HTRI軟件在管殼式換熱器工藝設計與優化中的應用

劉 佳張 興

山西省化工設計院 太原 030024 山西新元通合生物科技有限公司 朔州 036000

HTRI軟件在管殼式換熱器工藝設計與優化中的應用

劉 佳*張 興

山西省化工設計院 太原 030024 山西新元通合生物科技有限公司 朔州 036000

介紹化工企業常用的管殼式換熱器的特點和管殼式換熱器工藝設計的過程，利用HTRI軟件對管殼式換熱器工程實例的工藝設計與優化過程進行分析。

管殼式換熱器 設計 優化

化工企業各種換熱設備的數量占工藝設備數量的30%以上。換熱器設計對產品質量、能量利用率以及系統的經濟性和可靠性起著重要作用。管殼式換熱器適用范圍廣、處理量大，制造成本低，清洗方便，工作可靠，是理論研究水平最高、設計技術最完善、標準化和規范化歷史最悠久以及計算機程序軟件開發最早的換熱設備[1]，因此管殼式換熱器往往成為首選。

國內常用的換熱器計算軟件有HTRI和Aspen-EDR，利用這些軟件設計出的換熱器更符合實際工況。本文以HTRI軟件對管殼式換熱器的工藝設計與優化過程進行介紹。

1 管殼式換熱器的特點

根據管殼式換熱器的結構特點，常將其分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式、滑動管板式、雙管板式、薄管板式等類型[2]。在石油化工企業應用較廣的是前三種類型 ，這三種類型管殼式換熱器的特點及適用范圍見表1 。

2 設計方案的確定

2.1 工藝參數的確定

管殼式換熱器工藝設計計算前需要確定的工藝參數：熱負荷(冷或熱流體的流量)、操作壓力、操作溫度、允許壓力降和冷熱流體的進出口溫度 、組分、污垢系數及其物性參數、換熱器允許尺寸等 。

工藝流體的流量和進出口溫度由工藝要求決定。另一種流體即加熱劑或冷卻劑的進口溫度，一般由來源定，但其用量或出口溫度則由設計者選定。污垢系數可參考TEMA標準或根據經驗數據確定。冷熱流體的物性參數，可用Aspen Plus等工藝流程模擬軟件計算后自動導入，也可直接使用HTRI自帶數據庫的數據計算。

表1 管殼式換熱器的特點及適用范圍

2.2 換熱器結構型式的確定

換熱器的結構型式根據流體的溫差、壓力、結垢等情況確定。每種換熱器都有其適用場合，上述介紹的三種管殼式換熱器的特點和適用范圍可作為選擇參考。

2.3 流體空間的確定

由于影響選擇流體空間的因素有很多，選擇流體空間時主要考慮腐蝕和結垢兩個因素，一般管側流體空間選擇優先順序：腐蝕性強的流體、冷卻水、易結垢的流體、低粘度流體、高壓流體、高溫流體；一般殼側流體空間選擇優先順序：需要冷凝的蒸汽(具有腐蝕性的除外)、進出口溫差較大的流體、傳熱膜系數較小的流體、高粘度流體。

2.4 流速的確定

選擇流速時應盡量使流體的流動處于湍流流動狀態。增加流體流速，可提高傳熱系數，減輕結垢程度，使換熱器結構緊湊，但流速太高會增大換熱器的壓力降，使換熱管沖蝕和振動破壞加劇，還會造成動力消耗增加。 因此，在換熱器的設計中流速應控制在允許范圍內 。

3 工藝設計及優化

目前管殼式換熱器的工藝設計計算基本都采用專業的計算機軟件。在設計模式下將工藝流體的基本信息和相關參數輸入到軟件中進行計算。計算完成后，通常情況下軟件會按費用最低等原則自動選擇一組工藝計算方案。作為設計人員應依據工程實際情況，以換熱器達到效率最高、耗能最小、成本最低為目標，對換熱器結構的相關參數進行調整，得到最優的工藝計算方案。

一般在評價換熱器工藝計算結果時應考慮并校核以下各項：結構參數、面積余量、壓力降、流速、傳熱系數、熱阻分布、壓力降分布、流股分布、振動問題。參見表3中列出了部分參數。

以工程實例對換熱器的設計及優化過程進行說明。工藝設計參數：一解吸氣冷凝器，解吸氣組分(NH3：21%,CO2：29%，H2O：50%)，流量8400kg/h，進口壓力0.35MPa(A)，進出口溫度分別為116℃、95℃，污垢系數為0.0002m2·K/W；循環水壓力為0.45MPa，進出口溫度分別為32℃、40℃，污垢系數為0.00017m2·K/W。

通過流體特性分析，本換熱器形式選擇BEM，循環水走管程，解吸氣走殼程，便于散熱。由于場地位置限制，將換熱器設計為立式換熱器。

采用HTRI軟件設計模式進行設計，將已知工藝物料參數輸入，直接用HTRI自帶物性數據庫計算物性，運行得到計算結果見表2。

表2 計算結果匯總表(1)

由表2可見，設計模式給出的殼體內徑及折流板的尺寸都不是標準數據，還需進行圓整規格化。此外，分析設計欄中數據，發現殼程流體流速太大，可通過放大殼體直徑、放大支撐板間距、減少管數等方法進行調節；殼程工藝介質壓降較大，可通過調整折流板間距、折流板圓缺率、改變折流板形式或管子排列方式、管間距進行調節。

將設計模式轉為校核模式，設計欄中得到的殼體直徑、折流板間距圓整后輸入，運行后分析結果，發現上述問題仍然存在。調整參數，輸入殼體內徑600，折流板間距300，圓缺率30%，圓整進出口接管直徑，運行得到計算結果見表2中校核欄數據。分析此換熱器流股，各流股示意見圖1，對比表2數據發現，此換熱器流股分布情況較差，一般為保證換熱器有較好的傳熱效率，建議B>0.6，E<0.15，A最好<0.1，但不得大于0.2。C一般小于0.1，F接近0。校核中B流太小，E流太大，可通過增加折流板間距進行調整；C流太大，可增加密封帶或調整折流板數值；F流過大，可調整換熱管的排列方式解決。[3]

表2 計算結果匯總表(2)

圖1 五個基本流股

對校核欄中各數據進行調整優化，設置折流板圓缺率35%，折流板間距400，換熱管排列方式改為45°轉角正方形，優化后結果列于表3中優化欄。可以看出此換熱器面積余量、傳熱系數、壓力降、流速、流股分布結果均在合理范圍內，且無提示振動問題，其熱阻分布和壓降分布見表3和表4。

表3 熱阻分布表 (%)

表3中可以看到殼側、管側、污垢及管壁熱阻占總熱阻的比例關系，本例中管側和殼側的熱阻基本均衡。壓力降的分布，進出口接管的壓力降希望控制在總壓力降30%以下，由表4中壓力降的分布數據可以看出，本例壓力降主要分布在折流板錯流區和窗口區，進出口接管的壓力降在合理范圍內。

表4 壓降分布表 (%)

4 結語

當換熱器工藝計算后，如何根據實際工況，來判斷結果是否滿足要求，出現問題后如何解決，對設計者來說非常重要。一般而言，各設計參數之間不能很好的相互匹配，這就看哪個因素最重要。不同的情況有不同的要求，如溫升、壓力降、流速、傳熱系數等，需要確定哪個是控制因素。只有這樣，才能使換熱器的設計既滿足工藝過程本身的要求，又滿足結構、造價、維修、消耗等各方面的綜合要求，使企業降低成本，提高效益。

1 董寶春. 管殼式換熱器的工藝設計 [J]. 甘肅石油和化工，2009(3)：34-38.

2 董其伍，張垚等. 換熱器[M]. 北京：化學工業出版社，2011.

3 中國石化集團上海工程有限公司. 化工工藝設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社， 2009.

2017-04-25)

*劉 佳：工程師。畢業于太原理工大學化學工藝專業獲碩士學位。主要從事化工工藝設計工作。聯系電話：13453431721， E-mail：hgsiylj@163.com。