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《基于过程模拟软件的管壳式换热器优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、摘 要：提出基于国际流行的ASPEN PLUS模拟软件,通过与必要的手工计算相结合,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。复杂而且繁琐的能量平衡和压力降计算由软件来完成,设计者只需依照相关的标准,通过简单的手工计算确定出离散变量的取值,再基于模拟软件的计算结果,在压力降和标准许可的范围内,调整离散变量的取值以便进一步提高总传热系数,从而节省传热面积。通过重新设计一个文献实例来演示所提方法的简单性和有效性,所得的换热面积比报道值节省了66. 7%。 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
2、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。一般来讲,管壳式换热器具有易于加工制造、成本低、可靠性高,且能适应高温高压的特点。随着新型高效传热管的不断出现,使得管壳式换热器的应用范围得以不断扩大,更增添了管壳式换热器的生命力。如何根据不同的生产工艺条件设计出投资省、能耗低、传热效率高、维修方便的换热器,是工艺设计人员重要的工作,也是化工类专业学生必修的课程设计项目之一。换热器的工艺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
3、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(HeatTrans-ferResearch Inc.,即HTRI)开发的XchangerSuite软件;成立于1967年的英国传热及流体服务中心(HeatTransferand Fluid Flow Service,即HTFS)开发的HTFS系列软件[1]和B-JAC软件。换热器计算软件发展到今天,在功能上已经可以向制造厂商提供设备条件。 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
4、。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)。正是这些标准的制约,使得设计变量如壳体直径和管长是非连续变化的,因而进一步增加了优化设计的难度。 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
5、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。但到目前为止,采用这些功能强大的模拟软件进行换热器优化设计的研究还鲜有报道[9]。另外,虽然这些软件所附带的说明文档介绍了软件功能和使用方法,但如何充分利用这些功能高效地解决实际问题仍是使用者需要仔细思考的问题。还有从国外引进的软件所用的默认值与国内相关的标准有差异,如何设计出符合中国相关标准的换热器也是需要解决的重要问题。 本文选用在中国较为流行的ASPEN PLUS模拟软件(2006. 5版)作为管壳式换热器优化设计的工具,提出高效地
6、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。 1 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。 2 设计步骤 基于研究者的设计经验和ASPEN PLUS(200
7、6.5版)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
