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。
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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
地下轨道站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。攀岩板
(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、秸秆制煤设计实例
（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10560kg·h-1,压力为 7.58×105Pa(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 2.02×105Pa。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。
固定管板式换热器 （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 1.01×106Pa,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. 05×104Pa。原因是允许的压力降是 6. 8×104Pa,若压力降大于 7. 07×104Pa,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 kg·h-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. 58×105Pa,大于乙二醇流股的 2. 02×105Pa;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。 ①计算平均传热温差先按纯逆流计算。
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