化工系统综合与优化2－能量集成1

1、一、概论二、换热网络综合简介三、夹点理论四、换热网络综合的目标五、最优夹点温差的确定六、夹点设计方法七、调优合并换热器八、多级公用工程第二章能量系统集成1九、 阈值问题十、换热网络综合实例十一、换热网络模拟十二、换热网络综合的数学规划法十三、换热网络的改造十四、换热网络综合的其它问题十五、热能动力系统集成十六、全厂总能系统2节能的意义能量系统的范畴节能潜力分析节能的实践节能的研究方法过程系统节能技术的发展热力学基础、概论31、节能的意义能源消耗逐年增加过程系统能耗总量很大过程工业产品单耗高，节能潜力大节能的四个方面：加强管理改进设备改进工艺改进能量回收系统42、能量系统的范畴核心是换热网络三个

2、子系统互相影响密切相关，严格整体优化，系统分解优化5过程系统框图工艺过程子系统热回收子系统蒸汽动力子系统废热排出原料产品能量供给63、节能潜力分析满足工艺生产过程对各种形式能量需求的能量系统的设计方案是多种多样的。什么样的能量系统设计方案是经济上合理的、技术上可行的、投资和能耗费用最小的方案？通过什么方法可以获得这样的设计方案。7130 oC21Reactor3170 oC190 oC200 oC90oC125 oC110 oC130 oC250 oC150 oCH 120KWC 100KW SepC2100 oCH1H2C184、节能的实践 Linnhoff 提出夹点理论，创办UMIST/D

3、PI以及Linnhoff Match公司，与ASPEN竞争。迄今为止，夹点技术仍是过程系统工程领域近几十年来最大的一个突破。日本学者Umeda也同时提出夹点思想。 Linnhoff Match公司夹点实践，每个项目平均收益几十万美元/年，投资回收期为几个月几十个月，表17表明过程系统节能约占50。国内实践，炼厂，几百万人民币/年，原油终温上升10度，节约燃油。早期设计的改造潜力大。95、节能的研究方法热力学方法数学规划法（Mathematical Programming）人工智能方法：专家系统10热力学方法热力学方法物理概念清楚，系统能量目标准确、设计规则有据，很适于工程设计人员在工程实际中应

4、用。以热力学目标和投资费用目标相结合作为总的设计目标，以热力学方法为主，并结合经济目标优化的方法。11数学规划法将所研究的问题整理成有目标函数和约束条件组成的数学模型，然后根据数学模型的类型选择适宜的优化方法进行求解。用数学规划法求能量系统的最优系统流程和最优操作条件，理论上可得给定条件下的严格最优解。现有的计算方法和计算机能力仍难于求解大型复杂系统的优化问题，很难得到全局最优解。数学优化方法的另一个缺点是计算过程不透明，物理概念不清晰，难于被过程设计人员掌握而直接使用。12人工智能方法应用专家系统，离工业实际应用尚有一定距离。13这三类方法是互相结合，相互渗透的，常是以某一方法为主，再辅以其

5、它方法。例如以热力学方法确定能量系统的基本流程结构，以此为基础，再以数学规划法求得某些关键设计参数的优化值，对这样的结果再根据专家的经验考虑若干工程实际条件加以调整，以得到符合实际的优化方案。146、过程系统节能技术的发展（范围）总能系统蒸汽动力系统换热系统新设计改造（类型）热力学目标费用目标工程目标(目标）157、热力学基础热力学第一、二定律能量平衡分析 、焓16二、换热网络综合简介1、概述一组初始温度为 的冷物流要求被加热到 ，另一组初始温度为 的热物流要求被冷却到目标温度 ，在给定的最小传热温差 条件下，通过确定物流的匹配关系，使所有物流均达到其目标温度，同时使投资费用和操作费用最小。1

6、7进展：Whistler 1948年以T-H图表示换热过程，Hwa(1965)以后开始研究换热组合问题，此后分为四个阶段：（1）Hohmann（1971）的开创性工作：两个目标：最小公用工程 最小单元数18（2）早期的方法：Lee分枝界限法（1970），Nishida（1971）热谱图法，Pho(1973)树搜索法，Ponton（1974）直观推断法。逐步被淘汰（3）Linnhoff 夹点理论（1979)（4）Grossmann（1980s）数学规划法超结构概念192、网络的表达：三种方法热容图（不常用）流程图温焓图栅格图20流程图优点是可以较清楚地表示网络的结构及换热物流的匹配。缺点是不能直

7、接地表示物流的温度分布以及每台换热单元的热负荷，因而对分析换热网络的热力学特性不利。21130 oC21Reactor3170 oC190 oC200 oC90oC125 oC110 oC130 oC250 oC150 oCH 120KWC 100KW SepC2100 oCH1H2C122温焓图优点在于可直观表示物流的温位和热负荷。缺点是不能清楚地表示出换热网络的流程结构。常用于热力学分析。234TC2问题的物流温焓线244TC2问题的物流温焓线25栅格图优点是表示能流匹配情况，特别是当物流分流时很方便。缺点是不能直观地表示换热网络的结构，对于比热有变化乃至相变的物流状态无法表示。常用于结构

8、分析。26还有一种热容图，使用不多。对换热网络的分析综合，多用温焓图和栅格图来表示。但工程设计中则多用流程图表示。27三、夹点理论目前换热网络设计方法已一致趋向于用夹点设计方法和数学规划法，而数学规划法的热力学基础也是夹点理论。1、夹点的形成两股物流换热组合温焓曲线（Composite Curve)FCp为常数多股物流换热 Tmin决定QHmin和QCminP75图4-7（a）（c）图4-8加入夹点动画28(a)(c)图4-7 两股物流换热过程夹点动画29图4-8 组合温焓线302、夹点分析的问题表(Problem Table)法问题表的构建（1）按各物流的入口、出口温度分成若干温度区间。每一

9、区间热物流比冷物流温度高Tmin，以保证区间内冷热物流的温差要求。（2）计算温度区间内的热平衡，以确定此区间内所需的加热量和冷却量，按所需外加热量计算。（3）各温度区间之间可有自上而下的热量流通，但不能有逆向热量流通。（4）为保证各温度区间之间的热通量0，根据级联计算，所需由外界加入的最小热量，即为最小加热公用工程用量，而由最后的一个温度区间流出的热量，即为最小冷却公用工程用量。（5）温度区间之间的热通量为零处，即为夹点。31问题表的计算物流和温度累积热量，kW热通量，kW温度区间冷流温度热流1(2.5)2(3) 3(2) 4(8)亏缺热量H=冷热输入输出=输入H输入输出TI110010107

10、.5117.5TI212.5102.5117.5105TI31052.5107.51050TI4135107.527.50135TI582.527.55513552.5TI612.555-67.552.54015012514510012070904060252032累积热量表示外界输入加热公用工程量为零时，各温度区间之间的热通量。即：热量输出热量输入H区间3、4之间热通量为零，夹点（热流温度90，冷流温度70，平均80）33-1012.5105-13582.512.5107.5热公用工程冷公用工程15014512090604540130125100704025201012.582.512.51

11、05117.5105013552.540135QH = 212.5 QHmin = 107.5QC = 145QCmin = 40343、夹点的意义夹点上下的热通量是零。夹点上是热端，只有换热和加热公用工程，成为热阱（heat sink）。夹点下是冷端，只有换热和冷却公用工程，成为热源（heat source）。确定QHmin和QCmin如果有横过夹点的传热a，即夹点上热物流与夹点下冷物流进行换热匹配，则造成夹点上加热公用工程和夹点下冷却公用工程用量均增加a。35图4-11 夹点的意义36夹点方法设计法则：不应有横过夹点的传热。夹点上不应设置冷却公用工程冷却器。夹点下不应设置加热公用工程加热器。37QCminTmin夹点4、图示QHmin38 图4-12 最小换热单元