换热网络夹点设计法完整版精选文档

1、1,7,换热网络合成,7,1,化工生产流程中换热网络的作用和意义,换热是化工生产不可缺少的单元操作过程,在所有工艺流程中，都会有一些物流需要被,加热，而另一些物流需要被冷却,例如，图,7-1,所示的乙烯裂解气甲烷化流程,2,对于含有换热物流的工艺流程，将其中,需要换热的物流提取出来，就组成了换热网,络系统,在换热网络系统中,需要被加热的物流称为,冷物流,需要被冷却的物流称为,热物流,3,换热网络合成的基本思想,在工艺过程设计中节能非常重要，因此换,热网络设计追求的目标不仅是使物流温度满足,工艺要求，还要回收过程余热，减少公用工程,消耗,换热网络合成的任务,确定换热物流的合理匹配方式，从而以最,

2、小的消耗代价，获得最大的能量利用效益,4,换热网络消耗的来源,换热单元,设备,数，传热,面积，公用工程消耗,换热网络合成追求的目标,使三方面的消耗都,为最小值,事实上，对于实际生产装置，很难达到这一目,标,最小公用工程消耗意味着,较,多的换热单元数,而较少的换热单元数又需要较大的换热面积,实际进行换热网络设计时,需要在某方面做出,牺牲，以获得一个折衷的方案,5,7,2,换热网络合成问题,7.2.1,换热网络合成问题的描述,典型的换热网络合成问题,热物流,H,初始温度,T,H,初,目标温度,T,H,终,冷物流,C,初始温度,T,C,初,目标温度,T,C,终,已知每条物流的,热容流率,FCp,物流

3、流量与热容,的乘积,通过确定物流间的匹配关系,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,6,7.2.2,换热网络合成的研究,换热网络合成技术的研究主要经历了,四个阶段,1)Hohmann,的开创性工作,Hohmann,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，即最小公用消,耗,还提出了换热网络最少换热单元数的计算公式,Hohmann,工作的意义,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,7,H,T,A,E,H,2,B,I,II,III,Q,c.min,Q,N.min,H1,C,D,T

4、m,F,C1,C1,Q,R,8,2)Linnhoff,和,Flower,的工作,在综合和证实,Hohmann,工作曲线基础上，从方,法上提出分两步走,第一步,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,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,第二步,对能量最优解进行调优。通过一些调优,法则，在少增加或不增加公用工程消耗的情况,下，减少系统的换热单元数，使网络设计向操,作和投资总费用最小的方向调整,9,3,夹点,Pinch Point,也译为狭点，窄点,概念以及,夹点设计法的建立,Linnhoff,继

5、温度区间法之后提出了夹点的概念,最后发展了一套夹点设计法,4,人工智能方法的建立,从,20,世纪,80,年代起,随着人工智能研究的发展，人工智能技术也被,应用到换热网络合成领域，如专家系统模型,神经网络模型、遗传算法模型等,10,在各种合成方法中,Linnhoff,的夹点技术具有较,强的实用性，并已被过程设计所采用。为此本,章主要介绍夹点设计技术,为了方便起见，在本章讨论中，均假设热容流,率,FCp,为常数,11,7.3,换热网络合成,夹点技术,7.3.1,第一定律分析,物流的温度发生变化时将会从外界吸收或向外,界释放热量，通过第一定律可以计算该热量值,Q=FCp(T,初,T,终,H,T,A,

6、E,H,2,B,H1,C,D,12,Q=FCp(T,初,T,终,第一定律在计算的公式中没有考虑这个事,实，即,只有热物流温度超过冷物流一定,值时，才能把热量由热物流传到冷物流,因此，在,热、冷物流之间必须存在一个正,的温度差,才能得到所需加热与冷却的热,负荷值,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,13,7.3.2,温度区间,Hohmann,等人提出的过程能量集成分析中，提,出考虑第二定律的一种非常简单的方法，即划,分温度区间,具体方法,根据工程设计中传热速率要求,设,置冷、热物流之间允许的最小温差,Tmin,将,热物流的起始温度与目标温度减去最小允许温,差,Tmin,

7、然后与冷物流的起始、目标温度一,起按从大到小排序，从而生成,n,个温度区间。冷,热物流按各自的始温、终温落入相应的温度区,间,注意，热物流的始湿、终温应减去最小允许,温差,Tmin,14,由于落入各温度区间的物流已考虑了温度推动,力，所以在每个温度区间内，都可以把热量从,热物流传给冷物流，即热量传递总是满足第二,定律,H,T,A,E,H,2,B,I,II,III,Q,c.min,Q,N.min,H1,C,D,Tm,F,C1,C1,Q,R,15,结合例题介绍夹点设计法,例题,某换热系统，包含的工艺物流为两个冷物,流和两个热物流，相关数据见表。指定冷、热,物流间的允许最小传热温差,Tmin =20

8、,请设,计一个具有最大热回收的换热网络系统,16,例题物流数据,17,一、夹点位置的确定及其意义,1,采用问题表格法确定夹点位置,应用前提,各物料的比热可视为常数,问题表格法求解夹点的步骤,1,作出问题表格,具体作法,a,分别作出冷热两侧流体标尺，标尺,的刻度相差,T,min,18,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,120 140,140 160,热,标,尺,冷,标,尺,T,min=20,19,b,标出冷热物流及变温方向,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,120 140,140 160,热标尺,C,2,C,1,H,2,H,1,20

9、,c,据冷热物流起、终温端点作,水平线，分出温度间隔，称为,温度子网格,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,120 140,140 160,C,2,C,1,H,2,H,1,热标尺,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,21,d,标出各子网格界面处的虚拟界面温度,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,120 140,140 160,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,C,2,C,1,H,2,H,1,热标尺,80,110,35,50,135,140,30,虚拟界面温度：指相邻两子网,格间界面处冷热流体的平均温,度,22

10、,2,对每个网格进行热量衡算,定义,D,k,本网格需要的热量,或称本网格冷热,物流换热赤字（相当于输出）。显然,D,k,Cp,cold,T,k,T,k+1,Cp,hot,T,k,T,k+1,(Cp,cold,Cp,hot,(T,k,T,k+1,0,冷热均衡,D,k,0,需外部提供热量,0,有剩余热量,D,K,I,k,O,k,23,I,k,外界或其它网络供给,k,网的热,输入,O,k,k,网向外部或其它网排出的热量，输出,则,热衡式,I,k,O,k,D,k,变形,O,k,I,k,D,k,k = 1,2N,同时由于各网格间联系的存在，有,I,k+1,O,k,D,K,I,k,O,k,24,SN1,I

11、,1,0,D,1,(0-2)(140-135)= -10,O,1,I,1,D,1,0,10,10,计算第一个网格，由于此,前没有其他网格，故输入,视为,0,D,1,Cp,cold,T,k,T,k,1,Cp,hot,T,k,T,k,1,(Cp,cold,Cp,hot,(T,k,T,k,1,120 140,140 160,SN1,SN2,110,135,140,H,1,O,k,I,k,D,k,I,k+1,O,k,25,SN1,SN2,I,1,0,D,1,(0-2)(150-145)= -10,I,2,O,1,I,1,D,1,10,D,2,(2.5-2)(135-110)=12.5,I,3,O,2,

12、I,2,D,2,-2.5,120 140,140 160,SN1,SN2,110,135,140,H,1,C,1,O,k,I,k,D,k,I,k+1,O,k,26,60 80,80 100,100 120,120 140,SN1,SN2,SN3,SN4,C,2,C,1,H,2,H,1,80,110,135,140,SN3,D,3,(2.5+3-2)(110-80)=105,I,4,O,3,I,3,D,3,-107.5,SN2,D,2,(2.5-2)(135-110)=12.5,I,3,O,2,I,2,D,2,-2.5,O,k,I,k,D,k,I,k+1,O,k,27,20 40,40 60,6

13、0 80,80 100,100 120,SN3,SN4,SN5,SN6,C,2,C,1,H,2,H,1,80,110,35,50,135,140,30,SN3,D,3,(2.5+3-2)(120-90)=105,I,3,O,2,I,2,D,2,-2.5,SN4,D,4,(2.5+3-2-8)(80-50)= -135,I,4,O,3,I,3,D,3,-107.5,I,5,O,4,I,4,D,4,27.5,O,k,I,k,D,k,I,k+1,O,k,28,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,SN3,SN4,SN5,SN6,C,2,C,1,H,2,H,1,80,110

14、,35,50,135,140,30,SN4,D,4,(2.5+3-2-8)(80-50)= -135,I,4,O,3,I,3,D,3,-107.5,I,5,O,4,I,4,D,4,27.5,SN5,D,5,(2.5+3)(40-25)=82.5,I,6,O,5,I,5,D,5,-55,O,k,I,k,D,k,I,k+1,O,k,29,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,SN3,SN4,SN5,SN6,C,2,C,1,H,2,H,1,80,110,35,50,135,140,30,I,5,O,4,I,4,D,4,27.5,SN5,D,5,(2.5+3)(40-25)

15、=82.5,I,6,O,5,I,5,D,5,-55,SN6,D,6,(2.5)(25-20)=12.5,O,6,I,6,D,6,-67.5,O,k,I,k,D,k,I,k+1,O,k,30,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,I,1,0,D,1,(0-2)(150-145)= -10,I,2,O,1,I,1,D,1,10,D,2,(2.5-2)(145-120)=12.5,D,3,(2.5+3-2)(120-90)=105,D,4,(2.5+3-2-8)(90-60)= -135,D,5,(2.5+3)(40-25)=82.5,D,6,(2.5)(25-20)=12.5,I,3,O

16、,2,I,2,D,2,-2.5,I,4,O,3,I,3,D,3,-107.5,I,5,O,4,I,4,D,4,27.5,I,6,O,5,I,5,D,5,-55,O,6,I,6,D,6,-67.5,汇总结果,31,I,k+1,O,k,的,负值现象,I,k+1,O,k,出现负值表明热物流提供不出冷,物流达到低温要求的热量,T,min,为前,提），需公用工程设施提供热量消除负值,需提供的热量大小,应使各子网的,I,k,或,O,k,消除负值,即使最大,负值变为零,32,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,I,1,0,I,2,10,I,3,-2.5,I,4,-107.5,I,5,27.5,I

17、,6,-55,O,6,-67.5,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,I,1,107.5,I,2,117.5,I,3,105,I,4,0,I,5,135,I,6,52.5,O,6,40,为保证温位低,的网格不需向温位,高的网格提供热量,不可能实现,需向系统提供补充,热量，所需补充的,最大值与计算所得,输入最大负值相等,温位高,温位低,公用工程需提供的,最小冷量,40,公用工程需提供的,最小热量,107.5,33,3,确定夹点位置,夹点：即消除,I,k,或,O,k,的负值后,I,k,或,O,k,的值为零的网格界,面，（前提是其它,I,k,O,k,均无负值,SN1,SN2,SN3,SN

18、4,SN5,SN6,I,1,107.5,I,2,117.5,I,3,105,I,4,0,I,5,135,I,6,52.5,O,6,40,夹点,34,1,夹点特点及意义,a,夹点正处于两侧流,体实际温差最小,T,Tmin,处,b,夹点构成一个截面,夹点两侧的网格之间无,相互的热量交换，即夹,点两侧的网格间热的流,量为零,2,夹点意义及夹点设计法,的三个基本原则,I= 0,35,c,夹点将问题分成两个区域,热端：夹点之上,冷热物流,温度均高于夹点温度。只需要,公用设施提供热量，又称热阱,冷端：夹点之下,冷热物流,温度均低于夹点温度，只需要,公用设施提供冷量（取走热,量），故又称热源,热端,冷端,热

19、阱,热源,36,d,当通过夹点热量为零时,公用设,施热负荷最小,热端,冷端,热阱,可,补充热,热端,冷端,热端,冷端,107.5+x,107.5+y,107.5,40+x,x,热源,可,取走热,0,40,z,40,热端取走热量,会增大公用系,统热负荷,y,0,冷端补充热量,会增大公用系,统热负荷,z,37,2,夹点,设计法的三个基本原则,为保证热能的最大回收,热端,冷端,107.5+x,40+x,x,原则一,尽量避免热流量,通过夹点,38,原则二,夹点上方,尽量避免引入公,用设施冷却物流,但可引入加热设,施,热端,冷端,107.5+y,40,y,0,z,39,原则三,夹点下,方尽量避免引入,公

20、用设施加热物,流，但可引入冷,却设施,热端,冷端,107.5,0,40,z,z,40,二、夹点设计法,为保证夹点处无热流通过,故以夹点为界，设计换热网,络,先设计夹点处的物流匹配,再设计离开夹点后的流程,1,夹点匹配的概念,称：热物流与冷物流均直,接与夹点相通时的匹配即为,夹点匹配,夹点,H,1,H,2,H,3,C,1,C,2,夹,点,匹,配,H,1,H,2,H,3,C,1,C,2,非,夹,点,匹,配,41,2,夹点处物流间匹配换热的,可行性规则,规则,1,夹点上方（热端,热物流数目,不大于,冷物流数目,含分支,NH NC,避免热端引入冷却物流,夹点下方（冷端,NH NC,举例说明,夹点,H,

21、1,H,2,H,3,C,1,C,2,需调整,H,1,H,2,H,3,C,1,C,2,C,2,N,C,N,H,研,究,热,端,NH,NC,42,NH NC,有一股热物流找不到匹配，而从外,部引入冷流，又不符合基本原则二,夹点上方,不引入冷物流,当,NH NC,时,冷物流数多于热物流数）：在,物流,C3,处另加一个换热器不违反基本原则,夹点,H,1,H,2,H,3,C,1,C,2,需调整,H,1,H,2,H,3,C,1,C,2,C,2,N,C,N,H,研,究,热,端,NH,NC,夹点上方（热端,43,夹点下方,则应,N,H,N,C,冷端）。多出的,H,可引入冷却剂平衡，而,不违反基本原则,可行,H

22、,1,H,2,C,3,C,2,C,1,夹点,夹点,H,1,H,2,H,3,C,1,C,2,夹点上方,夹点下方,夹点上方,当,Nc Nh,热端）。多出的,C,可引,入加热介质平衡，并不违,反基本原则,44,规则,2,夹点上方（热端,FCpH FCpc,夹点下方（冷端,FCpH FCpc,FCpH,FCpc,为冷热流体的热容流率,分析热端：热流体降温达到夹点，焓降,冷流体升温离开夹点，焓升,只有这样才能保,证,T,T,min,H,T,H,C,T,C,T,T,H,T,min,设，在一个换热器中，冷热,流体换热,冷流体吸收的热,热流体,放出的热,F Cp,H,T,H,F Cpc,T,C,夹点上方,小,

23、大,大,当焓差相等时，热容流率小则温差大，温焓线的斜率就大,夹点,45,当热流体温变,T,H,冷流体温变,T,C,时,才,能保持,T,T,min,冷热两流体温差,此时,FCp,H,FCp,c,H,T,H,C,T,C,T,T,H,T,min,46,冷端,热流体从夹点离开并继续降温,冷流体升温进入夹点,同样,FCp,H,T = FCp,C,T,当,T T,时,这样才能保持,TTm?n,则必有,Cp,H,Cp,C,为满足可行性规则,2,可通过分支以调整,FCp,H,或,FCp,C,H,T,H,C,T,C,T,T,H,T,min,夹点下方,47,可行性规则小结,规则,1,规则,2,夹点上方,NHNC,

24、夹点下方,NHNC,夹点上方,FCpHFCpC,夹点下方,FCpHFCpC,上述可行性规则必须遵循，而后面介绍的经验,规则是一些经验积累，供参考,48,3o,物流间匹配换热的经验规则,经验规则,1,冷热物流匹配时，选物流中热负荷较小者,为换热器的热负荷，如,H1,CPH=2,初温,90o,C,终温,60o,C,Q=60,C1,CPC=3,初温,20o,C,终温,30o,C,Q=30,选换热器热负荷,Q=30,这样可使冷物流一次完成换热,经验规则,2,在考虑经验规则,1,的前提下，尽量选择热容,流率相近的物流匹配换热,优点：换热器的结构简单，有效能损失小,49,4o,夹点设计法要点,以夹点为界，

25、将原设计问题分解形成独立,的热端、冷端子问题后分别处理,对每个子问题，按次序遵循可行性规则,及经验规则决定物流间的匹配及是否需要分,支,离开夹点后，仍需考虑,TT,min,的问题,及上述规则,兼顾安全性、可操作性及工艺上的某些,特殊要求,50,三,用夹点设计法设计前面例题提出的换热网络综,合,首先以夹点为界，将原问题分为热端及冷端的两个,子问题,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,120 140,140 160,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,C,2,C,1,H,2,H,1,热标尺,80,110,35,50,135,140,30,夹点,51,1,热

26、端设计,为三股物流间换热问题,流股,夹点,FCP Q,H1 150,90 2.0 120=2.0,150-90,C1 70,125,2.5 137.5=2.5,125-70,C2 70,100 3.0 90=3.0,100-70,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,120 140,140 160,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,C,2,C,1,H,2,H,1,80,110,35,50,135,140,30,夹点,52,可行性,NHNC,FCPHFCPC,均已符合,H,与,C1,C2,匹配均可,再根据经验规则,依,Q,值相近，则选,H1,与,C1,匹

27、配,且夹点之上不,冷却物流,将,H1,能提供,120,热量）用尽但,C1,不能满足要求。另外再由,公用工程引入,Q,17.5,热量换热,C2,则全部引入公用工程,Q,90,热,量加热,H,H,H1,C1,C2,90 150,FCP Q,2.0 120,2.5 137.5,3.1 90,夹点,70,17.5,90,夹点上方,53,2,冷端设计,四股物流间换热。热流,H1,H2,离开夹点,冷流,C1,C2,进入夹点,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,120 140,140 160,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,C,2,C,1,H,2,H,1,热标尺

28、,80,110,35,50,135,140,30,夹点,54,F,CP,Q,H1 2.0 60,H2 8.0 240,C1 2.5 125,C2 3.0 135,60,60,25,90o,C,70o,C,夹点,20,夹点下方,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,SN3,SN4,SN5,SN6,C,2,C,1,H,2,H,1,80,110,35,50,30,夹点,55,60,60,25,90o,C,70o,C,夹点,FCP,H1,2.0,60,H2,8.0,240,C1,2.5,125,C2 3.0 135,20,可行性规则,NHNC,符合,FCPHFCPC,不完全符合,夹点下方,56,H,1,H,2,C,1,C,2,1,2,3,C,125,80o,C,60o,C,40 = 2*(80,60,60o,C,20o,C,25o,C,90o,C,70o,C,70o,C,90o,C,115,31.7,显然只用,H2,同时匹配,C1,C2,总热量不够，将其分,为两个分支，且只能完全满足一支,设,先满足,C1,125,60,90,2,1,CPH,Q,C,解出,17,4,2,CPH,17,4,2,CPH,83,3,17,4,8,2,CP,H,20,57,H,1,H