ASPEN PLUS 與化工過程模擬第6講 換熱器的模擬計算第第第第 2 2 2 2 頁頁頁頁一、換熱器模塊l1.1模塊類型模塊類型模型模型說明說明目的目的用于用于Heater加熱器或冷卻器加熱器或冷卻器確定出口物流的熱和確定出口物流的熱和相態(tài)條件相態(tài)條件加熱器、冷卻器、冷凝加熱器、冷卻器、冷凝器等器等HeatX兩股物流的換熱器兩股物流的換熱器在兩個物流之間換熱在兩個物流之間換熱兩股物流的換熱器當兩股物流的換熱器當知道幾何尺寸時，核算知道幾何尺寸時，核算管殼式換熱器管殼式換熱器MHeatX多股物流的換熱器多股物流的換熱器在多股物流之間換熱在多股物流之間換熱多股熱流和冷流換熱器，多股熱流和冷流換熱器，兩股物流的換熱器，兩股物流的換熱器，LNG換熱器換熱器Hetran管殼式換熱器管殼式換熱器提供提供B-JAC Hetran管管殼式換熱器程序界面殼式換熱器程序界面管殼式換熱器，包括釜管殼式換熱器，包括釜式再沸器式再沸器Aerotran空冷換熱器空冷換熱器提供提供B-JAC Aerotran空冷換熱器程序界面空冷換熱器程序界面錯流式換熱器包括空氣錯流式換熱器包括空氣冷卻器冷卻器第第第第 3 3 3 3 頁頁頁頁l1.2模塊應用說明模塊應用說明l1.2.1加熱器（加熱器（heater））l特點：流程模擬中應用，與結(jié)構(gòu)無關(guān)，主要精力放在工藝上特點：流程模擬中應用，與結(jié)構(gòu)無關(guān)，主要精力放在工藝上l演示演示1：：將將5t常溫常壓下苯（常溫常壓下苯（44%wt）、甲苯混合液加熱到泡點，求熱負）、甲苯混合液加熱到泡點，求熱負荷，泡點溫度荷，泡點溫度 l演示演示2：：采用采用2t 100C熱水，將熱水，將5t常溫常壓下苯（常溫常壓下苯（44%wt）、甲苯混合液加）、甲苯混合液加熱，熱水出口溫度熱，熱水出口溫度50C，求熱負荷，加熱溫度，求熱負荷，加熱溫度l練習練習1：將：將5t常溫常壓下苯（常溫常壓下苯（44%wt）、甲苯混合液加熱到露點）、甲苯混合液加熱到露點, 采用采用3bar蒸汽，需要多少蒸汽，需要多少kg蒸汽？蒸汽？l（不一定什么都需要（不一定什么都需要Aspen來干）來干）第第第第 4 4 4 4 頁頁頁頁l1.2.2物流換熱器（物流換熱器（HeatX））l特點：實現(xiàn)流程中兩物流換熱，需知道結(jié)構(gòu)，不建議用在過程模擬中特點：實現(xiàn)流程中兩物流換熱，需知道結(jié)構(gòu)，不建議用在過程模擬中l(wèi)1）輸入規(guī)定）輸入規(guī)定窗口名稱窗口名稱作用作用Setup規(guī)定簡捷或詳細的計算、流動方向、換熱器壓降、傳熱系數(shù)計算方法和膜系數(shù)。

規(guī)定簡捷或詳細的計算、流動方向、換熱器壓降、傳熱系數(shù)計算方法和膜系數(shù)Options規(guī)定熱側(cè)和冷側(cè)不同的閃蒸收斂參數(shù)和有效相態(tài)，規(guī)定熱側(cè)和冷側(cè)不同的閃蒸收斂參數(shù)和有效相態(tài)，HeatX收斂參數(shù)和模塊規(guī)定報告選收斂參數(shù)和模塊規(guī)定報告選項Geometry規(guī)定殼程和管程的結(jié)構(gòu)，并指明任何翅片管、折流擋板或管嘴規(guī)定殼程和管程的結(jié)構(gòu)，并指明任何翅片管、折流擋板或管嘴User Subroutines規(guī)定用戶定義的規(guī)定用戶定義的Fortran子程序的參數(shù)來計算整個的傳熱系數(shù)、子程序的參數(shù)來計算整個的傳熱系數(shù)、LMTD校正因子、管校正因子、管壁液體滯留量或管壁壓降壁液體滯留量或管壁壓降Hot-Hcurves規(guī)定熱流的加熱或冷卻曲線表和瀏覽結(jié)果表規(guī)定熱流的加熱或冷卻曲線表和瀏覽結(jié)果表Cold-Hcurves規(guī)定冷流的加熱或冷卻曲線表和瀏覽結(jié)果表規(guī)定冷流的加熱或冷卻曲線表和瀏覽結(jié)果表Block Options替換這個模塊的物性、模擬選項、診斷消息水平和報告選項的全局值替換這個模塊的物性、模擬選項、診斷消息水平和報告選項的全局值Results瀏覽結(jié)果、質(zhì)量和能量平衡、壓降、速度和區(qū)域分析匯總瀏覽結(jié)果、質(zhì)量和能量平衡、壓降、速度和區(qū)域分析匯總。

Detailed Results瀏覽詳細的殼程和管程的結(jié)果以及關(guān)于翅片管、折流擋板和管嘴的信息瀏覽詳細的殼程和管程的結(jié)果以及關(guān)于翅片管、折流擋板和管嘴的信息Dynamic規(guī)定動力學模擬的參數(shù)規(guī)定動力學模擬的參數(shù)第第第第 5 5 5 5 頁頁頁頁l2）計算類型）計算類型第第第第 6 6 6 6 頁頁頁頁l殼程類型 TEMA shell typel管程數(shù) No. of tube passesl換熱器方位 Exchanger orientationl密封條數(shù) Number of sealing strip pairsl管程流向 Direction of tubeside flowl殼內(nèi)徑 Inside shell diameterl殼/管束間隙 Shell to bundle clearancel1.3換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)說明換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)說明第第第第 7 7 7 7 頁頁頁頁殼體類型殼體類型 第第第第 8 8 8 8 頁頁頁頁殼體尺寸殼體尺寸l兩個重要的殼體尺寸：兩個重要的殼體尺寸：–殼體內(nèi)徑殼體內(nèi)徑–殼體到管束的最大直徑的環(huán)形面積殼體到管束的最大直徑的環(huán)形面積Outer Tube Limit管束外層的最大直徑管束外層的最大直徑Shell Diameter殼體直徑殼體直徑Shell to Bundle Clearance殼層到管束的環(huán)形面積殼層到管束的環(huán)形面積 第第第第 9 9 9 9 頁頁頁頁折流擋板的幾何尺寸折流擋板的幾何尺寸 l殼側(cè)膜系數(shù)和壓降計算需要殼體內(nèi)擋板的殼側(cè)膜系數(shù)和壓降計算需要殼體內(nèi)擋板的幾何尺寸。

幾何尺寸 l對于弓形折流擋板，需要的信息包括：對于弓形折流擋板，需要的信息包括：–折流擋板切口高度折流擋板切口高度–折流擋板間距折流擋板間距–折流擋板面積折流擋板面積l對于圓盤形折流擋板需要的信息包括：對于圓盤形折流擋板需要的信息包括：–環(huán)形直徑環(huán)形直徑–支承盤的幾何尺寸支承盤的幾何尺寸 第第第第 10101010 頁頁頁頁折流擋板的幾何結(jié)構(gòu)折流擋板的幾何結(jié)構(gòu)Baffle Cut 折流擋板的切口高度折流擋板的切口高度Tube Hole 管孔管孔Shell to Baffle Clearance 殼層到折流擋板的環(huán)形面積殼層到折流擋板的環(huán)形面積Rod Diameter 圓盤直徑圓盤直徑Ring Outside Diameter 環(huán)外徑環(huán)外徑Ring Inside Diameter 環(huán)內(nèi)徑環(huán)內(nèi)徑第第第第 11111111 頁頁頁頁管子的幾何尺寸管子的幾何尺寸 l計算管側(cè)膜系數(shù)和壓降需要管束的幾何尺寸計算管側(cè)膜系數(shù)和壓降需要管束的幾何尺寸l對裸管換熱器或低翅片管換熱器對裸管換熱器或低翅片管換熱器 –管子總數(shù) Total number –管子長度 Length–管子直徑 Diameter–管子的排列 Pattern–管子的材質(zhì) Material第第第第 12121212 頁頁頁頁管程參數(shù) 管程參數(shù)還有管尺寸(Tube size)，可用兩種方式輸入：實際尺寸 Actual內(nèi)徑 Inner diameter外徑 Outer diameter 厚度 Tube thickness 三選二公稱尺寸 Nominal 直徑 Diameter BWG規(guī)格 Birmingham wire gauge第第第第 13131313 頁頁頁頁列管排列模式 第第第第 14141414 頁頁頁頁管翅結(jié)構(gòu) 對于翅片管，還需從管翅(Tube fins)表單中輸入以下參數(shù)：翅片高度 Fin height 翅片高度 / 翅片根部平均直徑Fin height /Fin root mean diameter翅片間距 Fin spacing:每單位長度的翅片數(shù) / 翅片厚度Number of fins per unit length /Fin thickness第第第第 15151515 頁頁頁頁擋板結(jié)構(gòu)有兩種擋板結(jié)構(gòu)可供選用： 1、圓缺擋板 Segmental baffle 2、棍式擋板 Rod baffle從擋板(Baffles)表單中進行選擇并輸入有關(guān)參數(shù)。

第第第第 16161616 頁頁頁頁圓缺擋板圓缺擋板需輸入以下參數(shù)：所有殼程中的擋板總數(shù) No. of baffles, all passes擋板切割分率 Baffle cut (fraction of shell diameter)管板到第一擋板的間距 Tubesheet to 1st baffle spacing擋板間距 Baffle to baffle spacing殼壁/擋板間隙 Shell-baffle clearance管壁/擋板間隙 Tube-baffle clearance第第第第 17171717 頁頁頁頁管嘴 管嘴即換熱器的物料進出接口，需從Nozzle表單中輸入以下參數(shù)：輸入殼程管嘴直徑 Enter shell side nozzle diameters 進口管嘴直徑 Inet nozzle diameter 出口管嘴直徑 Outlet nozzle diameter輸入管程管嘴直徑 Enter tube side nozzle diameters 進口管嘴直徑 Inlet nozzle diameter 出口管嘴直徑 Outlet nozzle diameter第第第第 18181818 頁頁頁頁1.4簡捷計算(shortcut) 簡捷計算只能與設計或模擬選項配合。

簡捷計算不考慮換熱器的幾何結(jié)構(gòu)對傳熱和壓降的影響，人為給定傳熱系數(shù)和壓降的數(shù)值 使用設計(design)選項時，需設定熱(冷)物流的出口狀態(tài)或換熱負荷，模塊計算達到指定換熱要求所需的換熱面積 使用模擬(simulation)選項時，需設定換熱面積，模塊計算兩股物流的出口狀態(tài)第第第第 19191919 頁頁頁頁第第第第 20202020 頁頁頁頁l演示演示3：：采用采用2t 100C熱水，將熱水，將5t常溫常壓下苯（常溫常壓下苯（44%wt）、甲）、甲苯混合液加熱苯混合液加熱l1）已知）已知K=500、、S=5，求冷熱出口溫度求冷熱出口溫度63，，62））l2）已知）已知K=500、熱物流出口溫度、熱物流出口溫度50C，求面積10））l注意：注意：a、冷熱物料進口對應、冷熱物料進口對應l b、有相變時很難收斂，改變、有相變時很難收斂，改變Options中的閃蒸類型中的閃蒸類型l c、結(jié)果有時不對，須仔細驗證、結(jié)果有時不對，須仔細驗證l練習練習2：演示：演示3中，已知中，已知K=300、、S=8，求冷熱出口溫度，求冷熱出口溫度第第第第 21212121 頁頁頁頁1.5詳細計算(detailed) 詳細計算只能與核算或模擬選項配合。

詳細計算可根據(jù)給定的換熱器幾何結(jié)構(gòu)和流動情況計算實際的換熱面積、傳熱系數(shù)、對數(shù)平均溫度校正因子和壓降 使用核算(rating)選項時，模塊根據(jù)設定的換熱要求計算需要的換熱面積 使用模擬(simulation)選項時，模塊根據(jù)實際的換熱面積計算兩股物流的出口狀態(tài)第第第第 22222222 頁頁頁頁第第第第 23232323 頁頁頁頁l演示演示4：：采用采用2t 100C熱水，將熱水，將5t常溫常壓下苯（常溫常壓下苯（44%wt）、甲）、甲苯混合液加熱苯混合液加熱l1）已知殼徑）已知殼徑500、管長、管長6m，，100（（25*2）根管子，）根管子，2管程，求管程，求冷熱出口溫度冷熱出口溫度55，，72））l2）核算熱物流出口溫度）核算熱物流出口溫度50C，需要多少面積？（，需要多少面積？（150））l注意：注意：a、冷熱物料進口對應、冷熱物料進口對應l b、有相變時很難收斂，改變、有相變時很難收斂，改變Options中的閃蒸類型中的閃蒸類型l c、結(jié)果有時不對，須仔細驗證、結(jié)果有時不對，須仔細驗證l練習練習3：演示：演示4中，冷熱污垢系數(shù)取中，冷熱污垢系數(shù)取0.0002，求冷熱出口溫度，求冷熱出口溫度第第第第 24242424 頁頁頁頁二、換熱器核算與設計（BJAC）l例例1：已知填料塔的填料總高度：已知填料塔的填料總高度8m，進料以上，進料以上5m，填料為，填料為Mellapak250Y，分離含苯，分離含苯44 ％％ wt甲苯混和物。

進料量甲苯混和物進料量5000kg/h，塔頂采出，塔頂采出98%wt苯，塔底采出苯，塔底采出98%wt甲苯進料由常溫預熱至甲苯進料由常溫預熱至泡點進料，產(chǎn)品甲苯需冷卻至泡點進料，產(chǎn)品甲苯需冷卻至50Cl演示一：演示一：求各個換熱器的熱負荷求各個換熱器的熱負荷l分析分析：確定理論板數(shù)，查手冊：：確定理論板數(shù)，查手冊：2.5塊塊/m,–共共2.5×8＋＋1＝＝21塊，塊，–進料位置進料位置2.5×5＝＝13塊塊第第第第 25252525 頁頁頁頁l設計規(guī)定求流量、進口溫度設計規(guī)定求流量、進口溫度l熱集成熱集成l演示二演示二、用循環(huán)水冷卻，、用循環(huán)水冷卻，28℃~38℃，求循環(huán)水流量求循環(huán)水流量–F=Q/(38-28)/1=7000kg/h第第第第 26262626 頁頁頁頁l演示三演示三、精餾塔進料、精餾塔進料25℃，塔底出料不用循環(huán)水冷，采，塔底出料不用循環(huán)水冷，采用它來預熱進料，問能預熱到多少用它來預熱進料，問能預熱到多少℃？？–學習熱量流的應用學習熱量流的應用–學習熱量回收的基本方法學習熱量回收的基本方法–預熱溫度預熱溫度63℃，接近泡點，接近泡點例1-3.exe第第第第 27272727 頁頁頁頁無相變換熱器設計（1）l演示四演示四、對上例中精餾塔預熱器進行設計，求面積、結(jié)構(gòu)、對上例中精餾塔預熱器進行設計，求面積、結(jié)構(gòu)–學習液液換熱器的設計方法學習液液換熱器的設計方法–學習學習BJAC基本使用方法基本使用方法l解：解：–已知熱側(cè)：已知熱側(cè)：2800kg/h，，111－－>50℃，組成甲苯，組成甲苯98%–冷側(cè)：冷側(cè)：5000kg/h，，25℃進，組成：苯進，組成：苯44%–污垢熱阻：兩側(cè)均取污垢熱阻：兩側(cè)均取0.0003–熱側(cè)走管程熱側(cè)走管程–進行設計（進行設計（sizing））–數(shù)據(jù)導出數(shù)據(jù)導出例2-1(1).exe例2-1(2).exe例2-2.exe第第第第 28282828 頁頁頁頁無相變換熱器設計（2）l設計結(jié)果：設計結(jié)果：–兩個換熱器串聯(lián)，兩個換熱器串聯(lián)，3m2＋＋3m2＝＝6m2–直徑直徑159mm ，，16×3000－－－－19mm管；管；4管程管程–設計余量設計余量14%。

l核算（核算（rating)–根據(jù)設計數(shù)據(jù)核算標準換熱器是否能用根據(jù)設計數(shù)據(jù)核算標準換熱器是否能用l直徑直徑219mm，，33×3000－－－－19mm；； 1管程；面積管程；面積2×5.7m2l直徑直徑325mm，，68×2000－－－－19mm；； 4管程；面積管程；面積2×7.7m2–已有換熱器核算已有換熱器核算l直徑直徑400mm，，76×6000－－－－25mm；； 4管程；面積管程；面積35m2l夠用，余量夠用，余量23%例2-3(1).exe例2-3(2).exe第第第第 29292929 頁頁頁頁冷凝器設計（1）l演示五演示五、對上例中精餾塔冷凝器進行設計，求面積、結(jié)構(gòu)、對上例中精餾塔冷凝器進行設計，求面積、結(jié)構(gòu)–氣量：回流＋出料＝氣量：回流＋出料＝3500+2200＝＝5700kg/h–溫度溫度81??80℃，組成近似純苯，組成近似純苯–循環(huán)水循環(huán)水28??38℃l解：解：–污垢熱阻：兩側(cè)均取污垢熱阻：兩側(cè)均取0.0002–熱側(cè)走殼程熱側(cè)走殼程–進行設計（進行設計（sizing））例3-1.exe第第第第 30303030 頁頁頁頁冷凝器設計（2）第第第第 31313131 頁頁頁頁冷凝器設計（3）第第第第 32323232 頁頁頁頁冷凝器設計（4）l核算：核算：–直徑直徑325，，56根，根，25×4500mm；；2管程；管程；19.3m2–直徑直徑325，，57根，根，25×4500mm；；1管程；管程；19.7m2例3-2.exe第第第第 33333333 頁頁頁頁冷凝器設計（5）第第第第 34343434 頁頁頁頁冷凝器設計（6）第第第第 35353535 頁頁頁頁再沸器設計（1）l演示六演示六、對上例中精餾塔再沸器進行設計，求面積、結(jié)構(gòu)、對上例中精餾塔再沸器進行設計，求面積、結(jié)構(gòu)–塔底氣量（模擬結(jié)果）：塔底氣量（模擬結(jié)果）：6503kg/h–溫度溫度111℃，組成近似純甲苯，組成近似純甲苯–加熱蒸汽：加熱蒸汽：4bar蒸汽（低壓）蒸汽（低壓）l解：解：–污垢熱阻：兩側(cè)均取污垢熱阻：兩側(cè)均取0.0002–熱側(cè)走殼程熱側(cè)走殼程–熱虹吸再沸器、汽化率取熱虹吸再沸器、汽化率取12%，循環(huán)量，循環(huán)量6503/.12=54.191t/h–進行設計（進行設計（sizing））例4-1.exe第第第第 36363636 頁頁頁頁再沸器設計（2）第第第第 37373737 頁頁頁頁再沸器設計（3）第第第第 38383838 頁頁頁頁再沸器設計（4）l核算：核算：–直徑直徑500，，174根，根，25×2000mm；；1管程；管程；26m2例4-2.exe第第第第 39393939 頁頁頁頁再沸器設計（5）第第第第 40404040 頁頁頁頁再沸器設計（6）。