EDR换热器工艺设计
引言
传热设备在化工厂中占有极为重要的位置，其所需费用占装置成本费用的近30%和运行费用的近90%。物料的加热、冷却、蒸发、冷凝、蒸馏等都需要通过换热器进行热交换。大部分换热器已经标准化、系列化，已经列入标准的换热器可以直接选用，未列入标准的换热器需要进行设计。换热器的设计和校核是一个复杂难题，在设计过程的每个方面都会存在不同需求下的多种工况，而借助于计算机软件辅助设计则可以极大地提高工作效率。
软件介绍
Aspen Exchanger Design and Rating(Aspen EDR)是美国AspenTech公司推出的一款传热计算工程软件套件，包含于AspenONE产品之中，能够实现与Aspen plus、Aspen Hysys的对接。
Aspen EDR的计算模式包括Design(设计)、Rating/Checking(校核)、Simulation(模拟)和Find Fouling(最大污垢热阻)。我们一般使用Design模式得知“怎样的换热器能够满足给定的工况需要”，用Rating/Checking模式校核已知的换热器，得知“这台换热器能否达到这样的热负荷”。
软件使用
我们以大三化工课程设计所研究的乙醇精馏塔顶冷却器为例来对EDR软件进行介绍。
工艺参数输入
首先用Aspen Plus对乙醇精馏塔进行模拟（采用两股乙醇-水泡点进料，塔底通水蒸气进行加热），模拟的物性方法选择NRTL。模拟可得塔顶冷却器的热流股为乙醇水混合液，入口温度为78.18445 ℃，出口温度为50 ℃，流量为3.1823 kg/h。
打开Aspen EDR软件，在Input | Problem Definition | Property Data中输入工艺数据。换热器的终端温差通常由工艺过程的需要而定，但在确定温差时应考虑到对换热器的经济性和传热效率的影响，为使换热器在较佳范围内操作，一般认为热端温差应大于20℃，用水或其他冷却介质冷却时冷端温差一般应大于5℃。本工艺选用进口温度为30 ℃，出口温度为40 ℃，压力为4 bar的冷却水作为冷流股。污垢热阻参考的是GB/T 151-2014(热交换器)给出的污垢热阻经验系数，乙醇介质的污垢热阻为0.000176 m2·℃/W，水的污垢热阻取0.000352 m2·℃/W。
接着需要输入冷热流股的物性数据，在Input | Property Data | Hot/Cold Stream Compositions | Composition页面中输入组成，在物性包的选择中有Aspen Properties（Aspen plus物性包）、COMThrmo（Hysys物性包）、B-JAC（Aspen HRFS+旧版物性包）、User specified properties、User specified using heat loads五种不同的物性输入方法，前两者是物性包计算，后两者是用户自定义流体物性。我们可以直接从Aspen Plus软件中将物性数据导入到EDR，在Aspen plus中的Utilities菜单中为塔顶冷却器添加冷却水这一公用工程，可以看到在Aspen默认中，冷却前水温是20 ℃，冷却后则是25 ℃，但是这一温度对于国内特别是南方工厂的循环冷却水来说是偏低的。接着在EDR中点击File-Import-Aspen plus，浏览路径即可导入刚才的精馏塔。由物性包计算生成物性数据也非常方便，根据Aspen plus模拟得到的流股组成数据，我们选择Aspen Properties选项后输入EDR，并在Property Methods选项卡中选择NRTL物性方法即可计算得到流体物性。
EDR初步设计
对换热器进行结构设计，选用B型前端管箱。换热器的壳体选用使用最广泛的壳体型式，E型壳体。后端管箱采取工业上常用的M型管箱，我国列管换热管系列标准中有φ25×2.5 mm和φ19×2 mm两种规格的换热管，其他还有φ38×2.5 mm、φ57×2.5 mm的无缝钢管和φ25×2 mm、φ38×2.5 mm的不锈钢耐酸管。对于易结垢的物料，为方便清洗，采用外径为25mm的管子。本换热器选择使用19 mm的管子，另外根据GB/T 151-2014，19 mm的换热管管心距应取25 mm（25 mm换热管管心距应取32 mm）。换热管材质选用碳钢（carbon steel），壳体材质选用Q345R，而Aspen EDR使用的是ASTM标准，Q345R对应的牌号是SA516GR70，这可在Vessel Materials选项卡中进行相关设置。
在Design(Sizing)条件下由EDR软件进行初步设计，得到结果如下图所示，壳体内径为488.95 mm，外径为508 mm，管长为5850 mm，折流挡板间距为110 mm，折流挡板数为50 mm，管数为298根，两管程。根据软件的初步设计结果，参照GB/T 151-2014对各项数据进行调整。
将壳程圆整为内径600 mm。流板间距影响到壳程流体流动方向和流速，从而影响到传热效率。最小折流板间距为壳体内径的1/5，不应该小于50mm。折流板间距太小会引起较大压力降，导致过量泄露和旁路流动，并使管外的机械清洁比较困难。对于单相流，最佳值一般为壳体内径的1/3。本换热器折流板间距根据EDR初步设计结果进行调整，最终调整为150 mm。对于折流板的圆缺率，单弓形折流板的缺口高度可为直径的10%~45%，对于单相流换热器一般取0.25，本换热器圆缺率（baffer cut）经调整取为25%。管长圆整至6000 mm，接管的尺寸根据初步设计结果在Nozzle页面进行圆整。
换热器选型与校核
换热器属于标准设备，需要对其进行选型，经圆整后的换热器的壳径内径为600 mm，外径为620 mm，管径为19 mm，管长为6000 mm，管程数为单管程，换热管间距为25mm。折流板形式为单弓形折流板，折流板为横缺型，其圆缺率为25%。折流板间距为150 mm。根据GB/T 151-2014，参照《化工工艺手册》进行选型（标准换热器的选型可见今天的第三篇推送），可知对于标准固定管板式换热器，条件为φ19 mm换热管，公称直径为600 mm(国标中规定大于400 mm的卷制、锻制圆筒，以内径作为管壳式热交换器的公称直径，小于等于400 mm的管材制圆筒，以外径作为公称直径)，换热管长度为6000 mm且为单管程的换热器，管子根数为430根，中心排管数为22根，管程流通面积为0.076 m2，计算换热面积为151.4 m2。根据国标，乙醇水精馏塔塔顶冷却器的型号为BEM 600-0.45/0.13-151.4-6/19-1Ⅱ。其中Ⅱ 表示管束为 Ⅱ 级，碳素钢换热管符合GB 9948的规定。
对所选择的标准换热器BEM 600-0.45/0.13-151.4-6/19-1Ⅱ 进行校核，将EDR的计算模式由Design(sizing)改为Rating / Checking，输入结构参数，得到换热器性能(Results | Thermal/Hydraulic Summery | Performance)如下图所示，可知换热的实际传热面积为151.8m2，裕度为15%（Actual/required area ratio），在10%到30%之间故较为合理。清洁(clean)和结垢(dirty)条件下的平均传热系数分别为364.3 W/(m2·℃)和470.4 W/( m2·℃)，对数平均温差(Effective MTD)为39.77 ℃。最下方为热阻分布图，可以看到壳程一侧热阻占比偏大。
在Results | Results Summery | TEMA sheet中可以查看该换热器的TEMA表，详细给出了换热器的各种工艺与结构参数，如管程流体流速的为0.21 m/s，在0.2~1.5 m/s范围内，壳程流体流速为0.57 m/s，在0.5~3 m/s范围内，较为合理。
点击Results | Thermal/Hydraulic Summery | Flow Analysis可进入流路分析界面查看流型，在此EDR提供了错流、A流（Baffle hole-tube OD）等流路信息，可以通过改变折流板间距、折流板与壳内壳间隙、增加密封带（sealing strips）等参数于Input | Exchanger Geometry | Bundle Layout中进行调整，在此不做详细介绍。
在Results | Mechanical Summary | Setting Plan & Tubesheet Layout中可以输出EDR计算得到的几何结构以及布管信息。
本文以一个管壳式换热器的简单例子对EDR进行了入门介绍，EDR还可以对板式换热器（plate）、空冷器(Air cooled)等换热设备进行辅助设计。在换热温差特别小的情况下EDR可能会出现无法导入、误差较大的情况。另外，Aspen EDR软件采用的是TEMA标准，而我国标准换热器的设计采用国标标准。GB151《钢制管壳式换热器》和TEMA(美国管壳式换热器制造商协会)标准总体上相仿，GB151与GB150《钢制压力容器》配套使用，TEMA标准与ASME《美国锅炉及压力容器规范》配套使用，在使用Aspen软件进行设计时应注意使用标准之间的转换。
换热器的工艺设计所涉及到的标准与要求非常多，希望大家多阅读国标，多查阅化工工艺设计手册来进行学习与设计。
小编能力有限，文中若有疏漏和错误还望留言指正。前几日为写这篇推送才发现孙兰义老师还写过一本专门介绍EDR的书《换热器工艺设计》，内容详实，推荐大家阅读。
https://pan.baidu.com/s/1Xj-KgyWqp8h2zWo0Nuii2A
GBT 28712.1-2012 热交换器型式与基本参数https://pan.baidu.com/s/1kBVvb0CXHSTEdWVnG05L4A
以下为本文所涉及的Aspen plus与EDR源文件（8.6版本）：https://pan.baidu.com/s/1p4L2M57UOgeHT0JYy72lrQ
排版：柏文杰