化工设计-8换热设备工艺设计

化工设计任课教师：张宇第六章换热设备工艺设计6.1换热器的仿真设计按工艺功能分类1.冷却器：冷却工艺物流的设备，一般冷却剂多采用水，若冷却温度低，可采用氨或氟利昂为冷却剂。2.加热器：加热工艺物流的设备，一般采用水蒸气作为加热介质，当要求温度高时可采用导热油、熔盐为加热介质。3.再沸器：用于蒸馏塔底蒸发物料的设备。热虹吸式再沸器是被蒸发的物料依靠液体压差自然循环蒸发。4.冷凝器：用于蒸馏塔顶物流的冷凝或反应器冷凝循环回流设备。5.蒸发器：专门用于蒸发溶液中水分或溶剂的设备。6.换热器：两种不同温位工艺物流相互进行显热交换能量的设备。按传热方式和结构分类1.间壁式：应用最为广泛，温度不同的两种流体隔着液体流过的器壁传热，两种液体互不接触。管壁传热：结构简单、制造方便，选用的材料很广泛，处理能力大，清洗方便，适用性强，可以在高温高压下使用。板壁传热：传热面积大、效率高，金属耗用量节约但不能在较高压力下操作。2.直接接触式：两种冷热流体进入换热器后，直接接触传递热量，传热效率高，但使用受到限制。3.蓄热式：一个充满蓄热体的空间温度不同的两种流体交替地通过蓄热室，实现间接传热。1、基本要求：首要满足工艺及操作条件要求。在工艺条件下长期运转，安全可靠，不泄露，维修清洗方便。满足工艺要求的传热面积，尽量有较高的传热效率。2、介质流程：常用介质流程安排：a)腐蚀性介质宜走管程，可降低对外壳材质的要求；b)毒性介质走管程，泄露的概率小；c)易结垢的介质走管程，便于清洗和清扫；d)压力较高的介质走管程，减少对壳体机械强度要求；e)温度高的介质走管程，可改变材质，满足介质要求；f)黏度较大、流量小的介质选在壳程，提高传热系数。设计一般原则3、终端温差：由工艺过程需要而定，理想温差如下：a)热端的温差，应在20℃以上；b)用水或其他冷却介质冷却时，冷端温差可以小些，但不要低于5℃；c)当用冷却剂冷凝工艺流体时，冷却剂的进口温度应当高于工艺流体中最高凝点组分的凝点5℃以上；d)空冷器的最小温差应大于20℃；e)冷凝含有惰性气体的流体时，冷却剂出口温度至少比冷凝组分的露点低5℃。设计一般原则4、流速：流速提高，流体湍流程度增加，可提高传热系数，有利于冲刷污垢，但流速过大，磨损严重，甚至造成设备震动，影响操作和使用寿命，能量消耗也将增加。设计一般原则管内常见适宜流速壳内常见适宜流速冷却水(淡水)0.7-3.5m/s水及水溶液0.5-1.5m/s冷却用海水0.7-2.5m/s低黏度油类0.4-1.0m/s低黏度油类0.8-1.8m/s高黏度油类0.3-0.8m/s高黏度油类0.5-1.5m/s油类蒸汽3.0-6.0m/s油类蒸汽5.0-15.0m/s气液混合流体0.5-3.0m/s气液混合流体2.0-6.0m/s5、压力降：一般考虑随操作压力不同而有一个大致的范围。压力降的影响因素较多，但通常希望换热器的压力降在下述参考范围内或附近。设计一般原则操作压力p压力降Δp操作压力p压力降Δp真空0-0.1Mpa绝压Δp=p/101.0-3.0Mpa表压Δp=0.035-0.18Mpa0-0.07Mpa表压Δp=p/23.0-8.0Mpa表压Δp=0.07-0.25Mpa0.07-1.0Mpa表压Δp=0.035Mpa6、传热膜系数：传热面两侧传热膜系数如相差较大时，数值较小一侧将成为控制传热效果的主要因素，应尽量增大其数值，最好使两侧的传热膜系数大体相同。增加传热膜系数的方法：a)缩小通道截面积，以增大流速；b)增设挡板或促进产生湍流的插入物；c)管壁上加翅片，提高湍流程度；d)糙化传热表面，用沟槽或多孔表面，对于冷凝或沸腾等有相变化的传热过程来说，可获得大的膜系数。设计一般原则传热单元模型的分类1.加热器Heater2.换热器HeatX3.多物流换热器MHeatX4.热通量换热器HXFlux传热单元归属换热器类(HeatExchangers)，共7种模型，AspenPlus内部用的有4种，其余3种是与其它软件的接口模块：Heater加热器模型Heater模型用于模拟以下单元，改变物流的温度、压力和相态：1.加热器2.冷却器3.阀门(仅改变压力，不涉及阻力)4.泵(仅改变压力，不涉及功率)5.压缩机(仅改变压力，不涉及功率)Heater—连接Heater模型的连接图如下：1、闪蒸规定(Flashspecifications)(1)温度Temperature(2)压力Pressure(3)温度改变Temperaturechange(4)蒸汽分率Vaporfraction(5)过热度Degreesofsuperheating(6)过冷度Degreesofsubcooling(7)热负荷HeatdutyHeater—模型参数Heater模型有两组模型设定参数：从中任选两项2、有效相态(ValidPhase)(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模型有两组模型设定参数：Heater—物性计算利用Heater模块可以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ReportOptions中设定相应的输出参数选项即可。温度20℃、压力0.41MPa、流量4000kg/hr的软水在锅炉中加热成为0.39MPa的饱和水蒸气，求所需的锅炉供热量。Heater—应用示例(1)流量为1000kg/hr、压力为0.11MPa、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(2)HeatX换热器模型1.逆流/并流(Countercurrent/Cocurrent)2.折流板壳程(SegmentalBaffleShell)3.棍式挡板壳程(RodBaffleShell)4.裸管/低翅片管(Bare/Low-finnedTubes)计算两股物流之间的热量交换。用于模拟下述结构的管-壳式换热器：HeatX—连接HeatX模型的连接图如下：1.计算类型Calculation2.流动方式Flowarrangement3.换热器设定ExchangerspecificationHeatX—模型设定HeatX需在规定(Specification)表单中设定三组参数：计算栏目中有三个选项：1、简捷计算Short-cut2、详细计算Detailed3、Hetran精确计算HetranRigorous输出换热器设计专用软件的输入文件供其精确计算。Type选择框中也有三个选项：1、设计Design2、核算Rating3、模拟Simulation两组选项按下述方式配合使用HeatX—计算类型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。使用设计选项时，需设定热(冷)物流的出口状态或换热负荷，计算达到指定换热要求所需的换热面积。使用模拟选项时，需设定换热面积，计算两股物流的出口状态。HeatX—简捷计算流动方式设定包括：1、热流体(Hotfluid)流动空间：壳程(Shell)/管程(Tube)2、流动方向(Flowdirection)：逆流(Countercurrent)并流(Co-current)多管程流动(Multiplepasses)HeatX—流动方式1、逆流Countercurrent2、并流Cocurrent1.热物流出口温度(Hotstreamoutlettemperature)2.热物流出口温降(Hotstreamoutlettemperaturedecrease)3.热物流出口温差(Hotstreamoutlettemperatureapproach)4.热物流出口过冷度(Hotstreamoutletdegreessubcooling)5.热物流出口蒸汽分率(Hotstreamoutletvaporfraction)HeatX—换热器设定共有13个选项6.冷物流出口温度(Coldstreamoutlettemperature)7.冷物流出口温升(Coldstreamoutlettemperatureincrease)8.冷物流出口温差(Coldstreamoutlettemperatureapproach)9.冷物流出口过热度(Coldstreamoutletdegreessuperheat)10.冷物流出口蒸汽分率(Coldstreamoutletvaporfraction)HeatX—换热器设定共有13个选项11.传热面积(Heattransferarea)12.热负荷(Exchangerduty)13.几何条件(Geometry)在详细计算时采用。HeatX—换热器设定共有13个选项分别指定热侧和冷侧的出口压力(Outletpressure)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—压降总传热系数方法(Umethods)•常数(Constant)•相态法(Phasespecificvalues)分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数•幂函数(Powerlawexpression)•换热器几何结构(Exchangergeometry)•膜系数(Filmcoefficients)•用户子程序(Usersubroutine)HeatX—总传热系数HeatX—结果查看HeatX最重要的是热参数结果(Thermalresults)，其下包括五张表单：•概况Summary•衡算Balance•换热器详情Exchangerdetails•压降/速度Predrop/velocities•分区Zones概况(Summary)表单给出了冷、热物流的进、出口温度、压力、蒸汽分率(Vaporfraction)，以及换热器的热负荷(Heatduty)。对于捷算法，换热器详情(Exchangerdetails)表单给出了需要的换热器面积(Requiredexchangerarea)、结垢(Dirty)条件下的平均传热系数(Avg.heattransfercoefficient)、校正后的对数平均温差(LMTDcorrected)和对数平均温差校正因子(LMTDcorrectionfactor)等信息。分区(Zones)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，包括各区域的冷热流体温度、对数平均温差、传热系数、热负荷和传热面积信息。可以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。用1200kg/hr饱和水蒸汽(0.3MPa)加热2000kg/hr甲醇(20℃、0.3MPa)。离开换热器的蒸汽冷凝水压力为0.28MPa、过冷度为2℃。换热器传热系数为850Watt/sqmK。求甲醇出口温度、相态、需要的换热面积。HeatX—应用示例