换热器网络综合

1、 换热是化工生产不可缺少的单元操作过换热是化工生产不可缺少的单元操作过程。程。 什么是换热网络？什么是换热网络？ 对于一个含有换热物流的工艺流程，将对于一个含有换热物流的工艺流程，将其中的换热物流提取出来，组成了换热其中的换热物流提取出来，组成了换热网络系统。网络系统。教学要求： 了解换热网络的作用和意义 掌握换热网络合成夹点技术 掌握夹点设计法主要内容：1 换热网络的作用和意义2 换热网络合成问题3 换热网络合成夹点技术4 夹点法设计能量最优的换热网络3.1 换热器的作用和意义 为了使物流温度满足工艺要求，而且也是为了回为了使物流温度满足工艺要求，而且也是为了回收过程热，减少公用工程消耗。收

2、过程热，减少公用工程消耗。乙烯裂解气甲烷化流程：能量集成冷物流热物流 通俗地讲就是将物流匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收，以便尽可能地减少辅助加热与辅助冷却负荷。 如何确定物流间匹配换热的结构以及相应的换热负荷分配的问题。 换热网络具有最小的设备（换热器、加热器、冷却器）投资费和操作（公用设施物流等）费用，并满足把每一个过程物流由初始温度达到指定的目标温度。换热网络合成：需要解决问题：目标：3.2 换热网络合成问题 热物流 H；冷物流 C 热容流率 FCp （物流流量与热容的乘积） H：T初始 冷却 T目标 C：T初始 加热 T目标换热网络合成问题的描述：通过确定物流间

3、的匹配关系，以使所有的物流均达到它们的目标温度，同时使装置成本、公用工程（外部加热和冷却介质）消耗成本最少。 温焓图最小公用消耗 （Hohmann） 温度区间法（Linnhoff和Flower） 夹点（Pinch Point）法 Linnhoff 人工智能法换热网络合成的研究：Hohmann的开创性工作。的开创性工作。!在温焓图上进行过程物流的热复合，找到了换在温焓图上进行过程物流的热复合，找到了换热网络的能量最优解，即热网络的能量最优解，即最小公用消耗最小公用消耗；!提出了换热网络提出了换热网络最少换热单元数最少换热单元数的计算公式。的计算公式。!意义在于从理论上导出了换热网络的两个理想意义

4、在于从理论上导出了换热网络的两个理想状态，从而为换热网络设计指明了方向状态，从而为换热网络设计指明了方向Linnhoff和和Flower的工作的工作 合成能量最优的换热网络。合成能量最优的换热网络。 从热力学的角度出发，划分温度区间和进行热平衡计算，这样可通过简单的代数运算就能找到能量最优解（即最小公用工程消耗），这就是著名的温度区间法（简称TI法） 对能量最优解进行调优。对能量最优解进行调优。3.3 换热网络合成夹点技术 Q= FCp ( T初 T终 ） 3.3.1 第一定律分析：第一定律分析：物流号类型FCpT初T终热量Q1234冷热冷热3.02.02.64.060180301501804

5、010540-360280-195440 165例子： 如果没有温度推动力的限制，就必须由公如果没有温度推动力的限制，就必须由公用工程系统提供用工程系统提供165kW165kW的热量的热量 第一定律计算算法没有考虑一个事实，即：第一定律计算算法没有考虑一个事实，即：只有热物流温度超过冷物流时，才能把热只有热物流温度超过冷物流时，才能把热量由热物流传到冷物流。量由热物流传到冷物流。 因此所开发的任何换热网络既要满足第一因此所开发的任何换热网络既要满足第一定律，还要满足第二定律定律，还要满足第二定律热力学第二定律： 热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。 温度区间的划分步骤：温度区间的

6、划分步骤：设置冷、热物流间允许的最小温度差Tmin;将热物流的起始温度与目标温度减去Tmin ;与冷物流的起始、目标温度按从大到小排序，分别用T1、T2、生成、Tn1，从而生成n个温度区间。3.3.2 温度区间温度区间温度区间法是Linnhoff 与Flower在能量集成分析中，同时考虑第二定律的一种非常简单方法，即划分温度区间。 这样落入各温度区间的物流都考虑温度推动力，每个区间内的热物流都能把热量传给冷物流。)()(,iCpiHpFCFCQTi温度区间具有的特性：1.高温区内的任一股热物流能把热量传给低 温区的冷流股；2.热量不能从低温区流向高温区。【例31】 根据上表给出的四个冷、热物流

7、数据，若允许温差Tmin为10，试划分其温度区间。解：将热物流的初、始温度分别减去Tmin后，与冷物流的初、始温度一起排序，得到温度区间的端点温度值： T1180 T2170 T3140 T4105 T560 T630T1T2T3T4T5T6SN5SN4SN3SN2SN1241318015011570401501157040180170140105603010560一、问题表1. 确定温区端点温度T1、T2、Tn+1，将原问题划分为n个温度区间。2. 对每个温区进行流股焓平衡，以确定热量净需求量3.3.3 最小公用工程消耗最小公用工程消耗Di 区间的净热需求量Ii 输入到第i个温区的热量，这个

8、量或表示从第i-1个温区传递的热量，或表示从外部的加热器获得的热量；i 从第i个温区输出的热量。这个量或表示传递给第i+1个子温区的热量，或表示传递给外部冷却器的热量。)(1HCiiiiiFCpFCpTTQID3. 设第一个温区从外界输入的热量I1为零，则该温区的热量输出Q1为：（74） 在根据温度区间之间热量传递特性，并假定各温度区间与外界不发生热量交换，则有：（75）（76） 利用上述关系计算得到的结果列入问题表。1111DDIQiiQI11111iiiiiDQDIQ4. 若i为正值，则表示热量从第i个温区向第i+1个温区，这种温度区间之间的热量传递是可行的。 若i为负值，则表示热量从第i

9、+1个温区向第i个温区传递，这种传递是不可行的。 为了保证i均为正值，可取步骤3中计算得到的所有i中负数绝对最大值作为第一个温区的输入热量，重新计算。 如果上一步计算得到的i均为正值，则这步计算是不必要的【例32】 利用例71中的数据，计算该系统所需的最小公用工程消耗。解：按问题计算表计算步骤，得到的问题表72如下：流股与温度最大允许热流量温热流股T/ 冷流股TiTi1CpCCpHDiIiQi区(2) (4)180 (1) (3)输入 输出1180 170103.0300-3060302150 140301.030-30-603003115 10535-3.0-105 -60450105470

10、6045-0.4-184563105 1235403030-3.4-10263165 123 225FCp2.0 4.03.0 2.62 夹点的概念夹点：在温度区间中，从高温度区间向低温度区间流动的热量为零。SN2SN1SN3SN4SN5QHmin=60Kw30Kw0Kw105Kw123KwQCmin=225Kw温焓图(T-H图)：Temperature Enthalpy Graph该图的横轴为焓, H, 纵轴为温度, T。物流的焓：3.3.4 温焓图与组合曲线温焓图与组合曲线CPHTdQdTHTdTCPQT1T)T(CPT初终初终终初THT初T终H组合曲线组合曲线：冷物流或热物流的热量与温差

11、关系都在T-H图上表示，形成的一条曲线。组合曲线的绘制组合曲线的绘制：对于热物流，取所有热物流中最低温度T，设在T时的H=HH0，以此作为焓基准点。从T开始向高温区移动，计算每一个温区的积累焓，用积累焓对T作图，得到热物流的组合曲线。对于冷物流，取所有热物流中最低温度T，设在T时的H= HC0 (HC0HH0)，以此作为焓基准点。从T开始向高温区移动，计算每一个温区的积累焓，用积累焓对T作图，得到冷物流的组合曲线。【例33】根据例3-2的数据，用T-H图表示冷、热物流的组合曲线。 T/积累焓 H热物流 40H0=00 70H1=(2+4)(70-40)=180180 115H2=(2+4)(1

12、15-70)=270450 150H3=(2+4)(150-115)=210660 180H4=2(180-150)=60720冷物流 30H0=10001000 60H1=2.6(60-30)=781078 105H2=(3+2.6)(105-60)=2521330 140H3=3(140-105)=1051435 180H4=3(180-140)=1201555050100150200H/KwT/T-H图热物流组合曲线冷物流组合曲线050100150200H/KwT/T-H图Tmin最大回收热量495QCmin=225QHmin=60夹点图Q=03124冷端热端QHminQCmin换热网络

13、的分解3.3.5 夹点的特性夹点的特性（1） 夹点的能量特性（2） 夹点的位置特性 夹点的能量特性夹点的能量特性 夹点限制了能量的进一步回收，它表明了换热网夹点限制了能量的进一步回收，它表明了换热网络消耗的公用工程用量已达到最小状态。求解能络消耗的公用工程用量已达到最小状态。求解能量最优的过程就是寻找夹点的过程量最优的过程就是寻找夹点的过程夹点的位置特性夹点的位置特性 夹点把整个问题分解成了夹点上热端与夹点下冷夹点把整个问题分解成了夹点上热端与夹点下冷端两个独立的子系统端两个独立的子系统 在夹点之上，换热网络仅需要热公用工程，因而在夹点之上，换热网络仅需要热公用工程，因而是一个热阱。在夹点之下

14、，换热网络只需要冷公是一个热阱。在夹点之下，换热网络只需要冷公用工程，因而是一个热源用工程，因而是一个热源 夹点以上热物流与夹点下冷物流的匹配（热量穿夹点以上热物流与夹点下冷物流的匹配（热量穿过程夹点），将导致公用工程用量的增加过程夹点），将导致公用工程用量的增加 设有设有x单位热量从夹点流过，根据焓平衡，必单位热量从夹点流过，根据焓平衡，必将使夹点之上热公用工程用量增加将使夹点之上热公用工程用量增加x单位，同单位，同时也使夹点之下的冷公用工程用量增加时也使夹点之下的冷公用工程用量增加x单位。单位。yQCmin+zQCminQCmin+x热阱热阱xQHmin+x热阱热阱0QHmin+y热阱热阱

15、0QHmin热源热源热源热源热源热源z结论结论 避免夹点之上热物流与夹点之下冷物流间避免夹点之上热物流与夹点之下冷物流间的匹配的匹配 夹点之上禁用冷却器夹点之上禁用冷却器 夹点之下禁用加热器夹点之下禁用加热器夹点法设计能量夹点法设计能量 最优的换热网络最优的换热网络 目标目标：在公用工程用量最少的前提下寻求设备投资最少（即换热单元数最少）。 包括包括：一是公用工程消耗最少，二是换热单元数最少。 实际上，这个目标很难同时满足，也就是说，当实际上，这个目标很难同时满足，也就是说，当公用工程消耗最少时，不能保证换热单元数最小。公用工程消耗最少时，不能保证换热单元数最小。为了减少换热单元数，往往要牺牲

16、一些能量消耗。为了减少换热单元数，往往要牺牲一些能量消耗。 因此在设计换热网络时，存在能量与换热因此在设计换热网络时，存在能量与换热设备数的折衷问题。设备数的折衷问题。 在实际进行网络设计时，一般是先找出最在实际进行网络设计时，一般是先找出最小公用工程消耗，即先设计能量最优的换小公用工程消耗，即先设计能量最优的换热网络，然后再采取一定的方法，热网络，然后再采取一定的方法，减少换减少换热单元数热单元数，从能量和设备数上对换热网络，从能量和设备数上对换热网络进行调优。进行调优。 因为夹点处温差最小，限制最严，一旦离开夹因为夹点处温差最小，限制最严，一旦离开夹点，选择余地就加大了。由于夹点处的特性，

17、点，选择余地就加大了。由于夹点处的特性，导致导致夹点处的匹配不能随意进行夹点处的匹配不能随意进行 为了保证设计出的换热网络能量最优，可以把为了保证设计出的换热网络能量最优，可以把原问题分解成两个部分分别进行设计原问题分解成两个部分分别进行设计1） 总物流数可行性原则总物流数可行性原则 某些过程流通过夹点时，为了达到夹点温度，某些过程流通过夹点时，为了达到夹点温度，必须利用匹配进行换热必须利用匹配进行换热12夹点3451051051059595 因为夹点之上使用外部冷却器会使总公用工程因为夹点之上使用外部冷却器会使总公用工程消耗增大，从而达不到能量最优的目的消耗增大，从而达不到能量最优的目的 利

18、用流股分割可以避免夹点之上使用冷却器利用流股分割可以避免夹点之上使用冷却器 为了保证能量最优，夹点之上的物流数应满足为了保证能量最优，夹点之上的物流数应满足 N NH H为热流股数或分支数，为热流股数或分支数，N NC C冷流股数或分支数。冷流股数或分支数。 流股的分割可以保证上式成立流股的分割可以保证上式成立CHNN 相反，为了避免在夹点之下使用加热器，以保相反，为了避免在夹点之下使用加热器，以保证能量最优，夹点之下的流股数应满足证能量最优，夹点之下的流股数应满足CHNN 夹点上下的总物流数可行性原则可夹点上下的总物流数可行性原则可归并成下式归并成下式（夹点一侧）（夹点一侧）（7-12） 若

19、上式不满足，则必须对流出夹点的流股作分割。若上式不满足，则必须对流出夹点的流股作分割。是对夹点一侧的流股数进行比较的是对夹点一侧的流股数进行比较的流入流出NN2. FCp可行性原则 夹点处的传热推动力达到最小允许传热温差夹点处的传热推动力达到最小允许传热温差Tmin，在离开夹点处应有，在离开夹点处应有 为了保证传热推力为了保证传热推力T不小于不小于Tmin,每个夹点每个夹点匹配流股的热容流率匹配流股的热容流率FCp必须满足下列必须满足下列FCp不不等式等式 夹点之上：夹点之上： 夹点之下：夹点之下： FCpFCpH H 为热流股或分支的热容流率为热流股或分支的热容流率 FCpFCpC C为为冷

20、流股或分支的热容流率冷流股或分支的热容流率minTTCHFCpFCpCHFCpFCpCHFCpFCpCHFCpFCpCHFCpFCp夹夹点点之之上上可可行行匹匹配配夹夹点点之之下下可可行行匹匹配配夹夹点点之之上上不不可可行行匹匹配配夹夹点点之之下下不不可可行行匹匹配配 同样，同样，FCp可行性原则也可行性原则也可归并可归并（夹点一侧）：（夹点一侧）：（7-16） 如果流股间的各种匹配组合均不能满足上式，则如果流股间的各种匹配组合均不能满足上式，则需利用需利用流股分割流股分割来改变流股的来改变流股的FCp值值 注意，注意，上式仅适用于夹点匹配上式仅适用于夹点匹配。非夹点匹。非夹点匹配时温差较大，

21、对匹配的限制不象夹点处那样苛配时温差较大，对匹配的限制不象夹点处那样苛刻刻流入流出FCpFCp 例例7-4 利用夹点设计方法对表利用夹点设计方法对表7-4中的物流进中的物流进行匹配行匹配流股及类型热容流率CPkW/T初T终1 热2150602 热890603 冷2.5201254 冷3.025100 最小允许传热温差最小允许传热温差Tmin 为为20 利用问题表法计算得到：最小加热量为利用问题表法计算得到：最小加热量为107.5 107.5 kWkW，最小冷却量为，最小冷却量为40kW40kW，夹点位置在，夹点位置在90-7090-70 对于夹点之上物流匹配情况如图所示对于夹点之上物流匹配情况

22、如图所示 对于夹点之下的对于夹点之下的2条热物流，只有流股条热物流，只有流股2的热容的热容流率大于冷物流，它可以与任意一条冷物流匹流率大于冷物流，它可以与任意一条冷物流匹配，问题是剩下的物流则无法进行匹配。配，问题是剩下的物流则无法进行匹配。 因此需要对夹点之下的热物流作分割因此需要对夹点之下的热物流作分割夹点之上的匹配夹点之上的匹配夹点之下 NH NCFCpH FCpC8232.5冷端的FCp表夹点之下 8232.5冷端的FCp表夹点之下 82.5冷端的FCp表NH NCFCpH FCpCNH NCFCpH FCpC23不可行夹点匹配采用FCp表来分割物流 把夹点之上或夹点之下的冷、热物流的

23、热容流把夹点之上或夹点之下的冷、热物流的热容流率按照数值的大小分别排成两列列入率按照数值的大小分别排成两列列入FCp表，表，将可行性判据列于表头。将可行性判据列于表头。 每个每个FCp值代表一个流股，那些必须参加匹配值代表一个流股，那些必须参加匹配的的FCp值用方框圈起值用方框圈起 夹点匹配表现为一对冷、热流股夹点匹配表现为一对冷、热流股FCp值的结合，值的结合，分割后的流股热容流率写在原流股热容流率旁分割后的流股热容流率写在原流股热容流率旁边。边。冷冷端端的的两两个个可可行行设设计计按按 FCp 表表匹匹配配得得到到的的热热回回收收网网络络夹夹点点设设计计法法对对设设计计的的结结果果7.5 7.5 换热网络的调优换热网络的调优7.5.1 7.5.1 最小换热单元数最小换热单元数 在利用夹点法设计能量最优的换热网络时，原在利用夹点法设计能量最优的换热网络时，原问题被分解成两个子系统（冷端和热端），这问题被分解成两个子系统（冷端和热端），这两个子系统是不相关的（它们之间不允许匹两个子系统是不相关的（它们之间不允许匹配）