HTRI設計實例-最實用的初學者入門教材

1、-. zHTRI設計實例-最實用的初學者入門教材-. z目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc359507589 第1章前言 PAGEREF _Toc359507589 h 1 HYPERLINK l _Toc359507590 1.1 課題研究背景及意義 PAGEREF _Toc359507590 h 1 HYPERLINK l _Toc359507591 1.2 換熱器簡介 PAGEREF _Toc359507591 h 2 HYPERLINK l _Toc359507592 1.2.1 換熱器分類 PAGEREF _Toc359507592 h 2 HY

2、PERLINK l _Toc359507593 1.2.2 管殼式換熱器的構(gòu)造和使用特點 PAGEREF _Toc359507593 h 3 HYPERLINK l _Toc359507594 第2章冷凝器設計 PAGEREF _Toc359507594 h 8 HYPERLINK l _Toc359507595 2.1 冷凝器選型 PAGEREF _Toc359507595 h 8 HYPERLINK l _Toc359507596 2.1.1 飽和蒸汽冷凝 PAGEREF _Toc359507596 h 8 HYPERLINK l _Toc359507597 2.1.2 含不凝氣的冷凝冷卻

3、過程 PAGEREF _Toc359507597 h 8 HYPERLINK l _Toc359507598 2.1.3 安裝考前須知 PAGEREF _Toc359507598 h 9 HYPERLINK l _Toc359507599 2.2 冷凝器設計依據(jù) PAGEREF _Toc359507599 h 9 HYPERLINK l _Toc359507600 2.2.1 管殼式冷凝器類型的選擇 PAGEREF _Toc359507600 h 9 HYPERLINK l _Toc359507601 2.2.2 換熱器合理壓降的選擇 PAGEREF _Toc359507601 h 10 HY

4、PERLINK l _Toc359507602 2.2.3 工藝條件經(jīng)歷溫度的選擇 PAGEREF _Toc359507602 h 10 HYPERLINK l _Toc359507603 2.2.4 管長 PAGEREF _Toc359507603 h 10 HYPERLINK l _Toc359507604 2.2.5 管徑與管壁 PAGEREF _Toc359507604 h 11 HYPERLINK l _Toc359507605 2.2.6 折流板圓缺高度 PAGEREF _Toc359507605 h 11 HYPERLINK l _Toc359507606 2.2.7 折流板間距

5、 PAGEREF _Toc359507606 h 11 HYPERLINK l _Toc359507607 2.2.8 密封條 PAGEREF _Toc359507607 h 11 HYPERLINK l _Toc359507608 2.3 HTRI設計判據(jù) PAGEREF _Toc359507608 h 12 HYPERLINK l _Toc359507609 2.3.1 管殼側(cè)流速(velocity) PAGEREF _Toc359507609 h 12 HYPERLINK l _Toc359507610 2.3.2 設計余量(overdesign) PAGEREF _Toc3595076

6、10 h 12 HYPERLINK l _Toc359507611 2.3.3 熱阻(thermal resistance) PAGEREF _Toc359507611 h 12 HYPERLINK l _Toc359507612 2.3.4 流型 (flow fraction) PAGEREF _Toc359507612 h 13 HYPERLINK l _Toc359507613 2.3.5 Window and crossflow PAGEREF _Toc359507613 h 13 HYPERLINK l _Toc359507614 2.3.6 常見warning message及解決

7、方法 PAGEREF _Toc359507614 h 13 HYPERLINK l _Toc359507615 2.4 HTRI設計實例HTRI6.0計算 PAGEREF _Toc359507615 h 15 HYPERLINK l _Toc359507616 2.4.1 飽和蒸汽的冷凝 PAGEREF _Toc359507616 h 15 HYPERLINK l _Toc359507617 2.4.2 含有不凝氣的氣體冷凝 PAGEREF _Toc359507617 h 29 HYPERLINK l _Toc359507618 2.4.3 油氣冷凝冷卻 PAGEREF _Toc3595076

8、18 h 39 HYPERLINK l _Toc359507619 第3章結(jié)論 PAGEREF _Toc359507619 h 59 HYPERLINK l _Toc359507620 3.1 飽和蒸汽冷凝冷凝器數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc359507620 h 59 HYPERLINK l _Toc359507621 3.1.1 飽和蒸汽冷凝器構(gòu)造數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc359507621 h 59 HYPERLINK l _Toc359507622 3.1.2 飽和蒸汽冷凝器工藝數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc359507622 h 59 HYPERLINK l _Toc359507

9、623 3.2 含不凝氣的蒸汽冷凝冷凝器數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc359507623 h 60 HYPERLINK l _Toc359507624 3.2.1 含不凝氣的蒸汽冷凝器構(gòu)造數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc359507624 h 60 HYPERLINK l _Toc359507625 3.2.2 含不凝氣的蒸汽冷凝器工藝數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc359507625 h 60 HYPERLINK l _Toc359507626 3.3 油氣冷凝冷卻冷凝器數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc359507626 h 61 HYPERLINK l _Toc359507627 3.3.1 油

10、氣冷凝冷卻冷凝器構(gòu)造數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc359507627 h 61 HYPERLINK l _Toc359507628 3.3.2 油氣冷凝冷卻冷凝器工藝數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc359507628 h 61 HYPERLINK l _Toc359507629 致 PAGEREF _Toc359507629 h 62 HYPERLINK l _Toc359507630 參考文獻 PAGEREF _Toc359507630 h 63-. z第1章前言1.1 課題研究背景及意義我國的能源現(xiàn)狀存在著兩個突出的問題。第一，能源構(gòu)造不合理。相比國外而言，我國能源效率利用率低，單位產(chǎn)品能耗

11、高于世界同級水平。第二，由于我國人口眾多，雖然國能源儲量較大，但人均水平處于世界人均水平較低地位。因此,設計出一種能夠大幅節(jié)能的設備具有重大的戰(zhàn)略意義1-4。換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，其性能對能量利用效率、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟型起著重要的作用，有時甚至起決定作用。在石油、化工、能源等高能消耗工廠中，換熱器數(shù)量占工廠總設備數(shù)目的40%左右，設備投資占全部投資的30%40%左右，海水淡化工藝裝置根本全有換熱器組成5。近年來，利用換熱器對上下溫熱能回收帶來了巨大的經(jīng)濟效益。管殼式換熱器由于構(gòu)造穩(wěn)定、操作彈性大、技術(shù)成熟、適用面廣、使用材料圍廣等優(yōu)點，是最為常用的熱交換設

12、備之一。近年來，一些新型強化換熱器的出現(xiàn)促進了管殼式換熱器的開展。隨著換熱器設計方法和傳熱技術(shù)的開展，管殼式換熱器有了較大的改良和開展。在換熱器構(gòu)造上，折流擋板由單弓形開展到雙弓形、圓環(huán)形、螺旋形等來強化殼側(cè)流體的流動以增強傳熱。管程數(shù)有單程變化為雙程、四程甚至六程等，從而增加了管程流速，減少結(jié)垢。6在設計方法上，國際上有1962年成立的美國換熱研究公司HTRI和1968年英國成立的傳熱與流體流動效勞公司HTFS，現(xiàn)為ASPEN EDR,其軟件能較為快捷準確的模擬出換熱器的換熱效果。國的中國寰球工程公司和石油化工總公司等制定了相應的設計規(guī)和技術(shù)標準，推動了我國換熱技術(shù)的開展，對換熱器的研究和設

13、計作出了巨大的奉獻7。對設計的換熱器通常有一些根本的要求：首先需要滿足石油、化工等生產(chǎn)工藝的換熱要求，保證所設計的設備能在指定的情況下完成換熱任務，正常工作；其次還需要保證換熱器能夠長時間的運行而不發(fā)生故障；再次，設計的換熱器應盡可能構(gòu)造緊湊、設備占用體積小、便于維修等特點。最后，換熱器的熱量泄露少，阻力小，比擬經(jīng)濟等。HTRI軟件作為國際上最為常用的換熱器計算軟件之一，在國也有很大的應用市場。然而，在HTRI相關教程上十分稀少。為了幫助學習者能夠更快的了解相關計算，特編寫此論文。1.2 換熱器簡介1.2.1 換熱器分類換熱器作為傳熱設備隨處可見，在工業(yè)中得到大量的使用，特別在耗能用量十分大的

14、石油、化工等領域。隨著人類文明的進步，節(jié)能技術(shù)開展，所涉及的換熱器越來越多。對處在不同介質(zhì)、工況、溫度、壓力下的換熱器，構(gòu)造和形式有著很大的不同。其具體分類如下8-13：按傳熱原理分類直接接觸式換熱器兩種介質(zhì)接觸，直接傳遞能量，實現(xiàn)傳熱。傳熱量直承受接觸面積影響。常用為氣體與液體的傳熱。此類換熱器主要以塔設備為主體，很難區(qū)分與塔器的關系，常歸為塔式設備。蓄能式換熱器用量極少。熱介質(zhì)先加熱熱容較大的物質(zhì)，待所加熱物質(zhì)到達一定的溫度后，冷介質(zhì)以熱固體為換熱媒介得以升溫，從而到達換熱的目的。管板式換熱器此類換熱器占總量的99%以上。熱物流通過*種導熱系數(shù)較大的介質(zhì)將能量傳遞到冷物流的換熱器。此類換熱

15、器通常成為管殼式、板式、板翅式或板殼式換熱器。按傳熱種類分類無相變傳熱分為加熱器和冷卻器。有相變傳熱一般分為再沸器和冷凝器。再沸器又包括釜式再沸器、虹吸式再沸器、廢熱鍋爐等。管殼式換熱器分類固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端管板通過焊接的形式固定在殼體上。換熱管則采用脹接、焊接等方法與管板聯(lián)結(jié)。對于此類換熱器，殼側(cè)一般不清掃。故一般對含有污垢或者腐蝕性介質(zhì)安排走管程側(cè)。此類換熱器是最為常用的類型，最為經(jīng)濟。因此在設計換熱器時首選固定管板式換熱器。浮頭式換熱器當殼程側(cè)與管程側(cè)有較大的溫差或較高的壓力時，常采用此類換熱器。同時，由于管束可以抽出殼體之外，便于機械清掃。因此，浮頭式換熱器也適用于管

16、、殼程介質(zhì)污垢系數(shù)較大，即管殼程都需要進展機械清理的場合。U型管式換熱器管束膨脹可以通過U型管的彎曲局部變形來吸收，不受殼體的約束。還可以進展機械清洗，構(gòu)造比擬簡單。因而造價比浮頭式換熱器低。但是管程清洗較為困難，一般工藝設計讓清潔流體走管程。填料函式換熱器釜式再沸器1.2.2 管殼式換熱器的構(gòu)造和使用特點換熱器作為節(jié)能設備之一，在國民經(jīng)濟中有著十分重要的作用。換熱器的構(gòu)造決定了換熱器的性能。設計者合理的構(gòu)造設計能夠發(fā)揮換熱器的*種性能。不同的換熱環(huán)境有著不同的換熱構(gòu)造。設計者想要設計一個高效、節(jié)能的換熱器就必須了解換熱器的構(gòu)造特點。管殼式換熱器雖然種類繁多，但通?？梢詫⑵洳鸱譃榍胺忸^、殼體、

17、后封頭。不同構(gòu)造的部件用不同的英文字母表示。故換熱器可以用三個字母來表示。例如BES等等。相對GB151-1999，TEMA標準相比而言，少了I、Q、O殼體。TEMA分類及代號如圖1-1所示：圖1-1主要部件及代號浮頭式換熱器表1-1 換熱器的主要部件與圖1-2到圖1-5對應序號名稱序號名稱序號名稱1平蓋21吊耳41封頭管箱部件2平蓋管箱部件22放氣口42分程隔板3接收法蘭23凸型封頭43耳式支座部件4管箱法蘭24浮頭法蘭44膨脹節(jié)部件5固定管板25浮頭墊片45中間擋板6殼體法蘭26球冠形封頭46U形換熱管7防沖版27浮動管板47導流筒8儀表借接口28浮頭蓋部件48縱向隔板9補強圈29外頭蓋部

18、件49填料10殼體部件30排液口50填料函11折流板31鉤圈51填料壓蓋12旁路擋板32接收52浮動管板裙13拉桿33活動鞍座部件53局部剪切環(huán)14定距管34換熱管54活套法蘭15支持板35擋管55偏心錐殼16雙頭螺柱或螺栓36管束部件56堰板17螺母37固定鞍座部件57液面計接口18外頭蓋墊片38滑道58套環(huán)19外頭蓋側(cè)法蘭39管箱墊片59圓筒20外頭蓋法蘭40管箱圓筒部件60管箱側(cè)墊片圖1-2 AES、BES浮頭式換熱器浮頭式換熱器最大的特點是管束可抽出，對由于溫差造成的應力能夠通過自由伸縮緩解，從根本上防止了溫差應力的產(chǎn)生。其優(yōu)點是：管束抽出方便，便于清洗管、殼程適用于殼體與管子金屬溫差

19、超過30時或者冷熱流體的極限溫差超過110的條件，不會造成因膨脹造成的泄露。殼側(cè)能夠進展機械清理，能用于結(jié)垢比擬嚴重的場合。但也存在一定的缺點：小浮頭容易發(fā)生泄露。構(gòu)造相對復雜，造價相對較高。 U型管式換熱器圖1-3 BIU U形管式換熱器U形管式換熱器最大的特點是采用U形管式換熱器，管子兩端固定在同一管板上，因管束可以自由伸縮，故對熱膨脹的適應能力較強，多用于高溫高壓和管殼壁之間傳熱溫差較大的工況。其優(yōu)點是：管束可抽出進展機械清洗。殼體與管束不受溫差的限制。管束可抽出進展機械清洗。缺點是：最外排管子U形彎曲段因為無支撐，可能因跨度大而造成流動誘發(fā)振動問題。不可更換單根管子。填料函式換熱器圖1

20、-4 AFP填料函式換熱器圖1-5 AJW填料函式分流式換熱器填料函式換熱器最大的特點是管束可抽出，殼體與管束間可自由滑動，從而吸收因溫差而引起的熱膨脹。其優(yōu)點是：可用于高溫差的工藝流體換熱。管束可抽出，能進展機械清洗，能適用于結(jié)垢比擬嚴重和管束腐蝕嚴重的場合。缺點是：密封處易泄漏，不適于有毒、易揮發(fā)及貴重介質(zhì)的場合。-. z第2章 冷凝器設計2.1冷凝器選型因為本章主要介紹管殼式冷凝器，所以選型問題也僅限于管殼式冷凝器。10對冷凝器的選型，應根據(jù)實際情況進展分析，針對膜式冷凝的特點，結(jié)合正確的工藝計算，選擇出適當?shù)睦淠?。對飽和氣體冷凝和含不凝氣的氣體分別加以說明。2.1.1飽和蒸汽冷凝因為

21、在傳熱、壓降、清掃等方面分配比擬合理，故一般情況下選擇臥式殼程冷凝器。當冷凝工藝流體量和冷凝器的型號一樣時，臥式冷凝器的傳熱系數(shù)比立式冷凝器的傳熱系數(shù)的0.77L/D0.25倍。殼程冷凝時，飽和蒸汽的壓力降比管程的小。當用水做冷凝介質(zhì)時，冷卻水走管有利于清洗產(chǎn)生的水垢，并且容易保證較高的流速，從而產(chǎn)生較大的傳熱系數(shù)。對于飽和蒸汽冷凝，在特殊的情況下才不優(yōu)先考慮臥式殼程冷凝。當被冷凝的介質(zhì)壓力較高或嚴重腐蝕管材時，在管程冷凝比擬適宜，這樣殼體可使用普通鋼材，能夠減少設備投資。一般是指立式管程冷凝。對冷凝傳熱系數(shù)較高的物料水蒸汽、氨氣等，可以選擇立式冷凝器。雖然冷凝膜傳熱系數(shù)比臥式的低，但如果冷卻

22、水沿管子壁成膜狀流下，由于這樣水的膜傳熱系數(shù)比水充滿時的膜傳熱系數(shù)大，從而提高了總膜傳熱系數(shù)。常用的立式氨冷器就是典型的例子。2.1.2含不凝氣的冷凝冷卻過程低壓通常采用臥式殼程冷凝器。如果采用立式殼程冷凝器，在死角累計的不凝氣不易排出。同時冷凝液沿管壁流到折流版后，又在折流板的邊緣落到下層折板上。這樣凝液就不能很好的與管子接觸，也就得不到充分的冷卻。中壓近年來趨向采用立式管程冷凝，因為：凝液呈降膜形狀向下流動，對凝液的過冷有利。中壓狀況氣速較高，使凝液的液膜厚度薄，從而氣膜的熱阻低。氣速高時不凝氣也不易在冷凝器里積聚。在立式塔頂冷凝器中，氣體與凝液始終充分接觸，所以傳熱系數(shù)比臥式高。壓力降較

23、低。對立式冷凝器，當冷凝介質(zhì)走殼程時，通過改變折流板間距能夠獲得較高的膜傳熱系數(shù)。如果立式冷凝器的管殼程分配能夠保證完全逆流單管程、單殼程，凝液過冷效果就更好，可凝氣的損失也越少。高壓近來多采用臥式冷凝器，在設計時主要考慮采取適宜的流速以免液體與氣體分層。2.1.3 安裝考前須知臥式冷凝器為了便于凝液的排出，安裝時保持大約1%的坡度角度小，對傳熱的影響忽略不計。同時折流擋板的切口保持與豎直，以利于排除凝液和不凝氣。立式冷凝器為保證較大的傳熱系數(shù)，防止因氣節(jié)式的兩相流動引起的操作不穩(wěn)定，管流體流動時需自上而下。2.2冷凝器設計依據(jù)2.2.1管殼式冷凝器類型的選擇封頭前封頭的類型對換熱器影響因素壓

24、降和熱傳遞沒有影響，但后封頭的型式會對壓降和傳熱產(chǎn)生影響。一般前封頭選擇B。對水冷卻器，當管側(cè)需要定期清洗時且管側(cè)設計壓力小于10barg時前封頭選擇A型。M型后封頭一般為固定管板式換熱器的選擇，S型后封頭為浮頭式換熱器選擇。對高壓下操作的換熱器，前封頭一般選擇D型。殼體E型較為經(jīng)濟，是選擇殼體時的首選類型。F型當換熱器存在溫度穿插或者需要多個換熱器串并聯(lián)時，可選擇此類型殼體。管程數(shù)必須為偶數(shù)。J型當E型殼體壓降不能滿足要求時選擇此類型殼體。分為J21和J12兩種類型。即兩個進口一個出口和兩個出口一個進口。2.2.2 換熱器合理壓降的選擇較高的壓降會有較大的流速，能導致較少的設備投資，但運行費

25、用增高。小壓降與此相反。所以，要在設備投資與運行投資之間進展經(jīng)濟分析。下表列出常用換熱器的壓降值以供參考。表2-1管殼式換熱器的合理壓降操作情況操作壓力合理的壓力降減壓操作P0100Kpa(絕)P/10低壓操作P070Kpa(表)P/2P70 1000Kpa(表)35Kpa中壓操作(包括用泵)P1000 3000Kpa(表)35180Kpa較高壓操作P3000 8000Kpa(表)70 250Kpa2.2.3 工藝條件經(jīng)歷溫度的選擇為防止結(jié)垢，冷卻水的出口溫度一般低于60。低溫端溫差在5之外，高溫端溫差應大于20。對工藝流體的換熱，低溫端溫差一般高于20。采用多管程、單殼程，以水為冷卻劑時，為

26、防止產(chǎn)生溫度穿插，冷卻水的出口溫度一般低于工藝物流的出口溫度。2.2.4 管長12.2m長的碳鋼管，21.3m長的銅合金管通常在國不能夠生產(chǎn)。6m長的管子比擬普遍。在一樣傳熱面積時，長管較好。原因如下：減少管程數(shù)，減少壓力，每平方傳熱面的價格低。由于國不能夠生產(chǎn)太長的管子，國一般選用46m的管子。在冷凝器中選用長管子會增大設備放置平臺的鋼構(gòu)造面積進而增加費用。對浮頭式冷凝器會增加管子的抽出空間，從而增加設備的占地面積。2.2.5 管徑與管壁管徑越小換熱器越緊湊，造價也就越低。但小管徑會導致大壓降。因此，在設計換熱器時，首先選用19mm管徑來保證滿足允許壓降。當設計易結(jié)垢的流體換熱時，可選用25

27、mm的管徑，這樣更方便清洗。表2-2 常用國換熱管的規(guī)格材料鋼管標準外徑mm*厚度mm碳鋼GB8163-8719 * 2碳鋼GB8163-8725 * 2碳鋼GB8163-8725 * 2.5不銹鋼GB2270-8019 * 2不銹鋼GB2270-8025 * 22.2.6 折流板圓缺高度單弓形圓缺型折流板的建議開口高度為直徑的1045%，雙弓形折流板的建議開口高度為直徑的1525%。2.2.7 折流板間距折流板間距影響到殼程流體的流速和流動狀態(tài)，從而對傳熱速率產(chǎn)生一定的影響。最小的折流板間距為殼體直徑的1/5且不小于50mm。建議的最大折流板間距為殼體直徑的1/2。2.2.8 密封條也稱旁路

28、擋板，主要防止bundle-shell的泄露流。一般成對設置。建議按照下面的數(shù)量進展設置。DN小于500mm時，設置一對；DN在5001000mm時，設置兩對；DN大于1000mm時，設置三對較為適宜。對固定管板式和U型管式換熱器因為間隙不大，不必使用密封條。對有相變的設備，由于密封條會影響氣液相的別離，不建議使用密封條。142.3 HTRI設計判據(jù)HTRI共三個計算模塊。分別包括核算、模擬、設計。其中，設計design模式需要較少的工藝條件，軟件根據(jù)提供的條件進展計算，初步得到其他缺少的幾何構(gòu)造，熱傳遞系數(shù)和壓力降等。校核rating模式輸入工藝條件和相關的幾何參數(shù)，計算熱負荷并通過不斷的優(yōu)

29、化設計，得到最優(yōu)化的合理結(jié)果。設計模式和校核模式是最常用的計算模式，對經(jīng)歷豐富的設計人員，可以直接進展校核計算。模擬計算是驗證換熱器熱負荷是否滿足要求。HTRI程序可以設計殼體類型、殼體直徑、管長、管間距、折流板間距、折流板類型、管徑、管心距。15-162.3.1 管殼側(cè)流速(velocity)為防止結(jié)垢等不正?，F(xiàn)象，管殼側(cè)需要保證有一定的流速圍。常用流速如下表所示：表2-3管殼式換熱器中常用的流速圍流體的種類一般流體易結(jié)垢流體氣體流速m/s管程0.53.01.05.030殼程0.21.50.53.015表2-4水的流速表(管)類別管材最低流速(m/s)最高流速(m/s)適宜流速(m/s)凝結(jié)

30、水鋼管0.60.90.60.90.60.90.750.90.750.93.03.73.73.02.41.82.41.82.41.82.41.82.41.82.4河水(干凈的)鋼管循環(huán)水(處理的)鋼管海水含銅鎳的管海水鋁銅管2.3.2 設計余量(overdesign)對單相系統(tǒng)設計余量為05%，兩相系統(tǒng)510%左右。對于管殼式換熱器，2030%也是允許的，為了適應以后工藝條件變化。熱阻(thermal resistance)一般污垢熱阻所占比例不宜超過50%。流型(flow fraction)在HTRI設計結(jié)果report中，報告右下角給出了5種流體所占分率。為保證換熱器又較好的傳熱效率，建議B

31、0.6，Eflash type中更改計算類型即可。不可忽略。2.4 HTRI設計實例HTRI6.0計算2.4.1飽和蒸汽的冷凝設計任務和設計條件設計一冷凝器，用以冷凝來自氣提塔的氨蒸氣，并選定冷凝器的操作壓力。露點下氨的流量為653.2kg/h，冷卻水的入口溫度為32.2。確定設計方案為防止因溫差過小引起的水量過大，這里選擇冷卻水升溫510。同時為保證氨的出口溫度比冷卻水的出口溫度高5，查氨的莫利爾圖得，氨在1.6MPa時的凝點是41.4。所以選擇氨的操作壓力是1.6Mpa。因冷熱兩股流體的溫差較小，冷卻水、氨的污垢系數(shù)接近為0，這里選擇固定管板式換熱器較為經(jīng)濟。對飽和純組分蒸汽冷凝，選擇立式

32、殼程冷凝器能到達更好的換熱效果，因此選擇立式，熱流體走殼程，冷流體走管程。軟件計算步驟本文以HTRI6.0為例翻開HTRI，在File菜單下選擇New Shell and Tube E*changer界面。這個界面由三局部組成，樹形欄，可以點擊選擇要輸入的項；輸入面板，可以在相應的框里輸入具體的數(shù)據(jù)，最下面一欄可以在Input、Report、Gragh等界面間切換。如圖2-2所示。設定Case單位制，選擇SI。換熱器幾何參數(shù)設定Case modeHTRI6.0中Case mode共三個選項Rating：校核計算模式，具備了足夠的換熱器尺寸與工藝物流條件之后，災此種模式下計算換熱器的壓力降和熱負

33、荷，得到Report，校核所設計的換熱器是否符合標準。Simulation：模擬計算模式，此種模式考察換熱器能否滿足規(guī)定的熱負荷。Design：設計計算模式，當初始條件較少時，選用此種模式可以得到換熱器的初步構(gòu)造參數(shù)結(jié)果。通常是先通過設計計算，得到換熱器的初始尺寸，然后進展校核計算，經(jīng)過屢次校核，得到最終的設計結(jié)果。圖2-2數(shù)據(jù)輸入總界面E*changer configuration對于冷凝器，選擇默認的generic shell and tube。Process conditions冷熱流體流量，溫度，壓力等根據(jù)題目所給輸入。壓降一般由甲方指定，但是當不指定時，可選用著經(jīng)歷數(shù)值，見2.2.2

34、節(jié)。需要指明的是對于weight fraction vapor，1代表全氣體，0代表全液體。污垢熱阻在資料書中查詢10 ,14。Shell geometryTEMA type：對于此次設計的氨冷凝器，首先選擇BEM類型進展初步設計。ID：在設計計算模式中不用輸入，待計算后得到初步的設計結(jié)果。由校核計算輸入。Orientation：選擇vertical垂直方向。Hot fluid：熱流體走殼程還是管程。選擇shellside，殼程。Baffle geometryType:折流板類型，折流板具有各自不同的優(yōu)缺點。下面列出常用的折流板圖2-3單弓形折流板圖2-4窗口側(cè)無排管折流板(single ba

35、ffle) (NTIW baffle)圖2-5雙弓形折流板(Dobble baffle)其中，單弓形折流板最為經(jīng)濟。單弓形NTIW，在振動存在的時候改用此類折流板。雙弓形折流板用于在單弓形折流板壓降較大時的情況。還有一些特殊類型的折流板，讀者可根據(jù)需要自行選用。圖2-6桿型折流板圖2-7螺旋形折流板RODbaffle Helicalbaffle圖2-8雙螺旋型折流板Double Heli*圖2-9全網(wǎng)格折流板 圖2-10魔方型折流板EMbaffle,Full Grid Square-One Baffle這里選擇單弓形折流擋板，一般來說，單弓形折流板最為經(jīng)濟16。Orientation：折流擋板

36、圓缺方向,水平裝配可對流體造成較強的擾動，從而增加傳熱系數(shù)，在無相變的換熱中較為常用。垂直裝配則更適合在臥式冷凝器中，這種排列方法有利于排除冷凝器中的不凝氣和冷卻液。Tube geometryType：選擇默認的光滑管 plain。Pitch選擇管徑的1.25倍常用或者1.33倍，wall thickness根據(jù)標準選用，這里選擇2mm。在使用HTRI軟件設計過程中，只需要填寫紅框數(shù)據(jù)即可。填寫完畢后，界面如圖2-11所示：圖2-11 數(shù)據(jù)填寫完成input summary界面流體物性輸入單擊樹形欄Hot Fluid Properties或Cold Fluid Properties會出現(xiàn)圖2-

37、12物性輸入選擇界面：物性對于設計結(jié)果具有很大的影響。在輸入物性時有一些輸入原則。Physical property input option，三個選項分別代表：如果知道組成，則選取第二項ponent by ponent。如果知道物性，則選取第一項Mi*ture properties via grid。如果知道組成，又希望自己輸入一些物性，則選取第三項ponent and grid properties。Heat Release Input Method，對應熱量有關物性的輸入：第一項為哪一項用戶自己進展規(guī)定User specified。第二項是規(guī)定露點及泡點Specified dew/bub

38、ble point。第三項程序自己計算program calculated。對于本例題，選擇左邊第二項ponent by ponent，右邊第三項program calculated。流體名稱為ammonia。position units選擇默認的moles即可。Flash type 選擇默認的integral積分法，計算結(jié)果提示使用differential微分法時再修改。圖2-12 物性輸入選擇界面雙擊樹形欄的Hot Fluid Properties，看到ponent圖標上有紅框標識，說明這一項還需數(shù)據(jù)輸入。點擊翻開，出現(xiàn)圖2-13所示界面。圖2-13 熱流體物性輸入界面在package中，

39、默認的安裝物性包有HTRI、VMGThermo。用戶可以根據(jù)需要自行使用所需要的物性包。其中，VMGThermo的assay可以用來分析油品數(shù)據(jù)，將在油品例題中闡述。按照同樣的方法輸入冷流體物性。圖2-14 冷流體物性輸入界面在HTRI物性包中水有兩種，包括waterIAPWS 1997和waterprevious HTRI。一般選擇前者，即waterIAPWS 1997，IAPWS代表The International Association for the Properties of Water and Steam。注意：在樹形欄control一項method中，condensation選

40、項，選擇純組分pure ponent為yes計算，否則，HTRI會按照含有不凝氣計算，使熱傳遞系數(shù)計算不正確，從而影響結(jié)果。此時樹形欄中各項已經(jīng)沒有紅色方框，說明輸入已經(jīng)完畢。點擊運行按鈕計算，出現(xiàn)report窗口，見表2-5。表2-5 初步設計結(jié)果一對Runtime Message里的警告容暫時不用考慮，即得到了設計的初步結(jié)果。為考察初步的設計結(jié)果是否合理，將設計模式改為Rating校核模式，在校核模式計算過程 中所缺少的參數(shù)可以暫用report中的數(shù)據(jù)。換熱器的校核設計：將Case mode改為校核模式，根據(jù)初步設計的結(jié)果輸入紅色方框的容。圖2-15 校核設計數(shù)據(jù)輸入框參考固定管板式換熱器

41、標準，將換熱器殼徑輸入為300mm，折流擋板間距baffle spacing輸入為150mm，點運行按鈕。得到表2-6結(jié)果。結(jié)果分析17-20：查看表2-6，因Tubeside流速太小參考第2.2.1節(jié)，改管程為2。且L/D太大。L/D建議在510圍。根據(jù)標準，選擇管長改為4.5m，殼徑改為273mm。為增加B-FLOW,減少E-FLOW，將baffle spacing改為250mm，layout angle 改為60。運行，得到表2-7結(jié)果。查看表2-7，為減小window流速，將baffle cut改為32%，為減少F-FLOW，在clearances中的passlane seal dev

42、ice中，將number of rods設置為10。為減少A-FLOW，在clearances中的diameral clearances中設置tube-to-baffle為0.5mm，為減少E-FLOW，在clearances中的diameral clearances中設置為2.5mm。運行。得到表2-8結(jié)果。表2-6 校核設計結(jié)果一表2-7 校核設計結(jié)果二表2-8 校核設計結(jié)果三在final result中，有一項指標的考察較為重要，即壓力降。見表2-9。發(fā)現(xiàn)殼側(cè)進口管壓降較大，為46.67pa。超過了建議圍的壓降30%。通過觀察殼側(cè)入口管尺寸為52mm，所以增加其至62mm，殼側(cè)進口管壓降

43、符合要求，見表2-10。表2-9 換熱器壓降分布一CrossWindowEndsNozzleShellTube37.2817.771.62Inlet46.679.71MOMENTUM-3.90Outlet0.566.19表2-10 換熱器壓降分布二CrossWindowEndsNozzleShellTube33.206.3916.52Inlet22.895.91MOMENTUM-5.19Outlet26.183.77計算完畢。注意，因為此題目的runtime message中的警告可以忽略，所以在上述講述過程中沒有涉及，在其他題目中應該根據(jù)此項的容進展相關調(diào)整。Runtime message是

44、進展調(diào)整的依據(jù)。HTRI與EDR計算結(jié)果比照通過比擬HTRI的設計結(jié)果，給定一樣的設計參數(shù)設計出的換熱器不盡一樣。表2-11 EDR與HTRI參數(shù)比擬構(gòu)造參數(shù)工藝參數(shù)EDRHTRI型號BEM氨氣進口溫度4242方向豎直出口溫度40.5941.12殼徑/mm273殼程流速1.160.48管長/mm4500管程流速1.291.34管徑/mm19.05殼側(cè)壓降1.9650.793管子數(shù)86設計裕量1911.1管壁厚/mm2.11殼側(cè)膜系數(shù)5617.65135.6管間距/mm23.81管側(cè)膜系數(shù)4912.16552.7管程數(shù)2A0.090.045布管方式60B0.680.667板間距/mm250C0.

45、070.075續(xù)表2-11構(gòu)造參數(shù)工藝參數(shù)EDRHTRI折流板類型單弓形E0.080.09折流板方向豎直F0.090.123弓缺/%40在一樣的構(gòu)造參數(shù)之下：1.EDR與HTRI的殼程流速相差較大，可能原因是兩個軟件的流速計算方法不同。2.EDR殼側(cè)流速較大導致了壓降較高，殼側(cè)膜系數(shù)較高。3.EDR與HTRI進出口溫度設計有差異，原因在于兩個軟件所使用的物性數(shù)據(jù)包不同，因此物流的物性有差異。4.構(gòu)造參數(shù)一樣，殼側(cè)各流股根本一樣，差異原因在于兩個軟件系統(tǒng)默認的各部件間距不同。5.EDR設計裕量較大，當流速一致的情況下，兩者的設計裕量根本一樣。結(jié)論：EDR與HTRI使用一樣參數(shù)進展設計，由于其部計

46、算方法不同，得到的結(jié)果有所差異，不過設計校核之后的冷凝器各項參數(shù)均符合要求。2.4.2 含有不凝氣的氣體冷凝設計任務和設計條件對含有不凝氣的換熱器設計，在物性輸入時應注意相態(tài)的選擇。對不凝氣，其phase選擇為vapor，即沒有相變。由一臺烴類氣體壓縮機排出的混合氣為6164.38kg/h的干烴氣體，所帶入的水分為644.11kg/h?；旌蠚獬鰤嚎s機進入冷凝器的溫度為121.11，壓力為234.422Kpa，要求冷卻到40，干氣體的分子量是12.7。干烴氣體組成摩爾分率：乙炔0.148，氫氣0.531，甲烷0.098，一氧化碳0.223。確定設計方案首先設定冷卻水的進口溫度為32.2，為防止冷

47、卻水用量過大，選擇冷卻水的溫升為5。對本例題冷熱兩股流體的極限溫差并未超過110，選擇固定管板式換熱器較為經(jīng)濟。對低壓操作，采用臥式殼程冷凝。首先，查得對烴類氣體污垢熱阻為0.0002m2h/kcal。軟件計算步驟翻開HTRI，新建管殼式換熱器模塊，輸入幾何數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)。圖2-16 數(shù)據(jù)輸入完畢界面流體物性輸入對含不凝氣的物流的數(shù)據(jù)輸入，在選擇時應注意相態(tài)問題。首先根據(jù)題目所給工藝流體的數(shù)據(jù)計算當包含水蒸氣時摩爾組成。表2-12物流各組分組成組分乙炔氫氣甲烷一氧化碳水蒸氣摩爾流量kmol/h摩爾組成71.840.1378257.740.494547.570.0913108.240.20773

48、5.780.0687在物性輸入欄里輸入相關數(shù)據(jù)圖2-17 熱流體物性輸入界面一在phase里面，見圖2-18。Mi*ed代表流體有相變，Vapor或Liquid代表沒有相變。在輸入混合物的時候注意輸入混合物的組成。這也是含有不凝氣計算時與其他情況的不同點。同樣的方法，輸入冷流體的物性。圖2-18 熱流體物性輸入界面二圖2-19 冷流體物性輸入界面一圖2-20 冷流體物性輸入界面二含有冷凝相變，在Control-Methods-Condensation里面輸入冷凝組分數(shù)為1。圖2-21 軟件計算其他選項此時樹形欄已經(jīng)沒有紅色方框，點擊運行按鈕，計算。表2-13 初步設計結(jié)果一計算出結(jié)果后，將涉及

49、模式改為計算模式，所缺少的參數(shù)根據(jù)design 模式得到的report輸入。對Runtime Message里的警告容暫時不用考慮。 換熱器的校核設計將Case mode改為校核模式，根據(jù)初步設計的結(jié)果輸入紅色方框的容。參考固定管板式換熱器的標準，并注意到初步設計的Overdesign為203.42%。所以選擇殼徑為400mm，管長選為4m。折流板間距為200mm。點運行按鈕。計算。出現(xiàn)如圖2-14的警告。表2-14 校核設計結(jié)果一警告查看runtime message表2-14里面容，提示設計的換熱器殼側(cè)壓降太大，已經(jīng)超過了入口壓力。查看report里output summary里的結(jié)果，壓

50、降為246.276kpa，超過了進口壓力234.425kpa。因此，選擇雙弓形折流擋板和J21殼徑以減少壓力損失。選擇，計算。得到設計結(jié)果，如表2-15所示。表2-15 校核設計結(jié)果二表2-16 校核設計結(jié)果二警告查看runtime message，問題一提示熱流體插值得到的物性不能到達有效的溫度圍，檢查計算值。也就是說所設計的溫度圍太窄，這是改變溫度圍可以解決這個問題。但是溫度為工藝設定溫度，因此不可改變。本問題并不影響計算結(jié)果。因為計算結(jié)果是插值得來的。而物性隨溫度的曲線根本服從插值的規(guī)律。問題二說的就是殼側(cè)流速過大問題。為解決以上問題，參考計算殼側(cè)入口管徑為204mm，將入口管徑改為25

51、4mm。為增加管程流速，選擇雙管程。為使window/crossflow比值接近1。調(diào)節(jié)baffle spacing為150mm。計算，運行。得到最終的設計結(jié)果，如表2-17。表2-17 校核設計結(jié)果三計算完畢。2.4.3 油氣冷凝冷卻設計任務和設計條件用冷卻水冷凝冷卻常壓塔頂汽油，汽油流量為3409.4kg/h，汽油出塔溫度70，要求冷卻至40，冷卻水入口溫度18，設計管殼式冷凝冷卻器，常頂汽油的物性如表2-18。20密度為733.2kg/m3。表2-18 常壓塔頂汽油恩氏蒸餾曲線體積分率初餾點10%30%50%70%90%95%干點溫度 3980102117129146169確定設計方案為

52、防止溫差過大，選擇冷卻水溫升為5。因冷熱兩股流體的極限溫差較小，并且不需要機械清洗，選擇固定管板式換熱器。對常壓塔油品冷凝，選擇臥式殼程冷凝。軟件計算步驟首先，對于油品等混合類不知道具體組成的情況，首選利用PROII或者aspen plus模擬油品物性，然后導入到HTRI中計算。HTRI本身也可以計算，本例題將從外界導入和自身計算兩方面進展表達。Aspen模擬數(shù)據(jù)導入計算翻開aspen plus軟件，simulations選擇general with metric units，run type選擇assay data analysis。建立新模塊，圖2-22。選擇setup-specifica

53、tion-global選框，輸入本次模擬的名稱。輸入為OIL，其他選項選擇默認即可，圖2-23。隨后，開場輸入的虛擬組分。選擇ponent-specifications-selection，定義虛擬組分的ponent ID為H-FLOW，type選擇assay，圖2-24。點擊ponents-assay/blend，選擇剛剛命名的H-FLOW組分，并點擊下側(cè)的edit，圖2-25。根據(jù)題目為恩氏蒸餾的數(shù)據(jù)曲線，選擇ASTM D86，根據(jù)所給密度計算油品重度為61.49。輸入ASTM D86數(shù)據(jù)圖2-26。一般來說，題目所給的數(shù)據(jù)越多，軟件計算的越為準確。尤其是輕端組分light ends。一般

54、以C6為分界限。另外重度曲線、分子量等也可輸入。圖2-22 aspen模塊選擇對話框圖2-23 全局設定圖2-24 輸入組分圖2-25 模擬編輯圖2-26 數(shù)據(jù)輸入這時數(shù)據(jù)已經(jīng)輸入完畢，點擊ne*t按鈕，運行。得到油品虛擬組分。可在ponents-petro characterization-results里查看分割結(jié)果。圖2-27 虛擬組分結(jié)果為能導入進HTRI進展計算，需要在aspen plus建立冷凝器模型，點擊setup-specifications-global里的run type里選擇flowsheet，這時會出現(xiàn)流程模擬框。選擇換熱器模型為heater-heater，模塊命名為c

55、ooler，并建立流連接。圖2-28 流程建立建立完成后開場輸入物性數(shù)據(jù)。首先需要選擇軟件計算的物性方法。在properties-specifications-global里，process type選擇mon，base method選擇UNIQUAC。圖2-29 確定物性隨后輸入流股數(shù)據(jù)。在streams-HI-input-specifications里輸入熱物流的進口數(shù)據(jù)。圖2-30 熱流體數(shù)據(jù)點擊blocks-cooler-specification。輸入數(shù)據(jù)。Temperature出口溫度為40，vapor fraction為0。圖2-31 設備數(shù)據(jù)輸入圖2-32 模擬計算過程圖2-3

56、3 熱物流曲線數(shù)據(jù)輸入在導入HTRI之前，需要首先繪制冷熱物流曲線。點擊blocks-cooler-hcurves，新建一個曲線，名字按照默認即可。在接下來的setup里面，independent variable選擇temperature，其他選擇默認。在additional properties，添加需要的物性數(shù)據(jù)。圖2-34 熱物流曲線物性輸入圖2-35熱物流曲線數(shù)據(jù)結(jié)果運行，計算。這時，在hot hcurves-1-result已經(jīng)可以查看計算的數(shù)據(jù)。圖2-36 數(shù)據(jù)輸出為了在轉(zhuǎn)換為HTRI可用數(shù)據(jù)時方便，e*port文件名為4，放在E盤根目錄，保存類型為sum18-19，圖2-36。

57、圖2-37aspen plus simulation engine界面圖2-38 aspen plus simulation engine數(shù)據(jù)輸入一首先需要翻開存放文件的目錄地址。輸入cd.,回車，e:，回車。來到E盤根目錄。輸入ht*int 2，回車。根據(jù)提示，輸入相關容。圖2-39aspen plus simulation engine數(shù)據(jù)輸入二圖2-40aspen plus simulation engine數(shù)據(jù)輸入三圖2-41aspen plus simulation engine數(shù)據(jù)輸入四圖2-42aspen plus simulation engine數(shù)據(jù)輸入五輸出完畢，關閉軟件。

58、這時會生成名為2的dat文件。使用HTRI軟件翻開。使用HTRI自帶軟件包進展油品的模擬首先翻開熱物流物性輸入界面，選擇VMGThermo物性包，點擊下面項assay。圖2-43熱流體數(shù)據(jù)模擬一點擊info下面的按鈕，翻開數(shù)據(jù)模擬油品數(shù)據(jù)輸入界面。圖2-44熱流體數(shù)據(jù)模擬二根據(jù)條件輸入相關數(shù)據(jù)。這里知道密度和恩氏蒸餾曲線。圖2-45熱流體數(shù)據(jù)模擬三在e*periment type里可以選擇曲線類型。選擇ASTM D86曲線。這是數(shù)據(jù)已經(jīng)輸入完畢。點擊OK完畢。此外，還可以輸入重度曲線、輕端組分等等?？砂磳嶋H情況輸入。一般來說，數(shù)據(jù)輸入的越多，軟件模擬的越準確。圖2-46熱流體數(shù)據(jù)模擬四此時hot fluid properties以無紅色方框，即熱流體物性模擬完畢。按照aspen模擬的數(shù)據(jù)進展計算。使用HTRI軟件翻開生成的.dat文件。圖2-47數(shù)據(jù)輸入界面注意hot fluid prope