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1、光盘5-Aspen Energy Analyzer 化工过程热集成 Aspen Energy Analyzer 主要内容 1 夹点技术 2 夹点技术与换热网络的合成 3 Aspen Energy Analyzer的应用 光盘5-Aspen Energy Analyzer 光盘5-Aspen Energy Analyzer 1 夹点技术 夹点技术（Pinch technology）是以热力学为 基础，以最小能耗为主要目标的换热网络综合方法 。1978年，Linnhoff等提出了换热网络的夹点问题 ，指出夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收 。1983年，Linnhoff比较系统的提出了用于换热
2、网 络综合的夹点技术，并推广应用于整个过程的能量 分析与调优。 1.1 基本概念和术语 1. 基本概念： 夹点、冷物流、热物流、热容流率 2. 温焓图 3. 复合曲线 4. 总复合曲线 光盘5-Aspen Energy Analyzer 夹点夹点 夹点根据热能回收的观点，在换热网络中 存在某一特定温度，如果热能传递通过这一温 度将造成能源浪费，这一特定温度则称夹点。 冷物流冷物流 冷物流初始温度较低且需要加热的物流。 热物流热物流 热物流初始温度较高且需要冷却的物流。 热容流率热容流率 热容流率工艺物流单位时间内每变化1K所 发生的焓变，物流质量流率与比热容的乘积。 1. 基本概念 光盘5-A
3、spen Energy Analyzer 2. 温焓图（T-H图） 工艺物流在温焓图上的表示 B A H 光盘5-Aspen Energy Analyzer 冷、热物流在同一温焓图上的表示 光盘5-Aspen Energy Analyzer 2. 温焓图（T-H图） 3. 复合曲线 对于多股冷、热物流的情况，需要将多股冷物 流（或热物流）揉合成一条虚拟冷物流（或热物流 ），即复合曲线。 构造复合曲线的方法： （1）首先把热过程物流分别标绘在T-H图上； （2）然后分割成若干个温度区间； （3）在每个温度区间内把物流的热负荷累加起来 ， 用一个虚拟物流代表； （4）将各温度区间的虚拟物流首尾相接
4、。 光盘5-Aspen Energy Analyzer H1H2 T 0 H 复合曲线图构造图解 光盘5-Aspen Energy Analyzer 3. 复合曲线 4. 总复合曲线 n总复合曲线是由冷、热物 流匹配作出的，在不同的温 位，标出净热流量和该温段 的温度值，连接这些点就构 成了总复合曲线。 n夹点处净热负荷为零，夹 点之上为热阱，夹点之下为 热源。 H T 0 夹点夹点 总复合曲线图 光盘5-Aspen Energy Analyzer 1.2 夹点确定方法 夹点确定的方法主要有： n图解法 n问题表格法 光盘5-Aspen Energy Analyzer 1. 图解法 h c H
5、 T HcHh 冷热复合曲线在冷热复合曲线在HH轴方向没有重合轴方向没有重合过程的能量没有回收 ，全部用公用工程来进行冷却和加热。 冷热复合曲线在冷热复合曲线在HH轴方向部分重合轴方向部分重合过程的能量有部分回 收Hr，回收热量的程度由最小接近温差决定，其余部分用 公用工程来进行冷却和加热。 Hr 最小接 近温差 冷热复合曲线在某点重合冷热复合曲线在某点重合此时回收的热量最大，公用 工程用量最小，但重合点的传热温差为零，所需的传热面 积为无限大。 光盘5-Aspen Energy Analyzer h c T 夹点 重合部分过程内部垂直换热，为节约能源。 HhHc Hh热公用工程用量 Hc冷公
6、用工程用量 夹点下方-热源夹点上方-热阱 光盘5-Aspen Energy Analyzer 1. 图解法 2. 问题表格法 n当物流较多时，采用复合曲线很繁琐，且 不够准确，此时用问题表格法计算较精确。 n问题表格法可以更深刻地理解夹点的实质 及特性。 光盘5-Aspen Energy Analyzer （1）以垂直轴为温度的坐标，把各物流按其初 温和终温标绘成有方向的垂直线。 在标绘时，处于同一水平位置的冷、热物流 之间刚好相差Tmin，这样就保证了热、冷物流间 有Tmin的传热温差。基于所有冷、热物流的初温 和终温作出的水平线将换热网络划分成若干个子网 络。 问题表格法求解步骤： 光盘5
7、-Aspen Energy Analyzer 问题表格法求解步骤： （2）依次对每个子网络进行热量衡算。 Dk=(CPk,c-CPk,h)(Tk-Tk+1) Ok=Ik-Dk Ik+1=Ok Dk第k个子网络的赤字，表示该网络为满足热平衡时 所需外加的净热量； Ik由外界或其他子网络放出的热量； Ok第k个子网络向外或其他子网络放出的热量； CPk,c子网络k中包含的所有冷物流的热容流率之和； CPk,h子网络k中包含的所有热物流的热容流率之和； k子网络数目； Tk-Tk+1子网络k的温度间隔，用该间隔的热物流或冷 物流温度之差均可。 光盘5-Aspen Energy Analyzer （3
8、）确定换热网络夹点的位置和所需的最小热公 用工程用量和冷公用工程用量。 在某些子网络中会出现供给热量Ik和排出热量Ok为负的 现象。 Ok为负，说明在指定Tmin下，系统中热物流无法提供 使冷物流达到终温所需的热量，需要采用外部公用工程热量 ，使Ok消除负值。所需提供的最小热量就是使Ok或Ik中负值 最大者变成零的热量。 Ok =0处所对应温度为夹点温度，供给第一个子网络的 热量即为所需的最小热公用工程用量，最后一个子网络输出 的热量即为所需的最小冷公用工程用量。 光盘5-Aspen Energy Analyzer 问题表格法求解步骤： 1.3 夹点的意义 n夹点是冷热组合曲线图中传热温差最小
9、的 地方，此处热通量为零。 n夹点将换热网络分为两个部分： 夹点之上称为热阱 夹点之下称为热源 光盘5-Aspen Energy Analyzer n夹点之上只有换热和热公用工程，如果夹点之上设 置了冷却器，用冷公用工程取走热量Q，那么根据热平 衡，这部分热量必须由热公用工程来弥补。 n同理，夹点之下只有换热和冷公用工程，如果夹点 之下使用热公用工程来加热，也必然需要增加冷公用 工程用量。 n如果发生跨越夹点的传热，即夹点之上的热物流与 夹点之下的冷物流进行换热，那么夹点之上的热公用 工程和夹点之下的冷公用工程用量都必然增加。 光盘5-Aspen Energy Analyzer 1.3 夹点的
10、意义 2 夹点技术与换热网络 在石油化工生产过程中，一些工艺 物流需要加热，而另一些工艺物流需要 冷却，如何合理地将这些物流匹配在一 起，充分利用热物流去加热冷物流、提 高过程的热回收率，以便尽可能减少公 用工程加热和冷却负荷是一个多方案、 多目标的集成问题。 光盘5-Aspen Energy Analyzer 换热网络合成就是确定出这样的流程 ，使它具有最小的冷换设备（换热器、加 热器和冷却器）投资费用和操作费用，并 将每一个过程物流由初始温度达到指定的 目标温度。除此之外，换热网络还要求具 备较好的灵活性、操作性和可控性。 光盘5-Aspen Energy Analyzer 2 夹点技术与
11、换热网络 2.1 换热网络合成的目标 n 最小公用工程负荷目标：QHmin和Qcmin n 最小换热单元数目标：Umin n 最小传热面积目标：Amin n 年总费用最小目标 光盘5-Aspen Energy Analyzer 1. 换热单元数目目标 U 换热单元数，包括换热器、加热器和冷凝器； N 冷热物流总数，包括公用工程物流，不包括物 流分支数目； L 独立的热负荷回路数； S 该系统内分离为独立的子系统数。 光盘5-Aspen Energy Analyzer 一般情况，当系统中不能分离出独立的子 系统时，即S=1。若使U达到最小，必定使 L=0，即把换热网络中所有的热负荷回路断开 ，则
12、 光盘5-Aspen Energy Analyzer 1. 换热单元数目目标 2. 最小传热面积目标 换热面积分区计算图 光盘5-Aspen Energy Analyzer 3. 年度费用最小目标 年操作费用+设备投资费用=年总费用 年操作费用： 公用工程费用+人工操作费用 设备投资费用： 设备投资费用+管道安装+折旧率等 光盘5-Aspen Energy Analyzer 2.2 夹点技术设计换热网络 n在网络的设计中, Tmin的取值 对能量的回收和系统的投资运行 费用有直接影响。 nTmin取值较小,系统回收热量 多,冷、热公用工程费用小, 但换热 面较大,系统造价高; nTmin取值较
13、大,系统回收热量 小,冷、热公用工程的费用大, 但换 热面积小,系统设备投资小。 最小传热温差对费用的影响 换热网络中存在 最优的夹点温差 光盘5-Aspen Energy Analyzer 1. 夹点技术设计换热网络基本原则 （1）避免有热流量通过夹点换热； （2）夹点上方应该避免使用公用工程冷却物流； （3）夹点下方应该避免使用热公用工程加热物流 。 光盘5-Aspen Energy Analyzer 2. 可行性规则 可行性规则1 对于靠近夹点处的夹点上方，热工艺物流（包括其 分支物流）数目NH不大于冷工艺物流（包括其分支物 流）数目NC，即 NH NC 对于靠近夹点处的夹点下方，热工艺
14、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）数目NC，即 NH NC 光盘5-Aspen Energy Analyzer 可行性规则2 对于靠近夹点处的夹点上方，每一夹点匹配中 的热物流的热容流率MCph不大于冷物流的热容 流率MCpc ，即 MCphMCpc 对于靠近夹点处的夹点下方，每一夹点匹配中 的热物流的热容流率MCph不小于冷物流的热容 流率MCpc ，即 MCphMCpc 光盘5-Aspen Energy Analyzer 2. 可行性规则 3. 经验规则 经验规则1-所需换热单元数目最小 选择每个换热匹配的热负荷等于该匹配的冷、热 物流中热负荷较小者，使之
15、一次匹配可使一个物流 （即热负荷较小者）由初始温度达到终了温度。 经验规则2-传热温差最大 在考虑经验规则1的前提下，如有可能，应尽量选 择热容流率值相近的冷、热物流进行匹配换热。 光盘5-Aspen Energy Analyzer 1. 将换热网络从夹点处分隔成两部分，即热端-夹 点上方和冷端夹点下方，分别进行匹配处理； 2. 对于与夹点相邻的子网络，按照夹点匹配的可行 性规则考虑冷、热物流的匹配换热，根据情况决定物 流是否需要分支； 3. 离开夹点后,确定物流匹配换热的自由度较大，工 程师可以考虑系统操作性、弹性及具体工程项目的有 关要求等； 4. 将热端和冷端的匹配结果合并起来，作为初步的 换热网络设计结果。 2.3 夹点设计法的步骤 光盘5-Aspen Energy Analyzer 3 Aspen Energy Analyzer Aspen Energy Analyzer（能量分析器）是 AspenTech公司旗下的产品，是进行换热网络 优化设计的一个功能强大的概念设计包，提供 了夹点分析和换热网络优化设计的环境，是 Aspen在工程应用上的一个重要工具。 光盘5-Aspen Energy Analyzer n计算能量和设备投资目标 n进一步改善能量热集成项目，从而减 少操作费用、设备投资费用并使能量利用 最大化 n提供过程能量优化的工具 n提供图表结合使用的方法
