热过程单元的仿真设计

1、CAPD基础 第五讲,Simulation Design of Thermal Processes 热过程单元的仿真设计 （一）,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，AspenPlus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 (2),Heater 加热器模型,Heater 模型用于模拟以下单元， 改变单股物流的温度、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（仅

2、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、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 duty,Heater 模型参数,Heater模型有两组模型设定参数：,从中任选两项,Heater 模型参数（2）,

3、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 模型参数（3）,Heater模型有两组模型设定参数：,Heater 模型参数（4）,温度20、压力0.41 MPa、流量4000 kg/hr 的软水在锅炉中加热成为0.39 MPa的饱和水蒸气进入生蒸汽总管。求所需的锅炉供热量。,Heater 应用示例 (1),流量为1000 kg/hr （0.4 MPa ）的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热到过热度 100 （0.39 MPa），求过热蒸汽温度和所需供热量。,Heater 应用示例 (2),流量

4、为 1000 kg/hr、压力为 0.11 MPa、 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 (3),案例研究(Case Study)是ASPEN Plus提供的模型分析工具(Model Analysis Tools)之一。当需要对多个不同的工况条件的结果进行比较时，尤其是不同工况有多个且数目不等的参数需要改变时，案例研究工具提供了非常方便的手段: 一次输入所有工况的参数值，通过批处理运行方式计算出全部结果，自动输出到结果文件中。,Case Study 案例研究,Case Study 案例研

5、究（2）,Case Study 参数定义,首先在改变(Vary)表单中定义不同案例中需要改变的变量：,使用变量序号(Variable number)下拉框中的新建(new)选项增添新的变量； 使用调节变量(Manipulated variable)栏中的一组下拉框设定每一个变量的定义。,Case Study参数定义（2）,Case Study 参数赋值,然后在规定(Specification)表单中定义不同案例中调节变量的值：,使用案例序号(Case number)下拉框中的新建(new)选项增添新的案例； 在调节变量值(Values of manipulated variable)表的单元格

6、中按顺序输入相应案例里每一个调节变量的给定值。,Case Study 参数赋值（2）,Case Study 批处理运行,完成案例定义后，从窗口的级联式菜单中选择“运行批处理提交”命令 RunBatchSubmit 并在弹出的对话框中设定运行代号(RunID)，运行结果输出文件将采用运行代号作为文件名。,Case Study批处理运行（2）,Case Study批处理运行（3）,Case Study 结果查看,案例研究的模拟结果采用文件输出，不能直接从图形用户界面中查看。 运行完成后，会在工作目录下自动生成输入(*.inp)、状态(*.sta)、简汇(*.sum)和输出(*.out) 四个文本文

7、件，结果数据在*.out文件中，可用文本编辑软件打开查看和编辑。,流量为 100 kg/hr、压力为 0.2 MPa、温度为20 的丙酮通过一电加热器。当加热功率分别为 2 kW、5 kW、10 kW 和 20 kW 时，求出口物流的状态。,Heater 应用示例 (4),Heater 物性计算,利用Heater模块可以很方便地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。,

8、求压力为 0.2 MPa，含甲醇30%w、乙醇20%w、正丙醇20%w、水30%w 的混合物的泡点和露点。,Heater 应用示例 (5),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),HeatX 模型用于模拟下述结构的管壳式换热器：,计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：,计算类型 Calculation 流

9、动方式 Flow arrangement 换热器设定 Exchanger specification,HeatX模型设定,HeatX 的设定从规定(Specification) 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： 1、简捷计算 Short-cut 2、详细计算 Detailed 3、Hetran 精确计算 Hetran Rigorous 输出Hetran软件(换热器设计专用软件)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： 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：,He

10、atX计算类型,HeatX计算类型（2）,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，模块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，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： 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 (Countercurrent) 并流 (Co-current) 多管程流动 (Multiple pa

11、sses),HeatX流动方式,HeatX流动方式 (2),1、逆流 Countercurrent,HeatX 流动方向,2、并流 Cocurrent,热物流出口温度 (Hot stream outlet temperature) 热物流出口温降 (Hot stream outlet temperature decrease) 热物流出口温差 (Hot stream outlet temperature approach) 热物流出口过冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling) 热物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fra

12、ction),HeatX 换热器设定,共 有 13 个 选 项,HeatX 热物流出口温差,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 superheat) 冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction),HeatX 换热器设定 (2),共 有

13、 13 个 选 项,HeatX 冷物流出口温差,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(3),共 有 13 个 选 项,由于换热器内的流动并非理想的并流或逆流，因此有效传热推动力需在对数平均温差(LMTD)的基础上进行校正。校正因子的计算方法有四个选项： 1、常数 Constant 由用户指定校正系数，可查手册。 2、几何结构 Geometry 由软件根据换热器结构和流动情况计算。 3、用户子程序 User-subr 4、计算值 Calculated 流动方向为多管

14、程流动时采用。,HeatX LMTD校正,HeatX LMTD校正（2）,压降 ( Pressure Drop ) 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 简捷计算,HeatX 简捷计算（2）,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) U=Uref (Flow/Flowref)exponent,H

15、eatX 简捷计算（3）,HeatX U - 相态法,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 衡算 Balance 换热器详情 Exchanger details 压降/速度 Pre drop/velocities 分区 Zones,HeatX 概况,概况表单给出了冷、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)。,HeatX 概况 (2),HeatX换热器详情,对于捷算法，换热器详情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)等有用的信息。,HeatX换热器详情（2）,HeatX 分区,分区表单给出了