導(dǎo)致面積裕度大于 30%,另外殼程流體速度依然偏小,因而需要重新選擇傳熱面積大于 13.5 m2,管程數(shù)為 4,殼體內(nèi)徑比 325 mm小的換熱器?；谝陨蠗l件,查 JB/T 4715-92標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn),殼體外徑為273 mm,換熱面積為 14.7 m2,管程數(shù)為 2,換熱管總數(shù)為 56的這一組參數(shù)最為接近。但需要將管程數(shù)調(diào)整為 4,以保證管程流體的速度在 1 m·s-1附近,所付出的代價(jià)是換熱管總數(shù)需要減少 16根 (按每多一程少 8根計(jì)算)用于放置分程隔板。這樣即減少 28.6%的換熱面積;作為補(bǔ)償,將換熱管的長度增加到 6 m,使傳熱面積增加 33.3%,達(dá)到基本平衡。采用單弓形折流板,缺口率為殼體內(nèi)徑的 25%,擋板間距取 100 mm,擋板數(shù)目是 59塊。將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入后,所得的主要結(jié)果見表 5。

表 5 換熱器設(shè)計(jì)方案 3的主要結(jié)果

從表 5結(jié)果可以看出,雖然殼程的壓力降和流速都有進(jìn)一步提升的空間,即進(jìn)一步縮小折流板間距或者減少殼體的直徑,但由于目前折流板間距已是 JB/T 4715-92標(biāo)準(zhǔn)中的最小值,另外,殼體直徑若減小到下一個(gè)檔 (219 mm),則無法排40根 4管程的換熱管,所以調(diào)優(yōu)過程到此為止。3.2.6 設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證及對比

選用“HeatX”模型中的“Detailed”計(jì)算類型和“Simulation”模式進(jìn)行核算。結(jié)果發(fā)現(xiàn),實(shí)際的換熱負(fù)荷為 187 152 W,比要求值增加了 7.7%,而且冷流股在出口處發(fā)生了 2%的氣化,這說明設(shè)計(jì)合理。

與文獻(xiàn) [9]在忽略管內(nèi)、外側(cè)的污垢熱阻,面積裕度為 13.2%的條件下所得的設(shè)計(jì)結(jié)果相比,其所需的實(shí)際換熱面積為 43 m2,而本文所得結(jié)果為 14.3 m2,即節(jié)省了 66.7%的換熱面積。

4 結(jié) 論

提出了基于 ASPEN PLUS(版本 2006.5)模擬軟件和手工計(jì)算的有機(jī)結(jié)合,進(jìn)行管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟和方法。通過對一個(gè)文獻(xiàn)實(shí)例的設(shè)計(jì),說明了所提方法的簡單性和有效性。設(shè)計(jì)過程表明,借助于 ASPEN PLUS模擬軟件多次運(yùn)行,完全可以高效地設(shè)計(jì)符合中國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的管殼式換熱器。

文中符號說明:

A——傳熱面積 (m2);

d,D——分別是傳熱管和殼體的直徑 (mm);

h——分傳熱膜系數(shù) (W·m-2·K-1);

L——換熱管長度 (m);

Ntt,Ntp——分別是換熱管總數(shù)和每管程的管子數(shù);

r——傳熱熱阻 (m2·K·W-1);

Re——雷諾數(shù);

u——流動速度 (m·s-1);

U——總傳熱系數(shù) (W·m-2·K-1);

Q——換熱負(fù)荷 (W);

V——體積流量 (L·min-1);

ε——溫差校正系數(shù);

η——面積裕度;

VP——壓力降 (Pa);

△tm——對數(shù)平均傳熱溫差 (K);

上角標(biāo):

in——入口;

out——出口;

r——需要 ;

s——實(shí)際提供;

下角標(biāo):

i——管內(nèi) ;

o——管外;

s——?dú)こ?;

t——管程。

[1]秦叔經(jīng),葉文邦.換熱器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[2]王元文.管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].廣東化工,2005(3):43-44.

[3]錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[4]中國石化集團(tuán)上海有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

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[9]LANG J.Design procedure for a heat exchanger on the AspenPlus Software[DB/OL](2009-08-18).http://cbe.sdsmt.edu/nsfproj/aspen/no-ph-cgehex.pdf,2000.

[10]Asoeb Plus 12.1 User guide[M].Cambridge,USA:Aspen Technology,2003.

OptimalDesign of Shell-and-tube Heat Exchangers Based on Process Simulation Software

L I Bao-hong1,ZHANG Jue-ting2
(1.College ofLife Science,Dalian NationalitiesUniversity,Dalian Liaoning 116605,China;
2.Depar tment of Chemical Engineering,Cheng KungUniversity,Tainan Taiwan 70101,China)

We proposed procedures and a method for efficiently designing shell-and-tube heat exchangers compliantwith China's national standards based on Aspen Plus processmodeling tool and in combination with necessary manual calculation.Complex and tedious energy balancing and pressure-drop calculation are performed by software.The designer need only establish the values of discrete variables through simple manual calculation under relevant standards.He/she may then adjust those valueswithin the range of pressure drops and allowances specified by the standards based on the calculation result of the simulation software,thereby further increasing the total coefficient of heat transfer and hence reducing the area of heat transfer.We demonstrated the simplicity and effectiveness of our proposed method bymaking an example design in the literature.The resulting area of heat transferwas 66.7%s maller than the reported value.

shell-and-tube heat exchanger;optimal design;process simulation software

TQ015.9

A

1009-315X(2010)01-0001-05

2009-09-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (20806015)。

李保紅 (1973-),男,陜西武功人,副教授,博士,主要從事化工過程模擬與優(yōu)化研究。

(責(zé)任編輯 鄒永紅)