基于過程模擬軟件的管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘　要：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%。
　　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%。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。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。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,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,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(HeatTrans-ferResearch Inc.,即HTRI)開發(fā)的XchangerSuite軟件;成立于1967年的英國傳熱及流體服務(wù)中心(HeatTransferand Fluid Flow Service,即HTFS)開發(fā)的HTFS系列軟件[1]和B-JAC軟件。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。
　　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(TubularExchangersManu-facturersAssociation)和ASME (American SocietyofMechanical 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,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 glyco,lC2H6O2),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。
                 
    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。
                   
    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。
                
    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 083kg·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。
       
    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。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“Geom-etry”計(jì)算; (c)總傳熱系數(shù)U基于“Film Coeffi-cient”(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“Ge-ometry”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150~300W·m-2·K-1 。這里選取200W·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19×2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)。

    ④管程數(shù)和傳熱管總根數(shù)流股Freon-12的平均體積流量
                   
    式中,Vint和Voutt是在第(2)步得到流股在入口和出口的體積流量。單管程所需的傳熱管根數(shù)為：
                 
    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17.9m2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200mm。

    ⑥設(shè)定接管尺寸
                  
    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。
               

    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(cuò)流速度和壓力降偏小(因?yàn)榱魉俚恼７秶?. 2~1. 5 m·s-1),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。
                  
    ②由表4數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),實(shí)際的總傳熱系數(shù)為247. 5W·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。基于以上條件,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6m,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。
                  
    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 152W,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。
    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。