CAPD基礎(chǔ)第五講

1、CAPD基礎(chǔ) 第五講Simulation Design of Thermal Processes 熱過程單元的仿真設(shè)計（一）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(Heat Exchangers)，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 (2)Heater 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（僅改變壓力，不涉及功率）Heater

2、 加熱器模型（2）Heater 連接Heater 模型的連接圖如下：1、閃蒸規(guī)定 ( Flash specifications) （1）溫度 Temperature （2） 壓力 Pressure （3）溫度改變 Temperature change （4）蒸汽分率 Vapor fraction （5）過熱度 Degrees of superheating （6）過冷度 Degrees of subcooling （7）熱負(fù)荷 Heat dutyHeater 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Heater 模型參數(shù)（2）2、有效相態(tài) ( Valid Phase )（1）蒸

3、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)：Heater 模型參數(shù)（4） 溫度20、壓力0.41 MPa、流量4000 kg/hr 的軟水在鍋爐中加熱成為0.39 MPa的飽和水蒸氣進入生蒸汽總管。求所需的鍋爐供熱量。 Heater 應(yīng)用示例 (1) 流量為1000 kg/hr （0.4 MPa ）的飽和水蒸汽用蒸汽過熱器加熱到過熱度 100 （0.39 MPa），求過熱蒸汽溫度和所需供熱量。 Heater 應(yīng)用示例 (2) 流量為 1000 kg/hr、壓力為 0.11 MPa、 含乙醇70

4、%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) 案例研究(Case Study)是ASPEN Plus提供的模型分析工具(Model Analysis Tools)之一。當(dāng)需要對多個不同的工況條件的結(jié)果進行比較時，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。Case Study 案例研究Case Study 案例研究（2）Case Study 參數(shù)定義 首先在改變(Vary)表單中定

5、義不同案例中需要改變的變量：使用變量序號(Variable number)下拉框中的新建(new)選項增添新的變量；使用調(diào)節(jié)變量(Manipulated variable)欄中的一組下拉框設(shè)定每一個變量的定義。Case Study參數(shù)定義（2）Case Study 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(Case number)下拉框中的新建(new)選項增添新的案例；在調(diào)節(jié)變量值(Values of manipulated variable)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。Case Study 參數(shù)賦值（2）C

6、ase Study 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 RunBatchSubmit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。Case Study批處理運行（2）Case Study批處理運行（3）Case Study 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。 流量為 100 kg/hr、壓力

7、為 0.2 MPa、溫度為20 的丙酮通過一電加熱器。當(dāng)加熱功率分別為 2 kW、5 kW、10 kW 和 20 kW 時，求出口物流的狀態(tài)。 Heater 應(yīng)用示例 (4)Heater 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Report Options中設(shè)定相應(yīng)的輸出參數(shù)選項即可。 求壓力為 0.2 MPa，含甲醇30%w、乙醇20%w、正丙醇20%w、水30%w 的混合物的泡點和

8、露點。 Heater 應(yīng)用示例 (5)HeatX 換熱器模型逆流/并流（Countercurrent / Cocurrent)折流板殼程（Segmental Baffle Shell)棍式擋板殼程（Rod Baffle Shell)裸管/低翅片管（Bare/Low-finned Tubes)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（2）HeatX 連接HeatX 模型的連接圖如下：計算類型 Calculation流動方式 Flow arrangement換熱器設(shè)定 Exchanger specificationHeatX模型設(shè)定Heat

9、X 的設(shè)定從規(guī)定(Specification) 表單著手，有三組設(shè)定參數(shù)：HeatX模型設(shè)定（2）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 Hetran Rigorous 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HeatX計算類型（2）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

10、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簡捷計算流動方式設(shè)定包括：1、熱流體(Hot fluid)流動空間： 殼程 (Shell) /管程 (Tube)2、流動方向(Flow direction)： 逆流 (Countercurrent) 并流 (Co-current) 多管程流動 (Multiple passes)HeatX流動方式HeatX流動方式 (2)1、逆流 CountercurrentHeatX 流動方向2、并流 Cocurrent熱物流出口溫

11、度 (Hot stream outlet temperature)熱物流出口溫降 (Hot stream outlet temperature decrease)熱物流出口溫差 (Hot stream outlet temperature approach)熱物流出口過冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling)熱物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fraction)HeatX 換熱器設(shè)定共有13個選項HeatX 熱物流出口溫差 冷物流出口溫度 (Cold stream outlet temperature)冷物流出口溫升

12、(Cold stream outlet temperature increase)冷物流出口溫差 (Cold stream outlet temperature approach)冷物流出口過熱度 (Cold stream outlet degrees superheat)冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction)HeatX 換熱器設(shè)定 (2)共有13個選項HeatX 冷物流出口溫差 傳熱面積 (Heat transfer area)熱負(fù)荷 (Exchanger duty)幾何條件 (Geometry) 在詳細(xì)計算時采用。HeatX 換熱器設(shè)定(

13、3) 共有13個選項 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HeatX LMTD校正（2） 壓降 ( Pressure Drop )分別指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力 ( Outlet pressure ) 指定值 0，代表出口的絕對壓力值 指定值 0，代表出口相

14、對于進口的壓力降低值HeatX 簡捷計算 HeatX 簡捷計算（2） 總傳熱系數(shù)方法 ( U methods )常數(shù) (Constant)相態(tài)法 (Phase specific values) 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) (Power law expression) U=Uref (Flow/Flowref)exponentHeatX 簡捷計算（3） HeatX U - 相態(tài)法 HeatX結(jié)果查看 HeatX最重要的是熱參數(shù)結(jié)果(Thermal results)，其下包括五張表單： 概況 Summary 衡算 Balance 換熱器詳情 Exchanger details

15、壓降/速度 Pre drop/velocities 分區(qū) ZonesHeatX 概況概況表單給出了冷、熱物流的進、出口溫度、壓力、蒸汽分率(Vapor fraction)，以及換熱器的熱負(fù)荷(Heat duty)。HeatX 概況 (2)HeatX換熱器詳情對于捷算法，換熱器詳情表單給出了需要的換熱器面積(Required exchanger area) 、結(jié)垢(Dirty)條件下的平均傳熱系數(shù)(Avg. heat transfer coefficient)、校正后的對數(shù)平均溫差(LMTD corrected) 和對數(shù)平均溫差校正因子(LMTD correction factor)等有用的信息。HeatX換熱器詳情（2）HeatX 分區(qū)分區(qū)表單給出了換熱器內(nèi)