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软件丨换热器设计,Aspen Plus是如何实现的?


在化工厂,换热器的费用约占总费用的10%~20%,在炼油厂约占总费用的35%~40%。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究一直十分活跃,一些新型高效换热器相继问世。在换热器设计中,首先应根据工艺要求选择适用的类型,然后计算换热所需传热面积,并确定换热器的结构尺寸。




换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体,使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备,又称热交换器。


完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。


  • 合理地实现所规定的工艺条件 

  • 安全可靠  

  • 有利于安装、操作与维修 

  • 经济合理  评价换热器的最终指标是:在一定的时间内(通常为1年)固定费用(设备的购置费、安装费等)与操作费(动力费、清洗费、维修费等)的总和为最小。在设计或选型时,如果有几种换热器都能完成生产任务的需要,这一指标尤为重要。


换热器设计的基本原则


温度:

  1. 设计温度高于最高工作温度15℃;  

  2. 工艺换热时低端差≥20℃;  

  3. 冷却水出口温度≤60℃;  

  4. 冷却时高端温度差≥20℃;   

  5. 冷却时低端温度差≥5℃;    

  6. 冷却冷凝时冷却介质人口温度应高于工艺物料中冰点温度5℃;  

  7. 冷凝有惰性气体存在时,冷却介质出口温度应低于物料露点温度5℃;   

  8. 反应物料冷却时反应物与冷却介质温差≥10℃;


压力降:

  1. 真空                     ≤0.01MPa  

  2. 0.1~0.17MPa     0.004~0.034   

  3. ≥0.17MPa           ≥0.034MPa


流速:

  1. 水                   一般1~2.5m/s   

  2. 气体                一般8~30m/s


折流板间距:

  1. 最小间距            壳体内径的1/3~1/2  

  2. 最大间距            171d00.74  (d0--管外径)


物料走向: 

  1. 温度            高温物料走管程  

  2. 压力            高压力物料走管程   

  3. 粘度            高粘度物料走管程   

  4. 腐蚀性         高腐蚀性物料走管程  

  5. 流速            流速小的物料走壳程  

  6. 结垢            易结垢较脏的物料走管程      

    若易结垢较脏的物料必须走壳程,应调整换热管排列方式为四方形,或把换热器的结构形式改为U型管式、浮头式、填料函式等易拆结构。    

  7. 导热系数     导热系数小的走壳程,如:气体。

如何实现应用Aspen Plus对换热器的设计呢?小7今天整理了一些Aspen Plus 换热模拟资料,详细内容请继续关注……


Aspen Plus 换热模拟



传热单元归属换热器类(Heat Exchangers),共7中模型,Aspen Plus 内部用的有4种,其余3种是与其它软件的结构模块:



Aspen Plus 换热器单元模块说明


1换热器Heater

Heater 模型用于模拟单股或多股物流,使其变成某一特定状态下的单股物流 ;也可通过设定条件来求已知组成物流的热力学状态。


Heater可以进行单相或多相计算:


  1. 求已知物流的泡点或者露点

  2. 求已知物流的过热或者过冷的匹配温度

  3. 计算物流达到某一状态所需热负荷

  4. 模拟加热器(冷却器)或换热器的一侧

  5. 模拟泵、压缩机、压缩机(仅改变压力,不涉及功率)


典型的Heater流程连接图



Heater模型设定参数


Heater模型有两组模型设定参数:闪蒸规定与有效相态


注意:指定压力(Pressure),当指定值>0时,代表出口的绝对压力值;当指定值≤0,代表出口相对于进口的压力降低值。


Heater的常用的几种闪蒸规定组合


2换热器HeatX

换热器HeatX用于模拟两股物流逆流或并流换热时的热量交换过程,可以对大多数类型的双物流换热器进行简捷计算或详细计算。


模拟下述常见结构的管-壳式换热器:

逆流/并流(Countercurrent / Cocurrent)

壳程采用折流板(Segmental Baffle in Shell)

壳程采用棍式挡板(Rod Baffle in Shell)

裸管/低翅片管(Bare/Low-finned Tubes)


典型的HeatX流程连接


Heatx的模型设定参数


HeatX 的设定要从HeatX的Specification页面进行操作,有四组设定参数:

1、计算类型(Calculation)

2、流动方式(Flow arrangement)

3、运算模式(Type)

4、换热器设定(Exchanger specification)



1.Calculation栏中有五个选项:

(1)简捷计算      (Short-cut)

(2)详细计算      (Detailed)

(3)管壳式换热器计算(Shell&Tube)

(4)空冷器计算    (AirCooled)

(5)板式换热器计算(Plate heat exchangers)


2、流动方式设定包括以下选项:

(1)热流体(Hot fluid)流动方式:

         热流体走壳程 (Shell) 

         管程 (Tube) 

(2)流动方向(Flow direction):

       逆流(Countercurrent)

       并流 (Cocurrent)

      多管程流动(Multiple passes) 


在换热器中,流体走管程/壳程,下列几点可作为选择的一般原则:

  1. 不洁净或易结垢的液体宜在管程,方便清洗。

  2.  腐蚀性流体宜在管程,以免管束和壳体同时受到腐蚀

  3.  压力高的流体宜在管内,以免壳体承受压力。

  4.  饱和蒸汽宜走壳程,饱和蒸汽较清洁,表面传热系数与流速无关,而且冷凝液易排出。

  5. 流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜。

  6. f) 需要被冷却物料一般选壳程,便于散热。


3、Type选择框中有三个选项:

(1)设计    (Design)

(2)核算    (Rating)

(3)模拟    (Simulation)


Calculation与Type两组选项按下述方式配合使用:

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热面积、传热系数、对数平均温度校正因子和压降。 


使用核算选项时,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。


4、换热器闪蒸规定包括13个选项:

  1. 热物流出口温度 (Hot stream outlet temperature)

  2. 热物流出口(相对于热物流入口)温降 (Hot stream outlet temperature decrease)

  3.  热物流出口温差 (Hot stream outlet temperature approach)

  4. 热物流出口过冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling)

  5. 热物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fraction)

  6. 冷物流出口温度 (Cold stream outlet temperature)

  7. 冷物流出口(相对于冷物流入口)温升 (Cold stream outlet temperature increase)

  8.  冷物流出口温差  (Cold stream outlet temperature approach)

  9.  冷物流出口过热度  (Cold stream outlet degrees superheat)

  10. 冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction)

  11. 传热面积 (Heat transfer area)

  12. 热负荷 (Exchanger duty)

  13. 几何条件 (Geometry)(详细计算时采用)




注意:对于并流或者逆流换热来讲,热物流出口温差的表示方法是不同的。




注意:对于并流或者逆流换热来讲,冷物流出口温差的表示方法是不同的。


HeatX模块可以对大多类型的双物流换热器进行简捷的或严格的计算这两种计算方法的主要区别是总的传热系数的计算程序:


 简捷法总是采用用户规定的或缺省的总的传热系数值。


 严格方法采用膜系数的严格热传递方程,并能合并由于壳侧和管侧膜所带来的管壁阻力来计算总的传热系数,用这种方法时,用户需要知道几何尺寸。


Heatx严格计算变量以及使用准则


严格法核算模型对HeatX提供了较多的规定选项,因此也需要较多的输入。严格法核算模型提供了很多缺省的选项,用户可以改变缺省的项来控制整个计算。


这些选项包括以下计算变量:LMTD对数平均温差校正因子、 U-methods传热系数、 Film confficients膜系数、 Pressure Drop压降等。


 



 注意:

  U-methods传热系数、Film confficients膜系数的计算方法中的相态法需要分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数。


 对于压降,当指定热侧和冷侧的出口压力(Outlet pressure)时,若指定值>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 换热器的几何结构参数


详细计算时需输入换热器的几何结构参数。包括(以管壳式换热器为例)壳程(Shell)、管程(Tubes)、管翅(Tubefins)、挡板(Baffles)和管嘴(Nozzles)等。


 

壳程(Shell)表单中允许用户对以下参数进行设置:

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 strippairs)

管程流向(Direction of tubeside flow)

壳内径(Inside shell diameter)

壳/管束间隙(Shell to bundle clearance)

串联壳程数(Number of shells in Series)

并联壳程数(Number of shells in Parallel)


壳程(Shell)表单输入界面:


管程(Tubes)表单中允许用户对以下参数进行设置:


(1)管类型(Select tube type)

       裸管(Bare tube)

       翅片管(Finned tube)


(2)管程布置(Tube layout)

       总管数(Total number)

       管长(Length)

       排列方式(Pattern)

       管心距(Pitch)

       材料(Material)

       导热系数(Conductivity)


(3)管子尺寸(Tubesize)(实际尺寸或者公称尺寸设定)

       实际尺寸(Actual)

       内径(Inner diameter)

       外径(Outer diameter)

       厚度(Tube thickness)

       公称尺寸(Nominal)

       直径(Diameter)

       BWG规格(Birmingham wire gauge)


 管程(Tubes)表单输入界面:



对于翅片管,还需从管翅(Tube fins)中输入以下参数:

翅片高度(Fin height)

翅片高度(Fin height)

翅片根部平均直径(Finroot mean diameter)

翅片间距(Finspacing)

翅片数/单位长度(Number of fins / unit length)

翅片厚度(Fin thickness)

可选项Optional

翅化面积与管内面积之比(Ratio of finned area to inside tube area)

 翅片效率(Fin efficiency)


 对于翅片管,还需从管翅(Tube fins)输入界面:



挡板(Baffles)


挡板(Baffles)中有两种挡板结构可供选用:圆缺挡板Segmental baffle、 棍式挡板Rodbaffle


圆缺挡板(Segmental baffle)需输入以下参数:


所有壳程中的挡板总数(No. of baffles,all passes)

挡板圆缺率Bafflecut (fraction of shell diameter)

管板到第一挡板间距(Tube sheet to 1st baffle spacing)

挡板间距(Baffle to baffle spacing)

最后挡板与管板间距(Last baffle to tubesheet spacing)

壳壁/挡板间隙(Shell-baffle clearance)

管壁/挡板间隙(Tube-baffle clearance)


圆缺挡板(Segmental baffle)参数输入界面:


注意:

  安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数,为取得良好的效果,挡板的形状和间距必须适

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