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(1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司　2.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司　3.華東理工大學(xué))

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Aspen Plus在換熱器工藝選型物性計(jì)算中的應(yīng)用

姚立影*1，2常春梅1，2唐海1，2姚煒屹3

(1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司2.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司3.華東理工大學(xué))

應(yīng)用Aspen Plus軟件對(duì)飽和濕空氣、煙氣及加氫換熱器混合進(jìn)料的熱物性進(jìn)行計(jì)算，包括換熱器設(shè)計(jì)所涉及的密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等物性參數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值或?qū)崪y(cè)值進(jìn)行比較。結(jié)果表明，基于Aspen Plus的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值最大偏差不超過(guò)13%，滿足工程要求，可以為換熱器設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

換熱器熱物性密度黏度導(dǎo)熱系數(shù)Aspen Plus

0　引言

換熱器是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備，也是工業(yè)生產(chǎn)裝置中的重要節(jié)能設(shè)備，在石油、化工、電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用。近年來(lái)，換熱器行業(yè)的主要發(fā)展方向?yàn)楣?jié)能增效，具體集中在提高傳熱系數(shù)、減少傳熱面積、降低壓降和提高裝置熱強(qiáng)度等方面。面對(duì)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，如何設(shè)計(jì)出高效節(jié)能、價(jià)格低廉的換熱設(shè)備，這就要求換熱器設(shè)計(jì)工程師對(duì)設(shè)計(jì)有更高的精度。物性數(shù)據(jù)是換熱器模擬優(yōu)化、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)所必須的，準(zhǔn)確可靠的物性數(shù)據(jù)是換熱器熱力計(jì)算的基礎(chǔ)。近十幾年來(lái)，物性數(shù)據(jù)愈來(lái)愈受到重視，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都在進(jìn)行物性數(shù)據(jù)的收集評(píng)選工作[1-3]，提出了許多比較準(zhǔn)確的物性推算模型[4-5]。目前獲得介質(zhì)物性的方法主要有查詢物性手冊(cè)、利用計(jì)算機(jī)軟件模擬等。常用的化工軟件有pro-Ⅱ及Aspen Plus。Aspen Plus軟件[6-7]提供了完備的物性數(shù)據(jù)、齊全的單元操作模型、嚴(yán)格的熱力學(xué)模型和先進(jìn)的計(jì)算方法，可進(jìn)行各種類型的流程模擬。筆者應(yīng)用Aspen Plus軟件對(duì)飽和濕空氣、煙氣等的物性進(jìn)行模擬計(jì)算，主要包括換熱器傳熱設(shè)計(jì)所涉及的熱物理參數(shù)如密度、比熱容、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)等，并與相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行比較，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1　濕空氣物性模擬計(jì)算

濕空氣是水與空氣的混合體系，廣泛存在于常溫常壓下的增濕減濕過(guò)程中。通常認(rèn)為，濕空氣是由水、氮?dú)?、氧氣組成的三元體系。未飽和濕空氣中水蒸氣含量較低，水蒸氣處于過(guò)熱狀態(tài)；飽和濕空氣則達(dá)到了該溫度下最大水蒸氣含量，將形成結(jié)露。未飽和濕空氣通過(guò)降溫或增濕的方法可轉(zhuǎn)化為飽和濕空氣。

首先運(yùn)行Aspen Plus軟件。由于介質(zhì)壓力不高，選擇物性模型為理想氣體狀態(tài)方程，組分為空氣與水。查看二元交互作用參數(shù)，建立流程圖。Aspen Plus軟件中的Flash2模型可以用來(lái)模擬閃蒸罐、蒸發(fā)器、分液罐以及其他的單級(jí)分離設(shè)備，完成氣-液或氣-液-液的平衡計(jì)算。本文選擇Flash2操作模型作為空氣與水混合的場(chǎng)所，通過(guò)閃蒸的方式獲得飽和濕空氣。Flash2模型需要輸入兩股進(jìn)料物流，分別為空氣與水，出口為一股氣相物料流和一股液相物料流。Flash2模型的參數(shù)設(shè)置包括溫度、壓力以及熱負(fù)荷，計(jì)算流程如圖1所示。

圖1　飽和濕空氣計(jì)算流程圖

引用Aspen Plus軟件中的自帶流股空氣為干空氣，且處于過(guò)熱狀態(tài)。當(dāng)空氣與水混合時(shí)，這部分超量熱就會(huì)以潛熱的形式被吸收，引起部分水被“閃蒸”成蒸汽。通過(guò)閃蒸后出來(lái)兩股物流，一股物流為飽和濕空氣，另一股物流為水。本文計(jì)算了一個(gè)大氣壓下12℃、16℃、20℃時(shí)飽和濕空氣的濕度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和密度等物性參數(shù)，并將計(jì)算值與文獻(xiàn)值[8]進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，飽和濕空氣熱物性參數(shù)的計(jì)算值與文獻(xiàn)值相比差別不大。飽和濕空氣的濕度、密度、黏度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算值與文獻(xiàn)值最大相對(duì)偏差分別為-0.57%、6.03%、-4.20%、0.22%和-3.85%，平均偏差分別為-0.49%、4.31%、-3.23%、0.11%和-3.83%。最大偏差不超過(guò)7%，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

表1　飽和濕空氣物性計(jì)算值與文獻(xiàn)值比較

2　煙氣物性模擬計(jì)算

煙氣在工業(yè)中通常用作加熱空氣的熱介質(zhì)。典型的空氣預(yù)熱器就是一種利用煙氣余熱來(lái)加熱燃料所需空氣的設(shè)備。采用空氣預(yù)熱器不僅可以使鍋爐排煙溫度降低，提高鍋爐熱效率，而且可以將高溫?zé)煔饫鋮s，回收熱量。本文模擬標(biāo)準(zhǔn)壓力下煙氣的基本物性參數(shù)，煙氣組成見(jiàn)表2。

表2　煙氣組成

在Aspen Plus軟件中輸入組成，物性方法選PR[9]方程，建立物性集。利用物性分析功能，模擬煙氣在一個(gè)大氣壓下，溫度分別為200℃、300℃、400℃時(shí)煙氣的基本熱物理參數(shù)值，并將計(jì)算值與文獻(xiàn)值[8]進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)十分接近。其中煙氣的密度、黏度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算值在200℃、300℃、400℃時(shí)的最大偏差分別為-0.162%、-0.50%、+0.713%、-12.60%，平均偏差分別為-0.098%、0.323%、+0.619%、-11.478%。最大偏差不超過(guò)13%，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

表3　煙氣物性計(jì)算值與文獻(xiàn)值比較

3　工藝氣物性模擬

加氫換熱器內(nèi)的工作介質(zhì)為含大量不凝氣氫氣的混合油[10]，且工作壓力范圍在3.1 MPa左右，即所涉及的氣液平衡屬于高壓氣液平衡[11]范疇。氫氣臨界溫度為33.2 K，臨界壓力為1 297.28 kPa，加氫換熱器內(nèi)的工作溫度、壓力遠(yuǎn)高于此，故氫氣為超臨界組分。

某石化用加氫換熱器進(jìn)口溫度為82.26℃，進(jìn)口壓力為6.25 MPa，出口壓力為6.2 MPa?；旌线M(jìn)料含氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.165%，進(jìn)料中混合芳烴主要由甲苯、C9芳烴、C10芳烴組成，一般質(zhì)量比為C7∶C9∶C10=0.65∶0.31∶0.04（不含循環(huán)氫）。采用Chao-seader物性方法并應(yīng)用Aspen Plus軟件計(jì)算的物性參數(shù)見(jiàn)表4。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采集測(cè)試，獲得了該加氫換熱器混合進(jìn)料的物性數(shù)值，這些數(shù)值也列于表4以進(jìn)行比較。

表4　加氫換熱器混合進(jìn)料物性參數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

比較Aspen Plus計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)采集的物性數(shù)據(jù)，進(jìn)料中氣相的密度、比熱容、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算誤差分別為-9.12%、+2.82%、-2.33%、 +6.14%；液相的密度、比熱容、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算誤差分別為-1.75%、+0.30%、-6.19%、-1.17%。最大誤差不超過(guò)10%。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）應(yīng)用Aspen Plus分別對(duì)飽和濕空氣、煙氣及加氫換熱器混合進(jìn)料的物性進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值或?qū)崪y(cè)值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果偏差不大，最大不超過(guò)13%，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

（2）應(yīng)用Aspen Plus計(jì)算介質(zhì)熱物性，其結(jié)果準(zhǔn)確可靠，且模擬計(jì)算十分方便。當(dāng)某些參數(shù)改變時(shí)，只需在輸入條件中改變?cè)搮?shù)值，便可方便地輸出模擬結(jié)果，極大地提高了工作效率。

（3）Aspen Plus流程模擬軟件能為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供很多幫助，如果工程技術(shù)人員能熟練掌握和應(yīng)用，將會(huì)產(chǎn)生巨大的效益。

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Application of Plus Aspen in Physical Property Calculation for Technique Lectotype of Heat Exchanger

Yao LiyingChang ChunmeiTang HaiYao Weiyi

The thermal physical properties of the saturated moist air,the flue gas and the mixed feeding of the hydrogen heat exchanger are calculated by applying the Plus Aspen software,including the density,viscosity, thermal conductibity coefficient,specific heat capacity and etc.Then the results are compared with the reported values or the measured values.It shows that the deviation between the calculated values from the Plus Aspen and the reported values is less than 13%which meets the engineering requirements so that it's of great preference for the design of the heat exchanger.

Heat exchanger；Thermal physical property；Density；Viscosity；Thermal conductibity coefficient；Plus Aspen

TQ 050.1DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.004

2015-11-03）

*姚立影，女，1987年生，助理工程師。蘭州市，730070。