Aspen Plus在换热器工艺选型物性计算中的应用

姚立影　常春梅　唐海　姚炜屹

(1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司　2.上海蓝滨石化设备有限责任公司　3.华东理工大学)



Aspen Plus在换热器工艺选型物性计算中的应用

姚立影*1，2常春梅1，2唐海1，2姚炜屹3

(1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司2.上海蓝滨石化设备有限责任公司3.华东理工大学)

应用Aspen Plus软件对饱和湿空气、烟气及加氢换热器混合进料的热物性进行计算，包括换热器设计所涉及的密度、黏度、导热系数、比热容等物性参数，并将计算结果与文献值或实测值进行比较。结果表明，基于Aspen Plus的计算结果与文献值最大偏差不超过13%，满足工程要求，可以为换热器设计提供参考依据。

换热器热物性密度黏度导热系数Aspen Plus

0　引言

换热器是工业生产过程中实现热量交换和传递不可缺少的设备，也是工业生产装置中的重要节能设备，在石油、化工、电力、冶金等工业领域大量应用。近年来，换热器行业的主要发展方向为节能增效，具体集中在提高传热系数、减少传热面积、降低压降和提高装置热强度等方面。面对日益激烈的市场竞争环境，如何设计出高效节能、价格低廉的换热设备，这就要求换热器设计工程师对设计有更高的精度。物性数据是换热器模拟优化、设计、开发所必须的，准确可靠的物性数据是换热器热力计算的基础。近十几年来，物性数据愈来愈受到重视，国内外许多学者都在进行物性数据的收集评选工作[1-3]，提出了许多比较准确的物性推算模型[4-5]。目前获得介质物性的方法主要有查询物性手册、利用计算机软件模拟等。常用的化工软件有pro-Ⅱ及Aspen Plus。Aspen Plus软件[6-7]提供了完备的物性数据、齐全的单元操作模型、严格的热力学模型和先进的计算方法，可进行各种类型的流程模拟。笔者应用Aspen Plus软件对饱和湿空气、烟气等的物性进行模拟计算，主要包括换热器传热设计所涉及的热物理参数如密度、比热容、黏度、导热系数等，并与相关文献进行比较，验证计算结果的准确性。

1　湿空气物性模拟计算

湿空气是水与空气的混合体系，广泛存在于常温常压下的增湿减湿过程中。通常认为，湿空气是由水、氮气、氧气组成的三元体系。未饱和湿空气中水蒸气含量较低，水蒸气处于过热状态；饱和湿空气则达到了该温度下最大水蒸气含量，将形成结露。未饱和湿空气通过降温或增湿的方法可转化为饱和湿空气。

首先运行Aspen Plus软件。由于介质压力不高，选择物性模型为理想气体状态方程，组分为空气与水。查看二元交互作用参数，建立流程图。Aspen Plus软件中的Flash2模型可以用来模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐以及其他的单级分离设备，完成气-液或气-液-液的平衡计算。本文选择Flash2操作模型作为空气与水混合的场所，通过闪蒸的方式获得饱和湿空气。Flash2模型需要输入两股进料物流，分别为空气与水，出口为一股气相物料流和一股液相物料流。Flash2模型的参数设置包括温度、压力以及热负荷，计算流程如图1所示。

图1　饱和湿空气计算流程图

引用Aspen Plus软件中的自带流股空气为干空气，且处于过热状态。当空气与水混合时，这部分超量热就会以潜热的形式被吸收，引起部分水被“闪蒸”成蒸汽。通过闪蒸后出来两股物流，一股物流为饱和湿空气，另一股物流为水。本文计算了一个大气压下12℃、16℃、20℃时饱和湿空气的湿度、导热系数、比热容和密度等物性参数，并将计算值与文献值[8]进行比较，结果如表1所示。

由表1可以看出，饱和湿空气热物性参数的计算值与文献值相比差别不大。饱和湿空气的湿度、密度、黏度、比热容和导热系数的计算值与文献值最大相对偏差分别为-0.57%、6.03%、-4.20%、0.22%和-3.85%，平均偏差分别为-0.49%、4.31%、-3.23%、0.11%和-3.83%。最大偏差不超过7%，满足工程设计要求。

表1　饱和湿空气物性计算值与文献值比较

2　烟气物性模拟计算

烟气在工业中通常用作加热空气的热介质。典型的空气预热器就是一种利用烟气余热来加热燃料所需空气的设备。采用空气预热器不仅可以使锅炉排烟温度降低，提高锅炉热效率，而且可以将高温烟气冷却，回收热量。本文模拟标准压力下烟气的基本物性参数，烟气组成见表2。

表2　烟气组成

在Aspen Plus软件中输入组成，物性方法选PR[9]方程，建立物性集。利用物性分析功能，模拟烟气在一个大气压下，温度分别为200℃、300℃、400℃时烟气的基本热物理参数值，并将计算值与文献值[8]进行比较，结果见表3。

由表3可见，计算结果与文献数据十分接近。其中烟气的密度、黏度、比热容、导热系数的计算值在200℃、300℃、400℃时的最大偏差分别为-0.162%、-0.50%、+0.713%、-12.60%，平均偏差分别为-0.098%、0.323%、+0.619%、-11.478%。最大偏差不超过13%，满足工程设计要求。

表3　烟气物性计算值与文献值比较

3　工艺气物性模拟

加氢换热器内的工作介质为含大量不凝气氢气的混合油[10]，且工作压力范围在3.1 MPa左右，即所涉及的气液平衡属于高压气液平衡[11]范畴。氢气临界温度为33.2 K，临界压力为1 297.28 kPa，加氢换热器内的工作温度、压力远高于此，故氢气为超临界组分。

某石化用加氢换热器进口温度为82.26℃，进口压力为6.25 MPa，出口压力为6.2 MPa。混合进料含氢气质量分数为25.165%，进料中混合芳烃主要由甲苯、C9芳烃、C10芳烃组成，一般质量比为C7∶C9∶C10=0.65∶0.31∶0.04（不含循环氢）。采用Chao-seader物性方法并应用Aspen Plus软件计算的物性参数见表4。经现场采集测试，获得了该加氢换热器混合进料的物性数值，这些数值也列于表4以进行比较。

表4　加氢换热器混合进料物性参数计算值与实测值比较

比较Aspen Plus计算值与现场采集的物性数据，进料中气相的密度、比热容、黏度、导热系数的计算误差分别为-9.12%、+2.82%、-2.33%、 +6.14%；液相的密度、比热容、黏度、导热系数的计算误差分别为-1.75%、+0.30%、-6.19%、-1.17%。最大误差不超过10%。

4　结语

（1）应用Aspen Plus分别对饱和湿空气、烟气及加氢换热器混合进料的物性进行计算，并将计算结果与文献值或实测值进行比较，发现计算结果偏差不大，最大不超过13%，满足工程设计要求。

（2）应用Aspen Plus计算介质热物性，其结果准确可靠，且模拟计算十分方便。当某些参数改变时，只需在输入条件中改变该参数值，便可方便地输出模拟结果，极大地提高了工作效率。

（3）Aspen Plus流程模拟软件能为设计、生产提供很多帮助，如果工程技术人员能熟练掌握和应用，将会产生巨大的效益。

[1]Reid R C，Prausnitz J M A，Sherwood T K.The properties of gases and liquid[M].4th ed.New York：McGraw Hill，1977.

[2]Ramirez H E,Cannon R E，Hipkin H G.Technical data book petroleum refining[M].4th ed.Washington:API,1983.

[3]Yaws C L，Chen D，Yang H C，et al.The critical properties of chemicals[J].Hydrocarbon Processing, 1989（7）：61-64.

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[5]HylandRW，WexlerA.ASPENsimulationof cogeneration plants[J].ASHRAE Transactions，1983，89 （2A）：500-535.

[6]屈一新.化工过程数值模拟软件 [M].北京：化学工业出版社，2006.

[7]周密，唐黎华，李敬荣.模拟计算甲醇合成的平衡组成 [J].煤化工，2008(6)：30-33.

[8]刘光启，马连湘，刘杰，等.化学化工物性数据手册（有机卷）[M].北京：化学工业出版社，2002.

[9]张建芳，山红红.炼油工艺基础知识 [M].北京：中国石化出版社，1994：60-64.

[10]孙兰义.化工流程模拟实训——Aspen Plus教程 [M].北京：化学工业出版社，2012：1-2.

[11]林世雄.石油炼制工程 [M].北京：中国石化出版社，1988：201-203.

Application of Plus Aspen in Physical Property Calculation for Technique Lectotype of Heat Exchanger

Yao LiyingChang ChunmeiTang HaiYao Weiyi

The thermal physical properties of the saturated moist air,the flue gas and the mixed feeding of the hydrogen heat exchanger are calculated by applying the Plus Aspen software,including the density,viscosity, thermal conductibity coefficient,specific heat capacity and etc.Then the results are compared with the reported values or the measured values.It shows that the deviation between the calculated values from the Plus Aspen and the reported values is less than 13%which meets the engineering requirements so that it's of great preference for the design of the heat exchanger.

Heat exchanger；Thermal physical property；Density；Viscosity；Thermal conductibity coefficient；Plus Aspen

TQ 050.1DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.004

2015-11-03）

*姚立影，女，1987年生，助理工程师。兰州市，730070。