本 科 毕 业 设 计
题 目：基于HTRI的冷凝器优化设计
学生姓名：王 健 学 号：09031621
专业班级：化学工程与工艺09-6班 指导教师：郭晓艳
2013年 6月15日
中国石油大学（华东）本科毕业设计
基于HTRI的冷凝器的优化设计
摘要
本文通过一些典型例题：饱和蒸汽冷凝、含不凝气的蒸汽冷凝、油品冷凝冷却。通过对这些例题的详细计算，在论文中详细叙述了在设计过程中需要考虑的因素，例如选型、工艺流体温度、管长、管径、折流板间距、折流板等。给出了这些因素的调节范围，帮助学习者有一个直观的认识。
同时，在判断结果合理性方面，本论文给出了相应的数据范围。例如设计余量、流速、流型分布、热阻分配等。使得学习者能够判断自己设计的换热器是否满足标准。
并且，本文首次对HTRI设计过程中软件本身给出的提示-warning message进行了总结以及给出了相关的解决方法，使得初学者在调节过程中能快速理解为何进行这样的调节。
为了充分使用aspen plus完善的物性包，本论文还加入了使用aspen plus进行油品物性数据的模拟以及相关的导入方法。使得设计计算能够更准确。
关键词：HTRI；换热器；冷凝器；优化设计
中国石油大学（华东）本科毕业设计
Optimal design of heat exchanger based on HTRI
Abstract
This paper gives some typical examples: Saturated steam condensate, condensation of steam which containing non-condensable gas, oil condensate. Through detailed calculations of these examples, we described the factors affected in the process design such as equipment selection, the temperature of process fluid, tube length, diameter, baffle spacing, baffle plates and so on.we give the range of the adjustment factors in the factor.
Meanwhile, in the reasonable adjudgment of the results, the paper gives the corresponding data range. Such as overdesign,velocity, flow distribution, thermal distribution. This information is very important for learners.
Also,This is the first time to summarize the warning message and the key which was give by HTRI.this can help learners understading their method of adjustment.
In order to make full use of the aspen plus’sperfect property package, this graduation thesis also give the way of using aspen plus to simulate oil properties and related data import method. Makes the design calculations to be more accurate.
Keywords：HTRI; Heat Exchanger; Optimal design
中国石油大学（华东）本科毕业设计
目 录
第1章 前言................................................................................................................ 1
1.1 课题研究背景及意义...................................................................................... 1 1.2 换热器简介...................................................................................................... 2
1.2.1 换热器分类............................................................................................ 2 1.2.2 管壳式换热器的结构和使用特点........................................................ 3
第2章 冷凝器设计.................................................................................................... 8
2.1 冷凝器选型...................................................................................................... 8
2.1.1 饱和蒸汽冷凝........................................................................................ 8 2.1.2 含不凝气的冷凝冷却过程.................................................................... 8 2.1.3 安装注意事项........................................................................................ 9 2.2 冷凝器设计依据.............................................................................................. 9
2.2.1 管壳式冷凝器类型的选择.................................................................... 9 2.2.2 换热器合理压降的选择...................................................................... 10 2.2.3 工艺条件经验温度的选择.................................................................. 10 2.2.4 管长...................................................................................................... 10 2.2.5 管径与管壁.......................................................................................... 11 2.2.6 折流板圆缺高度.................................................................................. 11 2.2.7 折流板间距.......................................................................................... 11 2.2.8 密封条.................................................................................................. 11 2.3 HTRI设计判据 .............................................................................................. 12
2.3.1 管壳侧流速(velocity) .......................................................................... 12 2.3.2 设计余量(overdesign) ......................................................................... 12 2.3.3 热阻(thermal resistance) ..................................................................... 12 2.3.4 流型 (flow fraction) ............................................................................ 13 2.3.5 Window and crossflow .......................................................................... 13 2.3.6 常见warning message及解决方法 .................................................... 13 2.4 HTRI设计实例（HTRI6.0计算） ............................................................... 15
中国石油大学（华东）本科毕业设计
2.4.1 饱和蒸汽的冷凝.................................................................................. 15 2.4.2 含有不凝气的气体冷凝...................................................................... 29 2.4.3 油气冷凝冷却...................................................................................... 39
第3章 结论.............................................................................................................. 59
3.1 饱和蒸汽冷凝冷凝器数据............................................................................ 59
3.1.1 饱和蒸汽冷凝器结构数据.................................................................. 59 3.1.2 饱和蒸汽冷凝器工艺数据.................................................................. 59 3.2 含不凝气的蒸汽冷凝冷凝器数据................................................................ 60
3.2.1 含不凝气的蒸汽冷凝器结构数据...................................................... 60 3.2.2 含不凝气的蒸汽冷凝器工艺数据...................................................... 60 3.3 油气冷凝冷却冷凝器数据............................................................................ 61
3.3.1 油气冷凝冷却冷凝器结构数据.......................................................... 61 3.3.2 油气冷凝冷却冷凝器工艺数据.......................................................... 61
致 谢.......................................................................................................................... 62 参考文献...................................................................................................................... 63
第1章 前言
第1章 前言
1.1 课题研究背景及意义
我国的能源现状存在着两个突出的问题。第一，能源结构不合理。相比国外而言，我国能源效率利用率低，单位产品能耗高于世界同级水平。第二，由于我国人口众多，虽然国内能源储量较大，但人均水平处于世界人均水平较低地位。因此,设计出一种能够大幅节能的设备具有重大的战略意义[1-4]。
换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，其性能对能量利用效率、产品质量、工艺系统的可靠性与经济型起着重要的作用，有时甚至起决定作用。在石油、化工、能源等高能消耗工厂中，换热器数量占工厂总设备数目的40%左右，设备投资占全部投资的30%~40%左右，海水淡化工艺装置基本全有换热器组成[5]。近年来，利用换热器对高低温热能回收带来了巨大的经济效益。
管壳式换热器由于结构稳定、操作弹性大、技术成熟、适用面广、使用材料范围广等优点，是最为常用的热交换设备之一。近年来，一些新型强化换热器的出现促进了管壳式换热器的发展。随着换热器设计方法和传热技术的发展，管壳式换热器有了较大的改进和发展。在换热器结构上，折流挡板由单弓形发展到双弓形、圆环形、螺旋形等来强化壳侧流体的流动以增强传热。管程数有单程变化为双程、四程甚至六程等，从而增加了管程流速，减少结垢。[6]在设计方法上，国际上有1962年成立的美国换热研究公司HTRI和1968年英国成立的传热与流体流动服务公司（HTFS，现为ASPEN EDR）,其软件能较为快捷准确的模拟出换热器的换热效果。国内的中国寰球工程公司和洛阳石油化工总公司等制定了相应的设计规范和技术标准，推动了我国换热技术的发展，对换热器的研究和设计作出了巨大的贡献[7]。
对设计的换热器通常有一些基本的要求：首先需要满足石油、化工等生产工艺的换热要求，保证所设计的设备能在指定的情况下完成换热任务，正常工作；其次还需要保证换热器能够长时间的运行而不发生故障；再次，设计的换热器应尽可能结构紧凑、设备占用体积小、便于维修等特点。最后，换热器的热量泄露少，阻力小，比较经济等。
HTRI软件作为国际上最为常用的换热器计算软件之一，在国内也有很大的
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第1章 前言
应用市场。然而，在HTRI相关教程上十分稀少。为了帮助学习者能够更快的了解相关计算，特编写此论文。
1.2 换热器简介
1.2.1 换热器分类
换热器作为传热设备随处可见，在工业中得到大量的使用，特别在耗能用量十分大的石油、化工等领域。随着人类文明的进步，节能技术发展，所涉及的换热器越来越多。对处在不同介质、工况、温度、压力下的换热器，结构和形式有着很大的不同。其具体分类如下[8-13]：
1. 按传热原理分类
直接接触式换热器两种介质接触，直接传递能量，实现传热。传热量直接受接触面积影响。常用为气体与液体的传热。此类换热器主要以塔设备为主体，很难区分与塔器的关系，常归为塔式设备。
a) 蓄能式换热器用量极少。热介质先加热热容较大的物质，待所加热物质到达一定的温度后，冷介质以热固体为换热媒介得以升温，从而达到换热的目的。
b) 管板式换热器此类换热器占总量的99%以上。热物流通过某种导热系数较大的介质将能量传递到冷物流的换热器。此类换热器通常成为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。
2. 按传热种类分类
a) 无相变传热分为加热器和冷却器。
b) 有相变传热一般分为再沸器和冷凝器。再沸器又包括釜式再沸器、虹吸
式再沸器、废热锅炉等。 3. 管壳式换热器分类 a) 固定管板式换热器
固定管板式换热器两端管板通过焊接的形式固定在壳体上。换热管则采用胀接、焊接等方法与管板联结。对于此类换热器，壳侧一般不清扫。故一般对含有污垢或者腐蚀性介质安排走管程侧。此类换热器是最为常用的类型，最为经济。因此在设计换热器时首选固定管板式换热器。
b) 浮头式换热器
当壳程侧与管程侧有较大的温差或较高的压力时，常采用此类换热器。同时，
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第1章 前言
由于管束可以抽出壳体之外，便于机械清扫。因此，浮头式换热器也适用于管、壳程介质污垢系数较大，即管壳程都需要进行机械清理的场合。
c) U型管式换热器
管束膨胀可以通过U型管的弯曲部分变形来吸收，不受壳体的约束。还可以进行机械清洗，结构比较简单。因而造价比浮头式换热器低。但是管程清洗较为困难，一般工艺设计让清洁流体走管程。
d) 填料函式换热器 e) 釜式再沸器
1.2.2 管壳式换热器的结构和使用特点
换热器作为节能设备之一，在国民经济中有着十分重要的作用。换热器的结构决定了换热器的性能。设计者合理的结构设计能够发挥换热器的某种性能。不同的换热环境有着不同的换热结构。设计者想要设计一个高效、节能的换热器就必须了解换热器的结构特点。
管壳式换热器虽然种类繁多，但通常可以将其拆分为前封头、壳体、后封头。不同结构的部件用不同的英文字母表示。故换热器可以用三个字母来表示。例如BES等等。相对GB151-1999，TEMA标准相比而言，少了I、Q、O壳体。TEMA分类及代号如图1-1所示：
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第1章 前言
图1-1 主要部件及代号
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第1章 前言
1. 浮头式换热器
表1-1 换热器的主要部件（与图1-2到图1-5对应）
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
名称 平盖 平盖管箱（部件）
接管法兰 管箱法兰 固定管板 壳体法兰 防冲版 仪表借接口 补强圈 壳体（部件） 折流板 旁路挡板 拉杆 定距管 支持板 双头螺柱或螺栓
螺母 外头盖垫片 外头盖侧法兰 外头盖法兰
序号 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
名称 吊耳 放气口 凸型封头 浮头法兰 浮头垫片 球冠形封头 浮动管板 浮头盖（部件） 外头盖（部件）
排液口 钩圈 接管 活动鞍座（部件）
换热管 挡管 管束（部件） 固定鞍座（部件）
滑道 管箱垫片 管箱圆筒（部件）
序号 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
名称 封头管箱（部件）
分程隔板 耳式支座（部件） 膨胀节（部件） 中间挡板 U形换热管 内导流筒 纵向隔板 填料 填料函 填料压盖 浮动管板裙 部分剪切环 活套法兰 偏心锥壳 堰板 液面计接口 套环 圆筒 管箱侧垫片
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第1章 前言
图1-2 AES、BES浮头式换热器
浮头式换热器最大的特点是管束可抽出，对由于温差造成的应力能够通过自由伸缩缓解，从根本上避免了温差应力的产生。其优点是：
1) 管束抽出方便，便于清洗管、壳程
2) 适用于壳体与管子金属温差超过30℃时或者冷热流体的极限温差超过
110℃的条件，不会造成因膨胀造成的泄露。
3) 壳侧能够进行机械清理，能用于结垢比较严重的场合。 但也存在一定的缺点： 1) 小浮头容易发生泄露。 2) 结构相对复杂，造价相对较高。 2. U型管式换热器
图1-3 BIU U形管式换热器
U形管式换热器最大的特点是采用U形管式换热器，管子两端固定在同一管板上，因管束可以自由伸缩，故对热膨胀的适应能力较强，多用于高温高压和管壳壁之间传热温差较大的工况。其优点是：
1) 管束可抽出进行机械清洗。 2) 壳体与管束不受温差的限制。
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第1章 前言
3) 管束可抽出进行机械清洗。 缺点是：
1) 最外排管子U形弯曲段因为无支撑，可能因跨度大而造成流动诱发振动问题。
2) 不可更换单根管子。 3. 填料函式换热器
图1-4 AFP填料函式换热器
图1-5 AJW填料函式分流式换热器
填料函式换热器最大的特点是管束可抽出，壳体与管束间可自由滑动，从而吸收因温差而引起的热膨胀。其优点是：
1) 可用于高温差的工艺流体换热。
2) 管束可抽出，能进行机械清洗，能适用于结垢比较严重和管束腐蚀严重的场合。
缺点是：
密封处易泄漏，不适于有毒、易挥发及贵重介质的场合。
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第2章 冷凝器设计
第2章 冷凝器设计
2.1 冷凝器选型
[10]
因为本章主要介绍管壳式冷凝器，所以选型问题也仅限于管壳式冷凝器。
对冷凝器的选型，应根据实际情况进行分析，针对膜式冷凝的特点，结合正确的工艺计算，选择出适当的冷凝器。对饱和气体冷凝和含不凝气的气体分别加以说明。
2.1.1 饱和蒸汽冷凝
因为在传热、压降、清扫等方面分配比较合理，故一般情况下选择卧式壳程冷凝器。
1. 当冷凝工艺流体量和冷凝器的型号相同时，卧式冷凝器的传热系数比立式冷凝器的传热系数的0.77（L/D）0.25倍。
2. 壳程冷凝时，饱和蒸汽的压力降比管程的小。
3. 当用水做冷凝介质时，冷却水走管内有利于清洗产生的水垢，并且容易保证较高的流速，从而产生较大的传热系数。
对于饱和蒸汽冷凝，在特殊的情况下才不优先考虑卧式壳程冷凝。
1. 当被冷凝的介质压力较高或严重腐蚀管材时，在管程冷凝比较合适，这样壳体可使用普通钢材，能够减少设备投资。一般是指立式管程冷凝。
2. 对冷凝传热系数较高的物料（水蒸汽、氨气等），可以选择立式冷凝器。虽然冷凝膜传热系数比卧式的低，但如果冷却水沿管子内壁成膜状流下，由于这样水的膜传热系数比水充满时的膜传热系数大，从而提高了总膜传热系数。常用的立式氨冷器就是典型的例子。 2.1.2 含不凝气的冷凝冷却过程
1. 低压
通常采用卧式壳程冷凝器。如果采用立式壳程冷凝器，在死角累计的不凝气不易排出。同时冷凝液沿管壁流到折流版后，又在折流板的边缘落到下层折板上。这样凝液就不能很好的与管子接触，也就得不到充分的冷却。
2. 中压
近年来趋向采用立式管程冷凝，因为：
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第2章 冷凝器设计
1) 凝液呈降膜形状向下流动，对凝液的过冷有利。
2) 中压状况气速较高，使凝液的液膜厚度薄，从而气膜的热阻低。气速高时不凝气也不易在冷凝器里积聚。
3) 在立式塔顶冷凝器中，气体与凝液始终充分接触，所以传热系数比卧式高。
4) 压力降较低。
对立式冷凝器，当冷凝介质走壳程时，通过改变折流板间距能够获得较高的膜传热系数。如果立式冷凝器的管壳程分配能够保证完全逆流（单管程、单壳程），凝液过冷效果就更好，可凝气的损失也越少。
3. 高压
近来多采用卧式冷凝器，在设计时主要考虑采取合适的流速以免液体与气体分层。
2.1.3 安装注意事项
1. 卧式冷凝器
为了便于凝液的排出，安装时保持大约1%的坡度（角度小，对传热的影响忽略不计）。同时折流挡板的切口保持与竖直，以利于排除凝液和不凝气。
2. 立式冷凝器
为保证较大的传热系数，避免因气节式的两相流动引起的操作不稳定，管内流体流动时需自上而下。
2.2 冷凝器设计依据
2.2.1 管壳式冷凝器类型的选择
1. 封头
前封头的类型对换热器影响因素压降和热传递没有影响，但后封头的型式会对压降和传热产生影响。
1) 一般前封头选择“B”。
2) 对水冷却器，当管侧需要定期清洗时且管侧设计压力小于10bar（g）时前封头选择“A”型。
3) “M”型后封头一般为固定管板式换热器的选择，“S”型后封头为浮头式换热器选择。
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第2章 冷凝器设计
4) 对高压下操作的换热器，前封头一般选择“D”型。 2. 壳体
1) “E”型较为经济，是选择壳体时的首选类型。
2) “F”型当换热器内存在温度交叉或者需要多个换热器串并联时，可选择此类型壳体。管程数必须为偶数。
3) “J”型当“E”型壳体压降不能满足要求时选择此类型壳体。分为J21和J12两种类型。即两个进口一个出口和两个出口一个进口。 2.2.2 换热器合理压降的选择
较高的压降会有较大的流速，能导致较少的设备投资，但运行费用增高。小压降与此相反。所以，要在设备投资与运行投资之间进行经济分析。下表列出常用换热器的压降值以供参考。
表2-1管壳式换热器的合理压降
操作情况 减压操作 低压操作
中压操作(包括用泵) 较高压操作
操作压力 P＝0?100Kpa(绝) P＝0?70Kpa(表) P＝70 ?1000Kpa(表) P＝1000 ?3000Kpa(表) P＝3000 ?8000Kpa(表)
合理的压力降 P/10 P/2 35Kpa 35?180Kpa 70? 250Kpa
2.2.3 工艺条件经验温度的选择
1. 为避免结垢，冷却水的出口温度一般低于60℃。低温端温差在5℃之外，高温端温差应大于20℃。对工艺流体的换热，低温端温差一般高于20℃。
2. 采用多管程、单壳程，以水为冷却剂时，为防止产生温度交叉，冷却水的出口温度一般低于工艺物流的出口温度。 2.2.4 管长
12.2m长的碳钢管，21.3m长的铜合金管通常在国内不能够生产。6m长的管子比较普遍。在相同传热面积时，长管较好。原因如下：
1. 减少管程数， 2. 减少压力，
3. 每平方传热面的价格低。
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第2章 冷凝器设计
由于国内不能够生产太长的管子，国内一般选用4~6m的管子。在冷凝器中选用长管子会增大设备放置平台的钢结构面积进而增加费用。对浮头式冷凝器会增加管子的抽出空间，从而增加设备的占地面积。 2.2.5 管径与管壁
管径越小换热器越紧凑，造价也就越低。但小管径会导致大压降。因此，在设计换热器时，首先选用19mm管径来保证满足允许压降。当设计易结垢的流体换热时，可选用25mm的管径，这样更方便清洗。
表2-2 常用国内换热管的规格
材 料 碳 钢 碳 钢 碳 钢 不 锈 钢 不 锈 钢
钢 管 标 准 GB8163-87 GB8163-87 GB8163-87 GB2270-80 GB2270-80
外径mm x厚度mm 19 x 2 25 x 2 25 x 2.5 19 x 2 25 x 2
2.2.6 折流板圆缺高度
单弓形圆缺型折流板的建议开口高度为直径的10~45%，双弓形折流板的建议开口高度为直径的15~25%。 2.2.7 折流板间距
折流板间距影响到壳程流体的流速和流动状态，从而对传热速率产生一定的影响。最小的折流板间距为壳体直径的1/5且不小于50mm。建议的最大折流板间距为壳体直径的1/2。 2.2.8 密封条
也称旁路挡板，主要防止bundle-shell的泄露流。一般成对设置。建议按照下面的数量进行设置。
DN小于500mm时，设置一对；DN在500~1000mm时，设置两对；DN大于1000mm时，设置三对较为适宜。
对固定管板式和U型管式换热器因为间隙不大，不必使用密封条。对有相变的设备，由于密封条会影响气液相的分离，不建议使用密封条。[14]
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第2章 冷凝器设计
2.3 HTRI设计判据
HTRI共三个计算模块。分别包括核算、模拟、设计。其中，设计（design）模式需要较少的工艺条件，软件根据提供的条件进行计算，初步得到其他缺少的几何结构，热传递系数和压力降等。校核（rating）模式输入工艺条件和相关的几何参数，计算热负荷并通过不断的优化设计，得到最优化的合理结果。设计模式和校核模式是最常用的计算模式，对经验丰富的设计人员，可以直接进行校核计算。模拟计算是验证换热器热负荷是否满足要求。HTRI程序可以设计壳体类型、壳体直径、管长、管间距、折流板间距、折流板类型、管径、管心距。[15-16] 2.3.1 管壳侧流速(velocity)
为防止结垢等不正常现象，管壳侧需要保证有一定的流速范围。常用流速如下表所示：
表2-3管壳式换热器中常用的流速范围
流体的种类
管程
流速m/s
壳程
0.2～1.5
>0.5
3.0~15
表2-4水的流速表(管内) 类别 凝结水 河水(干净的) 循环水(处理的) 海水 海水
管材 钢管 钢管 钢管 含铜镍的管 铝铜管
最低流速(m/s) 0.6～0.9 0.6～0.9 0.6～0.9 0.75～0.9 0.75～0.9
最高流速(m/s)
3.0 3.7 3.7 3.0 2.4
适宜流速(m/s)
1.8~2.4 1.8~2.4 1.8~2.4 1.8~2.4 1.8~2.4
一般流体 0.5～3.0
易结垢流体
>1.0
气体 5.0~30
2.3.2 设计余量(overdesign)
对单相系统设计余量为0~5%，两相系统5~10%左右。对于管壳式换热器，20~30%也是允许的，为了适应以后工艺条件变化。 2.3.3 热阻(thermal resistance)
一般污垢热阻所占比例不宜超过50%。
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第2章 冷凝器设计
2.3.4 流型(flow fraction)
在HTRI设计结果report中，报告右下角给出了5种流体所占分率。为保证换热器又较好的传热效率，建议B>0.6，E<0.15,A最好小于0.1，但不得大于0.2。C一般小于0.1，F接近0。若B流太小，E流太大，可增加折流板间距进行调整。对C流，增加密封带（sealing strips）或调节折流板数（crosspasses）值。若F值过大，可调整管子的排列方式解决。
图2-1 不同流型分布
流路A: tube-to-baffle flow,leakage flow－折流板管孔和管子之间的泄漏流路； 流路B: main cross flow－－错流流路；
流路C: bundle-to-shell flow,bypass flow－管束外围和壳内壁之间的旁流流路； 流路E: baffle-to-shell flow,leakage flow－折流板与壳内壁之间的泄漏流路； 流路F: Tube field Pass Partition,Bypass Stream－管程分程隔板处的中间穿流流路。
2.3.5 Window and crossflow
对单弓形折流板，crossflow与window中较大值与较小值的比值在1.0~1.5之间，最好接近1；对NTIW baffle，window/crossflow在2~3之间。不满足要求可以调节baffle cut，但最大值不超过45%，最好在17~35%。 2.3.6 常见warning message及解决方法
1. The physical properties of the hot(cold) fluid have been extrapolated beyond the valid temperature range. check caculated values.
热(冷)流体物性插值得到的温度超过了可用的温度范围，检查计算值。 可以增大所设的温度范围或者改物性包HTRI为VMGThermo，如果工艺设计已定，也可忽略此问题。因为物性推算本来就是插值法得来，软件只是提醒一
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第2章 冷凝器设计
下超出温度范围，对结果影响不大。
2. An internal temperature cross exists in the exchanger. the program handles the reverse heat flow properly in the calculations, but you may want to consider changing the terminal process conditions to avoid the internal temperature cross.
换热器内存在温度交叉，软件在计算中适当的改变了流体的状况。但是你也许会考虑改变工艺条件来避免这样的问题。
当管程数为1时不会存在温度交叉问题，但是对于多管程换热器出现此类问题时说明流体工艺流体不合适，试着增加传热温差或者更改流量等条件。不可忽略。
3. The design logic has modified the user specified value for baffle spacing (etc.)
软件设计修改了用户指定的折流挡板间距等数据。
在校核过程中根据REPORT里的内容进行修正即可解决。不可忽略。 4. The B-stream flow fraction is very low.check the design. B流所占分率太小，检查设计内容。
此时说明其他泄露流太大，可增大折流板间距增加B流；添加密封带减少C流以增加B流；调整管子的排列方式减少F流。
5. The inlet baffle spacing is less than the recommended minimum spacing.check the design.this condition may lead to problems when the exchanger is built.
进口处折流板间距比建议的最小折流板间距小，重新检查设计，这种情况在换热器的建造时会产生很多问题。
试着增大折流板间距。不可忽略。
6. Shell exit velocity exceeds critical velocity, indicating a probability of fluide lastic instability and flow-induced vibration damage. If present, fluide lastic instability can lead to large amplitude vibration and tube damage.
壳侧出口流速超过了临界速度，暗示着流动不稳定和流体振动造成损害的可能性。如果这种现象存在的话，可能会导致巨大的管振幅和管振动。
试着改变壳体类型为J12或者增大壳体出口管径。不可忽略。
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第2章 冷凝器设计
7. The inlet unsupported span length (inlet baffle spacing+central baffle spacing)exceeds the TEMAmaximum unsupported span length.
进口处无支撑板间距长度（进口处折流板间距加上中心折流板间距）超过了TEMA最大的无支撑板间距长度。
试着减少折流板间距。一般来说换热器的折流板间距都是等距的。不可忽略。 8. The vapor specific heat of the hot fluid is calculalated in the area of the critical temperature.the linear interpolation of the vapor specific heat and the sensible heat duty may be inaccurate in this region.specified the vapor specific heat and/or the heat release curve for this case.
热流体的气相比热在临界温度点计算。在这个范围利用线性插值法得到的气相比热和热负荷可能不准确。在这种情况下指定气相潜热或热流体曲线数据。可忽略。
9. A differential flash is recommended for two-tube pass intube condensation unless a U-tube bundle is used because of potential phase separation in the header.
在两管程管内冷凝过程建议使用微分法计算。除非使用U型管。因为在封头处可能存在潜在的气相分离。
在hot/cold fluid properties>flash type中更改计算类型即可。不可忽略。
2.4 HTRI设计实例（HTRI6.0计算）
2.4.1 饱和蒸汽的冷凝 设计任务和设计条件
设计一冷凝器，用以冷凝来自气提塔的氨蒸气，并选定冷凝器的操作压力。露点下氨的流量为653.2kg/h，冷却水的入口温度为32.2℃。 确定设计方案
为避免因温差过小引起的水量过大，这里选择冷却水升温5℃[10]。同时为保证氨的出口温度比冷却水的出口温度高5℃，查氨的莫利尔图得，氨在1.6MPa时的凝点是41.4℃。所以选择氨的操作压力是1.6Mpa。因冷热两股流体的温差较小，冷却水、氨的污垢系数接近为0，这里选择固定管板式换热器较为经济。对饱和纯组分蒸汽冷凝，选择立式壳程冷凝器能达到更好的换热效果，因此选择立式，热流体走壳程，冷流体走管程。
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第2章 冷凝器设计
软件计算步骤（本文以HTRI6.0为例）
1. 打开HTRI，在File菜单下选择“New Shell and Tube Exchanger”界面。这个界面由三部分组成，树形栏，可以点击选择要输入的项；输入面板，可以在相应的框里输入具体的数据，最下面一栏可以在Input、Report、Gragh等界面间切换。如图2-2所示。
2. 设定Case单位制，选择SI。 换热器几何参数设定 ? Case mode
HTRI6.0中Case mode共三个选项
Rating：校核计算模式，具备了足够的换热器尺寸与工艺物流条件之后，灾此种模式下计算换热器的压力降和热负荷，得到Report，校核所设计的换热器是否符合标准。
Simulation：模拟计算模式，此种模式考察换热器能否满足规定的热负荷。 Design：设计计算模式，当初始条件较少时，选用此种模式可以得到换热器的初步结构参数结果。
通常是先通过设计计算，得到换热器的初始尺寸，然后进行校核计算，经过多次校核，得到最终的设计结果。
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第2章 冷凝器设计
图2-2 数据输入总界面
? Exchanger configuration对于冷凝器，选择默认的generic shell and tube。 ? Process conditions
冷热流体流量，温度，压力等根据题目所给输入。压降一般由甲方指定，但是当不指定时，可选用着经验数值，见2.2.2节。需要指明的是对于weight fraction vapor，1代表全气体，0代表全液体。
污垢热阻在资料书中查询[10 ,14]。 ? Shell geometry
TEMA type：对于此次设计的氨冷凝器，首先选择BEM类型进行初步设计。 ID：在设计计算模式中不用输入，待计算后得到初步的设计结果。由校核计算输入。
Orientation：选择vertical垂直方向。
Hot fluid：热流体走壳程还是管程。选择shellside，壳程。 ? Baffle geometry
Type:折流板类型，折流板具有各自不同的优缺点。下面列出常用的折流板
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第2章 冷凝器设计
图2-3 单弓形折流板 图2-4窗口侧无排管折流板
(single baffle) (NTIW baffle)
图2-5 双弓形折流板 (Dobble baffle)
其中，单弓形折流板最为经济。单弓形（NTIW），在振动存在的时候改用此类折流板。双弓形折流板用于在单弓形折流板压降较大时的情况。还有一些特殊类型的折流板，读者可根据需要自行选用。
图2-6杆型折流板 图2-7螺旋形折流板
（ROD baffle） （Helical baffle）
图2-8 双螺旋型折流板 （Double Helix）
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第2章 冷凝器设计
图2-9 全网格折流板 图2-10 魔方型折流板 （EMbaffle,Full Grid） （Square-One Baffle）
这里选择单弓形折流挡板，一般来说，单弓形折流板最为经济[16]。 Orientation：折流挡板圆缺方向, 水平装配可对流体造成较强的扰动，从而增加传热系数，在无相变的换热中较为常用。垂直装配则更适合在卧式冷凝器中，这种排列方法有利于排除冷凝器中的不凝气和冷却液。 ? Tube geometry
Type：选择默认的光滑管 plain。
Pitch选择管径的1.25倍（常用）或者1.33倍，wall thickness根据标准选用，这里选择2mm。在使用HTRI软件设计过程中，只需要填写红框内数据即可。填写完毕后，界面如图2-11所示：
图2-11 数据填写完成input summary界面
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第2章 冷凝器设计
流体物性输入
单击树形栏“Hot Fluid Properties”或“Cold Fluid Properties”会出现图2-12物性输入选择界面：
物性对于设计结果具有很大的影响。在输入物性时有一些输入原则。 ? Physical property input option，三个选项分别代表：
如果知道组成，则选取第二项component by component。 如果知道物性，则选取第一项Mixture properties via grid。
如果知道组成，又希望自己输入一些物性，则选取第三项Component and grid properties。
? Heat Release Input Method，对应热量有关物性的输入：
第一项是用户自己进行规定User specified。
第二项是规定露点及泡点Specified dew/bubble point。 第三项程序自己计算program calculated。
对于本例题，选择左边第二项component by component，右边第三项program calculated。流体名称为ammonia。
? Composition units选择默认的moles即可。
? Flash type 选择默认的integral积分法，计算结果提示使用differential微分法时再修改。
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第2章 冷凝器设计
图2-12 物性输入选择界面
双击树形栏的Hot Fluid Properties，看到component图标上有红框标识，说明这一项还需数据输入。点击打开，出现图2-13所示界面。
图2-13 热流体物性输入界面
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第2章 冷凝器设计
在package中，默认的安装物性包有HTRI、VMGThermo。用户可以根据需要自行使用所需要的物性包。其中，VMGThermo的assay可以用来分析油品数据，将在油品例题中阐述。
按照同样的方法输入冷流体物性。
图2-14 冷流体物性输入界面
在HTRI物性包中水有两种，包括water（IAPWS 1997）和water（previous HTRI）。一般选择前者，即water（IAPWS 1997），IAPWS代表The International Association for the Properties of Water and Steam。
注意：在树形栏control一项method中，condensation选项，选择纯组分pure component为yes计算，否则，HTRI会按照含有不凝气计算，使热传递系数计算不正确，从而影响结果。
此时树形栏中各项已经没有红色方框，说明输入已经完毕。点击运行按钮计算，出现report窗口，见表2-5。
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第2章 冷凝器设计 表2-5 初步设计结果一
对Runtime Message里的警告内容暂时不用考虑，即得到了设计的初步结果。为考察初步的设计结果是否合理，将设计模式改为Rating校核模式，在校核模式计算过程 中所缺少的参数可以暂用report中的数据。
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第2章 冷凝器设计
3. 换热器的校核设计：
将Case mode改为校核模式，根据初步设计的结果输入红色方框的内容。
图2-15 校核设计数据输入框
参考固定管板式换热器标准，将换热器壳径输入为300mm，折流挡板间距baffle spacing输入为150mm，点运行按钮。得到表2-6结果。 结果分析[17-20]：
查看表2-6，因Tubeside流速太小（参考第2.2.1节），改管程为2。且L/D太大。L/D建议在5~10范围。根据标准，选择管长改为4.5m，壳径改为273mm。为增加B-FLOW,减少E-FLOW，将baffle spacing改为250mm，layout angle 改为60°。运行，得到表2-7结果。
查看表2-7，为减小window流速，将baffle cut改为32%，为减少F-FLOW，在clearances中的passlane seal device中，将number of rods设置为10。为减少A-FLOW，在clearances中的diameral clearances中设置tube-to-baffle为0.5mm，为减少E-FLOW，在clearances中的diameral clearances中设置为2.5mm。运行。得到表2-8结果。
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第2章 冷凝器设计 表2-6 校核设计结果一
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第2章 冷凝器设计 表2-7 校核设计结果二
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第2章 冷凝器设计 表2-8 校核设计结果三
在final result中，有一项指标的考察较为重要，即压力降。见表2-9。发现壳侧进口管压降较大，为46.67pa。超过了建议范围的压降30%。通过观察壳侧入口管尺寸为52mm，所以增加其至62mm，壳侧进口管压降符合要求，见表2-10。
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第2章 冷凝器设计 表2-9 换热器内压降分布一
Cross 37.28 MOMENTUM
Window 17.77
Ends 1.62 -3.90
Nozzle Inlet Outlet
Shell 46.67
0.56
Tube 9.71 6.19
表2-10 换热器内压降分布二
Cross 33.20 MOMENTUM
Window 6.39
Ends 16.52 -5.19
Nozzle Inlet Outlet
Shell 22.89 26.18
Tube 5.91 3.77
计算结束。
注意，因为本题目的runtime message中的警告可以忽略，所以在上述讲述过程中没有涉及，在其他题目中应该根据此项的内容进行相关调整。Runtime message是进行调整的依据。 HTRI与EDR计算结果对比
通过比较HTRI的设计结果，给定相同的设计参数设计出的换热器不尽相同。
表2-11 EDR与HTRI参数比较
工艺参数
结构参数
EDR
型号 方向 壳径/mm 管长/mm 管径/mm 管子数 管壁厚/mm 管间距/mm 管程数 布管方式 板间距/mm
BEM 竖直 273 4500 19.05 86 2.11 23.81 2 60° 250
氨气进口温度 出口温度 壳程流速 管程流速 壳侧压降 设计裕量 壳侧膜系数 管侧膜系数 A B C
42℃ 40.59℃ 1.16 1.29 1.965 19 5617.6 4912.1 0.09 0.68 0.07
HTRI 42℃ 41.12℃ 0.48 1.34 0.793 11.1 5135.6 6552.7 0.045 0.667 0.075
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第2章 冷凝器设计
续表2-11
工艺参数
结构参数
EDR
折流板类型 折流板方向 弓缺/%
单弓形 竖直 40
E F
0.08 0.09
HTRI 0.09 0.123
在相同的结构参数之下：
1.EDR与HTRI的壳程流速相差较大，可能原因是两个软件的流速计算方法不同。
2.EDR壳侧流速较大导致了压降较高，壳侧膜系数较高。
3.EDR与HTRI进出口温度设计有差异，原因在于两个软件所使用的物性数据包不同，因此物流的物性有差异。
4.结构参数相同，壳侧各流股基本相同，差异原因在于两个软件系统默认的各部件间距不同。
5.EDR设计裕量较大，当流速一致的情况下，两者的设计裕量基本相同。 结论：EDR与HTRI使用相同参数进行设计，由于其内部计算方法不同，得到的结果有所差异，不过设计校核之后的冷凝器各项参数均符合要求。 2.4.2 含有不凝气的气体冷凝 设计任务和设计条件
对含有不凝气的换热器设计，在物性输入时应注意相态的选择。对不凝气，其phase选择为vapor，即没有相变。
由一台烃类气体压缩机排出的混合气为6164.38kg/h的干烃气体，所带入的水分为644.11kg/h。混合气出压缩机进入冷凝器的温度为121.11℃，压力为234.422Kpa，要求冷却到40℃，干气体的分子量是12.7。干烃气体组成（摩尔分率）：乙炔0.148，氢气0.531，甲烷0.098，一氧化碳0.223。 确定设计方案
首先设定冷却水的进口温度为32.2℃，为避免冷却水用量过大，选择冷却水的温升为5℃。对本例题冷热两股流体的极限温差并未超过110℃，选择固定管
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第2章 冷凝器设计
板式换热器较为经济。对低压操作，采用卧式壳程冷凝。首先，查得对烃类气体污垢热阻为0.0002m2·h·℃/kcal。 软件计算步骤
1. 打开HTRI，新建管壳式换热器模块，输入几何数据和工艺数据。
图2-16 数据输入完毕界面
流体物性输入
对含不凝气的物流的数据输入，在选择时应注意相态问题。首先根据题目所给工艺流体的数据计算当包含水蒸气时摩尔组成。
表2-12 物流各组分组成
组分
摩尔流量kmol/h 摩尔组成
乙炔 71.84 0.1378
氢气 257.74 0.4945
甲烷 47.57 0.0913
一氧化碳 108.24 0.2077
水蒸气 35.78 0.0687
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第2章 冷凝器设计
在物性输入栏里输入相关数据
图2-17 热流体物性输入界面一
在phase里面，见图2-18。Mixed代表流体有相变，Vapor或Liquid代表没有相变。在输入混合物的时候注意输入混合物的组成。这也是含有不凝气计算时与其他情况的不同点。
同样的方法，输入冷流体的物性。
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第2章 冷凝器设计
图2-18 热流体物性输入界面二
图2-19 冷流体物性输入界面一
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第2章 冷凝器设计
图2-20 冷流体物性输入界面二
含有冷凝相变，在Control-Methods-Condensation里面输入冷凝组分数为1。
图2-21 软件计算其他选项
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第2章 冷凝器设计
此时树形栏已经没有红色方框，点击运行按钮，计算。
表2-13 初步设计结果一
计算出结果后，将涉及模式改为计算模式，所缺少的参数根据design 模式得到的report输入。对Runtime Message里的警告内容暂时不用考虑。
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第2章 冷凝器设计
2. 换热器的校核设计
将Case mode改为校核模式，根据初步设计的结果输入红色方框的内容。 参考固定管板式换热器的标准，并注意到初步设计的Overdesign为203.42%。所以选择壳径为400mm，管长选为4m。折流板间距为200mm。点运行按钮。计算。出现如图2-14的警告。
表2-14 校核设计结果一警告
查看runtime message表2-14里面内容，提示设计的换热器壳侧压降太大，已经超过了入口压力。查看report里output summary里的结果，压降为246.276kpa，超过了进口压力234.425kpa。因此，选择双弓形折流挡板和J21壳径以减少压力损失。选择，计算。得到设计结果，如表2-15所示。
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第2章 冷凝器设计 表2-15 校核设计结果二
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第2章 冷凝器设计 表2-16 校核设计结果二警告
查看runtime message，问题一提示热流体插值得到的物性不能达到有效的温度范围，检查计算值。也就是说所设计的温度范围太窄，这是改变温度范围可以解决这个问题。但是温度为工艺设定温度，因此不可改变。本问题并不影响计算结果。因为计算结果是插值得来的。而物性随温度的曲线基本服从插值的规律。
问题二说的就是壳侧流速过大问题。
为解决以上问题，参考计算壳侧入口管径为204mm，将入口管径改为254mm。为增加管程流速，选择双管程。为使window/crossflow比值接近1。调节baffle spacing为150mm。计算，运行。得到最终的设计结果，如表2-17。
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第2章 冷凝器设计 表2-17 校核设计结果三
计算结束。
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第2章 冷凝器设计
2.4.3 油气冷凝冷却 设计任务和设计条件
用冷却水冷凝冷却常压塔顶汽油，汽油流量为3409.4kg/h，汽油出塔温度70℃，要求冷却至40℃，冷却水入口温度18℃，设计管壳式冷凝冷却器，常顶 汽油的物性如表2-18。20℃密度为733.2kg/m3。
表2-18 常压塔顶汽油恩氏蒸馏曲线 体积分率 温度 ℃
初馏点 39
10% 80
30% 102
50% 117
70% 129
90% 146
95%
干点 169
确定设计方案
为避免温差过大，选择冷却水温升为5℃。因冷热两股流体的极限温差较小，并且不需要机械清洗，选择固定管板式换热器。对常压塔油品冷凝，选择卧式壳程冷凝。 软件计算步骤
首先，对于油品等混合类不知道具体组成的情况，首选利用PROII或者aspen plus模拟油品物性，然后导入到HTRI中计算。HTRI本身也可以计算，本例题将从外界导入和自身计算两方面进行叙述。 1. Aspen模拟数据导入计算
打开aspen plus软件，simulations选择“general with metric units”，run type选择assay data analysis。建立新模块，图2-22。
选择setup-specification-global选框，输入本次模拟的名称。输入为OIL，其他选项选择默认即可，图2-23。
随后，开始输入的虚拟组分。选择component-specifications-selection，定义虚拟组分的component ID为H-FLOW，type选择assay，图2-24。
点击components-assay/blend，选择刚才命名的H-FLOW组分，并点击下侧的edit，图2-25。
根据题目为恩氏蒸馏的数据曲线，选择ASTM D86，根据所给密度计算油品重度为61.49。输入ASTM D86数据图2-26。一般来说，题目所给的数据越多，软件计算的越为准确。尤其是轻端组分light ends。一般以C6为分界线。另外重度曲线、分子量等也可输入。
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第2章 冷凝器设计
图2-22 aspen模块选择对话框
图2-23 全局设定
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第2章 冷凝器设计
图2-24 输入组分
图2-25 模拟编辑
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第2章 冷凝器设计
图2-26 数据输入
这时数据已经输入完毕，点击next按钮，运行。得到油品虚拟组分。可在components-petro characterization-results里查看分割结果。
图2-27 虚拟组分结果
为能导入进HTRI进行计算，需要在aspen plus内建立冷凝器模型，点击setup-specifications-global里的run type里选择flowsheet，这时会出现流程模拟框。选择换热器模型为heater-heater，模块命名为cooler，并建立流连接。
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第2章 冷凝器设计
图2-28 流程建立
建立完成后开始输入物性数据。首先需要选择软件计算的物性方法。在properties-specifications-global里，process type选择common，base method选择UNIQUAC。
图2-29 确定物性
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第2章 冷凝器设计
随后输入流股数据。在streams-HI-input-specifications里输入热物流的进口数据。
图2-30 热流体数据
点击blocks-cooler-specification。输入数据。Temperature出口温度为40℃，vapor fraction为0。
图2-31 设备数据输入
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第2章 冷凝器设计
图2-32 模拟计算过程
图2-33 热物流曲线数据输入
在导入HTRI之前，需要首先绘制冷热物流曲线。
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