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1、,简单的模拟模块,Tianjin University,主要内容,多用途闪蒸器（FLAS） 简单换热器模块（HTXR） 管壳式换热器设计与核算（CC-THERM） 化学计量反应器（REAC） 平衡反应器(EREA) 吉布斯反应器(GIBS) 动力学反应器(KREA),利用液体混合物中各组分(component)挥发性(volatility)差异，以热能为媒介使其部分汽化从而在汽相富集轻组分液相富集重组分而分离的方法。,闪蒸罐,塔顶产品,yA,xA,加热器,原料液,塔底产品,Q,减压阀,蒸 馏 (Distillation),蒸馏操作实例：石油炼制中使用的 250 万吨常减压装置,许多生产工艺常常
2、涉及到互溶液体混合物的分离，如石油炼制品切割，有机合成产品提纯，溶剂回收和废液排放前的达标处理等等。分离的方法有多种，工业上最常用的是蒸馏或精馏。,蒸馏操作的用途,间歇精馏：多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。 连续精馏：多用于大批量工业生产中。,蒸馏的分类,常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。 减压蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况 加压蒸馏：常压下为气体的物系精馏分离，加压提高混合物的沸点.,多组分精馏：例如原油的分离。 双组分精馏：如乙醇-水体系,苯-甲苯体系等。,简单蒸馏或平衡蒸馏：用在分离要求不高的情况下。 精馏：分离纯度要求很高时采用。 特殊精馏：混合物中组分挥发性
3、相差很小某些特殊手段进行的精馏。,平衡蒸馏,平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作。生产工艺中溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏的典型应用。,闪蒸操作流程：一定组成的料液被加热后经节流阀减压进入闪蒸室，液体因沸点下降变为过热而骤然汽化，汽化耗热使得液体温度下降，汽、液两相温度趋于一致，两相组成趋于平衡。由闪蒸室塔顶和塔底引出的汽、液两相即为闪蒸产品。,闪蒸罐,塔顶产品,yA,xA,加热器,原料液,塔底产品,Q,减压阀,闪蒸过程可通过物料衡算、热量衡算以及相平衡关系求解所需参数。下面以两组分混合液连续稳定闪蒸过程为例给予说明。,物料衡算,总物料衡算,式中：F、D、W 进料流率和出塔汽.
4、液相产物的流率，kmol/s；xF、yD、xW 料液组成以及出塔汽、液相产物的摩尔分数。,易挥发组分的物料衡算,两式联立可得,闪蒸罐,D, yD, te,yD,加热器,F, xF, tF,W, xW, te,Q,减 压 阀,xW,t0,若设液相产物占总加料量的分率为 q，即W/F=q，则汽化率为D/F =(1-q)，代入上式整理可得,上式表示了汽化率与汽、液相组成的关系。,平衡蒸馏过程可认为经部分汽化或部分冷凝后所得的汽液两相呈平衡，即 yDxW 符合平衡关系。,平衡关系,若已知进料组成 xF 和生产任务所要求的汽化率 (1-q)，结合物料衡算式可求得汽液相组成 yD、xW。,平衡蒸馏,料液由
5、进料温度 tF 升至 t0 需供给的热量 Q 为,闪蒸后，料液温度由 t0 降至平衡温度 te，若不计热损失，则料液放出的显热全部用于料液的部分汽化所需的潜热，即,热量衡算,通过以上诸式，在 q 为已知的条件下，由物料衡算与相平衡关系求得yD、xW 后，由温度-组成相图求 te，进而求 t0。 汽化量大， (1-q) 值大，闪蒸前料液温度需加热至更高的 t0 值。,由上式可得,Tianjin University,多用途闪蒸器（FLAS）,规定屏 拓扑结构 例题,多用途闪蒸器（FLAS）,FLAS 模块是一个允许各种闪蒸操作，如恒温、绝热、等熵、汽相分离等闪蒸操作的通用闪蒸模块。同时，在包含水
6、和烃化物两种液相的情况下，允许自由水从闪蒸罐中析出。,这三个不同图标形式的闪蒸器只是形状不同，数学模型完全一样。,规定屏,Flash Mode（闪蒸模式）,拓扑结构,FLAS 模块可有多个（最多到13 个）进料流股，有13 个输出流股。,一个输出流股，则该输出流股总是具有与进料流股相同的组分和流率，但其热状态（温度、压力、蒸汽分率焓等）会依所选择的闪蒸操作的模型而异。 两个输出流股，则第一个总是气体，第二个总是液体。 如果闪蒸操作全部产生蒸气，则第二输出流（液体）将是一个具有零流率并与第一输出流（蒸汽）具有相同的温度和压力的空流。 如果闪蒸产生的都是液体，则第一输出流（蒸汽）是空流，而第二流（
7、液体）将具有与其输入流（进料流股）相同流率和组成。 如果选择了与水不互溶的热力学模型，除非像下面描述的规定了三个输出流，否则自由水（如果有的话）应包括在第二个输出流中。 三个输出流，并选择与水不互溶模型，第三输出流将包含自由水（如果有的话）。 第一输出流将是蒸汽，第二输出流将是含有烃化合物及溶解于其中的水的液体，第三输出为含自由水的液体。 使用LLV（所有单元的严格三相闪蒸）选项，第一出口流将包含蒸汽，第二出口流将包含轻液相，第三出口流将包含重液相。,例题：利用闪蒸模块，计算泡点温度及混合物热力学性质,试计算摩尔组成为苯：0.2，甲苯：0.8 的混合物在总压为106.7kPa下的泡点温度及其平
8、衡气相组成（采用SRK 状态方程）。,简单换热器模块（HTXR）,ChemCAD 中提供的简单换热器模块(HTXR)可以模拟具有1 个或2 个输入流的换热器。,对于只有一个输入流的情况，换热器作为加热器或冷却器。,如果换热器具有两个输入流，可以使用更为复杂的操作模式，对有两股输入流的换热器可以进行加热/冷却曲线分析：,设计计算：规定输出流中某个流的热力学状态、热负荷、温差，计算其它未规定流的热状态以保持操作的物料平衡和能量平衡。总的传热系数U 或面积在规定其中之一的情况下也能计算。 核算：规定换热器的U*A，计算两股流的输出流状态。 公用工程计算：规定两股输出流的热力学状态，重新计算第二股流股
9、的流率以保证换热器的热平衡。这种计算模式可以用于冷却或加热过程流股所需的公用工程量。,热平衡方法,Q 为换热量，U 为传热系数，A 为换热面积，LMTD 为对数平均温差。该关系式得出所需的最小热负荷并假定是理想传热。,单侧换热器规定屏,单侧换热器公用工程的设置,单侧换热器公用工程的设置,双侧换热器规定屏,双侧换热器规定屏,双侧换热器规定屏,双侧换热器的其它规定,例题,例3-4 某化工厂在生产过程中，需将纯苯液体从80冷却到55，其流量为20000kg/h。冷却介质采用35的循环水。已知体系传热系数为450 W/(m2)，若要求换热器的管程和壳程压降不大于10 kPa，确定换热器的换热面积。,换
10、热器 Heat Exchanger化工生产中所用的换热器种类很多，通常可按照其 用途分类，亦可按传热原理及换热方法分类。 一、按用途分根据换热器的用途不同，可分为加热器、冷却器、 蒸发器、再沸器、冷凝器和分凝器等。二、按传热原理和实现热交换的方法分类间壁式换热器混合式换热器蓄热式换热器,间壁式换热器间壁式换热器中，以列管换热 器最为重要。 介绍几种常用的间壁式换热器： （一）夹套式换热器夹套式换热器是最简单的板式换热器。 如图所示。它是在容器外壁安装夹套而成 的，夹套与器壁之间形成的空间为加热介 质或冷却介质的通路。夹套式换热器主要 用于反应过程的加热和冷却。在用蒸汽进 行加热时，蒸汽有上部接
11、管进入夹套，冷 凝水由下部接管流出。作为冷却器时，冷 却介质（如冷却水）由夹套下部接管进入， 由上部接管流出。,(二)蛇管式换热器蛇管式换热器可分为两类 1、沉浸式蛇管换热器蛇管多以金属管弯制而成，或 制成适应容器要求的形状，沉浸在 容器中。两种流体分别在蛇管内、 外流动进行热量交换。几种常用的 蛇管形状如图所示。 2、喷淋式换热器 喷淋式换热器如图所示， 它多用冷却器。蛇管成 行的固定在支架上，热 流体在蛇管内流动，自 最下管进入，由最上管,流出。冷水由最上面的淋水管留下，均匀的分布在蛇管 上，并沿其两侧下降至下面的管子表面，最后流入水槽 而排出。冷水在各管上表面流过时，与管内流体进行热 交
12、换。(三)套管式换热器套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，然后用U型弯管将多段套管串联而成，如图所示。,（四）列管式换热器,列管式（又称管壳式）换热器是目前化工生产中应用最 广泛的换热设备。优点：单位体积所具有的传热面积大；结构紧凑，坚固，传热效果好； 适用性较强，操作弹性较大；可用多种材料制造，尤其在高温、高压和大型装 置上多采用列管式换热器。列管式换热器主要结构：由壳体、管束（又称花板）、和封头（又称顶盖）等部件构成。,列管式换热器的主要形式有以下几种。 1、固定管板式（如图所示）,2、U型管式换热器如图所示，U型管式换热器的每根管子完成U型，流 体进、出口分别安装在同一端的两侧
13、，封头内用隔板分 成两室。,3、浮头式换热器（如图所示）,(五) 板式换热器（1）平板式换热器板式换热器主要有一组长方形的薄金属板平行排列、夹紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后板间形成流体通道，且可用垫片的厚度调节通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有一对圆孔和板面上的流道相通，另外一对圆孔则不相通，它们的位置在相邻的板上是错开的，以分别形成两流体的通道。冷、热流体交错的在板片两侧流过，通过板片进行换热。每块金属板面冲压成凹凸的波纹状，使流体均匀的流过，增强了流体的湍流，又增加了传热面积，有利于传热。,（2）螺旋板式换热器如图所示，螺旋板式换热器是由两张间距一定
14、的平 行的薄金属板卷制而成，在其中央设有隔离挡板，将两 螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以保持通道的间 距，在器的顶、底不上分别焊有盖板或封头。冷、热流 体分别进入两条通道，在器内逆流流动，通过薄金属壁 进行换热。,(六)翅片式换热器翅片式换热器有翅片管换热器和板翅换热器两类。 1，翅片管换热器翅片管换热器的构造特点是，在管子表面装有径向或 轴向翅片。常见的翅片如图所示。,2，板翅式换热器板翅式换热器是一种更为紧凑、轻巧、高效的换热器。 板翅式换热器的结构形式很多，但是基本结构元件相同， 即为两块平行的薄金属板间，假如波状或其他形状的金 属翅片，两边以侧条密封，组成一个换热基本单元。将 各基
15、本单元进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固 定，即可制成并流、逆流或错流的板束（又称芯部）， 如图所示,热交换过程的强化,由传热速率方程:增大传热面积A，平均温差 ，和传热系数K均可提高传热效率 (1) 增大传热面积 S (2) 增大平均温差 (3) 增大传热系数（1）污垢热阻 （2）对流传热热阻,阻垢的途径,1）化学法（各种阻垢剂， 涂层) 2）电磁波法 3）机械法（除垢机械部件，循环海棉球、玻璃球、钢球) 4）表面处理（离子注入，磁控溅射等) 5）超声波抗垢 6) 其它,管壳式换热器设计与核算（CC-THERM）,CC-THERM 是CHEMCAD 系统中一个集成模块，用于设计各种类型的
16、管壳式换热器。 CC-THERM 与 CHEMCAD 完全结合，使得工艺数据能自动从工艺流程传递到换热器分析中，利用这两个模块相同的属性、采用相同的方法，还可以生成热曲线和物理性质数据。,CC-THERM 技术特征,应用范围广泛； 有两种计算模式可供选择：设计或核算； 适用于所有TEMA型（列管式）换热器； 可使用5 种类型的折流板； 能对各种类型的换热器进行振动分析； 可使用TEMA 间隙数据或输入自己定义的间隙数据； 允许使用密封带； 能计算需要的管子根数； 允许使用缓冲板、环形分配器、节流带嘴及 管子可以是光管或翅片管，程序中有Wolverine、 HPTI 及Wieland 管子数据库； 管内可以使用扰流器； 可采用干壁或湿壁冷凝方式； 有多种传热和压降的计算方法。,使用CC-THERM 进行换热器分析,定义要计算的换热器并运行工艺流程模拟计算。 在菜单表上选择设计设备（sizing）命令，打开”Heat Exchangers”菜单。 选择 Shell & Tube（管及壳）项。 程序提醒用户完成换热器分析的初始设置。通过指令显示指导如何操作。当命令被确认，程序将完成所示任务，或进入相应的对话框以便完成所示任务。完成设置后，程序显示CC-THERM 菜单 。 根据所需的菜单命令检查并编辑输入数据。 运行程序。 审查和打印结果。,
