1.3　基于Aspen EDR软件的多管式固定床催化反应设备的设计

1.3.1　初步设计

启动软件Aspen Exchanger Design &Rating，新建一个管壳式换热器的模块，点击“”保存文件，将文件命名为“Design.EDR”。

将单位设置成SI（国际单位制）。进入到“Input/Problem Definition/Application Options”页面，在“General”选项中，“Calculation mode”（计算模式）默认值是“Design（Sizing）”，“Location of hot fluid”（热流体位置）选择“Tube side”（管程），“Calculation method”（计算方法）选择默认值“Advanced method”（高级算法）；在“Hot side”选项中，“Application”选择默认值“Program”；在“Cold Side”选项中，“Application”选择默认值“Program”，如图1-17所示。

点击进入到“Input/Probelom Definition/Process Data”页面，输入冷热流体的工艺参数，如图1-18所示。

点击进到“Input/Property Data/Hot Compositions/Composition”页面，“Physical property package”（物性数据包）选择“B-JAC”，点击“Search Datebank”进到组分查找页面，选择组分是一氧化碳（CO）、甲醇（CH4O）、乙酸（C2H4O2）、水（H2O）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）、乙酸甲酯（C3H6O2）、碘甲烷（CH3I），点击“OK”，在“Hot side composition specification”选择选项“Mole flowrate or %”，如图1-19所示，“Property Methods”页面保持默认设置，不做改变。

点击进到“Input/Property Data/Hot Stream Properties/Properties”页面，点击“Get Properties”，获取物性数据，见图1-20。

点击进到“Input/Property Data/Cold Compositions/Composition”页面，“Physical property package”（物性数据包）选择“B-JAC”，点击“Search Databank”进到组分查找页面，选择组分“Water”（水），并输入1（饱和蒸汽的干度），点击“OK”，如图1-21所示，“Property Methods”页面保持默认设置，不做改变。

点击进到“Input/Exchanger Geometry/Geometry”页面，选择“Front head type”（前端封头类型）为B型，“Shell type”（壳体类型）为E型，“Rear head type”（后端封头类型）为M型，选择“Exchanger position”（换热器的方位）为“Vertical”（立式）；在“Tube Layout”选项中，输入“Pitch”（换热管间距）为25mm，“Pattern”（管子排列方式）选择“60-Rotated Tri.”（60°）即转角正三角形排列；其余保持默认设置，如图1-22所示。

点击“Results/Thermal/Hydraulic Summary/Performance/Overall Performance”页面，结果如图1-23所示。注意到结果中有警告提示，留待“校核阶段”进行调整。

关闭警告提示后，可以查看“设计阶段”的结果，如图1-24所示。

1.3.2　初步设计结果

根据图1-24所示的结果，知道：

（1）结构参数

换热器类型为BEM，单管程，8台，壳体内径为203mm，管长为1219.2mm，立式换热管类型光滑管，管子数为33，管外径为19mm，壁厚为2.11mm，管子排列方式为60°，换热管管心距为25mm，折流板类型为单弓形折流板，圆缺率为41.49%。

（2）压力降

壳体压力降、管程压力降均小于最大允许压力降。

（3）热通量

换热器的有效平均温差、温差校正系数，见“Thermal/Hydraulic Summary/Heat Transfer/MTD&Flux”页面中的 “MTD&Flux”选项。

（4）流路分析

点击进入“Results/Thermal/Hydraulic Summary/Flow Analysis”页面中，查看壳体流路分析结果，如图1-25所示。图1-25中给出了壳体进口侧（Inlet）、中间（Middle）和出口侧（Outlet）各流路的分率。其中，壳体中间（Middle）的错流（Crossflow）、窗口流（Window）分率分别为0.2、0.78，两者相差较大，留待“校核阶段”进行调整。

1.3.3　校核

点击菜单栏进入“Input/Problem Defintion/Application Options”选项，将“Calculation mode”设置为“Rating/Checking”（校核模式），点击“File/Save as”，选择保存位置，将文件保存为“Rating.EDR”。

根据GB/T 17395—2008《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差的影响》，圆整设计后的结构数据。点击进到“Input/Exchanger Geometry/Geometry Summary/Geometry”页面，输入壳体内径为600mm（删除管外径数据），管长为1500mm，“Tube Layout”选择“New（optimum）layout”，挡板间距为200mm，删除折流板进出口处空间和折流板数量，如图1-26所示。

点击菜单栏中的“Run”，运行程序，等待计算结束。等待计算结束，点击进入“Results/Result Summary/Warning&Messages”页面，查看警告信息，此处没有警告。

点击进到“Results/Thermal/Hydraulic Summary/Performance/Overall Performance”页面，查看设计结果，如图1-27所示。

1.3.4　校核阶段的计算结果

根据图1-27所示，校核阶段的计算结果如下：

（1）结构参数

换热器类型为BEM，单管程，8台，壳体内径为600mm，管长为1500mm，立式换热管类型光滑管，管子数为461，管外径为19mm，壁厚为2.11mm，管子排列方式为60°，换热管管心距为25mm，折流板类型为单弓形折流板，圆缺率为29.17%。

（2）压力降

壳体压力降、管程压力降均小于最大允许压力降。

（3）热通量

换热器的有效平均温差、温差校正系数见“Thermal/Hydraulic Summary/Heat Transfer/MTD&Flux”页面中的 “MTD&Flux”选项。

（4）流路分析

点击进入“Results/Thermal/Hydraulic Summary/Flow Analysis”页面中，查看壳体流路分析结果，如图1-28所示。图1-28给出了壳体进口侧（Inlet）、中间（Middle）和出口侧（Outlet）各流路的分率。其中，壳体中间（Middle）的错流（Crossflow）、窗口流（Window）分率的分率分别为0.43、0.58，两者相差不大，较为合理。

此时，设计的换热器型号为BEM600-2-60-1.5/25-1。具体结构参数为：壳体内径为600mm，换热管为ϕ19mm×2mm，长度为1.5m，管心距为25mm，管子数为461，管子排列方式为60°，折流板为圆缺率25%单弓形，间距为200mm，管程数为1。

1.3.5　进一步优化后的结果

进一步分别单因素改变反应器内直径、反应管内直径、反应管长度、反应管间的折流板间距，观察它们对列管式反应器的壳程传热系数、管程传热系数的影响。接着，在分析出以上各因素的有效范围的基础上进行正交试验，可以找到以下的设计方案：公称直径为1200mm、反应管管径为25mm、反应管长度为3000mm、折流板间距为200mm。按照此设计方案，使用Aspen Plus软件的EDR模块进行设计计算以及校核时，点击菜单栏中的Run，运行程序，等待计算结束。计算结束，点击进入“Results/Result Summary/Warning&Messages”页面，没有警告。此设计方案的反应管总体积与反应器的反应体积比较接近，同时还有余量，见图1-29。