基于HTRI软件的管壳式冷凝器设计与优化.pdf

硫酸工业Sulphuric Acid Industry第 4 期2023 年 8 月No.4Aug.2023基于 HTRI 软件的管壳式冷凝器设计与优化李璟（TCL 环保科技股份有限公司，广东惠州 516006）摘要：管壳式换热器由于其结构简单、易清洗、造价低等优点，是工业中最常用的热交换设备。结合管壳式换热器设计的特点，阐述了管壳式换热器详细设计及优化选型的一般要求，并运用 HTRI 软件对硫酸铵工业含盐废水蒸发装置二次蒸汽冷凝器进行计算与分析，介绍了工艺流体空间分布、换热管径、折流板、壳程流路分析等因素对换热器选型的影响，并通过校核得到了冷凝器的相关工艺运行参数和结构参数，其计算结果可以满足换热器工程设计需要。关键词：管壳式换热器硫酸铵废水设备选型设计优化HTRI中图分类号：TQ051.5；X703 文献标志码：B 文章编号：1002-1507(2023)04-0012-04Design and optimization of shell and tube condenser based on HTRI softwareLI Jing(TCL Environmental Technology Co.,Ltd.,Huizhou,Guangdong,516006,China)Abstract:Shell and tube heat exchangers are the most commonly used heat exchange equipments in industry due to their simple structure,easy cleaning and low cost.Based on the characteristics of the design of shell and tube heat exchangers,the general requirements for detailed design and optimization selection of shell and tube heat exchangers are elaborated.The HTRI software is used to calculate and analyze the secondary steam condenser of the evaporation device for salt containing wastewater in ammonium sulfate industry.The influence of factors such as process fluid spatial distribution,heat exchange pipe diameter,baffle plate,and shell side flow path analysis on the selection of heat exchangers is introduced,and the relevant process operating and structural parameters of the condenser are obtained through verification,and the calculation results can meet the needs of heat exchanger engineering design.Key words:tube and shell heat exchanger;ammonium sulfate wastewater;equipment selection;design optimization;HTRI换热器是工业生产过程中实现热量交换和传递必不可少的装置，广泛应用于化工、炼油、医药、制冷、轻工等行业。换热器的种类繁多，根据原理和传热形式可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。管壳式换热器属于间壁式换热器，是使用最广泛的一种换热设备1，可作为加热器、冷却器和凝汽器等。换热器选型往往要通过反复计算、反复验证来完成，设计周期长，过程复杂繁琐，且出错率较高。随着科技的进步，采用计算机模拟软件进行换热器的选型逐渐取代手算过程。目前常用的换热器选型软件有美国传热研究公司（Heat Transfer Research Inc.）开发的 HTRI 软件，以及 Aspen Tech 公司开发的 Aspen EDR 软件2。笔者收稿日期：2023-04-10。作者简介：李璟，男，TCL 环保科技股份有限公司工程师，主要从事化工及环保工艺的研发与设计工作。电话：[phone]；E-mail：。采用 HTRI 软件对硫酸铵工业含盐废水多效蒸发装置二次蒸汽冷凝器的工艺设计过程进行优化与选型。1管壳式换热器选型原则管壳式换热器最常用的结构有固定管板式、U型管式、浮头式、填料函式、套管式等3-4。固定管板式换热器结构简单、易清洗、造价低，缺点是容易因管束与壳体热膨胀而产生较大的热应力；U型管式换热器不受膨胀的影响，结构较简单，质量13轻，缺点是管子拆换不便、管板利用率较低；浮头式换热器的管间与管内清洗方便，不会产生热应力，缺点是结构复杂，造价较高，材料消耗量大；填料函式换热器不会产生热变形应力，加工制造方便，造价比较低廉，清洗维修方便，缺点是填料处易产生泄漏，不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒等介质，目前已很少采用；套管式换热器结构简单、安装方便，但检修、清洗和拆卸都较麻烦，内管材料选择受到一定的限制5。管壳式换热器工艺设计前需要确定的工艺参数有：热交换负荷、冷热流体操作工况、允许压降、污垢系数及换热器的零部件规格等。1.1流体空间的确定确定流体空间时主要从流体介质的腐蚀性、毒性、温度、压力以及结垢情况等方面加以考虑。一般将容易腐蚀、有毒性、温度或压力过高、容易结垢的介质走管程；黏度大、传热膜系数较小、传热系数与流速无关的介质走壳程。1.2管径与管间距管径越小，换热器则越紧凑、越便宜，但压降越大。常用的管径有19 mm、25 mm、32 mm 等规格。管间距一般为 1.251.5 倍管径。管间距小，设备紧凑，但清洁不便、壳程压降大。1.3换热管排列方式常用的换热管排列方式有三角形排布和正方形排布。三角形排布利于壳程物流的湍流，一般用于壳程介质洁净的工况。正方形排布一般用于壳程易结垢介质的工况，为形成湍流一般采用转角正方形。1.4折流板设计折流板类型有单弓形和双弓形，其中单弓形最常见。单弓形折流板可以达到最大的错流，从而使壳程充分利用流体流速的增加获得较高的传热膜系数，缺点是压降较高。双弓形折流板一般用于单弓形折流板无法满足允许压降限制的情况。折流板切削率影响壳程的有效传热系数，通常取 20%30%，一般采用 25%。折流板的间距对振动及壳程流路的影响较大，经验值一般取壳体内径的 30%60%，且不小于 50 mm。1.5流速的确定介质流速较大时，换热效果会更好，但设备压降也相应较大。而介质流速较小会使换热器更容易结垢，不利于换热器的长期运行。因此，需在设备投资与运营投资之间进行经济性分析。一般液体在壳程的压降控制在 5070 kPa，对于黏度大的流体可允许压降略高一些，气体一般允许压降为 520 kPa。管程内液体流速一般取 1.02.5 m/s，最大不超过 3.0 m/s，最小不宜小于 0.8 m/s6。1.6壳程流路分析管壳式换热器的折流板与壳体内壁之间、折流板管孔与管子之间因设备制造的原因，都存在一定的缝隙，这些缝隙会造成流体发生漏流。1947 年Tinker 建立了一个反映换热器壳程各流路中流动情况的物理模型7-8（见图 1），并尝试采用流路分析的方法对管壳式换热器的壳程流道进行流动分析。Tinker 流路模型将流经管束的壳侧流体分为 5个部分（A、B、C、E、F），用数值表示各流路流量所占比例。其中，B 流路传热效率最高，A、C、F 流路传热效率低，E 流路因不与管子接触，对换A换热管与折流板管孔之间的漏流；B横过管束的错流；C管束外缘与壳内壁之间的旁路流；E折流板外缘与壳内壁之间的漏流；F管程分程隔板引起的旁路流图1壳程流体Tinker流路模型李璟.基于HTRI软件的管壳式冷凝器设计与优化硫酸工业142023 年第 4 期热没有贡献。为保证换热器有较好的传热效率，一般建议A小于0.1但不得大于0.2，B0.6，C0.1，E 0.15，F 接近 0。2冷凝器工艺要求以硫酸铵工业含盐废水蒸发装置二次蒸汽冷凝器为工程实例，对换热器的设计及优化过程进行说明。废水中硫酸盐质量分数超过 1%，该类废水具有高盐分、高 COD、含有机污染物等特点。由于废水盐含量高，不能直接进行生化处理，需进行复杂的物理化学处理，成本高9。目前一般采用多效蒸发工艺对高盐废水进行处理。废水多效蒸发是采用蒸汽加热的方法，将废水中的无机盐等固形物通过浓缩结晶的方式分离出来，使废水中的大部分水汽化并通过冷凝器冷凝。通过多效蒸发的方式分离出的水相满足生化进水要求。二次蒸汽冷凝器的操作参数见表 1，冷热介质的污垢系数根据文献 10选取。表1二次蒸汽冷凝器设计参数项目热端（二次蒸汽）冷端（循环水）温度/59.9632/37（进口/出口）操作压力/kPa20400流量/(kgh-1)1 981228 000污垢系数/(m2KW-1)0.000 1760.000 528热端二次蒸汽为饱和气体，含有质量分数 1%的 CO2气体及少量易挥发的有机物、N2、烃类等杂质，通过冷端循环水将液相冷凝下来，并进入生化处理装置进一步净化处理。3HTRI 选型设计HTRI 是美国传热研究公司开发的一套专门用于计算多种换热器设计选型的软件，软件包采用了标准的 Windows 用户界面，其计算方法是基于多年来 HTRI 广泛收集的传热设备的实验数据，对于管壳式换热器、板式换热器、空气冷却器等都能得到较好的模拟计算结果。以 6 t/h 硫酸铵高含盐工业废水三效蒸发装置为例，采用 HTRI 软件对废水蒸发产生的二次蒸汽冷凝器进行选型设计。根据流体特性分析，冷、热介质比较清洁，壳程压力不高，介质温差不大。因此，冷凝器采用固定管板式以降低制造成本；为节约场地布置空间，将冷凝器设计为立式；换热管长4 500 mm，流程采用双管程，按正三角形排列；二次蒸汽走壳程，循环水走管程；折流板采用单弓形，切削率 25%，折流板间距设置为 600 mm。因物料中含有有机物等腐蚀性气体，主体材质选用 TA2钛板。将已知的工艺物料参数输入 HTRI 软件，对比19 mm、25 mm、32 mm 三种规格的换热管对冷凝器选型的影响，运行计算结果见表 2。表2不同规格换热管对冷凝器选型的影响项目19 mm列管25 mm列管32 mm列管换热系数/(Wm-2K-1)766.6747.7713.89管程压降/kPa34.1315.058.78壳程压降/kPa2.471.991.23换热管数/根346263201壳程直径/mm610660711换热面积/m291.791.589.4设计裕量/%15.9815.0310.07由表 2 可知，采用的换热管管径越小时，换热管布置越紧凑，所需的最低换热面积越小，但相应的管程压降越大。综合考虑制造成本及介质压降，最终采用25 mm 列管。因表 2 得到的壳体直径、设备管口等都不是标准值，需将其进行圆整规格化。换热面积根据经验值取 20%设计裕量，通过调整换热器结构并最终校核，得到冷凝器的运行工况结果及选型规格，结果见表 3 和表 4。表3冷凝器运行工况计算结果项目数值项目数值热负荷/MW1.323管程流速/(ms-1)1.11换热系数/(Wm-2K-1)743.88流路分布A0.052传热温差/20.6流路分布B0.766管程压降/kPa10.63流路分布C0.045壳程压降/kPa3.35流路分布E0.137壳程流速/(ms-1)18.04流路分布F0表4冷凝器最终选型规格项目数值项目数值换热管外径/mm25壳程出口管内径/mm150换热管数/根302管程入口管内径/mm250折流板间距/mm500管程出口管内径/mm250壳程内径/mm700换热面积/m2105壳程入口管内径/mm500设计裕量/%21.71由表 3 和表 4 可以看出，最终优化得到的冷凝15器换热面积裕量、传热系数、压降、流速、流路分布等结果均在合理范围内，且无提示振动问题。优化设计的冷凝器应用在 6 t/h 硫酸铵高含盐工业废水三效蒸发装置上，运行一年多以来，产能满足要求，检测钢结构振动幅度很小。4结语以含盐工业废水三效蒸发装置的二次蒸汽冷凝器为实例对管壳式冷凝器进行设计与优化，通过分析换热器选型原则，采用 HTRI 软件对管壳式冷凝器的传热过程进行详细设计计算，对比不同换热管管径对冷凝器选型的影响，并通过调整换热器结构并最终校核，得到了冷凝器的相关工艺运行参数和结构参数，其计算结果可以满足换热器工程设计需要。参考文献：1 钱颂文.换热器设计手册M.北京:化学工业出版社,2002:1.2 AGUIRRE F J,YANG Z H,HUANG L.热交换器设计软件的新进展C/中国化工协会.第六届化学工程与生物技术展览暨会议参展商新产品和服务报告论文集.北京:中国化工协会,2004:36.3 董其伍,张垚.换热器M.北京:化学工业出版社,2011:4.4 李鸿志.甲醇溶液冷却器的设计计算J.江西化工,2019(4):57-59.5 刘佳,张兴.HTRI软件在管壳式换热器工艺设计与优化中的应用J.化工设计,2017,27(4):34-36.6 闫秀婷.换热器的选型J.当代化工,2013,42(7):936-938.7 郭崇志,林桥.管壳式换热器壳程流动与传热的数值模拟与验证J.化工进展,2011,30(10):2131-2140.8 TINKER T.Shell side heat transfer characteristics of segmental baffled shell-and-tube heat exchangersJ.ASME Paper,1947:47-130.9 张绍坤.三效蒸发器在高含盐废水处理中的应用J.中国环保产业,2011(11):37-40.10 中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册(上册)M.北京:化学工业出版社,2009:655.加催化剂的装填量并不能提高装置的SO2总转化率，只有采用性能优良的新型催化剂，在降低末端催化剂床层操作温度的情况下，通过提高系统的平衡转化率来提高装置的SO2总转化率。当催化剂装填系数在合理范围内，对于“一转一冷”湿法制硫酸装置，SO2总转化率最高可达99.4%；对于“二转二冷”湿法制硫酸装置，SO2总转化率最高可达99.9%。3结语目前湿法制硫酸装置普遍采用“一转一冷”或“二转二冷”工艺流程，转化工艺流程和设计参数的选择实际上是系统优化问题，在 SO2总转化率满足环保要求的前提下，涉及到转化器进口烟气中SO2浓度、转化器各段入口烟气温度、各段转化率、冷凝器出口水含量和催化剂装填量等多种因素，需要根据总投资费用和动力消耗费用进行权衡。要提高湿法制硫酸装置的总转化率，必须优化转化系统设计，综合催化剂和设备情况进行考虑，尽量提高一次转化率，进而提高 SO2总转化率，实现尾气超净排放。参考文献：1 张玉良,于连诗,陈义丰,等.烷基化废酸再生WSA工艺的工业应用J.硫酸工业,2019(1):23-26.2 罗玉树,顾洪宽.湿法制硫酸装置低温余热回收利用研究J.磷肥与复肥,2022,37(11):27-29.3 陈鹏飞.新环保要求下湿法制硫酸技术在化工领域的应用J.中文科技期刊数据库(全文版)工程技术,2021(10):122-123.4 刘少武,齐焉,刘东,等.硫酸工作手册M.南京:东南大学出版社,2001:548-549.5 南京化学工业公司催化剂厂.钒催化剂M.北京:化学工业出版社,1980:296-297.6 田先国.湿法制硫酸工艺在我国的应用J.硫酸工业,2016(2):4-8.（上接第 11 页）李璟.基于HTRI软件的管壳式冷凝器设计与优化欢迎订阅 欢迎投稿 欢迎刊登广告