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用AspenPlus设计蒸发器

(有相变换的热交换器设计)

这一部分是Aspen的换热器设计的后续部分。我们将更从更深一步考虑化学工程

中的两个过程：蒸发和冷凝。后者另行说明。这里的这个例子有助于我们理解Aspen

中的蒸发。

问题描述：

要将温度270K压力3atm流量为90kmol/hr的氟利昂－12（Freon-12）进行蒸发操作。

热源为温度340K压力2atm的乙二醇流体。设备管理器推荐使用80BWG型管状换热器

进行该操作。，压力降要求尽可能小。

流程示意图：

在这个问题中，氟利昂物流发生了相变化。我们的目的是设计一个换热器，能提供

足够能量给氟利昂使其气化。

一般设计规则：

大多数的设计中采用釜式再沸器作为蒸发过程的换热器。再沸器的例子参见文献5

的11-34页。釜式再沸器中冷物流从底部进入，与内装有热物流的管束接触。冷流体在

管束周围形成一个“池子”，在此进行热交换使液体沸腾蒸发。再沸器的壳程面积很大

或有很大的蒸汽空间以适应液相转为气相时的体积的巨大变化。设计方式与一般的管壳

式换热器是一样的，首先计算需要的换热面积，然后设计管束，最后计算壳程和蒸汽空

间。壳程的直径与管束的直径以及蒸汽流量有关。

由于我们这个过程存在相变化，必须找出相应的传热系数，这些系数与通常的对

流传热方城有很大的不同。Aspen中对蒸发过程传热系数的计算不准确，因此我们必须

采用人工计算的结果。在这个设计中，我们要进行以下四个计算：最大的热通量，估算

沸腾传热系数（hi），估算乙二醇的对流传热系数(ho)以及实际的热通量。实际的热通

量由热负荷除以换热器的面积得到，我们希望实际热通量与最大热通量越接近越好，但

是不能超过它。当这些完成后就可以用Aspen进行设计了。

如下图所示，选用Aspen中的Heater模块开始建立流程。流程建立以后，点击Next。

依系统提示依次输入模拟的题目、相关的组分（Freon-12为CClF乙二醇为CHO）、

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物性方法（采用NRTL-RK）。直到出现Freon物流输入表页。

下图所示为氟利昂物流的输入界面

按问题所述给定数据，

完成后点击Next.

下一步将会出现换热器模块的输入页面（如下图）。我们需要对这个模块定义两个

方面内容（图中椭园部分）。我们这个例子的目的是Freon物流的蒸发，我们需要指定

冷物流出口蒸汽分率。选择“Vaporfraction”项键入1.0输入，此时表示Freon以饱和蒸

汽离开换热器。另外还要指定总的压力降，点击Next。

现在运行模拟。检查输出的结果，尤其是蒸汽出料的分率（如下图所示）。可以看

到，Aspen计算了热负荷为(471500W)和Freon物流的饱和温度（272.2K）。

现在回到流程窗口，如上图所示用HeatX模块取代Heater模块。此时需要加入乙二

醇物流。下图是乙二醇物流的输入页面，根据要求输入相关的参数。点击Next。

点击Next。此时会出现换热器的输入模块。（如下图）。这是换热器的Specifications

表页（文献1有说明）。首先采用“Shortcut”方法计算。要指定流动的方向――这个

例子采用逆流流动。最后选择合适的“ExchangerSpecification”；这个例子中选用

“Coldstreamoutletvaporfraction”。点击Next运行模拟。

下图给出了结果显示。根据设计的要求，Freon物流完全蒸发，乙二醇物流离开换热器

的温度为300K。同时在此显示了热负荷。（注意：调整乙二醇的流率可使出口温度符

合设计要求；没有指明压力降，所以进出口的压力是相同的）。

现在回到Specifications输入页，将计算改为“