aspen换热器的模拟计算

ASPENPLUS与化工过程模拟第6讲换热器的模拟计算第2页一、换热器模块1.1模块类型模型说明目的用于Heater加热器或冷却器确定出口物流的热和相态条件加热器、冷却器、冷凝器等HeatX两股物流的换热器在两个物流之间换热两股物流的换热器。当知道几何尺寸时，核算管壳式换热器MHeatX多股物流的换热器在多股物流之间换热多股热流和冷流换热器，两股物流的换热器，LNG换热器Hetran管壳式换热器提供B-JACHetran管壳式换热器程序界面管壳式换热器，包括釜式再沸器Aerotran空冷换热器提供B-JACAerotran空冷换热器程序界面错流式换热器包括空气冷却器第3页1.2模块应用说明1.2.1加热器（heater）特点：流程模拟中应用，与结构无关，主要精力放在工艺上演示1：将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热到泡点，求热负荷，泡点温度演示2：采用2t100C热水，将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热，热水出口温度50C，求热负荷，加热温度练习1：将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热到露点,采用3bar蒸汽，需要多少kg蒸汽？（不一定什么都需要Aspen来干）第4页1.2.2物流换热器（HeatX）特点：实现流程中两物流换热，需知道结构，不建议用在过程模拟中1）输入规定窗口名称作用Setup规定简捷或详细的计算、流动方向、换热器压降、传热系数计算方法和膜系数。Options规定热侧和冷侧不同的闪蒸收敛参数和有效相态，HeatX收敛参数和模块规定报告选项。Geometry规定壳程和管程的结构，并指明任何翅片管、折流挡板或管嘴。UserSubroutines规定用户定义的Fortran子程序的参数来计算整个的传热系数、LMTD校正因子、管壁液体滞留量或管壁压降。Hot-Hcurves规定热流的加热或冷却曲线表和浏览结果表Cold-Hcurves规定冷流的加热或冷却曲线表和浏览结果表BlockOptions替换这个模块的物性、模拟选项、诊断消息水平和报告选项的全局值。Results浏览结果、质量和能量平衡、压降、速度和区域分析汇总。DetailedResults浏览详细的壳程和管程的结果以及关于翅片管、折流挡板和管嘴的信息。Dynamic规定动力学模拟的参数。第5页2）计算类型第6页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1.3换热器结构参数说明第7页壳体类型第8页壳体尺寸两个重要的壳体尺寸：–壳体内径–壳体到管束的最大直径的环形面积OuterTubeLimit管束外层的最大直径ShellDiameter壳体直径ShelltoBundleClearance壳层到管束的环形面积第9页折流挡板的几何尺寸壳侧膜系数和压降计算需要壳体内挡板的几何尺寸。对于弓形折流挡板，需要的信息包括：–折流挡板切口高度–折流挡板间距–折流挡板面积对于圆盘形折流挡板需要的信息包括：–环形直径–支承盘的几何尺寸第10页折流挡板的几何结构BaffleCut折流挡板的切口高度TubeHole管孔ShelltoBaffleClearance壳层到折流挡板的环形面积RodDiameter圆盘直径RingOutsideDiameter环外径RingInsideDiameter环内径第11页管子的几何尺寸计算管侧膜系数和压降需要管束的几何尺寸。对裸管换热器或低翅片管换热器–管子总数Totalnumber–管子长度Length–管子直径Diameter–管子的排列Pattern–管子的材质Material第12页管程参数管程参数还有管尺寸(Tubesize)，可用两种方式输入：实际尺寸Actual内径Innerdiameter外径Outerdiameter厚度Tubethickness三选二公称尺寸Nominal直径DiameterBWG规格Birminghamwiregauge第13页列管排列模式第14页管翅结构对于翅片管，还需从管翅(Tubefins)表单中输入以下参数：翅片高度Finheight翅片高度/翅片根部平均直径Finheight/Finrootmeandiameter翅片间距Finspacing:每单位长度的翅片数/翅片厚度Numberoffinsperunitlength/Finthickness第15页挡板结构有两种挡板结构可供选用：1、圆缺挡板Segmentalbaffle2、棍式挡板Rodbaffle从挡板(Baffles)表单中进行选择并输入有关参数。第16页圆缺挡板圆缺挡板需输入以下参数：所有壳程中的挡板总数No.ofbaffles,allpasses挡板切割分率Bafflecut(fractionofshelldiameter)管板到第一挡板的间距Tubesheetto1stbafflespacing挡板间距Baffletobafflespacing壳壁/挡板间隙Shell-baffleclearance管壁/挡板间隙Tube-baffleclearance第17页管嘴管嘴即换热器的物料进出接口，需从Nozzle表单中输入以下参数：输入壳程管嘴直径Entershellsidenozzlediameters进口管嘴直径Inetnozzlediameter出口管嘴直径Outletnozzlediameter输入管程管嘴直径Entertubesidenozzlediameters进口管嘴直径Inletnozzlediameter出口管嘴直径Outletnozzlediameter第18页1.4简捷计算(shortcut)简捷计算只能与设计或模拟选项配合。简捷计算不考虑换热器的几何结构对传热和压降的影响，人为给定传热系数和压降的数值。使用设计(design)选项时，需设定热(冷)物流的出口状态或换热负荷，模块计算达到指定换热要求所需的换热面积。使用模拟(simulation)选项时，需设定换热面积，模块计算两股物流的出口状态。第19页第20页演示3：采用2t100C热水，将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热。1）已知K=500、S=5，求冷热出口温度。（63，62）2）已知K=500、热物流出口温度50C，求面积。（10）注意：a、冷热物料进口对应b、有相变时很难收敛，改变Options中的闪蒸类型c、结果有时不对，须仔细验证练习2：演示3中，已知K=300、S=8，求冷热出口温度第21页1.5详细计算(detailed)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换热面积、传热系数、对数平均温度校正因子和压降。使用核算(rating)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(simulation)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。第22页第23页演示4：采用2t100C热水，将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热。1）已知壳径500、管长6m，100（25*2）根管子，2管程，求冷热出口温度。（55，72）2）核算热物流出口温度50C，需要多少面积？（150）注意：a、冷热物料进口对应b、有相变时很难收敛，改变Options中的闪蒸类型c、结果有时不对，须仔细验证练习3：演示4中，冷热污垢系数取0.0002，求冷热出口温度第24页二、换热器核算与设计（BJAC）例1：已知填料塔的填料总高度8m，进料以上5m，填料为Mellapak250Y，分离含苯44％wt甲苯混和物。进料量5000kg/h，塔顶采出98%wt苯，塔底采出98%wt甲苯。进料由常温预热至泡点进料，产品甲苯需冷却至50C。演示一：求各个换热器的热负荷分析：确定理论板数，查手册：2.5块/m,–共2.5×8＋1＝21块，–进料位置2.5×5＝13块第25页设计规定求流量、进口温度热集成演示二、用循环水冷却，28℃~38℃，求循环水流量。–F=Q/(38-28)/1=7000kg/h第26页演示三、精馏塔进料25℃，塔底出料不用循环水冷，采用它来预热进料，问能预热到多少℃？–学习热量流的应用–学习热量回收的基本方法–预热温度63℃，接近泡点例1-3.exe第27页无相变换热器设计（1）演示四、对上例中精馏塔预热器进行设计，求面积、结构–学习液液换热器的设计方法–学习BJAC基本使用方法解：–已知热侧：2800kg/h，111－50℃，组成甲苯98%–冷侧：5000kg/h，25℃进，组成：苯44%–污垢热阻：两侧均取0.0003–热侧走管程–进行设计（sizing）–数据导出例2-1(1).exe例2-1(2).exe例2-2.exe第28页无相变换热器设计（2）设计结果：–两个换热器串联，3m2＋3m2＝6m2–直径159mm，16×3000－－19mm管；4管程–设计余量14%。核算（rating)–根据设计数据核算标准换热器是否能用直径219mm，33×3000－－19mm；1管程；面积2×5.7m2直径325mm，68×2000－－19mm；4管程；面积2×7.7m2–已有换热器核算直径400mm，76×6000－－25mm；4管程；面积35m2够用，余量23%例2-3(1).exe例2-3(2).exe第29页冷凝器设计（1）演示五、对上例中精馏塔冷凝器进行设计，求面积、结构–气量：回流＋出料＝3500+2200＝5700kg/h–温度8180℃，组成近似纯苯–循环水2838℃解：–污垢热阻：两侧均取0.0002–热侧走壳程–进行设计（sizing）例3-1.exe第30页冷凝器设计（2）第31页冷凝器设计（3）第32页冷凝器设计（4）核算：–直径325，56根，25×4500mm；2管程；19.3m2–直径325，57根，25×4500mm；1管程；19.7m2例3-2.exe第33页冷凝器设计（5）第34页冷凝器设计（6）第35页再沸器设计（1）演示六、对上例中精馏塔再沸器进行设计，求面积、结构–塔底气量（模拟结果）：6503kg/h–温度111℃，组成近似纯甲苯–加热蒸汽：4bar蒸汽（低压）解：–污垢热阻：两侧均取0.0002–热侧走壳程–热虹吸再沸器、汽化率取12%，循环量6503/.12=54.191t/h–进行设计（sizing）例4-1.exe第36页再沸器设计（2）第37页再沸器设计（3）第38页再沸器设计（4）核算：–直径500，174根，25×2000mm；1管程；26m2例4-2.exe第39页再沸器设计（5）第40页再沸器设计（6）