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(yōu)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(yè)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(yōu)化過程進行分析。

管殼式換熱器 設計 優(yōu)化

化工企業(yè)各種換熱設備的數(shù)量占工藝設備數(shù)量的30%以上。換熱器設計對產品質量、能量利用率以及系統(tǒng)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(guī)范化歷史最悠久以及計算機程序軟件開發(fā)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(yōu)化過程進行介紹。

1 管殼式換熱器的特點

根據(jù)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(yè)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(shù)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(shù)：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(shù)及其物性參數(shù)、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(shù)可參考TEMA標準或根據(jù)經驗數(shù)據(jù)確定。冷熱流體的物性參數(shù)，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(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)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(jù)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(yōu)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(yōu)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(shù)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(tài)。增加流體流速，可提高傳熱系數(shù)，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(yōu)化

目前管殼式換熱器的工藝設計計算基本都采用專業(yè)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(shù)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(jù)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(shù)進行調整，得到最優(yōu)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(shù)、面積余量、壓力降、流速、傳熱系數(shù)、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(shù)。

以工程實例對換熱器的設計及優(yōu)化過程進行說明。工藝設計參數(shù)：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(shù)為0.0002m2·K/W；循環(huán)水壓力為0.45MPa，進出口溫度分別為32℃、40℃，污垢系數(shù)為0.00017m2·K/W。

通過流體特性分析，本換熱器形式選擇BEM，循環(huán)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(shù)輸入，直接用HTRI自帶物性數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，還需進行圓整規(guī)格化。此外，分析設計欄中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)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(shù)等方法進行調節(jié)；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(jié)。

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(fā)現(xiàn)上述問題仍然存在。調整參數(shù)，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(shù)據(jù)。分析此換熱器流股，各流股示意見圖1，對比表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)進行調整優(yōu)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(yōu)化后結果列于表3中優(yōu)化欄?？梢钥闯龃藫Q熱器面積余量、傳熱系數(shù)、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(shù)據(jù)可以看出，本例壓力降主要分布在折流板錯流區(qū)和窗口區(qū)，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(jù)實際工況，來判斷結果是否滿足要求，出現(xiàn)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(shù)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(shù)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(yè)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(yè)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(yè)出版社， 2009.

2017-04-25)

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