化工流程模拟实训AspenPlus教程第6章换热器单元模拟

第6章换热器单元模拟作者：全本军孙兰义换热器单元模拟6.1概述6.2换热器Heater6.3换热器HeatX6.1概述1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11％～40％。换热器定义：换热器是用来改变物流热力学状态的传热设备。AspenPlus换热器单元模块说明：模块说明功能适用对象Heater加热器或冷却器改变一股物流的热力学状态加热器、冷却器、仅涉及压力的泵、阀门或压缩机HeatX两股物流换热器模拟两股物流换热过程管壳式换热器、空冷气、板式换热器MHeatX多股物流换热器模拟多股物流换热过程LNG换热器等6.2换热器HeaterHeater模型用于模拟单股或多股物流，使其变成某一特定状态下的单股物流；也可通过设定条件来求已知组成物流的热力学状态。1.求已知物流的泡点或者露点2.求已知物流的过热或者过冷的匹配温度3.计算物流达到某一状态所需热负荷4.模拟加热器（冷却器）或换热器的一侧5.模拟泵、压缩机、压缩机（仅改变压力，不涉及功率）Heater可以进行以下类型的单相或多相计算：6.2换热器Heater进料物流（任意股）出口物流热流率（可选）热流率（可选）倾析水（可选）物料流热流入口至少一股物料流入口任意股热流可选的出口一股物料流出口一股热流可选的一股水倾析物流可选的典型的Heater流程连接图Heater模型设定参数闪蒸规定(Flashspecifications)有效相态(ValidPhase)温度Temperature蒸汽Vapor-Only压力Pressure液体Liquid-Only温度Temperaturechange固体Solid-Only蒸汽分率Vaporfraction汽-液Vapor-Liquid过热Degreesofsuperheating汽-液-液Vapor-Liquid-Liquid过冷Degreesofsubcooling液-游离水Liquid-Freewater热负荷Heatduty汽-液-游离Vapor-Liquid-FreewaterHeater模型有两组模型设定参数：闪蒸规定与有效相态6.2换热器Heater注意：指定压力(Pressure)，当指定值0时，代表出口的绝对压力值；当指定值≤0，代表出口相对于进口的压力降低值。Heater的常用的几种闪蒸规定组合6.2换热器Heater压力（或压降）与右列之一出口温度热负荷或者入口热流率汽化分率温度改变过冷度或过热度出口温度或温度改变与右列之一压力热负荷汽化分率Heater应用实例6.2换热器Heater例6.125℃、压力0.4MPa、流率5000kg/hr的软水在锅炉中被加热变成0.45MPa的饱和蒸汽，物性方法选用针对水（蒸汽）体系的IAPWS-95。求所需的锅炉供热量。例6.2流率为500kg/hr、压力为0.1MPa、含乙醇60%（w）、水40%（w）的饱和蒸汽在冷凝器中部分冷凝。冷凝器的压降为0，冷凝物流的汽/液比（mol）为1/1，物性方法选用UNIQUAC。求冷凝器热负荷。换热器HeatX用于模拟两股物流逆流或并流换热时的热量交换过程，可以对大多数类型的双物流换热器进行简捷计算或详细计算。6.2换热器HeatX1.逆流/并流（Countercurrent/Cocurrent)2.壳程采用折流板（SegmentalBaffleinShell)3.壳程采用棍式挡板（RodBaffleinShell)4.裸管/低翅片管（Bare/Low-finnedTubes)模拟下述常见结构的管-壳式换热器：典型的HeatX流程连接出口冷物流入口热物流出口热物流倾析水（可选）倾析水（可选）入口冷物流6.2换热器HeatXHeatx的模型设定参数HeatX的设定要从HeatX的Specification页面进行操作，有四组设定参数：1、计算类型（Calculation）2、流动方式（Flowarrangement）3、运算模式（Type）4、换热器设定（Exchangerspecification）6.2换热器HeatX6.2换热器HeatX1、Calculation栏中有五个选项：（1）简捷计算（Short-cut）（2）详细计算（Detailed）（3）管壳式换热器计算（Shell&Tube）（4）空冷器计算（AirCooled）（5）板式换热器计算（Plateheatexchangers）Heatx的模型设定参数2、流动方式设定包括以下选项：（1）热流体(Hotfluid)流动方式：热流体走壳程(Shell)/管程(Tube)（2）流动方向(Flowdirection)：逆流(Countercurrent)/并流(Cocurrent）/多管程流动(Multiplepasses)Heatx的模型设定参数6.2换热器HeatX在换热器中，流体走管程/壳程，下列几点可作为选择的一般原则：a)不洁净或易结垢的液体宜在管程，方便清洗。b)腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。c)压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。d)饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液易排出。e)流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜。f)需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。Heatx的模型设定参数6.2换热器HeatX3、Type选择框中有三个选项：（1）设计（Design）（2）核算（Rating）（3）模拟（Simulation）Calculation与Type两组选项按下述方式配合使用：详细计算只能与核算或模拟选项配合。详细计算可根据给定的换热器几何结构和流动情况计算实际的热面积、传热系数、对数平均温度校正因子和压降。使用核算选项时，模块根据设定的换热要求计算需要的换热面积。使用模拟选项时，模块根据实际的换热面积计算两股物流的出口状态。Heatx的模型设定参数6.2换热器HeatX4、换热器闪蒸规定包括13个选项：（1）热物流出口温度(Hotstreamoutlettemperature)（2）热物流出口（相对于热物流入口）温降(Hotstreamoutlettemperaturedecrease)（3）热物流出口温差(Hotstreamoutlettemperatureapproach)（4）热物流出口过冷度(Hotstreamoutletdegreessubcooling)（5）热物流出口蒸汽分率(Hotstreamoutletvaporfraction)（6）冷物流出口温度(Coldstreamoutlettemperature)Heatx的模型设定参数6.2换热器HeatXHeatx的模型设定参数注意：对于并流或者逆流换热来讲，热物流出口温差的表示方法是不同的。6.2换热器HeatX（7）冷物流出口（相对于冷物流入口）温升(Coldstreamoutlettemperatureincrease)（8）冷物流出口温差(Coldstreamoutlettemperatureapproach)（9）冷物流出口过热度(Coldstreamoutletdegreessuperheat)（10）冷物流出口蒸汽分率(Coldstreamoutletvaporfraction)（11）传热面积(Heattransferarea)（12）热负荷(Exchangerduty)（13）几何条件(Geometry)（详细计算时采用）Heatx的模型设定参数6.2换热器HeatXHeatx的模型设定参数注意：对于并流或者逆流换热来讲，冷物流出口温差的表示方法是不同的。6.2换热器HeatXHeatX模块可以对大多类型的双物流换热器进行简捷的或严格的计算这两种计算方法的主要区别是总的传热系数的计算程序：简捷法总是采用用户规定的或缺省的总的传热系数值。严格方法采用膜系数的严格热传递方程，并能合并由于壳侧和管侧膜所带来的管壁阻力来计算总的传热系数，用这种方法时，用户需要知道几何尺寸。Heatx简捷计算与严格计算6.2换热器HeatXHeatx严格计算变量以及使用准则严格法核算模型对HeatX提供了较多的规定选项，因此也需要较多的输入。严格法核算模型提供了很多缺省的选项，用户可以改变缺省的项来控制整个计算。这些选项包括以下计算变量：LMTD对数平均温差校正因子、U-methods传热系数、Filmconfficients膜系数、PressureDrop压降等。6.2换热器HeatX6.2换热器HeatXHeatx严格计算变量以及使用准则变量计算方法简捷法使用准则严格法使用准则LMTD对数平均温差校正因子常数Constant（由用户指定校正系数，也可查手册）DefaultYes几何尺寸GeometryNoDefault用户子程序User-subroutineNoYes计算法Calculated多管程时可用多管程时可用Heatx严格计算变量以及使用准则6.2换热器HeatX变量计算方法简捷法使用准则严格法使用准则U-methods传热系数常数ConstantUvalueYesYes相态法PhasespecificvaluesDefaultYes幂函数PowerlawexpressionYesYes换热器几何尺寸ExchangerGeometryNoDefault膜系数FilmconfficientsNoYes用户子程序User-subroutineNoYesHeatx严格计算变量以及使用准则6.2换热器HeatX变量计算方法简捷法使用准则严格法使用准则Filmconfficients膜系数常数ConstantUvalueNoYes相态法PhasespecificvaluesNoYes幂函数PowerlawexpressionNoYes由几何尺寸计算CalculatefromgeometryNoDefaultHeatx严格计算变量以及使用准则6.2换热器HeatX变量计算方法简捷法使用准则严格法使用准则PressureDrop压降由出口压力计算OutletpressureDefaultYes由几何尺寸计算CalculatefromgeometryNoDefaultHeatx严格计算变量以及使用准则注意：U-methods传热系数、Filmconfficients膜系数的计算方法中的相态法需要分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数。对于压降，当指定热侧和冷侧的出口压力(Outletpressure)时，若指定值0，代表出口的绝对压力值；指定值≤0，代表出口相对于进口的压力降低值。6.2换热器HeatXHeatx换热器的几何结构参数详细计算时需输入换热器的几何结构参数。包括（以管壳式换热器为例）壳程(Shell)、管程(Tubes)、管翅(Tubefins)、挡板(Baffles)和管嘴(Nozzles)等。6.2换热器HeatX壳程(Shell)表单中允许用户对以下参数进行设置：壳程类型（TEMAshelltype）管程数（No.oftubepasses）换热器方位（Exchangerorientation）密封条数（Numberofsealingstrippairs）管程流向（Directionoftubesideflow）壳内径（Insideshelldiameter）壳/管束间隙（Shelltobundleclearance）串联壳程数（NumberofshellsinSeries）并联壳程数（NumberofshellsinParallel）Heatx换热器的几何结构参数6.2换热器HeatX壳程(Shell)表单输入界面：6.2换热器HeatXHeatx换热器的几何结构参数管程(Tubes)表单中允许用户对以下参数进行设置：（1）管类型（Selecttubetype）裸管（Baretube）翅片管（Finnedtube）（2）管程布置（Tubelayout）总管数（Totalnumber）管长（Lengt