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1、Aspen-plus-Aspen-plus-浙大吴嘉老浙大吴嘉老师第五讲师第五讲- -热过程单元的热过程单元的仿真设计仿真设计( (一一) )传热单元模型的分类1.加热器 Heater2.换热器 HeatX3.多物流换热器 MHeatX4.热通量换热器 HXFlux传热单元归属换热器类传热单元归属换热器类(Heat Exchangers)，共共7种模型，种模型，AspenPlus内部用的有内部用的有4种，其种，其余余3种是与其它软件的接口模块：种是与其它软件的接口模块：传热单元模型的分类 (2)(2)Heater 加热器模型Heater 模型用于模拟以下单元，模型用于模拟以下单元， 改变单股物
2、流的温度、压力和相态改变单股物流的温度、压力和相态：1.加热器加热器2.冷却器冷却器3.阀门（仅改变压力，不涉及阻力）阀门（仅改变压力，不涉及阻力）4.泵（仅改变压力，不涉及功率）泵（仅改变压力，不涉及功率）5.压缩机（仅改变压力，不涉及功率）压缩机（仅改变压力，不涉及功率）Heater 加热器模型（2）Heater 连接Heater 模型的连接图如下：1 1、闪蒸规定闪蒸规定闪蒸规定闪蒸规定 ( ( ( ( Flash specificationsFlash specifications) ) ) ) （1 1）温度）温度）温度）温度 TemperatureTemperatureTemper
3、ature （2 2） 压力压力 PressurePressurePressure （3 3）温度改变温度改变温度改变温度改变 Temperature changeTemperature changeTemperature change （4 4）蒸汽分率）蒸汽分率）蒸汽分率）蒸汽分率 Vapor fractionVapor fractionVapor fraction （5 5）过热度）过热度）过热度）过热度 Degrees of superheatingDegrees of superheatingDegrees of superheating （6 6）过冷度）过冷度）过冷度）过冷度 D
4、egrees of subcoolingDegrees of subcoolingDegrees of subcooling （7 7）热负荷）热负荷）热负荷）热负荷 Heat dutyHeat dutyHeat dutyHeater 模型参数Heater模型有两组模型设定参数：模型有两组模型设定参数：从从中中任任选选两两项项Heater 模型参数（2）2、有效相态有效相态 ( ( Valid Phase ) )（1）蒸汽）蒸汽（2）液体）液体（3） 固体固体（4）汽）汽液液（5） 汽汽液液液液（6）液）液游离水游离水（7） 汽汽液液游离水游离水Heater 模型参数（3）Heater模型有两
5、组模型有两组模型设定参数模型设定参数：Heater 模型参数（4） 温温度度20、压压力力0.41 MPa、流流量量4000 kg/hr 的的软软水水在在锅锅炉炉中中加加热热成成为为0.39 MPa的的饱饱和和水水蒸蒸气气进进入入生生蒸蒸汽汽总总管管。求求所所需需的的锅锅炉炉供热量。供热量。 Heater 应用示例 (1) 流流量量为为1000 kg/hr （0.4 MPa ）的的饱饱和和水水蒸蒸汽汽用用蒸蒸汽汽过过热热器器加加热热到到过过热热度度 100 （0.39 MPa），求过热蒸汽温度和所需供热量。求过热蒸汽温度和所需供热量。 Heater 应用示例 (2) 流流量量为为 1000 k
6、g/hr、压压力力为为 0.11 MPa、 含含乙乙醇醇70 %w、 水水30 %w的的饱饱和和蒸蒸汽汽在在蒸蒸汽汽冷冷凝凝器器中中部部分分冷冷凝凝，冷冷凝凝物物流流的的汽汽/液液比比（摩尔）（摩尔）=1/3。求冷凝器热负荷。求冷凝器热负荷。 Heater 应用示例 (3) 案案例例研研究究(Case Study)是是ASPEN Plus提提供供的的模模型型分分析析工工具具(Model Analysis Tools)之之一一。当当需需要要对对多多个个不不同同的的工工况况条条件件的的结结果果进进行行比比较较时时，尤尤其其是是不不同同工工况况有有多多个个且且数数目目不不等等的的参参数数需需要要改改
7、变变时时，案案例例研研究究工工具具提提供供了了非非常常方方便便的的手手段段: 一一次次输输入入所所有有工工况况的的参参数数值值，通通过过批批处处理理运运行行方方式式计计算算出出全部结果，自动输出到结果文件中。全部结果，自动输出到结果文件中。Case Study 案例研究Case Study 案例研究（2）Case Study 参数定义 首首先先在在改改变变(Vary)表表单单中中定定义义不不同案例中需要改变的变量：同案例中需要改变的变量：使使用用变变量量序序号号(Variable number)下下拉拉框中的新建框中的新建(new)选项增添新的变量；选项增添新的变量；使使用用调调节节变变量量(
8、Manipulated variable)栏栏中中的的一一组组下下拉拉框框设设定定每每一一个个变变量量的的定义。定义。Case Study参数定义（2 2）Case Study 参数赋值 然然后后在在规规定定(Specification)表表单单中中定义不同案例中调节变量的值：定义不同案例中调节变量的值：使使用用案案例例序序号号(Case number)下下拉拉框框中中的新建的新建(new)选项增添新的案例；选项增添新的案例；在在调调节节变变量量值值(Values of manipulated variable)表表的的单单元元格格中中按按顺顺序序输输入入相相应应案例里每一个调节变量的给定值。
9、案例里每一个调节变量的给定值。Case Study 参数赋值（2 2）Case Study 批处理运行 完完成成案案例例定定义义后后，从从窗窗口口的的级级联联式式菜菜单单中中选选择择“运运行行批批处处理理提提交交”命令命令 RunBatchSubmit并并在在弹弹出出的的对对话话框框中中设设定定运运行行代代号号(RunID)，运运行行结结果果输输出出文文件件将将采采用用运行代号作为文件名。运行代号作为文件名。Case Study批处理运行（2 2）Case Study批处理运行（3 3）Case Study 结果查看 案案例例研研究究的的模模拟拟结结果果采采用用文文件件输输出，不能直接从图形用
10、户界面中查看。出，不能直接从图形用户界面中查看。运运行行完完成成后后，会会在在工工作作目目录录下下自自动动生生成成 输输 入入 (*.inp)、 状状 态态 (*.sta)、 简简 汇汇(*.sum)和和输输出出(*.out) 四四个个文文本本文文件件，结结果果数数据据在在*.out文文件件中中，可可用用文文本本编编辑软件打开查看和编辑。辑软件打开查看和编辑。 流流量量为为 100 kg/hr、压压力力为为 0.2 MPa、温温度度为为20 的的丙丙酮酮通通过过一一电电加加热热器器。当当加加热热功功率率分分别别为为 2 kW、5 kW、10 kW 和和 20 kW 时，求出口物流的状态。时，求
11、出口物流的状态。 Heater 应用示例 (4)Heater 物性计算 利利用用Heater模模块块可可以以很很方方便便地地计计算算混混合合物物在在给给定定热热力力学学状状态态下下的的各各种种物物性性数数据据，如如泡泡点点、露露点点、饱饱和和蒸蒸汽汽压压、密密度度、粘粘度度、热热容容、导导热热系系数数等等等等：只只需需将将给给定定组组成成的的物物流流导导入入Heater模模块块，根根据据给给定定的的热热力力学学状状态态设设定定Heater的的模模型型参参数数，并并在在总总Setup的的Report Options中中设设定定相相应应的的输输出出参参数数选选项即可。项即可。 求求压压力力为为 0
12、.2 MPa，含含甲甲醇醇30%w、 乙乙 醇醇 20%w、 正正 丙丙 醇醇20%w、水水30%w 的的混混合合物物的的泡泡点和露点点和露点。 Heater 应用示例 (5)HeatX 换热器模型1.逆流逆流/并流并流（Countercurrent / Cocurrent)2.折流板壳程折流板壳程（Segmental Baffle Shell)3.棍式挡板壳程棍式挡板壳程（Rod Baffle Shell)4.裸管裸管/低翅片管低翅片管（Bare/Low-finned Tubes)HeatX 模型用于模拟下述结模型用于模拟下述结构的管构的管壳式换热器：壳式换热器：计算两股物流之间的热量交换计
13、算两股物流之间的热量交换。HeatX 换热器模型（2）HeatX 连接HeatX 模型的连接图如下：1.计算类型计算类型 Calculation2.流动方式流动方式 Flow arrangement3.换热器设定换热器设定 Exchanger specificationHeatX模型设定HeatX 的设定从规定的设定从规定(Specification) 表单着手，有三组设定参数表单着手，有三组设定参数：HeatX模型设定（2）计算栏目中有三个选项计算栏目中有三个选项计算栏目中有三个选项计算栏目中有三个选项： 1 1、简捷计算简捷计算简捷计算简捷计算 Short-cutShort-cut 2 2
14、、详详详详细计算细计算细计算细计算 DetailedDetailed 3 3、HetranHetran 精确计算精确计算精确计算精确计算 Hetran RigorousHetran Rigorous 输出输出输出输出HetranHetran软件软件软件软件( (换热器设计专用软件换热器设计专用软件换热器设计专用软件换热器设计专用软件) )的输入文件供其精确计算。的输入文件供其精确计算。的输入文件供其精确计算。的输入文件供其精确计算。下部的下拉式选择框中也有三个选项：下部的下拉式选择框中也有三个选项：下部的下拉式选择框中也有三个选项：下部的下拉式选择框中也有三个选项： 1 1、设计设计设计设计
15、DesignDesign 2 2、核算核算核算核算 RatingRating 3 3、模拟模拟模拟模拟 SimulationSimulation两组选两组选两组选两组选项按下述方式配合使用：项按下述方式配合使用：项按下述方式配合使用：项按下述方式配合使用：HeatX计算类型HeatX计算类型（2）简简捷捷计计算算只只能能与与设设计计或或模模拟拟选选项项配配合合。简简捷捷计计算算不不考考虑虑换换热热器器几几何何结结构构对对传传热热和和压压降的影响，人为给定传热系数降的影响，人为给定传热系数和压降的数值和压降的数值。 使用使用设计设计选项时，需设定热选项时，需设定热(冷冷)物物流的出口状态或换热负
16、荷，模块计算达到指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。定换热要求所需的换热面积。 使用使用模拟模拟选项时，需设定换热面积，选项时，需设定换热面积，模块计算两股物流的出口状态。模块计算两股物流的出口状态。HeatX简捷计算流动方式设定包括：流动方式设定包括：1、热流体、热流体(Hot fluid)流动空间：流动空间： 壳程壳程 (Shell) /管程管程 (Tube)2、流动方向、流动方向(Flow direction)： 逆流逆流 (Countercurrent) 并流并流 (Co-current) 多管程流动多管程流动 (Multiple passes)HeatX
17、流动方式HeatX流动方式 (2)(2)1、逆流、逆流 CountercurrentHeatX 流动方向2、并流、并流 Cocurrent1. 1.热物流出口温度热物流出口温度热物流出口温度热物流出口温度 (Hot stream outlet temperature)(Hot stream outlet temperature)2. 2.热物流出口温降热物流出口温降热物流出口温降热物流出口温降 (Hot stream outlet temperature decrease)(Hot stream outlet temperature decrease)3. 3.热物流出口温差热物流出口温差热物
18、流出口温差热物流出口温差 (Hot stream outlet temperature approach)(Hot stream outlet temperature approach)4. 4.热物流出口过冷度热物流出口过冷度热物流出口过冷度热物流出口过冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling)(Hot stream outlet degrees subcooling)5. 5.热物流出口蒸汽分率热物流出口蒸汽分率热物流出口蒸汽分率热物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fraction)(Hot stream outle
19、t vapor fraction)HeatX 换热器设定共共有有13个个选选项项HeatX 热物流出口温差 6. 6.冷物流出口温度冷物流出口温度冷物流出口温度冷物流出口温度 (Cold stream outlet temperature)(Cold stream outlet temperature)7. 7.冷物流出口温升冷物流出口温升冷物流出口温升冷物流出口温升 (Cold stream outlet temperature increase)(Cold stream outlet temperature increase)8. 8.冷物流出口温差冷物流出口温差冷物流出口温差冷物流出口温
20、差 (Cold stream outlet temperature approach)(Cold stream outlet temperature approach)9. 9.冷物流出口过热度冷物流出口过热度冷物流出口过热度冷物流出口过热度 (Cold stream outlet degrees superheat)(Cold stream outlet degrees superheat)10.10.冷物流出口蒸汽分率冷物流出口蒸汽分率冷物流出口蒸汽分率冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction)(Cold stream outlet vapo
21、r fraction)HeatX 换热器设定 (2)共共有有13个个选选项项HeatX 冷物流出口温差 11.11.传热面积传热面积传热面积传热面积 (Heat transfer area)(Heat transfer area)12.12.热负荷热负荷热负荷热负荷 (Exchanger duty)(Exchanger duty)13.13.几何条件几何条件几何条件几何条件 (Geometry)(Geometry) 在详细计算时采用。在详细计算时采用。在详细计算时采用。在详细计算时采用。HeatX 换热器设定(3) 共共有有13个个选选项项 由由由由于于于于换换换换热热热热器器器器内内内内的的
22、的的流流流流动动动动并并并并非非非非理理理理想想想想的的的的并并并并流流流流或或或或逆逆逆逆流流流流，因因因因此此此此有有有有效效效效传传传传热热热热推推推推动动动动力力力力需需需需在在在在对对对对数数数数平平平平均均均均温温温温差差差差( (LMTDLMTD) )的的的的基基基基础础础础上上上上进行校正。校正因子的计算方法有四个选项进行校正。校正因子的计算方法有四个选项进行校正。校正因子的计算方法有四个选项进行校正。校正因子的计算方法有四个选项：1 1、常数、常数、常数、常数 ConstantConstant 由用户指定校正系数，可查手册。由用户指定校正系数，可查手册。由用户指定校正系数，可
23、查手册。由用户指定校正系数，可查手册。2 2、几何结构、几何结构、几何结构、几何结构 GeometryGeometry 由软件根据换热器结构和流动情况计算。由软件根据换热器结构和流动情况计算。由软件根据换热器结构和流动情况计算。由软件根据换热器结构和流动情况计算。3 3、用户子程序、用户子程序、用户子程序、用户子程序 User-subrUser-subr4 4、计算值、计算值、计算值、计算值 CalculatedCalculated 流动方向为多管程流动时采用。流动方向为多管程流动时采用。流动方向为多管程流动时采用。流动方向为多管程流动时采用。HeatX LMTD校正HeatX LMTD校正（
24、2） 压降压降 ( Pressure Drop )分别指定热侧和冷侧的出口压力分别指定热侧和冷侧的出口压力分别指定热侧和冷侧的出口压力分别指定热侧和冷侧的出口压力 ( Outlet pressure )( Outlet pressure ) 指定值指定值指定值指定值 0 0，代表出口的绝对压力值代表出口的绝对压力值代表出口的绝对压力值代表出口的绝对压力值 指定值指定值指定值指定值 0 0，代表出口相对于进口的压力降低值代表出口相对于进口的压力降低值代表出口相对于进口的压力降低值代表出口相对于进口的压力降低值HeatX 简捷计算 HeatX 简捷计算（2 2） 总传热系数方法总传热系数方法 (
25、U methods )常数常数常数常数 (Constant)(Constant)相态法相态法相态法相态法 (Phase specific values)(Phase specific values) 分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数幂函数幂函数幂函数幂函数 (Power law expression)(Power law expression) U=U U=Uref ref (Flow/Flow(Flow/Flowrefref)exponent)exponentHea
26、tX 简捷计算（3） HeatX U - 相态法 HeatX结果查看 HeatX最最重重要要的的是是热热参参数数结结果果(Thermal results)，其下包括五张表单：，其下包括五张表单： 概况概况 Summary 衡算衡算 Balance 换热器详情换热器详情 Exchanger details 压降压降/速度速度 Pre drop/velocities 分区分区 ZonesHeatX 概况概概况况表表单单给给出出了了冷冷、热热物物流流的的进进、出出口口温温度度、压压力力、蒸蒸汽汽分分率率(Vapor fraction)，以以及及换换热热器器的的热热负负荷荷(Heat duty)。He
27、atX 概况 (2)(2)HeatX换热器详情对对于于捷捷算算法法，换换热热器器详详情情表表单单给给出出了了需需要要的的换换热热器器面面积积(Required exchanger area) 、结结垢垢(Dirty)条条件件下下的的平平均均传传热热系系数数(Avg. heat transfer coefficient)、校校正正后后的的对对数数平平均均温温差差(LMTD corrected) 和和对对数数平平均均温温差差校校正正因因子子(LMTD correction factor)等有用的信息。等有用的信息。HeatX换热器详情（2 2）HeatX 分区分分区区表表单单给给出出了了换换热热器
28、器内内根根据据冷冷、热热流流体体相相态态对对传传热热面面积积分分区区计计算算的的情情况况，包包括括各各区区域域的的热热流流体体温温度度、冷冷流流体体温温度度、对对数数平平均均温温差差、传传热热系系数数、热热负负荷荷和和传传热热面面积积信信息息。我我们们可可根根据据此此信信息息分分析析换换热热方方案案是否合理以及改进设计方案的方向。是否合理以及改进设计方案的方向。HeatX 分区（2 2） 用用1200 kg/hr饱和水蒸汽饱和水蒸汽 (0.3 MPa)加热加热2000 kg/hr 甲醇甲醇 (20 、0.3 MPa)。离开换热器的蒸汽冷凝水压力为离开换热器的蒸汽冷凝水压力为0.28 MPa、过冷度为、过冷度为2 。换热器传热系。换热器传热系数根据相态选择。求甲醇出口温度、数根据相态选择。求甲醇出口温度、相态、需要的换热面积。相态、需要的换热面积。HeatX 应用示例 (1)结束结束
