第6章 分离序列中和PPT课件

第6章换热器网络的综合,换热器网络综合：确定具有最小设备投资，最小操作费用，能达到过程要求的换热器网络结构。具有可控性、稳定性和可操作性。方法：夹点设计法有效能法温度间隔法热力学温差贡献法数学规划法应用软件：ADVENT,HEXTRAN,INTERHEAT,MAGNETS,RESHEX及SUPERTRAGET等。,换热器网络设计步骤：（1）选择工艺流股和公用工程流股;（2）确定经济合理的夹点温差和公用工程用量;（3）综合出初步的候选换热网络；（4）将候选网络优化成最好的换热网络;（5）对换热器进行详细设计;（6）模拟计算，进行技术经济评价和系统操作性分析，对结果不满意，返回第（2）步，直至满意。不同的综合方法，体现在（2）、（3）步。,6.1根据温-焓图综合换热器网络6.1.1温-焓图冷、热物流匹配及对应的换热器网络结构：,过程物流在T-H图上的标绘：,组合曲线的构造过程：,6.1.2热力学最小传热面积网络的综合（1）传热过程的有效能分析过程物流比热容为常数，则系统有效能损失：,推导过程：传热过程温差愈大，过程的不可逆程度越大，有效能损失越大。,高温流体有效能的减少为：,低温流体有效能的增加：,传热过程中有效能的损失：,高温流体的热力学平均温度：,低温流体的热力学平均温度：,高温流体放出的热量：,低温流体吸收的热量：,又,则：,由此，对于多个热、冷物流的换热系统，有效能损失为：,结论：给定输入温度Tki、tji的换热系统，使冷物流的输出温度tje最大，热物流的输出温度Tke最小，则系统有效能的损失最小。,传热温差愈小，过程不可逆性愈小，有效能损失愈小，但要求较大的热交换面积。换热系统物流的质量流量及输入、输出温度一定时，有效能损失不随热交换网络的变化而变化。处于热力学平衡状态的过程物流相混合，则不存在有效能的损失。应合理分配每个换热器的有效能损失，使热交换面积的总和最小。逆流热交换器有效能的损失比并流热交换器为小，因为并流热交换是一个固有的不可逆过程。,（2）热力学最小传热面积网络的综合根据有效能分析，在T-H图上合理分配传热温差及热负荷，实现冷热流体的逆流分配，得到满足要求的热力学最小面积网络。具体步骤：搜集物流数据流量、温度、比热容、汽化热等；构造冷、热物流的组合曲线；调整冷热物流的组合曲线，使得最小传热温差不小于指定值；划分温度间隔区间，进行物流匹配。具体作法说明：,（1）构造组合曲线,（2）划分温度间隔，进行物流匹配,（3）对应的换热网络,6.1.3热力学最小传热面积网络的改进,(1)应使各换热器的值相近。,（2）减少物流的分支与混合，并把小负荷换热器合并到相邻的换热器上。但应当尽可能接近最小传热面积网络时的温度关系，使所需增加的传热面积不致太多。6.2夹点设计法,夹点设计法的基本原则：(1)应该避免有热流量通过夹点；(2)夹点上方避免引入公用工程冷却物流；(3)夹点下方避免引入公用工程加热物流。违背以上三条，就会增大公用工程负荷及相应的设备投资。,6.2.1夹点处物流间匹配换热的可行性规则,夹点匹配：指冷、热物流同时有一端直接与夹点相同，即同一端具有夹点处的温度。,夹点匹配,非夹点匹配,夹点匹配,非夹点匹配,可行性规则：规则1对于夹点上方，热工艺物流（包括其分支物流）的数目NH不大于冷工艺物流（包括其分支物流）数目NC，即：,(a)热端夹点处不可行的匹配(b)热端夹点处的可行匹配（采用冷物流分支）(c)热端夹点处的可行匹配（采用设置加热器H),90-(80+dT4)或90-(80+dT5)均小于Tmin,只好采用公用工程冷却物流,违反基本原则2,对于夹点下方，热工艺物流（包括其分支物流）数目NH不小于冷工艺物流（包括其分支物流）的数目NC,即：,（d）冷端夹点处不可行的匹配（e）可行的匹配采用热物流分支（f）可行的匹配设置冷却器C,(90-dT1)-80或(90-dT2)-80均小于Tmin,只好采用公用工程加热物流,违反基本原则3,规则2夹点上方，每一夹点匹配中热物流的热容流率CPH小于或等于冷物流的热容量流率CPC,即：CPHCPC夹点下方，每一夹点匹配中热物流的热容流率CPH大于或等于冷物流的热容量流率CPC,即：CPHCPC,规则2保证了夹点匹配中的传热温差不小于允许的最小传热温差Tmin。离开夹点后，由于物流间的传热温差都增大了，所以不一定遵循该规则。,（a)夹点之上，可行的夹点匹配；（b)夹点之上，不可行的夹点匹配。,（a)夹点之下，可行的夹点匹配。CPHCPC（b)夹点之下，不可行的夹点匹配。CPHCPC,6.2.2物流间匹配换热的经验规则,经验规则1每个换热器的热负荷应等于该换热器冷热物流匹配中热负荷较小者，以保证经过一次换热，既可以使一个物流达到规定的目标温度,以减少所用换热设备的数量。,经验规则2应尽量选择热容量流率相近的冷、热流体进行匹配换热，使得换热器在结构上相对合理，且在相同的热负荷及相同的有效能损失下，其传热温差最大。,情况(a)：CPH=2CPC设环境温度T0=293K，热物流的热力学平均温度为,冷物流的热力学平均温度为,该传热过程的有效能损失为,情况（b）：CPH=CPC,热物流的热力学平均温度仍为TH=352.9K,冷物流的热力学平均温度为,该传热过程的有效能损失为,可见(a)的有效能损失比(b)大了一倍还多。但（a）的传热温差大，故需用的传热面积小，所以还不能说明情况（a）就是不如情况（b）。进一步分析：把情况（b）的传热温差增大到与（a）相同，再计算该情况下的有效能损失。情况（a）的传热平均温差：,按此传热温差，推算出冷流体的入口、出口温度，如图：,现计算其传热过程的有效能损失：,热物流的热力学平均温度仍为TH=352.9K,冷物流的热力学平均温度为,传热过程有效能损失为：,此时比情况（a）小10%多,说明：完成相同传热负荷条件下，又保持相同传热温差，冷、热物流热容流率相等情况下比不等情况下有效能损失小；反之，相同传热负荷和相同有效能损失，冷、热物流热容流率相等情况下比不等情况下推动力大。经验规则2符合传热学及热力学原理。经验规则1优于规则2，对离开夹点的其余物流匹配换热也是合适的。,夹点设计法的要点：（1）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分别处理。（2）热端和冷端都先从夹点开始设计，遵循夹点匹配可行性规则及经验规则。（3）离开夹点后，采用经验规则，但传热温差约束紧张时还应遵循可行性规则。,（4）考虑换热系统的操作性、安全性，以及生产工艺上特殊要求等。,P147例6-1,得到如下信息：在Tmin=20oC的情况下，夹点温度在90oC（热流体夹点温度）和70oC（冷流体夹点温度）之间，故夹点温度T=80oC.最小公用工程加热量QHmin=107.5kw最小公用工程冷却量QCmin=