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化工系统工程__化工过程系统稳态模拟与分析2 化工过程系统稳态模拟与分析概述通过对化工工艺流程系统进行稳态模拟与分析也就是对过程系统建立模型并对模型进行求解可以解决下述三方面的问题①过程系统的分析与模拟②过程系统设计③过程系统参数优化①过程系统的分析模拟对某个给定的过程系统模型进行模拟求解可得出该系统的全部状态变量从而可以对该过程系统进行工况分析如图21所示②过程系统设计当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求如图22所示③过程系统参数优化过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量优化变量从而实施最佳工况如图所示 2 化工过程系统稳态模拟与分析相关的基本概念 1 系统为了某种目标由共同的物料流或信息流联系在一起的单元组合而形成的整体称为系统 2 子系统组成系统的系统下一层次的事物简单系统子系统就是某个单元复杂系统它的子系统又可能包含有子系统基本概念 3 系统的特性由两方面构成 1系统内各个单元的特性复杂系统则是各子系统的特性 2系统流程的结构特性树结构和再循环结构的概念 4 过程拓扑将过程流程图转换为信息流程图再把信息流程图转变为过程矩阵的过程称为过程拓扑过程流程→信息流程用有向线段表示信息流用方框表示设备或节点信息流程→过程矩阵将信息流程数字化使计算机可以识别根据信息流图可以得出过程矩阵 2．1 过程系统模拟的基本方法过程系统模拟计算量大且复杂手工计算难以完成计算机和计算技术的发展为过程系统的整体研究提供了技术手段各种类型的过程系统模拟软件不断出现但就其模拟计算求解方法而言可以归纳为三类序贯模块法 Sequentia1 Modular Method 面向方程法 Equation Oriented Method 联立方程法联立模块法 Stmultaneously Modular Method 2 11过程系统模拟的序贯模块法序贯模块法按照由各种单元模块组成的过程系统的结构序贯的对各单元模块进行计算从而完成该过程系统的模拟计算的方法序贯模块法对过程系统的模拟以单元模块的模拟计算为基础依据单元模块入口的物流信息以及足够的定义单元特性的信息计算出单元出口物流的信息序贯模块法的优点与实际过程的直观联系强模拟系统软件的建立维护和扩充都很方便易于通用化计算出错时易于诊断出错位置序贯模块法的主要缺点计算效率较低尤其是解决设计和优化问题时计算效率更低序贯模块法计算效率低的原因只能根据模块的输入物流信息计算输出物流信息在进行系统模拟的过程中对有再循环物流单元模块的计算需要考虑断裂物流收敛计算使问题复杂 2 12 过程系统模拟的面向方程法面向方程法将描述整个过程系统的数学方程式联立求解从而得出模拟计算结果的方法面向方程法又称联立方程法面向方程法的优点可以根据问题的要求灵活地确定输入输出变量而不受实际物流和流程结构的影响模型中所有的方程可同时计算和同步收敛面向方程法的问题形成通用软件比较困难不能利用现有大量丰富的单元模块缺乏与实际流程的直观联系计算失败之后难于诊断错误所在对初值的要求比较苛刻计算技术难度较大等 2 13 过程系统模拟的联立模块法联立模块法将过程系统的简化模型方程与单元模块严格模型交替求解又被称作双层法 2．2 过程系统模拟的序贯模块法 2．2．1序贯模块法的基本原理单元模块依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制而成的子程序如图28 a 中的闪蒸单元可依据闪蒸单元模型和算法编制成闪蒸单元模块单元模块的单向性结定单元模块的输入物流变量及参数可计算出相应的输出物流变量但不能由检出变量计算输入变量也不能由输入输出变量计算模块参数序贯模块法的基本思想从系统入口物流开始经过对该物流变量进入的单元模块的计算得到输出物流变量这个输出物流变量就是下一个相邻单元的输入物流变量依次逐个的计算过程系统中的各个单元最终计算出系统的输出物流计算得出过程系统中所有的物流变量值即状态变量值 2．2．2 再循环物流的断裂当涉及的系统为无再循环流的树形结构时序贯模块法的模拟计算顺序可以按过程单元的排列顺序一一顺利完成用序贯模块法处理具有再循环物流系统的模拟计算时需要用到系统分解断裂 Tearing 和收敛 Convergence 等多项技术 Step1 假定断裂物流S4的变量值然后依次计算单元模块ABC得到物流S4的变量值 Step2利用收敛单元比较S4与S4的相应变量值若不等则改变S4为新的变量值重复Step1过程直到S4与S4两个变量值相等为止问题收敛单元设置在哪个物流处既如何选择断裂物流本问题中不仅可以是物流S4处也可以设置在物流S2或S3处对于复杂系统收敛单元设置的位置不同其效果也将不同究竟设置在何处为好这要通过断裂技术去解决如何得到新的S4变量值如何保证计算收敛如何加快收敛取决于收敛算法还与断裂物流变量的特性有关 2．2．2 再循环物流的断裂 1 断裂的基本概念首先考察方程组的断裂假设有一个由四个方程四个未知变量组成的方程组也可以由另外的方式进行求解例如假设x2的猜值则 f1解出x3 f2解出x4 f3解出x1 最后利用f4来检验最初没定的猜值x2 是否正确如果f4为零则可认为得到了方程组的解若此处的f4 不为零则需修正x2的值再重新进行迭代计算这样可将四维求解问题降阶成了四个一维问题通过迭代计算把高级方程组降阶为低级方程组的办法称为断裂考察过程系统中的不可分隔子系统如图211断裂物流可以选为S10当然也可以选为S11选择不同的断裂物流则其相应的迭代序列也不一样从表面上看上列的两种计算序列似乎没有什么很大的区别但由于系统中各物流及其变量特性的不同在收敛计算上常是有很大差异的如变量个数的多少方程求解的难易程度等如何选择断裂物流确定迭代序列是实施序贯模块法进行过程系统模拟计算过程中必须要解决的问题 2 断裂方法的研究早在20世纪60年代初就有人提出了断裂的思想此后随着流程模拟技术的不断发展有关研究断裂的文章不断出现他们提出判断最佳断裂的准则分为四类 1 断裂的物流数最少 2 断裂物流的变量数最少 3 断裂物流的权重因子之和最少 4 断裂回路的总次数最少另一种归纳 1断裂的流股数目最少 2断裂流股包含的变量数目最少 3对每一流股选定一个权因子该权因子数值反映了断裂该流股时迭代计算的困难程度应当使所有的断裂流股权因子数值总和最小4选择一组断裂流股使直接代入法具有最好的收敛特性四条准则是一般性的原则 3 回路矩阵过程系统中的简单回路可以用回路矩阵 1oop／stream Matrix 表示矩阵中的行代表回路列代表物流若某回路i中包括有物流J则相应的矩阵元素aij＝1否则为空白或零不独立的列 f 1 与 f 值较大的列相比较若某列中的非零元素与 f 值较大列的非零元素同行则该列相对于 f 值大的列不独立如S2的f 值较大与其余小于它的列相比较会发现S2的非零元素为C行和A行而S1列C行非零 S3A行非零其余列中无与S2同行的非零的元素则判别出 S1 S3相对于S2不独立表示为 S1 S3 S2 S5 S6 S4 流股断裂方法一L - R 分解法 L – R分解法遵循的原则断裂流股数目最少且将所有循环路打开例现有一个为最大循环网的不可分割子系统其信息流图如下1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 4流股断裂方法分析在这个信息流程图中有 8个流股S1S2 S8 五个节点12345构成了ABCD四个环路 1 4 2 5 3 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 A D C B在Lee – Rudd 法中首先分析信息流图再用环路矩阵表示出来 A B C D 环路S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 01 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 1 1 1 01 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 流股 f R 1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8A C DB 矩阵做法Si 流股若在 A 环中出现则标 1若不出现则标 0例如 A 环由S2S3 两流股构成其余为零矩阵中还有加和行用f 表示它由每一列中的非零元素加和构成加和列R它将每一行非零元素加和构成 f 称为环路频率代表某流股出现在所有环路中的次数R 称为环路的秩代表某环路中包含的流股总数经运算可得出加和 f 和R值环路矩阵成为下面样子 A B C D S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 0 1 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 10 R 2 2 3 4 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列 A B C D S1 S2 S3 S4 S5S6 S7 S8 0 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 1 1 0 R 2 2 34 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列基本概念工艺流程图过程流程过程拓扑举例信息流图-13 序贯模块法的基础是单元模块子程序通常单元模块与过程单元是一一对应的过程单元的输入物流变量即为单元模块的输入单元模块的输出即为过程单元的输出物流变量如 A B H G F E C D 系统分解对复杂系统将所有模型方程全部联立求解很困难直接用序贯法又存在相互影响这时可将该系统分成几个相对独立的部分各自联解再序贯求解将大的复杂系统分解为若干个小的子系统的过程称为大系统的分解目的是识别出不可分割子系统 AB H G F ECD 不可分割子系统不相关子系统 A B H G FE C D A B C A B CG F E D 流股断裂 Tearing 一般对于大系统分解得到的子系统已是不可分隔的如ABC构成的当这样的子系统仍很复杂时联立求解仍困难若断开某一个流股则可采用序贯法求解而断开的流股变量则作为迭代变量选择断裂流股是该技术的关键 A B H G F E C D 断裂物流迭代计算步骤如下该方程组可以通过联立求解得到它的解图210 描述了断裂的过程其中流股x2称为断裂流股该流股只有一个变量x2 称为迭代变量流股的收敛性指的就是其中变量x2 的收敛性能问题如果不选择流股x2是否可达到简化的目的。
化工单元过程及操作模拟考试题与答案一、单选题（共49题，每题1分，共49分）1.精馏塔中自上而下正确的是A、蒸汽质量依次减少B、温度依次降低C、分为精馏段、加料板和提馏段三个部分D、易挥发组分浓度依次降低正确答案：D2.吸收操作中，减少吸收剂用量，将引起尾气浓度A、下降B、无法判断C、升高D、不变正确答案：C3.精馏塔操作中，大多数的塔操作都控制在A、蜂窝状接触B、泡沫接触C、鼓泡接触D、喷射接触正确答案：B4.蒸发操作中提供热量的是A、烟道气B、电C、加热蒸汽D、二次蒸汽正确答案：C5.氨水的摩尔分率为20%，而它的比分率应是A、0.3B、0.3C、0.2D、0.25正确答案：D6.下列不是蒸发设备所包含的构件是A、加热室B、分离室C、气体分布器D、除沫器正确答案：C7.蒸发操作中，蒸发器的换热方式是A、间壁式换热B、直接混合式换热C、蓄热式换热D、以上均不对正确答案：A8.下列说法中正确的是A、单效蒸发比多效蒸发应用广B、二次蒸气即第二效蒸发的蒸气C、减压蒸发可减少设备费用D、采用多效蒸发的目的是降低单位蒸气消耗量正确答案：D9.蒸发操作时，具有自蒸发现象的是原料液进料的温度（）沸点温度A、都可以B、高于C、等于D、低于正确答案：B10.吸收操作过程的基础是A、挥发度B、沸点C、温度D、溶解度正确答案：D11.根据双膜理论，用水吸收空气中的氨的吸收过程属于A、双膜控制B、液膜控制C、气膜控制D、不能确定正确答案：C12.在吸收操作中，用液相组成表示吸收塔某一截面上的总推动力为A、X-XiB、Xi-XC、X*-XD、X-X*正确答案：C13.工业生产中的吸收操作通常是A、常温常压B、高温低压C、常温高压D、低温低压正确答案：A14.在填料吸收塔中，为了避免液体形成壁流现象，需在填料层中每隔一定高度设置A、填料支撑板B、气体分布器C、液体再分布器D、液体分布器正确答案：C15.利用气体混合物各组分在液体中溶解度的差异而使气体中不同组分分离的操作称为( )。
化工过程分析与合成考点1、什么叫过程：（1）客观事物从一个状态到另一个状态的转移.【过程】(2)在工艺生产上,对物料流进行物理或化学的加工工艺称作过程工艺。
【过程工艺】(3)以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程。
化工过程包括：原料制备、化学反应、产品分离(4）由被处理的物料流联接起来，构成化工过程生产工艺流程。
（5）【最重要的单元过程】化学反应过程、换热过程、分离过程、输送过程、催化反应过程(6）【化学反应过程举例】热裂解反应过程、电解质溶液离子反应过程生化反应过程、分散控制（7）【过程控制技术发展历程】计算机集中控制、集散控制（我国多)、现场总线控制第二章、化工过程系统稳态模拟与分析【模块】模型和算法，一是要建模，二是这个模型的算法，两者组一起才能算作模块.【单元模型类型】理论模型、经验模型、半经验模型.【什么叫稳态（化工过程稳态模拟)】各个工艺参数状态量不随时间而发生变化的叫做稳态。
【么叫模拟】对过程系统模型进行求解就叫模拟.【过程系统模拟可以解决哪些问题（会画图）】(1）过程系统模拟分析问题；（2）过程系统设计问题；（3）过程系统参数优化问题。
过程系统模拟分析问题:已知决策变量输入，已知过程参数,求输出,是一个正向求解问题，最简单的模型。
2)过程系统设计问题：已知输出设计结果,已知过程参数,求决策变量输入；看起来是已知输出求输入，实际上是假设输入猜值去计算输出与已知输出进行比较再调整猜值进行计算。
只能单项求解，从左到右3)过程系统参数优化问题：过程系统模型与最优化模型联立求解，得到一组使工况目标函数最佳的决策变量,从而实施最佳工况.【过程系统模拟三种基本方法，及其优缺点】(1）序贯模块法（不适于解算设计、优化问题，只适于模拟问题(2)面向方程法(3）联立模块法(同时有(1)、（2)的优点）【单元模块】是依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制而成的子程序.具有单向性特点【断裂】通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。
化工系统模拟运行方案化工系统模拟运行是利用计算机技术对化工生产过程进行模拟和仿真，以实现对系统运行状态、产品质量、能耗等方面的预测和优化。
以下是化工系统模拟运行的方案。
1. 数据采集和建模：首先需要收集化工生产过程中的各种数据，包括原料性质、反应动力学参数、物料流量、温度、压力等关键指标。
然后基于采集到的数据，建立化工系统的数学模型，包括质量平衡、能量平衡、动量平衡等。
2. 模型验证和调优：建立数学模型后，需要通过对比实际运行数据和模拟结果来验证模型的准确性。
如果发现模拟结果与实际数据存在较大差异，就需要对模型进行调优，优化模型中的参数和假设。
3. 系统优化和参数寻优：在模型验证和调优的基础上，可以利用模拟运行来进行系统优化和参数寻优。
通过改变不同操作变量，比如温度、流量、反应时间等，来优化系统的生产能力、产品质量和能源消耗等指标。
可以采用启发式算法、优化算法等方法来搜索最优参数组合。
4. 运行状态监测和预测：在实际运行中，可以利用模拟运行来进行运行状态监测和预测。
通过监测关键指标的实时数据，与模拟运行结果进行对比，可以及时发现运行异常和潜在问题。
同时，基于模拟运行的结果，可以预测系统未来的运行状态和趋势，提前采取措施防止问题的发生。
5. 优化生产计划和决策支持：根据模拟运行的结果，可以对生产计划进行优化和调整，合理安排生产资源，提高生产效率和整体经济效益。
同时，模拟运行还可以为管理决策提供支持，通过模拟不同决策方案的效果，评估决策对系统的影响，降低决策风险。
总之，化工系统模拟运行方案包括数据采集和建模、模型验证和调优、系统优化和参数寻优、运行状态监测和预测、优化生产计划和决策支持等环节。
通过模拟运行可以提高化工系统的生产效率、产品质量，减少能源消耗和环境污染，降低生产成本，为决策提供科学依据。
化工过程分析与合成一，化工系统的定常态模拟与分析（一）模拟是对过程系统模型的求解1. 过程系统的模拟分析：对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过程系统进行工况分析2，过程系统设计：当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求3，过程系统参数优化：过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量（优化变量）。
从而实施最佳工况1. -序贯模块法：基本部分是单元模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。
单元模块具有单向性特点。
(1) 断裂：通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。
它适用于不可分割子系统；-不可分割子系统：过程系统中，若含有再循环物流，则构成不可分割子系统。
-实施序贯模块法进行过程系统模拟计算中必须要解决的问题——如何选择断裂物流、如何确定迭代序列。
-判断最佳断裂的准则：①断裂的物流数最少；②断裂物流的变量数最少；③断裂物流的权重因子之和最少；④断裂回路的总次数最少。
i=1，…，m ，代表回路；j =1，…，n,代表物流(2) 回路矩阵简单回路: 一个不可分割子系统包含若干个再循环回路。
包含两个以上再循环物流，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路。
。
回路矩阵：过程系统中的简单回路可以用回路矩阵表示。
矩阵：行→回路；列→物流。
若某回路I 中包括有物流j 则相应的矩阵元素aji=1，否则为空白或零。
Upadyhe －Grens 断裂法需要解决的两个问题：一是要有一种能把所有的有效断裂物流组都能搜索出来的办法；二是要能把最优断裂组从中选择出来。
有效断裂组：能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂流股组。
① 多余断裂组：如果从一个有效断裂组中至少可以除去一个流股，而得到的断裂组仍⎩⎨⎧=⎩⎨⎧=ij i j a j j x ij j 属于回路流股不属于回路流股被断裂流股未断裂流股,1,0,1,为有效断裂组，则原有效断裂组为多余断裂组。
第4章化工单元过程系统模拟与分析4.1 化工单元过程数学模型及模拟在化工过程系统模拟计算中，当给定系统所有输入流股信息时，则过程系统中部分单元模块可获得全部输入流股信息，这些模块将输入信息加以处理单元，获得该模块的所有输出流股信息，并作为下一级单元模块的输入信息，由此可见，单元过程模拟是系统过程模拟的基础。
对于任何单元过程，都遵守物质和能量守恒定律，通过对单元过程的质量衡算及能量衡算，建立输入流股与输出流股之间的关系。
任何单元过程都会发生物理或化学变化，即体系的热力学性质及化学组成变化，因此需建立单元过程的相平衡关系、各流股焓、温度、压力变关系。
对于存在化学反应的单元过程，还应建立反应动力学和热力学的关系，确定各组分的转化率以及焓的变化。
本章主要介绍下面两个过程的单元模型4.1.1换热器数学模型及模拟4.1.2反应器数学模型及模拟4.1.1 换热器数学模型及模拟化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而这些性质的变化都涉及热能的传递，主要应用在：（1）化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；（2）蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；（3）高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；（4）热能的合理利用和废热回收。
热量传递方式（1）热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；（2）热对流：流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热；（3）热辐射：高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象，热辐射不需要任何介质做媒介；在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。
换热器的种类：按照换热原理来分，可以分为三大类（1）间壁式换热器：冷、热流体被固体传热表面隔开，而热量的传递通过固体传递面而进行。
（2）直接接触式换热器：冷、热流体直接接触进行热量交换。
（3）蓄热式换热器：冷、热流体交替通过传热表面，冷流体通过时贮存冷量，热流体通过时贮存热量。
第4章化工单元过程系统模拟与分析4.1 化工单元过程数学模型及模拟在化工过程系统模拟计算中，当给定系统所有输入流股信息时，则过程系统中部分单元模块可获得全部输入流股信息，这些模块将输入信息加以处理单元，获得该模块的所有输出流股信息，并作为下一级单元模块的输入信息，由此可见，单元过程模拟是系统过程模拟的基础。
对于任何单元过程，都遵守物质和能量守恒定律，通过对单元过程的质量衡算及能量衡算，建立输入流股与输出流股之间的关系。
任何单元过程都会发生物理或化学变化，即体系的热力学性质及化学组成变化，因此需建立单元过程的相平衡关系、各流股焓、温度、压力变关系。
对于存在化学反应的单元过程，还应建立反应动力学和热力学的关系，确定各组分的转化率以及焓的变化。
本章主要介绍下面两个过程的单元模型4.1.1换热器数学模型及模拟4.1.2反应器数学模型及模拟4.1.1 换热器数学模型及模拟化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而这些性质的变化都涉及热能的传递，主要应用在：（1）化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；（2）蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；（3）高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；（4）热能的合理利用和废热回收。
热量传递方式（1）热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；（2）热对流：流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热；（3）热辐射：高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象，热辐射不需要任何介质做媒介；在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。
换热器的种类：按照换热原理来分，可以分为三大类（1）间壁式换热器：冷、热流体被固体传热表面隔开，而热量的传递通过固体传递面而进行。
（2）直接接触式换热器：冷、热流体直接接触进行热量交换。
（3）蓄热式换热器：冷、热流体交替通过传热表面，冷流体通过时贮存冷量，热流体通过时贮存热量。
换热器按照功能分类：（1）冷却器：冷却工艺物流的设备。
冷却剂有水、氨、氟利昂等。
（2）加热器：加热工艺物流的设备。
加热介质有水蒸汽、导热油、熔盐等。
（3）再沸器：用于蒸发蒸馏塔底部的物料设备；分热吸式和动力循环式再沸器。
（4）冷凝器：蒸馏塔顶物流的冷凝或者反应器冷凝循环回流的设备。
（5）蒸发器：专门用于蒸发溶液中水分或者溶剂的设备。
（6）过热器：对饱和蒸汽再加热升温的设备。
（7）废热锅炉：由工艺的高温物流或者废气中回收其热量而产生蒸汽的设备。
（8）换热器：两种不同温位的工艺物流相互进行热交换能量的设备。
冷、热流体流动通道的选择的一般原则：a) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。
b) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。
c) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。
d) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。
e) 流量小而粘度大（）的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re>100即可达到湍流。
但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。
f) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。
g) 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。
流速的选择流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。
因此选择适宜的流速是十分重要的。
根据经验，表1及表2列出一些工业上常用的流速范围，以供参考换热管规格换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。
因此，对于洁净的流体管径可取小些。
但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。
考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。
目前我国试行的系列标准规定采用φ25×2.5和φ19×2两种规格，对一般流体是适应的。
此外，还有φ38×2.5，φφ57×2.5的无缝钢管和φ25×2, φ38×2.5的耐酸不锈钢管。
按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。
实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。
我国生产的钢管长度多为6m、9m，故系列标准中管长有1.5，2，3，4.5，6和9m 六种，其中以3m和6m更为普遍。
同时，管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即L/D 约为4～6。
换热管的排列管子的排列方式有等边三角形和正方形两种（图a，图b）。
与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。
正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。
如将正方形排列的管束斜转45°安装（图c），可在一定程度上提高表面传热系数。
管壳式换热器数学模型及模拟计算无相变，操作（或评价）型的模拟计算。
传热面积： 热衡算方程： 定性温度： 传热速率方程式：对数平均温度差：传热系数K ：多管程时：单管程的流通截面积 流速管内雷诺数NL d A ⋅⋅⋅=0π)()(1221c c pc c h h ph h T T c W T T c W Q -=-=L H m t t T 6.04.0+=mT A K Q ∆⋅⋅=2121ln T T T T T m ∆∆∆-∆=∆000111R H A A R H K RiR i i ++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=pi N N d S /42⋅=πiii i i u d S W u μρρ==Re )/(壳程采用当量直径De ：管子为正方形排列：管子为正三角形排列：壳程流速u 按流体流过管间最大截面积计算。
传热系数K 的求解方法（1）查取K 值（2）实验测定K 值 :通过测量Q 、A 、Δt 计算K （3）计算传热系数K 传热系数K ：管内表面努赛尔特准数：管外表面努赛尔特准数：202)423(d d P D e ππ-=202)4(4d d P D e ππ-=14.0)(Pr Re 023.033.08.0WNu μμ=14.033.05.014.033.055.0Pr Re 527.0,2000Re Pr Re 36.0,2000Re ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=≤⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=>W W Nu Nu μμμμ当当000111R H A A R H K Ri R i i ++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=iii i i i Nud H d H Nu λλ=⇒=（4）假定总传热系数假定总传热系数——设计实例设计一换热器，将含量为30%，流量7.36kg/s 的磷酸钾溶液从65℃冷却到32℃。
该厂有20℃的深井水，允许温升12℃。
管程走水，管程的压降限制在2atm 以下；壳程走磷酸钾溶液，壳程的压降限制在0.4atm 以下。
(b)计算对数平均温差()()C t m ︒=-----=∆76.0220323265ln 20323265传热量 ()()s J T T c W Q ps s /7.769686326510169.336.7321=-⨯⨯⨯=-=冷却水量()()s kg t t c Q W pi i /32.152********.47.769686321=-⨯=-=（c ）求温差修正系数设定管程数为多程，壳程数为一程。
根据F T -S ，等R 图，查得F T =0.86C t F t m T m ︒=⨯=∆=∆85.1776.0286.01(d)假定总传热系数为850()K m W ⋅2/ (e)计算所需的传热面积273.5085.178507.769686m t K Q A m =⨯=∆=选定5.225⨯φ作为传热管，管心距定为32mm ，传热管长度定为m L S 5=，根据传热面积求管根数N T 。
2.1295025.014.373.500=⨯⨯==s T L d A N π选定管程数为6程，管数则为132根； （f ）略4.1.2反应器数学模型及模拟化学反应进行的方向、速度、反应程度以及转化率等均与反应物的性质、反应条件有关。
反应过程的冷却、加热、反应物接触与流动方式受到反应器结构的影响。
数学模型按处理问题的性质可分为化学动力学模型、流动模型、传递模型以及宏观动力学模型等。
为实现工业反应器的数学模拟，其数学模型应包括以下基本内容。
① 确定反应过程反应物组分及可能生成的物质组分，或可能发生的所有反应。
② 由化学计量学确定反应系统中独立反应数。
③ 由实验研究或动力学研究确定关键组分。
列出独立化学反应式，建立物料平衡关系。
④ 给定反应条件、所采用的反应器型式及结构尺寸。
⑤ 建立化学动力学模型，并将反应速率转换为关键组分及非关键组分初始浓度的函数。
⑥ 结合反应器结构及操作方式建立传热及流动的模型。
对气、液相反应还应建立相平衡关系。
⑦ 反应器总热量、物料衡算的检验。
建立反应器模型常用的基本概念 以为例 反应程度（进度）转化率选择性收率操作周期：开车到停车之间的运行时间反应器模型实例在一列管反应器中进行邻二甲苯（A)氧化制邻苯二酸酐(B)，反应为连串-平行反应:其中，C 为归并在一起的CO 和CO2。
已知气体混合物的表观质量流速为 ，催化剂的堆积密度 ，气体的平均摩尔质量 ，入口处邻二甲苯的摩尔分数 入口处氧的摩尔分数 ，比热容 ，传热系数 ，管径 ，夹套冷却温度 ，入口温度 ，1、3反应热分别为： ，活化能分别为 流速us = 3600 m/hr 。
解：数学模型R v B A R B A =+ννA A A A A A A A A n n n n n n υυυξ0,0,0,-=-=-=00A AA A n n n x -=AA R R R A n n n n S --=00νν0A R R R A n n n Y -=ννCO A CO B O A −→−+−→−+−→−+3222123/1300mkg B =ρh 4684kg/m G 2=kmol kg M m /48.29=0094.00=A y 208.00=y ()K kmol kJ c P ⋅=/047.1()K h m kJ U ⋅⋅=2/686.345m D t 0254.0=K T J 630=K T 6300=kmol kJ /,10564.4,10285.166⨯-⨯-kmol kJ /,10197.1,10315.1,101304.1555⨯⨯⨯一、物料平衡方程 二、热量平衡方程三、反应动力学方程：其中,反应速率常数matlab 程序function NonIsothermTR% 模拟计算非等温固定床管式反应器的轴向温度分布和转化率分布 % 在一列管反应器中进行邻二甲苯(A)氧化制邻苯二酸酐(B) clear all clcglobal Ct Ac rhoB Cp H1 H3 U dt TJ Cp H1 H3 U TJ rhog us E1 E2 E3 R yO2 L = 1; % 反应管长, mG = 4684; % 表观质量流速, kg/m2 hr rhoB = 1300; % 催化剂堆积密度, kg/m3Mm = 29.48; % 气体的平均分子量, kg/kmol yA0 = 0.00924; % 入口处邻二甲苯的摩尔分率 yO2 = 0.208; % 氧的摩尔分率(恒为常数) Cp = 1.047; % 比热, kJ/kmol KU = 345.686; % 传热系数, kJ/m2 hr KP = 101.325; % 假设总压为定值 = 1 atm = 101.325 kJ dt = 0.0254; % 管径, mTJ = 580; % (将此处温度设为变量400-600)冷却温度, KT0 = 700; % (将此处温度设为变量500-700)物料进口温度(初始温度), KC B Cs BB Bs AB As r dzdC u r dz dC u r dz dC u ρρρ===()()J to A B P g s T T d Uy y k H k H dz dT c u --∆+∆=423311ρρ()23222221231o A o B C o B o A B o A A y y k y y k r y y k y y k r y y k k r +=-=+-=837.19119700ln 837.19131500ln 837.19113040ln 321+-=+-=+-=RT k RT k RT kH1 = -1.285e+6; % 反应A→B的反应热, kJ/kmolH3 = -4.564e+6; % 反应A→C的反应热, kJ/kmol% 活化能, kJ/kmolE1 = 1.1304e5;E2 = 1.315e5;E3 = 1.197e5;R = 8.314; % 理想气体常数, kJ/kmol KAc = pi*(dt/2)^2; % 反应管的横截面积, m2Ft = G*Ac/Mm; % 总摩尔流率, moles/hrus = 3600; % (将此处流速设为变量2500-4000) 线速度，m/hr rhog = G/us;Ct = Ft/(Ac*us);FA0 = yA0*Ft; % A的进料摩尔流率, kmol/hrCA0 = FA0/(Ac*us);CB0 = 0; % FB0 = 0CC0 = 0; % FC0 = 0[z, y] = ode45(@Equations, [0 L], [CA0 CB0 CC0 T0])CA = y(:, 1);CB = y(:, 2);CC = y(:, 3);xA = (CA0-CA)./CA0; % A的转化率xB = CB(2:end)./(CA0-CA(2:end)); % 生成的B/反应的AxB = [0; xB]xC = CC(2:end)./(CA0-CA(2:end)); % 生成的C/反应的AxC = [0; xC]% 图形输出plot(z, y(:, 4)) % 温度分布xlabel('z')ylabel('T (K)')figureplot(z, xA, 'r-') % 转化率分布xlabel('z')ylabel('x_A')figureplot(z, CA, 'r-', z, CB, 'k--', z, CC, 'b:') % 浓度分布xlabel('z')ylabel('C_A, C_B, C_C')legend('C_A', 'C_B', 'C_C')function dydz = Equations(z, y) % 模型方程组global yO2 Ct Ac rhoB Cp H1 H3 U dt TJ Cp H1 H3 U TJ rhog usCA = y(1);CB = y(2);CC = y(3);T = y(4);% 摩尔分率yA = CA/Ct;yB = CB/Ct;yC = CC/Ct;% 反应速度[rA, rB, rC, k1, k2, k3] = Rates(yA, yB, yC, T);% 物料平衡dCAdz = rhoB*rA/us;dCBdz = rhoB*rB/us;dCCdz = rhoB*rC/us;% 热量衡算dTdz = ( rhoB*(-H1*k1 -H3*k3)*yA*yO2-4*U*(T-TJ)/dt )/(us*rhog*Cp); dydz = [dCAdz; dCBdz; dCCdz; dTdz];% ------------------------------------------------------------------function [rA, rB, rC, k1, k2, k3] = Rates(yA, yB, yC, T) % 反应动力学global E1 E2 E3 R yO2% 速度常数, kmol/kg catalyst hrk1 = exp(-E1/(R*T) + 19.837);k2 = exp(-E2/(R*T) + 20.86);k3 = exp(-E3/(R*T) + 18.97);% 反应速度, kmol/kg catalyst hrrA = -(k1+k3)*yA*yO2; % A的总反应速度rB = k1*yA*yO2 - k2*yB*yO2; % B的净生成速率rC = k2*yB*yO2 + k3*yA*yO2; % C的总生成速率计算结果：（1）轴向温度分布 （2）转化率分布（3）浓度分布-4zC A , C B , CCzzT (K )。
