周 奇

(東華工程科技股份有限公司,安徽合肥 230024)

運用ASPEN B-JAC設(shè)計管殼式換熱器

周 奇

(東華工程科技股份有限公司,安徽合肥 230024)

描述了運用ASPEN B-JAC換熱器計算軟件進行管殼式換熱器設(shè)計的步驟,討論了換熱器管程殼程優(yōu)化設(shè)計的要點以及利用ASPEN B-JAC進行換熱器設(shè)計優(yōu)化過程中應(yīng)注意的問題,為管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

Aspen B-jac;管殼式換熱器;設(shè)計;優(yōu)化

ASPEN B-JAC是Aspen Tech公司開發(fā)的換熱器計算軟件。該設(shè)計軟件界面友好,主要設(shè)計過程包括工藝參數(shù)及物性的輸入,計算結(jié)果的校核,優(yōu)化換熱器設(shè)計等幾個步驟。下面本文簡要描述運用ASPEN BJAC軟件計算的步驟,并結(jié)合B-JAC軟件,探討管殼式換熱器設(shè)計優(yōu)化過程中應(yīng)注意的一些問題。

1 工藝參數(shù)輸入

1.1 定義換熱器模型(Problem Definition)

1.1.1 換熱器描述(Descrip tion)

主要輸入換熱器位號、名稱等描述信息,輸入的信息將在TEMA數(shù)據(jù)表中顯示。

1.1.2 換熱器定義(Application Options)

主要輸入以下內(nèi)容:

選擇換熱器冷熱物流的換熱類型。

如無相變應(yīng)選擇no phase change、熱虹吸再沸器應(yīng)選擇Thermosiphon、釜式再沸器選擇pool boiling、飽和蒸汽加熱器可以選擇Saturated steam condensation。

選擇冷熱物流的流動通道,對于管殼式換熱器可根據(jù)以下原則選擇:

壓力較高的物流宜走管程,減小殼體壁厚。

腐蝕性、對材料有特殊要求的物流宜走管程。

不潔凈和易結(jié)垢的物流宜走管程(U型管除外),以便清洗。若必須走可殼程,推薦采用正方形管子排列,并采用可拆式結(jié)構(gòu)(如浮頭式、U型管式)。

飽和蒸汽宜走殼程,因為飽和蒸汽污垢熱阻較小,給熱系數(shù)較大一般與流速無關(guān),而且冷凝液容易排出。

被冷卻的流體宜走殼程,便于散熱。

流量小而粘度大的物流宜走殼程,因走殼程容易實現(xiàn)湍流,獲得較高的給熱系數(shù)。有相變的物流走殼層。

當?shù)谝淮斡嬎銚Q熱器時,應(yīng)選擇設(shè)計模式(Design),得到初步結(jié)果后,再選擇校核模式(Rating),校核第一次計算得到的結(jié)果,然后進行優(yōu)化后得到最終設(shè)計結(jié)果。

1.1.3 輸入流程參數(shù)(Process Data)

主要輸入冷熱物流的流量、進出口溫度、壓力、估計換熱量、允許壓力降、冷熱側(cè)的污垢系數(shù)等參數(shù)。其中前三項為必填項。

輸入設(shè)計換熱器工藝參數(shù)應(yīng)注意的問題。

當采用水冷器時,應(yīng)注意冷卻水的出口溫度不宜高于60℃,以免結(jié)垢嚴重。當采用多管程、單殼程的水冷器時,冷卻水的出口溫度不應(yīng)高于工藝物流的出口溫度,以免在換熱器中某處出現(xiàn)溫度交叉、冷卻水加熱工藝物流的情況。

兩側(cè)流體允許的壓降是換熱器設(shè)計非常重要的一個參數(shù)。允許壓降大可以提高換熱器內(nèi)工藝物流的流速,增加給熱系數(shù),減少換熱面積。但是過大的壓降,使腐蝕和振動加劇,并浪費動力消耗。因此,通常有一個允許的壓力降范圍,見表1。

表1 允許壓力降范圍

應(yīng)當注意的是,在確定換熱器允許壓降時,不應(yīng)將某一個換熱器從系統(tǒng)中孤立出來看,而是應(yīng)從工藝流程的角度,合理分配每個換熱器上的壓力降。

兩側(cè)流體的污垢系數(shù),設(shè)計者可以查找相關(guān)資料獲得根據(jù)實際操作數(shù)據(jù)得到的污垢系數(shù)。常用的污垢系數(shù)如蒸汽0.000 1m2.h.℃/kcal、有機熱載體與冷凍液0.000 2m2.h.℃/kcal、循環(huán)水0.000 2m2.h.℃/ kcal。

1.2 輸入物性數(shù)據(jù)(Property Op tions)

主要輸入換熱器計算溫度范圍內(nèi)的冷熱物流的粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱等物性參數(shù)。

對于常見組分可在“Hot/Cold Side Composition -Search Databank”中直接查找后輸入。但是由于ASPEN B-JAC自帶的物性數(shù)據(jù)庫有限,某些物性需要從ASPEN PLUS中計算結(jié)果中導(dǎo)入到B-JAC中才能進行計算。導(dǎo)入方法主要有以下三種:

(1)利用Aspen Plus中的Heater模型

Heater模型應(yīng)輸入簡單快捷,在Aspen Plus中使用最為頻繁。通過Heater模型輸出工藝物性參數(shù)也相對簡單,可以省去在流程模擬以外還進行一次換熱器計算。但是由于Heater只能進行單一物流的加熱/冷卻計算,故對另一側(cè)物性為循環(huán)冷卻水或加熱蒸汽的換熱器計算較為方便。也常用在Aspen Plus塔模型自帶塔頂冷凝器塔底再沸器的物性輸出中。

(2)利用Aspen Plus中的HeatX模型

在HeatX模型中,選擇Hetran-Rigorous-Design,并在Hot/Cold Hcurves欄中選擇保存冷熱物流的工藝物性參數(shù),結(jié)果將輸出到Hetran Op tions中填寫的BJT文件中。BJT文件中包括了換熱器設(shè)計需要的工藝和物性數(shù)據(jù),可以用B-JAC直接打開,進行換熱器工藝計算。

(3)利用Aspen Plus中的Hetran模型

選擇design模式,系統(tǒng)會直接生成BJT文件并且默認輸出冷熱物流的工藝物性參數(shù)[2]。

1.3 輸入換熱器設(shè)計數(shù)據(jù)(Exchanger Geometry)

對于初次計算選擇Design模式,僅需要填寫以下內(nèi)容即可。

1.3.1 換熱器型式(Exchanger Type)

B-JAC中可以選擇各種換熱器常見的組合部件。包括平蓋管箱、封頭管箱及各式殼體。

其中B型為焊接的封頭管箱,結(jié)構(gòu)簡單,使用于較清潔的介質(zhì);A、C、N型的管箱前蓋板可拆下,便于檢查清洗管程,但材料用量較多;D型為鍛造管箱,用于管程壓力高于6.0M Pa的場合。

G、H型分流式殼體常用于臥式熱虹吸式再沸器;I型用于U形管換熱器;J型用于殼側(cè)允許壓降特別低的場合,如真空冷凝器。

S型為鉤圈式浮頭;T型為適用于管程壓力較大的可抽式浮頭。浮頭式結(jié)構(gòu)適用于殼程管程都需要清洗的換熱器[3]。

選定換熱器形式后,在Exchanger Position中可以選擇換熱器安放方式為立式或臥式,B-JAC默認為臥式安放。

1.3.2 換熱管參數(shù)(Tubes)

換熱管參數(shù)主要輸入下列內(nèi)容:

換熱管規(guī)格。換熱管規(guī)格一般表示為外徑×壁厚的形式,常用的為19×2、25×2、25×2.5。管長一般選擇3m、4.5m、6m。當選擇6m管長的U型管換熱器時,應(yīng)注意所選材料的換熱管是否超長、不容易采購。

管間距。通常我們?nèi)」軓降?.25倍。

管子排列方式。主要有正三角形,轉(zhuǎn)角三角形,正方形和轉(zhuǎn)角正方形,最常用的是轉(zhuǎn)角三角形和轉(zhuǎn)角正方形。當殼程需要清洗時,選擇轉(zhuǎn)角排列方式,換熱管間距大而有利于清洗。

換熱管材料。換熱管材料應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇。

1.3.3 折流板參數(shù)(Baffles)

折流板設(shè)計主要輸入下列內(nèi)容:

折流板類型。主要有單弓,雙弓,三弓和折流桿,單弓最常用。

折流板間距。折流板的間距影響到殼程物流的流向和流速,從而影響到傳熱效率。最小的折流板間距為殼體直徑的1/5并大于50mm。由于折流板有支撐管子的作用,所以,通常最大折流板間距為殼體直徑的1/2并不大于TEMA規(guī)定的最大無支撐直管跨距的0.8倍。

折流板切缺率。折流板的切缺率變化范圍為15%～45%,推薦切缺率在20%～35%之間為最好。雙圓缺型折流板的開口高度為直徑的15%～25%。折流板切缺率太大或太小,殼側(cè)流形都不理想,會形成較大的邊界層脫體,不利傳熱。

折流板安放方向。水平放置的折流板適用于無相變的對流傳熱,防止殼程流體平行于管束流動,減少殼程底部液體沉積。而在帶有懸浮物或結(jié)垢嚴重的流體所使用的臥式冷凝器、換熱器中,一般采用垂直型折流板。

在Design模式中僅需要選擇折流板類型和安放方向。

管束參數(shù)(Bundle)和管口參數(shù)(Nozzles)在初次設(shè)計Design模式中一般不需要填寫。故以上內(nèi)容填寫完畢即可進行換熱器計算,得到的初步設(shè)計的結(jié)果在Design Summary-Recap of Designs中顯示。BJAC給出一個推薦結(jié)果,并另有數(shù)個計算結(jié)果可供選擇。建議選擇B-JAC給出的推薦結(jié)果,并在Application Op tions中選擇校核(Rating)模式,將初步設(shè)計的結(jié)果如換熱器內(nèi)徑、折流板間距、管長、管數(shù)、管程數(shù)等填寫進Rating/Simulation Data欄目中。運行后可得到校核計算的結(jié)果。

2 校核結(jié)果的優(yōu)化

得到校核結(jié)果首先應(yīng)在Thermal Summary-Performance欄中查看換熱面積設(shè)計余量是否滿足要求、冷熱物流兩側(cè)的給熱系數(shù)是否可以優(yōu)化、管殼程的壓力降是否超過允許值。

根據(jù)換熱器傳熱基本方程式:Q=KAΔTm式中, Q為熱負荷;K為總給熱系數(shù);A為傳熱面積;ΔTm為對數(shù)平均溫差;計算時應(yīng)注意上述參數(shù)的單位一致。在熱負荷一定的條件下,一般已知管側(cè)和殼側(cè)流體的進出溫度,選擇逆流獲取最大的對數(shù)平均推動力,則ΔTm的調(diào)節(jié)范圍已不大,這樣問題的焦點就集中在如何提高總給熱系數(shù)K,以達到用最小的換熱面積來滿足設(shè)計熱負荷的目的。

總給熱系數(shù)K的基本公式:K=1/(1/α殼+R殼+ δ/λ+R管+1/α管)。上式中,K為總給熱系數(shù);α為給熱膜系數(shù);R為污垢熱阻,由物流特性決定,在保證流速的情況下變化的幅度不大;管壁熱阻δ/λ一般很小,可以忽略。因此在污垢熱阻變化不大的前提下,提高總給熱系數(shù)就是如何提高管側(cè)和殼側(cè)的給熱系數(shù)α。下面我們就管側(cè)和殼側(cè)設(shè)計分別進行討論:

2.1 管側(cè)設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)低黏度流體在光滑圓管內(nèi)做強制湍流,給熱系數(shù)公式

可以看到對于湍流,管側(cè)給熱系數(shù)和流速的0.8次方成正比,而壓降和流速的平方成正比。增加流速,壓降比給熱系數(shù)增加得更快,且流量和管數(shù)一定的條件下,壓降和管程數(shù)的立方成正比。所以管側(cè)的主要設(shè)計工作就是在允許壓力降條件下,允許的管內(nèi)流速限制下,提高管內(nèi)給熱系數(shù)。

Aspen B-jac中換熱器管程及殼程物流流速見Thermal Summary-Pressure Drop一欄,流速選擇可以參考以下內(nèi)容:

—液體常用流速范圍:管程為0.3～3m/s,殼程為0.2～1.5m/s;

—氣體常用流速范圍:管程為5～30m/s,殼程為2～15m/s;

—易結(jié)垢流體,在管內(nèi)流速應(yīng)大于1m/s,殼程流速應(yīng)大于0.5m/s;

—流速應(yīng)隨流體粘度的高低作相應(yīng)修改;

—為了避免設(shè)備的嚴重磨蝕,流速不應(yīng)超過最大允許的經(jīng)驗值;

表2 允許最大流速

下面以某水冷卻器的設(shè)計計算為例,考察不同管側(cè)設(shè)計對換熱器的影響。沖洗水冷卻器冷熱側(cè)物流狀況如下:

表3 水冷器物流信息

表4 不同管程設(shè)計對比

從表4中可以看到,隨著管內(nèi)流速的提高,管側(cè)的給熱系數(shù)從2363.7逐漸增加到7188.9kcal/ h.m2.℃。A、B設(shè)計的管側(cè)允許壓力降沒有得到充分利用,D設(shè)計的管側(cè)壓力降超過允許壓力降,因此C設(shè)計管內(nèi)流速較快,壓降在允許范圍之內(nèi),設(shè)計較為理想。

2.2 殼側(cè)設(shè)計優(yōu)化

殼側(cè)設(shè)計最重要的參數(shù)是折流板間距和切缺率。下面討論他們對殼側(cè)給熱系數(shù)的影響。

圖一是殼側(cè)流動的四個基本流股。A流股是折流板上通過換熱管與折流板之間縫隙的泄漏流股;B流股是流過管束的穿管流流股;C流股是殼體與管束外側(cè)間的旁通流股;E流股是通過折流板與殼體間縫隙的泄漏流股。一般認為C和E流股對傳熱不起作用,而只有0.5A流股像B流股那樣對傳熱起作用。評價折流板間距和切缺率兩個指標的重要條件是殼側(cè)流體窗口流速和穿管流流速盡可能相等,它們的比應(yīng)在0.8～1.2之間,如果超過這個范圍,則沿管長方向流體被重復(fù)加速和減速,從而使壓降不能充分轉(zhuǎn)化為給熱系數(shù)的提高[4]。

圖1 殼側(cè)流動的四個基本流股

表5 不同殼程設(shè)計對比

仍以上面的水冷卻器C設(shè)計為例,考察折流板設(shè)計對換熱器的影響。AspenB-jac中換熱器殼程物流流股分析見ThermalSummary-PressureDrop-ShellSideFlow一欄:

甲乙丙三個設(shè)計,固定的是折流板切缺率,改變了折流板間距。從表五可以看出,隨著折流板間距的減小,殼側(cè)壓降增加的比流速增加的快,給熱系數(shù)也隨之增加。甲設(shè)計的殼程穿管流流速和窗口流速大小相近,給熱系數(shù)最大,壓降得到充分利用并且也滿足允許壓降要求,設(shè)計余量也有明顯提高。

甲丁戊三個設(shè)計,固定的是折流板間距,改變了折流板切缺率。從表5可以看出,隨著折流板切缺率的降低,窗口流速大幅上升,穿管流速基本不變,二者差距變大,沿管長方向流體被重復(fù)加速和減速,壓降有明顯上升。但是三個設(shè)計的給熱系數(shù)與換熱面積裕量基本沒有變化,說明殼側(cè)壓降并沒有有效的轉(zhuǎn)化為給熱系數(shù),甲設(shè)計仍為較優(yōu)化設(shè)計。

3 管殼式換熱器工藝設(shè)計的一些建議

管殼式換熱器在工藝設(shè)計過程中,常遇見的問題主要分為兩類:給熱系數(shù)太小造成換熱面積過大以及物流壓力降超過允許值,下面就這類問題給出一些建議:

3.1 給熱系數(shù)過小時

總傳熱阻力的大小主要是由管側(cè)、殼側(cè)、污垢熱阻和換熱管熱阻來決定。為了提高總給熱系數(shù),應(yīng)首先分析給熱系數(shù)的主要影響因素,再有針對的采用方法提高給熱系數(shù)值。

提高殼側(cè)給熱系數(shù)的方法

—減小換熱管外徑和管間距

—提高B流速度

—選用F型或G型殼體

提高管側(cè)給熱系數(shù)的方法

—小換熱器直徑、增加管長

—選用小直徑換熱管

—將管側(cè)流動改為殼側(cè)流動

降低污垢熱阻的方法

—適當提高流速

—在物料中添加減慢污垢形成的物質(zhì)

—定期清洗

3.2 壓力降過大時

減小殼側(cè)壓力降的方法

—增加殼體直徑

—使用雙圓缺折流板或管窗內(nèi)不排管

—選用TEMA J、G、H、X型殼體

—增加管間距

—改變流向角,可選用45°或90°

—如管口的阻力降較大,可適當增大管口

減小管側(cè)壓力降的方法

—增大換熱管外徑

—增加換熱管根數(shù)

—減小管程數(shù)

[1] 中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.273.

[2] ASPEN TECH公司.ASPEN PLUS用戶指南,V10.2.8.

[3] 王松漢.石油化工設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.615.

[4] 李漢.優(yōu)化設(shè)計管殼式換熱器[J].化工設(shè)計,2003,13(4):15-18.

TQ051.5

A

1003-6490(2010)02-0042-05

2010-05-13

周 奇(1982.11-),男,工程師,2007年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工系,碩士研究生,現(xiàn)工作于東華工程科技股份有限公司,主要從事化工工藝設(shè)計工作。E-mail:zhouqi@chinaecec.com。