化工設(shè)計(jì)八換熱設(shè)備工藝設(shè)計(jì)

化工設(shè)計(jì)八換熱設(shè)備工藝設(shè)計(jì)第六章

換熱設(shè)備工藝設(shè)計(jì)6.1換熱器的仿真設(shè)計(jì)按工藝功能分類1.冷卻器：冷卻工藝物流的設(shè)備，一般冷卻劑多采用水，若冷卻溫度低，可采用氨或氟利昂為冷卻劑。2.加熱器：加熱工藝物流的設(shè)備，一般采用水蒸氣作為加熱介質(zhì)，當(dāng)要求溫度高時(shí)可采用導(dǎo)熱油、熔鹽為加熱介質(zhì)。3.再沸器：用于蒸餾塔底蒸發(fā)物料的設(shè)備。熱虹吸式再沸器是被蒸發(fā)的物料依靠液體壓差自然循環(huán)蒸發(fā)。4.冷凝器：用于蒸餾塔頂物流的冷凝或反應(yīng)器冷凝循環(huán)回流設(shè)備。5.蒸發(fā)器：專門用于蒸發(fā)溶液中水分或溶劑的設(shè)備。6.換熱器：兩種不同溫位工藝物流相互進(jìn)行顯熱交換能量的設(shè)備。按傳熱方式和結(jié)構(gòu)分類1.間壁式：應(yīng)用最為廣泛，溫度不同的兩種流體隔著液體流過(guò)的器壁傳熱，兩種液體互不接觸。

管壁傳熱：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，選用的材料很廣泛，處理能力大，清洗方便，適用性強(qiáng)，可以在高溫高壓下使用。

板壁傳熱：傳熱面積大、效率高，金屬耗用量節(jié)約但不能在較高壓力下操作。2.直接接觸式：兩種冷熱流體進(jìn)入換熱器后，直接接觸傳遞熱量，傳熱效率高，但使用受到限制。3.蓄熱式：一個(gè)充滿蓄熱體的空間溫度不同的兩種流體交替地通過(guò)蓄熱室，實(shí)現(xiàn)間接傳熱。1、基本要求：首要滿足工藝及操作條件要求。在工藝條件下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，安全可靠，不泄露，維修清洗方便。滿足工藝要求的傳熱面積，盡量有較高的傳熱效率。2、介質(zhì)流程：常用介質(zhì)流程安排：腐蝕性介質(zhì)宜走管程，可降低對(duì)外殼材質(zhì)的要求；毒性介質(zhì)走管程，泄露的概率小；易結(jié)垢的介質(zhì)走管程，便于清洗和清掃；壓力較高的介質(zhì)走管程，減少對(duì)殼體機(jī)械強(qiáng)度要求；溫度高的介質(zhì)走管程，可改變材質(zhì)，滿足介質(zhì)要求；黏度較大、流量小的介質(zhì)選在殼程，提高傳熱系數(shù)。設(shè)計(jì)一般原則3、終端溫差：由工藝過(guò)程需要而定，理想溫差如下：熱端的溫差，應(yīng)在20℃以上；用水或其他冷卻介質(zhì)冷卻時(shí)，冷端溫差可以小些，但不要低于5℃；當(dāng)用冷卻劑冷凝工藝流體時(shí)，冷卻劑的進(jìn)口溫度應(yīng)當(dāng)高于工藝流體中最高凝點(diǎn)組分的凝點(diǎn)5℃以上；空冷器的最小溫差應(yīng)大于20℃；冷凝含有惰性氣體的流體時(shí)，冷卻劑出口溫度至少比冷凝組分的露點(diǎn)低5℃。設(shè)計(jì)一般原則4、流速：流速提高，流體湍流程度增加，可提高傳熱系數(shù)，有利于沖刷污垢，但流速過(guò)大，磨損嚴(yán)重，甚至造成設(shè)備震動(dòng)，影響操作和使用壽命，能量消耗也將增加。設(shè)計(jì)一般原則5、壓力降：一般考慮隨操作壓力不同而有一個(gè)大致的范圍。壓力降的影響因素較多，但通常希望換熱器的壓力降在下述參考范圍內(nèi)或附近。設(shè)計(jì)一般原則6、傳熱膜系數(shù)：傳熱面兩側(cè)傳熱膜系數(shù)如相差較大時(shí)，數(shù)值較小一側(cè)將成為控制傳熱效果的主要因素，應(yīng)盡量增大其數(shù)值，最好使兩側(cè)的傳熱膜系數(shù)大體相同。增加傳熱膜系數(shù)的方法：縮小通道截面積，以增大流速；增設(shè)擋板或促進(jìn)產(chǎn)生湍流的插入物；管壁上加翅片，提高湍流程度；糙化傳熱表面，用溝槽或多孔表面，對(duì)于冷凝或沸騰等有相變化的傳熱過(guò)程來(lái)說(shuō)，可獲得大的膜系數(shù)。設(shè)計(jì)一般原則傳熱單元模型的分類加熱器Heater換熱器HeatX多物流換熱器MHeatX熱通量換熱器HXFlux傳熱單元?dú)w屬換熱器類(HeatExchangers)，共7種模型，AspenPlus內(nèi)部用的有4種，其余3種是與其它軟件的接口模塊：Heater加熱器模型Heater模型用于模擬以下單元，改變物流的溫度、壓力和相態(tài)：加熱器冷卻器閥門(僅改變壓力，不涉及阻力)泵(僅改變壓力，不涉及功率)壓縮機(jī)(僅改變壓力，不涉及功率)Heater—連接Heater模型的連接圖如下：1、閃蒸規(guī)定(Flashspecifications)

(1)溫度Temperature(2)壓力Pressure(3)溫度改變Temperaturechange(4)蒸汽分率Vaporfraction(5)過(guò)熱度Degreesofsuperheating(6)過(guò)冷度Degreesofsubcooling(7)熱負(fù)荷HeatdutyHeater—模型參數(shù)Heater模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：從中任選兩項(xiàng)2、有效相態(tài)(ValidPhase)(1)蒸汽 (2)液體(3)固體 (4)汽-液(5)汽-液-液 (6)液-游離水(7)汽-液-游離水Heater模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：Heater—物性計(jì)算

利用Heater模塊可以計(jì)算混合物在給定熱力學(xué)狀態(tài)下的各種物性數(shù)據(jù)，如泡點(diǎn)、露點(diǎn)、飽和蒸汽壓、密度、粘度、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等等：只需將給定組成的物流導(dǎo)入Heater模塊，根據(jù)給定的熱力學(xué)狀態(tài)設(shè)定Heater的模型參數(shù)，并在總Setup的ReportOptions中設(shè)定相應(yīng)的輸出參數(shù)選項(xiàng)即可。

溫度20℃、壓力0.41MPa、流量4000kg/hr的軟水在鍋爐中加熱成為0.39MPa的飽和水蒸氣，求所需的鍋爐供熱量。

Heater—應(yīng)用示例(1)

流量為1000kg/hr、壓力為0.11MPa、含乙醇70%w、水30%w的飽和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比(摩爾)=1/3。求冷凝器熱負(fù)荷。

Heater—應(yīng)用示例(2)HeatX換熱器模型逆流/并流(Countercurrent/Cocurrent)折流板殼程(SegmentalBaffleShell)棍式擋板殼程(RodBaffleShell)裸管/低翅片管(Bare/Low-finnedTubes)計(jì)算兩股物流之間的熱量交換。用于模擬下述結(jié)構(gòu)的管-殼式換熱器：HeatX—連接HeatX模型的連接圖如下：計(jì)算類型Calculation流動(dòng)方式Flowarrangement換熱器設(shè)定ExchangerspecificationHeatX—模型設(shè)定HeatX需在規(guī)定(Specification)表單中設(shè)定三組參數(shù)：計(jì)算欄目中有三個(gè)選項(xiàng)：

1、簡(jiǎn)捷計(jì)算Short-cut

2、詳細(xì)計(jì)算Detailed3、Hetran精確計(jì)算HetranRigorous輸出換熱器設(shè)計(jì)專用軟件的輸入文件供其精確計(jì)算。Type選擇框中也有三個(gè)選項(xiàng)：

1、設(shè)計(jì)Design2、核算

Rating3、模擬Simulation兩組選項(xiàng)按下述方式配合使用HeatX—計(jì)算類型簡(jiǎn)捷計(jì)算只能與設(shè)計(jì)或模擬選項(xiàng)配合。簡(jiǎn)捷計(jì)算不考慮換熱器幾何結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱和壓降的影響，人為給定傳熱系數(shù)和壓降的數(shù)值。使用設(shè)計(jì)選項(xiàng)時(shí)，需設(shè)定熱(冷)物流的出口狀態(tài)或換熱負(fù)荷，計(jì)算達(dá)到指定換熱要求所需的換熱面積。使用模擬選項(xiàng)時(shí)，需設(shè)定換熱面積，計(jì)算兩股物流的出口狀態(tài)。HeatX—簡(jiǎn)捷計(jì)算流動(dòng)方式設(shè)定包括：1、熱流體(Hotfluid)流動(dòng)空間：殼程(Shell)/管程(Tube)2、流動(dòng)方向(Flowdirection)：逆流(Countercurrent)

并流(Co-current)

多管程流動(dòng)(Multiplepasses)HeatX—流動(dòng)方式1、逆流Countercurrent2、并流Cocurrent1.熱物流出口溫度(Hotstreamoutlettemperature)2.熱物流出口溫降(Hotstreamoutlettemperaturedecrease)熱物流出口溫差(Hotstreamoutlettemperatureapproach)4.熱物流出口過(guò)冷度(Hotstreamoutletdegreessubcooling)5.熱物流出口蒸汽分率(Hotstreamoutletvaporfraction)HeatX—

換熱器設(shè)定共有13個(gè)選項(xiàng)冷物流出口溫度(Coldstreamoutlettemperature)冷物流出口溫升(Coldstreamoutlettemperatureincrease)冷物流出口溫差(Coldstreamoutlettemperatureapproach)冷物流出口過(guò)熱度(Coldstreamoutletdegreessuperheat)冷物流出口蒸汽分率(Coldstreamoutletvaporfraction)HeatX—

換熱器設(shè)定共有13個(gè)選項(xiàng)傳熱面積

(Heattransferarea)熱負(fù)荷

(Exchangerduty)幾何條件(Geometry)

在詳細(xì)計(jì)算時(shí)采用。HeatX—

換熱器設(shè)定共有13個(gè)選項(xiàng)分別指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力(Outletpressure)

指定值>0，代表出口的絕對(duì)壓力值指定值≤0，代表出口相對(duì)于進(jìn)口的壓力降低值HeatX—

壓降

總傳熱系數(shù)方法(Umethods)常數(shù)(Constant)相態(tài)法(Phasespecificvalues)

分別指定冷熱兩側(cè)不同相態(tài)組合下的傳熱系數(shù)冪函數(shù)(Powerlawexpression)換熱器幾何結(jié)構(gòu)(Exchangergeometry)膜系數(shù)(Filmcoefficients)用戶子程序(Usersubroutine)HeatX—

總傳熱系數(shù)HeatX—

結(jié)果查看

HeatX最重要的是熱參數(shù)結(jié)果(Thermalresults)，其下包括五張表單：概況Summary

衡算Balance

換熱器詳情Exchangerdetails

壓降/速度Predrop/velocities

分區(qū)Zones概況(Summary)表單給出了冷、熱物流的進(jìn)、出口溫度、壓力、蒸汽分率(Vaporfraction)，以及換熱器的熱負(fù)荷(Heatduty)。對(duì)于捷算法，換熱器詳情(Exchangerdetails)表單給出了需要的換熱器面積(Requiredexchangerarea)、結(jié)垢(Dirty)條件下的平均傳熱系數(shù)(Avg.heattransfercoefficient)、校正后的對(duì)數(shù)平均溫差(LMTDcorrected)和對(duì)數(shù)平均溫差校正因子(LMTDcorr