Aspen_plus_热过程单元的仿真设计(一)(5讲)

HeatX—计算类型（2）
HeatX—简捷计算
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，模块计算达到指定换 热要求所需的换热面积。 使用模拟选项时，需设定换热面积，模 块计算两股物流的出口状态。
Heater — 应用示例 (4)
流量为 100 kg/hr、压力为 0.2 MPa、温度为20 ℃的丙酮通 过一电加热器。当加热功率分别 为 2 kW、5 kW、10 kW 和 20 kW 时，求出口物流的状态。
Heater — 物性计算
利用Heater模块可以很方便地计算混 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Report Options中设定相应的输出参数选 项即可。
Heater 加热器模型（2）
Heater —— 连接
Heater 模型的连接图如下：
Heater — 模型参数
Heater模型有两组模型设定参数：
从 中 任 选 两 项
1、闪蒸规定 ( Flash specifications) （1）温度 Temperature （2） 压力 Pressure （3）温度改变 Temperature change （4）蒸汽分率 Vapor fraction （5）过热度 Degrees of superheating （6）过冷度 Degrees of subcooling （7）热负荷 Heat duty
CAPD基础 第五讲
Simulation Design of Thermal Processes
热过程单元的仿真设计
（一）
传热单元模型的分类
传热单元归属换热器类(Heat Exchangers)， 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：
1. 2. 3. 4.
温度20℃、压力0.41 MPa、
流量4000 kg/hr 的软水在锅炉中
加热成为0.39 MPa的饱和水蒸气
进入生蒸汽总管。求所需的锅炉
供热量。
Heater — 应用示例 (2)
流量为1000 kg/hr （0.4 MPa ）
的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热
到过热度 100 ℃（0.39 MPa），
加热器 Heater 换热器 HeatX 多物流换热器 MHeatX 热通量换热器 HXFlux
传热单元模型的分类 (2)
Heater 加热器模型
Heater 模型用于模拟以下单元， 改变单股物流的温度、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）
Case Study—参数定义（2）
Case Study— 参数赋值
然后在规定(Specification)表单中 定义不同案例中调节变量的值：
• 使用案例序号(Case number)下拉框中 的新建(new)选项增添新的案例； • 在调节变量值(Values of manipulated variable)表的单元格中按顺序输入相应 案例里每一个调节变量的给定值。
求过热蒸汽温度和所需供热量。
Heater— 应用示例 (3)
流量为 1000 kg/hr、压力为 0.11 MPa、 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。
Case Study — 案例研究
案例研究(Case Study)是ASPEN Plus 提供的模型分析工具(Model Analysis Tools) 之一。当需要对多个不同的工况条件的结 果进行比较时，尤其是不同工况有多个且 数目不等的参数需要改变时，案例研究工 具提供了非常方便的手段: 一次输入所有工 况的参数值，通过批处理运行方式计算出 全部结果，自动输出到结果文件中。
(2)
HeatX— 流动方向
1、逆流 Countercurrent
2、并流 Cocurrent
HeatX — 换热器设定
共 有 13 个 选 项
1. 热物流出口温度 (Hot stream outlet temperature) 2. 热物流出口温降 (Hot stream outlet temperature decrease) 3. 热物流出口温差 (Hot stream outlet temperature approach) 4. 热物流出口过冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling) 5. 热物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fraction)
HeatX—模型设定（2）
HeatX—计算类型
计算栏目中有三个选项： 1、简捷计算 Short-cut 2、详细计算 Detailed 3、Hetran 精确计算 Hetran Rigorous 输出Hetran软件(换热器设计专用软件) 的输入文件供其精确计算。 下部的下拉式选择框中也有三个选项： 1、设计 Design 2、核算 Rating 3、模拟 Simulation 两组选项按下述方式配合使用：
Heater — 模型参数（2）
Heater — 模型参数（3）
Heater模型有两组模型设定参数：
2、有效相态 ( Valid Phase )
（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 — 模型参数（4）
Heater — 应用示例 (1)
Case Study— 参数赋值（2）
Case Study— 批处理运行
完成案例定义后，从窗口的级联 式菜单中选择“运行→批处理→提交” 命令 Run→Batch→Submit 并 在弹出的 对 话 框 中 设 定 运 行 代 号 (RunID)，运行结果输出文件将采用 运行代号作为文件名。
Case Study—批处理运行（2）
HeatX — LMTD校正（2）
HeatX—— 简捷计算
压降 ( Pressure Drop )
分别指定侧和冷侧的出口压力
( Outlet pressure )
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—— 简捷计算（2）
HeatX—— 简捷计算（3）
HeatX —— 概况
概况表单给出了冷、热物流的 进、出口温度、压力、蒸汽分率 (Vapor fraction)，以及换热器的热负 荷(Heat duty)。
HeatX —— 概况
(2)
HeatX——换热器详情
对于捷算法，换热器详情表单给出了 需 要 的 换 热 器 面 积 (Required exchanger area) 、结垢(Dirty)条件下的平均传热系数 (Avg. heat transfer coefficient)、校正后的 对数平均温差(LMTD corrected) 和对数平 均温差校正因子(LMTD correction factor) 等有用的信息。
HeatX — 热物流出口温差
HeatX — 换热器设定 (2)
共 有 13 个 选 项
6. 冷物流出口温度 (Cold stream outlet temperature) 7. 冷物流出口温升 (Cold stream outlet temperature increase) 8. 冷物流出口温差 (Cold stream outlet temperature approach) 9. 冷物流出口过热度 (Cold stream outlet degrees superheat) 10. 冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction)
HeatX — 冷物流出口温差
HeatX — 换热器设定(3)
共 有 13 个 选 项
11. 传热面积 (Heat transfer area) 12. 热负荷 (Exchanger duty) 13. 几何条件 (Geometry) 在详细计算时采用。
HeatX — LMTD校正
由于换热器内的流动并非理想的并流或逆流，因 此有效传热推动力需在对数平均温差 (LMTD) 的基础 上进行校正。校正因子的计算方法有四个选项： 1、常数 Constant 由用户指定校正系数，可查手册。 2、几何结构 Geometry 由软件根据换热器结构和流动情况计算。 3、用户子程序 User-subr 4、计算值 Calculated 流动方向为多管程流动时采用。
HeatX——结果查看
HeatX 最 重 要 的 是 热 参 数 结 果 (Thermal results)，其下包括五张表单： • 概况 Summary • 衡算 Balance • 换热器详情 Exchanger details • 压降/速度 Pre drop/velocities • 分区 Zones
总传热系数方法 ( U methods )
• 常数 (Constant)
• 相态法 (Phase specific values)
分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数
• 幂函数 (Power law expression)
U=Uref (Flow/Flowref)^exponent
HeatX—— U - 相态法
计算两股物流之间的热量交换。
HeatX 换热器模型（2）
HeatX—— 连接
HeatX 模型的连接图如下：
HeatX—模型设定
HeatX 的设定从规定(Specification) 表单着手，有三组设定参数： 1. 计算类型 Calculation 2. 流动方式 Flow arrangement 3. 换热器设定 Exchanger specification
Heater — 应用示例 (5)
求压力为 0.2 MPa，含甲醇
30%w 、 乙 醇 20%w 、 正 丙 醇
20%w、水30%w 的混合物的泡 点和露点。
HeatX 换热器模型
构的管—壳式换热器：
1. 2. 3. 4.
HeatX 模型用于模拟下述结
逆流/并流（Countercurrent / Cocurrent) 折流板壳程（Segmental Baffle Shell) 棍式挡板壳程（Rod Baffle Shell) 裸管/低翅片管（Bare/Low-finned Tubes)
HeatX——换热器详情（2）
HeatX —— 分区
分区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 括各区域的热流体温度、冷流体温度、对 数平均温差、传热系数、热负荷和传热面 积信息。我们可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。
Case Study—批处理运行（3）
Case Study— 结果查看
案例研究的模拟结果采用文件输 出，不能直接从图形用户界面中查看。 运行完成后，会在工作目录下自动生 成 输 入 (*.inp) 、 状 态 (*.sta) 、 简 汇 (*.sum)和输出(*.out) 四个文本文件， 结果数据在*.out文件中，可用文本编 辑软件打开查看和编辑。
Case Study— 案例研究（2）
Case Study— 参数定义
首先在改变(Vary)表单中定义不 同案例中需要改变的变量：
• 使用变量序号(Variable number)下拉 框中的新建(new)选项增添新的变量； • 使用调节变量 (Manipulated variable) 栏中的一组下拉框设定每一个变量的 定义。
HeatX—流动方式
流动方式设定包括： 1、热流体(Hot fluid)流动空间： 壳程 (Shell) /管程 (Tube) 2、流动方向(Flow direction)： 逆流 (Countercurrent) 并流 (Co-current) 多管程流动 (Multiple passes)
HeatX—流动方式