HTRI在模拟换热过程及选择最优方案中的应用

作者:徐韬时间:2018-06-13 09:27:15  来源:  阅读次数:4次 ]

摘 要:HTRI软件已广泛应用于石油化工行业换热器及夹套管的计算与选型,换热过程涉及到能耗及投资问题,而降低能耗及节 省投资意义重大。文章通过实例简单地介绍了HTRI程序在模拟计算夹套管换热过程及选择最优方案的应用。

关键词:HTRI;夹套管换热;应用

   换热器是石化行业中应用十分广泛的热量交换设备。而夹 套式换热器(如夹套管)可看作是管壳式换热器中的一种特殊形式,特殊点在于其是折流挡板数为 0,管束为 1 根的单壳程 单管程换热器。 随着科学技术的发展,换热器的严格计算也由以往的手算 变为计算机计算为主。目前国际上比较著名两大换热器计算软 件当推 HTRI 和 HTFS 。 文章拟通过应用实例,介绍 HTRI 在管壳式换热器(夹套管)是否利旧和选择最优方案中的应用。 文章以长盛公司 7×104 t/a 聚丙烯装置 T701 丙烯进料管线 PR234 为研究对象。原有工艺流程中从丙烯罐来的液态丙烯由 下往上流经 PR234(内管)后最终进入汽提塔顶部淋下,蒸汽 自蒸汽总管来由上至下流经 JLS710(外管),要求内管中的液 态丙烯经过外管中蒸汽加热后满足出口端丙烯物料温度不小于 48℃的要求。但通过汽提塔反应后的物料(液态丙烯)经检测 品质无法达到预期要求,现初步分析判断为进入汽提塔的液态 丙烯温度不够,即夹套管内管出口端丙烯物料温度没有满足 不小于 48℃的要求。故在已知相关数据及条件的前提下利用 HTRI 对该段夹套管进行换热过程的模拟和计算。 已知介质操作条件如下 :内管介质为液态丙烯,流量 2000kg/h,进口温度为 20℃,操作压力为 2.3MPa ;夹套管介 质为蒸汽,操作温度为 147℃,操作压力为 0.35MPa。 目前运行条件的情况如下 :夹套管内管 DN80(大外径, 下同),外管 DN150,管总长度为 11.5m,液态丙烯年平均进 料温度为 20℃、冬天 10℃、夏天 28℃。在现有操作条件基础 上,对原有管线的换热效果进行模拟计算,将已有相关数据输 入 HTRI5.0 得出模拟计算结果,见表 1。 表 1 现有条件下模拟计算结果 丙烯进料温 度,℃ 丙烯出料 温度,℃ 蒸汽耗 量,kg/s 总传热系 数,w/m2 k 换热面 积,m2 管长, m 公称直径 :内 管 / 夹套,mm 10(冬天) 34.77 0.18 1054.68 28(夏天) 48 0.157 1060.38 3.21 11.5 DN80/DN150 20(平均) 42.5 0.167 1065.50 从表 1 模拟计算的结果来看,20t/h 丙烯进料量,除温度 较高的夏天外,丙烯出料温度均难以达到 48℃,故不符合工 艺要求,也证实了初步判断的正确性。因此,根据现场情况提 出以下两种改造方案 : 方案一是对夹套管进行扩径来实现增大换热面积,将内管 由原来的 DN80 扩大到 DN100,外管不变。计算结果如表 2。 从表 2 与表 1 模拟计算的结果比较来看,传热效果并不 明显,虽换热面积由原来的 3.21m2 增长为 4.12m2 ,可是丙烯 出料温度却没有明显增加,年平均温度甚至减少,而总传热 系数与表 1 数据比较有明显下降,冬天从 1054.68w/m2 k 降至 841.53w/m2 k,夏天从 1060.38w/m2 k 降至 832.65w/m2 k,年平均 从 1065.50w/m2 k 降至 845.23w/m2 k。原因分析 :由于内管径的 扩大使得内管流速下降,从而改变介质的流动状态,因此,总 传热系数下降。故虽然增加了传热面积,但综合起来扩径对传 热效果的增加没有实质性的帮助。 表 2 方案一模拟计算结果 丙烯进料温 度,℃ 丙烯出料 温度,℃ 蒸汽耗 量,kg/s 总传热系 数,w/m2 k 换热面 积,m2 管长, m 公称直径 :内 管 / 夹套,mm 10(冬天) 35.1 0.18 841.53 28(夏天) 48.2 0.16 832.65 4.12 11.5 DN100/DN150 20(平均) 42.4 0.17 845.23 方案二是通过增加夹套管线长度来实现增大换热面积, 即在原设计条件不变的基础上将原长度为 11.5m 的夹套管适 当增长,模拟时以 0.5m 的梯度进行了计算,发现当夹套管长 度为 19.5m 时效果最佳,现列出中长度为 19.5m 的予以说明, 如表 3。 表 3 方案二模拟计算结果 序号 夹套管 长度,m 丙烯进料 温度,℃ 丙烯出料 温度,℃ 蒸汽耗 量,kg/s 总传热系 数(平均), w/m2 k 换热 面积, m2 公称直径 : 内管 / 夹 套,mm 第三 组 19.5 10(冬天) 48.26 0.288 5.45 DN80/ DN150 28(夏天) 58.9 0.253 1062.59 20(平均) 54.1 0.250 随着夹套管长度的递增,丙烯物料出口温度逐渐升高,蒸 汽耗量和换热面积相应增大,汽耗量也呈上升趋势,但幅度 不大。当夹套管长度达到 19.5m 时,丙烯出料温度即使在不易 保温的冬天也可达到 48.26℃,足以满足工艺上所给出的要求, 而此时的蒸汽耗量(冬天 0.288kg/s、夏天 0.253kg/s、平均 0.250kg/ s)与其它组比较无明显变化。 而且单就蒸汽耗量这项参数而言,无论是目前项目运行情 况还是方案一或方案二,计算所得结果说明其波动范围都不是 特别显著,约在 576~900kg/h 内,对于本改造项目,可不做重 点考虑。就传热系数而言,从原设计和 2 种方案比较所呈现的 结果来看,方案一(扩大内管直径)严重影响了夹套管总传热 系数,方案二(增加夹套管总长度)则不存在此问题,此处也 可看出为何方案二要比方案一更适合。 综上所述,文章通过 HTRI 程序对夹套管换热过程进行模 拟计算,通过分析得出丙烯物料出口温度达不到工艺要求从而 再以给定的两种方案为基础,继续以相同方式核算得出结果并 进行比较,得到最优改造的方案为增加夹套管总长度,并且在 几组数据比较中得出当夹套管总长度为 19.5m 时效果最佳。

参考文献 :

[1] 于风叶,史红刚.管壳式换热器的设计原则[J].石油化工设计,2009, 26(4):19-21.

[2] 刘巍,邓方义.冷换设备工艺设计手册[M].北京:中国石化出版社, 2008.

[3] 陆恩锡,张慧娟.化工过程模拟原理及应用[M].北京:化学工业出版 社,2011.

[4] 中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册[M].北京::化 学工业出版社,2009.

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