教学课件PPT ASPEN PLUS换热器的模拟.ppt

第5讲 aspen plus 换热器的模拟,aspen plus 与化工过程模拟,5.1 aspen plus的换热器模型,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,5.2 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）,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),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。 (case study),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。,5.3 两股物流的换热器,功能：在两个物流之间换热 用途：当知道几何尺寸时，对管壳式换热器进行设计、核算、模拟,heatx输入规定,1、简捷计算(shortcut) 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的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(design)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(simulation)选项时，需设定换热面积，模块计算两股物流的出口状态。,5.3.1 heatx计算类型,2、详细计算(detailed) 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流动情况计算实际的换热面积、传热系数、对数平均温度校正因子和压降。 使用核算(rating)选项时，模块根据设定的换热要求计算需要的换热面积。 使用模拟(simulation)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。,heatx计算类型,heatx详细计算 (2),heatx的简捷法核算与严格法核算比较,用setup specifications页上的calculation type（核算类型）字段来规定简捷法或严格法核算。 简捷法核算不需要换热器结构或几何尺寸数据。 对于严格法核算模型，可以用换热器几何尺寸去估算： 膜系数（film coefficients） 压降（pressure drops） 对数平均温差校正因子（log-mean temperature difference correction factor）,heatx具有有效值的选项,5.3.2 换热器计算方程,换热器的标准方程是： q = u a lmtd 这里lmtd是对数平均温差，此方程用于纯逆流流动的换热器。 通用方程是： q = u a f lmtd 这里f是校正因子，考虑了偏离逆流流动的程度 在setup specifications页上用lmtd correction factor区域输入lmtd校正因子。,传热系数和膜系数,在setup u methods（设定传热系数方法）页确定怎样计算传热系数，设定计算方法。 在简捷法核算模型中，heatx模型不计算膜系数，在严格法核算模型中，如果你在传热系数计算方法中使用膜系数或换热器几何尺寸，heatx计算传热系数，使用： hc = 冷流膜系数 hh = 热流膜系数,5.3.3 换热器结构,换热器结构指换热器内整个流动的型式。如果对于传热系数、膜系数或压降计算方法选择calculate from geometry选项，需要在geometry shell页中输入一些有关换热器结构的信息: 壳程类型 tema shell type 管程数 no. of tube passes 换热器方位 exchanger orientation 密封条数 number of sealing strip pairs 管程流向 direction of tubeside flow 壳内径 inside shell diameter 壳/管束间隙 shell to bundle clearance,tema类型：壳程(e,f,g,h,j,k,x),壳体尺寸,geometry shell页也包含了两个重要的壳体尺寸： 壳体内径 壳体到管束的最大直径的环形面积 outer tube limit 管束外层的最大直径 shell diameter 壳体直径 shell to bundle clearance 壳层到管束的环形面积,折流挡板的几何尺寸,壳侧膜系数和压降计算需要壳体内挡板的几何尺寸，在geometry baffles（挡板的几何尺寸）页上输入挡板的几何尺寸。 对于弓形折流挡板，需要的信息包括： 折流挡板切口高度 折流挡板间距 折流挡板面积 对于圆盘形折流挡板需要的信息包括： 环形直径 支承盘的几何尺寸,heatx管程参数（1）,计算管侧膜系数和压降需要管束的几何尺寸，heatx模型也用这个信息从膜系数来计算传热系数，在geometry tubes（管子的几何尺寸）页上输入管子的几何尺寸。 对裸管换热器或低翅片管换热器 管子总数 total number 管子长度 length 管子直径 diameter 管子的排列 pattern 管子的材质 material,heatx管程参数（2）,heatx管程参数（3）,管程参数还有管尺寸(tube size)，可用两种方式输入：,实际尺寸 actual 内径 inner diameter 外径 outer diameter 厚度 tube thickness 三选二,公称尺寸 nominal 直径 diameter bwg规格 birmingham wire gauge,heatx管程参数（4）,heatx 列管排列模式,heatx管翅结构,对于翅片管，还需从管翅(tube fins)表单中输入以下参数： 翅片高度 fin height 翅片高度 / 翅片根部平均直径 fin height /fin root mean diameter 翅片间距 fin spacing: 每单位长度的翅片数 / 翅片厚度 number of fins per unit length /fin thickness,heatx管翅结构 (2),heatx管翅结构 (3),heatx挡板结构,有两种挡板结构可供选用： 1、圆缺挡板 segmental baffle 2、棍式挡板 rod baffle 从挡板(baffles)表单中进行选择并输入有关参数。,heatx圆缺挡板,segmental baffle,baffle cut 折流挡板的切口高度 tube hole 管孔 shell to baffle clearance 壳层到折流挡板的环形面积,heatx圆缺挡板（2）,圆缺挡板需输入以下参数： 所有壳程中的挡板总数 no. of baffles, all passes 挡板切割分率 baffle cut (fraction of shell diameter) 管板到第一挡板的间距 tubesheet to 1st baffle spacing 挡板间距 baffle to baffle spacing 壳壁/挡板间隙 shell-baffle clearance 管壁/挡板间隙 tube-baffle clearance,heatx圆缺挡板（3）,heatx棍式挡板,rod baffle,support rod diameter 支撑杆直径 ring outside diameter 环外径 ring inside diameter 环内径,heatx棍式挡板（2）,棍式挡板需输入以下参数： 所有壳程中的挡板总数 no. of baffles, all passes 圆环内径 inside diameter of ring 圆环外径 outside diameter of ring 支撑棍直径 support rod diameter 每块挡板的支撑棍总长 total length of support rods per baffle,heatx棍式挡板（3）,heatx管嘴,管嘴即换热器的物料进出接口，需从nozzle表单中输入以下参数： 输入壳程管嘴直径 enter shell side nozzle diameters 进口管嘴直径 inet nozzle diameter 出口管嘴直径 outlet nozzle diameter 输入管程管嘴直径 enter tube side nozzle diameters 进口管嘴直径 inlet nozzle diameter 出口管嘴直径 outlet nozzle diameter,heatx管嘴（2）,5.3.4 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,换热器详情表单给出了需要的换热器面积(required exchanger area) 、实际的换热器面积(actual exchanger area) 、清洁(clean)和结垢(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) 、热效率(thermal effectiveness)和传热单元数(number of transfer units)等有用的信息。,heatx换热器详情（2）,heatx压降/速度,压降/速度表单给出了流道压降(exchanger pressure drop)、管嘴压降和总压降；壳程错流(crossflow)和挡板窗口(windows)处的最大流速及雷诺数(reynolds no.)；管程的最大流速及雷诺数等有用的信息，我们可以根据这些信息调整管程数，挡板数目和切割分率，以及管嘴尺寸。,heatx压降/速度（2）,heatx 分区,分区表单给出了换热器内根据冷、热流体相态对传热面积分区计算的情况，包括各区域的热流体温度、冷流体温度、对数平均温差、传热系数、热负荷和传热面积信息。我们可根据此信息分析换热方案是否合理以及改进设计方案的方向。,heatx 分区（2）,用1200 kg/hr饱和水蒸汽 (0.3 mpa)加热2000 kg/hr 甲醇 (20 、0.3 mpa)。离开换热器的蒸汽冷凝水压力为0.28 mpa、过冷度为2 。换热器传热系数根据相态选择。求甲醇出口温度、相态、需要的换热面积。,heatx 应用示例 (1),对上例选用下述换热器进行详细核算： 外壳直径：325 mm ， 公称面积：10 m2， 管长：3 m ，管径： 192 mm ，管数：76 ，排列方式：正三角，管程数：2 ，壳程数：1， 折流板间距：150 mm ， 折流板缺口高度：79 mm,heatx 应用示例 (2),(二)换热器模拟软件htfs+介绍,aspen plus 2006：htfs+ aspen 7.x: exchanger design&rating,1.1 htfs的历史,htfs原是英国aea工程咨询公司的一个子公司，1997年aea公司和加拿大hyprotech公司合并，hyprotech成为aea的一个子公司，原 htfs 公司由 hyprotech 接管、合并。htfs 系列软件创始于1967 年，在世界同行业中始终处于领先地位，具有 30 多年的发展史。,aea 技术工程软件公司一直致力于提高工艺生产过程的生产效率及经济效益，这一过程始终贯穿于设计、生产操作、工艺改造等各个环节。在传热系统领域，世界著名的产品 htfs ，它的发展历史、世界各国的公认度、基础理论的研究和专家们的能力都是世界一流的。,htfs软件的组成,tasc-管壳式换热器计算 acol-空冷器计算 muse-冷箱计算 fihr -加热炉计算 aple-板式换热器计算 fran-电厂给水加热器计算 pipe-管件计算,由于将流程模拟软件 hysys 中功能强大的流体物性计算系统引入 htfs 系列软件，所以新一代的 htfs 具有功能强大的物性计算系统。该系统有 1000 多种纯组分，可选择各种状态方程、活度系数法、或其他 hysys 流程模拟软件具有的方法。,htfs+软件,2002年7月，hyprotech公司与aspentech 公司合并，hyprotech成为aspentech 公司的一部分。流程模拟软件 aspen plus与 htfs 系列软件进行了集成，与aspen plus集成的htfs称作htfs+ ，htfs+包括原htfs的tasc、acol两软件，还包括原aspen b-jac的软件，原b-jac和hysys 流体物性计算系统作为 htfs+内置的物性计算系统，可直接用。aspen plus 作为htfs+外置物性系统，通过用户界面调用，也可在aspen plus中直接调用htfs+ 。,htfs+功能简介,主程序： tasc+_htfs管壳式换热器传热计算 acol+_空冷器传热计算 hetran-b-jac管壳式换热器传热计算 aerotran-b-jac空冷器传热计算 teams-管壳机械设计 teamsc-管壳零部件设计,附加程序： props_化学组成物性计算 metals_材料性质库 esea-管板布置程序 qchex-价格预算程序,附加程序： props_化学组成物性计算 metals_材料性质库 esea-管板布置程序 qchex-价格预算程序,htfs+-tasc(管壳式换热器热力计算),tasc 是thermal design for tube and shell heat exchangers 的含义。tasc 是世界上非常优秀的管壳式换热器软件，早在 80 年代初就已进入中国。原会员用户遍及化工及石化业。以计算准确性和工程实用性而闻名。新一代的 tasc 功能更强，将所有管壳式换热器集为一体，将传热和机械强度计算融为一体。可用于多组分，多相流冷凝器，罐式重沸器、降液膜蒸发器，多台换热器组等。并提供管束排列图。,1.2 tasc计算模式,tasc提供了范围很广的管壳换热器的计算，有五种计算模式：,tasc计算模式(1) -design 模式,用户需要规定换热器进出流股条件状况及压降规定，然后给出物性和特别需要的换热器类型，比如例子中的ase 类型和换热器摆放顺序以及管壳端冷热物流等即可。软件会按照用户的设计规定，自动算出符合该条件的换热器的尺寸，比如管长/管径/管子排列/壳程/挡板类型/管嘴等等。当然，会有很多种符合这样条件的换热器设计，最后在tema sheet 显示的结果是设备造价最为经济的那一组，可以通过result summary-optimization path 查看，如图所示：里面有46 组符合条件的换热器设计，如果你不满意程序为你选择的那组，可以到任意组然后点击select按钮，这样程序就将所有的计算结果调到那组。 对于设计模式的计算，最为关键的结果是换热器的几何信息。,tasc计算模式(2) -rating 模式,这一模式往往应用于换热器的校核，它回答了“这台换热器能否达到这样的热负荷？”这样的问题。 需要提供换热器尺寸和用于定义热负荷的过程流股信息。一般以实际传热面积与理论需要传热面积的比值作为判定标准。 过程流股信息的定义（process data）：每个流股的流量和进出物流的条件状况（或者诸如热负荷这样的信息）。在rating计算模式下，由物流条件状况所表征的热负荷是固定的，进料压力也是固定的，但是每个出料的压力则基于换热器的压降预测来计算。 对于校验模式的计算，最为关键的结果是 surface arearatio(actual/required),此外还有关于物流的压降的信息。,tasc计算模式(3) -simulation 模式,用于换热器的模拟，它回答了“这台换热器能够达到多大热负荷