Aspen Plus在換熱器工藝選型物性計算中的應用

姚立影　常春梅　唐海　姚煒屹

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

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Aspen Plus在換熱器工藝選型物性計算中的應用

姚立影*1，2常春梅1，2唐海1，2姚煒屹3

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

應用Aspen Plus軟件對飽和濕空氣、煙氣及加氫換熱器混合進料的熱物性進行計算，包括換熱器設計所涉及的密度、黏度、導熱系數、比熱容等物性參數，并將計算結果與文獻值或實測值進行比較。結果表明，基于Aspen Plus的計算結果與文獻值最大偏差不超過13%，滿足工程要求，可以為換熱器設計提供參考依據。

換熱器熱物性密度黏度導熱系數Aspen Plus

0　引言

換熱器是工業生產過程中實現熱量交換和傳遞不可缺少的設備，也是工業生產裝置中的重要節能設備，在石油、化工、電力、冶金等工業領域大量應用。近年來，換熱器行業的主要發展方向為節能增效，具體集中在提高傳熱系數、減少傳熱面積、降低壓降和提高裝置熱強度等方面。面對日益激烈的市場競爭環境，如何設計出高效節能、價格低廉的換熱設備，這就要求換熱器設計工程師對設計有更高的精度。物性數據是換熱器模擬優化、設計、開發所必須的，準確可靠的物性數據是換熱器熱力計算的基礎。近十幾年來，物性數據愈來愈受到重視，國內外許多學者都在進行物性數據的收集評選工作[1-3]，提出了許多比較準確的物性推算模型[4-5]。目前獲得介質物性的方法主要有查詢物性手冊、利用計算機軟件模擬等。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據、齊全的單元操作模型、嚴格的熱力學模型和先進的計算方法，可進行各種類型的流程模擬。筆者應用Aspen Plus軟件對飽和濕空氣、煙氣等的物性進行模擬計算，主要包括換熱器傳熱設計所涉及的熱物理參數如密度、比熱容、黏度、導熱系數等，并與相關文獻進行比較，驗證計算結果的準確性。

1　濕空氣物性模擬計算

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程中。通常認為，濕空氣是由水、氮氣、氧氣組成的三元體系。未飽和濕空氣中水蒸氣含量較低，水蒸氣處于過熱狀態；飽和濕空氣則達到了該溫度下最大水蒸氣含量，將形成結露。未飽和濕空氣通過降溫或增濕的方法可轉化為飽和濕空氣。

首先運行Aspen Plus軟件。由于介質壓力不高，選擇物性模型為理想氣體狀態方程，組分為空氣與水。查看二元交互作用參數，建立流程圖。Aspen Plus軟件中的Flash2模型可以用來模擬閃蒸罐、蒸發器、分液罐以及其他的單級分離設備，完成氣-液或氣-液-液的平衡計算。本文選擇Flash2操作模型作為空氣與水混合的場所，通過閃蒸的方式獲得飽和濕空氣。Flash2模型需要輸入兩股進料物流，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模型的參數設置包括溫度、壓力以及熱負荷，計算流程如圖1所示。

圖1　飽和濕空氣計算流程圖

引用Aspen Plus軟件中的自帶流股空氣為干空氣，且處于過熱狀態。當空氣與水混合時，這部分超量熱就會以潛熱的形式被吸收，引起部分水被“閃蒸”成蒸汽。通過閃蒸后出來兩股物流，一股物流為飽和濕空氣，另一股物流為水。本文計算了一個大氣壓下12℃、16℃、20℃時飽和濕空氣的濕度、導熱系數、比熱容和密度等物性參數，并將計算值與文獻值[8]進行比較，結果如表1所示。

由表1可以看出，飽和濕空氣熱物性參數的計算值與文獻值相比差別不大。飽和濕空氣的濕度、密度、黏度、比熱容和導熱系數的計算值與文獻值最大相對偏差分別為-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7%，滿足工程設計要求。

表1　飽和濕空氣物性計算值與文獻值比較

2　煙氣物性模擬計算

煙氣在工業中通常用作加熱空氣的熱介質。典型的空氣預熱器就是一種利用煙氣余熱來加熱燃料所需空氣的設備。采用空氣預熱器不僅可以使鍋爐排煙溫度降低，提高鍋爐熱效率，而且可以將高溫煙氣冷卻，回收熱量。本文模擬標準壓力下煙氣的基本物性參數，煙氣組成見表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，模擬煙氣在一個大氣壓下，溫度分別為200℃、300℃、400℃時煙氣的基本熱物理參數值，并將計算值與文獻值[8]進行比較，結果見表3。

由表3可見，計算結果與文獻數據十分接近。其中煙氣的密度、黏度、比熱容、導熱系數的計算值在200℃、300℃、400℃時的最大偏差分別為-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13%，滿足工程設計要求。

表3　煙氣物性計算值與文獻值比較

3　工藝氣物性模擬

加氫換熱器內的工作介質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，加氫換熱器內的工作溫度、壓力遠高于此，故氫氣為超臨界組分。

某石化用加氫換熱器進口溫度為82.26℃，進口壓力為6.25 MPa，出口壓力為6.2 MPa。混合進料含氫氣質量分數為25.165%，進料中混合芳烴主要由甲苯、C9芳烴、C10芳烴組成，一般質量比為C7∶C9∶C10=0.65∶0.31∶0.04（不含循環氫）。采用Chao-seader物性方法并應用Aspen Plus軟件計算的物性參數見表4。經現場采集測試，獲得了該加氫換熱器混合進料的物性數值，這些數值也列于表4以進行比較。

表4　加氫換熱器混合進料物性參數計算值與實測值比較

比較Aspen Plus計算值與現場采集的物性數據，進料中氣相的密度、比熱容、黏度、導熱系數的計算誤差分別為-9.12%、+2.82%、-2.33%、 +6.14%；液相的密度、比熱容、黏度、導熱系數的計算誤差分別為-1.75%、+0.30%、-6.19%、-1.17%。最大誤差不超過10%。

4　結語

（1）應用Aspen Plus分別對飽和濕空氣、煙氣及加氫換熱器混合進料的物性進行計算，并將計算結果與文獻值或實測值進行比較，發現計算結果偏差不大，最大不超過13%，滿足工程設計要求。

（2）應用Aspen Plus計算介質熱物性，其結果準確可靠，且模擬計算十分方便。當某些參數改變時，只需在輸入條件中改變該參數值，便可方便地輸出模擬結果，極大地提高了工作效率。

（3）Aspen Plus流程模擬軟件能為設計、生產提供很多幫助，如果工程技術人員能熟練掌握和應用，將會產生巨大的效益。

[1]Reid R C，Prausnitz J M A，Sherwood T K.The properties of gases and liquid[M].4th ed.New York：McGraw Hill，1977.

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[5]HylandRW，WexlerA.ASPENsimulationof cogeneration plants[J].ASHRAE Transactions，1983，89 （2A）：500-535.

[6]屈一新.化工過程數值模擬軟件 [M].北京：化學工業出版社，2006.

[7]周密，唐黎華，李敬榮.模擬計算甲醇合成的平衡組成 [J].煤化工，2008(6)：30-33.

[8]劉光啟，馬連湘，劉杰，等.化學化工物性數據手冊（有機卷）[M].北京：化學工業出版社，2002.

[9]張建芳，山紅紅.煉油工藝基礎知識 [M].北京：中國石化出版社，1994：60-64.

[10]孫蘭義.化工流程模擬實訓——Aspen Plus教程 [M].北京：化學工業出版社，2012：1-2.

[11]林世雄.石油煉制工程 [M].北京：中國石化出版社，1988：201-203.

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。