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1、第六讲 换热器计算本讲稿第一页，共四十页一、换热器模块l1.1模块类型模块类型模型模型说明说明目的目的用于用于Heater加热器或冷却器加热器或冷却器确定出口物流的热和相确定出口物流的热和相态条件态条件加热器、冷却器、冷凝加热器、冷却器、冷凝器等器等HeatX两股物流的换热器两股物流的换热器在两个物流之间换热在两个物流之间换热两股物流的换热器。当两股物流的换热器。当知道几何尺寸时，核算知道几何尺寸时，核算管壳式换热器管壳式换热器MHeatX多股物流的换热器多股物流的换热器在多股物流之间换热在多股物流之间换热多股热流和冷流换热器，多股热流和冷流换热器，两股物流的换热器，两股物流的换热器，LNG换
2、热器换热器Hetran管壳式换热器管壳式换热器提供提供B-JAC Hetran管管壳式换热器程序界面壳式换热器程序界面管壳式换热器，包括釜管壳式换热器，包括釜式再沸器式再沸器Aerotran空冷换热器空冷换热器提供提供B-JAC Aerotran空空冷换热器程序界面冷换热器程序界面错流式换热器包括空气错流式换热器包括空气冷却器冷却器本讲稿第二页，共四十页l1.2模块应用说明模块应用说明1.2.1加热器（加热器（heater）特点：流程模拟中应用，与结构无关，主要精力放在工艺上特点：流程模拟中应用，与结构无关，主要精力放在工艺上演示演示1：将将5t常温常压下苯（常温常压下苯（44%wt）、甲苯混
3、合液加热到泡点，求热负荷，泡点温度）、甲苯混合液加热到泡点，求热负荷，泡点温度 演示演示2：采用采用2t 100C热水，将热水，将5t常温常压下苯（常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热，热水出）、甲苯混合液加热，热水出口温度口温度50C，求热负荷，加热温度，求热负荷，加热温度练习练习1：将：将5t常温常压下苯（常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热到露点）、甲苯混合液加热到露点,采用采用3bar蒸汽，需要多少蒸汽，需要多少kg蒸汽？蒸汽？（不一定什么都需要（不一定什么都需要Aspen来干）来干）本讲稿第三页，共四十页1.2.2物流换热器（物流换热器（HeatX）特点：实现流程中两物流
4、换热，需知道结构，不建议用在过程模拟中特点：实现流程中两物流换热，需知道结构，不建议用在过程模拟中1）输入规定）输入规定窗口名称窗口名称作用作用Setup规定简捷或详细的计算、流动方向、换热器压降、传热系数计算方法和膜系数。规定简捷或详细的计算、流动方向、换热器压降、传热系数计算方法和膜系数。Options规定热侧和冷侧不同的闪蒸收敛参数和有效相态，规定热侧和冷侧不同的闪蒸收敛参数和有效相态，HeatX收敛参数和模块规定报告选项。收敛参数和模块规定报告选项。Geometry规定壳程和管程的结构，并指明任何翅片管、折流挡板或管嘴。规定壳程和管程的结构，并指明任何翅片管、折流挡板或管嘴。User
5、Subroutines规定用户定义的规定用户定义的Fortran子程序的参数来计算整个的传热系数、子程序的参数来计算整个的传热系数、LMTD校正因子、管壁校正因子、管壁液体滞留量或管壁压降。液体滞留量或管壁压降。Hot-Hcurves规定热流的加热或冷却曲线表和浏览结果表规定热流的加热或冷却曲线表和浏览结果表Cold-Hcurves规定冷流的加热或冷却曲线表和浏览结果表规定冷流的加热或冷却曲线表和浏览结果表Block Options替换这个模块的物性、模拟选项、诊断消息水平和报告选项的全局值。替换这个模块的物性、模拟选项、诊断消息水平和报告选项的全局值。Results浏览结果、质量和能量平衡、
6、压降、速度和区域分析汇总。浏览结果、质量和能量平衡、压降、速度和区域分析汇总。Detailed Results浏览详细的壳程和管程的结果以及关于翅片管、折流挡板和管嘴的信息。浏览详细的壳程和管程的结果以及关于翅片管、折流挡板和管嘴的信息。Dynamic规定动力学模拟的参数。规定动力学模拟的参数。本讲稿第四页，共四十页2）计算类型）计算类型本讲稿第五页，共四十页l壳程类型 TEMA shell typel管程数 No.of tube passesl换热器方位 Exchanger orientationl密封条数 Number of sealing strip pairsl管程流向 Directi
7、on of tubeside flowl壳内径 Inside shell diameterl壳/管束间隙 Shell to bundle clearancel1.3换热器结构参数说明换热器结构参数说明本讲稿第六页，共四十页壳体类型壳体类型 本讲稿第七页，共四十页壳体尺寸壳体尺寸l两个重要的壳体尺寸：两个重要的壳体尺寸：壳体内径壳体内径壳体到管束的最大直径的环形面积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管束外层的最大直径Shell Diameter壳体直径壳体直径Shell to Bundle Clearance壳层到管束的环形面积壳层到管束的环形面积
8、本讲稿第八页，共四十页折流挡板的几何尺寸折流挡板的几何尺寸 l壳侧膜系数和压降计算需要壳体内挡板的壳侧膜系数和压降计算需要壳体内挡板的几何尺寸。几何尺寸。l对于弓形折流挡板，需要的信息包括：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切口高度折流挡板间距折流挡板间距折流挡板面积折流挡板面积l对于圆盘形折流挡板需要的信息包括：对于圆盘形折流挡板需要的信息包括：环形直径环形直径支承盘的几何尺寸支承盘的几何尺寸 本讲稿第九页，共四十页折流挡板的几何结构折流挡板的几何结构Baffle Cut 折流挡板的切口高度折流挡板的切口高度Tube Hole 管孔管孔Shell to Baffle
9、Clearance 壳层到折流挡板的环形面积壳层到折流挡板的环形面积Rod Diameter 圆盘直径圆盘直径Ring Outside Diameter 环外径环外径Ring Inside Diameter 环内径环内径本讲稿第十页，共四十页管子的几何尺寸管子的几何尺寸 l计算管侧膜系数和压降需要管束的几何尺寸。计算管侧膜系数和压降需要管束的几何尺寸。l对裸管换热器或低翅片管换热器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本讲稿第十一页，共四十页管程参数 管程参数还有管
10、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本讲稿第十二页，共四十页列管排列模式 本讲稿第十三页，共四十页管翅结构 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
11、片厚度Number of fins per unit length/Fin thickness本讲稿第十四页，共四十页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。本讲稿第十五页，共四十页圆缺挡板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 Ba
12、ffle to baffle spacing壳壁/挡板间隙 Shell-baffle clearance管壁/挡板间隙 Tube-baffle clearance本讲稿第十六页，共四十页管嘴 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
13、口管嘴直径 Outlet nozzle diameter本讲稿第十七页，共四十页1.4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。本讲稿第十八页，共四十页本讲稿第十九页，共四十页演示演示3：采用采用2t 100C热水，将热水，将5t常温常压下苯（常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合）、甲苯混合液加热。液加
14、热。1）已知）已知K=500、S=5，求冷热出口温度。（，求冷热出口温度。（63，62）2）已知）已知K=500、热物流出口温度、热物流出口温度50C，求面积。（，求面积。（10）注意：注意：a、冷热物料进口对应、冷热物料进口对应 b、有相变时很难收敛，改变、有相变时很难收敛，改变Options中的闪蒸类型中的闪蒸类型 c、结果有时不对，须仔细验证、结果有时不对，须仔细验证练习练习2：演示：演示3中，已知中，已知K=300、S=8，求冷热出口温度，求冷热出口温度本讲稿第二十页，共四十页1.5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
15、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。本讲稿第二十一页，共四十页本讲稿第二十二页，共四十页演示演示4：采用采用2t 100C热水，将热水，将5t常温常压下苯（常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合）、甲苯混合液加热。液加热。1）已知壳径）已知壳径500、管长、管长6m，100（25*2）根管子，）根管子，2管程，求冷热出口管程，求冷热出口温度。（温度。（55，72）2）核算热物流出口温度）核算热物流出口温度50C，需
16、要多少面积？（，需要多少面积？（150）注意：注意：a、冷热物料进口对应、冷热物料进口对应 b、有相变时很难收敛，改变、有相变时很难收敛，改变Options中的闪蒸类型中的闪蒸类型 c、结果有时不对，须仔细验证、结果有时不对，须仔细验证练习练习3：演示：演示4中，冷热污垢系数取中，冷热污垢系数取0.0002，求冷热出口温度，求冷热出口温度本讲稿第二十三页，共四十页二、换热器核算与设计（BJAC）l例例1：已知填料塔的填料总高度：已知填料塔的填料总高度8m，进料以上，进料以上5m，填料为，填料为Mellapak250Y，分离含苯，分离含苯44 wt甲苯混和物。进料量甲苯混和物。进料量5000kg
17、/h，塔顶采，塔顶采出出98%wt苯，塔底采出苯，塔底采出98%wt甲苯。进料由常温预热至泡点进料，产品甲甲苯。进料由常温预热至泡点进料，产品甲苯需冷却至苯需冷却至50C。l演示一：演示一：求各个换热器的热负荷求各个换热器的热负荷l分析分析：确定理论板数，查手册：确定理论板数，查手册：2.5块块/m,共共2.58121块，块，进料位置进料位置2.5513块块本讲稿第二十四页，共四十页l设计规定求流量、进口温度设计规定求流量、进口温度l热集成热集成l演示二演示二、用循环水冷却，、用循环水冷却，2838，求循环水流量。，求循环水流量。F=Q/(38-28)/1=7000kg/h本讲稿第二十五页，共
18、四十页l演示三演示三、精馏塔进料、精馏塔进料25，塔底出料不用循环水冷，采用，塔底出料不用循环水冷，采用它来预热进料，问能预热到多少它来预热进料，问能预热到多少？学习热量流的应用学习热量流的应用学习热量回收的基本方法学习热量回收的基本方法预热温度预热温度63，接近泡点，接近泡点例1-3.exe本讲稿第二十六页，共四十页无相变换热器设计（1）l演示四演示四、对上例中精馏塔预热器进行设计，求面积、结构、对上例中精馏塔预热器进行设计，求面积、结构学习液液换热器的设计方法学习液液换热器的设计方法学习学习BJAC基本使用方法基本使用方法l解：解：已知热侧：已知热侧：2800kg/h，11150，组成甲苯
19、，组成甲苯98%冷侧：冷侧：5000kg/h，25进，组成：苯进，组成：苯44%污垢热阻：两侧均取污垢热阻：两侧均取0.0003热侧走管程热侧走管程进行设计（进行设计（sizing）数据导出数据导出例2-1(1).exe例2-1(2).exe例2-2.exe本讲稿第二十七页，共四十页无相变换热器设计（2）l设计结果：设计结果：两个换热器串联，两个换热器串联，3m23m26m2直径直径159mm，16300019mm管；管；4管程管程设计余量设计余量14%。l核算（核算（rating)根据设计数据核算标准换热器是否能用根据设计数据核算标准换热器是否能用l直径直径219mm，33300019mm；
20、1管程；面积管程；面积25.7m2l直径直径325mm，68200019mm；4管程；面积管程；面积27.7m2已有换热器核算已有换热器核算l直径直径400mm，76600025mm；4管程；面积管程；面积35m2l够用，余量够用，余量23%例2-3(1).exe例2-3(2).exe本讲稿第二十八页，共四十页冷凝器设计（1）l演示五演示五、对上例中精馏塔冷凝器进行设计，求面积、结构、对上例中精馏塔冷凝器进行设计，求面积、结构气量：回流出料气量：回流出料3500+22005700kg/h温度温度8180，组成近似纯苯，组成近似纯苯循环水循环水2838l解：解：污垢热阻：两侧均取污垢热阻：两侧均
21、取0.0002热侧走壳程热侧走壳程进行设计（进行设计（sizing）例3-1.exe本讲稿第二十九页，共四十页冷凝器设计（2）本讲稿第三十页，共四十页冷凝器设计（3）本讲稿第三十一页，共四十页冷凝器设计（4）l核算：核算：直径直径325，56根，根，254500mm；2管程；管程；19.3m2直径直径325，57根，根，254500mm；1管程；管程；19.7m2例3-2.exe本讲稿第三十二页，共四十页冷凝器设计（5）本讲稿第三十三页，共四十页冷凝器设计（6）本讲稿第三十四页，共四十页再沸器设计（1）l演示六演示六、对上例中精馏塔再沸器进行设计，求面积、结构、对上例中精馏塔再沸器进行设计，求
22、面积、结构塔底气量（模拟结果）：塔底气量（模拟结果）：6503kg/h温度温度111，组成近似纯甲苯，组成近似纯甲苯加热蒸汽：加热蒸汽：4bar蒸汽（低压）蒸汽（低压）l解：解：污垢热阻：两侧均取污垢热阻：两侧均取0.0002热侧走壳程热侧走壳程热虹吸再沸器、汽化率取热虹吸再沸器、汽化率取12%，循环量，循环量6503/.12=54.191t/h进行设计（进行设计（sizing）例4-1.exe本讲稿第三十五页，共四十页再沸器设计（2）本讲稿第三十六页，共四十页再沸器设计（3）本讲稿第三十七页，共四十页再沸器设计（4）l核算：核算：直径直径500，174根，根，252000mm；1管程；管程；26m2例4-2.exe本讲稿第三十八页，共四十页再沸器设计（5）本讲稿第三十九页，共四十页再沸器设计（6）本讲稿第四十页，共四十页