化学过程系统工程-化工过程系统模拟与分析

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1、第4章化工过程系统模拟与分析4.1化工单元过程数学模型及模拟质量衡算、能量衡算、相平衡关系、反应动力学和热力学。4.1.1换热器数学模型及模拟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。（1）数学模型的建立？？传热面积：热衡算方程：定性温度：传热速率方程式：传热系数K：对数平均温度差：管内表面传热系数：管外表面传热系数：多管程时：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。在计算表面传热系数H时，考虑壁温下粘度w对传热的影响，应计算换热管内、外表面的壁温Tw

2、，试差：a.计算换热器传热量假定冷流体出口温度Tc2，于是：b.估算壁温TW冷流体走管程：式中管程的表面传热系数Hi，可先采用不计壁温的影响，并计为Hi’，即式中Tmc为冷流体平均温度：c.计算管程实际表面传热系数Hi返回b，由考虑壁温的Hi重新估算壁温Twi，再重新计算表面传热系数Hi，反复迭代至满足以下判据：同理，壳程管外壁温度TWo对表面传热系数Ho的影响，采用类似的步骤求解。由Hi和Ho计算K。d.由-NTU法计算冷热流股出口温度采用该法可避免试差。单壳程，管程数为偶数程换热器：式中：于是得到：再由热衡算方程求热流体出口温度：

3、当冷流体的热容流率为时，传热效率可写为：式中R称为热容流率比：当热流体的热容流率为时，传热效率可写为：于是得到：再由热衡算方程：式中：e.换热器阻力计算管程：壳程：（2）计算步骤以上模型为一代数方程组，采用解析法联立求解比较困难，而采用迭代法求解简单：Ⅰ输入所有已知条件，如冷、热流体入口条件及换热器结构参数Ⅱ选择热容流率较小者出口温度初值，若冷流体热容流率相对较小，则出口温度初值为Ⅲ确定热流体出口温度Th2及冷热流体的定性温度由热衡算：式中：定性温度：Ⅳ计算传热温差及冷热流体物性。Ⅴ计算冷、热物流各侧表面传热系数Hi、Ho及传热系数Ki

4、。（有壁温迭代）Ⅵ计算传热面积A、热容流率比Ri、传热单元数NTUi及传热效率iⅦ计算冷、热物流出口温度Tc2、Th2。由传热效率求：由热衡算求：Ⅷ选择一种迭代方法，将Tc2返回第②步代替Tc20进行迭代计算。经过迭代计算使计算结果满足下式：可取收敛精度：若计算结果满足判据要求，即可输出所需要的信息，结束计算单壳程无相变换热器设计模拟（3）管壳式换热器无相变传热模拟计算实例。P632.螺旋板换热器数学模型及模拟［2］螺旋板换热器的外形及结构（1）数学模型a.几何分析I.螺旋板传热面半径如图所示，冷、热流体分别走奇、偶数通道。两流体被传

5、热面隔开，螺旋板换热器板面很薄,直径较大,一般采用壁的中心面为基准来计算板面的长度及传热面积,壁面两侧的传热面积相等.半径r随而变化当时,半径增加一个螺距的称为双头螺旋,当时,半径增加一个螺距的称为单头螺旋。螺旋板换热器为双头螺旋。通道1的AB传热面和通道2的传热面BE相等,且为平板,其他传热面为螺旋板.传热面序号n=1（含两个面），其半径r1：（传热面序号n=2（含两个面），其半径r2：（（上式可以看成第n通道外侧传热面，而内侧传热面为rn-1：制造时心轴半径R由设计给定，由此可以确定初始半径（II.螺旋板换热器传热面积所以第

6、n圈螺旋板传热面积为b.传热分析假定冷流体走奇数通道，热流体走偶数通道，逆流操作。第1通道、转角=0时：相当于冷流体流经的传热面是AB隔板，即相当于转过弧度，若转过d弧度，相当于通过距离的平板：或第1通道、转角=2（BC）时（变化d弧度时相当的传热面积为由热衡算及传热速率方程式：第2通道，=0其一，是1，2通道内的冷、热流体通过BE隔板的传热。其二，是3，2通道内冷、热流体通过螺旋板EF传热面传热，微分方程为：（第2通道，=2，即FG通道（热流体通过1、2传热面分别与1、3通道内的冷流体换热，传热方程：

7、第n通道，3nN-1，=02各通道：传热系数由下式确定：计算表面传热系数的经验关联式为：表面传热系数是流体温度T的函数，增加了求解传热微分方程的计算复杂性。最外圈通道只有通道内壁的换热。换热器共有N圈通道，则第N圈的前半圈（0之间）通道以及第（N-1）圈的后半圈（2之间）通道相当于该换热器的最外圈通道。第N通道=0区间第N-1通道=2区间以上列出了螺旋板换热器每一通道的传热方程式，这些方程式联立起来就描述了整个换热器的传热性能，求解得出流体沿通道的温度分布，并计算传热效率及传热单元数。c.流体流动阻力流

8、动介质为水，流速u=0.23.0m/s时,每米长通道中的压力降为：摩擦系数对每一通道而言，进、出口的局部阻力系数之和可取为=4，则进、出口局部阻力产生的压力降为：（2）数学模拟计算该传热方程为一常微分方