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1、化工CAD基础 第八讲第八讲Simulation Design of Heat Integration in Chemical Processes 化工过程热集成仿真设计 1深层分析Hierarchy 化工过程的分层设计化工过程的洋葱模型最常用的化工过程最常用的化工过程分层设计模型是左图所分层设计模型是左图所示的洋葱模型，由里到示的洋葱模型，由里到外逐层细化设计。外逐层细化设计。过程热集成设计的过程热集成设计的对象是换热系统的拓扑对象是换热系统的拓扑结构和公用工程的规格结构和公用工程的规格配套设计。配套设计。2深层分析Hierarchy 化工过程的分层设计洋葱模型分层洋葱模型分层结构的能量关系
2、如结构的能量关系如右图所示：热回收右图所示：热回收子系统通过内部物子系统通过内部物流之间的换热来减流之间的换热来减少对外部公用工程少对外部公用工程的依赖，提高系统的依赖，提高系统能效；蒸汽动力子能效；蒸汽动力子系统是适用于大量系统是适用于大量高温放热过程的可高温放热过程的可选项。选项。工艺过程子系统工艺过程子系统热回收热回收子系统子系统蒸汽动力蒸汽动力子系统子系统能量供给（热公用工程）能量供给（热公用工程）废热排出（冷公用工程）废热排出（冷公用工程）原料原料产品产品副产副产蒸汽蒸汽3深层分析过程热集成设计的方法过程热集成设计的方法 夹点技术夹点技术 Pinch Technology Pinch
3、 Technology 1. 温-焓图和组合曲线2. 夹点的形成3. 夹点的意义和设计原则夹点技术是广泛应用的过程热集成夹点技术是广泛应用的过程热集成设计的有效方法，其要点如下设计的有效方法，其要点如下：4深层分析温-焓(T-H )图(1)(1)物流的热特性可以用物流的热特性可以用(T-H )图表示图表示5深层分析温-焓(T-H )图(2)(2)两流股间的换热两流股间的换热: :温度及焓的变化在温度及焓的变化在(T-H )图上能够很好地表达。图上能够很好地表达。H (MW)T ()Hot StreamCold StreamQEQHQC6深层分析组合曲线-Composite Curve多股流股的
4、组合温焓线多股流股的组合温焓线7深层分析夹点的形成 -Pinch Point (1)将全部热物流的组合温焓线与全部冷物流将全部热物流的组合温焓线与全部冷物流的组合温焓线绘制在同一（的组合温焓线绘制在同一（T-H）图上：）图上：HTHot StreamCold Stream8深层分析夹点的形成 -Pinch Point (2)焓是热力学状态函数，具有实际意义的是其增焓是热力学状态函数，具有实际意义的是其增量而非绝对值。因此可以将组合曲线水平移动。量而非绝对值。因此可以将组合曲线水平移动。HT夹点夹点夹点夹点冷、热组合曲冷、热组合曲线在横坐标上线在横坐标上的重叠部分代的重叠部分代表两类流体间表两类
5、流体间可交换的热量，可交换的热量，在纵坐标上的在纵坐标上的差值代表传热差值代表传热温差。温差最温差。温差最小处称为夹点。小处称为夹点。极限情况是夹极限情况是夹点温差为零。点温差为零。QE9深层分析夹点的形成 -Pinch Point (3)对对于于有有限限大大的的传传热热面面积积，最最小小传传热热温温差差不不能能为为零零。设设定定最最小小传传热热温温差差值值，就就可可根根据据(T-H)图图中中的的HT夹点夹点夹点夹点QCQHQE冷、热组冷、热组合曲合曲线得到系统内线得到系统内部换热量部换热量QE、冷公用工程量冷公用工程量QC 和热公用工和热公用工程量程量QH。10深层分析夹点的意义和设计原则1
6、. 1.夹点是冷热复合温焓线中传热温夹点是冷热复合温焓线中传热温差最小处，此处热通量为零。差最小处，此处热通量为零。2. 2.夹点之上是热端，只有换热和加夹点之上是热端，只有换热和加热公用工程，为需要热量的热阱，热公用工程，为需要热量的热阱，不应设置任何冷公用工程。不应设置任何冷公用工程。3. 3.夹点之下是冷端，只有换热和冷夹点之下是冷端，只有换热和冷却公用工程，为热量多余的热源，却公用工程，为热量多余的热源，不应设置任何热公用工程。不应设置任何热公用工程。4. 4.不应有跨越夹点的传热。不应有跨越夹点的传热。Q Q1 1Q Q2 2+ Q+ Q1 1+ Q+ Q2 2Q Q+ Q+ Q+
7、Q+ Q11深层分析Grand Composite Curve 总组合曲线如果将每个温区中的冷、热流股的焓变加和起来，如果将每个温区中的冷、热流股的焓变加和起来，计算总焓变，并在温焓图上表示，则可得到总组计算总焓变，并在温焓图上表示，则可得到总组合曲线。合曲线。TH12深层分析总组合曲线的意义由总组合曲线可知不同温位下的传热通量分由总组合曲线可知不同温位下的传热通量分布，能更合理地配置公用工程。布，能更合理地配置公用工程。13深层分析换热网络(HEN)设计目标1. 能量目标2. 换热单元数目标3. 换热网络面积目标4. 经济目标14深层分析Energy Target 能量目标能量目标就是指以系
8、统能量的最大回收为目标，能量目标就是指以系统能量的最大回收为目标， 即即最小热公用工程最小热公用工程和和最小冷公用工程最小冷公用工程。能量目标随夹点温差而变。夹点温差确定后，能量目标随夹点温差而变。夹点温差确定后，所分析系统的能量目标为一确定值。所分析系统的能量目标为一确定值。若夹点温差增大，加热公用工程和冷却公用若夹点温差增大，加热公用工程和冷却公用工程均增大，且增大的数量相等。工程均增大，且增大的数量相等。 能量目标可通过温焓图的组合曲线法计算得到。能量目标可通过温焓图的组合曲线法计算得到。15深层分析Units Target 换热单元数目标 一个换热网络的最小单元数目可由欧拉通一个换热网
9、络的最小单元数目可由欧拉通用网络定理来描述：用网络定理来描述：U U换热单元数，包括换热器、加热器和冷却器；换热单元数，包括换热器、加热器和冷却器；N流股数目，包括工艺流股和公用工程流股；流股数目，包括工艺流股和公用工程流股；L独立的热负荷回路数目；独立的热负荷回路数目；S可能分离成不相关子系统的数目。可能分离成不相关子系统的数目。16深层分析最大能量回收网络的换热单元数目标如果要使系统能量最大回收，需将系统分成夹点如果要使系统能量最大回收，需将系统分成夹点之上和夹点之下两个独立网络设计：之上和夹点之下两个独立网络设计：如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量如果有热量穿过夹点传递，则会使公用
10、工程量如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量增加（不满足能量最大回收），此时夹点上下增加（不满足能量最大回收），此时夹点上下增加（不满足能量最大回收），此时夹点上下增加（不满足能量最大回收），此时夹点上下就不再是独立网络了。就不再是独立网络了。就不再是独立网络了。就不再是独立网络了。17深层分析Area Target 换热面积目标 在进行换热网络设计前，无法精确计算换热网在进行换热网络设计前，无法精确计算换热网络的面积，最小换热面积的计算是由最小传热温络的面积，最小换热面积的计算是由最小传热温差下冷、热温焓曲线差下冷、热温焓曲线垂直换热垂直换热得到的。
11、得到的。TH18深层分析Cost Target 经济目标能量费用目标设备投资费用目标总年度费用目标根据换热单元数目标根据换热单元数目标 和换热面积目标求取和换热面积目标求取假定：换热单元数目标为假定：换热单元数目标为假定：换热单元数目标为假定：换热单元数目标为U Uminmin，且换热面积平均分配，且换热面积平均分配，且换热面积平均分配，且换热面积平均分配 在各单元中在各单元中在各单元中在各单元中19深层分析最优夹点温差Tmin的确定20深层分析夹点技术的应用 夹点技术既可用于新厂设计，又可用于已有系统的节能改造，但两者在目标上和方法上都有区别； 夹点技术的一个显著特点是在换热网络设计前，先获
12、得各项设计目标； 在优化目标方面，夹点技术最初是以最大能量回收为系统的目标，然后发展为以最小总费用为目标。21深层分析Aspen Energy Analyzer Aspen Energy Analyzer 入门入门有两种方式应用有两种方式应用 Aspen Energy Analyzer：1.独立应用独立应用Aspen Energy Analyzer；2.在在Aspen Plus仿真模型的基础上应仿真模型的基础上应用用Aspen Energy Analyzer。22深层分析Aspen Energy Analyzer Aspen Energy Analyzer 入门入门Structure 基本术语
13、基本术语1.管理员管理员(Manager)2.项目项目(Project) 方案（方案（方案（方案（ScenarioScenario） 和和和和设计（设计（设计（设计（DesignDesign）3.案例案例(Case) 设计目标计算设计目标计算设计目标计算设计目标计算 4.改造模式改造模式(Retrofit Mode)5.案例案例/文档文档(Case/File) *.hch*.hch 文件文件文件文件23深层分析基本使用步骤基本使用步骤 独立应用独立应用（1 1）1.启动启动 User Interface 2.设置设置 Unit Preferences3.新建一个新建一个 HI Case4.输入
14、输入 工艺流股数据工艺流股数据 Process Stream5.选择计算用的数据库等选择计算用的数据库等（Options）6.选择选择 Tmin，进行，进行Target分析分析24深层分析基本使用步骤基本使用步骤 独立应用独立应用（2 2）7.建立建立 HI Project 8.选定定 Tmin, 进入入Recommend Designs 选择推荐网推荐网络数目数目9.比比较各种各种设计方案的方案的经济性性10.选择经济性好的方案性好的方案进入入(Retrofit) 模式模式优化化11.以以经济性性为目目标选择优化方案化方案25深层分析1. 1. 启动启动 User Interface开始开始
15、开始开始所有程序所有程序所有程序所有程序Process ModelingProcess ModelingAspen Energy AnalyzerAspen Energy AnalyzerAspenTechAspenTech从从从从WindowsWindows系统菜单中启动能量分析系统菜单中启动能量分析系统菜单中启动能量分析系统菜单中启动能量分析器的用户界面器的用户界面器的用户界面器的用户界面26深层分析27深层分析2. 2. 设置设置 Unit Preferences （1）28深层分析2. 2. 设置设置 Unit Preferences （2）29深层分析2. 2. 设置设置 Unit
16、Preferences （3）30深层分析2. 2. 设置设置 Unit Preferences （4）31深层分析2. 2. 设置设置 Unit Preferences （5）32深层分析3. 3. 新建新建 HI Case/HI Project33深层分析4. 4. 输入工艺流股输入工艺流股 /HI Case34深层分析选择数据库选择数据库-Options（1）35深层分析选择数据库选择数据库-Options （2）36深层分析选择数据库选择数据库-Options （3）37深层分析察看公用工程物流察看公用工程物流38深层分析目标分析目标分析进入目标分析界面进入目标分析界面39深层分析目标
17、分析目标分析设置设置Tmin40深层分析目标分析目标分析获得最小公用工程用量获得最小公用工程用量41深层分析目标分析目标分析查看组合曲线查看组合曲线42深层分析目标分析目标分析查看总组合曲线查看总组合曲线43深层分析目标分析目标分析考察考察Tmin对目标的影响对目标的影响44深层分析HEN设计设计 创建创建 HI Project （1）45深层分析HEN设计设计 创建创建 HI Project （2）46深层分析HEN设计设计 设置推荐方案数（设置推荐方案数（1）47深层分析HEN设计设计 设置推荐方案数（设置推荐方案数（2）48深层分析HEN设计设计 比较各方案性能比较各方案性能49深层分析HEN设计设计 较优方案改造（较优方案改造（1）50深层分析HEN设计设计 较优方案改造（较优方案改造（2）51深层分析HEN设计设计 较优方案改造（较优方案改造（3）52深层分析
