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化工设计ASPEN PLUS软件在管壳式换热器设计中的应用摘 要： 文章介绍了ASPEN PLUS软件在管壳式换热器设计中的应用。通过与必要的手工计算相结合,便捷高效地设计出符合中国相关标准管壳式换热器的步骤和方法。并以一个实例来演示所提方法的简单性和有效性,所得的换热面积相比节省了 66. 7%。关键词：换热器 设计 ASPEN PLUS引 言ASPEN PLUS软件是一款功能强大的化工软件、动态模拟及各类计算的软件，它几乎能满足大多数化工设计及计算的要求，其计算结果得到许多同行的认可，该软件也和其他软件一样在不断的升级。换热器是一种实现物料之间热量传递的设备,广泛应用于化工、冶金、电力、食品等行业。在化工装置中换热设备占设备数量的40%左右,占总投资的 35% 46%。目前,在换热设备中,使用量最大的是管壳式换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中占有绝对优势。换热器的设计主要包括传热和阻力计算两个方面。由于换热器的设计方法比较烦杂,且需要迭代计算,故借助于日益普及的计算机软件进行优化设计则可以极大地提高工作效率。 目前,工程上已大量使用商业软件进行换热器的计算。最著名的专业换热器计算软件主要有成立于 1962 年的美国传热研究公司 ( HTRI)开发的 XchangerSuite 软件;成立于 1967 年的英国传热及流体服务（HTFS)开发的 HTFS 系列软件和 B-JAC 软件。为了便于组织工业生产,换热器的设计要尽可能符合相关的行业标准。对于管壳式换热器,国外主要标准有TEMA(TubularExchangersManu-facturersAssociation)和 ASME (American SocietyofMechanical Engineers);国内主要标准有国标 GB151-1999(管壳式换热器标准),行业标准 JB/T 4715-92(固定管板式换热器形式与基本参数)和 HG 21503-92(钢制固定式薄管板换热器)。随着中国科技与经济实力的不断增强,愈来愈多的科研单位和高校引进了国际流行的化工过程模拟系统如 ASPEN PLUS、ProII 和 HYSYS 软件,这些软件都具有功能强大的物性计算系统和严格的换热器单元计算模型。本文选用在中国较为流行的 ASPEN PLUS作为管壳式换热器优化设计的工具,提出高效地设计出符合中国相关工业标准管壳式换热器的详细步骤和方法。应当指出,由于其他的模拟软件与 ASPEN PLUS 在功能上是相通的,因而本文所提出的设计步骤和方法也可为使用其他模拟软件进行换热器优化设计提供十分有益的借鉴。一、问题定义已知要被加热或冷却的工艺物流的流量、压力、组成、初始和目标温度,以及与之匹配换热的流股组成、初始和目标温度。要求设计出符合相关行业标准的管壳式换热器,且该换热器能够完成指定的热交换负荷并符合给定的压力降要求。优化的目标是在完成任务条件下所需的换热面积最小。 二、设计步骤基于研究者的设计经验和 ASPEN PLUS现有的功能, 主要的设计步骤总结如下: (1)根据换热流股所涉及的组分、操作温度和压力,选择适合的物性计算方法(PropertyMethod)。 (2)选用 ASPEN PLUS 中的“Heater”单元模型(只需输入一个流股数据,进行能量平衡计算),输入工艺物流的相关数据,计算出换热器的负荷 Q。(3)选用“HeatX”模型(换热器严格计算模型)替换“Heater”单 元模型,并选用模型中的“Shortcut”计算类型和“Design”模式, 以确定匹配热流股的流量。(4)参考相关的国家和行业标准,根据工艺流股与匹配流股的物性以及操作条件,选定壳程与管程流股;选用“HeatX”模型中的 “Detailed”计算类型和“Rating”模式,通过手工计算来选取离散变量和软件运算来进行能量平衡和严格压力降的计算;然后再基于所得结果进行调优直至满意为止,调优的原则是在压力降和标准许可的范围内,调整离散变量的取值以便提高总传热系数,从而节省传热面积。(5)选用 “HeatX” 模型中的 “Detailed” 计算类型和“Simulation” 模式进行核算与验证。 (6)若上一步所得设计结果不符合面积裕度或者压力降约束,则返回至第 4 步。三、设计实例（一）给定条件 换热器工艺流程,二氟二氯甲烷(氟里昂 -12)(Freon-12,CCl2F2)作为工艺冷流股(图1),流量是10560kgh-1,压力为 7.58105Pa(绝压,下同),其温度需要从 240K升至 300K;与之匹配换热的热流股是乙二醇，其初始温度是350K,压力为 2.02105Pa。要求设计管壳式换热器完成上述任务。另外,现场工程师推荐乙二醇的出口温度应当至少比冷流股的出口温度高 10K,且使用碳钢传热管,要求壳程和管程的压力降均不超过 6.8 104Pa。优化设计的目标是,在完成给定任务条件下,所需的换热器面积最小。 （二）设计过程 1.选择合适的物性计算方法 由于匹配换热所涉及的流股组分为极性、 非电解质且操作压力小于 1.01106Pa,故选择NRTL 类模型进行相关的物性计算。应当指出,基于流股 Freon-12 数据,既使采用同属于 NRTL 类模型的不同物性计算方法,所得换热器的加热负荷也有明显差异,具体数据见表 1,最大偏差为6%。由此可见,用可靠的物性数据（表一）或者实验数据来选择合适的物性计算方法是十分必要的。这里选择 NRTL-HOC 仅用于举例目的。2.确定换热负荷 选用“Heater”单元模型,输入冷流股 Freon-12 的相关数据,计算出所需的热负荷为 173840.5W。应当指出,Freon-12 流股的数据是不足以来计算热负荷的,还需设定出口压力或者气相分率,这里入口到出口的压力降是 5. 05104Pa。原因是允许的压力降是 6. 8104Pa,若压力降大于 7. 07104Pa,则该 流股在出口处会发生气化(这一点可以由泡点曲线（图2） 或者给定出口的气相分率来确定),意味着换热过程中涉及相变。这种情况应尽可能避免。 3.确定匹配流股流量 用 HeatX”模型替换“Heater”单元模型,并输入热流股相关数 据,选用“Shortcut”计算类型进行换热器热量平衡计算。此时乙二醇的流量待求,故在模型运行前需输入其流量的估计值6 083kg h-1, 对应的出口温度是 308. 2 K,不符合给定条件。“Design Spec(设 通过 计给定)” 模块,调整乙二醇的流量使其离开换热器时的出口温度正好为 310 K,计算得到的值为6342.18 kgh-1, 其他的流股数据见表2。这一步仅涉及物料和能量平衡计算,管程和壳程的压力降不考虑,暂均视为零。4.换热器结构设计 选用“HeatX”模型中“Detailed”计算方法和“Rating”模式,进行换热器的设计。首先,需要选定壳程与管程流股。基于上一步计 算得到的物性数据,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 的压力为 7. 58105Pa,大于乙二醇流股的 2. 02105Pa;故选择 Freon-12 流股走管程,乙二醇流股走壳程。利用软件的高效计算，最后,再借助手工计算确定换热器的结构尺寸。 计算平均传热温差先按纯逆流计算。估算传热面积根据热流股是乙二醇,其粘度在 1. 0 cp 以上,冷流股也是有机物,粘度在 1.0cp 以下,总传热系数的范围是 150300Wm-2K-1 。这里选取 200Wm-2K-1 作为总传热系数,由于总传热温差校正系数尚未考虑,故实际传热面积取估计值的 120%,即 14.61.2=17.5m2。管径和管内流速 由于冷热流股的体积流量在 100 Lmin-1 左右,流量较小,按照固定管板式换热器形式与基本参数(JB/T 4715-92 标准),选192 的碳钢换热管。考虑到第(2)步确定的管程流股压力降应不大于 7.07 104Pa,故管内流速选取较低值,为 1 ms-1(正常范围为 0. 53 ms-1)。管程数和传热管总根数流股 Freon-12 的平均体积流量式中,Vint 和 Voutt 是在第(2)步得到流股在入口和出口的体积流量。经计算，单管程所需的传热管根数:查 JB/T 4715-92 标准根据换热面积和管程数以及换热管根数,选最接近的换热器配置。这里选定换热面积为 17.9m2 壳体公称直径为 325 mm(壁厚12. 5 mm),管长为 4.5 m,管子总数为 68 根的换热器。采用正三角形排列,管心距取 25 mm;采用单弓形折流板,缺口率为壳体内径的 25%,折流板间距取 200mm。设定接管尺寸数据输入“HeatX”模型 将以上手工计算的数据输入“HeatX”模型,运行后得到初步设计结果。5.对设计结果进行调优 由表3数据可以发现,所得设计方案虽然是可行的,但壳程错流速度和压力降偏小(因为流速的正常范围是 0. 21. 5 ms-1),需要进一步增加流速,从而提高壳程传热膜系数以达到降低所需传热面积的目的。此任务,可以通过缩小折流板间距和壳体直径的方式来完成。折流板间距缩小至 100 mm。 即将折流板数目由 21 块增加至 44 块。所得主要结果见表 4,可见所得的方案也是可行的。由表 4 数据发现,实际的总传热系数为 247. 5Wm-2K-1,比 估计值大 25%,导致面积裕度大于 30%,另外壳程流体速度依然偏小, 因而需要重新选择传热面积大于 13. 5 m2,管程数为 4,壳体内径比 325 mm 小的换热器。基于以上条件,查 JB/T 4715-92 标准发现,壳体 外径为 273 mm,换热面积为 14. 7 m2,管程数为 2,换热管总数为 56 的这一组参数最为接近。但需要将管程数调整为 4,以保证管程流体 的速度在 1 ms-1 附近,所付出的代价是换热管总数需要减少16根 (按每多一程少 8 根计算)用于放置分程隔板。这样即减少28. 6%的 换热面积;作为补偿,将换热管的长度增加到 6m,使传热面积增加 33. 3%,达到基本平衡。 采用单弓形折流板,缺口率为壳体内径的 25%, 挡板间距取 100 mm,挡板数目是 59 块。将相关数据输入后,所得的主 要结果见表 5。 从表 5 结果可以看出,虽然壳程的压力降和流速都有进一步提升 的空间,即进一步缩小折流板间距或者减少壳体的直径,但由于目前 折流板间距已是 JB/T 4715-92 标准中的最小值,另外,壳体直径若减 小到下一个档(219 mm),则无法排 40根4管程的换热管,所以调优过 程到此为止。 6. 设计结果验证及对比 选用“HeatX”模型中的“Detailed”计算类型和“Simulation” 模式进行核算。结果发现,实际的换热负荷为 187 152W,比要求值增 加了 7. 7%,而且冷流股在出口处发生了2%的气化,这说明设计合理。 在忽略管内、外侧的污垢热阻,面积裕度为 13. 2%的条件下所得 的设计结果相比,其所需的实际换热面积为 43 ,而本文所得结果为 14. 3 m2,即节省了