物流提取和换热网络综合

第五章数据的提取主要参考书籍能量的有效利用夹点分析与过程集成第3章项曙光等译5.1数据提取5.1.1能量平衡和物料平衡

第一步必须要做的是得到工厂的能量平衡和物料衡算数据。这通常是重要的挑战；对实际工厂而言，几乎总是没有能量平衡和物料平衡的数据。从而必须进行数据校正。最重要的是数据的一致性，而不是精度。当企图将目标变为实际设计项目时，若使用严重不一致的“平衡”数据会带来麻烦。

新建装置，能量平衡与物料平衡数据可以从设计数据中得到流量和组成，从文献中得到比热等。

对现有装置，即使有设计数据，设计数据常常与实际情况存在明显不同。过程设计是一门不精确的科学；设置和流量在试车过程中为得到稳定性能和期望输出常常被改变。并且，原料组成可能与初始开车情况有所变化或可能随时而变。因此，应该建立能量平衡和物料平衡，以反映当前性能。物料平衡需要基于质量流率。

很少工厂在所有物流上都安装流量计，而且流量计有明显误差；蒸汽（或其他冷凝液）的计量特别容易出错，30%或更多并不少见。

能量衡算更加复杂。

原始数据是温度、热负荷和从物料衡算得到的流量。与物料平衡相比，热量损失总是允许，因泄漏造成物料损失通常是很小的（除非过程用到大量的空气或气体）。温度是工厂中最容易准确测得参数，误差常常在1°C以内，尽管要考虑污垢和死角的影响。通常，对没有测量仪表的地方，可以通过采样点插入热电偶来测量，或测量管外温度（明显不够准确）。热负荷更加困难。比热容和潜热可从文献、制造厂商数据或（有必要的话）测量得到。冷负荷可以从冷却水流量和温降得到，加热器负荷从蒸汽流量（常常不准确的；测量冷凝液流量会更好）得到。在燃烧炉中传递热量因为烟囱的热损失而很难精确测量。做到能量平衡通常是个挑战，在一些情况下，必须修正物料平衡以获得更接近真实的数据。

关键点是：我们的目标是要建立可靠的平衡数据，从中可以获得物流的温度和热负荷数据。

5.1.2物流数据提取

物流选择准则是它有热量变化无组成变化

例如：通过一换热器的液体，或单一组分蒸发，或被冷却的没有组分分离的混合物，都可用物流来表示。相反，液体经过一吸收塔或洗涤塔，或一反应的混合物，或一流动经过一精馏塔在里面脱除具易挥发的组份，这就不能被看作是一物流。

所需要的物流数据是温度范围(T1→T2)，物流类型（热或冷）和热容流率CP(kW/K)或物流热负荷ΔH(kW)。这些最终可通过以下几种方式得到：（1）通过物流质量流率和发表的（或测量的）比热容数值，（2）通过物流质量流率和比焓值，（3）通过测量换热器的热负荷，（4）通过能量衡算中其他物流热量反算。各个量通过下面方程联系在一起：5.1.3热负荷和热容量的计算

对现有工厂的液体混合物物流来说，比热容数值可能是不知道的，而热负荷可以利用现有换热器在已知温度的已知热负荷容易得到。从而可以很容易地反算出CP。可能存在两个缺陷：（1）首先应用的设备负荷可能是设计负荷而不是操作负荷。其次CP往往是随着温度而变化，如果在很大的温度范围内仅仅取了几个数据点，这种依从性可能导致误算。（2）内部潜热变化（如部分汽化或冷凝）导致CP局部变化巨大而被掩盖。这往往会带来很严重的目标化错误。

CP值的确定在基本问题表法中，所有物流被假定CPs不受温度的影响。在实际问题中热容总是某种程度上与温度有关系，并不是所有目标化软件都可以处理这种情况。所以知道什么时候线性化近似有效，什么时候线性化近似无效，是非常重要的。记住目标最重要取决于冷热组合曲线在夹点处的接近程度，取决于这个区域内他们的形状，很清楚数据错误在夹点最明显。因此，在夹点附近必须非常小心CP的近似。

如果假定CP是个定值不能接受，物流需要进行分段线性化。这种操作保证了问题表法的有效性（线性化段与线性物流的处理是一样的），同时在必要的地方提高精度。

一般情况是物流的热容以温度的多项式的形式给出，即：

热容流率热负荷

物流可以被分成两段或多段，或如果随着温度的变化不大可看成单一物流。初始目标化后，相关的物流在夹点处分成两部分，然后用改进的数据重新计算目标。这将改变能量目标但几乎不会改变夹点温度（因为夹点往往是由物流开始处或CP有大的变化处引起）。因此，不需要进一步的重复。

如果CP存在明显变化，例如物流开始蒸发或冷凝时加入或撤出大的潜热负荷，将物流分段最安全，或若目标化软件不允许这种情况，将段作为单独物流来处理。总之，利用这些数据（热负荷和热容量）的策略应该是：（1）最先用粗略的数据。（2）利用问题表法定位夹点区域。（3）在夹点附近用更好的数据。5.1.4物流选择

从已有过程过程流图中提取数据

如果把过程物流分成太多的单独物流，就明显增加了网络的复杂性（太多物流），增加了不必要的限制，还可能会隐藏了热回收的机会。通常，设计者应该首先确定哪一个进料和目标温度定位为“硬的”（不变），哪一个是“软的”（允许一定变化）。接着要设计一基本的换热网络，而后通过改变原先分类为“硬的”的温度，获得进一步改进。这些决策明显整个取决于工艺技术，某种程度上依赖于设计者经验。

原油蒸馏中，在原油进料物流上经常有一脱盐设备。脱掉盐的量对能量平衡影响可忽略，将脱盐前和脱盐后看作单一物流似乎具有吸引力。然而，脱盐通常存在一紧的温度约束-它只能在125°C和130°C温度间有效操作。若原油进料看成是单一物流，匹配后的温度可能不正确，从而影响正常脱盐操作。所以这种情况最好是分成两个物流，但要注意需要的话断点温度要有一定的灵活性。另一方面，再次看到夹点分析不是设计者技能和经验的替代，而是使设计者以最有效方式应用其知识。对组成发生明显变化的设备，比如精馏塔、蒸发器或反应器，将其进料和出料作为单独物流处理至关重要，而不是将其组合在一起。

提取物流也并非越简单越好。。。。。物流选择准则是它有热量变化无组成变化

5.1.5混合考虑两个具有相同组成的过程物流以不同的温度离开各自单元，混合然后加热到一共同的最终温度。这可以作为一物流处理，可用一个换热器来完成加热负荷。但是，混合使得温度降低。考虑一下如果系统仅仅将其作为单一物流来确定能量目标会出现什么情况？如果混合温度低于夹点温度，那么夹点温度以下冷物流的“冷却能力”将会下降。因此，更多的热量需要用冷公用工程冷却，通过能量平衡，热量要穿过夹点来增加热公用工程的用量。在能量目标化阶段为了确保最好的能量性能，应该假定混合过程是等温的。因此，分别加热每个物流到它的最终温度，或加热/冷却一物流到另一物流的温度，接着混合，然后加热/冷却混合物到它的最终温度。

正确的方法是假定物流等温混合，这里目标温度是30°C。如果保留原设计方案，且夹点对应在70°C和100°C之间的热物流，那么能量就会被浪费。然而，不管夹点温度是多少，物流混合将要降低温度，减小换热器的推动力，增加投资费用。

5.1.6小结在提取数据时，脑中要牢记如下几点：要遵守热物流是热的，冷物流是冷的；2.避免过指定问题；不要在不必要的情况下打断物流；3.在能量目标化阶段不要进行非等温混合；4.检查和修正夹点附近的数据（或低净热热流量的其他区域）；5.识别任何可能的过程约束，确定包括和不包括这些约束的目标，看看他们带来的能量惩罚（相同的技术用于单独的两个工厂或两个工厂热联合能量目标化）。5.2案例研究：有机蒸馏装置5.2.1过程描述在环境温度和压力下原油进入到精馏塔中，被分成三种馏分：轻质油，中间油和残渣。进料需要被加热到塔的操作温度，在这种情况下肯定会部分汽化，没有单独的再沸器；进入塔时热流体会发生闪蒸。轻质油以气体形式离开塔顶，然后被冷凝，大部分作为回流，其余被冷却，少量的水在重力分离器移除。各种产品根据它们的粘度分别被冷却到不同的水平。在进入一个加热炉之前，原油进料经过两个换热器，被塔顶产品和中间油加热，然后在加热炉中被加热到最后的进塔温度。所有其他的加热和冷却任务都由公用工程来完成。

5.2.2能量与物料核算能量与物流平衡数据

如流程图所示，各个馏分的生产量和它们的比热容信息是可得到的，数个温度通过热电偶测得。因此，可得到如表中所示的初步的能量和物流平衡数据。然而，还有一些信息是未知的，包括一些温度和准确的回流比（近似为5：1）。为得到一致的数据需进行一些数学换算。原油进料的比热容与温度有关，为(2+0.005T)kJ/kgK；因质量流率为10kg/s，CP=(20+0.05T)kJ/K，经积分计算（相对于0°C的数据）焓为(20T+0.025T2)kJ/s(kW)。

没有数据可得到传热系数。但是，两个现有换热器的尺寸是知道的，一些信息可以从它们这里推算以获得传热系数和能量平衡数据。进料和塔顶出料换热器的热负荷可以通过进料的温度和热容流率得到；类似，中间油与进料换热器的热负荷可以从中间油的详细数据得到，进料的出口温度可以反算出为92℃。换热器的总传热系数U分别计算得到，其值分别为0.20和0.125kW/m2K。U与膜传热系数h之间的联系（忽略污垢热阻和管壁热阻）是在这个区域内的塔顶出料的冷凝的CP计算值为80kW/K。然而，这不适用于剩余物流。冷却水流量和温度降的测量指出塔顶出料后面冷却器的热负荷为1.8MW，因温度降为60°C，从而得到其CP为30kW/K。在这两个换热器中当前的热回收量为1,640kW。

现有换热器数据

5.2.3物流数据提取

用得到一致的能量和物流平衡数据，可推出物流数据。仅仅只有那些需要加热或冷却的物流才需要流量，所以来自分离器的轻质油和水可被忽略。从分离器出来的塔顶出料直接与新鲜油混合，直接传递的热量为100kW。理论上，这两物流需要增加参入分析；实际上，这两物流可利用的热量很少，且温度也很低，因此它们可安全地被忽略。这就剩下了5个实际的物流，它们的特征都列在表5.3中。

冷物流的总热负荷为8500kW，热物流的为5000kW。而当前热量回收水平为1640kW，这就意味着热公用工程和冷公用工程的需求量分别为6860kW和3360kW。

表5.3过程物流数据表H1H2H3AH3BC1C25.2.4费用数据

最后需要收集的数据是加热费用、冷却费用和新换热器的投资费用。每年工作时间也是需要的，这里是5000小时。

加热由燃煤加热炉来提供，它的平均温度大约为400°C；燃料费用为72£/t，总热值为28.8GJ/t，加热炉的总效率为75%。这就相当于有效热传递费用是£3.33/GJ或£12/MWh。在这个实例中冷却要便宜的多；冷却水循环到冷却水塔，其工作温度为25-35°C。添加剂、维护、补充水和少量废水的处理平均费用为£0.5/MWh。众所周知，换热器的费用难于准确估算，但本例用英磅计为£(10,000+300A0.95)。唯一例外是冷却器建造是便宜，式中第一个常数减小到5000。所有这些无论如何也仅仅是大致数据，如果要安装换热器，合适的预算价格必须从制造商处得到。现在可以进行目标化了！！

5.3能量目标化基本的能量目标化在第4章中介绍过。问题表计算得出给定ΔTmin值下的冷和热公用工程需求、夹点温度和净热流量。现在将更加深入地研究一些细节和特殊情况处理。(Q=UAΔTLM）5.3.1个别物流的ΔTmin贡献

换热器面积A与总传热系数U和温度差ΔT成反比。迄今为止，都是假定物流在给定温度下匹配，与它们的特征无关。然而，一些物流可能是具有低传热系数的气体或粘性液体，或易于在换热器表面结垢。重油和蜡油在这两个方面就这样，包括这些物流匹配的U值将是低的，因此相应的包括这些物流匹配的换热面积将会惊人地高

如何明显处理这种情况，但基本能量目标化时如何处理这种情况？

这里有一简单的方法，对每个物流分配一ΔTmin贡献。像与其它的冷热物流一样，通常这个值是ΔTmin/2。然而，对于“难处理”物流，可以分配一个较大的值，定义为ΔTcont。那个物流的位移温度由下式确定S=T±ΔTcont。利用位移温度的问题表现在可以与从前一样准确计算，但是任何包括这一物流匹配的ΔT要大。这就补偿了低U值，故新匹配的换热面积可以接受。例如，假定液体物流赋予5°C贡献，气体物流赋予10°C贡献。那么液/液匹配的ΔTmin为5+5=10°C，液/气匹配的ΔTmin为5+10=15°C，气/气匹配的ΔTmin是10+10=20°C。

同样，在下面的情形下ΔTcont可被赋予小于ΔTmin/2值：（1）有很高热传递系数的沸腾或者冷凝物流。（2）低于周围环境温度的低温物流，经济要求最大热回收以降低昂贵的制冷费用。（3）可能直接接触的热交换物流（它的ΔTcont可设为0，或若其他物流的ΔTcont为正值甚至设为负值）。

计算过程很简单，所有商业目标化软件都能对个别物流赋一ΔTcont值5.3.2阈值问题在很多过程中，冷和热公用工程都是需要的。举个例子，在两物流例子中，即使ΔTmin减小到零，从而投资费用增加到无穷大，仍然需要冷和热公用工程。但是，不是所有问题都这样。在4物流例子中，右图表明随着ΔTmin减小，在点（在5.55°C）不再需要热公用工程；在所有低的ΔTmin值下，仅需要40KW的冷公用工程。一种公用工程目标降为零的ΔTmin值称为“ΔTthreshold”，仅需要一种公用工程的情况称为阈值问题。

4物流问题能量－ΔTmin关系不同类型阈值问题组合曲线图

阈值问题GCC图

热和冷组合曲线最接近温差在不需要公用工程端出现，曲线从该点分叉,设计可以从不需要的公用工程端开始，利用夹点设计规则设计

GCC表明与真正夹点相似，热流率为零不同类型阈值问题组合曲线图

阈值问题GCC图

存在一中间的近夹点（near-pinch），可以从组合曲线接近温差区域识别出，也可从总组合曲线上低净热流率识别出。图3.7（b）给出了ΔTmin=5°C的4物流问题的例子，该例在热物流85°C、冷物流80°C存在一近夹点，GCC（图3.8（b））表明该点净热流率仅为2.5kW。此时将问题按双夹点处理更合适，从近夹点和无公用工程端开始设计

图3.7（b）图3.8（b）第六章换热网络综合6.1夹点规则换热器网络夹点设计法的基本原则：(1)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；(3)夹点下方避免引入公用工程加热物流。违背以上三条，就会增大公用工程负荷及相应的设备投资。利用夹点规则综合换热网络就是确定这样的换热器网络，它仅需要最小公用工程加热及冷却负荷，即达到最大的热回收。如何达到最小公用工程量？需要遵循一定的规则。6.1.1夹点匹配夹点匹配：指冷、热物流同时有一端直接与夹点相通，即同一端具有夹点处的温度。夹点匹配非夹点匹配夹点匹配非夹点匹配6.1.2规则一CP规则CPHOT≤CPCOLD（夹点以上）CPHOT≥CPCOLD（夹点以下）由前所述，夹点处热、冷物流之间的传热温差最小，而且为了达到最大的热回收（或需要最小的公用工程加热及冷却负荷），必需保证没有热量通过夹点，这表明夹点处是设计工作约束最多的地方，所以先从夹点进行物流间匹配换热的设计。如果匹配的冷热物流分别同时与夹点相通，称为夹点匹配。物流间换热的可行性规则如下：CPHOT≤CPCOLD（夹点以上）对所有热物流CPHOT≥CPCOLD（夹点以下）对所有冷物流（a)夹点之上，可行的夹点匹配；（b)夹点之上，不可行的夹点匹配。（a)夹点之下，可行的夹点匹配。CPH>CPC（b)夹点之下，不可行的夹点匹配。CPH<CPC6.1.3规则二流股数Nin≤

Nout1对于夹点上方，热工艺物流（包括其分支物流）的数目NH不大于冷工艺物流（包括其分支物流）数目NC，即：C5C4H2H1(a)H3312(a)热端夹点处不可行的匹配(b)热端夹点处的可行匹配（采用冷物流分支）(c)热端夹点处的可行匹配（采用设置加热器H)312(b)C4C3H1（C）H2C5H212对于夹点下方，热工艺物流（包括其分支物流）数目NH不小于冷工艺物流（包括其分支物流）的数目NC,即：C4C3H1H2C5（d）1（d）冷端夹点处不可行的匹配（e）可行的匹配采用热物流分支（f）可行的匹配设置冷却器C312(e)C4H3H1（f）H2C5C21保证了夹点之上不设冷公用工程，夹点之下不设热公用工程规则3经验规则经验1每个换热器的热负荷应等于该换热器冷热物流匹配中热负荷较小者，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，也可以减少所用换热设备的数量。经验2应尽量选择热容量流率相近的冷、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，其传热温差最大。情况(a)：CPH=2CPC设环境温度T0=293K，热物流的热力学平均温度为冷物流的热力学平均温度为该传热过程的有效能损失为情况（b）：CPH=CPC热物流的热力学平均温度仍为TH=352.9K冷物流的热力学平均温度为该传热过程的有效能损失为可见(a)的有效能损失比(b)大了一倍还多。但（a）的传热温差大，故需用的传热面积小，所以还不能说明情况（a）就是不如情况（b）。进一步分析：把情况（b）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。情况（a）的传热平均温差：按此传热温差，推算出冷流体的入口、出口温度，如图：热物流的热力学平均温度仍为TH=352.9K冷物流的热力学平均温度为传热过程有效能损失为：此时比情况（a）小10%多说明：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有效能损失小；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下推动力大。经验规则2符合传热学及热力学原理。经验规则1优于规则2，对离开夹点的其余物流匹配换热也是合适的。夹点设计法的要点：（1）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分别处理。（2）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规则。（3）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。（4）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。例1问题表格（1）子网络序号冷物流及其温度热物流及温度

k

C1C2H1H2

SN1125145SN2100120

SN37090

SN44060

SN525

SN620150

问题表格（2）子网络赤字Dk

热量kW热量kW

序号kW无外界输入热量外界输入最小热量

IkQkIkQk

SN1-10010107.5117.5SN212.510.0-2.5117.5105.0SN3105.0-2.5-107.5105.00SN4-135.0-107.527.50135.0SN582.527.5-55.0135.052.5SN612.5-55.0-67.552.540.0-107.50kw

SN1

SN2

SN3

SN4

SN5

SN60kw10kw-2.50kw27.5kw-55kw-67.5kw热端夹点冷端

SN1

SN2

SN3

SN4

SN5

SN6QHmin=107.5kw117.50kw105kw135kw52.5kwQCmin=40kw热端夹点冷端0kwa未加公用设施加热负荷b加入公用设施加热负荷得到如下信息：

在T

min=20oC的情况下，夹点温度在90oC（热流体夹点温度）和70oC（冷流体夹点温度）之间，故夹点温度

T=80oC.最小公用工程加热量

Q

H