化工設(shè)計-8 換熱設(shè)備工藝設(shè)計

1、化工設(shè)計 任課教師：張宇任課教師：張宇第六章第六章 換熱設(shè)備工藝設(shè)計換熱設(shè)備工藝設(shè)計6.1 換熱器的仿真設(shè)計換熱器的仿真設(shè)計按工藝功能分類按工藝功能分類1. 冷卻器：冷卻器：冷卻工藝物流的設(shè)備，一般冷卻劑多采用水，若冷卻溫度低，可采用氨或氟利昂為冷卻劑。2. 加熱器：加熱器：加熱工藝物流的設(shè)備，一般采用水蒸氣作為加熱介質(zhì)，當要求溫度高時可采用導(dǎo)熱油、熔鹽為加熱介質(zhì)。3. 再沸器：再沸器：用于蒸餾塔底蒸發(fā)物料的設(shè)備。熱虹吸式再沸器是被蒸發(fā)的物料依靠液體壓差自然循環(huán)蒸發(fā)。4. 冷凝器：冷凝器：用于蒸餾塔頂物流的冷凝或反應(yīng)器冷凝循環(huán)回流設(shè)備。5. 蒸發(fā)器：蒸發(fā)器：專門用于蒸發(fā)溶液中水分或溶劑的設(shè)備。

2、6. 換熱器：換熱器：兩種不同溫位工藝物流相互進行顯熱交換能量的設(shè)備。按傳熱方式和結(jié)構(gòu)分類按傳熱方式和結(jié)構(gòu)分類1. 間壁式：間壁式：應(yīng)用最為廣泛，溫度不同的兩種流體隔著液體流過的器壁傳熱，兩種液體互不接觸。 管壁傳熱：管壁傳熱：結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，選用的材料很廣泛，處理能力大，清洗方便，適用性強，可以在高溫高壓下使用。 板壁傳熱：板壁傳熱：傳熱面積大、效率高，金屬耗用量節(jié)約但不能在較高壓力下操作。2. 直接接觸式：直接接觸式：兩種冷熱流體進入換熱器后，直接接觸傳遞熱量，傳熱效率高，但使用受到限制。3. 蓄熱式：蓄熱式：一個充滿蓄熱體的空間溫度不同的兩種流體交替地通過蓄熱室，實現(xiàn)間接傳熱。1、基

3、本要求：首要滿足工藝及操作條件要求。在工藝條、基本要求：首要滿足工藝及操作條件要求。在工藝條件下長期運轉(zhuǎn)，安全可靠，不泄露，維修清洗方便。件下長期運轉(zhuǎn)，安全可靠，不泄露，維修清洗方便。滿足工藝要求的傳熱面積，盡量有較高的傳熱效率。滿足工藝要求的傳熱面積，盡量有較高的傳熱效率。2、介質(zhì)流程：常用介質(zhì)流程安排：、介質(zhì)流程：常用介質(zhì)流程安排：腐蝕性介質(zhì)宜走管程，可降低對外殼材質(zhì)的要求；腐蝕性介質(zhì)宜走管程，可降低對外殼材質(zhì)的要求；毒性介質(zhì)走管程，泄露的概率??；毒性介質(zhì)走管程，泄露的概率?。灰捉Y(jié)垢的介質(zhì)走管程，便于清洗和清掃；易結(jié)垢的介質(zhì)走管程，便于清洗和清掃；壓力較高的介質(zhì)走管程，減少對殼體機械強度要

4、求；壓力較高的介質(zhì)走管程，減少對殼體機械強度要求；溫度高的介質(zhì)走管程，可改變材質(zhì)，滿足介質(zhì)要求；溫度高的介質(zhì)走管程，可改變材質(zhì)，滿足介質(zhì)要求；a) 黏度較大、流量小的介質(zhì)選在殼程，提高傳熱系數(shù)。黏度較大、流量小的介質(zhì)選在殼程，提高傳熱系數(shù)。設(shè)計一般原則設(shè)計一般原則3、終端溫差：由工藝過程需要而定，理想溫差如下：、終端溫差：由工藝過程需要而定，理想溫差如下：熱端的溫差，應(yīng)在熱端的溫差，應(yīng)在20以上；以上；用水或其他冷卻介質(zhì)冷卻時，冷端溫差可以小些，但用水或其他冷卻介質(zhì)冷卻時，冷端溫差可以小些，但不要低于不要低于5；當用冷卻劑冷凝工藝流體時，冷卻劑的進口溫度應(yīng)當當用冷卻劑冷凝工藝流體時，冷卻劑的進

5、口溫度應(yīng)當高于工藝流體中最高凝點組分的凝點高于工藝流體中最高凝點組分的凝點5以上；以上；空冷器的最小溫差應(yīng)大于空冷器的最小溫差應(yīng)大于20；a) 冷凝含有惰性氣體的流體時，冷卻劑出口溫度至少比冷凝含有惰性氣體的流體時，冷卻劑出口溫度至少比冷凝組分的露點低冷凝組分的露點低5。設(shè)計一般原則設(shè)計一般原則4、流速：流速提高，流體湍流程度增加，可提高傳熱系、流速：流速提高，流體湍流程度增加，可提高傳熱系數(shù)，有利于沖刷污垢，但流速過大，磨損嚴重，甚至數(shù)，有利于沖刷污垢，但流速過大，磨損嚴重，甚至造成設(shè)備震動，影響操作和使用壽命，能量消耗也將造成設(shè)備震動，影響操作和使用壽命，能量消耗也將增加。增加。設(shè)計一般原

6、則設(shè)計一般原則管內(nèi)常見適宜流速 殼內(nèi)常見適宜流速 冷卻水(淡水) 0.7-3.5m/s 水及水溶液 0.5-1.5m/s 冷卻用海水 0.7-2.5m/s 低黏度油類 0.4-1.0m/s 低黏度油類 0.8-1.8m/s 高黏度油類 0.3-0.8m/s 高黏度油類 0.5-1.5m/s 油類蒸汽 3.0-6.0 m/s 油類蒸汽 5.0-15.0m/s 氣液混合流體 0.5-3.0m/s 氣液混合流體 2.0-6.0m/s 5、壓力降：一般考慮隨操作壓力不同而有一個大致的范、壓力降：一般考慮隨操作壓力不同而有一個大致的范圍。壓力降的影響因素較多，但通常希望換熱器的壓圍。壓力降的影響因素較多

7、，但通常希望換熱器的壓力降在下述參考范圍內(nèi)或附近。力降在下述參考范圍內(nèi)或附近。設(shè)計一般原則設(shè)計一般原則操作壓力 p 壓力降 p 操作壓力 p 壓力降 p 真空 0-0.1Mpa 絕壓 p=p/10 1.0-3.0Mpa 表壓 p=0.035-0.18Mpa 0-0.07Mpa 表壓 p=p/2 3.0-8.0Mpa 表壓 p=0.07-0.25Mpa 0.07-1.0Mpa 表壓 p=0.035Mpa 6、傳熱膜系數(shù)：傳熱面兩側(cè)傳熱膜系數(shù)如相差較大時，、傳熱膜系數(shù)：傳熱面兩側(cè)傳熱膜系數(shù)如相差較大時，數(shù)值較小一側(cè)將成為控制傳熱效果的主要因素，應(yīng)盡數(shù)值較小一側(cè)將成為控制傳熱效果的主要因素，應(yīng)盡量增

8、大其數(shù)值，最好使兩側(cè)的傳熱膜系數(shù)大體相同。量增大其數(shù)值，最好使兩側(cè)的傳熱膜系數(shù)大體相同。增加傳熱膜系數(shù)的方法：增加傳熱膜系數(shù)的方法：縮小通道截面積，以增大流速；縮小通道截面積，以增大流速；增設(shè)擋板或促進產(chǎn)生湍流的插入物；增設(shè)擋板或促進產(chǎn)生湍流的插入物；管壁上加翅片，提高湍流程度；管壁上加翅片，提高湍流程度；a) 糙化傳熱表面，用溝槽或多孔表面，對于冷凝或沸騰糙化傳熱表面，用溝槽或多孔表面，對于冷凝或沸騰等有相變化的傳熱過程來說，可獲得大的膜系數(shù)。等有相變化的傳熱過程來說，可獲得大的膜系數(shù)。設(shè)計一般原則設(shè)計一般原則傳熱單元模型的分類傳熱單元模型的分類加熱器加熱器 Heater換熱器換熱器 Hea

9、tX多物流換熱器多物流換熱器 MHeatX熱通量換熱器熱通量換熱器 HXFlux 傳熱單元歸屬換熱器類傳熱單元歸屬換熱器類(Heat Exchangers)，共，共7種模型，種模型，Aspen Plus內(nèi)部用的有內(nèi)部用的有4種，其余種，其余3種是與其種是與其它軟件的接口模塊：它軟件的接口模塊：Heater 加熱器模型加熱器模型Heater 模型用于模擬以下單元，改變模型用于模擬以下單元，改變物流的溫度、壓力和相態(tài)：物流的溫度、壓力和相態(tài)： 加熱器加熱器 冷卻器冷卻器 閥門閥門 (僅改變壓力，不涉及阻力僅改變壓力，不涉及阻力) 泵泵 (僅改變壓力，不涉及功率僅改變壓力，不涉及功率) 壓縮機壓縮機

10、 (僅改變壓力，不涉及功率僅改變壓力，不涉及功率)Heater 連接Heater 模型的連接圖如下：模型的連接圖如下：1、閃蒸規(guī)定、閃蒸規(guī)定 (Flash specifications) (1) 溫度溫度 Temperature (2) 壓力壓力 Pressure (3) 溫度改變溫度改變 Temperature change (4) 蒸汽分率蒸汽分率 Vapor fraction (5) 過熱度過熱度 Degrees of superheating (6) 過冷度過冷度 Degrees of subcooling (7) 熱負荷熱負荷 Heat dutyHeater 模型參數(shù)Heater模型

11、有兩組模型設(shè)定參數(shù)：模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：從中任選兩項從中任選兩項2、有效相態(tài)、有效相態(tài) (Valid Phase)(1) 蒸汽蒸汽(2) 液體液體(3) 固體固體(4) 汽汽-液液(5) 汽汽-液液-液液(6) 液液-游離水游離水(7) 汽汽-液液-游離水游離水Heater模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：Heater 物性計算 利用利用Heater模塊可以計算混合物在給定熱力模塊可以計算混合物在給定熱力學狀態(tài)下的各種物性數(shù)據(jù)，如泡點、露點、飽和學狀態(tài)下的各種物性數(shù)據(jù)，如泡點、露點、飽和蒸汽壓、密度、粘度、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等等：只蒸汽壓、密度、粘度、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等等：只需將給

12、定組成的物流導(dǎo)入需將給定組成的物流導(dǎo)入Heater模塊，根據(jù)給定模塊，根據(jù)給定的熱力學狀態(tài)設(shè)定的熱力學狀態(tài)設(shè)定Heater的模型參數(shù)，并在總的模型參數(shù)，并在總Setup的的Report Options中設(shè)定相應(yīng)的輸出參數(shù)選中設(shè)定相應(yīng)的輸出參數(shù)選項即可。項即可。 溫度溫度20、壓力、壓力0.41MPa、流量、流量4000kg/hr的軟水在鍋爐中加熱成為的軟水在鍋爐中加熱成為0.39MPa的飽和水蒸氣，求所需的鍋爐供的飽和水蒸氣，求所需的鍋爐供熱量。熱量。 Heater 應(yīng)用示例 (1) 流量為流量為1000kg/hr、壓力為、壓力為0.11MPa、 含乙醇含乙醇70%w、水、水30%w的飽和蒸汽

13、在蒸的飽和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液液比比(摩爾摩爾)=1/3。求冷凝器熱負荷。求冷凝器熱負荷。Heater 應(yīng)用示例 (2)HeatX 換熱器模型逆流逆流/并流并流 (Countercurrent/Cocurrent)折流板殼程折流板殼程 (Segmental Baffle Shell)棍式擋板殼程棍式擋板殼程 (Rod Baffle Shell)裸管裸管/低翅片管低翅片管 (Bare/Low-finned Tubes)計算兩股物流之間的熱量交換計算兩股物流之間的熱量交換。用于模擬下述結(jié)構(gòu)的管用于模擬下述結(jié)構(gòu)的管-殼式換熱器：殼式換熱器：He

14、atX 連接HeatX 模型的連接圖如下：模型的連接圖如下：計算類型計算類型 Calculation流動方式流動方式 Flow arrangement換熱器設(shè)定換熱器設(shè)定 Exchanger specificationHeatX 模型設(shè)定HeatX 需在規(guī)定需在規(guī)定(Specification) 表單中設(shè)表單中設(shè)定三組參數(shù)：定三組參數(shù)：計算欄目中有三個選項：計算欄目中有三個選項： 1、簡捷計算、簡捷計算 Short-cut 2、詳細計算、詳細計算 Detailed 3、Hetran 精確計算精確計算 Hetran Rigorous輸出換熱器設(shè)計專用軟件的輸入文件供其精確計算。輸出換熱器設(shè)計專用

15、軟件的輸入文件供其精確計算。Type選擇框中也有三個選項：選擇框中也有三個選項： 1、設(shè)計、設(shè)計 Design 2、核算、核算 Rating 3、模擬、模擬 Simulation兩組選項按下述方式配合使用兩組選項按下述方式配合使用HeatX 計算類型簡捷計算簡捷計算只能與只能與設(shè)計設(shè)計或或模擬模擬選項配合。選項配合。簡捷簡捷計算計算不考慮換熱器幾何結(jié)構(gòu)對傳熱和壓降的影響，不考慮換熱器幾何結(jié)構(gòu)對傳熱和壓降的影響，人為給定傳熱系數(shù)和壓降的數(shù)值。人為給定傳熱系數(shù)和壓降的數(shù)值。使用使用設(shè)計設(shè)計選項時，需設(shè)定熱選項時，需設(shè)定熱(冷冷)物流的出口物流的出口狀態(tài)或換熱負荷，計算達到指定換熱要求所需的狀態(tài)或換

16、熱負荷，計算達到指定換熱要求所需的換熱面積。換熱面積。使用使用模擬模擬選項時，需設(shè)定換熱面積，計算兩選項時，需設(shè)定換熱面積，計算兩股物流的出口狀態(tài)。股物流的出口狀態(tài)。HeatX 簡捷計算流動方式設(shè)定包括：流動方式設(shè)定包括：1、熱流體、熱流體(Hot fluid)流動空間：流動空間： 殼程殼程(Shell)/管程管程(Tube)2、流動方向、流動方向(Flow direction)： 逆流逆流 (Countercurrent) 并流并流 (Co-current) 多管程流動多管程流動 (Multiple passes)HeatX 流動方式1、逆流、逆流 Countercurrent2、并流、并流

17、 Cocurrent1. 熱物流出口溫度熱物流出口溫度 (Hot stream outlet temperature)2. 熱物流出口溫降熱物流出口溫降 (Hot stream outlet temperature decrease)熱物流出口溫差熱物流出口溫差 (Hot stream outlet temperature approach)4. 熱物流出口過冷度熱物流出口過冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling)5. 熱物流出口蒸汽分率熱物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fraction)HeatX 換熱器設(shè)定共共有

18、有13個個選選項項冷物流出口溫度冷物流出口溫度 (Cold stream outlet temperature)冷物流出口溫升冷物流出口溫升 (Cold stream outlet temperature increase)冷物流出口溫差冷物流出口溫差 (Cold stream outlet temperature approach)冷物流出口過熱度冷物流出口過熱度 (Cold stream outlet degrees superheat)冷物流出口蒸汽分率冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction)HeatX 換熱器設(shè)定共共有有13個個選選項項

19、 傳熱面積傳熱面積 (Heat transfer area) 熱負荷熱負荷 (Exchanger duty) 幾何條件幾何條件 (Geometry) 在詳細計算時采用。在詳細計算時采用。HeatX 換熱器設(shè)定共共有有13個個選選項項分別指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力分別指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力 (Outlet pressure) 指定值指定值 0，代表出口的絕對壓力值，代表出口的絕對壓力值 指定值指定值 0，代表出口相對于進口的壓力降低值，代表出口相對于進口的壓力降低值HeatX 壓降總傳熱系數(shù)方法總傳熱系數(shù)方法 (U methods) 常數(shù)常數(shù) (Constant) 相態(tài)法相態(tài)法 (Phase s

20、pecific values) 分別指定冷熱兩側(cè)不同相態(tài)組合下的傳熱系數(shù)分別指定冷熱兩側(cè)不同相態(tài)組合下的傳熱系數(shù) 冪函數(shù)冪函數(shù) (Power law expression) 換熱器幾何結(jié)構(gòu)換熱器幾何結(jié)構(gòu) (Exchanger geometry) 膜系數(shù)膜系數(shù) (Film coefficients) 用戶子程序用戶子程序 (User subroutine)HeatX 總傳熱系數(shù)HeatX 結(jié)果查看 HeatX最重要的是熱參數(shù)結(jié)果最重要的是熱參數(shù)結(jié)果(Thermal results)，其，其下包括五張表單：下包括五張表單： 概況概況 Summary 衡算衡算 Balance 換熱器詳情換熱器詳情 Exchanger details 壓降壓降/速度速度 Pre drop/velocities 分區(qū)分區(qū) Zones概況概況(Summary)表單給出了冷、熱物流的表單給出了冷、熱物流的進 、 出 口 溫 度 、 壓 力 、 蒸 汽 分 率進 、 出 口 溫 度 、 壓 力 、 蒸 汽 分 率 (Vapor fraction)，以及換熱器的熱負荷，