1、简单的模拟模块简单的模拟模块 Tianjin University主要内容主要内容多用途闪蒸器（FLAS）简单换热器模块（HTXR）管壳式换热器设计与核算（CC-THERM）化学计量反应器（REAC）平衡反应器(EREA)吉布斯反应器(GIBS)动力学反应器(KREA)利用液体混合物中各组分利用液体混合物中各组分(component)挥发性挥发性(volatility)差差异，以热能为媒介使其部分汽化从而在汽相富集轻组分液异，以热能为媒介使其部分汽化从而在汽相富集轻组分液相富集重组分而分离的方法。相富集重组分而分离的方法。 闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液 塔底产品 QBABAAAxxyyx
2、y或减压阀 蒸馏操作实例：蒸馏操作实例：石油炼制中使用的石油炼制中使用的 250 万吨常减压装置万吨常减压装置许多生产工艺常常涉及到互溶液体混合物的分离，如石油炼制许多生产工艺常常涉及到互溶液体混合物的分离，如石油炼制品切割，有机合成产品提纯，溶剂回收和废液排放前的达标处品切割，有机合成产品提纯，溶剂回收和废液排放前的达标处理等等。分离的方法有多种，工业上最常用的是蒸馏或精馏。理等等。分离的方法有多种，工业上最常用的是蒸馏或精馏。 蒸馏操作的用途蒸馏操作的用途间歇精馏：多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。连续精馏：多用于大批量工业生产中。蒸馏的分类蒸馏的分类常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。减压
3、蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况加压蒸馏：常压下为气体的物系精馏分离，加压提高混合物的沸点.多组分精馏：例如原油的分离。双组分精馏：如乙醇-水体系,苯-甲苯体系等。简单蒸馏或平衡蒸馏：用在分离要求不高的情况下。精馏：分离纯度要求很高时采用。特殊精馏：混合物中组分挥发性相差很小某些特殊手段进行的精馏。平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作。平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作。生产工艺中溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏的典型应用。生产工艺中溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏的典型应用。 闪蒸操作流程：一定组成的料液被加热后经节流阀减压进入闪蒸室，液体
4、因沸点下降变为过热而骤然汽化，汽化耗热使得液体温度下降，汽、液两相温度趋于一致，两相组成趋于平衡。由闪蒸室塔顶和塔底引出的汽、液两相即为闪蒸产品。 闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液 塔底产品 Q减压阀闪蒸过程可通过物料衡算、热量衡算以及相平衡关系求解闪蒸过程可通过物料衡算、热量衡算以及相平衡关系求解所需参数。下面以两组分混合液连续稳定闪蒸过程为例给所需参数。下面以两组分混合液连续稳定闪蒸过程为例给予说明。予说明。 总物料衡算 式中：F、D、W 进料流率和出塔汽.液相产物的流率，kmol/s； xF、yD、xW 料液组成以及出塔汽、液相产物的摩尔分数。 易挥发组分的物料衡算 两式联立可得 WD
5、FWxDyFxWDWFxyxxFD闪蒸罐D, yD, teyD加热器F, xF, tF W, xW, teQ减压阀xWt0WDF若设液相产物占总加料量的分率为 q，即W/F=q，则汽化率为D/F =(1-q)，代入上式整理可得 11qxqqxyFWD上式表示了汽化率与汽、液相组成的关系。 平衡蒸馏过程可认为经部分汽化或部分冷凝后所得的汽液两相呈平衡，即 yDxW 符合平衡关系。若已知进料组成 xF 和生产任务所要求的汽化率 (1-q)，结合物料衡算式可求得汽液相组成 yD、xW。 WWDxxy11料液由进料温度 tF 升至 t0 需供给的热量 Q 为 闪蒸后，料液温度由 t0 降至平衡温度 t
6、e，若不计热损失，则料液放出的显热全部用于料液的部分汽化所需的潜热，即 FpmttFCQ0FrqttFCepm10pmeCqtt10通过以上诸式，在 q 为已知的条件下，由物料衡算与相平衡关系求得yD、xW 后，由温度-组成相图求 te，进而求 t0。汽化量大， (1-q) 值大，闪蒸前料液温度需加热至更高的 t0 值。 由上式可得 Tianjin University多用途闪蒸器（多用途闪蒸器（FLAS）规定屏拓扑结构例题多用途闪蒸器（多用途闪蒸器（FLAS）FLAS FLAS 模块是一个允许各种闪蒸操作，如恒温、绝模块是一个允许各种闪蒸操作，如恒温、绝热、等熵、汽相分离等闪蒸操作的通用闪蒸
7、模块。热、等熵、汽相分离等闪蒸操作的通用闪蒸模块。同时，在包含水和烃化物两种液相的情况下，允许同时，在包含水和烃化物两种液相的情况下，允许自由水从闪蒸罐中析出。自由水从闪蒸罐中析出。这三个不同图标形式的闪蒸器只是形状不同，数学模型完全一样。这三个不同图标形式的闪蒸器只是形状不同，数学模型完全一样。规定屏规定屏Flash Mode（闪蒸模式）（闪蒸模式）拓扑结构拓扑结构FLAS FLAS 模块可有多个（最多到模块可有多个（最多到13 13 个）进料流股，有个）进料流股，有1 13 3 个输出流股。个输出流股。一个输出流股一个输出流股，则该输出流股总是具有与进料流股相同的组分和流率，但其热状态（温
8、度、压力、蒸汽分率焓等）会依所选择的闪蒸操作的模型而异。两个输出流股两个输出流股，则第一个总是气体，第二个总是液体。 如果闪蒸操作全部产生蒸气，则第二输出流（液体）将是一个具有零流率并与第一输出流（蒸汽）具有相同的温度和压力的空流。 如果闪蒸产生的都是液体，则第一输出流（蒸汽）是空流，而第二流（液体）将具有与其输入流（进料流股）相同流率和组成。 如果选择了与水不互溶的热力学模型，除非像下面描述的规定了三个输出流，否则自由水（如果有的话）应包括在第二个输出流中。三个输出流三个输出流，并选择与水不互溶模型，第三输出流将包含自由水（如果有的话）。 第一输出流将是蒸汽，第二输出流将是含有烃化合物及溶解
9、于其中的水的液体，第三输出为含自由水的液体。 使用LLV（所有单元的严格三相闪蒸）选项，第一出口流将包含蒸汽，第二出口流将包含轻液相，第三出口流将包含重液相。例题：利用闪蒸模块，计算泡点温度及混合物热力学性质例题：利用闪蒸模块，计算泡点温度及混合物热力学性质试计算摩尔组成为苯：试计算摩尔组成为苯：0.20.2，甲苯：，甲苯：0.8 0.8 的混合物在总压为的混合物在总压为106.7kPa106.7kPa下的泡点温度及其平衡气相组成（采用下的泡点温度及其平衡气相组成（采用SRK SRK 状态方程）。状态方程）。简单换热器模块（简单换热器模块（HTXR）ChemCAD 中提供的简单换热器模块中提供
10、的简单换热器模块(HTXR)可以模可以模拟具有拟具有1 个或个或2 个输入流的换热器。个输入流的换热器。对于只有一个输入流的情况，换热器作为加热器或冷却器对于只有一个输入流的情况，换热器作为加热器或冷却器。如果换热器具有两个输入流，可以使用更为复杂的操作模式如果换热器具有两个输入流，可以使用更为复杂的操作模式，对有两股输入流的换热器可以进行加热对有两股输入流的换热器可以进行加热/冷却曲线分析：冷却曲线分析：1.设计计算：规定输出流中某个流的热力学状态、热负荷、温设计计算：规定输出流中某个流的热力学状态、热负荷、温差，计算其它未规定流的热状态以保持操作的物料平衡和能差，计算其它未规定流的热状态以
11、保持操作的物料平衡和能量平衡。总的传热系数量平衡。总的传热系数U 或面积在规定其中之一的情况下也或面积在规定其中之一的情况下也能计算能计算。2.核算：规定换热器的核算：规定换热器的U*A，计算两股流的输出流状态。，计算两股流的输出流状态。3.公用工程计算：规定两股输出流的热力学状态，重新计算第公用工程计算：规定两股输出流的热力学状态，重新计算第二股流股的流率以保证换热器的热平衡。这种计算模式可以二股流股的流率以保证换热器的热平衡。这种计算模式可以用于冷却或加热过程流股所需的公用工程量用于冷却或加热过程流股所需的公用工程量。热平衡方法热平衡方法Q 为换热量，为换热量，U 为传热系数，为传热系数，
12、A 为换热面积，为换热面积，LMTD 为对数平均温差。该关系式得出所需的最小为对数平均温差。该关系式得出所需的最小热负荷并假定是理想传热。热负荷并假定是理想传热。单侧换热器规定屏单侧换热器规定屏单侧换热器公用工程的设置单侧换热器公用工程的设置单侧换热器公用工程的设置单侧换热器公用工程的设置双侧换热器规定屏双侧换热器规定屏双侧换热器规定屏双侧换热器规定屏双侧换热器规定屏双侧换热器规定屏双侧换热器的其它规定双侧换热器的其它规定例题例题例例3-4 某化工厂在生产过程中，需将纯苯液体从某化工厂在生产过程中，需将纯苯液体从80冷却到冷却到55，其流量为，其流量为20000kg/h。冷却介质。冷却介质采用
13、采用35的循环水。已知体系传热系数为的循环水。已知体系传热系数为450 W/(m2)，若要求换热器的管程和壳程压降不，若要求换热器的管程和壳程压降不大于大于10 kPa，确定换热器的换热面积。，确定换热器的换热面积。换热器 Heat Exchanger 化工生产中所用的换热器种类很多，通常可按照其化工生产中所用的换热器种类很多，通常可按照其用途分类，亦可按传热原理及换热方法分类。用途分类，亦可按传热原理及换热方法分类。一、按用途分一、按用途分 根据换热器的用途不同，可分为加热器、冷却器、根据换热器的用途不同，可分为加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器和分凝器等。蒸发器、再沸器、冷凝器和分凝器
14、等。二、按传热原理和实现热交换的方法分类二、按传热原理和实现热交换的方法分类 间壁式换热器间壁式换热器 混合式换热器混合式换热器 蓄热式换热器蓄热式换热器间壁式换热器间壁式换热器 间壁式换热器中，以列管换热间壁式换热器中，以列管换热器最为重要。器最为重要。介绍几种常用的间壁式换热器：介绍几种常用的间壁式换热器：（一）夹套式换热器（一）夹套式换热器 夹套式换热器是最简单的板式换热器。夹套式换热器是最简单的板式换热器。如图所示。它是在容器外壁安装夹套而成如图所示。它是在容器外壁安装夹套而成的，夹套与器壁之间形成的空间为加热介的，夹套与器壁之间形成的空间为加热介质或冷却介质的通路。夹套式换热器主要质
15、或冷却介质的通路。夹套式换热器主要用于反应过程的加热和冷却。在用蒸汽进用于反应过程的加热和冷却。在用蒸汽进行加热时，蒸汽有上部接管进入夹套，冷行加热时，蒸汽有上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管流出。作为冷却器时，冷凝水由下部接管流出。作为冷却器时，冷却介质（如冷却水）由夹套下部接管进入，却介质（如冷却水）由夹套下部接管进入，由上部接管流出。由上部接管流出。 (二二)蛇管式换热器蛇管式换热器 蛇管式换热器可分为两类1、沉浸式蛇管换热器、沉浸式蛇管换热器 蛇管多以金属管弯制而成，或蛇管多以金属管弯制而成，或制成适应容器要求的形状，沉浸在制成适应容器要求的形状，沉浸在容器中。两种流体分别在蛇管内、容
16、器中。两种流体分别在蛇管内、外流动进行热量交换。几种常用的外流动进行热量交换。几种常用的蛇管形状如图所示。蛇管形状如图所示。2、喷淋式换热器、喷淋式换热器喷淋式换热器如图所示，喷淋式换热器如图所示，它多用冷却器。蛇管成它多用冷却器。蛇管成行的固定在支架上，热行的固定在支架上，热流体在蛇管内流动，自流体在蛇管内流动，自最下管进入，由最上管最下管进入，由最上管流出。冷水由最上面的淋水管留下，均匀的分布在蛇管流出。冷水由最上面的淋水管留下，均匀的分布在蛇管上，并沿其两侧下降至下面的管子表面，最后流入水槽上，并沿其两侧下降至下面的管子表面，最后流入水槽而排出。冷水在各管上表面流过时，与管内流体进行热而
17、排出。冷水在各管上表面流过时，与管内流体进行热交换。交换。 (三三)套管式换热器套管式换热器 套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，然后用然后用U型弯管将多段套管串联而成，如图所示。型弯管将多段套管串联而成，如图所示。 （四）列（四）列管式管式换热器换热器列管式（又称管壳式）换热器是目前化工生产中应用最列管式（又称管壳式）换热器是目前化工生产中应用最广泛的换热设备。广泛的换热设备。优点：单位体积所具有的传热面积大；优点：单位体积所具有的传热面积大； 结构紧凑，坚固，传热效果好；结构紧凑，坚固，传热效果好； 适用性较强，操作弹性较大；适用性较
18、强，操作弹性较大； 可用多种材料制造，尤其在高温、高压和大型装可用多种材料制造，尤其在高温、高压和大型装 置上多采用列管式换热器。置上多采用列管式换热器。 列管式换热器主要结构：由壳体、管束（又称花列管式换热器主要结构：由壳体、管束（又称花板）、和封头（又称顶盖）等部件构成。板）、和封头（又称顶盖）等部件构成。列管式换热器的主要形式有以下几种。列管式换热器的主要形式有以下几种。1、固定管板式（如图所示）、固定管板式（如图所示）2、U型管式换热器型管式换热器 如图所示，如图所示，U型管式换热器的每根管子完成型管式换热器的每根管子完成U型，流型，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分体
19、进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室成两室。 3、浮头式换热器（如图所示）、浮头式换热器（如图所示） (五五) 板式换热器板式换热器（1）平板式换热器）平板式换热器 板式换热器主要有一组长方形的薄金属板平行排列、板式换热器主要有一组长方形的薄金属板平行排列、夹紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫夹紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后板间形成流体通道，且可用垫片的厚度调片，压紧后板间形成流体通道，且可用垫片的厚度调节通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，节通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有一对圆孔和板面上的流道相通，另外一对圆孔其中
20、有一对圆孔和板面上的流道相通，另外一对圆孔则不相通，它们的位置在相邻的板上是错开的，以分则不相通，它们的位置在相邻的板上是错开的，以分别形成两流体的通道。冷、热流体交错的在板片两侧别形成两流体的通道。冷、热流体交错的在板片两侧流过，通过板片进行换热。每块金属板面冲压成凹凸流过，通过板片进行换热。每块金属板面冲压成凹凸的波纹状，使流体均匀的流过，增强了流体的湍流，的波纹状，使流体均匀的流过，增强了流体的湍流，又增加了传热面积，有利于传热。又增加了传热面积，有利于传热。（2）螺旋板式换热器）螺旋板式换热器 如图所示，螺旋板式换热器是由两张间距一定的平如图所示，螺旋板式换热器是由两张间距一定的平行的
21、薄金属板卷制而成，在其中央设有隔离挡板，将两行的薄金属板卷制而成，在其中央设有隔离挡板，将两螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以保持通道的间螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以保持通道的间距，在器的顶、底不上分别焊有盖板或封头。冷、热流距，在器的顶、底不上分别焊有盖板或封头。冷、热流体分别进入两条通道，在器内逆流流动，通过薄金属壁体分别进入两条通道，在器内逆流流动，通过薄金属壁进行换热。进行换热。 (六六)翅片式换热器翅片式换热器 翅片式换热器有翅片管换热器和板翅换热器两类。1，翅片管换热器，翅片管换热器 翅片管换热器的构造特点是，在管子表面装有径向或翅片管换热器的构造特点是，在管子表面装有径
22、向或轴向翅片。常见的翅片如图所示。轴向翅片。常见的翅片如图所示。 2，板翅式换热器，板翅式换热器 板翅式换热器是一种更为紧凑、轻巧、高效的换热器。板翅式换热器是一种更为紧凑、轻巧、高效的换热器。板翅式换热器的结构形式很多，但是基本结构元件相同，板翅式换热器的结构形式很多，但是基本结构元件相同，即为两块平行的薄金属板间，假如波状或其他形状的金即为两块平行的薄金属板间，假如波状或其他形状的金属翅片，两边以侧条密封，组成一个换热基本单元。将属翅片，两边以侧条密封，组成一个换热基本单元。将各基本单元进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固各基本单元进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固定，即可制成并流、
23、逆流或错流的板束（又称芯部），定，即可制成并流、逆流或错流的板束（又称芯部），如图所示如图所示 热交换过程的强化热交换过程的强化由由传热速率方程传热速率方程:增大传热面积增大传热面积A，平均温差平均温差 ，和传热系数，和传热系数K均可提均可提高传热效率高传热效率(1) 增大传热面积增大传热面积 S(2) 增大平均温差增大平均温差 (3) 增大传热系数增大传热系数（1）污垢热阻）污垢热阻 （2）对流传热热阻）对流传热热阻ioK111mtAiiAooRbRK111mtKSQmt阻垢的途径阻垢的途径1）化学法（各种阻垢剂，）化学法（各种阻垢剂， 涂层涂层)2）电磁波法）电磁波法3）机械法（除垢机械部
24、件，循环海棉球、）机械法（除垢机械部件，循环海棉球、 玻璃球、钢球玻璃球、钢球)4）表面处理（离子注入，磁控溅射等）表面处理（离子注入，磁控溅射等)5）超声波抗垢）超声波抗垢6) 其它其它管壳式换热器设计与核算（管壳式换热器设计与核算（CC-THERM）CC-THERM 是是CHEMCAD 系统中一个集成模块，系统中一个集成模块，用于设计各种类型的管壳式换热器。用于设计各种类型的管壳式换热器。CC-THERM 与与 CHEMCAD 完全结合，使得工艺完全结合，使得工艺数据能自动从工艺流程传递到换热器分析中，利用数据能自动从工艺流程传递到换热器分析中，利用这两个模块相同的属性、采用相同的方法，还
25、可以这两个模块相同的属性、采用相同的方法，还可以生成热曲线和物理性质数据。生成热曲线和物理性质数据。CC-THERM 技术特征技术特征 应用范围广泛；应用范围广泛； 有两种计算模式可供选择：设计或核算；有两种计算模式可供选择：设计或核算； 适用于所有适用于所有TEMATEMA型（列管式）换热器；型（列管式）换热器； 可使用可使用5 5 种类型的折流板；种类型的折流板； 能对各种类型的换热器进行振动分析；能对各种类型的换热器进行振动分析； 可使用可使用TEMA TEMA 间隙数据或输入自己定义的间隙数据；间隙数据或输入自己定义的间隙数据； 允许使用密封带；允许使用密封带； 能计算需要的管子根数；
26、能计算需要的管子根数； 允许使用缓冲板、环形分配器、节流带嘴及允许使用缓冲板、环形分配器、节流带嘴及 管子可以是光管或翅片管，程序中有管子可以是光管或翅片管，程序中有WolverineWolverine、 HPTI HPTI 及及Wieland Wieland 管子数据库；管子数据库； 管内可以使用扰流器；管内可以使用扰流器； 可采用干壁或湿壁冷凝方式；可采用干壁或湿壁冷凝方式； 有多种传热和压降的计算方法。有多种传热和压降的计算方法。使用使用CC-THERM 进行换热器分析进行换热器分析 定义要计算的换热器并运行工艺流程模拟计算。定义要计算的换热器并运行工艺流程模拟计算。 在菜单表上选择设计
27、设备（在菜单表上选择设计设备（sizing）命令，打开）命令，打开”Heat Exchangers”菜单。菜单。 选择选择 Shell & Tube（管及壳）项。（管及壳）项。 程序提醒用户完成换热器分析的初始设置。通过指令显示指程序提醒用户完成换热器分析的初始设置。通过指令显示指导如何操作。当命令被确认，程序将完成所示任务，或进入导如何操作。当命令被确认，程序将完成所示任务，或进入相应的对话框以便完成所示任务。完成设置后，程序显示相应的对话框以便完成所示任务。完成设置后，程序显示CC-THERM 菜单菜单 。 根据所需的菜单命令检查并编辑输入数据。根据所需的菜单命令检查并编辑输入数据。 运行
28、程序。运行程序。 审查和打印结果。审查和打印结果。用户设置完成后，程序完成如下任务用户设置完成后，程序完成如下任务 进行全面的错误检查。进行全面的错误检查。 为单侧换热器生成物流，这些换热器包括冷凝器、再沸器、为单侧换热器生成物流，这些换热器包括冷凝器、再沸器、热虹吸式再沸器及泵循环换热器。热虹吸式再沸器及泵循环换热器。 生成管程和壳程的热曲线。生成管程和壳程的热曲线。 完成设计或核算计算。在设计模式中，由于程序会优化管长、完成设计或核算计算。在设计模式中，由于程序会优化管长、壳径、板间距等，只需用户输入很少的规定。对核算模式，壳径、板间距等，只需用户输入很少的规定。对核算模式，则必须提供换热
29、器结构的所有基本数据，程序会检查使用的则必须提供换热器结构的所有基本数据，程序会检查使用的换热器数据是否足够并做核算计算。换热器数据是否足够并做核算计算。 输出设计或核算的换热器结果报告。输出设计或核算的换热器结果报告。 提供一个交互式用户界面，以使用户能改变题目规定后重新提供一个交互式用户界面，以使用户能改变题目规定后重新运算和观察结果。运算和观察结果。 生成生成CC-THERM 文件以保存每个换热器的输入文件以保存每个换热器的输入/输出数据。输出数据。输出报告输出报告 逐区打印热曲线和流体的物理性质；逐区打印热曲线和流体的物理性质； TEMA 数据表；数据表； 以表格形式打印全部换热器数值
30、；以表格形式打印全部换热器数值； 完整的振动分析；完整的振动分析； 逐区打印传热及压降数据；逐区打印传热及压降数据； 进、出口流的信息；进、出口流的信息； 优化数据；优化数据； 再沸器报告；再沸器报告； 用户可以使用程序的绘图功能，在屏幕和示图上观察结果。用户可以使用程序的绘图功能，在屏幕和示图上观察结果。传热方法传热方法显式传热显式传热Zone Analysis(Zone Analysis(分区分析分区分析) )显式传热显式传热管程显热流管程显热流壳程显热流壳程显热流管程显热流管程显热流 管程在湍流状态的传热系数用管程在湍流状态的传热系数用 SiederSieder-Tate -Tate 方
31、程计算。方程计算。 如处于立管层流状态时，则用如处于立管层流状态时，则用MartinelliMartinelli 和和 BoelterBoelter 法计法计算。算。 在水平管层流状态时，用在水平管层流状态时，用Eubank Eubank 和和 Proctor Proctor 法计算。这两法计算。这两种关联式综合了自然对流和强制对流的传热效果。种关联式综合了自然对流和强制对流的传热效果。 设定流的雷诺数设定流的雷诺数2000 10000 10000 为湍流。在过渡区，为湍流。在过渡区，程序根据雷诺数值按比例分配层流和湍流系数。程序根据雷诺数值按比例分配层流和湍流系数。 在层流区（雷诺数在层流区
32、（雷诺数200030003000），用），用PerryPerry推荐的方法。推荐的方法。 当有双绞带式湍流促进器时，程序有相应计算传热系数和压当有双绞带式湍流促进器时，程序有相应计算传热系数和压降的关联式。一个完整的双绞带绕转长度不低于降的关联式。一个完整的双绞带绕转长度不低于4 4 倍内径。倍内径。壳程显热流壳程显热流使用流路分析法计算壳程传热系数。该方法平衡了流过每块使用流路分析法计算壳程传热系数。该方法平衡了流过每块管板的各流路压降。有以下流路：管板的各流路压降。有以下流路：l 流流A A：穿过管板孔与管外径之间孔隙的流。：穿过管板孔与管外径之间孔隙的流。l 流流B B：横穿过管束的流。
33、：横穿过管束的流。l 流流C C：穿过壳内径与管束外径孔隙的流。：穿过壳内径与管束外径孔隙的流。l 流流E E：穿过壳内径与管板外径之间的通道流。：穿过壳内径与管板外径之间的通道流。l 流流F F：穿过分程隔板的流。：穿过分程隔板的流。程序也能完成折流杆型换热器（程序也能完成折流杆型换热器（rod bafflesrod baffles）的计算。）的计算。Zone Analysis(分区分析分区分析)对存在相变换热器，用对存在相变换热器，用n(n(缺省值缺省值 =10)=10)个区域进行个区域进行换热分析。换热分析。CC-THERM CC-THERM 自动设置区域及各区性质，自动设置区域及各区性
34、质，但允许用户编辑或修改。但允许用户编辑或修改。CC-THERM 命令命令 运行一个流程中包含换热器的模拟。一台换热器可以是塔运行一个流程中包含换热器的模拟。一台换热器可以是塔的冷凝器、再沸器、泵循环，也可以是工艺过程中的一个的冷凝器、再沸器、泵循环，也可以是工艺过程中的一个换热器。在设计或核算之前，换热器。在设计或核算之前，CC-THERM 必须已知该单必须已知该单元的热量和物料平衡数据。元的热量和物料平衡数据。 从菜单上选择从菜单上选择“sizing”命令，打开设备设计菜单。命令，打开设备设计菜单。 选择上面选择上面“Shell & Tube”选项。选项。 如果当前没有选择换热器，程序将要
35、求用户选择一台，以如果当前没有选择换热器，程序将要求用户选择一台，以便开始设计或核算；如果用户已经从当前流程中选择了一便开始设计或核算；如果用户已经从当前流程中选择了一台，程序则默认它就是要设计或核算的换热器。台，程序则默认它就是要设计或核算的换热器。 如果没有对所选换热器进行过分析，如果没有对所选换热器进行过分析，CC-THERM 则先执则先执行输入步骤，包括：确认管侧物流，规定公用工程物流行输入步骤，包括：确认管侧物流，规定公用工程物流（如有必要），同时完成一系列对话框的输入。一旦完成（如有必要），同时完成一系列对话框的输入。一旦完成输入，则出现输入，则出现CC-THERM 菜单。菜单。C
36、C-THERM 菜单菜单例35结合第一章中例题结合第一章中例题1-1 介绍利用介绍利用CC-THERM 进行管壳式换热器设计的基本操作。假设要对进行管壳式换热器设计的基本操作。假设要对图图1-1 中的第一个换热器进行设计，该换热器为气中的第一个换热器进行设计，该换热器为气-气换热器，具有以下几何尺寸：气换热器，具有以下几何尺寸：流程模拟步骤及示例流程模拟步骤及示例对下图所示的稳态冷凝过程寻找适宜的操作条件，要求：对下图所示的稳态冷凝过程寻找适宜的操作条件，要求：（1）气相产物（流股）气相产物（流股5）的临界露点不得高于）的临界露点不得高于20 ；（2）流股）流股9 中丙烷的含量不得超过中丙烷的
37、含量不得超过1%。化学计量反应器（化学计量反应器（REAC）化学计量反应器（化学计量反应器（REACREAC）用于模拟给定化学计量）用于模拟给定化学计量系数、关键组分和转化率的一个反应。系数、关键组分和转化率的一个反应。反应器可是绝热状态、等温状态或给定热负荷。反应器可是绝热状态、等温状态或给定热负荷。如果给定转化率需要的反应物多于原料可提供的如果给定转化率需要的反应物多于原料可提供的量，转化率将自动降低，并限定反应物的流率在量，转化率将自动降低，并限定反应物的流率在出口处为出口处为0 0，由此可以防止为满足转化率而产生负，由此可以防止为满足转化率而产生负反应物的计算。反应物的计算。化学计量反
38、应器化学计量反应器(REAC)的图标的图标规定屏规定屏拓扑结构拓扑结构化学计量反应器单元可以有多个入口和最多三个出化学计量反应器单元可以有多个入口和最多三个出口。如果有三个出口，则第一出口为气体（如果存口。如果有三个出口，则第一出口为气体（如果存在），第二和第三出口为液体（如果存在）。在），第二和第三出口为液体（如果存在）。例题例题（1）选择化学计量反应器）选择化学计量反应器（2）规定进料条件：）规定进料条件：（3）规定化学计量反应器）规定化学计量反应器（4）计算结果）计算结果例题例题（1）选择化学计量反应器）选择化学计量反应器（2）规定进料条件）规定进料条件（3）规定化学计量反应器）规定化学
39、计量反应器（4）运行计算）运行计算得到反应器出口流股的组成为：得到反应器出口流股的组成为：（5）运行）运行灵敏度灵敏度分析分析考察反应器出口组成随乙炔转化率的变化情况考察反应器出口组成随乙炔转化率的变化情况3.5 平衡反应器平衡反应器(EREA)Equilibrium Reactor (EREA，平衡反应器，平衡反应器) 采用用户给定的采用用户给定的平衡系数或转化率，模拟单一或多反应。该反应器还可用于平衡系数或转化率，模拟单一或多反应。该反应器还可用于甲烷化和水转换反应。平衡反应器的图标为甲烷化和水转换反应。平衡反应器的图标为平衡反应器通过求解反应器的化学平衡方程、质量和能平衡反应器通过求解反
40、应器的化学平衡方程、质量和能量平衡方程可以得到反应体系的产率、产品流股的组成量平衡方程可以得到反应体系的产率、产品流股的组成及热条件。及热条件。化学反应平衡常数模型方程化学反应平衡常数模型方程常规规定屏常规规定屏（3）Reactor Model（反应器模型）（反应器模型）若用户选择若用户选择0，即一般平衡反应器，则可以定义多，即一般平衡反应器，则可以定义多达达20 个反应。关于每个反应的化学平衡数据和化个反应。关于每个反应的化学平衡数据和化学计量系数在化学反应规定屏内规定（该屏在用学计量系数在化学反应规定屏内规定（该屏在用户规定完反应器的通用屏后弹出），该屏中，除户规定完反应器的通用屏后弹出）
41、，该屏中，除反应热外，所有数据均由用户提供。如果在软件反应热外，所有数据均由用户提供。如果在软件的数据库中有组分的生成热，则的数据库中有组分的生成热，则CHEMCAD 可以可以计算反应热。计算反应热。对选择对选择1 1，即转换反应器，水，即转换反应器，水- -气转换反应所需的气转换反应所需的所有平衡数据和化学计量系数均储存在程序中，所有平衡数据和化学计量系数均储存在程序中，在反应数据菜单中无需输入平衡常数模型参数在反应数据菜单中无需输入平衡常数模型参数A A 和和B B。该选项要求在组分表中存在。该选项要求在组分表中存在COCO、H2OH2O、CO2 CO2 、H2H2，并假定转换反应发生在气
42、相。，并假定转换反应发生在气相。水水- -气转换反应为：气转换反应为：CO + H2O CO + H2O CO2 + H2 CO2 + H2本反应的平衡常数模型参数数据为：本反应的平衡常数模型参数数据为： A = -4.35369 A = -4.35369；B = 4593.17B = 4593.17注：所有数据均来自美国国家标准局。注：所有数据均来自美国国家标准局。（3）Reactor Model（反应器模型）（反应器模型）对选择对选择2 2，即甲烷化反应器，甲烷化反应和水煤气，即甲烷化反应器，甲烷化反应和水煤气转换反应所需的所有平衡数据和化学计量数据均转换反应所需的所有平衡数据和化学计量数
43、据均储存在程序中，在反应数据菜单中无需输入模型储存在程序中，在反应数据菜单中无需输入模型参数参数A A 和和B B。该选项要求在组分表中存在。该选项要求在组分表中存在COCO、H2OH2O、CO2 CO2 和和 H2H2，并假定所有反应发生在气相。，并假定所有反应发生在气相。甲烷化反应器模拟的反应为：甲烷化反应器模拟的反应为： CO + 3H2 CO + 3H2 CH4 + H2O ( CH4 + H2O (甲烷化反应甲烷化反应) ) CO + H2O CO + H2O CO2 + H2 ( CO2 + H2 (水煤气转换反应水煤气转换反应) )（3）Reactor Model（反应器模型）（
44、反应器模型）（4）Specify Thermal Mode（热模式的规定）（热模式的规定） 同化学计量系数反应器相同，化学平衡反应器有三种热模同化学计量系数反应器相同，化学平衡反应器有三种热模式可供用户选择，分别是：式可供用户选择，分别是：绝热（绝热（AdiabaticAdiabatic）等温（等温（IsothermalIsothermal）规定热负荷（规定热负荷（HeatDutyHeatDuty ） 若用户选择热模式为绝热，即反应器热负荷为若用户选择热模式为绝热，即反应器热负荷为0 0，则软件，则软件可以计算反应器出口（反应）温度。可以计算反应器出口（反应）温度。 若用户选定热模式为等温方式
45、，则软件可以计算体系保持若用户选定热模式为等温方式，则软件可以计算体系保持温度所需的热负荷。如果不作输入，则用入口物流温度。温度所需的热负荷。如果不作输入，则用入口物流温度。 若用户选定热模式为规定热负荷，则用户需规定热负荷，若用户选定热模式为规定热负荷，则用户需规定热负荷，加热为正值，放热为负值。给定热负荷，软件可以结合反加热为正值，放热为负值。给定热负荷，软件可以结合反应热确定反应温度。应热确定反应温度。（5）Calculation mode（计算模式的规定）（计算模式的规定） 如果用户选择模式如果用户选择模式0 0，即给定反应转化率，则不必进行平衡计算，依，即给定反应转化率，则不必进行平
46、衡计算，依据化学计量、反应热和给定转化率可以精确确定热平衡和物质平衡。据化学计量、反应热和给定转化率可以精确确定热平衡和物质平衡。对一般平衡反应器，转化率将在反应屏中给定。对一般平衡反应器，转化率将在反应屏中给定。对转换和甲烷化反应对转换和甲烷化反应器不能用转化率规定。器不能用转化率规定。如果选择模式如果选择模式1，即规定接近平衡温度，且给定该，即规定接近平衡温度，且给定该值，则平衡方程采用下列温度：值，则平衡方程采用下列温度：T = Treactor + T ，其中，其中Treactor 为（为（4）中给定的）中给定的反应器温度，反应器温度，T 是反应规定屏中定义的近似是反应规定屏中定义的近
47、似T 。用该温度处理用该温度处理Keq 后，后，Keq 就可用于确定物质平衡。就可用于确定物质平衡。对一般平衡反应器，接近平衡温度将在反应屏中对一般平衡反应器，接近平衡温度将在反应屏中给定。给定。对转换和甲烷化反应器，接近平衡温度是对转换和甲烷化反应器，接近平衡温度是在在EREA 主菜单屏幕中输入。主菜单屏幕中输入。（5）Calculation mode（计算模式的规定）（计算模式的规定）如果选择模式如果选择模式2，即给定接近平衡相对转化率，则，即给定接近平衡相对转化率，则使用反应器温度解平衡方程。由此确定每个反应使用反应器温度解平衡方程。由此确定每个反应的的“平衡转化率平衡转化率”，这样转化
48、率分数可用于平衡，这样转化率分数可用于平衡转化。因此，如果在转化。因此，如果在Treactor 时反应时反应1 的平衡转化的平衡转化率为率为A 组分的组分的60%，反应，反应1 相对转化率是相对转化率是0.8（80%接近平衡），则物质平衡转化率为接近平衡），则物质平衡转化率为48%（6*0.8=0.48）计算。热平衡用）计算。热平衡用Treactor 为出口温度。为出口温度。转化率分数（接近平衡）在每个反应屏中规定。转化率分数（接近平衡）在每个反应屏中规定。转换转换/甲烷化反应缺省为平衡转化率。甲烷化反应缺省为平衡转化率。 转化率转化率 = 接近平衡转化率接近平衡转化率 * 平衡转化率平衡转化
49、率（5）Calculation mode（计算模式的规定）（计算模式的规定）附加规定屏（附加规定屏（More specifications）附加规定屏（附加规定屏（More specifications）3.5.2 化学反应的规定化学反应的规定每个反应一个规定屏。每个反应一个规定屏。ChemcadChemcad 可以知道存在多可以知道存在多少个反应。因此，如果少个反应。因此，如果“Number of Number of reationsreations”是空的，是空的， 将不出现该规定屏。将不出现该规定屏。每个反应可以含有高达每个反应可以含有高达10 10 个组分。个组分。按按 确定确定 将显
50、示下一屏。在最后一个反应屏输入将显示下一屏。在最后一个反应屏输入后，程序将返回图形画面。后，程序将返回图形画面。化学反应平衡数据规定屏化学反应平衡数据规定屏3.5.3 拓扑结构拓扑结构EREA 单元可有多个入口和最多三个出口。如果有单元可有多个入口和最多三个出口。如果有三个出口，则第一个出口为气体（如果存在），第三个出口，则第一个出口为气体（如果存在），第二个和第三个出口为液体（如果存在）。二个和第三个出口为液体（如果存在）。例题例题（1）选择化学平衡反应器）选择化学平衡反应器（2）规定进料条件）规定进料条件（3）规定化学平衡反应器）规定化学平衡反应器附加规定屏附加规定屏（4）规定）规定SO2
