运用aspen及其套件设计换热器
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ASPEN PLUS软件在管壳式换热器设计中的应用摘要:文章介绍了ASPEN PLUS软件在管壳式换热器设计中的应用。
通过与必要的手工计算相结合,便捷高效地设计出符合中国相关标准管壳式换热器的步骤和方法。
并以一个实例来演示所提方法的简单性和有效性,所得的换热面积相比节省了 66. 7%。
关键词:换热器设计 ASPEN PLUS引言ASPEN PLUS软件是一款功能强大的化工软件、动态模拟及各类计算的软件,它几乎能满足大多数化工设计及计算的要求,其计算结果得到许多同行的认可,该软件也和其他软件一样在不断的升级。
换热器是一种实现物料之间热量传递的设备,广泛应用于化工、冶金、电力、食品等行业。
在化工装置中换热设备占设备数量的40%左右,占总投资的 35% ~46%。
目前,在换热设备中,使用量最大的是管壳式换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中占有绝对优势。
换热器的设计主要包括传热和阻力计算两个方面。
由于换热器的设计方法比较烦杂,且需要迭代计算,故借助于日益普及的计算机软件进行优化设计则可以极大地提高工作效率。
目前,工程上已大量使用商业软件进行换热器的计算。
最著名的专业换热器计算软件主要有成立于 1962 年的美国传热研究公司 ( HTRI)开发的 XchangerSuite 软件;成立于 1967 年的英国传热及流体服务(HTFS)开发的 HTFS 系列软件和 B-JAC 软件。
为了便于组织工业生产,换热器的设计要尽可能符合相关的行业标准。
对于管壳式换热器,国外主要标准有TEMA(TubularExchangersManu-facturersAssociation)和 ASME (American SocietyofMechanical Engineers);国内主要标准有国标 GB151-1999(管壳式换热器标准),行业标准 JB/T 4715-92(固定管板式换热器形式与基本参数)和 HG 21503-92(钢制固定式薄管板换热器)。
ASPEN PLUS软件在管壳式换热器设计中的应用摘要:文章介绍了ASPEN PLUS软件在管壳式换热器设计中的应用。
通过与必要的手工计算相结合,便捷高效地设计出符合中国相关标准管壳式换热器的步骤和方法。
并以一个实例来演示所提方法的简单性和有效性,所得的换热面积相比节省了 66. 7%。
关键词:换热器设计 ASPEN PLUS引言ASPEN PLUS软件是一款功能强大的化工软件、动态模拟及各类计算的软件,它几乎能满足大多数化工设计及计算的要求,其计算结果得到许多同行的认可,该软件也和其他软件一样在不断的升级。
换热器是一种实现物料之间热量传递的设备,广泛应用于化工、冶金、电力、食品等行业。
在化工装置中换热设备占设备数量的40%左右,占总投资的 35% ~46%。
目前,在换热设备中,使用量最大的是管壳式换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中占有绝对优势。
换热器的设计主要包括传热和阻力计算两个方面。
由于换热器的设计方法比较烦杂,且需要迭代计算,故借助于日益普及的计算机软件进行优化设计则可以极大地提高工作效率。
目前,工程上已大量使用商业软件进行换热器的计算。
最著名的专业换热器计算软件主要有成立于 1962 年的美国传热研究公司 ( HTRI)开发的 XchangerSuite 软件;成立于 1967 年的英国传热及流体服务(HTFS)开发的 HTFS 系列软件和 B-JAC 软件。
为了便于组织工业生产,换热器的设计要尽可能符合相关的行业标准。
对于管壳式换热器,国外主要标准有TEMA(TubularExchangersManu-facturersAssociation)和 ASME (American SocietyofMechanical Engineers);国内主要标准有国标 GB151-1999(管壳式换热器标准),行业标准 JB/T 4715-92(固定管板式换热器形式与基本参数)和 HG 21503-92(钢制固定式薄管板换热器)。
Aspen plus换热器模拟概述换热器模块Heater加热器/冷却器确定出口物流的热和相态条件换热器,冷却器,阀门,与功有关的结果不需要时的泵和压缩机HeatX双物流换热器在两个物流之间换热两股物流的换热器当知道几何尺寸时核算管壳式换热器MHeatX 多物流换热器在多股物流之间换热多股热流和冷流换热器两股物流的换热器LNG换热器Hetran管壳式换热器与BJAC 管壳式换热器的接口程序管壳式换热器包括釜式再沸器Aerotran空冷换热器与BJAC 空气冷却换热器的接口程序错流式换热器包括空气冷却器HeatX换热器1.概述HeatX有两种简捷法和严格法计算模型。
简捷法(Shortcut)计算不需要换热器结构或几何尺寸数据,可以使用最少的输入量来模拟一个换热器。
Shortcut模型可进行设计模拟两种计算,其中设计计算依据工艺参数和总传热系数估算出传热面积。
严格法(Detailed)可以用换热器几何尺寸去估算传热膜系数、总传热系数、压降、对数平均温差校正因子等。
严格法核算模型对HeatX提供了较多的规定选项,但也需要较多的输入。
Detailed模型不能进行设计计算。
可以将HeatX 的Shortcut和Detailed结合完成换热器设计计算。
首先依据给定的设计条件用Shortcut 估算传热面积,然后依据Shortcut的计算结果用Detailed 进行核算。
在使用 HeatX 模型前,首先要弄清下面这些问题:(1)HeatX能够模拟的管壳换热器类型逆流和并流换热器;弓形隔板TEMA E, F, G, H, J和X壳换热器;圆形隔板TEMA E和F壳换热器;裸管和翅片管换热器。
(2)HeatX能够进行的计算全区域分析;传热和压降计算;显热、气泡状气化、凝结膜系数计算;内置的或用户定义的关联式。
(3)HeatX不能进行进行的计算机械震动分析计算;估算污垢系数。
(3)Hesttx需要的输入规定必须提供下述规定之一换热器面积或几何尺寸;换热器热负荷;热流或冷流的出口温度;在换热器两端之一处的接近温度;热流或冷流的过热度/过冷度;热流或冷流的气相分率(气相分率为 0 表饱和液相);热流或冷流的温度变化。
aspenV10以上版本换热网络设计教程一、Aspen导入1.打开一个Aspen 模拟好的源文件2.激活Energy Saving3.等计算完后,打开Energy Saving页面4.启动Aspen Energy Analyzer点击Yes:之后就进入Aspen Energy Analyzer软件页面:5.计算最小温差设置最小传热温差范围和步长,点击Calculate:通过成本和最低传热温差图得最低点,并将最低点输入左下角DTmin:6.目标查看窗口数字1:物流名称,不需要的可以删除,比如流量太小或能量太少数字2:冷热物流符号,蓝色代表冷物流,红色代表热物流,箭头弯的代表有相变,点击弯箭头可显示该物流的区间能量变化数据。
数字3和4:代表进出口温度数字5:热容流率数字6:该物流总的能量数字8:该物流质量流量数字9:该物流比热7.自动设计换热网络右击Scenario1选择Recommended Designs:8.Recommend Designs参数设置窗口9.自动设计方案无法正常运行如果出现温差太小的问题,如图:则双击对应的流股,点击“Delete All”:再次点击“Recommend Designs”,可以显示自动设计的三个方案如左上侧。
各方案比较:分析三个方案的数据——可比较总费用、换热器面积、换热单元数、设备投资费用、冷热公用工程费用、操作费用,还可查看各参数目标值。
一般以年度总费用最小为目标,则选择方案。
由于新版本推荐出来的方案都带有黄色换热器,说明该换热方案不可行,点击下方或在该方案名称上右键“Enter Retrofit mode”,黄色换热器就会消失。
点击下方或在该方案名称上右键“enter Retrofit mode”会跳出现“options”对话框,可以直接关掉,也可以点击“Enter Retrofit Environment”:如果点击“Enter Retrofit Environment”,则左上方显示该方案在新的Scenario1 1目录内,可以对其编辑,进一步优化。
运用aspen及其套件EDR设计换热器青海大学化工学院张鹏宇目录1.生产要求设定2.启动aspen设置前奏2.1确定合适的modle library 模块2.2建立流程图2.3输入工程标题2.4输入组分2.5选择物性方法2.6输入物流参数3.进行换热器选型3.1采用shortcut简捷计算3.2填写估计的总传热系数3.3模拟计算,列出简捷计算结果3.4按国家标准选型4.选择Detailed详细核算4.1设置冷热流体走程4.2使用Design Specification调整冷却水流率4.3设置壳程管程压降计算方式4.4设置总传热系数计算方式4.5填写冷热流体侧污垢系数4.6填写壳程管程数据4.7填写折流板及管嘴数据4.8运行计算,列出换热器详细计算结果4.8.1 exchanger details换热器详细数据4.8.2 pres drop 各程压力降及压力降分析4.8.3 流速探讨及分析5.用EDR 软件核算,出图5.1 数据传递5.2 EDR数据检查,核对补充5.3运行计算,列出换热器详细计算结果5.3.1 EDR换热器详细数据5.3.2 pres drop 各程压力降及压力降分析5.3.3 流速探讨及分析5.4列出换热器装配图5.5列出换热器布管图和设备数据5.6打印出图6.对比Aspen换热器详细计算,说明EDR其优缺点。
1.生产要求设定某生产过程中,需处理每年114000吨/年苯,现将苯从80度冷却至40度,冷却介质采用循环水。
循环水入口温度32.5度,出口温度取37.5度。
要求换热器裕度为10%~25%,换热器内流体流动阻力小于50Kpa.2.启动ASPEN设置前奏2.1选择合适的modle library 模块启动ASPEN,新打开一个空白的blank文件,该换热器用循环水冷却,冬季操作时进口温度会降低,考虑到这一因素,估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大,因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
在heat Exchangers 下选择heatX下的GEN-HS模块。
2.2建立流程图连接物流线,建立如图所示的流程图,至此flowsheet 已经完整。
2.3输入工程标题单击下一步N,填写标题,这个可以随意。
2.4输入组分继续单击下一步,在component ID 中填写H20按回车,再填C6H6回车,物质直接出现,不用查找。
2.5选择物性方法继续单击下一步,选择物性方法。
根据一些其他文献的选择方法,我们在property method一栏下拉选择CHAO-SEA.物性方法。
2.6输入物流参数由于循环冷却水较易结垢,为便于水垢清洗,应使水走管程,苯走壳程。
所以1与2走的水,3与4走的苯。
那么在接下来的stream 1中填写温度32.5度,设置压力为1.2个大气压。
在composition下拉选择MASS-FLOW,单位选择KG/h。
暂时设置循环水的初始流量为5000KG/h.过后将运用Design Specification 调整水的流量。
将stream 2填写37.5度,压力1.2atm.其他不设置。
将stream 3填写温度80度,压力也为1.2atm,填写苯的流量16000kg/h(根据处理114000吨苯每年而约得)。
stream 4不作设置。
3.进行换热器选型3.1采用shortcut简捷计算下一步,在blocks- B1-specification-calculation下面选择shortcut表示采用简捷计算以便进行换热器的选型。
在pressure drop下面设置冷热流体的outlet pressure压力降为0.3.2填写估计的总传热系数在UMethods 下面填写估计的换热器总传热系数为300 W/(M2*K).至此简捷计算数据已经输入完成。
3.3模拟计算,列出简捷计算结果单击下一步,按确定,在数据浏览器里的blocks-b1下的exchanger details 可以看到该换热器的热负荷为319KW.需要的换热面积为52.8M2 .与纸质版换热器设计中的325KW,51.3M2.相差不大。
可以继续采用详细核算。
3.4按国家标准选型按照换热器面积及规定6M的管长,查《化工工艺手册》从JB/T4715-1992<固定管板式换热器>中选标准系列换热器BEM450-1.6-62.5-6/25--1,单管程,单壳程,壳径450mm,换热面积62.5m2,换热管Φ25mm×2.5mm,管长6M,管数135根。
三角形排列,管心距32 mm。
4.选择Detailed详细核算4.1设置冷热流体走程现在选择Detailed 表示type 选择rating 表示详细核算。
Hot fluid 选择shell。
在exchanger specification 下面选择Hot stream outlet temperature. Value 填写40度。
表示要规定苯的出口温度为40度。
4.2使用Design Specification调整冷却水流率在此栏新建一个DS-1.在DS-1下的define新建一个S。
点击edit,开始编辑。
在type下选择stream-var ,选择2,表示要设计调整水出口(2)的输出流量。
然后选择variable为temp表示温度是可以操作的变量。
在spec下面按如图填写,target 填写37.5度表示要使水的出口温度为37.5度。
在vary栏下填type为stream-var,stream选择1,variable 填mass-flow.这些表示要调整1的水流量数据使2出口温度达到我所想要的37.5度。
然后在lower上填写40000,uper 上填写60000.表示水的调整区间。
运行后可以得到水的流量为55164Kg/h。
4.3设置壳程管程压降计算方式壳程和管程都选择calculated from geometry,表示根据换热器几何结构计算壳程和管程的压降。
LMTD不用选择,是它默认值constant就好了。
4.4设置总传热系数计算方式在U METHOD选择film coefficients,表示根据传热面两侧的膜系数计算总传热系数。
4.5填写冷热流体侧污垢系数在film coefficients 页面壳程和管程都选择calculated from geometry,表示根据换热器传热面两侧的几何结构计算膜系数。
查《化工工艺设计手册》热流体侧的污垢系数取0.000176M2*K/W,冷流体侧的污垢系数取0.00026M2*K/W.4.6填写壳程管程数据在blocks-B1-geometry 栏下的shell下的TEMA shell type选择E-One pass shell 表示单壳程。
填写包括管程数1,换热器水平安置,壳径450mm.在tubes一栏下选择管子类型光滑管,填写管程数据,包括管子根数135根,管长6000mm,管心距32mm,管外径0.025meter. 管内径0.00225meter。
4.7填写折流板管嘴数据包括19块折流板,切率25%。
管嘴设置如下。
4.8运行计算,列出换热器详细计算结果4.8.1 exchanger details换热器详细数据如上图,热负荷319KW,需要换热面积为56.9平米,实际换热面积为63.6平米,富余6.7平米。
面积裕度11%,完美满足要求。
4.8.2 pres drop 各程压力降及压力降分析如图,壳程管程压力降都小于1KPA。
远远小于50KPA,满足要求。
即壳程和管程的流动阻力都非常满足要求。
4.8.3 流速探讨及分析由上图可以看出,管程壳程流速非常平缓,这既能满足水和苯的流量要求,还能避免因流速过快而对换热器产生更多损耗。
壳程最大流速0.08m/s,管程最大流速0.28m/s,均偏小,因为软件计算结果未报警,所选换热器可用。
5.用EDR 软件核算,出图5.1 数据传递在blocks--B1--specification中选择shell and tube 表示用EDR 软件详细核算。
用EDR软件新建一个”shell and tube”空白的冷凝器设计文件后关闭。
在B1下的EDR option中把EDR 空白文件导入。
然后单击“transfer geometry to shell and tube”按钮,把ASPEN plus对冷凝器详细核算结果传入EDR软件。
5.2 EDR数据检查,核对补充在下面的几个图中,按照图中的数据,填写完整。
热流组成页面热流物性方法选择冷流组成页面冷流物性方法选择5.3运行计算,列出换热器详细计算结果5.3.1 EDR换热器详细数据在rezult -overall summary 可看到全方位的换热器详细数据5.3.2 pres drop 各程压力降及压力降分析由以上详细核算图可知,各程压力降总和50KPA,符合设计要求,比课本求压力降方法要迅速,便捷得多。
5.3.3 流速探讨及分析壳程速率为0.19m/s,管程速率为0.34m/s。
均比较小。
这是由于换热器形态以及送料大小和进出口规定温度的缘故。
5.5列出换热器装配图5.6列出换热器布管图和设备数据5.7打印出图6.对比Aspen换热器详细计算,说明EDR其优缺点。
在进行换热器详细核算的时候,EDR确实比Aspen的计算要精确,而且EDR能计算Aspen 不能计算的数据。
EDR软件是换热器的专业精细设计核算软件,能够完整地从设计直到出图。
用Aspen进行换热器的设计只够参看一些换热器基本数据,无法进行出图。
但EDR由于其功能更全,包络面更广,其也产生一些问题,用Aspen 传递数据时需要补充数据,有些不需要处理的部分也加进来了,所以会显得不够简洁明了。