aspen换热器的模拟计算
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第 10 页
管子的几何尺寸
计算管侧膜系数和压降需要管束的几何尺寸。 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
第 11 页
管程参数
管程参数还有管尺寸(Tube size)， 可用两种方式输入：
Dynamic
规定动力学模拟的参数。
第4页
2）计算类型
第5页
1.3换热器结构参数说明
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 strip pairs
解：
– 已知热侧：2800kg/h，111－>50℃，组成甲苯98%
– 冷侧：5000kg/h，25℃进，组成：苯44%
– 污垢热阻：两侧均取0.0003
– 热侧走管程
– 进行设计（sizing）
例2-1(1).exe
– 数据导出
例2-2.exe
例2-1(2).exe
第 27 页
无相变换热器设计（2）
– 循环水2838℃
解：
– 污垢热阻：两侧均取0.0002
– 热侧走壳程
– 进行设计（sizing）
例3-1.exe
第 29 页
冷凝器设计（2）
第 30 页
冷凝器设计（3）
第 31 页
冷凝器设计（4）
核算：
– 直径325，56根，25×4500mm；2管程；19.3m2 – 直径325，57根，25×4500mm；1管程；19.7m2
管程流向 Direction of tubeside flow
壳内径
Inside shell diameter
壳/管束间隙 Shell to bundle clearance
第6页
壳体类型
第7页
壳体尺寸
两个重要的壳体尺寸：
– 壳体内径 – 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
第 16 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 出口管嘴直径 Outlet nozzle diameter
ASPEN PLUS 与化 工过程模拟
第6讲 换热器的模拟计算
1.1模块类型
一、换热器模块
模型
说明
目的
用于
Heater 加热器或冷却器
确定出口物流的热和 相态条件
HeatX 两股物流的换热器 在两个物流之间换热
MHeatX 多股物流的换热器 在多股物流之间换热
Hetran 管壳式换热器 Aerotran 空冷换热器
1.2模块应用说明 1.2.1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
演示1：将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热到泡点，求热负 荷，泡点温度
演示2：采用2t 100C热水，将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加 热，热水出口温度50C，求热负荷，加热温度
– 环形直径 – 支承盘的几何尺寸
第9页
折流挡板的几何结构
Baffle Cut 折流挡板的切口高度 Tube Hole 管孔 Shell to Baffle Clearance 壳层到折流挡板的环形面积 Rod Diameter 圆盘直径 Ring Outside Diameter 环外径 Ring Ins有换热器核算
直径400mm，76×6000－－25mm； 4管程；面积35m2
够用，余量23%
例2-3(2).exe
第 28 页
冷凝器设计（1）
演示五、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＝3500+2200＝5700kg/h
– 温度8180℃，组成近似纯苯
第 25 页
演示三、精馏塔进料25℃，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℃？
– 学习热量流的应用 – 学习热量回收的基本方法 – 预热温度63℃，接近泡点
例1-3.exe
第 26 页
无相变换热器设计（1）
演示四、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BJAC基本使用方法
例3-2.exe
第 32 页
冷凝器设计（5）
第 33 页
冷凝器设计（6）
第 34 页
再沸器设计（1）
演示六、对上例中精馏塔再沸器进行设计，求面积、结构 – 塔底气量（模拟结果）：6503kg/h – 温度111℃，组成近似纯甲苯 – 加热蒸汽：4bar蒸汽（低压）
解：
– 污垢热阻：两侧均取0.0002 – 热侧走壳程 – 热虹吸再沸器、汽化率取12%，循环量6503/.12=54.191t/h – 进行设计（sizing） 例4-1.exe
2）核算热物流出口温度50C，需要多少面积？（150）
注意：a、冷热物料进口对应
b、有相变时很难收敛，改变Options中的闪蒸类型
c、结果有时不对，须仔细验证
练习3：演示4中，冷热污垢系数取0.0002，求冷热出口温度
第 23 页
二、换热器核算与设计（BJAC）
例1：已知填料塔的填料总高度8m，进料以上5m，填料为 Mellapak250Y，分离含苯44 ％ wt甲苯混和物。进料量5000kg/h， 塔顶采出98%wt苯，塔底采出98%wt甲苯。进料由常温预热至泡 点进料，产品甲苯需冷却至50C。
Hot-Hcurves Cold-Hcurves Block Options
规定热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 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 Detailed Results
浏览结果、质量和能量平衡、压降、速度和区域分析汇总。 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。
第 35 页
再沸器设计（2）
第 36 页
再沸器设计（3）
第 37 页
再沸器设计（4）
核算：
– 直径500，174根，25×2000mm；1管程；26m2
例4-2.exe
设计结果：
– 两个换热器串联，3m2＋3m2＝6m2
– 直径159mm ，16×3000－－19mm管；4管程
– 设计余量14%。
核算（rating)
– 根据设计数据核算标准换热器是否能用
例2-3(1).exe
直径219mm，33×3000－－19mm； 1管程；面积2×5.7m2
直径325mm，68×2000－－19mm； 4管程；面积2×7.7m2
Shell Diameter 壳体直径
Shell to Bundle Clearance 壳层到管束的环形面积
第8页
折流挡板的几何尺寸
壳侧膜系数和压降计算需要壳体内挡板的 几何尺寸。
对于弓形折流挡板，需要的信息包括：
– 折流挡板切口高度 – 折流挡板间距 – 折流挡板面积
对于圆盘形折流挡板需要的信息包括：
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 / 翅片厚度 Number of fins per unit length /Fin thickness
第 14 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。
第 15 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 Baffle to baffle spacing 壳壁/挡板间隙 Shell-baffle clearance 管壁/挡板间隙 Tube-baffle clearance
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
第 12 页
列管排列模式
第 13 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：
c、结果有时不对，须仔细验证
练习2：演示3中，已知K=300、S=8，求冷热出口温度
第 20 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。
演示一：求各个换热器的热负荷 分析：确定理论板数，查手册：2.5块/m,
– 共2.5×8＋1＝21块， – 进料位置2.5×5＝13块
第 24 页
设计规定求流量、进口温度 热集成 演示二、用循环水冷却，28℃~38℃，求循环水流量。
– F=Q/(38-28)/1=7000kg/h
提供B-JAC Hetran管 壳式换热器程序界面
提供B-JAC Aerotran 空冷换热器程序界面
加热器、冷却器、冷凝 器等
两股物流的换热器。当 知道几何尺寸时，核算 管壳式换热器
多股热流和冷流换热器， 两股物流的换热器， LNG换热器
管壳式换热器，包括釜 式再沸器
错流式换热器包括空气 冷却器
第2页
第 17 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。
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。
第 21 页
第 22 页
演示4：采用2t 100C热水，将5t常温常压下苯（44%wt）、 甲苯混合液加热。
1）已知壳径500、管长6m，100（25*2）根管子，2管程，求 冷热出口温度。（55，72）
Options
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。
Geometry User Subroutines
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。
规定用户定义的Fortran子程序的参数来计算整个的传热系数、LMTD校正因子、管 壁液体滞留量或管壁压降。
第 18 页
第 19 页
演示3：采用2t 100C热水，将5t常温常压下苯（44%wt）、 甲苯混合液加热。
1）已知K=500、S=5，求冷热出口温度。（63，62）
2）已知K=500、热物流出口温度50C，求面积。（10）
注意：a、冷热物料进口对应
b、有相变时很难收敛，改变Options中的闪蒸类型
练习1：将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热到露点, 采用3bar 蒸汽，需要多少kg蒸汽？
（不一定什么都需要Aspen来干）
第3页
1.2.2物流换热器（HeatX）
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
窗口名称
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。
管子的几何尺寸
计算管侧膜系数和压降需要管束的几何尺寸。 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
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管程参数
管程参数还有管尺寸(Tube size)， 可用两种方式输入：
Dynamic
规定动力学模拟的参数。
第4页
2）计算类型
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1.3换热器结构参数说明
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 strip pairs
解：
– 已知热侧：2800kg/h，111－>50℃，组成甲苯98%
– 冷侧：5000kg/h，25℃进，组成：苯44%
– 污垢热阻：两侧均取0.0003
– 热侧走管程
– 进行设计（sizing）
例2-1(1).exe
– 数据导出
例2-2.exe
例2-1(2).exe
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无相变换热器设计（2）
– 循环水2838℃
解：
– 污垢热阻：两侧均取0.0002
– 热侧走壳程
– 进行设计（sizing）
例3-1.exe
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冷凝器设计（2）
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冷凝器设计（3）
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冷凝器设计（4）
核算：
– 直径325，56根，25×4500mm；2管程；19.3m2 – 直径325，57根，25×4500mm；1管程；19.7m2
管程流向 Direction of tubeside flow
壳内径
Inside shell diameter
壳/管束间隙 Shell to bundle clearance
第6页
壳体类型
第7页
壳体尺寸
两个重要的壳体尺寸：
– 壳体内径 – 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
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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 出口管嘴直径 Outlet nozzle diameter
ASPEN PLUS 与化 工过程模拟
第6讲 换热器的模拟计算
1.1模块类型
一、换热器模块
模型
说明
目的
用于
Heater 加热器或冷却器
确定出口物流的热和 相态条件
HeatX 两股物流的换热器 在两个物流之间换热
MHeatX 多股物流的换热器 在多股物流之间换热
Hetran 管壳式换热器 Aerotran 空冷换热器
1.2模块应用说明 1.2.1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
演示1：将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热到泡点，求热负 荷，泡点温度
演示2：采用2t 100C热水，将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加 热，热水出口温度50C，求热负荷，加热温度
– 环形直径 – 支承盘的几何尺寸
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折流挡板的几何结构
Baffle Cut 折流挡板的切口高度 Tube Hole 管孔 Shell to Baffle Clearance 壳层到折流挡板的环形面积 Rod Diameter 圆盘直径 Ring Outside Diameter 环外径 Ring Ins有换热器核算
直径400mm，76×6000－－25mm； 4管程；面积35m2
够用，余量23%
例2-3(2).exe
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冷凝器设计（1）
演示五、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＝3500+2200＝5700kg/h
– 温度8180℃，组成近似纯苯
第 25 页
演示三、精馏塔进料25℃，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℃？
– 学习热量流的应用 – 学习热量回收的基本方法 – 预热温度63℃，接近泡点
例1-3.exe
第 26 页
无相变换热器设计（1）
演示四、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BJAC基本使用方法
例3-2.exe
第 32 页
冷凝器设计（5）
第 33 页
冷凝器设计（6）
第 34 页
再沸器设计（1）
演示六、对上例中精馏塔再沸器进行设计，求面积、结构 – 塔底气量（模拟结果）：6503kg/h – 温度111℃，组成近似纯甲苯 – 加热蒸汽：4bar蒸汽（低压）
解：
– 污垢热阻：两侧均取0.0002 – 热侧走壳程 – 热虹吸再沸器、汽化率取12%，循环量6503/.12=54.191t/h – 进行设计（sizing） 例4-1.exe
2）核算热物流出口温度50C，需要多少面积？（150）
注意：a、冷热物料进口对应
b、有相变时很难收敛，改变Options中的闪蒸类型
c、结果有时不对，须仔细验证
练习3：演示4中，冷热污垢系数取0.0002，求冷热出口温度
第 23 页
二、换热器核算与设计（BJAC）
例1：已知填料塔的填料总高度8m，进料以上5m，填料为 Mellapak250Y，分离含苯44 ％ wt甲苯混和物。进料量5000kg/h， 塔顶采出98%wt苯，塔底采出98%wt甲苯。进料由常温预热至泡 点进料，产品甲苯需冷却至50C。
Hot-Hcurves Cold-Hcurves Block Options
规定热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 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 Detailed Results
浏览结果、质量和能量平衡、压降、速度和区域分析汇总。 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。
第 35 页
再沸器设计（2）
第 36 页
再沸器设计（3）
第 37 页
再沸器设计（4）
核算：
– 直径500，174根，25×2000mm；1管程；26m2
例4-2.exe
设计结果：
– 两个换热器串联，3m2＋3m2＝6m2
– 直径159mm ，16×3000－－19mm管；4管程
– 设计余量14%。
核算（rating)
– 根据设计数据核算标准换热器是否能用
例2-3(1).exe
直径219mm，33×3000－－19mm； 1管程；面积2×5.7m2
直径325mm，68×2000－－19mm； 4管程；面积2×7.7m2
Shell Diameter 壳体直径
Shell to Bundle Clearance 壳层到管束的环形面积
第8页
折流挡板的几何尺寸
壳侧膜系数和压降计算需要壳体内挡板的 几何尺寸。
对于弓形折流挡板，需要的信息包括：
– 折流挡板切口高度 – 折流挡板间距 – 折流挡板面积
对于圆盘形折流挡板需要的信息包括：
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 / 翅片厚度 Number of fins per unit length /Fin thickness
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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。
第 15 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 Baffle to baffle spacing 壳壁/挡板间隙 Shell-baffle clearance 管壁/挡板间隙 Tube-baffle clearance
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
第 12 页
列管排列模式
第 13 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：
c、结果有时不对，须仔细验证
练习2：演示3中，已知K=300、S=8，求冷热出口温度
第 20 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。
演示一：求各个换热器的热负荷 分析：确定理论板数，查手册：2.5块/m,
– 共2.5×8＋1＝21块， – 进料位置2.5×5＝13块
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设计规定求流量、进口温度 热集成 演示二、用循环水冷却，28℃~38℃，求循环水流量。
– F=Q/(38-28)/1=7000kg/h
提供B-JAC Hetran管 壳式换热器程序界面
提供B-JAC Aerotran 空冷换热器程序界面
加热器、冷却器、冷凝 器等
两股物流的换热器。当 知道几何尺寸时，核算 管壳式换热器
多股热流和冷流换热器， 两股物流的换热器， LNG换热器
管壳式换热器，包括釜 式再沸器
错流式换热器包括空气 冷却器
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第 17 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。
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。
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演示4：采用2t 100C热水，将5t常温常压下苯（44%wt）、 甲苯混合液加热。
1）已知壳径500、管长6m，100（25*2）根管子，2管程，求 冷热出口温度。（55，72）
Options
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。
Geometry User Subroutines
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。
规定用户定义的Fortran子程序的参数来计算整个的传热系数、LMTD校正因子、管 壁液体滞留量或管壁压降。
第 18 页
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演示3：采用2t 100C热水，将5t常温常压下苯（44%wt）、 甲苯混合液加热。
1）已知K=500、S=5，求冷热出口温度。（63，62）
2）已知K=500、热物流出口温度50C，求面积。（10）
注意：a、冷热物料进口对应
b、有相变时很难收敛，改变Options中的闪蒸类型
练习1：将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热到露点, 采用3bar 蒸汽，需要多少kg蒸汽？
（不一定什么都需要Aspen来干）
第3页
1.2.2物流换热器（HeatX）
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
窗口名称
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。