化工设计-8换热设备工艺设计课件

1、化工设计 任课教师：张宇化工设计 任课教师：张宇第六章 换热设备工艺设计第六章 换热设备工艺设计6.1 换热器的仿真设计按工艺功能分类1. 冷却器：冷却工艺物流的设备，一般冷却剂多采用水，若冷却温度低，可采用氨或氟利昂为冷却剂。2. 加热器：加热工艺物流的设备，一般采用水蒸气作为加热介质，当要求温度高时可采用导热油、熔盐为加热介质。3. 再沸器：用于蒸馏塔底蒸发物料的设备。热虹吸式再沸器是被蒸发的物料依靠液体压差自然循环蒸发。4. 冷凝器：用于蒸馏塔顶物流的冷凝或反应器冷凝循环回流设备。5. 蒸发器：专门用于蒸发溶液中水分或溶剂的设备。6. 换热器：两种不同温位工艺物流相互进行显热交换能量的设

2、备。6.1 换热器的仿真设计按工艺功能分类1. 冷却器：冷却按传热方式和结构分类1. 间壁式：应用最为广泛，温度不同的两种流体隔着液体流过的器壁传热，两种液体互不接触。 管壁传热：结构简单、制造方便，选用的材料很广泛，处理能力大，清洗方便，适用性强，可以在高温高压下使用。 板壁传热：传热面积大、效率高，金属耗用量节约但不能在较高压力下操作。2. 直接接触式：两种冷热流体进入换热器后，直接接触传递热量，传热效率高，但使用受到限制。3. 蓄热式：一个充满蓄热体的空间温度不同的两种流体交替地通过蓄热室，实现间接传热。按传热方式和结构分类1. 间壁式：应用最为广泛，温度不同的两1、基本要求：首要满足工

3、艺及操作条件要求。在工艺条件下长期运转，安全可靠，不泄露，维修清洗方便。满足工艺要求的传热面积，尽量有较高的传热效率。2、介质流程：常用介质流程安排：腐蚀性介质宜走管程，可降低对外壳材质的要求；毒性介质走管程，泄露的概率小；易结垢的介质走管程，便于清洗和清扫；压力较高的介质走管程，减少对壳体机械强度要求；温度高的介质走管程，可改变材质，满足介质要求；黏度较大、流量小的介质选在壳程，提高传热系数。设计一般原则1、基本要求：首要满足工艺及操作条件要求。在工艺条件下长期运3、终端温差：由工艺过程需要而定，理想温差如下：热端的温差，应在20以上；用水或其他冷却介质冷却时，冷端温差可以小些，但不要低于5

4、；当用冷却剂冷凝工艺流体时，冷却剂的进口温度应当高于工艺流体中最高凝点组分的凝点5以上；空冷器的最小温差应大于20；冷凝含有惰性气体的流体时，冷却剂出口温度至少比冷凝组分的露点低5。设计一般原则3、终端温差：由工艺过程需要而定，理想温差如下：设计一般原则4、流速：流速提高，流体湍流程度增加，可提高传热系数，有利于冲刷污垢，但流速过大，磨损严重，甚至造成设备震动，影响操作和使用寿命，能量消耗也将增加。设计一般原则4、流速：流速提高，流体湍流程度增加，可提高传热系数，有利于5、压力降：一般考虑随操作压力不同而有一个大致的范围。压力降的影响因素较多，但通常希望换热器的压力降在下述参考范围内或附近。设

5、计一般原则5、压力降：一般考虑随操作压力不同而有一个大致的范围。压力降6、传热膜系数：传热面两侧传热膜系数如相差较大时，数值较小一侧将成为控制传热效果的主要因素，应尽量增大其数值，最好使两侧的传热膜系数大体相同。增加传热膜系数的方法：缩小通道截面积，以增大流速；增设挡板或促进产生湍流的插入物；管壁上加翅片，提高湍流程度；糙化传热表面，用沟槽或多孔表面，对于冷凝或沸腾等有相变化的传热过程来说，可获得大的膜系数。设计一般原则6、传热膜系数：传热面两侧传热膜系数如相差较大时，数值较小一化工设计-8换热设备工艺设计课件化工设计-8换热设备工艺设计课件化工设计-8换热设备工艺设计课件化工设计-8换热设备

6、工艺设计课件化工设计-8换热设备工艺设计课件化工设计-8换热设备工艺设计课件化工设计-8换热设备工艺设计课件传热单元模型的分类加热器 Heater换热器 HeatX多物流换热器 MHeatX热通量换热器 HXFlux 传热单元归属换热器类(Heat Exchangers)，共7种模型，Aspen Plus内部用的有4种，其余3种是与其它软件的接口模块：传热单元模型的分类加热器 Heater 传热化工设计-8换热设备工艺设计课件Heater 加热器模型Heater 模型用于模拟以下单元，改变物流的温度、压力和相态：加热器冷却器阀门 (仅改变压力，不涉及阻力)泵 (仅改变压力，不涉及功率)压缩机

7、(仅改变压力，不涉及功率)Heater 加热器模型Heater 模型用于模拟以下单化工设计-8换热设备工艺设计课件Heater 连接Heater 模型的连接图如下：Heater 连接Heater 模型的连接图如下：1、闪蒸规定 (Flash specifications) (1) 温度 Temperature (2) 压力 Pressure (3) 温度改变 Temperature change (4) 蒸汽分率 Vapor fraction (5) 过热度 Degrees of superheating (6) 过冷度 Degrees of subcooling (7) 热负荷 Heat d

8、utyHeater 模型参数Heater模型有两组模型设定参数：从中任选两项1、闪蒸规定 (Flash specifications)H化工设计-8换热设备工艺设计课件2、有效相态 (Valid Phase)(1) 蒸汽(2) 液体(3) 固体(4) 汽-液(5) 汽-液-液(6) 液-游离水(7) 汽-液-游离水Heater模型有两组模型设定参数：2、有效相态 (Valid Phase)Heater模型有两化工设计-8换热设备工艺设计课件Heater 物性计算 利用Heater模块可以计算混合物在给定热力学状态下的各种物性数据，如泡点、露点、饱和蒸汽压、密度、粘度、热容、导热系数等等：只需将

9、给定组成的物流导入Heater模块，根据给定的热力学状态设定Heater的模型参数，并在总Setup的Report Options中设定相应的输出参数选项即可。Heater 物性计算 利用Heater模块 温度20、压力0.41MPa、流量4000kg/hr的软水在锅炉中加热成为0.39MPa的饱和水蒸气，求所需的锅炉供热量。 Heater 应用示例 (1) 温度20、压力0.41MPa、流量4000k 流量为1000kg/hr、压力为0.11MPa、 含乙醇70%w、水30%w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比(摩尔)=1/3。求冷凝器热负荷。 Heater 应用示例 (2

10、) 流量为1000kg/hr、压力为0.11MPa、HeatX 换热器模型逆流/并流 (Countercurrent/Cocurrent)折流板壳程 (Segmental Baffle Shell)棍式挡板壳程 (Rod Baffle Shell)裸管/低翅片管 (Bare/Low-finned Tubes)计算两股物流之间的热量交换。用于模拟下述结构的管-壳式换热器：HeatX 换热器模型逆流/并流 (Countercur化工设计-8换热设备工艺设计课件HeatX 连接HeatX 模型的连接图如下：HeatX 连接HeatX 模型的连接图如下：计算类型 Calculation流动方式 Flo

11、w arrangement换热器设定 Exchanger specificationHeatX 模型设定HeatX 需在规定(Specification) 表单中设定三组参数：计算类型 CalculationHeatX 模型设化工设计-8换热设备工艺设计课件计算栏目中有三个选项： 1、简捷计算 Short-cut 2、详细计算 Detailed 3、Hetran 精确计算 Hetran Rigorous输出换热器设计专用软件的输入文件供其精确计算。Type选择框中也有三个选项： 1、设计 Design 2、核算 Rating 3、模拟 Simulation两组选项按下述方式配合使用HeatX

12、计算类型计算栏目中有三个选项：HeatX 计算类型化工设计-8换热设备工艺设计课件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。使用设计选项时，需设定热(冷)物流的出口状态或换热负荷，计算达到指定换热要求所需的换热面积。使用模拟选项时，需设定换热面积，计算两股物流的出口状态。HeatX 简捷计算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几何结流动方式设定包括：1、热流体(Hot fluid)流动空间： 壳程(Shell)/管程(Tube)2、流动方向(Flow direction)： 逆流 (Countercurre

13、nt) 并流 (Co-current) 多管程流动 (Multiple passes)HeatX 流动方式流动方式设定包括：HeatX 流动方式化工设计-8换热设备工艺设计课件1、逆流 Countercurrent2、并流 Cocurrent1、逆流 Countercurrent2、并流 1. 热物流出口温度 (Hot stream outlet temperature)2. 热物流出口温降 (Hot stream outlet temperature decrease)热物流出口温差 (Hot stream outlet temperature approach)4. 热物流出口过冷度 (H

14、ot stream outlet degrees subcooling)5. 热物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fraction)HeatX 换热器设定共有13个选项1. 热物流出口温度 HeatX 换热器设定共冷物流出口温度 (Cold stream outlet temperature)冷物流出口温升 (Cold stream outlet temperature increase)冷物流出口温差 (Cold stream outlet temperature approach)冷物流出口过热度 (Cold stream outlet degrees s

15、uperheat)冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction)HeatX 换热器设定共有13个选项冷物流出口温度 传热面积 (Heat transfer area) 热负荷 (Exchanger duty) 几何条件 (Geometry) 在详细计算时采用。HeatX 换热器设定共有13个选项HeatX 换热器设定共分别指定热侧和冷侧的出口压力 (Outlet pressure) 指定值 0，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力降低值HeatX 压降 分别指定热侧和冷侧的出口压力HeatX 压降 化工设计-8换热设备工艺设计课

16、件总传热系数方法 (U methods)常数 (Constant)相态法 (Phase specific values) 分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数幂函数 (Power law expression)换热器几何结构 (Exchanger geometry)膜系数 (Film coefficients)用户子程序 (User subroutine)HeatX 总传热系数总传热系数方法 (U methods)HeatX 总化工设计-8换热设备工艺设计课件HeatX 结果查看 HeatX最重要的是热参数结果(Thermal results)，其下包括五张表单： 概况 Summary 衡

17、算 Balance 换热器详情 Exchanger details 压降/速度 Pre drop/velocities 分区 ZonesHeatX 结果查看 HeatX最重要的是热参数结果(T概况(Summary)表单给出了冷、热物流的进、出口温度、压力、蒸汽分率(Vapor fraction)，以及换热器的热负荷(Heat duty)。概况(Summary)表单给出了冷、热物流的进、出口温度、压化工设计-8换热设备工艺设计课件对于捷算法，换热器详情(Exchanger details)表单给出了需要的换热器面积(Required exchanger area)、结垢(Dirty)条件下的平均传热系数(Avg. heat transfer coefficient)、校正后的对数平均温差(LMTD corrected)和对数平均温差校正因子(LMTD correction factor)等信息。对于捷算法，换热器详情(Exchanger details)化工设计-8换热设备工艺设计课件分区(Zones)表单给出了换热器内根据冷热流体相态对传热