化工流程模拟实训AspenPlus教程第6章换热器单元模拟

1、第第6章章 换热器单元模拟换热器单元模拟 全本军全本军 孙兰义孙兰义换热器单元模拟换热器单元模拟6.1 概述概述6.2 换热器换热器Heater6.3 换热器换热器HeatX6.1 概述概述1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的建设中，换热器约占总投资的11 40 。 换热器定义：换热器是用来改变物流热力学状态的传热换热器定义：换热器是用来改变物流热力学状态的传热设备。设备。 Aspen Plus 换热器单元模块说明：换热

2、器单元模块说明：模块说明功能适用对象Heater加热器或冷却器改变一股物流的热力学状态加热器、冷却器、仅涉及压力的泵、阀门或压缩机HeatX两股物流换热器模拟两股物流换热过程管壳式换热器、空冷气、板式换热器MHeatX多股物流换热器模拟多股物流换热过程LNG换热器等6.2 换热器换热器Heater Heater 模型用于模拟单股或多股物流，使其变成某模型用于模拟单股或多股物流，使其变成某一特定状态下的单股物流一特定状态下的单股物流 ；也可通过设定条件来求已知组；也可通过设定条件来求已知组成物流的热力学状态。成物流的热力学状态。1. 求已知物流的泡点或者露点求已知物流的泡点或者露点2. 求已知物

3、流的过热或者过冷的匹配温度求已知物流的过热或者过冷的匹配温度3. 计算物流达到某一状态所需热负荷计算物流达到某一状态所需热负荷4. 模拟加热器（冷却器）或换热器的一侧模拟加热器（冷却器）或换热器的一侧5. 模拟泵、压缩机、压缩机（仅改变压力，不涉及功率）模拟泵、压缩机、压缩机（仅改变压力，不涉及功率）Heater可以进行以下类型的单相或多相计算：可以进行以下类型的单相或多相计算：6.2 换热器换热器Heater物料流热流入口至少一股物料流入口任意股热流可选的出口一股物料流出口一股热流可选的一股水倾析物流可选的n典型的典型的HeaterHeater流程连接图流程连接图nHeaterHeater模

4、型设定参数模型设定参数闪蒸规定(Flash specifications)有效相态(ValidPhase)温度 Temperature蒸汽 Vapor-Only压力 Pressure液体 Liquid-Only温度 Temperature change固体 Solid-Only蒸汽分率 Vapor fraction汽-液 Vapor-Liquid过热 Degrees of superheating汽-液-液 Vapor-Liquid-Liquid过冷 Degrees of subcooling液-游离水 Liquid-Freewater热负荷 Heatduty汽-液-游离 Vapor-Liqu

5、id-FreewaterHeaterHeater模型有两组模型设定参数：闪蒸规定与有效相态模型有两组模型设定参数：闪蒸规定与有效相态6.2 换热器换热器Heater注意：注意：指定压力指定压力(Pressure)(Pressure)，当指定值，当指定值00时，代表出口的绝对压力值；时，代表出口的绝对压力值；当指定值当指定值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。nHeaterHeater的常用的几种闪蒸规定组合的常用的几种闪蒸规定组合6.2 换热器换热器Heater压力（或压降）与右列之一压力（或压降）与右列之一出口温度出口温度热负荷或者入口热流率热负荷或者入

6、口热流率汽化分率汽化分率温度改变温度改变过冷度或过热度过冷度或过热度出口温度或温度改变与右列之一出口温度或温度改变与右列之一压力压力热负荷热负荷汽化分率汽化分率nHeaterHeater应用实例应用实例6.2 换热器换热器Heater例例6.1 25、压力、压力0.4MPa、流率、流率5000kg/hr的软水在锅炉中被加的软水在锅炉中被加热变成热变成0.45MPa的饱和蒸汽，物性方法选用针对水（蒸汽）体系的的饱和蒸汽，物性方法选用针对水（蒸汽）体系的IAPWS-95。求所需的锅炉供热量。求所需的锅炉供热量。例例6.2 流率为流率为500kg/hr、压力为、压力为0.1MPa、含乙醇、含乙醇60

7、%（w）、水）、水40%（w）的饱和蒸汽在冷凝器中部分冷凝。冷凝器的压降为）的饱和蒸汽在冷凝器中部分冷凝。冷凝器的压降为0，冷，冷凝物流的汽凝物流的汽/液比（液比（mol）为）为1/1，物性方法选用，物性方法选用UNIQUAC。求冷凝。求冷凝器热负荷。器热负荷。 换热器换热器HeatXHeatX用于模拟两股物流逆流或并流换热时的热量用于模拟两股物流逆流或并流换热时的热量交换过程，可以对大多数类型的双物流换热器进行简捷计算交换过程，可以对大多数类型的双物流换热器进行简捷计算或详细计算。或详细计算。6.2 换热器换热器HeatX1.1.逆流逆流/ /并流（并流（Countercurrent / C

8、ocurrent) )2.2.壳程采用折流板（壳程采用折流板（Segmental Baffle in Shell) )3.3.壳程采用棍式挡板（壳程采用棍式挡板（Rod Baffle in Shell) )4.4.裸管裸管/ /低翅片管（低翅片管（Bare/Low-finned Tubes) ) 模拟下述常见结构的管模拟下述常见结构的管- -壳式换热器：壳式换热器：n典型的典型的HeatX流程连接流程连接6.2 换热器换热器HeatXnHeatx的模型设定参数的模型设定参数 HeatX 的设定要从的设定要从HeatX的的Specification页面进行操作，有页面进行操作，有四组设定参数：四

9、组设定参数：1、计算类型（、计算类型（Calculation）2、流动方式（、流动方式（Flow arrangement）3、运算模式（、运算模式（Type）4、换热器设定（、换热器设定（Exchanger specification）6.2 换热器换热器HeatX6.2 换热器换热器HeatX1、Calculation栏中有五个选项：栏中有五个选项：（1）简捷计算）简捷计算 （Short-cut）（2）详细计算）详细计算 （Detailed）（3）管壳式换热器计算（）管壳式换热器计算（Shell&Tube）（4）空冷器计算）空冷器计算 （AirCooled）（5）板式换热器计算（）板

10、式换热器计算（Plate heat exchangers）nHeatx的模型设定参数的模型设定参数2、流动方式设定包括以下选项：、流动方式设定包括以下选项：（1）热流体）热流体(Hot fluid)流动方式：流动方式： 热流体走壳程热流体走壳程 (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 (Cocurrent）/多管程流动多管程流动(Multiple passes) nHeatx的模型设定参数的模型设定参数6.2 换热器换热器HeatX在换热器中，在换热器中，流体走管程流体走管程/壳程

11、壳程，下列几点可作为选择的，下列几点可作为选择的一般原则：一般原则：a) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，方便清洗。不洁净或易结垢的液体宜在管程，方便清洗。b) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。c) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。d) 饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽较清洁，表面传热系数与流速无关，饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液易排出。而且冷凝液易排出。e) 流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜。流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜。f) 需要被冷却物料一

12、般选壳程，便于散热。需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。nHeatx的模型设定参数的模型设定参数6.2 换热器换热器HeatX3、Type选择框中有三个选项：选择框中有三个选项：（1）设计）设计 （Design）（2）核算）核算 （Rating）（3）模拟）模拟 （Simulation）Calculation与与Type两组选项按下述方式两组选项按下述方式配合使用配合使用：详细计算只：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热面积、传热系数、对数平均温度校正因子和压流动情况计算实际的热面

13、积、传热系数、对数平均温度校正因子和压降。降。 使用使用核算核算选项时，模块根据设定的换热要求计算需要的换热面积。选项时，模块根据设定的换热要求计算需要的换热面积。使用使用模拟模拟选项时，模块根据实际的换热面积计算两股物流的出口选项时，模块根据实际的换热面积计算两股物流的出口状态。状态。nHeatx的模型设定参数的模型设定参数6.2 换热器换热器HeatX4、换热器闪蒸规定包括、换热器闪蒸规定包括13个选项：个选项：（1） 热物流出口温度热物流出口温度 (Hot stream outlet temperature)（2） 热物流出口（相对于热物流入口）温降热物流出口（相对于热物流入口）温降 (

14、Hot stream outlet temperature decrease)（3） 热物流出口温差热物流出口温差 (Hot stream outlet temperature approach)（4） 热物流出口过冷度热物流出口过冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling)（5） 热物流出口蒸汽分率热物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fraction)（6） 冷物流出口温度冷物流出口温度 (Cold stream outlet temperature)nHeatx的模型设定参数的模型设定参数6.2 换热器换热器HeatX

15、nHeatx的模型设定参数的模型设定参数注意：注意：对于并流或者逆流换热来讲，热物流出口温差的表对于并流或者逆流换热来讲，热物流出口温差的表示方法是不同的。示方法是不同的。6.2 换热器换热器HeatX（7） 冷物流出口（相对于冷物流入口）温升冷物流出口（相对于冷物流入口）温升 (Cold stream outlet temperature increase)（8） 冷物流出口温差冷物流出口温差 (Cold stream outlet temperature approach)（9） 冷物流出口过热度冷物流出口过热度 (Cold stream outlet degrees superheat)

16、（10）冷物流出口蒸汽分率）冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction)（11）传热面积）传热面积 (Heat transfer area)（12）热负荷）热负荷 (Exchanger duty)（13）几何条件）几何条件 (Geometry)（详细计算时采用）（详细计算时采用）nHeatx的模型设定参数的模型设定参数6.2 换热器换热器HeatXnHeatx的模型设定参数的模型设定参数注意：注意：对于并流或者逆流换热来讲，冷物流出口温差的表对于并流或者逆流换热来讲，冷物流出口温差的表示方法是不同的。示方法是不同的。6.2 换热器换热器HeatXH

17、eatX模块可以对大多类型的双物流换热器进行简捷的或模块可以对大多类型的双物流换热器进行简捷的或严格的计算这两种计算方法的主要区别是总的传热系数的计严格的计算这两种计算方法的主要区别是总的传热系数的计算程序：算程序： 简捷法简捷法总是采用用户规定的或缺省的总的传热系数值。总是采用用户规定的或缺省的总的传热系数值。 严格方法严格方法采用膜系数的严格热传递方程，并能合并由于壳采用膜系数的严格热传递方程，并能合并由于壳侧和管侧膜所带来的管壁阻力来计算总的传热系数，用这种侧和管侧膜所带来的管壁阻力来计算总的传热系数，用这种方法时，用户需要知道几何尺寸。方法时，用户需要知道几何尺寸。 nHeatx简捷计

18、算与严格计算简捷计算与严格计算6.2 换热器换热器HeatXnHeatx严格计算变量以及使用准则严格计算变量以及使用准则严格法核算模型对严格法核算模型对HeatX提供了较多的规定选项，因此也提供了较多的规定选项，因此也需要较多的输入。严格法核算模型提供了很多缺省的选项，需要较多的输入。严格法核算模型提供了很多缺省的选项，用户可以改变缺省的项来控制整个计算。用户可以改变缺省的项来控制整个计算。这些选项包括以下计算变量：这些选项包括以下计算变量：LMTD对数平均温差校正因子、对数平均温差校正因子、 U-methods传热系数、传热系数、 Film confficients膜系数、膜系数、 Pres

19、sure Drop压降等。压降等。6.2 换热器换热器HeatX6.2 换热器换热器HeatXnHeatx 严格计算变量以及使用准则严格计算变量以及使用准则变量变量计算方法计算方法简捷法使用准则简捷法使用准则严格法使用准则严格法使用准则LMTD对数平均温对数平均温差校正因子差校正因子常数常数Constant（由用户指定校正（由用户指定校正系数，也可查手册）系数，也可查手册）DefaultYes几何尺寸几何尺寸GeometryNoDefault用户子程序用户子程序User-subroutineNoYes计算法计算法Calculated多管程时可用多管程时可用多管程时可用多管程时可用nHeatx

20、严格计算变量以及使用准则严格计算变量以及使用准则6.2 换热器换热器HeatX变量变量计算方法计算方法简捷法使用准则简捷法使用准则严格法使用准则严格法使用准则U-methods传热系数传热系数常数常数Constant U valueYesYes相态法相态法Phase specific valuesDefaultYes幂函数幂函数Power lawex pressionYesYes换热器几何尺寸换热器几何尺寸Exchanger GeometryNoDefault膜系数膜系数Film confficientsNoYes用户子程序用户子程序User-subroutineNoYesnHeatx 严格计

21、算变量以及使用准则严格计算变量以及使用准则6.2 换热器换热器HeatX变量变量计算方法计算方法简捷法使用准则简捷法使用准则严格法使用准则严格法使用准则Film confficients膜系数膜系数常数常数Constant U valueNoYes相态法相态法Phase specific valuesNoYes幂函数幂函数Power law expressionNoYes由几何尺寸计算由几何尺寸计算Calculate from geometryNoDefaultnHeatx 严格计算变量以及使用准则严格计算变量以及使用准则6.2 换热器换热器HeatX变量变量计算方法计算方法简捷法使用准则简捷

22、法使用准则严格法使用准则严格法使用准则Pressure Pressure DropDrop压降压降由出口压力计算由出口压力计算Outlet pressureOutlet pressureDefaultDefaultYesYes由几何尺寸计算由几何尺寸计算Calculate from geometryCalculate from geometryNoNoDefaultDefaultnHeatx 严格计算变量以及使用准则严格计算变量以及使用准则注意：注意： U-methods传热系数、传热系数、Film confficients膜系数的计算方法中的膜系数的计算方法中的相态法需要分别指定冷热两侧不同

23、相态组合下的传热系数。相态法需要分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数。 对于压降，当指定热侧和冷侧的出口压力对于压降，当指定热侧和冷侧的出口压力(Outlet pressure)时，若指时，若指定值定值0，代表出口的绝对压力值；指定值，代表出口的绝对压力值；指定值0，代表出口相对于进口的压，代表出口相对于进口的压力降低值。力降低值。6.2 换热器换热器HeatXnHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数详细计算时需输入换热器的几何结构参数。包括（详细计算时需输入换热器的几何结构参数。包括（以管以管壳式换热器为例壳式换热器为例）壳程）壳程(Shell)、管程、管程(Tubes)、

24、管翅、管翅(Tubefins)、挡板、挡板(Baffles)和管嘴和管嘴(Nozzles)等。等。6.2 换热器换热器HeatX壳程壳程(Shell)表单中允许用户对以下参数进行设置：表单中允许用户对以下参数进行设置：壳程类型（壳程类型（TEMA shell type）管程数（管程数（No. of tube passes）换热器方位（换热器方位（Exchanger orientation）密封条数（密封条数（Number of sealing strippairs）管程流向（管程流向（Direction of tubeside flow）壳内径（壳内径（Inside shell diamete

25、r）壳壳/管束间隙（管束间隙（Shell to bundle clearance）串联壳程数（串联壳程数（Number of shells in Series）并联壳程数（并联壳程数（Number of shells in Parallel）nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换热器换热器HeatX壳程壳程(Shell)表单输入界面：表单输入界面：6.2 换热器换热器HeatXnHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数 管程管程(Tubes)表单中允许用户对以下参数进行设置：表单中允许用户对以下参数进行设置：（1）管类型（）管类型（Select tube

26、type） 裸管（裸管（Bare tube） 翅片管（翅片管（Finned tube）（2）管程布置（）管程布置（Tube layout） 总管数（总管数（Total number） 管长（管长（Length） 排列方式（排列方式（Pattern） 管心距（管心距（Pitch） 材料（材料（Material） 导热系数（导热系数（Conductivity）nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换热器换热器HeatX 管程管程(Tubes)表单中允许用户对以下参数进行设置：表单中允许用户对以下参数进行设置：（3）管子尺寸（）管子尺寸（Tubesize）（实际尺寸或者公称尺

27、寸设定）（实际尺寸或者公称尺寸设定）实际尺寸（实际尺寸（Actual） 内径（内径（Inner diameter） 外径（外径（Outer diameter） 厚度（厚度（Tube thickness）公称尺寸（公称尺寸（Nominal） 直径（直径（Diameter） BWG规格（规格（Birmingham wire gauge）nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换热器换热器HeatXnHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换热器换热器HeatX 管程管程(Tubes)表单输入界面表单输入界面：nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结

28、构参数对于对于翅片管翅片管，还需从管翅，还需从管翅(Tube fins)中输入以下参数：中输入以下参数：6.2 换热器换热器HeatX翅片高度（翅片高度（Fin height） 翅片高度（翅片高度（Fin height） 翅片根部平均直径（翅片根部平均直径（Finroot mean diameter）翅片间距（翅片间距（Finspacing） 翅片数单位长度（翅片数单位长度（Number of fins unit length） 翅片厚度（翅片厚度（Fin thickness）可选项可选项Optional 翅化面积与管内面积之比（翅化面积与管内面积之比（Ratio of finned area

29、 to inside tube area） 翅片效率（翅片效率（Fin efficiency）nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数 对于对于翅片管翅片管，还需从管翅，还需从管翅(Tube fins)输入界面：输入界面：6.2 换热器换热器HeatX挡板挡板(Baffles)中有两种挡板结构可供选用：圆缺挡板中有两种挡板结构可供选用：圆缺挡板Segmental baffle、 棍式挡板棍式挡板RodbafflenHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换热器换热器HeatX所有壳程中的挡板总数（所有壳程中的挡板总数（No. ofbaffles，all pas

30、ses）挡板圆缺率挡板圆缺率Bafflecut (fraction of shell diameter)管板到第一挡板间距（管板到第一挡板间距（Tube sheet to 1st baffle spacing）挡板间距（挡板间距（Baffle to baffle spacing）最后挡板与管板间距（最后挡板与管板间距（Last baffle to tubesheet spacing）壳壁壳壁/挡板间隙（挡板间隙（Shell-baffle clearance）管壁管壁/挡板间隙（挡板间隙（Tube-baffle clearance）nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换

31、热器换热器HeatX圆缺挡板（圆缺挡板（Segmental baffle）需输入以下参数：）需输入以下参数：nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换热器换热器HeatX圆缺挡板（圆缺挡板（Segmental baffle）参数输入界面：）参数输入界面：注意：注意： 安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。效果，挡板的形状和间距必须适当。对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。弓形缺口太大或

32、太小都会产生要影响。弓形缺口太大或太小都会产生死区死区，既不利于传热，又往，既不利于传热，又往往增加流体阻力。往增加流体阻力。 挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.21.0倍。倍。nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换热器换热器HeatX棍式挡板（棍式挡板（Rodbaffl

33、e）需输入以下参数：）需输入以下参数：nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换热器换热器HeatX所有壳程中的挡板总数（所有壳程中的挡板总数（No. of baffles，all passes）圆环内径（圆环内径（Inside diameter of ring）圆环外径（圆环外径（Outside diameter of ring）支撑棍直径（支撑棍直径（Support rod diameter）每块挡板的支撑棍总长（每块挡板的支撑棍总长（Total length of support rods per baffle）棍式挡板（棍式挡板（Rodbaffle）参数输入界面：

34、）参数输入界面：nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换热器换热器HeatX管嘴（管嘴（Nozzle）表单中允许用户对以下参数设定：）表单中允许用户对以下参数设定：nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换热器换热器HeatX壳程管嘴直径（壳程管嘴直径（Enter shellside nozzle diameters）进口管嘴直径（进口管嘴直径（Inet nozzle diameter）出口管嘴直径（出口管嘴直径（Outlet nozzle diameter）管程管嘴直径（管程管嘴直径（Enter tubeside nozzle diameters）进口管嘴直径（进口管嘴直径（Inlet nozzle diameter）出口管嘴直径（出口管嘴直径（Outlet nozzle diameter）管嘴（管嘴（Nozzle）表单参数输入界面：）表单参数输入界面：nHeatx 换热器的几何结构参数换热器的几何结构参数6.2 换热器换热器HeatX运算完毕后，可以在运算完毕后，可以在Blocks | 换热器换热器 | Thermol Result | Summary查看换热器结果（简捷计算与详细计算都可以在查看换热器结果（简捷计算与详