1传热设备特点
1．1传热介质高温、高压及腐蚀性
PTA生产过程中，氧化部分多采用Co-Mn-Br三元复合催化剂体系，以乙酸-水溶液为溶剂，并通入空气进行液相催化氧化，反应压力约为0．9～1．5MPa，反应温度约为180～210℃［1］;精制部分需要将CTA产品打浆并预热到280～290℃，加氢精制压力约为7．5～8．0MPa。因此，PTA生产过程中的介质具有高温、高压的特性，此外，氧化工段还涉及高温乙酸溶液以及含溴尾气等腐蚀性介质。针对这些腐蚀性介质，需要选择抗腐蚀的材质，如钛材、双相不锈钢等，并选择腐蚀性介质通过换热器的管程，以免换热器壳程也需要使用抗腐蚀性材质从而增加设备投资，换热管壁厚需要综合考虑管子强度、传热性能、设备造价等多个因素。
1．2传热介质多相性
PTA生产过程的传热设备中，不仅有单相传热介质的升温或冷却(如开车加热器液体物料的加热)，还有气液2相传热介质的相变过程(如反应器顶部尾气的逐步冷凝)，也有固液2相介质的升温及溶解过程(如精制打浆物
料的预热)。针对固液2相介质的传热过程，在换热器结构选型上需要考虑管箱的防堵功能，在换热管内需要综合考虑适当的浆料流速以保证流动畅通，也要考虑高压力降带来的能量损耗。
1．3传热设备大型化
在PTA装置的氧化反应工段，反应为强放热过程，反应热主要通过顶部多级换热器副产蒸汽移除。以单线年产60万tPTA为例，顶部换热总热负荷高达315～350MW，换热总面积约1～1．2万m2，单台换热器直径最大约5．3m，换热管根数最多需要上万根。针对如此大型化的传热设备，既要考虑总热负荷的合理分配以便尽量副产高品质的蒸汽，也要考虑设备加工制造及设备布置的可行性。
2基于HTＲI的PTA装置传热设备设计
2．1HTＲI介绍
PTA工艺流程中传热过程复杂，传热设备众多，计算工作量十分繁重，选择可靠权威的换热计算软件对工艺设计过程有重大意义。美国传热研究协会(HeattransferＲesearchInstitute)简称HTＲI，主要致力于工业传热设备的研究，拥有世界上最先进的试验设备和方法，采用了在全球处于领导地位的工艺热传递及换热器技术，广泛收集了工业级热传递设备的试验数据，开发了目前应用最为广泛的传热计算软件HTＲI，能够帮助会员设计高效、可靠、经济的传热设备。HTＲI包括管壳式换热器计算软件HTＲI．Xist、板框式换热器计算软件的HTＲI．Xphe、空冷器计算软件HTＲI．Xace、套管式换热器计算软件HTＲI．Xjpe、管子排布软件HTＲI．Xtlo、振动分析软件HTＲI．Xvib以及火力加热炉计算软件HTＲI．Xfh几个部分。在PTA工艺换热设备的计算中，主要用到HTＲI．Xist软件，该软件采用完全增量法将换热器沿着管长方向划分为若干小的单元，根据每个单元对应的温度、压力及流动形态的改变，选用相应的物性数据以及传热校正系数，并以此为根据进行整个换热器传热及流动性能的核算。
2．2HTＲI．Xist输入界面
HTＲI．Xist最新版本采用标准的Windows用户界面，其输入总界面如图1所示。在HTＲI总输入界面内，需要选定换热器计算模式及结构型式，并输入换热器换热流体的基本操作参数。
2．3HTＲI．Xist计算模式选择
在HTＲI．Xist软件内设置了Design、Ｒating、Simulating3个计算模式，在PTA装置的换热设备计算过程中，一般先使用Design模式进行初步设计(根据工艺换热负荷及压降要求初步选定换热器的结构尺寸)，再使用Ｒating模式对已设计的换热器尺寸进行优化，对现场已经开车运行的换热器可以使用Simulating模式来校核换热器的实际能力。
2．4换热器结构型式选择
HTＲI．Xist根据TEMA(列管式换热器制造商协会)［2］标准如图2所示，按照前端管箱型式+壳体型式+后端管箱结构型式的组合方式，可以进行多种型式换热器的计算。图2HTＲI计算的换热器结构型式［2］Fig．2HeatexchangerstructurescalculatedinHTＲI在PTA生产装置中，换热设备按照介质组成、操作温度及压差、换热器主要功能等主要选用了BEM、BKM、BEU等几种型式，其中BEM(封头管箱+单程壳体)型式约占80%，BKM(封头管箱+釜式壳体)型式约占12%，BEU(封头管箱+单程壳体+U形管束)型式约占8%。
2．5换热流体参数
包括管侧及壳侧流体的流量、温度、压力、允许压力降、污垢热阻以及换热器管程及壳程的设计温度、压力等。这些参数主要来源于PTA装置的工艺物料平衡表，污垢热阻结合工厂实际操作经验主要按表1选用。
2．6换热器结构参数
2．6．1换热管外径及壁厚选用PTA生产装置中，主要选用换热管外径为19mm及25mm的光滑金属管，其中DN19mm的换热管因为单位体积传热面积大、结构紧凑、金属耗量少、传热系数高而在PTA生产装置中广泛使用。对于黏性较大以及杂质含量较高的介质(如溶剂汽提塔底部再沸器工艺物料)则可以选用较大的换热管外径。换热管壁厚主要决定于管道压力以及所需的管道材质，其中常用壁厚范围见表2所示，在含有固体物料的换热管壁厚的选择时，需要考虑流动过程中固体颗粒对换热管的磨蚀，可以适当将换热管壁厚加大，如PTA精制预热过程中的换热器通常会考虑使用较大的换热管壁厚。2．6．2换热管排布角度［3］通常换热管排布角度分为30°、60°、45°、90°。单位截面积上布管数量、传热效率、壳程压力降、清洗难度均符合30°＞60°＞45°＞90°的规律，因此PTA生产装置的换热器主要采用30°布管，对壳程需要清洗的换热器可以考虑90°布管(如氧化副产蒸气换热器)。管间距通常为P=1．25～1．5D(换热管外径)。2．6．3折流板型式及缺口高度折流板的型式有圆缺形、环盘形和孔流型等。在PTA生产装置中，大部分使用圆缺单弓形折流板。折流板缺口高度用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，单弓形一般取0．20～0．45Di(壳体内直径)。折流板缺口方向需要根据壳程物料合理选择:单相清洁流体可以选择使用上下布置的折流板缺口，气液2相流体或者含有固体物料的流体需要使用折流板缺口垂直左右布置的方案，并在折流板下端开通液孔，如图4所示。2．6．4防短路挡板及分程挡杆设置单弓形、双弓形以及窗口不布管的换热器，如果换热管束到壳体间的间隙较大时需设置如图5所示的旁路挡板(sealingstrip)，挡板可采用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同，挡板数量可根据换热器壳径的大小设置，壳体公称直径DN≤500mm时，增设一对旁路挡板，500＜DN＜1000mm时，增设二对挡板，DN≥1000mm时，增设3对旁路挡板。多管程的换热器，需要在分程隔板槽背面2管板之间设置如图5所示分程挡管。
2．7换热流体物性导入
HTＲI软件自身带有HTＲI物性数据库，并嵌套了VTMG物性数据包，对于简单普通介质(如水与水)的换热，其物性参数能够满足工艺设计的需要，因此在换热流体物性输入的时候可以根据组分选用系统自带数据进行计算。在PTA生产工艺中，氧化工段换热物流中含有乙酸、乙酸甲酯等介质，由于乙酸分子的强缔合性，使得含有乙酸的气体、液体均呈现非理想的物性特征;PTA精制工段的浆料预热涉及TA颗粒在水中的升温溶解过程，换热物流相态涉及固液2相。针对以上的换热介质及相态，常规的物性方法计算偏差较大，HTＲI自带的物性数据库无法满足PTA工艺设计需要。因此，需要借助流程模拟软件更为强大的数据库资源，收集文献数据及工厂实际操作数据对相关物性参数进行回归修正，然后再将物性数据导入HTＲI进行换热器的设计计算。本文利用物性计算软件Aspenproperties，根据换热物流组成选用NＲTL-HOC、WILSON、UNIQUIC-HOC等物性方法计算相关的物性参数，并生成后缀名为Cota的物性文件，在HTＲIPropertyGenerator中通过CapeOpen接口调用该文件，由此实现换热器物性数据的输入，如图6所示。
2．8HTＲI计算结果常见警告分析
完成HTＲI基本参数输入之后即可运行程序，并得到相应的计算结果。HTＲI提供了非常详细的计算结果以及直观的图表信息，在充分利用这些数据的同时，需要密切关注HTＲI提供的警告信息(Ｒuntimemessage)，并对其进行逐一分析调整，才能得到更为可靠的计算结果。HTＲI中常见的报警信息及解决办法如表3所示。
2．9HTＲI设计参数与PTA工厂操作数据比对
在PTA生产工艺中，以HTＲI软件为主要工具，经过不断地优化及设计，形成了完备的换热计算流程，设计的换热设备已在多个工厂开车运行。其中典型换热系统设计数据与工厂实际操作数据进行比对，2者偏差如表4所示。
3结语
(1)以换热计算软件HTＲI为主要计算工具，阐述了PTA生产工艺中管壳式换热器的主要设计思路，对设计中关键参数的选用进行了归纳，并对HTＲI中常见的警告信息进行了分析，提出了解决办法，形成了一整套适合PTA生产工艺的管壳式换热设备设计流程，对PTA生产工艺的换热设备设计工作具有指导意义。(2)将HTＲI软件设计结果与工厂实际操作数据进行对比，验证了HTＲI换热计算软件在PTA生产工艺中适用性和可靠性。
作者：谢萍 单位：中国昆仑工程公司
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