第5章 Hysys模拟换热过程

第5章Hysys模拟换热与压力变化单元加热器/冷却器单元的自由度（1）物料平衡方程： 总物料方程F1=F2

组分物料方程F1·xi=F2·yi(i=1,2)（2）能量平衡方程：F1·h1+Q=F2·h2（3）压力平衡方程：P1=P2+ΔP（4）焓计算方程： 入口：h1=h(T1,P1,x1,x2)

出口：h2=h(T2,P2,x1,x2)（5）约束方程：

x1+x2=1 y1+y2=1自由度：1给定变量：ΔP常规设计规定：出口温度/热负荷换热器单元的自由度方程：2c+8个

物料平衡方程：2c个（热流、冷流进出口组成相同）

热量传递方程：2个

焓值计算方程：4个

压降方程：2个

（流动压降，状态变量，给经验值）变量：

物料: 4x（c+2）

个

焓： 4个

热负荷： 1个自由度：2（c+2）+1给定变量：2个压降常规设计规定：1个出口温度/换热负荷换热设备的类型及应用

换热设备的应用

◆

定义使传热过程得以实现的设备称之为换热设备。换热设备的类型

◆

按用途分类

冷却器冷凝器加热器换热器再沸器蒸气发生器废热(或余热)锅炉加热炉

◆

按换热方式分类直接接触式换热器蓄热式换热器间壁式换热器

换热设备性能对比及选择◆换热器的基本要求

●

热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单位传热面上能传递的热量多。

●

换热器的结构能适应所规定的工艺操作条件，运转安全可靠，密封性好，清洗、检修方便，流体阻力小。

●

价格便宜，维护容易，使用时间长。换热器选型应考虑的因素

●

流体的性质。

●

换热介质的流量、操作温度、压力。

第1节管壳式换热器一、管壳式换热器的类型◆

固定管板式换热器

固定管板式换热器1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳体；5—换热管；6—波形膨胀节；7—折流板（或支持板）；8—防冲板；9—壳程接管；10—管板；11—管程接管；12—隔板；13—封头；14—管箱；15—排液口；16—定距管；17—拉杆；18—支座；19—垫片；20、21—螺栓、螺母◆

浮头式换热器浮头式换热器1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳

浮头式重沸器1—偏心锥壳；2—堰板；3—液面计接口◆

U形管式换热器

U形管式换热器

1—中间挡板；2—U形换热管；3—排气口；4—防冲板；5—分程隔板◆

填料函式换热器

填料函式换热器

1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法兰；4—部分剪切环；5—填料压盖；6—填料；7—填料函二、管壳式换热器的结构

◆管壳式换热器流体的流程

一种流体走管内、称为管程，另一种流体走管外、称为壳程。管内流体从换热管一端流向另一端一次，称为一程；对U形管换热器，管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另一端一次，称为两程.

◆管箱

管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。

管箱结构形式1—隔板；2—管板；3—箱盖三、管壳式换热器的型号

国标换热器TEMA标准换热器与GB标准换热器

例如：

AES500-1.6-54-6/25-4I平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54m2,碳素钢较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m,4管程，单壳程的浮头式换热器四、管程与壳程的确定(1)不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗；(2)需通过增大流速提高h的流体应选管程，因管程流通截面积小于壳程，且易采用多程来提高流速；(3)腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；(4)压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压；(5)饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其h与流速无关；(6)被冷却的流体一般走壳程，便于散热；(7)粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和流向都在不断变化，在Re>100即可达到湍流。四、管程与壳程的确定第二节Hysys传热单元模型换热器（HeatExchanger）常规的一股热流与一股冷流的热量交换LNGHeatExchanger多股冷流与热流的集中热量交换冷却器/加热器（Cooler/Heater）以加热或者冷却工艺物流为目的的热量交换，仅计算所需热负荷空气冷却器（AirCooler）以空气为冷却介质的热量交换，可计算所需空气量火焰加热炉（加热炉）（FiredHeater(Furnace)）可用于计算物料加热或焚烧所需空气量、尾气质量等2.1、heatexchanger总传热量：Q=UAΔTLMFt换热器（HeatExchanger）可以完成两侧的能量和物料平衡计算。可以解算温度、压力、热流量（包括热损失和热泄露）、物料流股流量以及UA值。UA--总传热系数（OverallHeatTransferCoefficient）与总有效传热面积的乘积计算类型计算类型计算变量核算热负荷管程或壳程出口温度给定热负荷管程或壳程出口温度根据热阻求所需要的换热面积给定管程出口温度热负荷壳程出口温度根据换热面积求热阻根据热阻求所需要的换热面积给定壳程出口温度热负荷管程出口温度根据换热面积求热阻根据热阻求所需要的换热面积1.换热器（HeatExchanger）模拟原理换热器（HeatExchanger）根据冷热流体间的能量平衡原理进行计算。热流体向冷流体提供换热器（HeatExchanger）负荷： 其中：M=流体质量流率

H=焓

leakQ=热量泄露

lossQ=热量损失

BalanceError=换热器规格参数，大多数软件将其视为0

hot和cold=热和冷流体

in和out=入口和出口物流标准换热器负荷方程传热推动力对数平均温差当下列假设满足时，可用最简单的表达式确定：

1)两种流体均为定态流动；

2)两种流体以逆流或并流方式流动；

3)在整个换热器内传热总系数保持为常数；

4)每种流体都只有显焓的变化，具有恒定的比热容；

5)热损失可忽略不计。逆流换热器传热计算方程KT2t2T1t1最小传热温差FT为LMTD的修正因子，换热器的管程与壳程布局有关。可通过相应的公式计算Hysys换热器模型（HeatExchangerModel）换热器设计（终点）(Endpoint)换热器设计（加权）(Weighted)

（理想逆流设计模型）稳态核算（SteadyStateRating）动态核算（DynamicRating）适用于基础（Basic）模型和详细（Detailed）模型也可以应用在稳态模式下的换热器核算Design—连接选项卡Design—参数选项卡Design—参数选项卡换热器模型（HeatExchangerModel换热器设计（终点）(Endpoint)

无相变或轻微相变换热器设计（加权）(Weighted)

有相变稳态核算（SteadyStateRating）,Endpoint

进行换热器核算型计算动态核算（DynamicRating）终点模型（EndPointModel）模型的主要假设如下： 总传热系数U为常数 壳程和管程物流的热容都为常数由标准换热器负荷方程计算。 总传热系数可用传热面积对数平均温差（LMTD）冷热流传热方程：终点模型（EndPointModel）终点模型（EndPointModel）将换热器（HeatExchanger）两侧的热曲线都作为线性曲线来处理。适用于没有相变并且Cp相对变化很小可视为常数的简单问题终点模型（EndPointModel）加权模型（WeightedModel）非常适合处理非线性热量曲线问题

单侧或双侧纯组分相变问题热曲线（HeatCurve）被分成几个区间，在每个区间中执行能量平衡计算热曲线的每个区间的LMTD和UA都被计算出来，然后加和计算换热器总UA只能在逆流换热器中可用影响Ft修正因子的几何尺寸不被考虑本质上是一个能量和物料平衡模型IndividualHeatCurve加权模型（WeightedModel）管程和壳程压降（TubesideandShellsideDeltaP）

(指定或者由进出口物流压差获得）UA

（指定或计算）独立热曲线详细数据（IndividualHeatCurveDetails）加权模型（WeightedModel）加权模型（WeightedModel）参数描述管程和壳程压降（TubesideandShellsideDeltaP）自定义换热器管程和壳程压降（DP）/由进出口物流差给出UA被指定/计算得到独立热曲线详细数据（IndividualHeatCurveDetails）指定计算热曲线的方式IndividualHeatCurve参数描述区间数（Intervals）区间的数量露点/泡点(Dew/BubblePoint)为相变添加一个露点或泡点到热曲线上（温度为Y轴，HeatFlow为X轴)(有相变体系必须选定）步长类型（StepType）等焓（EqualEnthalpy）等温（EqualTemperature）自动间隔（AutoInterval.）独立热曲线（IndividualHeatCurveDetails）进行外部循环迭代来更新压力曲线方法：

dPdH常数

dPdUA常数

dPdA常数入口压力出口压力稳态核算（SteadyStateRating）模型终点（EndPoint）模型的扩展它增加了核算计算功能需提供详细的几何尺寸信息常用来处理热曲线呈线性或接近线性的问题Design—参数选项卡热泄漏（HeatLeak由于泄漏导致冷侧负荷的缺失。负荷增加反映为温度的上升。热损失（HeatLoss）由于泄漏导致热侧负荷的缺失。负荷减少反映为温度的下降。Design—规格选项卡用来管理多种规格参数和解算信息Design—规格选项卡解算器组（SolverGroup）Design—规格选项卡未知变量组（UnknownVariablesGroup）列出所有未知的换热器（HeatExchanger）变量单元操作开始解算后，这些变量的值就会显示规格参数组（SpecificationsGroup）最小临近值（MinimumApproach）--最小内部温度临近值。冷、热物流之间的最小温差Design—核算选项卡页面尺寸（Sizing）参数（Parameters）（仅用于动态）Design—核算选项卡Sizing页面

三个单选按钮分组:总体（Overall）壳程（Shell）管程（Tube）Design—核算选项卡总体(Overall按钮)页面参数：壳程通道数（NumberofShellPasses）1-7串联壳的数量（NumberofShells

inSeries）并联壳的数量（NumberofShells

inParallel）每个壳的管程通道数（TubePassesperShell）换热器布置方式（ExchangerOrientation）（动态用）第一根管程流动方向（FirstTubePassFlowDirection）高度（基座）（Elevation）（动态用）换热器型式（HeatExchanger）（TEMA系列）

壳串联壳并联TEMA标准换热器与GB标准换热器Design—核算选项卡计算信息（CalculatedInformation）壳程HT系数（ShellHTCoeff）管程HT系数（TubeHTCoeff）总U值（OverallU）总UA值（OverallUA）壳程压降DP（ShellDP）管程压降DP（TubeDP）每个壳的传热面积（HeatTrans.AreaperShell）每个壳的管体积（TubeVolumeperShell）每个壳的壳体积（ShellVolumeperShell）Design—核算选项卡Shell&Tubes按钮页面参数：Shell:指定壳程几何尺寸以及每个壳中折流挡板的分布Tube:指定每个壳中的管程几何尺寸信息Design—核算选项卡Shell&Tubes按钮页面参数：Shell:指定壳程几何尺寸以及每个壳中折流挡板的分布Design—核算选项卡Shell&Tubes按钮页面参数：Shell:指定壳程几何尺寸以及每个壳中折流挡板的分布壳直径（ShellDiameter）每个壳中的管程数（NumberofTubesperShell）管心距（TubePitch）管布局设计（TubeLayoutAngle）三角形（30°）（Triangular）旋转三角形（60°）（TriangularRotated）正方形（90°）（Square）旋转正方形（45°）（SquareRotated）壳污垢热阻（ShellFouling）◆换热管及其在管板上的排列换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等

换热管的排列形式

管布局设计（TubeLayoutAngle）Design—核算选项卡Shell&Tubes按钮页面参数：Shell:指定壳程几何尺寸以及每个壳中折流挡板的分布折流板壳程结构Design—核算选项卡Shell&Tubes按钮页面参数：Shell:指定壳程几何尺寸以及每个壳中折流挡板的分布壳程折流挡板类型（ShellBaffleType）单折流挡板（Single）双折流挡板（Double）三个折流挡板（Triple）网格式折流挡板（Grid）壳程折流挡板方位（ShellBaffleOrientation）水平排列/竖直排列挡板切口（面积%）（Bafflecut）挡板间隔（BaffleSpacing）◆折流板●折流板的作用引导壳程流体反复地改变方向作错流流动或其他形式的流动，并可调节折流板间距以获得适宜流速，提高传热效率。另外，折流板还可起到支撑管束的作用。

●折流板的分类常用折流板有弓形和圆盘-圆环形两种

弓形的有单弓形、双弓形及三弓形，单弓形和双弓形应用最多。

弓形折流板

圆盘-圆环形折流板折流板缺口尺寸

Design—核算选项卡Shell&Tubes按钮页面参数：Tube:指定每个壳中的管程几何尺寸信息管外径(OD,OuterTubeDiameter)管内径(ID,InnerTubeDiameter)管壁厚度（TubeThickness）管长度（TubeLength）管污垢系数（TubeFoulingFactor）导热系数（ThermalConductivity）管壁比热容Cp（WallSpecificHeatCapacity,Cp）管壁密度（WallDensity）金属管传热属性结构尺寸常用固体材料的导热系数

常用固体材料的导热系数

Performance—选项卡Details页面负荷（Duty）热泄漏（HeatLeak）热损失（HeatLoss）UA最小临近值（MinimumApproach）平均温度驱动力（MeanTempDrivingForce）LMTDUA曲率误差（UACurvatureError）热夹点温度（HotPinchTemperature）冷夹点温度（ColdPinchTemperature）Ft因子（FtFactor）未修正LMTD（UncorrectedLMTD）应用示例(1)—Heater20℃、0.41Mpa、1000kg/hr流量的软水在锅炉（Heater）中加热成为饱和水蒸气进入蒸汽总管。求所需的锅炉供热量和饱和蒸汽的温度。应用示例(2)—Heater1000kg/hr（0.4MPa）的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热到过热度100℃（0.39MPa），求过热蒸汽温度和所需供热量。用Balance定义0.39MPa下饱和蒸汽，用Set单元定义出口温度Balance平衡操作是提供一个通用的加热和物质平衡的平衡设备。所需信息只有进入和流出操作的物流的名称。对于通用的平衡操作，也可以规定组分比率Hysys允许物流进出不止一个操作，所以平衡操作可以与其他操作并行进行，来处理物料和平衡问题作用：根据一股或几股物流通过mole、质量或者能量的形态形成一个虚拟物流，用于研究该物流的某特性。如计算产品的饱和蒸汽压等Balance类型描述Mole在流程图中它被用来提供物料平衡数据或者把过程物流的流量和组分传输给第二个物流Mass可在化学计量法未知的情况下进行模拟反应器，但是只分析已知的进料和产品Heat可应用到在热量平衡体系的纯的能量差计算中Mole&Heat一般用于计算单元操作中的某一选择物流的摩尔物平和能平计算，或者检查平衡操作、计算一个未知变量，例如流量的计算Mass&Heat整个平衡可以在有保存的流量和热流区域中进行General解决一系列连接到操作的物流的n个未知量与n个方程的问题。成分比率可以用摩尔、质量或者液体体积作为基准Balance摩尔平衡（MoleBalance）这个操作对被选物流进行整体的摩尔平衡计算，没有能量衡算。用于提供流程中的物料平衡数据或者从一个物流到另一个物流的传输流量与组成计算：对于物流组分不需要指定。未知的流量是在逻辑上没有方向的。基于已知的产品或者计算进料的摩尔流量，反之亦然。这个操作不需要压力和温度。Balance质量平衡（MassBalance）这个平衡操作只对已经保存的物流进行衡算。应用主要是对于未知化学计量式、但是已经明确进料和出料的反应进行模拟。如果你指定了所有物流的组分以及除了一个未知物流外的所有流量，那么质量平衡操作就会计算未知物流的流量：所有物流的成分必须被指定。除了一个未知物流外，所有的流量都必须被指定。将会通过质量平衡来计算质量流量。不会进行能量、摩尔量以及化学成分的衡算。该操作对你定义的进出口物流进行组分的质量衡算。不需要提供温度和压力。Balance热量平衡（HeatBalance）这个热量平衡只对已经选择的物流进行物料衡算。它可以用于计算流程中的热量平衡或者一个物流到另一个能流的熵传递：组分及质量流量必须给定。任何一个物流即使是一个未知热流，缺少上述信息都无法计算热流量。流动方向并不重要。可以根据已知的产品计算进料的热流，反之亦然。该操作不需要压力或者温度。不能在一个物质流中进行热量平衡Balance摩尔和热平衡（MoleandHeatBalance）通常用于计算某一选择物流的摩尔量和热量平衡。可以是检查平衡，或者迫使Hysys计算某一位置变量，如流量。该操作分别进行物料与能量衡算。操作可以计算基于能量平衡下的一个未知能量及基于物料平衡下的一个未知物流。该操作对计算间接独立。可以给出进料或产品的信息。平衡也是流程中的一部分，同样定义了一个约束。任何一个变化都会引起平衡中的物料、能量衡算变化。同样，这个约束减少了指定值中的一个可用变量。由于操作基于摩尔量来计算，因此不能用来连接有化学变化的反应器。Balance质量和热量平衡（MassandHeatBalance）与质量平衡相似，这个平衡模式也是在整个质量流体中进行衡算。并且能量衡算也被考虑在内。所有组分必须指定。除了一个未知物流外，其余所有物流流量都必须给定。根据质量衡算得出未知流量。除了一个未知物流外，其余所有物流的熵都必须给定。根据能量衡算得出未知熵。摩尔量与化学物种没有进行衡算。Balance通用平衡（GeneralBalance）能够解决更大范围内的问题。它可以解决一套连接到操作的物流含有n个未知量与n个方程的问题。由于求解方法的改进，该操作非常有用。不仅可以解决连接物流（进口或者出口都可以有未知量）的未知流量与组分，还可以计算成分间的比率。当操作一定时解决方法也就确定，指定的比率始终保持。通用平衡可以分别解决物料和能量平衡。一个能量流可以是进口或者出口的物流。该操作可以解决流量或者组分问题，并且可以在指定物流中组分之间的比率。比率可以用指定的摩尔、质量或者气体体积作为基准。应用示例(3)—Cooler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=1/3(%w)。求冷凝液温度及冷凝器热负荷。用SpreadSheet定义出口物流气相质量分率用adj单元迭代应用示例(4)—Heater流量为100kg/hr、压力为0.2MPa、温度为20℃的丙酮通过一电加热器。当加热功率分别为2kW、5kW、10kW和20kW时，求出口物流的状态。提示：casestudy应用示例(5)—Heatexchanger用1200kg/hr饱和水蒸汽(0.3MPa)加热2000kg/hr甲醇(20℃、0.3MPa)。离开换热器的蒸汽冷凝水压力为0.28MPa、过冷度为2℃。求甲醇出口温度、相态、需要的换热面积。读取：UA，根据经验估算传热系统，求出面积(换热器传热系数根据相态和物性从下表中选择)热流体冷流体总传热系数K，W/（m2·℃）水水850～1700轻油水340～910重油水60～280气体水17～280水蒸气冷凝水1420～4250水蒸气冷凝气体30～300低沸点烃类蒸汽冷凝（常压）水455～1140高沸点烃类蒸汽冷（减压）水60～170水蒸气冷凝水沸腾2000～4250水蒸气冷凝轻油沸腾455～1020水蒸气冷凝重油沸腾140～425列管式换热器中总传热系数的大致范围

一碳钢换热器，外壳直径：39in，管长：16ft，管径：φ0.75x0.083in，管心距：1in，管数：1024，排列方式：90度正方形，管程数：8，壳程数：2，折流板间距：8in，折流板缺口面积：25%两侧污垢热阻：0.002(hr-ft2-F)/BTU管程进料：甲苯，90psia,100F,125000lb/hr壳程进料：苯乙烯，50psia，300F,150000lb/hr计算：出口温度换热负荷流动压降应用示例(6)—Heatexchanger(SteadystateRating)2.2冷却器/加热器（Cooler/Heater）计算方程：冷却器： 热焓值进口−负荷冷却器=热焓值出口

加热器： 热焓值进口+负荷冷却器=热焓值出口

设计选项卡（DesignTab）--连接设计选项卡（DesignTab）--参数过程物流侧的压降（DeltaP）能量流股的负荷设计选项卡（DesignTab）--核算管口（Nozzles）,仅动态热损失页面（HeatLossPage）None,无热损失SimpleDetailed设计选项卡（DesignTab）--核算Simple

热损失=UA(T-Tamb)

温度低于环境温度Tamb的物流： 热损失=UA(Tamb-T)

设计选项卡（DesignTab）--核算Detailed

需要另外购买许可其它类型的换热器空气换热器以空气为冷却介质，空气走壳程火焰加热器模拟利用燃料加热流体的过程液化天然气换热器模拟低温过程的换热，如空气分离等第三节Hysys压力变化单元的模拟Hysys压力变化单元液体离心泵(CentrifugalPump)正位移泵(PositiveDisplacementPump)阀门（Valve）气体离心压缩机或膨胀机(CentrifugalCompressororExpander)往复式压缩机(ReciprocatingCompressor)阀门（Valve）i.Compressor离心压缩机操作是用来增大入口气体流股的压力，一般要求入口气体大送风量和低压缩比。根据给定信息，离心压缩机可以计算物流的性质（压力和温度），还可以计算压缩率。i.CompressorConnections页面i.CompressororExpanderConnections页面i.CompressorParameters页面i.CompressorParameters页面绝热效率变熵效率（二选一，计算出另一个）操作模式组离心式压缩机曲线输入活塞压缩机i.CompressorParameters页面离心式压缩机曲线输入SingleCurve--用单个的压头和流量曲线或效率和流量曲线来模拟压缩机MultipleMWCurves--以流动气体分子量（MW）函数曲线来描述压缩机的性能MultipleIGVCurves--以进口导流叶片（IGV）位置函数曲线来描述压缩机性能ReducedCurves--输入简化压缩机曲线数据i.Compressor结果页面(ResultsPage)

绝热压头(AdiabaticHead)

变熵压头(PolytropicHead)

绝热效率(AdiabaticEfficiency)

变熵效率(PolytropicEfficiency)

消耗功率(PowerConsumed)

摩擦损失(FrictionLoss)

合理惯性(RationalInertia)

液体功率(FluidPower)

变熵压头因素(PolytropicHeadFactor)

变熵指数(PolytropicExponent)

等熵指数(IsentropicExponent)

速度