-换热网络-夹点设计法完整版

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。

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。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，从而以最小的消耗代价，获得最大的能量利用效益。

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。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TH初目标温度TH终冷物流C：初始温度TC初目标温度TC终已知每条物流的热容流率FCp(物流流量与热容的乘积)，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。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。HTAEH2BIIIIIIⅣⅤⅥQc.minQN.minH1CD△TmFC1’C1’’QR(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。(3)夹点(PinchPoint也译为狭点，窄点)概念以及夹点设计法的建立。Linnhoff继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。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。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）

HTAEH2BH1CDQ=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。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ΔTmin，将热物流的起始温度与目标温度减去最小允许温差ΔTmin，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ΔTmin)。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。HTAEH2BIIIIIIⅣⅤⅥQc.minQN.minH1CD△TmFC1’C1’’QR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ΔTmin=20℃，请设计一个具有最大热回收的换热网络系统例题物流数据一、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△Tmin。20404060608080100100120120140140160热标尺冷标尺△Tmin=20b、标出冷热物流及变温方向。20404060608080100100120120140140160热标尺C2C1H2H1c、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。20404060608080100100120120140140160C2C1H2H1热标尺SN1SN2SN3SN4SN5SN6d、标出各子网格界面处的虚拟界面温度。20404060608080100100120120140140160SN1SN2SN3SN4SN5SN6C2C1H2H1热标尺80110355013514030

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。（2）对每个网格进行热量衡算

定义Dk：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：Dk=∑Cpcold

(Tk–Tk+1)–∑Cphot(Tk’–Tk+1’)=(∑Cpcold-∑Cphot)(Tk–Tk+1)

0冷热均衡。Dk=>0需外部提供热量。<0有剩余热量。DKIkOk

Ik：外界或其它网络供给k网的热,输入。

Ok：k网向外部或其它网排出的热量，输出。则：热衡式：Ik=Ok+Dk

变形：Ok=Ik–Dk（k=1,2…N)同时由于各网格间联系的存在，有：

Ik+1=Ok

DKIkOkSN1I1=0D1=(0-2)(140-135)=-10O1=I1-D1=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。D1=∑Cpcold(Tk–Tk＋1)–∑Cphot(Tk’–Tk＋1’)=(∑Cpcold-∑Cphot)(Tk–Tk＋1)120140140160SN1SN2110135140H1Ok=Ik–DkIk+1=OkSN1SN2I1=0D1=(0-2)(150-145)=-10I2=O1=I1-D1=10D2=(2.5-2)(135-110)=12.5I3=O2=I2-D2=-2.5120140140160SN1SN2110135140H1C1Ok=Ik–DkIk+1=Ok608080100100120120140SN1SN2SN3SN4C2C1H2H180110135140SN3D3=(2.5+3-2)(110-80)=105I3=O2=I2-D2=-2.5I4=O3=I3-D3=-107.5SN2D2=(2.5-2)(135-110)=12.5I3=O2=I2-D2=-2.5Ok=Ik–DkIk+1=Ok20404060608080100100120SN3SN4SN5SN6C2C1H2H180110355013514030SN3D3=(2.5+3-2)(120-90)=105I3=O2=I2-D2=-2.5I4=O3=I3-D3=-107.5SN4D4=(2.5+3-2-8)(80-50)=-135I4=O3=I3-D3=-107.5I5=O4=I4-D4=27.5Ok=Ik–DkIk+1=Ok20404060608080100100120SN3SN4SN5SN6C2C1H2H180110355013514030I4=O3=I3-D3=-107.5SN4D4=(2.5+3-2-8)(80-50)=-135I4=O3=I3-D3=-107.5I5=O4=I4-D4=27.5SN5D5=(2.5+3)(40-25)=82.5I6=O5=I5-D5=-55Ok=Ik–DkIk+1=Ok20404060608080100100120SN3SN4SN5SN6C2C1H2H180110355013514030I5=O4=I4-D4=27.5SN5D5=(2.5+3)(40-25)=82.5I6=O5=I5-D5=-55SN6D6=(2.5)(25-20)=12.5O6=I6-D6=-67.5Ok=Ik–DkIk+1=OkSN1SN2SN3SN4SN5SN6I1=0D1=(0-2)(150-145)=-10I2=O1=I1-D1=10D2=(2.5-2)(145-120)=12.5D3=(2.5+3-2)(120-90)=105D4=(2.5+3-2-8)(90-60)=-135D5=(2.5+3)(40-25)=82.5D6=(2.5)(25-20)=12.5I3=O2=I2-D2=-2.5I4=O3=I3-D3=-107.5I5=O4=I4-D4=27.5I6=O5=I5-D5=-55O6=I6-D6=-67.5汇总结果

Ik+1，Ok的负值现象：Ik+1、Ok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（△Tmin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Ik或Ok消除负值。即使最大负值变为零。SN1SN2SN3SN4SN5SN6I1=0I2=10I3=-2.5I4=-107.5I5=27.5I6=-55O6=-67.5SN1SN2SN3SN4SN5SN6I1=107.5I2=117.5I3=105I4=0I5=135I6=52.5O6=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（3）确定夹点位置：夹点：即消除Ik或Ok的负值后，Ik或Ok的值为零的网格界面，（前提是其它Ik，Ok均无负值）。SN1SN2SN3SN4SN5SN6I1=107.5I2=117.5I3=105I4=0I5=135I6=52.5O6=40夹点（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=0c、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。

热端冷端热阱热源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+x107.5+y107.540+xx热源,可取走热040＋z40热端取走热量会增大公用系统热负荷y0冷端补充热量会增大公用系统热负荷z（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+x40+xx原则一：尽量避免热流量通过夹点。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+y40y0z原则三：夹点下方尽量避免引入公用设施加热物流，但可引入冷却设施。热端冷端107.5040＋zz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H1H2H3C1C2夹点匹配H1H2H3C1C2非夹点匹配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H1H2H3C1C2需调整H1H2H3C1C2C2’NC=NH研究热端NH>NC

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H1H2H3C1C2需调整H1H2H3C1C2C2’NC=NH研究热端NH>NC夹点上方（热端）夹点下方：则应NH≥NC（冷端）。多出的H可引入冷却剂平衡，而不违反基本原则。可行H1H2C3C2C1夹点夹点H1H2H3C1C2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。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<△Tmin

HTHC△TC△T

△TH△Tmin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

（FCpH*△TH=FCpc*△TC）夹点上方小大大当焓差相等时，热容流率小则温差大，温焓线的斜率就大。夹点

当热流体温变△TH>冷流体温变△TC时,才能保持△T>△Tmin（冷热两流体温差）。此时，FCpH<FCpc。HTHC△TC△T

△TH△Tmin

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FCpH△Tн=FCpCΔTс

当△Tн≤ΔTс时(这样才能保持ΔTн>ΔTmіn),则必有CpHCpC。为满足可行性规则2，可通过分支以调整FCpH或FCpC。HTHC△TC△T

△TH△Tmin夹点下方可行性规则小结：

规则1规则2夹点上方：NH≤NC夹点下方：NH≥NC夹点上方：FCpH≤FCpC夹点下方：FCpH≥FCpC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。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90ºC，终温60ºC，Q=60C1，CPC=3，初温20ºC，终温30ºC，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。

4º夹点设计法要点：

①以夹点为界，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。②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。③离开夹点后，仍需考虑ΔT>ΔTmin的问题及上述规则。④兼顾安全性、可操作性及工艺上的某些特殊要求。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。

20404060608080100100120120140140160SN1SN2SN3SN4SN5SN6C2C1H2H1热标尺80110355013514030夹点1、热端设计：为三股物流间换热问题流股夹点FCPQ

H1150902.0120=2.0×（150-90）C1701252.5137.5=2.5×（125-70）C2701003.090=3.0×（100-70）20404060608080100100120120140140160SN1SN2SN3SN4SN5SN6C2C1H2H180110355013514030夹点

可行性：NH<NC，FCPH<FCPC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。

HHH1C1C290150FCPQ2.01202.5137.53.190夹点7017.590夹点上方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。

20404060608080100100120120140140160SN1SN2SN3SN4SN5SN6C2C1H2H1热标尺80110355013514030夹点FCPQH12.060H28.0240C12.5125C23.013560602590ºC70ºC夹点20夹点下方20404060608080100100120SN3SN4SN5SN6C2C1H2H180110355