化工設(shè)計軟件課件

化工設(shè)計

第三講SimulationDesignofThermalProcesses熱過程單元的仿真設(shè)計化工設(shè)計第三講SimulationDesignof1傳熱單元模型的分類加熱器

Heater換熱器

HeatX多物流換熱器MHeatX熱通量換熱器HXFlux傳熱單元歸屬換熱器類(HeatExchangers)，共7種模型，AspenPlus內(nèi)部用的有4種，其余3種是與其它軟件的接口模塊：傳熱單元模型的分類加熱器Heater傳熱單元歸屬換熱器類2傳熱單元模型的分類(2)傳熱單元模型的分類(2)3Heater加熱器模型Heater模型用于模擬以下單元，改變單股物流的溫度、壓力和相態(tài)：加熱器冷卻器閥門（僅改變壓力，不涉及阻力）泵（僅改變壓力，不涉及功率）壓縮機(jī)（僅改變壓力，不涉及功率）Heater加熱器模型Heater模型用于模擬以下單4Heater加熱器模型（2）Heater加熱器模型（2）5Heater——

連接Heater

模型的連接圖如下：Heater——連接Heater模型的連接圖如下：61、閃蒸規(guī)定(Flashspecifications)（1）溫度Temperature（2）壓力Pressure（3）溫度改變Temperaturechange

（4）蒸汽分率Vaporfraction（5）過熱度Degreesofsuperheating（6）過冷度Degreesofsubcooling（7）熱負(fù)荷HeatdutyHeater

—模型參數(shù)Heater模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：從中任選兩項1、閃蒸規(guī)定(Flashspecifications)7Heater

—模型參數(shù)（2）Heater—模型參數(shù)（2）82、有效相態(tài)(ValidPhase)（1）蒸汽 （2）液體（3）固體 （4）汽—液（5）汽—液—液 （6）液—游離水（7）汽—液—游離水Heater

—模型參數(shù)（3）Heater模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：2、有效相態(tài)(ValidPhase)Heater9Heater

—模型參數(shù)（4）Heater—模型參數(shù)（4）10

溫度20℃、壓力0.41MPa、流量4000kg/hr

的軟水在鍋爐中加熱成為0.39MPa的飽和水蒸氣進(jìn)入生蒸汽總管。求所需的鍋爐供熱量。

Heater—

應(yīng)用示例(1)溫度20℃、壓力0.41MPa、流量400011流量為1000kg/hr（0.4MPa）的飽和水蒸汽用蒸汽過熱器加熱到過熱度100℃（0.39MPa），求過熱蒸汽溫度和所需供熱量。

Heater—

應(yīng)用示例(2)流量為1000kg/hr（0.4MPa12流量為1000kg/hr、壓力為0.11MPa、含乙醇70%w、水30%w的飽和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比（摩爾）=1/3。求冷凝器熱負(fù)荷。

Heater—

應(yīng)用示例(3)流量為1000kg/hr、壓力為0.1113案例研究(CaseStudy)是ASPENPlus提供的模型分析工具(ModelAnalysisTools)之一。當(dāng)需要對多個不同的工況條件的結(jié)果進(jìn)行比較時，尤其是不同工況有多個且數(shù)目不等的參數(shù)需要改變時，案例研究工具提供了非常方便的手段:一次輸入所有工況的參數(shù)值，通過批處理運行方式計算出全部結(jié)果，自動輸出到結(jié)果文件中。CaseStudy—

案例研究案例研究(CaseStudy)是ASPEN14CaseStudy—

案例研究（2）CaseStudy—案例研究（2）15CaseStudy—

參數(shù)定義

首先在改變(Vary)表單中定義不同案例中需要改變的變量：使用變量序號(Variablenumber)下拉框中的新建(new)選項增添新的變量；使用調(diào)節(jié)變量(Manipulatedvariable)欄中的一組下拉框設(shè)定每一個變量的定義。CaseStudy—參數(shù)定義首先在改變(Vary)16CaseStudy—參數(shù)定義（2）CaseStudy—參數(shù)定義（2）17CaseStudy—

參數(shù)賦值

然后在規(guī)定(Specification)表單中定義不同案例中調(diào)節(jié)變量的值：使用案例序號(Casenumber)下拉框中的新建(new)選項增添新的案例；在調(diào)節(jié)變量值(Valuesofmanipulatedvariable)表的單元格中按順序輸入相應(yīng)案例里每一個調(diào)節(jié)變量的給定值。CaseStudy—參數(shù)賦值然后在規(guī)定(Speci18CaseStudy—

參數(shù)賦值（2）CaseStudy—參數(shù)賦值（2）19CaseStudy—

批處理運行完成案例定義后，從窗口的級聯(lián)式菜單中選擇“運行→批處理→提交”命令

Run→Batch→Submit并在彈出的對話框中設(shè)定運行代號(RunID)，運行結(jié)果輸出文件將采用運行代號作為文件名。CaseStudy—批處理運行完成案例定20CaseStudy—批處理運行（2）CaseStudy—批處理運行（2）21CaseStudy—批處理運行（3）CaseStudy—批處理運行（3）22CaseStudy—

結(jié)果查看案例研究的模擬結(jié)果采用文件輸出，不能直接從圖形用戶界面中查看。運行完成后，會在工作目錄下自動生成輸入(*.inp)、狀態(tài)(*.sta)、簡匯(*.sum)和輸出(*.out)四個文本文件，結(jié)果數(shù)據(jù)在*.out文件中，可用文本編輯軟件打開查看和編輯。CaseStudy—結(jié)果查看案例研究的模23

流量為100kg/hr、壓力為0.2MPa、溫度為20℃的丙酮通過一電加熱器。當(dāng)加熱功率分別為2kW、5kW、10kW和20kW時，求出口物流的狀態(tài)。

Heater—

應(yīng)用示例(4)流量為100kg/hr、壓力為0.2M24Heater

—物性計算

利用Heater模塊可以很方便地計算混合物在給定熱力學(xué)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：只需將給定組成的物流導(dǎo)入Heater模塊，根據(jù)給定的熱力學(xué)狀態(tài)設(shè)定Heater的模型參數(shù)，并在總Setup的ReportOptions中設(shè)定相應(yīng)的輸出參數(shù)選項即可。Heater—物性計算利用Heater模塊25求壓力為0.2MPa，含甲醇30%w、乙醇20%w、正丙醇20%w、水30%w的混合物的泡點和露點。

Heater—

應(yīng)用示例(5)求壓力為0.2MPa，含甲醇30%w、乙26HeatX換熱器模型逆流/并流（Countercurrent/Cocurrent)折流板殼程（SegmentalBaffleShell)棍式擋板殼程（RodBaffleShell)裸管/低翅片管（Bare/Low-finnedTubes)HeatX模型用于模擬下述結(jié)構(gòu)的管—殼式換熱器：計算兩股物流之間的熱量交換。HeatX換熱器模型逆流/并流（Countercurr27HeatX換熱器模型（2）HeatX換熱器模型（2）28HeatX——

連接HeatX

模型的連接圖如下：HeatX——連接HeatX模型的連接圖如下：29計算類型

Calculation流動方式

Flowarrangement換熱器設(shè)定

ExchangerspecificationHeatX—模型設(shè)定HeatX

的設(shè)定從規(guī)定(Specification)表單著手，有三組設(shè)定參數(shù)：計算類型CalculationHeatX—模型設(shè)定H30HeatX—模型設(shè)定（2）HeatX—模型設(shè)定（2）31計算欄目中有三個選項：1、簡捷計算Short-cut

2、詳細(xì)計算

Detailed

3、Hetran精確計算HetranRigorous輸出Hetran軟件(換熱器設(shè)計專用軟件)的輸入文件供其精確計算。下部的下拉式選擇框中也有三個選項：1、設(shè)計Design

2、核算

Rating

3、模擬

Simulation兩組選項按下述方式配合使用：HeatX—計算類型計算欄目中有三個選項：HeatX—計算類型32HeatX—計算類型（2）HeatX—計算類型（2）331、簡捷計算

簡捷計算只能與設(shè)計或模擬選項配合。簡捷計算不考慮換熱器的幾何結(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。使用設(shè)計選項時，需設(shè)定熱(冷)物流的出口狀態(tài)或換熱負(fù)荷，模塊計算達(dá)到指定換熱要求所需的換熱面積。使用模擬選項時，需設(shè)定換熱面積，模塊計算兩股物流的出口狀態(tài)。HeatX—計算類型1、簡捷計算HeatX—計算類型342、詳細(xì)計算

詳細(xì)計算只能與核算或模擬選項配合。詳細(xì)計算可根據(jù)給定的換熱器幾何結(jié)構(gòu)和流動情況計算實際的換熱面積、傳熱系數(shù)、對數(shù)平均溫度校正因子和壓降。使用核算選項時，模塊根據(jù)設(shè)定的換熱要求計算需要的換熱面積。使用模擬選項時，模塊根據(jù)實際的換熱面積計算兩股物流的出口狀態(tài)。HeatX—計算類型2、詳細(xì)計算HeatX—計算類型35流動方式設(shè)定包括：1、熱流體(Hotfluid)流動空間：

殼程

(Shell)/管程

(Tube)2、流動方向(Flowdirection)：

逆流

(Countercurrent)

并流

(Co-current)

多管程流動(Multiplepasses)HeatX—流動方式流動方式設(shè)定包括：HeatX—流動方式36HeatX—流動方式(2)HeatX—流動方式(2)371、逆流

CountercurrentHeatX—

流動方向2、并流

Cocurrent1、逆流CountercurrentHeatX—流38熱物流出口溫度(Hotstreamoutlettemperature)熱物流出口溫降(Hotstreamoutlettemperaturedecrease)熱物流出口溫差(Hotstreamoutlettemperatureapproach)熱物流出口過冷度(Hotstreamoutletdegreessubcooling)熱物流出口蒸汽分率(Hotstreamoutletvaporfraction)HeatX—

換熱器設(shè)定共有13個選項熱物流出口溫度39HeatX—

熱物流出口溫差

HeatX—熱物流出口溫差40冷物流出口溫度(Coldstreamoutlettemperature)冷物流出口溫升(Coldstreamoutlettemperatureincrease)冷物流出口溫差(Coldstreamoutlettemperatureapproach)冷物流出口過熱度(Coldstreamoutletdegreessuperheat)冷物流出口蒸汽分率(Coldstreamoutletvaporfraction)HeatX—

換熱器設(shè)定

(2)共有13個選項冷物流出口溫度41HeatX—

冷物流出口溫差

HeatX—冷物流出口溫差42傳熱面積(Heattransferarea)熱負(fù)荷(Exchangerduty)幾何條件(Geometry)

在詳細(xì)計算時采用。HeatX—

換熱器設(shè)定(3)

共有13個選項HeatX—換熱器設(shè)定(3)共43由于換熱器內(nèi)的流動并非理想的并流或逆流，因此有效傳熱推動力需在對數(shù)平均溫差(LMTD)的基礎(chǔ)上進(jìn)行校正。校正因子的計算方法有四個選項：1、常數(shù)Constant

由用戶指定校正系數(shù)，可查手冊。2、幾何結(jié)構(gòu)Geometry由軟件根據(jù)換熱器結(jié)構(gòu)和流動情況計算。3、用戶子程序User-subr4、計算值Calculated

流動方向為多管程流動時采用。HeatX—

LMTD校正由于換熱器內(nèi)的流動并非理想的并流或逆流，因此有效傳熱44HeatX—

LMTD校正（2）HeatX—LMTD校正（2）45

壓降

(PressureDrop)分別指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力

(Outletpressure)

指定值>0，代表出口的絕對壓力值

指定值

≤0，代表出口相對于進(jìn)口的壓力降低值HeatX——

簡捷計算

壓降(PressureDrop)HeatX——46HeatX——

簡捷計算（2）

HeatX——簡捷計算（2）47總傳熱系數(shù)方法

(Umethods)常數(shù)

(Constant)相態(tài)法

(Phasespecificvalues)

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)

(Powerlawexpression)U=Uref(Flow/Flowref)^exponentHeatX——

簡捷計算（3）

總傳熱系數(shù)方法(Umethods)HeatX——48HeatX——

U-相態(tài)法

HeatX——U-相態(tài)法49

壓降

(PressureDrop)分別指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力

(Outletpressure)

根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)計算

(Calculatedfromgeometry)HeatX——

詳細(xì)計算

壓降(PressureDrop)HeatX——50HeatX——

詳細(xì)計算（2）

HeatX——詳細(xì)計算（2）51

總傳熱系數(shù)方法

(Umethods)常數(shù)

(Constant)相態(tài)法

(Phasespecificvalues)

冪函數(shù)

(Powerlawexpression)換熱器幾何結(jié)構(gòu)(ExchangerGeometry)傳熱膜系數(shù)(Filmcoefficients)詳細(xì)計算采用后兩種方法HeatX——

詳細(xì)計算

(3)總傳熱系數(shù)方法(Umethods)HeatX—52膜系數(shù)法根據(jù)換熱器的幾何結(jié)構(gòu)和流動情況分別計算熱流體側(cè)和冷流體側(cè)的傳熱膜系數(shù)(Filmcoefficients)，根據(jù)管壁材料和厚度計算傳導(dǎo)熱阻，再結(jié)合給定的污垢熱阻因子(Foulingfactor)計算出總傳熱系數(shù)U。HeatX——

U-膜系數(shù)法膜系數(shù)法根據(jù)換熱器的幾何結(jié)構(gòu)和流動情況分別計算熱流體側(cè)和冷流53HeatX——

U-膜系數(shù)法

(4)HeatX——U-膜系數(shù)法(4)54HeatX—幾何結(jié)構(gòu)詳細(xì)計算時需輸入換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。從數(shù)據(jù)瀏覽器左側(cè)的目錄樹中選擇幾何(Geometry)項目，然后在右側(cè)的殼程(Shell)、管程(Tubes)、管翅(Tubefins)、擋板(Baffles)和管嘴(Nozzles)表單中輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。HeatX—幾何結(jié)構(gòu)詳細(xì)計算時需輸入換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。從55HeatX—幾何結(jié)構(gòu)（2）HeatX—幾何結(jié)構(gòu)（2）56HeatX—殼程參數(shù)殼程(Shell)表單中包含以下參數(shù)：殼程類型TEMAshelltype管程數(shù)No.oftubepasses換熱器方位Exchangerorientation密封條數(shù)Numberofsealingstrippairs管程流向Directionoftubesideflow殼內(nèi)徑Insideshelldiameter殼/管束間隙ShelltobundleclearanceHeatX—殼程參數(shù)殼程(Shell)表單中包含以下參數(shù)：57HeatX—管程參數(shù)（2）

HeatX—管程參數(shù)（2）58HeatX—殼程類型殼程類型包含六種結(jié)構(gòu)供選用：HeatX—殼程類型殼程類型包含六種結(jié)構(gòu)供選用：59HeatX—殼程類型（2）

HeatX—殼程類型（2）60HeatX—其它殼程參數(shù)HeatX—其它殼程參數(shù)61HeatX——管程參數(shù)管程(Tubes)表單中包含以下參數(shù)：選擇管類型Selecttubetype裸管Baretube翅片管Finnedtube管程布置Tubelayout

總管數(shù)Totalnumber管長Length

排列模式Pattern中心距Pitch

材料Material導(dǎo)熱系數(shù)ConductivityHeatX——管程參數(shù)管程(Tubes)表單中包含以下參數(shù)：62HeatX——管程參數(shù)（2）HeatX——管程參數(shù)（2）63HeatX——管程參數(shù)（3）

管程參數(shù)還有管尺寸(Tubesize)，可用兩種方式輸入：實際尺寸

Actual內(nèi)徑Innerdiameter外徑Outerdiameter

厚度Tubethickness

三選二公稱尺寸

Nominal直徑DiameterBWG規(guī)格BirminghamwiregaugeHeatX——管程參數(shù)（3）管程參數(shù)還有管尺64HeatX——管程參數(shù)（4）HeatX——管程參數(shù)（4）65HeatX—列管排列模式

HeatX—列管排列模式66HeatX——管翅結(jié)構(gòu)

對于翅片管，還需從管翅(Tubefins)表單中輸入以下參數(shù)：翅片高度

Finheight翅片高度/翅片根部平均直徑Finheight/Finrootmeandiameter翅片間距Finspacing:每單位長度的翅片數(shù)/翅片厚度Numberoffinsperunitlength/FinthicknessHeatX——管翅結(jié)構(gòu)對于翅片管，還需從管67HeatX——管翅結(jié)構(gòu)

(2)HeatX——管翅結(jié)構(gòu)(2)68HeatX——管翅結(jié)構(gòu)

(3)HeatX——管翅結(jié)構(gòu)(3)69HeatX——擋板結(jié)構(gòu)有兩種擋板結(jié)構(gòu)可供選用：1、圓缺擋板Segmentalbaffle2、棍式擋板Rodbaffle從擋板(Baffles)表單中進(jìn)行選擇并輸入有關(guān)參數(shù)。HeatX——擋板結(jié)構(gòu)有兩種擋板結(jié)構(gòu)可供選用：70HeatX——圓缺擋板SegmentalBaffleHeatX——圓缺擋板SegmentalBaffle71HeatX——圓缺擋板（2）圓缺擋板需輸入以下參數(shù)：所有殼程中的擋板總數(shù)

No.ofbaffles,allpasses擋板切割分率

Bafflecut(fractionofshelldiameter)管板到第一擋板的間距

Tubesheetto1stbafflespacing擋板間距

Baffletobafflespacing殼壁/擋板間隙

Shell-baffleclearance管壁/擋板間隙

Tube-baffleclearanceHeatX——圓缺擋板（2）圓缺擋板需輸入以下參數(shù)：72HeatX——圓缺擋板（3）HeatX——圓缺擋板（3）73HeatX——棍式擋板RodBaffleHeatX——棍式擋板RodBaffle74HeatX——棍式擋板（2）

棍式擋板需輸入以下參數(shù)：所有殼程中的擋板總數(shù)

No.ofbaffles,allpasses圓環(huán)內(nèi)徑

Insidediameterofring圓環(huán)外徑

Outsidediameterofring支撐棍直徑

Supportroddiameter每塊擋板的支撐棍總長

TotallengthofsupportrodsperbaffleHeatX——棍式擋板（2）棍式擋板需輸入以下參數(shù)：75HeatX——棍式擋板（3）

HeatX——棍式擋板（3）76HeatX——管嘴管嘴即換熱器的物料進(jìn)出接口，需從Nozzle表單中輸入以下參數(shù)：輸入殼程管嘴直徑

Entershellsidenozzlediameters進(jìn)口管嘴直徑

Inetnozzlediameter出口管嘴直徑Outletnozzlediameter輸入管程管嘴直徑

Entertubesidenozzlediameters進(jìn)口管嘴直徑

Inletnozzlediameter出口管嘴直徑OutletnozzlediameterHeatX——管嘴管嘴即換熱器的物料進(jìn)出接口，77HeatX——管嘴（2）

HeatX——管嘴（2）78HeatX——結(jié)果查看HeatX最重要的是熱參數(shù)結(jié)果(Thermalresults)，其下包括五張表單：概況Summary衡算Balance換熱器詳情Exchangerdetails壓降/速度Predrop/velocities分區(qū)ZonesHeatX——結(jié)果查看HeatX最重要的是熱參79HeatX——概況概況表單給出了冷