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文档简介
HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 1 - HTRI Exchanger 使用手册使用手册 一、一、 换热器的基础设计知识换热器的基础设计知识 1.1 换热器的分类换热器的分类 1按作用原理和实现传热的方式分类 (1)混合式换热器;(2)蓄热式换热器; (3)间壁式换热器 其中间壁式换热器按传热面的形状和结构分类: (1)管壳式:固定管板式、浮头式、填料函式、U 型管式 (2)板式:板翅式、平板式、螺旋板式 (3)管式:空冷器、套管式、喷淋管式、箱管式 (4)液膜式:升降膜式、括板薄膜式、离心薄膜式 (5)其他型式:板壳式、热管 2按换热器服务类型分类: (1)交换器(Exchanger): 在两侧流体间传递热量。 (2)冷却器(Chiller): 用制冷剂冷却流体。 制冷剂有氨(Ammonia)、 乙烯、 丙烯、 冷却水(Chilled water)或盐水(brine)。 (3)冷凝器(Condenser):在此单元中,制程蒸汽被全部或部分的转化成液体。 (4)冷却器(Cooler):用水或空气冷却,不发生相变化及热的再利用。 (5)加热器(Heater):增加热函,通常没有相变化,用如 Dowtherm 或热油作为热媒加热流体。 (6)过热器(Superheater):高于蒸汽的饱和蒸汽压进行加热。 (7)再沸器(Reboiler):提供蒸馏潜热至分流塔的底部。 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 2 - (8)蒸汽发生器(Steam generator)(废热锅炉(waste heat boiler)) :用产生的蒸汽带走热流体中的热量。通常为满 足制程需要后多余的热量。 (9)蒸馏器(Vaporizer):是一种将液体转化为蒸汽的交换器,通常限于除水以外的液体。 (10)脱水器(Evaporator):将水蒸气浓缩为水溶液通过蒸发部分水分以浓缩水溶液。 1.2 换热器类型换热器类型 管壳式换热器(Shell and Tube Exchanger):主要应用的有浮头式和固定管板式两种。 应用:工艺条件允许时,优先选用固定管板式,但下述两种情况使用浮头式: a) 壳体和管子的温度差超过 30 度,或者冷流体进口和热流体进口温度差超过 110 度; b) 容易使管子腐蚀或者在壳程中容易结垢的介质。 命名是以 TEMA 的原则命名; 壳侧类型(对压降和热传递产生重要影响): E程数为 1,最常用; F程数为 2,需用纵向挡板分流壳侧流体。为避免折流板太厚,壳侧设计压力低于 10psi,最好小于等于 5psi(0.35Kg/cm2G),设计温度小于 180;压降较大,为 E 壳程的 8 倍。 G 分裂流,折流板在中间,把流体分为两股; HDouble split Flow 双分裂流 JDivided flow 分流,一进二出,无折流板,应用于冷凝过程中用来降低压降,压降值是 E 型的 1/8; KKettle Reboiler 再沸器,一般是热虹吸,常用于蒸发壳侧中所填充的液体,一般汽化率大于 50100%。通常 液体的高液位要浸没过换热管,需有液位控制; XCross Flow 交叉流,要求壳侧压降和流速非常低,因此可降低换热管振动的可能性,但流量分布不均匀(在 壳侧入口处)是最大的一个问题。 1.3 换热器壳型及封头选取小结换热器壳型及封头选取小结 (1)E 型及 F 型可选折流板形式最多,流道最长,最适用于单相流体;当换热器内发生温度交叉,需要两台或两台以上的 多管程换热器串联才能满足要求时,为减少串联换热器的台数,可选择“F”型; (2)G 型及 H 型多适用有相变流体,多用于卧式热虹吸再沸器或冷凝器;并建议设置纵向隔板,有利于防止轻组分飞溅、 排除不凝气、流体均布、加强混合; (3)G 型(分流)壳体较 F 型壳体更受欢迎,因为 G 型温度校正因子与 F 型相当,但壳程压降比 F 型小很多;若压降还不 能满足,可考虑 H 型; (4)X 型壳体压降最小,适用于气体加热、冷却和真空冷凝。 封头选择(前封头的类型对压降和热传递没有影响,但后封头的型式会对压降和热传递产生影响): (1) 通常选择选择“B”型作为前封头; HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 3 - (2) 对于水冷却器,当管侧需要定期清洗,且管侧设计压力小于 10bar(g)时,前封头可选择“A”型; (3) 对于固定管板式,宜选择“M”型作为后封头;这种换热器类型应用于无需对壳程进行机械清洗及检查但可 用化学清洗的情况; (4) 对于浮头式,应选择“S”型作为后封头。浮头式换热器的壳径应大于 DN300。管侧和壳侧都可进行机械清 洗,但需要较多工时卸除管束; (5) 对于外填料式浮头“P”和外密封式浮头“W”型的换热器不能在中国设计和制造; (6) 对高压换热器前封头宜选择 D 型; (7) U 型管式,管束外表面可用机械清洗的方法。U 型管的结构不适用于污垢系数较大的情况,立式再沸器 不可选用 U-Tube; (8) 可抽换式浮头(后端浮头型 T) :管束与壳之间的空间(Clearance)相对较大,因此所给定的壳尺寸中含有 的管数比其他构造的型式要少,管侧和壳侧皆可机械清洗。 选型指导:壳侧和管侧有污垢:A_S; 管侧无污垢:B_U; 壳侧无污垢:N_N; 壳侧和管侧无污垢:B_M 服务于高压:DEU 从价格上来说:B_U0.5 3.015 水的流速表(管内) 类别 管材 最低流速(m/s) 最高流速(m/s) 适宜流速(m/s) 凝结水 钢管 0.60.9 3.0 河水(干净的) 钢管 0.60.9 3.7 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 10 - 循环水(处理的) 钢管 0.60.9 3.7 1.82.4 海水 含铜镍的管 0.750.9 3.0 海水 铝铜管 0.750.9 2.4 不同黏度流体的常用流速 黏度/cP 1500 1500500 500100 10035 351 1 Vmax/m/s 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4 Length-管长:系列标准钢管长度有:1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9 和 12m。TEMA 标 准管长:96、120、144、196、240inch(2438、3048、3658、4978、6096mm)。对于管子无支撑跨距 超过上述规定值的 0.8 倍时,应在管束间设置支持板。对 U 型管来说,管长指的是管口到 U 型弯曲 部分的切线之间的距离,它包括了所有管板的厚度。另外,管长 L 和壳内径 ID 的比例应适当,一 般 L/ID46。无相变换热时,管子长,传热系数增加,管程数少,压降低;但是过长会给制造带 来麻烦,首选 3048mm 和 6096mm。 换热管直径与管间距的选择: 管外径 d 0/mm 10 14 16 19 25 32 38 管中心间距(pitch)/mm 14 19 22 25 32 40 48 Pitch Ratop 1.375 1.316 1.280 1.250 1.263 注:16mm 应用于进出料换热器,操作介质较干净,目前使用较少;19mm 的管子应用于以下情况: (a)管侧流体的污垢系数0.00034m2K / W;(b)水做冷却介质走管内;(c)污垢没有严格要求。25mm 的管适用于以下情况:(a) 管侧流体的污垢系数0.00034m2K / W;(b) 出于工艺设计考虑,如换 热器的允许压降较小时。32mm 和 38mm 的管子只是出于工艺设计考虑,如换热器的允许压降较 小时。32mm 和 38mm 的管子只是出于工艺考虑,如换热器的允许压降较小时,目前使用较少。 Tube 若无给定数值, 则一般首选长 6m 或 3m, 管外径 25.4mm 或 19mm, 壁厚 2.77mm 或 2.1mm, 排列方式选 30 度。 Rigorous Tubecount:指定严格管数计算方法,如果你勾选了此项,IST 就会应用此方法计算,在在 “Design”时一定要勾选此项!时一定要勾选此项! 1. “Rigorous method”给出管束中每一根管的位置; 2. “Rigorous method”评估管束中处于交叉位置的管子的数量,如果你选择了此方法,那么管子排 列图片就不再可用。 Tube thermal conductivity:指定管材料的热传导性。当你的管材不在 IST 提供的材料库中时,就需要 输入此值。 Taper angle-锥形度:只应用在管侧逆流冷凝模拟中,设置管子底部的锥度。这一角度水平测量,其 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 11 - 值范围 075。 Tubepass Arrangement panel:换热器管束中管程的设置和通路的宽度设置。在此面板中,出现对称排 列开关。 Number of parallel passlanes:设定平行于交叉流的管通路的数量。对无折流板换热器,这里设置: 1. 水平壳程:垂直管通路的数量 2. 垂直壳程:平行于壳侧管入口中心线的管通路的数量。 Baffles Geometry:指定折流板的几何形状,定义其尺寸、类型、间距和其他一些设计参数,最重要的参数 就是 Baffle Spacing 和 Baffle Cut。除了 K 型壳程和 X 型壳程外,其余所有的壳程类型都可以使用折流 板。 对核算和模拟来说, 你必须输入任何一个壳程交叉路数或者中心间隔; 其他数据可用默认值或由 IST 计算。折流板类型(Type)如下: Single-segmental:最常用的折流板类型,能最有效的把压降转移到热交换中。 Double-segmental:当你利用单折流板无法满足压降限制时,就可以使用双折流板方式。 Segmental/NTIW:No-tubes-in-window(NTIW,弓形区不排管) ,即弓形缺口区(折流板窗口区)不 布管,可保证所有管子都得到全部折流板的支承,一般用在当管振动破坏需要考虑时。它具备以下特 点: a 压降只有单弓形折流板的 1/3 左右; b 壳程流动均匀且类似理想管束、传热系数高、不易结垢; c 窗口区压降很小、旁路及泄流量小; d 弓形缺口区不排的管子大约 15%25% ,可采用较小弓形缺口、提高壳程流速或适当调大壳径 以便维持相同数量管子。 None:无折流板 Cut orientation:切割定位,设置有以下几种: Program sets:default。IST 根据工艺条件、关口位置等设定,Design 时通常选择此项。 Perpendicular(垂直):当壳侧是沸腾流体时,考虑水平切割(管入口在上部的垂直切割)折流板或者垂直 定向;在重力控制流体的流动时,垂直切割(管入口在上部的水平切割)折流板会引起相分离。 Parallel(水平) :如果折流板切割方向与管口中心线平行,折流板间隔的入口和出口就产生旁路,这样就 降低了设备的性能。 Cut:对大多数模拟,IST 会确定折流板切割方向,使得热传递和压降达到最优化,一般 2049%壳径, 20%最佳(相同膜传热系数下压降最小) ,切口太大会形成滞流区,切口太小压降太大。 水平切口: (1)少于 4 管程的 U 型管换热器; HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 12 - (2)壳侧是单相流体,且污垢系数不大于 0.00061m2h/kcal; (3) 所有竖直安装的换热器。 竖直切口: (1)两相流流体或“F”型换热器; (2)除水平切口所要求的换热器外,均为竖直切口。 Crosspasses:你必须至少输入折流板数或主要的折流板间隔中的一个数值。如果你两个都输入,并且你的 数值与管长不一致的话,IST 就改变折流板数但保留主要的折流板间隔数值。这个数值对计算的换热量 和压降都产生影响。小的折流板间隔一般会增大流速和热传递系数,但它会增大压降并会导致换热管的 振动。折流板主要间距低于 80的 TEMA 最大间距可避免换热管振动的问题。较好的模拟点是折流板间 距是壳内径的 40。 Window area:窗口区域占整个区域(total window area- area of tubes in window)的百分比。如果你: 输入这个数值IST 计算折流板切割高度;在折流板输入面板上指定折流板切割IST 忽略此区域的值; 输入的值超过最大值IST 忽略此值并设置折流板切割的最佳值。 Spacing 影响壳程物流的流向和流速,范围 1/5D1D,4050%D 最佳,最小间距为壳程内径的 20,且不 要小于 50mm, 一般取值为壳内径的 3045。 通常不是首选填写项, 如需填写, 则先参考 Design mode 下 run 出的 crosspasses 值填入。 折流板间距可以是不等距的,进口/出口间距大于板间间距。选中“Baffle Spacing”下的“variable”复选框, 就可以在“Variable Baffle Spacing”面板中输入需要的间距。 Clearance:所有的数据都是选填的,程序在计算后会给出默认值。这些值会影响模拟的结果。如果管束和 壳体的直径空隙大于 30mm,应首先考虑使用密封条。 Nozzles(管口面板): 在此可以定义壳侧和管侧管口的尺寸、数量、位置和型式。尺寸要求:Nozzle 的尺寸 要小于等于 50%Shell ID,通常 Nozzle 最小尺寸为 2“。 Number at each position(inlet and outlet) :软件默认值为 1。 Nozzle IDs(inlet and outlet) : 如果你输入了一个允许压降的最大值,IST 利用允许压降的 12.5来定义蒸气和两相管口的尺寸。 每一个液相管口的尺寸定义利用了 5的允许压降; 如果你未输入最大允许压降, IST 利用允许最大流速(声速的 20)的 25来定义蒸气和两相管口的 尺寸,每一个液相管口的尺寸定义利用 0.5psi(3.447kPa)的压降; 在处理两相流时,要指定一个液相管出口来排出液体。 Shellside nozzle locations(与 U 型管或壳侧纵向定位相关) :壳侧管口位置的默认值由工艺条件确定。 对水平和倾斜壳程要指定入口管的位置:Top默认当壳侧为单相流或冷凝流体时、Bottom默认当 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 13 - 壳侧为沸腾流体时、Side。壳侧为竖直时,默认入口管位置在前封头。 指定与入口管位置相关的壳侧出口管位置:有三个选择,分别是 Program decides、Same side as inlet、 Opposite from inlet。一般 IST 把水平壳侧冷凝的出口管位置放在底部,把水平壳侧沸腾的出口管放在 顶部,软件的默认值是 Program decides。 U 型管,如果已知入口管在前封头,那要考虑出口管的位置;反之亦然。 Inlet ID:指定壳侧和管侧的入口管内径; Number at each position:指定壳侧和管侧的入口管数量; Outlet ID:指定壳侧和管侧的出口管内径; Number at each position:指定壳侧和管侧的出口管数量; Nozzle Sizes:如果 IST 计算管口尺寸的话,用以下表中的数据: 壳侧管口最大尺寸:一壳程:ID90的壳程 ID;二壳程:ID80的壳程 ID; 管侧管口最大尺寸:随着管程数量的不同而占壳程 ID 的百分比不同。具体的比例如表二所示。 表二: 管程数 1 2 3 4 6 8 10 12 14 16 壳 ID 90 80 70 50 47 44 41 38 35 32 Impingement panel(缓冲挡板) :壳侧进口区域防冲板的类型和形状的设置。 需要设置的情形:a)非腐蚀性单相流体: 222 sec/1500/2232Vftlbsmkg; 腐蚀性单相流体: 22 /740Vsmkg b)定义了壳侧冷凝; c)定义了壳侧沸腾并且入口管 222 sec/500/744Vftlbsmkg。 防冲板的类型:圆盘(设置它的直径、厚度、防冲高度)、方形盘(长度、宽度、防冲高度)和棒格栅 型(排数、直径) 。 (1)流体诱发振动(FIV)最容易产生破坏的区段: a. 管束中两块折流板间距最大的未支承的中间跨度;b. 管束周边在弓形折流板口区的管子; c. U 形管束的 U 形弯处; d. 壳程进口管口下的管子; e. 管束旁流和管程分程隔板流道内的管子。 (2)防 FIV 设计及调整措施: a.减小无支承管跨:调整折流板间距 或 采用弓形区不布管,折流板间距值不小于 1/5 的 Shell ID,流体 全蒸汽或两相时最大值为 450mm; 在改造项目中,有时相同的壳体设计,原本没有 FIV 问题,但在仅改变换热管材质后也有可能会产生 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 14 - FIV 问题。例如,原设计是碳钢或合金钢管,更换为薄壁管如钛管,其刚性减小,因此需要比原设计 增加支承板来避免 FIV 产生。在改造设计或实际改造中有可能会遇到此类问题。 b.设置 U 形弯头支承; c.设置密封板/条以便增加流阻和限制在临界截面处的流动(如管束旁流区和分程隔板处); d.减少壳程流量(较少采用,除必要时)或增大壳径; e.放大壳程进口管口; f.设置壳程进口防冲挡板; g.如果允许改变壳体形式,可将 E 型改为 X 或 J 型; h.改用双弓形折流板; i.避免太大或太小的折流缺口(因为它们会导致流速分布不均和局部高流速); j.保持均匀的折流板间距; k.用实心的管子(在:use tube layout drawing as)代替原部分管子所在的位置,起到支撑并减小振动的 作用; l.增大 nozzle 与 bundle 之间的距离 m,添加 Annular distributor。 Tubeside entry type 管侧入口管类型:Radial(IST 默认值) 、Axial、Axial with distributor(分流器) 。如果你指定管入口 和/或出口环型分流器 Annular distributor,那么它的所有的三维参数都需要输入。环形分流器影响壳侧 压降,降低流体流速,从而会增加冷凝器和再沸器的负荷。单它可以避免管子的振动,减少腐蚀。 对于管侧流体,下面几种情况也应做特别考虑,以减少流体对管子末端的磨蚀: a) 对于气体和蒸汽,入口处的 V2超过 7000kg/(m.s2); b) 对于液体,入口处的 V2超过 9000kg/(m.s2)。 (2)Piping Input 面板图示给出了热虹吸管的示意图。主要的管线尺寸都可以直接输入。更多的细节可以在 Inlet 和 Outlet 中输入。如果你选择了热虹吸式或强制流动再沸器,这些面板就会被激活并要求输入进口管和出口管的 参数。 Inlet Piping panel:定义热虹吸式再沸器的入口管几何参数。当你选择热虹吸式或强制流动式再沸器后, 面板上有一些数据是必须要输入的。如 Main Inlet pipe length。如果你设置“Bend Allowance”为“NO”,那 么这一长度包括了弯管和 T 型管的当量长度。 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 15 - 水平热虹吸 竖直热虹吸 Header pipe length,inlet:压头管长的输入。其余规定同上。Nozzle pipe length,inlet:入口管长的输入。 Bend allowance:如果选择“NO”无当量长度加入到指定的管长中。 如果选择“YES”IST 允许加入弯头。 对所有壳程,IST 加 68 倍的入口管线的直径于主要入口管长度中; 对 TEMA 的 G、H、J21 壳程型式,IST 加 79 倍的 Header pipe 直径于 Header pipe 长度 中,没有长度加入入口管线长度中。 (3) Process(工艺条件):输入工艺条件和污垢信息。一般热流体侧(工艺流体)需填入其全部数值(包括污 垢热阻系数) ;冷流体侧若为公用工程流体(CW,SH 等)则仅需填写除流量外的其他数值(包括污垢热阻 系数) ,若亦为工艺流体则填写内容与热流体侧要求相同。 Process(工艺条件): 在核算和设计模式中,每一流体必须至少输入 5 个(共 6 个)温度和流量的参数。在模拟模式中,每一流体的 23 个工艺参数是必需的,IST 跳过不一致的工艺条件。 对核算和设计模式:输入换热器热负荷必须输入每一流体的 23 个工艺条件; 未输入换热器负荷必须输入每一流体的 56 个工艺条件; 对模拟模式: 未输入换热器负荷必须输入每一流体的 23 个工艺条件。 注:如果你输入的工艺条件多于最少输入个数,IST 遵循以下规则处理: HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 16 - (1) IST 总是尊重温度的设定,如果有必要,IST 将调整 Weight fraction vapor; (2) 如果你未输入工艺温度的话,IST 尊重 Weight fraction vapor 的输入; (3) IST 总是尊重流速的设定,如果流速未被指定,IST 就会进行计算。 如果你指定了所有 6 个工艺条件和下面的参数,IST 采取下述的动作: a) 如果你未输入热负荷或者从给出的冷、热流体工艺条件计算出的热负荷不匹配IST 以输入的工艺参 数运行模拟; b) 如果热负荷差别超过 5IST 会给出相应的提示信息; c) 热负荷差别超过 99IST 终止模拟。 Process conditions 单相工艺参数 两相工艺参数 其他选项还有 Fluid phase(相态) :Liquid、Vapor、phase change 等; Inlet temperature:入口温度,IST 默认 0.0 为未输入,如果想设为 0,输入 0.001。 Outlet Inlet temperature:出口温度,IST 默认 0.0 为未输入,如果想设为 0,输入 0.001。 Inlet pressure:入口压力,必须大于 0。 Allowable pressure drop:输入最大允许压力降,设计模式下会用到此数值,用来计算管口尺寸。 Exchanger duty:换热器热负荷,有两种情况: a) 如果 IST 能够从输入的工艺条件中计算出热负荷这一热负荷在计算过设计是必需的, 过设计计算: Overdesign(计算出的热负荷需要的热负荷)/需要的热负荷100 b) 如果 IST 不能够从输入的工艺条件中计算出热负荷IST 利用输入的热负荷计算缺少的工艺条件。 Duty/flow multiplier(热负荷/流速增效器) :设置一个 IST 增效热负荷和流速的增效因数。 Process Fouling(工艺污垢) 输入工艺污垢信息,如污垢热阻,污垢层厚度等。换热器设计者一般把污垢因素作为一个安全因素考 虑,用污垢热阻的设计来弥补换热器负荷的不足。但是,在正常的操作条件下,许多工艺流体基本上不产 生污垢,例如轻烃组分的冷凝。HTRI 计算各参数的相互关系时不需要额外的安全因素。在要求的工艺条 件下通过输入反映换热器热阻的数值可以获得最佳设计。 一个非常大的热阻也就表明是一个不符合要求的 设计,要考虑另外一个。 Fouling resistance:为冷、热流体设定热阻。你输入的任意一个值必须要大于或等于零。 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 17 - Fouling layer thickness:为冷、热流体设定热阻层厚度。污垢热阻大于 0.00061HrM2/Kcal时需要输入此 值。你输入的任意一个值必须要大于或等于零。 壳侧热阻层厚度268壳侧污垢热阻;管侧热阻层厚度134管侧污垢热阻。 Fouling layer thermal conductivity:热传导性。如果你输入了此数值和相应的热阻层厚度,IST 会从中计算 热阻值并与输入的热阻值进行对比。如果二者有差异,IST 就会发出一个警告信息,并使用输入的热阻值。 Cooling water fouling:两项:(1)Use water type model:只用于管侧水为冷流体。 (2)Use generalized water model:如果你选择了此项,IST 利用输入的酸度、 总碱度、钙硬度和总不溶固体量来估算热阻值。四个参数的限制范围如下表: (4)Hot /Cold Fluid properties(冷/热流体的性质) 操作界面上给出了怎样把物流性质输入 IST:component-by-component 或者 Mixture。冷热流体分开输入, 选项除了沸腾流体(出现在冷流体输入界面中)外是相同的。在此输入界面上,所有的项都有默认值。但是 “Physical property input option”和“Heat release input method”中不同的选择对应着流体哪些流体的性质需要输 入。 Physical property input option:有三个选项供选择: Mixture Properties Via Grid:在指定的温度和压力下在一个混合物数据表格中输入各物质的物理性质; Component-by-Component:1)输入流体中的成分列表; 2)输入每一个成分的物理性质。如果成分被选中,软件中成分性质数据库就 会自动提供成分的物理性质。 Component and Grid Properties:1)输入流体中的成分列表; 2)在指定的温度和压力下不考虑混合物中某些成分的物理性质。 如果流体为单相,纯物质,则第一步先在 Heat Release Input Method 中选择 Program calculated 项,然后在 Physical Property Input Option 中选择 Component by Component, 最后在 Components 项中选择所需物质即可; 若参加计算的物质为不纯物或 Component 列表中未列出的项目,选择 COMPONENT AND GRID PROPERTIES,然后输入三个以上温度以及在温度下对应的物性或化学性质使得程式自行做出曲线以计算 结果。 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 18 - Heat release input method:选择一个输入流体汽化或冷凝曲线的方法。这些信息只有两相流时才需要输入。 Flash type:只用在当你选择了“Program-Calculated”时,包括微分(Differential)和积分(Integral)。 Composition Units(流体组成) : Moles:默认设置,输入的成分为摩尔数或摩尔分率; Mass:输入的成分是质量数或质量分率。 Fluid name:冷热流体的名称,每一个流体输入时不要超过 12 个字母。这些名称在输出报告中会显示。 Fluid compressibility(流体的可压缩性):指定流体的压缩因子。如果你未指定气相流体的密度,IST 会运用 理想气体方程联合输入的压缩因子计算出气相流体的密度。 Boiling range:为冷流体提供沸腾范围值。此值就是沸腾流体的露点(dew)和泡点(bubble)的差值。露点和泡 点在换热器的入口压力值下计算。IST 在此沸腾范围值被忽略的情况下会估算一个值。 Number of boiling components:输入计算沸腾范围值时流体的组分数。 T&P :如果你选择了“Mixture Properties Via Grid”或者“User Specified Heat Release Curve”,为冷、热流体物理 性质输入参考温度和参考压力。 一旦你输入了参考温度和参考压力的值, 它们作为必须的数值出现在“Property Grid and Heat Release ”中。 (5)Design 温度分布分析:在设计中,做出一个温度分布图是非常有帮助的,它可以提示明显的设计选择或者能指出 可能的问题点。当你运行完模拟后,你可以利用软件的绘图功能来获得温度分布曲线。 (6)Control Name:输入 case 的一些描述性的东西; Methods:包括三个方面的内容: (1)Single Phase Friction Factor(摩擦因数), 它包括壳侧和管侧, 有两种选择, 分别是 Commercial 和 Smooth, 对碳钢换热管, 一般选择 Commercial; 对于铜管或者不锈钢管, 当管内走不易结垢的流体时, 选择 Smooth 较好。 (2)Condensation(冷凝):选择物料是否冷凝,如果冷凝,采用哪种计算方法。 (3)Boiling(沸腾):选择物料是否沸腾,如果沸腾,采用哪种计算方法。 Safety(安全性):可以设置冷热流体和传热系数的安全系数。 User-Defined Method:用户定义计算沸腾流体的方法 Vibration(振动):对换热管的振动进行设置。 所有流经管束的壳侧流体被 HTRI 程式分为 5 个部分(A,B,C,E,F) ,如下图所示: HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 19 - 在应用 HTRI 程序计算时,需考虑上述几种流型的情况对换热器使用效率等方面的影响。 2.5.2 Report 给出模拟结果的详细信息, 通过窗口左下角的 Prev 或 Next 按钮可浏览不同的页面, 同时还可以 Review 输入的基本信息。 2.5.3 Graphs 利用输入或模拟结果进行作图,还可以给出换热器的 3D 模型。 2.5.4 Drawings 利用输入或模拟结果绘制换热器图形,同时还可以利用模拟结果绘出管排布及换热器的 3D 模型。 2.5.5 Shells-in-Series 当换热器有几台串连情况时,给出基本的模型。 三、输出结论三、输出结论 模拟完成后,首先查看 Program Messages,看有没有输入错误或者操作问题,程序会提供给你许多这方 面的信息,尤其是牵涉到冷凝相和沸腾相的信息。 3.1 一般结论一般结论 (1)U 值-Transfer Rate: 参考化工工艺设计手册(上册) 内相关数值,以便确认计算结果; 稳态传热方程:QKAt K总传热系数 W/(m2K);A传热面积 m2;t平均温差(MTD)。 总传热系数: av o w i o i i o io d d r d d r d d hhK 111 io hh ,管外、管内流体的传热膜系数 W/(m2K); io rr ,管外、管内流体的污垢热阻 Km2/W; HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 20 - io dd ,管外径和管内径 m; av d管的平均直径 m; w r w w l ,管壁热阻 Km2/W; w l管壁厚度 m, w 管壁材料导热系数 W/(m2K) 当数据不足时,可用Q = UAF (LMTD)来估算,其中 LMTD 的校正因子可取 F = 0.9。 3.1.1 总传热系数总传热系数(裕量裕量)不足的调节措施不足的调节措施 a. 增加管数(用换热面积弥补传热系数的不足);b. 减少管数(提高管侧流速以提高膜传热系数)。 (2)设计裕量 Overdesign(换热器软件计算的裕量,非工艺提供的裕量) Single Phase Overdesign:05%;Two Phase Overdesign:510%,或依据业主要求。若 overdesign0.6,E0.15, A 最好小于最好小于 0.1, 但最大不超过 0.2。如果 B 流型小于 0.6,那是因为折流板间距(Baffle Spacing)太小,需要增加其值;C 流型 一般要小于 0.1,可增加铅封带(sealing strips)来降低其值;可试着调试 crosspasses(折流板数)值;F=0 或接 近 或接 近 0,若 F 值过大,可调整管程中管子的排列方式(tubepass arrangement),使 F 流体改变流动形式以满足要 求; (2)在右下角“Velocities,ft/sec”中,如果折流板是 Segmental baffles,则 Crossflow 和 Window 较大值与较小值 的比值要在 较大值与较小值 的比值要在 1.01.5 之间,最好接近之间,最好接近 1;如果折流板是 NTIW baffle,则 Window/Cross23。若不满足要 求可试着调试 baffle cut 值,但最大不得超过 45。baffle cut 值最好在 1735,baffle spacing 值最好在 20100Shell ID。 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 22 - (3)第 13 行中 EMTDMTD(F/G/H),其中:MTD冷热流体间的平均温度差;MTD 漏液和旁路(Bypass)流的温度修正系数,其值必须要大于 0.8,否则计算结果不正确; (F/G/H)F、G 和 H 壳程热传递修正系数,其余的壳程型式此值为 1.0。 (4)Overdesign 对不易结垢流体其值5;对易结垢流体 5Overdesign10。 (5)换热管内液体流速应该为 13m/s,气体流速应该为 930m/s。 (6)对于蒸发工况,压降约为 0.1bar,其他工况约为 0.20.68bar。 BTU-British Thermal Unit,1BTU=1.055kJ,1kcal3.9683BTU。 四、其他类型的换热器四、其他类型的换热器 4.1 再沸器再沸器(Reboiler) 分为 kettle 式和热虹吸式(Thermosiphon)两种。 (1)Kettle 式: Shell Geometry 中选择 K 型壳程 ID 中输入釜径 在 Reboiler 的 Bundle diameter 中输 入釜体小头端的直径 指定冷流体在壳侧, 同时在 process 中指定冷流体为沸腾相(Boiling) 输入 冷热流体的性质和工艺参数,开始模拟。 (2)Thermosiphon 式:也有两种,水平热虹吸和垂直热虹吸。 水平热虹吸:壳程水平定位 Reboiler 的 Reboiler type 中选择 Forced Flow Reboiler 如果指定了 需要的静压头(Required liquid static),程序就会通过不断调整冷流体流速和出口蒸汽分率反复计算来达到 1 2 12 ln t t tt HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 23 - 你指定的值。当指定静压头后,最好把换热器的热负荷输入(如果已知),因为如果不输入,会大大增加程 序运行的时间;如果未指定需要的静压头,程序会自动计算出一个值来满足工艺条件的需要 指定入 口和出口热虹吸管的尺寸 指定工艺条件和物流的物性参数,对于真空热虹吸,要么指定冷流体在各 种压力下的热释放曲线,要么利用 Program-Calculated option。因为在低压时,压力对气液平衡的影响非常 大 开始模拟,结果报告会给出热虹吸管压降。 垂直热虹吸:参数设置同水平热虹吸,唯一的不同是把壳程定位为垂直。 五、换热器的系统设计五、换热器的系统设计 5.1 换热器的温度测量和控制方案换热器的温度测量和控制方案 1. 对平时不需要检测温度,只有开车时才测温处,管道上设置温度计套管(TW)即可,需要时再装入温度 计,如下图。 注:图中冷却水管不能完全切断,冷却水侧不需设膨胀用安全阀,但应考虑换热管破裂工况(当换热器低 压侧的压力高于高压侧的 11/13 时需设);冷却水和物料的出口均设有温度计套管,供测温用。 2. 对生产中需要经常测量温度处,可设就地温度计(TG) ,如下图。 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 24 - 注:图中的冷却水出、入口设有切断阀,冷却水测需要设置液体膨胀或换热管破裂用安全阀;冷却水进出口 阀前设有防冻旁路(视当地环境温度,若最低环境温度低于 0,则设),冷却水上切断阀后设有放净阀; 冷却水出口管道上的放空阀也可用作检测冷却水中含物料量的取样口。 3. 对生产中需要经常检查温度处,需在控制室设温度指示计(TI),如下图。 注:(1) 冷却器利用物料出口温度控制冷却水入口的调节阀,以达到控制冷却水量的目的; (2) 冷却水出口的压力控制冷却水出口的切断阀;在换热管破裂时,冷却水侧的压力会急剧上升,为了避 免渗漏的物料进入工厂冷却水系统,该阀切断; HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 25 - (3) 同样为了避免物料进入冷却水系统,在冷却水入口处设有止回阀; (4) 冷却器的壳体侧设有液体膨胀泄压或换热管破裂用安全阀。 4. 一般就地温度指示计(TG)和控制室内的温度指示计(TI)二者只设一个,只有对温度控制很重要处(一 般指物料侧)才同时设置就地温度指示计 (TG) 和控制室内的温度指示计 (TI) 或控制室指示、 控制计 (TIC) 。 但此时,温度指示计(TG)和(TI)一般不在同一测温点测温,而在两个点测温。以保证测得的温度具有 代表性,如上图对物料出口的温度检测所示。 5. 可用工艺物料出口温度来控制加热、冷却介质的流量,以控制工艺物料的温度,如上图所示。 5.2 换热器系统设计要求换热器系统设计要求 1. 换热器的管侧、壳侧根据需要一般应设置放空阀及排净阀,必要时排火炬或排往特定的容器加以收集; 2. 无相变的换热系统,串联换热器宜用重叠式布置,以减少压降并节省投资与占地,但叠放不应超过三个; 3. 规格大小完全一样的换热器并联使用,设备与管道宜采用对称布置,以便于操作控制; 4. 一般情况下,有相变介质走壳程,温度压力高的介质、制冷剂或低温冷媒、易积垢和腐蚀性的介质走管程; 5.换热器的阀门设置如下: (1) 除了工艺需要或在装置运行中需(可)切断的换热器,一般在工艺物料侧不加切断阀; (2) 换热器两侧均为工艺流体,则按操作和控制的情况只在一侧装切断阀; (3) 两台互为备用的换热器,可按需要设置切断阀; (4) 冷介质的进出口均有切断阀时,应在冷介质出口管切断阀上游设置安全阀; (5) 在寒冷地区,水冷却器和水冷凝器的水管道上可设置一供水、回水管的防冻旁通,并在上水管切断阀后 及回水管切断阀前,靠近换热器的一侧各设一放净阀,旁路直径 1”2”,放净阀 3/4”; (6) 换热器的非工艺侧在进出换热器处常设切断阀,有粗略的流量调节要求的,可选用截止阀; (7) 换热器因生产或维修需设置旁路时,则进出管道及旁路均设切断阀。通常在下列情况需设旁路: a.生产周期中某些过程不需传热,应切断换热器; b.自动的或人工调节工艺温度; c.因维修临时切断换热器。 6. 设备、阀门及特殊管件等的画法应以相应项目的 PID 图例为准; 7. PID 图中应对设备、阀门、特殊管件及管线等进行标注。 5.3 蒸发器系统设计蒸发器系统设计 1. 典型蒸发器系统 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 26 - FC FO 蒸汽 高温物料 水 PSV PIC PG LG LIC 注:5 LT PT NL 注6:连续排污处 注6:间歇排污处 注:(1) 作为废热锅炉使用时,是利用工艺生产过程中高温物料的废热来蒸发水的,用以产生低压蒸汽; (2) 蒸发器的进水量由其液位控制; (3) 作为锅炉,蒸发器上必须分开设置两个液位计,以免液位计失灵而导致事故; (4) 蒸汽出口调节阀由蒸汽出口压力控制,以维持蒸发器内的压力; (5) 壳体侧设安全阀,其工况为:火灾、水侧物料误操作和换热管破裂; (6) 对于锅炉,还要考虑排污,连续排污管要从水位以下、盐分浓度最高处引出,间歇排污管应从蒸发器 底部引出。 2. 蒸汽加热的蒸发器系统 HTRI Xchanger Suite 5.0 来自于马后炮化工论坛来自于马后炮化工论坛 - 27 - CL CL FC 蒸发器 FC 蒸汽冷凝液 物料 物料蒸汽 CL 蒸汽 PICPT PSV PI LG LTLIC PSV PG TW 注:2 注:5 注:1 注:4 注:4 注:3 截止阀 带滤器的 疏水阀 注:(1) 加热的蒸汽量由物料蒸汽出口压力控制; (2) 为了避免蒸汽压力超过管侧的设计压力,在蒸汽减压阀后设置了安全阀; (3) 进入蒸发器的物料量由蒸发器的液位控制。壳侧应设安全阀,其工况为:换热管破裂或火灾。安全阀 后的泄压系统排入火炬系统; (4) 壳侧安全阀及物料进口调节阀前后压差较大,图中示出了管道压力等级的分界线 CL。 3. 带高位槽的蒸发器系统 如下图,其中: (1) 蒸发器的进料由高位槽内的压力控制,高位槽的进料由高位槽的液位控制; (2) 由蒸发器到高位槽间的管道应当畅通无阻,设置阀门时要锁开,保证正常生产时呈开启状态; (3) 为了避免蒸发器内低沸点物
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