基于Aspen EDR分析液位對臥式容器內板翅式換熱器換熱的影響

茹 婧，胡 沛

(杭州制氧機集團股份有限公司，浙江 杭州 310014)

1 背 景

CIV即容器內板翅式換熱器(Core In Vessel)，是將板翅式換熱器置于容器內，浸入冷劑中進行換熱的新型換熱設備，通常應用于乙烯裝置中的脫甲烷塔、乙烯精餾塔等位置。因其具有結構緊湊，單位體積換熱面積大、占地面積小、重量輕、投資低、運行穩定等優點，可用于替換釜式管殼式換熱器[1]。但板翅式換熱器對物流的清潔度要求較高，需預防堵塞換熱通道。

Aspen EDR即Aspen Exchanger Design Rating軟件，集管殼式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、空冷器等多種不同類型換熱器的設計、校核功能，是當前被廣泛應用的換熱器設計軟件。

2 EDR軟件輸入條件

現在，我們利用EDR軟件計算、分析CIV內冷劑液位的變化對換熱的影響。針對CIV的計算，EDR中的計算模式(Calculation mode)須選擇“Stream by stream simulation”，換熱器類型(Exchanger type)選擇“Plate-fin kettle”，熱虹吸物流數量(Number of thermosiphon streams)輸入1。冷流的物流類型(Stream type)選擇“Thermosiphon”，流向(Flow direction)選擇“Crossflow”。

某項目乙烯精餾塔冷凝器物流數據見表1。熱流為乙烯精餾塔頂出料氣相乙烯，冷流是丙烷冷劑。在EDR軟件中輸入物流數據和組分信息之后，在“Exchanger Geometry”模塊中輸入CIV的結構數據，包括板翅式換熱器的外形尺寸、封條厚度、隔板厚度、側板厚度、使用翅片類型，冷、熱流層數及排列，殼體內徑、換熱器在殼體內的安裝位置、冷劑氣相出口管口數量等。其中，換熱器尺寸為800 mm×1685mm×6250 mm(寬×高×長)，殼體內徑為2400 mm，換熱器置于容器內中心位置。設備簡圖見圖1。

表1 某項目乙烯精餾塔冷凝器物流數據Table 1 Process data of ethylene splitter condenser

3 EDR軟件輸出結果與分析

在EDR中設置從1100～1600 mm共8個不同液位，運行后可得到換熱器負荷、平均溫差、UA值、熱流出口溫度、冷劑入口壓力、冷劑流量、冷劑出口氣化率、冷劑氣化量、CIV出口氣液夾帶率、熱流摩擦阻力和靜液柱變化、冷劑摩擦阻力和靜液柱變化等參數隨液位變化的趨勢，見組圖2。

a.換熱器傳熱負荷與液位的關系曲線；b.換熱器平均溫差與液位的關系曲線；c.換熱器的UA值與液位的關系曲線；d.熱流出口溫度與液位的關系曲線；e.冷流在換熱器的入口壓力與液位的關系曲線；f.冷流在換熱器中的流量與液位的關系曲線；g.冷流在換熱器出口的氣化率與液位的關系曲線；h.冷流氣化量與液位的關系曲線；i.熱流的摩擦阻力與液位的關系曲線；j.熱流的靜液柱變化與液位的關系曲線；k.冷流的摩擦阻力與液位的關系曲線；l.冷流的靜液柱變化與液位的關系曲線；m.CIV氣相出口的氣液夾帶率與液位的關系曲線圖2 某項目乙烯精餾塔冷凝器液位對換熱器性能的影響Fig.2 The effect of liquid level on the ethylene splitter condenser performance

從負荷-液位曲線(a)可以看到，從低液位1100 mm開始，隨著液位的升高，換熱量增加，直至液位達到1250 mm以上，換熱量基本保持穩定，不再提高。熱流出口溫度-液位曲線(d)、UA值-液位曲線(c)的變化趨勢與負荷-液位曲線(a)相符，可以得到同樣的結論。這說明在實際操作中，在熱流入口條件不變的情況下，當液位在1250 mm以下時，換熱器的換熱面積不能被充分利用，因此可以通過調節殼體內的冷劑液位來增減換熱量；而當液位達到1250 mm以上，換熱器的換熱能力達到極限，無法通過液位調節改變換熱量。因此，如果設備是按100%負荷設計工況要求設計的，操作中應將1250 mm左右設定為低液位，若低于這個液位，換熱負荷將無法達到設計要求。

從平均溫差-液位曲線(b)可以看到，在低負荷區域(液位1100～1250 mm)的平均溫差明顯高于高負荷區域(1250～1600 mm)，這是因為當換熱量少時，熱流出口溫度高，換熱器冷端的溫差較大。而單獨看高負荷區域的溫差，我們可以發現，隨著液位的升高，溫差有變小的趨勢，這是因為隨著液位的升高，冷劑的靜液柱增加，導致冷流在換熱器入口的壓力提高[見冷流入口壓力-液位曲線(e)]，冷劑的過冷程度增加了。因此，在換熱器的傳熱計算和設計中，應當充分考慮最高液位靜液柱對冷劑的入口壓力以及換熱溫差的影響，換熱面積應當能夠滿足溫差最小的情況的需求。

換熱器的冷劑流量隨著液位的升高而提高(f)，對應的冷劑出口氣化率隨著液位的升高而降低(g)。冷劑氣化量隨液位變化的趨勢(h)與換熱負荷隨液位變化的趨勢基本一致，但并不完全一致，這是因為靜液柱的不同會導致冷劑在換熱器入口的過冷程度不同，冷劑需在換熱器中吸收不同程度的熱量至泡點才能蒸發。

蒸發流在換熱器中流動時存在幾種不同的形態，分別是氣泡流、塊狀流、環狀流、霧狀流，而不同流動狀態下的流體給熱系數是不同的，其中環狀流的給熱系數最高，塊狀流次之，氣泡流和噴霧流的給熱系數較低[2]。因此，針對這類冷劑循環的蒸發流，在設計時，一般要求氣化率在10%～40%，得到較高的給熱系數，從而提高換熱器的換熱性能。因此，對此臺換熱器的操作來說，保持在1300～1600 mm液位，換熱效果最佳。

從熱流和冷流摩擦阻力、靜液柱變化與液位的關系曲線(i)、(j)、(k)、(l)可以看到，影響熱流阻力的主要是換熱量不同引起的熱流相態變化不同，當換熱量大時，更多氣相熱流被冷凝，液相質量分率越大，摩擦阻力越小，靜液柱的增加越多；而影響冷流阻力的主要是不同液位下通過換熱器的冷劑流量，液位越高，冷劑流量越大，摩擦阻力就越大，靜液柱的降低越多。

從CIV出口氣液夾帶率-液位曲線(m)可以看到，隨著液位的升高，氣液夾帶率顯著升高。一來是因為冷劑在換熱器出口的氣化率越低，氣相裹挾的液相越多，二來更重要的原因是液位的提高使氣液兩相能夠分離的空間減少了。因此，當工藝流程對CIV氣相出口的液相含量有要求時，應當在換熱器的計算和設計時，考慮最高液位時的氣液夾帶率能夠滿足工藝要求，若不能滿足，可以通過增大殼體直徑或增加冷劑氣相出口數量等方式來降低氣液夾帶率。

4 結 論

利用EDR軟件，可以快速獲得不同液位下臥式容器內板翅式換熱器(CIV)的各項熱力學、水力學性能相關參數。通過對這些參數結果的整理分析，得到冷劑液位對換熱負荷、傳熱溫差、冷劑氣化率、物流阻力降、CIV出口氣液夾帶等因素的影響趨勢，以指導換熱器的設計和操作。

在設計換熱器時，應當考慮冷劑最高液位引起的靜液柱對冷劑入口壓力、傳熱溫差、氣液夾帶率等的影響，選取足夠的換熱面積以保證換熱需求，設計合適的殼體尺寸以保證合理的冷劑出口氣液夾帶率。

在換熱器運行時，可以通過調節液位來控制換熱量，還應當選取合理的高、低操作液位，保證達到工藝要求的換熱量和合理的冷劑氣化區間，以獲得最佳換熱效果。