炼油厂空冷器设计计算方法与计算机辅助计算

ｓ　一　第２６卷第１期　华中理工大学学报　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．１　１９９８年１月　Ｊ．Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｓｃｉ．＆Ｔｅｅｈ．　Ｊａｎ．　１９９８　炼油厂空冷器设计计算方法与　计算机辅助计算　里～　Ｖ　黄素选　ｅ　陈（华中理Ｉ大学能源科学与Ｉ程学院）　摘要在研究了国内外多组分管内冷却玲凝的计算方法的基础上，提出一种适用于工程设计的计算方法；　并用该方法编制了空冷器设计计算程序，然后给出了一个实际工程项目算倒，并对计算结果进行了分析；为进　行空冷器的优选设计打下了基础．　关键　４　墨；誊；｝盘莽　！一！　计算方法　晦　勿厂　薪缸　对炼油厂空冷器的计算，难点主要在于管内　凝点处必须分段＿ｂ．在整个首程温度段分段越　带有不凝气的多组分的冷却冷凝过程的计算．目　多，计算结果越准确．　前虽有几种理论模型和计算方法　，但应用到工　单组分冷凝时，根据气体分压等于气体饱和　程实际仍存在不步问题．这些方法需要扩散系数、　压力有　气液平衡常数等数据，计算时需查阅太量图表，对　Ｐ竹自一Ｐ　，　（１）　数据进行相当繁琐的运算，效率和质量都不高．本　Ｐ竹自一Ｐ　［（Ⅳ　一ＮＬ　）／（Ⅳ　—ＮＬ　）］．（２）　文提出一种实用的计算方法，编制了相应的计算　将式（２）代入式（１）即可求得油在单组分冷凝　程序，给出了实际算例，并对结果进行了分析．本　时的冷凝量ⅣＬ油．　方法可很方便地实现多温度段计算，提高了效率　油气和水气同时冷凝时，同理有　和质量，并为空冷器优选设计打下了基础．　Ｐ　—Ｐ　，Ｐ　一Ｐ　，　（３）　１　计算方法　Ｐ　—Ｐ４［（Ⅳ　一ⅣＬ袖）／　（Ⅳ　一Ⅳｕ抽一Ⅳ】　）］，　（４）　１．１　全管程中各组分起始冷凝点的确定　Ｐ休一Ｐ总［（Ⅳ　—ＮＬ，）／　管内物流可分为三类：不凝气（空气＋Ｈ　Ｓ　（ⅣＢ—ＮＬ　一ⅣＬ抽）］．　（５）　＋　＋烃类不凝气），可凝油气（馏分），水蒸气．　将式（４）和（５）分别代入式（３）即可求得油气　从入口温度７’　．起始，每隔０．１℃（程序中可　和水气的冷凝量Ⅳ　和ⅣＬ咄．　调）计算一次可凝油气和水蒸气在此温度点处分　各段内的热负荷和总热负荷分别为Ｑ　一　压Ｐ　，Ｐ　及饱和蒸气压Ｐ　Ｐ　．假设到达某　Ｑ　．　＋Ｑ，舯ｌ（　一１，２，…，ｍ），Ｑｅ一蜀Ｑ．　．　点温度　时，若Ｐ＿抽≥Ｐ，袖且Ｐ球＜Ｐ球，则确定　上几式中，Ⅳ为组分摩尔流量，Ｐ为压力，Ｑ　油为第一冷凝组分，起始冷凝温度点为　．然后继　为热量，ｍ为分段数．　续计算下一温度点处油气（此时油气有一部分在　１．３管外倒换热系数的计算　冷凝）、水气的分压，若到某一温度点ｔ　，有Ｐ　≥　Ｑ　—ｎＧＣｐＡＴ，　Ｐ　，则确定水为第二冷凝组分，起始温度为　．其　式中，一为所选用空冷器的台数；Ｇ为单台空冷器　他情况可类似处理．　的流量｛ｃ　为空气的比热；ＡＴ为空气的温升．由　１．２温度分段及冷凝量与热负荷的计算　于在较小的温度范围内ｃ　随温度的变化不太，可　由于在整个管程中物流有流型变化，同时各　不考虑ｃ。随温度的变化．已知一和Ｇ便可求得　组分的物性随温度的变化而变化，所以在确定组　ＡＴ，进而确定空气的定性温度，然后可根据已知　分的起始冷凝点之后，必须对整个温度段进行分　的关联式求得空气侧的换热系数．　段，分段时应注意以下两点：ａ．各组分的起始冷　收稿日期　１９９７—０９一ｏ２．　陈勇，男，１９７４年生，硕士研究生；武汉．华中理工大学能源科学与工程学院（４３００７４）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　阵勇等：炼油厂空冷器设计计算方法与计算机辅助计算　１．４管内各段换热系数的计算　对于无相变的冷却过程，采用Ｉ）ｉｔｔｕｓ—Ｂｏｅｌｔｅｒ　关联式：　ｈ　一０．０２３（ａ／ｄ　）Ｒｅｏ　Ｐ一“Ｊ／ｍ　·Ｃ·ｈ，　式中，＾　为膜传热系数（以光管内表面积为基　准）；Ｒｅ为雷诺数；Ｐｒ为普朗特数；＾为定性温度　下介质导热系数（Ｊ／ｍ·℃·ｈ），ｄ　为管内径　（ｍ）．　对于有相变的冷却冷凝过程，介质在水平管　内呈两相流动状态，必须分别计算重力控制膜和　气体剪力控制膜换热系数，取其中大者作为管内　冷凝膜传热系数．　ｓｔ．重力控制膜传热系数　ｈ　＝２２８．４５２Ａｌ　Ｒ　［（１０　）　／（　（　—　Ｐ　））］　Ｊ／ｍ　·Ｃ·ｈ，　Ｒｅ　一１．１０８　８×１０　［（ｗ　（１一Ｙ２）／　（ＬＶ：）］／肌，　式中，＾　为重力控制冷凝膜传热系数一Ｒｅ　为重力　控制凝液的雷诺数Ｉ　为凝液密度（ｋｇ／ｍ　）；　为　气相密度（ｋｇ／ｍ　）；，Ｕｌ为凝液粘度（Ｐａ·ｓ）；Ⅳ为　质量流率（ｋｇ／ｈ）；肌为出口处气相分率（质量分　数）；＾为凝液导热系数（Ｊ／ｍ·Ｃ·ｈ）；Ⅳ　为管子　总数；Ｌ为管长（ｍ）．　ｂ．剪力控制膜传热系数　ｈ　一０．０２４（＾／ｄ　）Ｒ　Ｐｒｆ‘｛［１＋　（Ｉ。Ｉ／　）“　］（　／２）＋（１＋Ｙ　））Ｊ／ｍ　·℃·ｈ，　Ｒｅ　一０．３５２　８×１０　ＷＮ。／（　Ｎ＝　１），　式中…ｈ为气体剪力控制膜传热系数；Ｒｅ　为气体　剪力控制凝液的雷诺数；Ｐｒ－为凝液的普朗特数；　Ｙ　为入口处气相分率；Ⅳ　为管程数．　上述公式皆以管内表面积为基准，必须再换　算成以管外表面积为基准．　１．５不考虑传质阻力时冷凝传热系数的计算　Ｋ　一１／ＥＯ／ｈ。＋ｒ。）＋（１／ｈ　＋　ｒ．。）＋ｒ　＋ｒｆ＋　］Ｊ／ｍ　·℃·ｈ，　式中，Ｋ　为各段的总传热系数；＾　为管外膜传热系　数；＾　为以光管外表面积为基准的管内膜传热系　数　为管外介质污垢热阻（Ｊ／ｍ　·℃·ｈ）ｍ。为　管内介质污垢热阻（以光管外表面积为基准），　为管材金属热阻ＩｒＩ为翅片热阻；ｒ琶为接触热阻，热　阻单位均为Ｊ／ｍ　·Ｃ·ｈ．　１．６传质阻力系数的计算　Ｆ　：Ｂ　Ｃ　／Ｃ　＋１，　式中，Ｆ　为第ｉ段传质阻力校正系数；鼠为不考虑　传质阻力时的冷凝总传热系数与气相显热膜传热　系数之比；　和ｃ　为校正系数．　１．７总传热系数的计算　各段的总传热系数和整个空冷器的总换热系　数分别为Ｋ　一　／Ｆ；和Ｋ—Ｑ　／∑（Ｑ　／Ｋ　）．　２物性数据的处理方法及程序功能　在利用上述方法进行计算的过程中，涉及大　量气体的物性数据．　作为对程序正确计算的基本支持，程序中实　现了对Ｈ　，ＣＯ　，Ｈ　Ｏ，…，Ｃ　～ｃ　等十多种烃类　气体及石油馏分的物性数据（如焓、定压比热、导　热系数、动力粘度系数、普朗特数、密度以及石油　馏分和水的饱和蒸气压和饱和蒸气温度）的计　算．　物性数据的处理　采用了两种方法：ａ．利　用已有的经验、半经验公式和各种关联式．ｂ．将　常用的物性图表拟合成公式或进行插值处理．本　程序中所有的物性数据在精度和适用范围上都足　以满足此类计算的要求．　本程序中采用了目前先进的面向对象的程序　设计思想来实现对物性数据部分的管理．抽象基　类ｗｘｂａｓｅ定义了物性类的基本外部接口，并提　供了各组分中最通用的物性算法．每个组分都从　ｗｘｂａｓｅ类派生出自己的类，在其中定义了各自的　特性数据，并在必要时提供适用于自己的特定物　性算法．程序中通过一个类指针数组ｗｘｂａｓｅ＊　ｐｚｆ［Ⅳ］即可实现对各组分物性数据计算子程序　的调用．通过这种处理　实现对各组分物性计算功　能块的封装，使程序调用更清晰、更容易管理．　程序在Ｗｉｎｄｏｗｓ　９５环境下开发完成，采用　Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ一４．２作为开发工具．程序中可以方便　地进行管内物流组分的选择和组分流率、空冷器　参数、石油馏分特性参数等数据的输入，在温度分　段时提供了灵活方便的温度分段方法．计算完成　后自动生成一分计算说明书，并对计算中间数据　以图表等多种方式显示，以便查看，对计算结果可　以存盘和打印．此外，程序还管理了一个管束数据　库，可以方便地选用空冷器管束或对管束进行增　加和删除，以处理不同来源的多种型号的管束．　３算例　作者用此程序对荆门炼油厂的常压塔的塔顶　空冷装置进行了计算．　维普资讯 http://www.cqvip.com

６８　华中理工大学学报　表１进口物流组成　３．１基本参数　表３木、油在备沮度段冷凝量　物料进／出口温度为１２０／６０　Ｃ，物料进出口　压力为１．８６２×１０‘Ｐａ．空气进口温度为３３．７　Ｃ．　空气迎面风速为２＋８　ｍ／ｓ．空气量（标准状态下）　为２，５１３×１０　ｎｌ　／ｈ·台．石油馏分比重为　０．７２７　２．　３．２物流参数及石油馏分的恩氏蒸馏数据　进口物流组成如表１所示．　石油馏分恩氏蒸馏数据ＡＳＴＭ如表２所示．　表２石油馏分恩氏蒸馏数据　（以下简称计算书）的结果比较，程序计算的总热　百分比／　０　１０　３ｏ　５０　７０　９０　１００　负荷和换热系数的值都要大一些．分析原因，主要　温度／Ｃ　３４　４９　７０　９３，５　１２７　１７１　１９４　是程序中计算所得的石油馏分的蒸气压比计算书　选用汉口电力设备厂椭圆管空冷器　型号为　求得的数值低．从而油蒸气的冷凝点早一些，其冷　Ｐ９×３—１．５－１１７．６－２．５Ｌ一１０，７／Ｔ—Ｉ，椭圆管外尺寸　凝量增大，换热量及换热系数也随之增大．但与实　为｝长轴×短轴一３６　ｎｌｎ２×１４ｍｎ１．翅片尺寸为：　际给出的总热负荷相比，本程序的计算结果误差　（５．８　）相对计算书的误差（１４　）更小．因而　长边×短边一５５　ｍｎｌ×２６　ｎｌｍ，　３．３计算结果　可以认为其计算结果是可靠的，　管内有两种组分冷凝，水的起始冷凝点为　参　考　文　献　８８，３８　Ｃ，油的起始冷凝点为７２．８８　Ｃ．　１思勤，黄风廉．黄鸿鼎．多组分蒸气在水平管内冷凝　Ｑ　一３．２８３　３×１０　Ｊ／ｈ，　传热的计算方法及验证．化学工程，１９８８，１６（６）：１　６　Ｋ一１．５０２　５×ｌＯ　Ｊ／ｍ　·ｈ·Ｃ．　～２ｌ　空冷器总换热面积Ｆ一５３４．９５　ｎｌ。．　２北京石油设计院．石油化工工业计算图表．北京：烃加　６．　工出版社．１９８５．　各温度段内水、油的冷凝量见表３．　３何良知．石油化工工业计算程序，北京：中国石化出版　与《武汉石化厂分馏塔顶空冷器热力计算书》　社．１９９３．　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ａｉｄｅｄ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒｅｆｉｎｅｒｙ　Ａｉｒ　Ｃｏｏｌｅｒ　Ｃｈｅｎ　ｔｏｎｇ　Ｌｉｕ　Ｗｅｉ　Ｈｕａｎｇ　Ｓｕｙｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｍａｄｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｍｕｈｉ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｔｕｂｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｉｒ　ｃｏｏｌｅｒ　ｕｓｅｄ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ．Ａ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｎｄ　ａｎ　ｅｘ—　ａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ａｉｒ　ｃｏｏｌｅｒ；ｍｕｌｔｉ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ；ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　Ｃｈｅｎ　Ｙｏｎｇ　Ｐｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅ；Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｃｉ．＆Ｅｎｇ．，ＨＵＳＴ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４．Ｃｈｉｎａ．