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1、7 换热网络合成,71 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
2、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。,72 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
3、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。,(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
4、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(Pinch Point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
5、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）,H,T,A,E,H2,B,H1,C,D,Q=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
6、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Tmin，将热物流的起始温度与目标温度减去最小允许温差Tmin ，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Tmin )。,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
7、递总是满足第二定律。,H,T,A,E,H2,B,I,II,III,Qc.min,QN.min,H1,C,D,Tm,F,C1,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Tmin =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。,20 40,40 60,60 80,80 1
8、00,100 120,120 140,140 160,热 标 尺,冷 标 尺,Tmin=20,b、标出冷热物流及变温方向。,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,120 140,140 160,热标尺,C2,C1,H2,H1,c、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。,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,120 140,140 160,C2,C1,H2,H1,热标尺,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,d、标出各子网格界面处的虚拟界面温度。,20 40,40 60,60 80,80 100,100 1
9、20,120 140,140 160,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,C2,C1,H2,H1,热标尺,80,110,35,50,135,140,30,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。,DK,Ik,Ok,Ik：外界或其它网络供给 k 网的热,输入
10、。 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 = 1,2N) 同时由于各网格间联系的存在，有： Ik+1 = Ok,DK,Ik,Ok,SN1,I1=0,D1=(0-2)(140-135)= -10,O1= 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 Tk1 ) Cphot (Tk Tk1 ) = (Cpcold - Cphot ) (Tk Tk1 ),120 140,140 160,SN1,SN2,110,135,140,H1,Ok =
11、Ik Dk Ik+1 = Ok,SN1,SN2,I1=0,D1=(0-2)(150-145)= -10,I2=O1= I1- D1=10,D2=(2.5-2)(135-110)=12.5,I3=O2= I2- D2=-2.5,120 140,140 160,SN1,SN2,110,135,140,H1,C1,Ok = Ik Dk Ik+1 = Ok,60 80,80 100,100 120,120 140,SN1,SN2,SN3,SN4,C2,C1,H2,H1,80,110,135,140,SN3,D3=(2.5+3-2)(110-80)=105,I3=O2= I2- D2=-2.5,I4=O
12、3= I3- D3=-107.5,SN2,D2=(2.5-2)(135-110)=12.5,I3=O2= I2- D2=-2.5,Ok = Ik Dk Ik+1 = Ok,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,SN3,SN4,SN5,SN6,C2,C1,H2,H1,80,110,35,50,135,140,30,SN3,D3=(2.5+3-2)(120-90)=105,I3=O2= I2- D2=-2.5,I4=O3= I3- D3=-107.5,SN4,D4=(2.5+3-2-8)(80-50)= -135,I4=O3= I3- D3=-107.5,I5=O4=
13、I4- D4=27.5,Ok = Ik Dk Ik+1 = Ok,20 40,40 60,60 80,80 100,100 120,SN3,SN4,SN5,SN6,C2,C1,H2,H1,80,110,35,50,135,140,30,I4=O3= I3- D3=-107.5,SN4,D4=(2.5+3-2-8)(80-50)= -135,I4=O3= I3- D3=-107.5,I5=O4= I4- D4=27.5,SN5,D5=(2.5+3)(40-25)=82.5,I6=O5= I5- D5= -55,Ok = Ik Dk Ik+1 = Ok,20 40,40 60,60 80,80 1
14、00,100 120,SN3,SN4,SN5,SN6,C2,C1,H2,H1,80,110,35,50,135,140,30,I5=O4= I4- D4=27.5,SN5,D5=(2.5+3)(40-25)=82.5,I6=O5= I5- D5= -55,SN6,D6=(2.5)(25-20)=12.5,O6= I6- D6= -67.5,Ok = Ik Dk Ik+1 = Ok,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,I1=0,D1=(0-2)(150-145)= -10,I2=O1= I1- D1=10,D2=(2.5-2)(145-120)=12.5,D3=(2.5+3-2)(1
15、20-90)=105,D4=(2.5+3-2-8)(90-60)= -135,D5=(2.5+3)(40-25)=82.5,D6=(2.5)(25-20)=12.5,I3=O2= I2- D2=-2.5,I4=O3= I3- D3=-107.5,I5=O4= I4- D4=27.5,I6=O5= I5- D5= -55,O6= 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。,SN1,SN2,SN3,SN4,SN5,SN6,I1=0,I2=10,I3= -2.5,I4= -107.5,I5=27.
