换热器设计

软件简介

概述

  换热器是化工及石油化工装置中用于物料热量传递的关键设备，对于实现能量的有效利用和降低产品成本具有重要意义。管壳式换热器，又称列管式换热器是应用最广泛的换热设备类型，管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间：管内的通道及相连通的管箱，称为管程空间（简称管程）；换热管束外的通道及其相贯通的部分，称为壳程空间（简称壳程）。

标准

  换热器设计软件参考了中华人民共和国国家标准GB/T 151-2014, 化工行业标准 HG/T 20553-2011, HG/T 20553-2011，美国管式换热器制造商协会（TEMA）等标准要求。

三维模型

  换热器的三维模型能够根据用户选择的换热器结构形式、管程数、管程布局折流板的类型、数量以及切割方向等因素进行动态调整。该模型提供直观的视觉效果和交互式的操作体验，帮助工程师更好地理解、分析和优化换热器的结构和工作性能。

布管图

  换热器设计软件可以根据计算结果实时布管，也可以自定义布管，输入壳体直径，管外径，管心距，管子排列方式，管程数，分程形式，布管方式，点击“换热管布置”按钮，即可生成布管图。

计算模式

  换热器设计提供4种不同的计算模式：校核、设计、模拟、最大热阻。

操作说明

一、任务要求

  选用一个合适的换热器，将温度为 $137.683^{\circ }\mathsf{C}$ ，压力为 10.1325bar，流量为22894.6kg/h 的某混合物加热至 $200^{\circ }\mathsf{C}$ ，组分为（摩尔分数）：22.4248%甲醇 ，36.9853%二甲醚，37.7868%水， $0.9344\mathrm{\%}$ 一氧化碳，18.6873%氢气。现拟用温度为$309.617^{\circ }\mathsf{C}.$ 、压力为 10.1325bar 的混合物进行加热，此物质的流量为 22894.5kg/h，组分为（摩尔分数）：99.1832%甲醇， $7.38\times 10^{-60}\mathrm{\%}$ 二甲醚，0.8168%水。

二、操作说明

1.登录

  打开网址 https://cslab.oberyun.com/login ，输入用户名和密码，点击登录即可进入软件。

图 登录界面

  进入系统后，点击 "换热器设计" 模块，即可开始设计任务。

图 进入换热器设计

2.新建工程项目

  进入 "基础设置-项目信息"，点击 "新建工程"，填写工程名称和描述后保存，即可创建换热器设计工程。

图 新建工程

3.设置组分

  根据设计任务中涉及的冷热物流，添加组分：甲醇、二甲醚、水、一氧化碳和氢气。

图 添加组分

4.设备选型

  当前仅支持管壳式换热器设计，用户可随时查看其三维结构模型。

图 换热器三维结构模型

5.计算模式

  换热器设计提供4种不同的计算模式：校核、设计、模拟、最大热阻。
  本题先用设计模式初步设计换热器结构尺寸，然后圆整为标准尺寸，应用校核模式，核算换热器是否满足要求。
  首先，选用设计模式，输入设计参数等数据。
  设计参数用来对换热的结构进行一些限制，使设计结果更加符合要求。可根据需要设置壳体直径的最小值、最大值和步长，管长的最小值、最大值和步长，管程数的最小值、最大值，折流板间距的最小值、最大值等。
  设计方法： 枚举法
  工艺限制用来对冷热流体的参数进行限制。用户根据需要设置冷热流体的最小速度，最大速度。
  优化设置用来对换热器设计进行优化。

图 换热器设计模式

6.输入工艺数据

  根据题目要求，将进口温度为 $137.683^{\circ }\mathsf{C}$ ，出口温度为 $200^{\circ }\mathsf{C}$ ，压力为10.1325bar，流量为 22894.6kg/h，组分为（摩尔分数）：22.4248%甲醇，36.9853%二甲醚，37.7868%水， $0.9344\mathrm{\%}$ 一氧化碳，18.6873%氢气的冷物流以及进口温度为$309.617^{\circ }\mathsf{C}.$ 、出口温度为 $256.789^{\circ }\mathsf{C}$ ，压力为 10.1325bar，流量为 22894.5kg/h，组分为（摩尔分数）： $99.32\mathrm{\%}$ 甲醇，7.38E-06%二甲醚，0.8168%水的热物流，输入到工艺数据页面。

图 输入工艺数据

7.输入物性数据

  用户可以自己输入物性数据，也可以用系统计算物性。本题选用系统计算物性数据，需要输入冷物流及热物流的组成。

图 输入物性数据

8.设置结构参数

  进入工艺结构-壳体页面，选用前端管箱为B，壳体形式为E，后端管箱为M的水平换热器。

图 设置结构参数

  进入工艺结构-换热管页面，选用换热管外径 $19\mathrm{m}\mathrm{m}$ ，换热管壁厚 $2\mathrm{m}\mathrm{m}$ ，管心距 $25\mathrm{m}\mathrm{m}$ ，选择管子排列方式为正三角形排列，其余参数保持默认设置。

图 设置换热管

9.运行并查看设计结果

  输入完成后，点击运行按钮，即可得到最优设计结果。

图 设计结果

  管板布置：运行完成后，自动生成布管图。

图 管板布置

图 输出总结

图 装配图

10.换热器选型并校核

① 将计算模式改为校核模式

图 校核计算

② 查找标准换热器的型号，将设计出来的换热器尺寸，圆整为标准尺寸。

  参考《热交换器型式和基本参数》对设计结果进行调整。壳径为 $500\mathrm{m}\mathrm{m},$ ,换热管数 275,换热管长度 $2000{\mathrm{m}\mathrm{m}}_{\circ }$

图 标准尺寸换热器

11.运行并查看校核结果

  点击“运行”，点击“结构概要”-“输出总结”，即可查看校核结果。

图 查看校核结果

①面积裕度
换热器面积裕度为 $40.446\mathrm{\%}$ ，能够满足换热需求。
② 流速
壳程和管程流体的流速分别为 $12.2442\mathrm{m}/\mathrm{s}$ 和 $14.6522\mathrm{m}/\mathrm{s},$ ,均在合理的范围内。
③ 压降
壳程和管程的计算压降分别为16408Pa和24495Pa，均小于允许压降。