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1、ASPEN PLUS 与化工过程模拟第6讲 换热器的模拟计算1a第第第第 2 2 2 2 页页页页一、换热器模块l1.11.1模模块类型型模型模型说明说明目的目的用于用于Heater加热器或冷却器加热器或冷却器确定出口物流的热和确定出口物流的热和相态条件相态条件加热器、冷却器、冷凝加热器、冷却器、冷凝器等器等HeatX两股物流的换热器两股物流的换热器在两个物流之间换热在两个物流之间换热两股物流的换热器。当两股物流的换热器。当知道几何尺寸时，核算知道几何尺寸时，核算管壳式换热器管壳式换热器MHeatX多股物流的换热器多股物流的换热器在多股物流之间换热在多股物流之间换热多股热流和冷流换热器，多股热
2、流和冷流换热器，两股物流的换热器，两股物流的换热器，LNG换热器换热器Hetran管壳式换热器管壳式换热器提供提供B-JAC Hetran管管壳式换热器程序界面壳式换热器程序界面管壳式换热器，包括釜管壳式换热器，包括釜式再沸器式再沸器Aerotran空冷换热器空冷换热器提供提供B-JAC Aerotran空冷换热器程序界面空冷换热器程序界面错流式换热器包括空气错流式换热器包括空气冷却器冷却器第第第第 3 3 3 3 页页页页l1.21.2模模块应用用说明明l1.2.11.2.1加加热器（器（heaterheater）l特点：流程模特点：流程模拟中中应用，与用，与结构无关，主要精力放在工构无关，
3、主要精力放在工艺上上l演示演示1 1：将将5t5t常温常常温常压下苯（下苯（44%wt44%wt）、甲苯混合液加）、甲苯混合液加热到泡点，求到泡点，求热负荷，荷，泡点温度泡点温度 l演示演示2 2：采用采用2t 100C2t 100C热水，将水，将5t5t常温常常温常压下苯（下苯（44%wt44%wt）、甲苯混合液加）、甲苯混合液加热，热水出口温度水出口温度50C50C，求，求热负荷，加荷，加热温度温度l练习1 1：将：将5t5t常温常常温常压下苯（下苯（44%wt44%wt）、甲苯混合液加）、甲苯混合液加热到露点到露点, , 采用采用3bar3bar蒸汽，需要多少蒸汽，需要多少kgkg蒸汽？
4、蒸汽？l（不一定什么都需要（不一定什么都需要AspenAspen来干）来干）第第第第 4 4 4 4 页页页页l1.2.21.2.2物流物流换热器（器（HeatXHeatX）l特点：特点：实现流程中两物流流程中两物流换热，需知道，需知道结构，不建构，不建议用在用在过程模程模拟中中l1 1）输入入规定定窗口名称窗口名称作用作用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。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，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
5、块规定报告选收敛参数和模块规定报告选项。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。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。User Subroutines规定用户定义的规定用户定义的Fortran子程序的参数来计算整个的传热系数、子程序的参数来计算整个的传热系数、LMTD校正因子、管校正因子、管壁液体滞留量或管壁压降。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规定冷流的加热或冷却曲线表和浏览结果表Bloc
6、k Options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。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。浏览结果、质量和能量平衡、压降、速度和区域分析汇总。Detailed Results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。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。规定动力学模拟的参数。第第第第 5 5 5 5 页页页页l2 2）计算算类型型第第第第 6 6 6 6 页页页页l壳程类型 TEMA shell
7、 typel管程数 No. of tube passesl换热器方位 Exchanger orientationl密封条数 Number of sealing strip pairsl管程流向 Direction of tubeside flowl壳内径 Inside shell diameterl壳/管束间隙 Shell to bundle clearancel1.31.3换热器器结构参数构参数说明明第第第第 7 7 7 7 页页页页壳体壳体类型型 第第第第 8 8 8 8 页页页页壳体尺寸壳体尺寸l两个重要的壳体尺寸：两个重要的壳体尺寸：壳体内径壳体内径壳体到管束的最大直径的壳体到管束的最
8、大直径的环形面形面积Outer Tube LimitOuter Tube Limit管束外管束外层的最大直径的最大直径Shell DiameterShell Diameter壳体直径壳体直径Shell to Bundle ClearanceShell to Bundle Clearance壳壳层到管束的到管束的环形面形面积 第第第第 9 9 9 9 页页页页折流折流挡板的几何尺寸板的几何尺寸 l壳壳侧膜系数和膜系数和压降降计算需要壳体内算需要壳体内挡板的板的几何尺寸。几何尺寸。 l对于弓形折流于弓形折流挡板，需要的信息包括：板，需要的信息包括：折流折流挡板切口高度板切口高度折流折流挡板板间距距
9、折流折流挡板面板面积l对于于圆盘形折流形折流挡板需要的信息包括：板需要的信息包括：环形直径形直径支承支承盘的几何尺寸的几何尺寸 第第第第 10101010 页页页页折流折流挡板的几何板的几何结构构Baffle CutBaffle Cut 折流折流挡板的切口高度板的切口高度Tube HoleTube Hole 管孔管孔Shell to Baffle ClearanceShell to Baffle Clearance 壳壳层到折流到折流挡板的板的环形面形面积Rod DiameterRod Diameter 圆盘直径直径Ring Outside DiameterRing Outside Diame
10、ter 环外径外径Ring Inside DiameterRing Inside Diameter 环内径内径第第第第 11111111 页页页页管子的几何尺寸管子的几何尺寸 l计算管算管侧膜系数和膜系数和压降需要管束的几何尺寸。降需要管束的几何尺寸。l对裸管裸管换热器或低翅片管器或低翅片管换热器器 管子总数 Total number 管子长度 Length管子直径 Diameter管子的排列 Pattern管子的材质 Material第第第第 12121212 页页页页管程参数 管程参数还有管尺寸(Tube size)，可用两种方式输入：实际尺寸 Actual内 径 Inner diamet
11、er外 径 Outer diameter 厚 度 Tube thickness 三选二公称尺寸 Nominal 直径 Diameter BWG规格 Birmingham wire gauge第第第第 13131313 页页页页列管排列模式 第第第第 14141414 页页页页管翅结构 对于翅片管，还需从管翅(Tube fins)表单中输入以下参数：翅片高度 Fin height 翅片高度 / 翅片根部平均直径Fin height /Fin root mean diameter翅片间距 Fin spacing:每单位长度的翅片数 / 翅片厚度Number of fins per unit len
12、gth /Fin thickness第第第第 15151515 页页页页挡板结构有两种挡板结构可供选用： 1、 圆 缺 挡 板 Segmental baffle 2、棍式挡板 Rod baffle从挡板(Baffles)表单中进行选择并输入有关参数。第第第第 16161616 页页页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. of baffles, all passes挡板切割分率 Baffle cut (fraction of shell diameter)管板到第一挡板的间距 Tubesheet to 1st baffle spacing挡板间距 Baffle to b
13、affle spacing壳壁/挡板间隙 Shell-baffle clearance管壁/挡板间隙 Tube-baffle clearance第第第第 17171717 页页页页管嘴 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 Enter shell side nozzle diameters 进口管嘴直径 Inet nozzle diameter 出口管嘴直径 Outlet nozzle diameter输入管程管嘴直径 Enter tube side nozzle diameters 进口管嘴直径 Inlet nozzle diameter 出口管嘴
14、直径 Outlet nozzle diameter第第第第 18181818 页页页页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。第第第第 19191919 页页页页第第第第 20202020 页页页页l演示演示3 3：采用采用2t 100C2t 100C热水，将水，将5t5t常温常常温常压下
15、苯（下苯（44%wt44%wt）、甲）、甲苯混合液加苯混合液加热。l1 1）已知）已知K=500K=500、S=5S=5，求冷，求冷热出口温度。（出口温度。（6363，6262）l2 2）已知）已知K=500K=500、热物流出口温度物流出口温度50C50C，求面，求面积。（。（1010）l注意：注意：a a、冷、冷热物料物料进口口对应l b b、有相、有相变时很很难收收敛，改，改变OptionsOptions中的中的闪蒸蒸类型型l c c、结果有果有时不不对，须仔仔细验证l练习2 2：演示：演示3 3中，已知中，已知K=300K=300、S=8S=8，求冷，求冷热出口温度出口温度第第第第 2
16、1212121 页页页页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。第第第第 22222222 页页页页第第第第 23232323 页页页页l演示演示4 4：采用采用2t 100C2t 100C热水，将水，将5t5t常温常常温常压下苯（下苯（44%wt44%wt）、甲）、甲苯混合液加苯混合液加热。l1 1）
17、已知壳径）已知壳径500500、管、管长6m6m，100100（2525* *2 2）根管子，）根管子，2 2管程，求管程，求冷冷热出口温度。（出口温度。（5555，7272）l2 2）核算）核算热物流出口温度物流出口温度50C50C，需要多少面，需要多少面积？（？（150150）l注意：注意：a a、冷、冷热物料物料进口口对应l b b、有相、有相变时很很难收收敛，改，改变OptionsOptions中的中的闪蒸蒸类型型l c c、结果有果有时不不对，须仔仔细验证l练习3 3：演示：演示4 4中，冷中，冷热污垢系数取垢系数取0.00020.0002，求冷，求冷热出口温度出口温度第第第第 24
18、242424 页页页页二、换热器核算与设计（BJAC）l例例1 1：已知填料塔的填料：已知填料塔的填料总高度高度8m8m，进料以上料以上5m5m，填料，填料为Mellapak250YMellapak250Y，分离含苯，分离含苯44 44 wtwt甲苯混和物。甲苯混和物。进料量料量5000kg/h5000kg/h，塔，塔顶采出采出98%wt98%wt苯，塔底采出苯，塔底采出98%wt98%wt甲苯。甲苯。进料由常温料由常温预热至泡至泡点点进料，料，产品甲苯需冷却至品甲苯需冷却至50C50C。l演示一：演示一：求各个求各个换热器的器的热负荷荷l分析分析：确定理：确定理论板数，板数，查手册：手册：2
19、.52.5块/m,/m,共共2.582.581 12121块，进料位置料位置2.552.551313块第第第第 25252525 页页页页l设计规定求流量、定求流量、进口温度口温度l热集成集成l演示二演示二、用循、用循环水冷却，水冷却，28382838，求循，求循环水流量。水流量。F=Q/(38-28)/1=7000kg/hF=Q/(38-28)/1=7000kg/h第第第第 26262626 页页页页l演示三演示三、精、精馏塔塔进料料2525，塔底出料不用循，塔底出料不用循环水冷，采水冷，采用它来用它来预热进料，料，问能能预热到多少到多少？学学习热量流的量流的应用用学学习热量回收的基本方法量
20、回收的基本方法预热温度温度6363，接近泡点，接近泡点例1-3.exe第第第第 27272727 页页页页无相变换热器设计（1）l演示四演示四、对上例中精上例中精馏塔塔预热器器进行行设计，求面，求面积、结构构学学习液液液液换热器的器的设计方法方法学学习BJACBJAC基本使用方法基本使用方法l解：解：已知已知热侧：2800kg/h2800kg/h，1111115050，组成甲苯成甲苯98%98%冷冷侧：5000kg/h5000kg/h，2525进，组成：苯成：苯44%44%污垢垢热阻：两阻：两侧均取均取0.00030.0003热侧走管程走管程进行行设计（sizingsizing）数据数据导出出
21、例2-1(1).exe例2-1(2).exe例2-2.exe第第第第 28282828 页页页页无相变换热器设计（2）l设计结果：果：两个两个换热器串器串联，3m23m23m23m26m26m2直径直径159mm 159mm ，16300016300019mm19mm管；管；4 4管程管程设计余量余量14%14%。l核算（核算（rating)rating)根据根据设计数据核算数据核算标准准换热器是否能用器是否能用l直径直径219mm219mm，33300033300019mm19mm； 1 1管程；面管程；面积25.7m225.7m2l直径直径325mm325mm，68200068200019
22、mm19mm； 4 4管程；面管程；面积27.7m227.7m2已有已有换热器核算器核算l直径直径400mm400mm，76600076600025mm25mm； 4 4管程；面管程；面积35m235m2l够用，余量用，余量23%23%例2-3(1).exe例2-3(2).exe第第第第 29292929 页页页页冷凝器设计（1）l演示五演示五、对上例中精上例中精馏塔冷凝器塔冷凝器进行行设计，求面，求面积、结构构气量：回流出料气量：回流出料3500+22003500+22005700kg/h5700kg/h温度温度81818080，组成近似成近似纯苯苯循循环水水28283838l解：解：污垢垢
23、热阻：两阻：两侧均取均取0.00020.0002热侧走壳程走壳程进行行设计（sizingsizing）例3-1.exe第第第第 30303030 页页页页冷凝器设计（2）第第第第 31313131 页页页页冷凝器设计（3）第第第第 32323232 页页页页冷凝器设计（4）l核算：核算：直径直径325325，5656根，根，254500mm254500mm；2 2管程；管程；19.3m219.3m2直径直径325325，5757根，根，254500mm254500mm；1 1管程；管程；19.7m219.7m2例3-2.exe第第第第 33333333 页页页页冷凝器设计（5）第第第第 343
24、43434 页页页页冷凝器设计（6）第第第第 35353535 页页页页再沸器设计（1）l演示六演示六、对上例中精上例中精馏塔再沸器塔再沸器进行行设计，求面，求面积、结构构塔底气量（模塔底气量（模拟结果）：果）：6503kg/h6503kg/h温度温度111111，组成近似成近似纯甲苯甲苯加加热蒸汽：蒸汽：4bar4bar蒸汽（低蒸汽（低压）l解：解：污垢垢热阻：两阻：两侧均取均取0.00020.0002热侧走壳程走壳程热虹吸再沸器、汽化率取虹吸再沸器、汽化率取12%12%，循，循环量量6503/.12=54.191t/h6503/.12=54.191t/h进行行设计（sizingsizing）例4-1.exe第第第第 36363636 页页页页再沸器设计（2）第第第第 37373737 页页页页再沸器设计（3）第第第第 38383838 页页页页再沸器设计（4）l核算：核算：直径直径500500，174174根，根，252000mm252000mm；1 1管程；管程；26m226m2例4-2.exe第第第第 39393939 页页页页再沸器设计（5）第第第第 40404040 页页页页再沸器设计（6）
