化工系统-第5章换热网络综合

1、2022-4-2化工过程分析与合成1第第5 5章章 换热器网络的综合换热器网络的综合换热器网络综合：换热器网络综合： 确定确定具有最小设备投资，最小操作费用，能达具有最小设备投资，最小操作费用，能达到过程要求的换热器网络结构。到过程要求的换热器网络结构。 具有较好的可控性、柔性和具有较好的可控性、柔性和可操作性可操作性换热换热网络的费用：网络的费用： 换热单元数、换热面积、公用工程消耗换热单元数、换热面积、公用工程消耗2022-4-2化工过程分析与合成2根据综合方法的性质和侧重面不同分类根据综合方法的性质和侧重面不同分类： 启发式经验规则法；启发式经验规则法； 热力学目标法热力学目标法夹点设计

2、法；夹点设计法； 数学规划法；数学规划法； 人工智能算法人工智能算法遗传算法遗传算法 应用软件：应用软件：ADVENT、 HEXTRAN、 INTERHEAT、 MAGNETS、RESHEX及及SUPERTRAGET 等等 2022-4-2化工过程分析与合成3 换热器网络设计的一般步骤：换热器网络设计的一般步骤：1）选择工艺流股和公用工程）选择工艺流股和公用工程流股；流股；2） 确定经济合理的夹点温差和公用工程确定经济合理的夹点温差和公用工程用量；用量；3） 综合出初步的候选换热器网络；综合出初步的候选换热器网络；4） 将候选网络优化成最好的将候选网络优化成最好的换热器网络；换热器网络；5）对

3、换热器进行）对换热器进行详细设计，得出工程网络；详细设计，得出工程网络；6）对工程网络模拟）对工程网络模拟计算，进行技术经济评价和系计算，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（统操作性分析，对结果不满意，返回第（2）步，）步，直至满意直至满意。不同综不同综合方法合方法2022-4-2化工过程分析与合成45.1.1 热力学最小传热面积网络的综合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传热过程的有效能分析假定过程物流比热容为常数，则系统有效能损失：假定过程物流比热容为常数，则系统有效能损失：5.1 根据温根据温-焓图综合换热网络法焓图综合换热网络法 kkikekk

4、jjijejjjkjkTTcWTTcWTlnln0 说明：说明：传热过程温差愈大，过程的不可逆程度越大，传热过程温差愈大，过程的不可逆程度越大，有效能损失越大有效能损失越大2022-4-2化工过程分析与合成5高温流体有效能的减少：高温流体有效能的减少：QTTH)1(0 低温流体有效能的增加：低温流体有效能的增加：QTTL )1(0 传热过程中有效能的损失：传热过程中有效能的损失：QTTQTTQTTTTTQTTQTTHLLHLHL H 00000)()1()1( 高温流体的热力学平均温度：高温流体的热力学平均温度：kekikekiHTTTTTln 低温流体的热力学平均温度：低温流体的热力学平均温

5、度：jijejijeLTTTTTln 2022-4-2化工过程分析与合成6高温流体放出的热量：高温流体放出的热量：)(kekikkTTcWQ 低温流体吸收的热量：低温流体吸收的热量：)(jijejjTTcWQ :中中的的计计算算式式代代入入将将 、Q、TTLHlnlnln)(ln)(00000ekkikkijjejjkekikekiekkikkjijejijejijejjHLTTcWTTcWTTTTTTTcWTTTTTTTcWTQTTQTT 2022-4-2化工过程分析与合成7又又kikekekiTTTTlnln 则：则：)lnln(0kikekkjijejjTTcWTTcWT 对于多个热、冷

6、物流的换热系统，有效能损失为：对于多个热、冷物流的换热系统，有效能损失为： kkikekkjjijejjjkjkTTcWTTcWTlnln0 2022-4-2化工过程分析与合成8结论结论： 给定输入温度给定输入温度Tki、Tji的换热系统，使冷物流的的换热系统，使冷物流的输出温度输出温度Tje最大，热物流的输出温度最大，热物流的输出温度Tke最小，最小，则系统有效能的损失最小。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。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、输出温度一换热系统

7、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定时，有效能损失不随热交换网络的变化而变化。化。2022-4-2化工过程分析与合成9 处于热力学平衡状态的过程物流相混合，则不存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。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面积的总和最小。A， 逆流热交换器有效能的损失比并流热交换器为小，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因为并流热交换是一个固有的不可逆过程。 有效能的上述基本特性，提供了对于换热网有

8、效能的上述基本特性，提供了对于换热网络综合的直观推断规则的基础络综合的直观推断规则的基础2022-4-2化工过程分析与合成10（2）热力学最小传热面积网络的综合）热力学最小传热面积网络的综合理论依据：理论依据： 根据有效能分析，在根据有效能分析，在T-H图上合理分配传热温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要求的热力学最小面积网络网络步骤步骤： 搜集物流搜集物流数据：流量、温度、比热容、数据：流量、温度、比热容、 汽化热汽化热等等； 构造冷、热物流的组合曲线构造冷、热物流的组合曲线 ； 调整冷、热物流的组

9、合曲线，使得最小传热温差调整冷、热物流的组合曲线，使得最小传热温差不小于指定值；不小于指定值； 划分温度间隔区间，进行物流匹配。划分温度间隔区间，进行物流匹配。2022-4-2化工过程分析与合成11（1）构造组合曲线）构造组合曲线确定组合曲线确定组合曲线据据Tmin确定曲线位置确定曲线位置确定确定QRmax2022-4-2化工过程分析与合成12（2）划分温度）划分温度间隔间隔，进行物流，进行物流匹配匹配（3）对应的换热器网络）对应的换热器网络IP分解为：分解为：IRBEQPFC2022-4-2化工过程分析与合成135.1.2 热力学最小传热面积网络的改进热力学最小传热面积网络的改进 没有考虑换

10、热器传热系数没有考虑换热器传热系数U、单位传热面积费、单位传热面积费用用a的差别的差别 分区造成物流分支、混合，或热负荷很小，分区造成物流分支、混合，或热负荷很小，网络结构复杂，使操作麻烦，投资增加网络结构复杂，使操作麻烦，投资增加 改进方法：改进方法：（1 1）应使各换热器的应使各换热器的 值相近值相近 TaU /2022-4-2化工过程分析与合成14（2）减少物流的分支与混合，并把小负荷换热器合）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。但应尽可能接近最小传热面积并到相邻的换热器上。但应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网络时的温度关系，

11、使所需增加的传热面积不致太多待改进的换热器网络待改进的换热器网络改进后的换热器网络改进后的换热器网络2022-4-2化工过程分析与合成15影响换热器网络总费用的因素影响换热器网络总费用的因素: 换热器数量换热器数量； 同样同样A，换热器台数，换热器台数，投资，投资 换热器面积；换热器面积； T或或(U) ，A 单位换热面积费用单位换热面积费用； 浮头式浮头式固定管板式固定管板式 传热过程的总传热系数（型式和结构）传热过程的总传热系数（型式和结构）； A 公用工程消耗公用工程消耗； 操作成本操作成本 操作性和可控性。操作性和可控性。2022-4-2化工过程分析与合成165.2 夹点设计法夹点设计

12、法夹点设计法的基本原则：夹点设计法的基本原则：(1) 应该避免有热流量通过夹点；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；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夹点下方避免引入公用工程加热物流 。说明：说明：违背以上三条基本原则，就会增大公用工程违背以上三条基本原则，就会增大公用工程负荷及相应的设备投资负荷及相应的设备投资2022-4-2化工过程分析与合成175.2.1 夹点处物流间匹配换热的可行性规则夹点处物流间匹配换热的可行性规则夹点匹配：夹点匹配：指冷、热物流同时有一端直接与夹点相指冷、热物流同时有一端直接与夹点相通，即同一端

13、具有夹点处的温度通，即同一端具有夹点处的温度夹点匹配夹点匹配夹点匹配夹点匹配非夹点匹配非夹点匹配非夹点匹配非夹点匹配2022-4-2化工过程分析与合成18（1）夹点匹配可行性规则）夹点匹配可行性规则1： 对于夹点上方，对于夹点上方，热工艺物流热工艺物流(包括分支包括分支)的数目的数目NH不大于冷工艺物流不大于冷工艺物流(包括分支包括分支)数目数目NC，即：即：CHNN H1：采用公用工程冷却：采用公用工程冷却物流，违反基本原则物流，违反基本原则2(a)热端夹点处热端夹点处不可行不可行的匹配的匹配CHNN 90-(80+dT4)90-(80+dT5) Tmin2022-4-2化工过程分析与合成1

14、9热端夹点处的可行匹配：热端夹点处的可行匹配：(b) 采用冷物流分支采用冷物流分支 (c) 采用设置加热器采用设置加热器HCHNN CHNN 2022-4-2化工过程分析与合成20 对于夹点下方，对于夹点下方，热工艺物流热工艺物流(包括分支包括分支)数目数目NH不小于冷工艺物流不小于冷工艺物流(包括分支包括分支)的数目的数目NC , 即：即：CHNN (d) 冷端夹点处冷端夹点处不可行不可行的匹配的匹配采用公用工程加热物流，采用公用工程加热物流，违反基本原则违反基本原则3(90- dT1)-80(90-dT2 )-80 TminCHNN 2022-4-2化工过程分析与合成21冷端夹点处可行的匹

15、配：冷端夹点处可行的匹配：(e) 采用热物流分支采用热物流分支 (f) 设置冷却器设置冷却器CCHNN CHNN 2022-4-2化工过程分析与合成22（2）夹点匹配可行性规则）夹点匹配可行性规则2 夹点上方夹点上方，每一夹点匹配中热物流的热容流率，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小于或等于冷物流的热容量流率CPC,即：即： CPH CPC 夹点下方夹点下方，每一夹点匹配中热物流的热容流率，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大于或等于冷物流的热容量流率CPC,即：即： CPH CPC说明：说明：该规则保证了夹点匹配中的传热温差不小于

16、该规则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允许的最小传热温差 Tmin 。离开夹点后，由于物流。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。间的传热温差都增大了，所以不一定遵循该规则。2022-4-2化工过程分析与合成23夹点之上：夹点之上：（a）可行的夹点匹配）可行的夹点匹配 （b）不可行的夹点匹配）不可行的夹点匹配CHCPCP CHCPCP 2022-4-2化工过程分析与合成24夹点之下：夹点之下：（a）可行的夹点匹配）可行的夹点匹配 （b）不可行的夹点匹配）不可行的夹点匹配CHCPCP CHCPCP 2022-4-2化工过程分析与合成255.2.2 物流

17、间匹配换热的经验规则物流间匹配换热的经验规则 经验规则经验规则1 每个换热器的热负荷应等于该换热每个换热器的热负荷应等于该换热器冷热物流匹配中器冷热物流匹配中热负荷较小者热负荷较小者，以保证经过一次，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。减少所用换热设备的数量。 经验规则经验规则2 应尽量选择应尽量选择热容量流率相近热容量流率相近的冷、的冷、热流体进行匹配换热，使得换热器在结构上相对合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，其理，且在相同的热负荷及相同的有效能损

18、失下，其传热温差最大。传热温差最大。2022-4-2化工过程分析与合成26情况情况(a)：CPH=2CPC设环境温度设环境温度T0=293K，热物流的热力学平均温度为：热物流的热力学平均温度为：KTH9 .3527027390273ln)70273()90273( 2022-4-2化工过程分析与合成27冷物流的热力学平均温度为：冷物流的热力学平均温度为：KTL6 .3324027380273ln)40273()80273( 该传热过程的有效能损失为：该传热过程的有效能损失为：QQQTTTTTLLHLHW0507. 0)6 .3329 .352(6 .3329 .352293)(0 2022-4

19、-2化工过程分析与合成28情况（情况（b）：）： CPH=CPC热物流的热力学平均温度仍为热物流的热力学平均温度仍为 TH=352.9 K冷物流的热力学平均温度为：冷物流的热力学平均温度为：KTL9 .3426027380273ln)60273()80273( 该传热过程的有效能损失为：该传热过程的有效能损失为：QQLW0242. 0)9 .3429 .352(9 .3429 .352293 2022-4-2化工过程分析与合成29可见：可见：(a)的有效能损失比的有效能损失比(b)大了一倍还多。大了一倍还多。但（但（a）的传热温差大，故需用的传热面积小，的传热温差大，故需用的传热面积小，所以还

20、不能说明情况（所以还不能说明情况（a）就是不如情况（就是不如情况（b）进一步分析：进一步分析：把情况（把情况（b）的传热温差增大到与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。相同，再计算该情况下的有效能损失。情况（情况（a）的传热平均温差：的传热平均温差：TTTTTm2 .181030ln1030ln1212 2022-4-2化工过程分析与合成30 按此传热温差，推算出冷流体的入口、出口按此传热温差，推算出冷流体的入口、出口温度，如图：温度，如图：2022-4-2化工过程分析与合成31热物流的热力学平均温度仍为热物流的热力学平均温度仍为 TH=352.9 K冷物流的热力学平均温

21、度为：冷物流的热力学平均温度为：KTL7 .3348 .512738 .71273ln)8 .51273()8 .71273( 传热过程有效能损失为：传热过程有效能损失为：QQWL0451. 0)7 .3349 .352(7 .3349 .352293 此时，情况（此时，情况（b）比情况（）比情况（a）小小10%多多2022-4-2化工过程分析与合成32说说 明明 （1）完成相同传热负荷条件下，又保持相同传热温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有效能损失小；

22、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。下推动力大。（2）采用经验规则时，经验规则）采用经验规则时，经验规则1优于规则优于规则2；（3）经验规则对离开夹点的其余物流匹配换热也是）经验规则对离开夹点的其余物流匹配换热也是合适的。合适的。2022-4-2化工过程分析与合成33 夹点设计法的要点夹点设计法的要点（1）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分别处理。别处理。（2）热端和冷端都先从夹点开始设计，遵循夹点）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

23、规则。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）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。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）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。工艺上特殊要求等。2022-4-2化工过程分析与合成34例例5-1 一换热系统，包含的工艺流股为两个热物流一换热系统，包含的工艺流股为两个热物流和两个冷物流，给定的数据见下表，指定热、冷物和两个冷物流，给定的数据见下表，指定热、冷物流间允许的最小传热温差流间允许的最小传热温差Tmin=20。现设计一换。现设计一换热器网络，要

24、求其具有最大的热回收热器网络，要求其具有最大的热回收。(题目同例题目同例4-3) 物流物流 热容热容 初始初始 目标目标 热负荷热负荷 标号标号 流率流率 温度温度 温度温度 kW/ oC oC oC kW CP Ts Tt Q H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0 90 60 240.0 C1 2.5 20 125 262.5 C2 3.0 25 100 225.02022-4-2化工过程分析与合成35问题表格问题表格 (1)子网络序号子网络序号 冷物流及其温度冷物流及其温度 热物流及其温度热物流及其温度 k C1 C2 H1 H2SN1SN2SN3SN4SN5SN61501

25、451209060125100704025202022-4-2化工过程分析与合成36 问题表格（问题表格（2）子网络子网络 赤字赤字Dk 热量热量 kW 热量热量 kW 序号序号 kW 无外界输入热量无外界输入热量 外界输入最小热量外界输入最小热量 I k O k I k O k SN1 -10 0 10 107.5 117.5 SN2 12.5 10.0 -2.5 117.5 105.0 SN3 105.0 -2.5 -107.5 105.0 0 SN4 -135.0 -107.5 27.5 0 135.0 SN5 82.5 27.5 -55.0 135.0 52.5 SN6 12.5 -5

26、5.0 -67.5 52.5 40.02022-4-2化工过程分析与合成37得到如下信息：得到如下信息：（1）夹点处，热物流温度在）夹点处，热物流温度在90、冷物流温度、冷物流温度70（2）最小公用工程加热量）最小公用工程加热量 Q H min = 107.5 kW（3）最小公用工程冷却量）最小公用工程冷却量 Q C min = 40 kW物流标号物流标号 热容流率热容流率 初始温度初始温度 目标温度目标温度 热负荷热负荷 CP/ kW/ oC Ts/ oC Tt/oC Q /kW H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0 90 60 240.0 C1 2.5 20 125 262

27、.5 C2 3.0 25 100 225.09070上方上方上方上方2022-4-2化工过程分析与合成38分析：分析：流股数符合可行规则流股数符合可行规则1： NH NC热容流率符合可行规则热容流率符合可行规则2： CPHCPC按经验规则，应使热流股按经验规则，应使热流股1与冷流股与冷流股1匹配。匹配。（1）热端的设计）热端的设计2022-4-2化工过程分析与合成39热热端的流股匹配端的流股匹配1202.5=48；70-48=1182022-4-2化工过程分析与合成40（2）冷端的设计）冷端的设计分析：分析：流股数符合可行规则流股数符合可行规则1：NH NC热容流率不符合可行规则热容流率不符合

28、可行规则2：CPH CPC将热流股将热流股2分支，与冷流股分支，与冷流股1、2实现夹点匹配实现夹点匹配2022-4-2化工过程分析与合成41冷冷端的流股匹配端的流股匹配：方案方案(1)：把把H2分支，并一次匹配分支，并一次匹配完成完成C2的热负荷的热负荷CP：CP=135/(90-60)=4.5；CP=3.5C1：Q=240-135=105；105/2.5=42；70-42=28H1：20/2.0=10；90-10=80；60-20=40kW2022-4-2化工过程分析与合成42方案方案(2)：把：把H2分支，并一次匹配分支，并一次匹配完成完成C1的热负荷的热负荷CP：CP=125/(90-6

29、0)=4.17；CP=3.83C2：Q=240-125=115；115/3.0=38.3；70-38.3=31.7H1：20/2.0=10；90-10=80；60-20=4031.72022-4-2化工过程分析与合成43具有最小公用工程加热与冷却负荷的具有最小公用工程加热与冷却负荷的整体设计方案整体设计方案说明：该方案是说明：该方案是初始设计方案初始设计方案2022-4-2化工过程分析与合成445.3 换热器网络的调优换热器网络的调优基础：夹点设计法得到的最大能量回收换热网络基础：夹点设计法得到的最大能量回收换热网络目标：最大能量回收；目标：最大能量回收； 最小传热面积；最小传热面积； 最少换

30、热设备数；最少换热设备数； 最小总费用。最小总费用。方法：热负荷回路的断裂；方法：热负荷回路的断裂； 热负荷路径的能量松弛。热负荷路径的能量松弛。2022-4-2化工过程分析与合成455.3.1 最少换热设备个数与热负荷回路最少换热设备个数与热负荷回路 换热器投资成本：换热器投资成本： C = a Ab a系数；系数； A换热面积；换热面积； b 指数，一般情况下指数，一般情况下 b=0.6 若若 b1，则则 a(A1+A2)b ） 找出分支物流的热容流率取值范围找出分支物流的热容流率取值范围minT 2022-4-2化工过程分析与合成57(a) 初始网络：初始网络：存在一级回路存在一级回路（

31、2，5)(b) 采用补充的回路断开方式：采用补充的回路断开方式： 把把h2分支分支，断开图（，断开图（a）中回路（）中回路（2，5）Tmin=10 23562402022-4-2化工过程分析与合成58设分支物流换热后温度相等：设分支物流换热后温度相等：4：CP(150-x)=223：(4-CP)(150-x)=240CP=0.34kW/ x=85.3 T=85.3-86.9= -1.6 4换后温度换后温度Tmin:96.9；CPmin=22/(150-96.9)=0.4143换后温度换后温度Tmin:70； CP3=240/(150-70)=3.0，CPmax=1.086.996.916052022-4-2化工过程分析与合成59(c) 再次采用补充的回路断开方式：再次采用补充的回路断开方式： 把把C2分支，断开图（分支，断开图（b）中回路（中回路（2，5