孫 新

上海華誼工程有限公司 （上海 200241）

換熱器因具有結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于化工、石油化工、醫(yī)藥、輕工業(yè)等行業(yè)。其中，管殼式換熱器是應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器類型。常見的有塔底再沸器、塔頂冷凝器等，它們的運(yùn)行情況直接關(guān)系到塔的操作狀況，進(jìn)而影響整個(gè)生產(chǎn)過程及產(chǎn)品質(zhì)量。因此如何更好地設(shè)計(jì)換熱器，使其滿足工藝條件，提高生產(chǎn)效率，是每個(gè)設(shè)計(jì)人員需要研究的問題。

單一組分單相流體的換熱計(jì)算較簡(jiǎn)單，而涉及到兩相流計(jì)算時(shí)，還需要流體的相平衡數(shù)據(jù)。對(duì)于多組分的計(jì)算，尤其是產(chǎn)物為汽液兩相時(shí)，隨著蒸汽的不斷冷凝，混合蒸汽的溫度和組成逐漸變化，所以要分段進(jìn)行計(jì)算，求取數(shù)個(gè)溫度點(diǎn)下的平衡常數(shù)、物性參數(shù)、冷凝量等，然后進(jìn)行加和計(jì)算。此種情況下，如果設(shè)計(jì)人員手工完成這些工作，需先假定汽液比，采用試差法多次計(jì)算，直到計(jì)算值和假定值接近，該過程包含許多復(fù)雜的計(jì)算，工作量大，而且可能存在很大的誤差。所以，在這種情況下借助于計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算，將會(huì)大大提高工作效率。

目前用于換熱器計(jì)算的軟件很多，如TASC、Pro II、Aspen HTFS等，Aspen HTFS模擬軟件可以獨(dú)立地作為換熱器設(shè)計(jì)的計(jì)算軟件，設(shè)計(jì)時(shí)，它可以根據(jù)所需達(dá)到的熱負(fù)荷、允許的壓力降和最大速率，對(duì)換熱器的配置進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。另外，程序還可以讓工程師對(duì)已有的換熱器在指定的負(fù)荷下進(jìn)行嚴(yán)格的校核和計(jì)算。結(jié)合在設(shè)計(jì)過程中遇到的實(shí)際問題，對(duì)如何使用Aspen HTFS軟件進(jìn)行管殼式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行總結(jié)，主要介紹了設(shè)計(jì)模式和核算模式。無論是手工計(jì)算還是借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行的計(jì)算，設(shè)計(jì)計(jì)算與模擬計(jì)算均以熱量衡算和總傳熱速率方程為基礎(chǔ)。下面對(duì)管殼式冷凝器的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析討論。

1 冷凝過程分析

冷凝器大致有以下幾種冷凝工況：

（1）單組分全部冷凝為液相

該工況的計(jì)算非常簡(jiǎn)單，利用Q=KA△tm=G r即可求得。其中：Q為熱負(fù)荷，kW；K為總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；A 為換熱面積，m2；△tm為對(duì)數(shù)平均溫差，K；G為被冷凝蒸汽的量，kg/s；r為被冷凝蒸汽汽化潛熱，kJ/kg。

△tm=(△t1-△t2)/ln(△t1/△t2)

（2）單組分過熱蒸汽冷凝

該工況熱負(fù)荷包含兩部分：一部分是過熱蒸汽冷卻至飽和蒸汽，Q1；另一部分是飽和蒸汽冷卻為飽和水，Q2。

Q1=G△H△t；Q2=G r?！鱄為焓值差，kJ/kg。

二者相對(duì)應(yīng)的平均溫差與傳熱系數(shù)也應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算。

（3）多組分蒸汽冷凝后，產(chǎn)物為汽液兩相

多組分蒸汽冷凝的主要特點(diǎn)是：在冷凝過程中，蒸汽相與凝液相的組成不斷地發(fā)生變化，且冷凝后可能還存在汽液兩相。由于組分不斷發(fā)生變化，所以多組分冷凝計(jì)算的關(guān)鍵在于選取多個(gè)不同溫度下的物性參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行逐段計(jì)算。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，這種情況最為常見，且分析最為復(fù)雜。

2 計(jì)算過程分析

在用軟件對(duì)換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要同時(shí)用到設(shè)計(jì)模式和核算模式[3]，這一點(diǎn)同手工計(jì)算是一樣的。根據(jù)工藝要求，在設(shè)計(jì)模式下輸入一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，如熱流體流量、進(jìn)出口溫度，冷流體進(jìn)出口溫度，工藝流體中的物料名稱及含量、冷流體名稱，管殼程材質(zhì)等。待所有條件輸入后即可運(yùn)行，從運(yùn)行結(jié)果中可以初選換熱器。在用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)模式階段很簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是核算，可在原設(shè)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。除了一些參數(shù)（如管子排列方式、折流板缺口高度、擋板間距）可以借助以往的經(jīng)驗(yàn)或標(biāo)準(zhǔn)直接選取，具體的核算過程可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

（1）根據(jù)運(yùn)行結(jié)果中給出的換熱器尺寸，可從標(biāo)準(zhǔn)系列中進(jìn)行初選。如果標(biāo)準(zhǔn)系列中沒有該尺寸，也可在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整后再核算。

（2）查看結(jié)果中管內(nèi)流速及壓降，是否滿足以下要求：管殼式換熱器內(nèi)常用流速，△p計(jì)＜△p允，αi＞K估?！鱬計(jì)為換熱器模擬計(jì)算過程中計(jì)算出來的壓降值；△p允為規(guī)定的換熱器允許最大壓降值；αi為管內(nèi)給熱系數(shù)；K估為估算的傳熱系數(shù)。綜合考慮管內(nèi)流速和壓降來確定管程數(shù)和換熱器型號(hào)。

（3）殼程中，若△p計(jì)＞△p允，則增大擋板間距；若傳熱系數(shù)太小，可減小間距。對(duì)于傳熱系數(shù)的改變，應(yīng)具體分析哪些條件（如影響殼程給熱系數(shù)的因素——?dú)んw直徑、折流板間距、管子排列方式等）是可變的，根據(jù)具體情況而定。

3 冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算

以某塔頂冷凝器為例進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。作為熱流體的工藝介質(zhì)為多組分混合物，該介質(zhì)易燃易爆，具有高度危害及腐蝕性，因此，選擇走殼程，殼體及管子材質(zhì)均為哈氏C276合金，冷凝后產(chǎn)物為汽液兩相；冷卻水走管程，材質(zhì)為碳鋼。由于正三角形排列比較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，給熱系數(shù)大，所以初選管子的排列方式為正三角形排列。換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

初選管徑為19.05 mm；由于管子材料為哈氏合金，根據(jù)特材管子的規(guī)格，選取冷凝器管子的規(guī)格為19.05 mm×1.65 mm；布管間距為25.4 mm，滿足管間距不小于管外徑1.25倍的規(guī)定。

表1 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

運(yùn)行結(jié)果如下：殼體內(nèi)徑為1 386 mm；管程數(shù)為2；管長(zhǎng)為4500 mm；管子數(shù)量為2205。

初步估算傳熱面積為584 m2。

4 冷凝器的核算分析

將設(shè)計(jì)模式改為核算模式，根據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]中常用的換熱器直徑及管長(zhǎng)規(guī)格，初選內(nèi)徑為1 400 mm，管長(zhǎng)為4 500 mm的換熱器，理論上可排布2502根管子。最小的折流板間距為殼體直徑的1/3～1/2，所以初選折流板間距為500 mm。管程數(shù)增加，管內(nèi)流速增大，傳熱系數(shù)也會(huì)增加；但流速過大，會(huì)使管程壓力降增大[2]。所以，先按設(shè)計(jì)模式下計(jì)算的管程數(shù)，取2。輸入以上所選換熱器的幾何尺寸，反復(fù)調(diào)試后運(yùn)行結(jié)果見表2、表3。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，所選換熱器滿足要求。

表2 冷凝器核算運(yùn)行結(jié)果-物性數(shù)據(jù)

表3 冷凝器核算運(yùn)行結(jié)果-換熱器結(jié)構(gòu)

另外，從軟件運(yùn)算結(jié)果中還能得到流體冷卻到不同溫度時(shí)被冷凝下來的量及所需的熱負(fù)荷，通過數(shù)據(jù)及冷凝曲線可以比較直觀地看出所選換熱器的操作性能。見表4、表5及圖1。

表4 不同溫度下的冷凝量

圖1所示為局部冷凝曲線，即冷凝液從蒸汽中分離出來的狀態(tài)。由于冷凝過程中蒸汽和液體的組分是變化的，所以它們的物性也是變化的，表4中的潛熱變化就說明了這一點(diǎn)。

使用該軟件，不但可以得到熱力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷所選換熱器是否滿足工藝要求；而且還可以得到設(shè)備本身的一些機(jī)械性質(zhì)數(shù)據(jù)，如外形尺寸、管口連接形式、管子布局等，可為設(shè)計(jì)者更好地了解換熱器各方面的性能提供很大的幫助。圖2為計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)算得出的設(shè)備外形尺寸，可以參照該圖并結(jié)合設(shè)備相關(guān)規(guī)定給設(shè)備專業(yè)提出設(shè)計(jì)條件和設(shè)備草圖。

另外，模擬計(jì)算時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

（1）冷凝曲線的計(jì)算物性方法要根據(jù)物料的不同選擇合適的物性方法，以減少誤差，獲得較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。特別值得注意的是，對(duì)強(qiáng)極性和締合流體，可使用Haden-Oconnell基于化學(xué)理論建立的第二維里系數(shù)關(guān)聯(lián)式。

表5 不同溫度下的熱負(fù)荷

圖1 冷凝曲線

圖2 設(shè)備外形尺寸

（2）對(duì)于一些特殊的物質(zhì)（如CH3I），由于數(shù)據(jù)庫(kù)中可能不存在其相關(guān)參數(shù)，需要借助其他模擬軟件（如Aspen Plus）模擬后建立文件，然后在Aspen HTFS界面中通過選擇Aspen Property Browser來獲取較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

（3）要熟練掌握影響管殼程流體流動(dòng)狀況的因素，學(xué)會(huì)分析，才能快速準(zhǔn)確地調(diào)整換熱器的幾何數(shù)據(jù)，得到滿足要求的設(shè)計(jì)結(jié)果。

5 結(jié)語

隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，管殼式換熱器的應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大，且使用條件逐漸向高溫、高壓等更加苛刻的條件發(fā)展，這就對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了新的挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)多掌握幾種換熱器的計(jì)算軟件，并加以比較，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)條件選擇合適的軟件。不過，軟件的運(yùn)用始終是以換熱器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論知識(shí)為依據(jù)，只有熟練掌握兩方面的知識(shí)，做到有機(jī)結(jié)合，才能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行計(jì)算，提高工作效率，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社2009.

[3]時(shí)鈞，汪家鼎，余國(guó)琮,等.化學(xué)工程手冊(cè)[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1996.