第八讲 化工过程热集成仿真

QC
QH
H
夹点的意义和设计原则
Q2 Q
+ Q2 + Q
+ Q 1.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。 + Q1 2.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，不应设置任何冷公用工程。 3.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，不应设置任何热公用工程。 4.不应有跨越夹点的传热。
温-焓(T-H )图(2) 两流股间的换热:
T (℃)
Hot Stream
Cold Stream
QE
QC
QH
H (MW)
组合曲线-Composite Curve 多股流股的复合温焓线
夹点的形成-Pinch Point 多股热流与多股冷流换热系统集成
T
夹点
QE （hj AjTj）
j
QC
QE
QH
Hierarchy
— 过程设计
原料
工艺过程子系统
产品
热回收子系 统
蒸汽动力子系统
废热排出 过程系统
一. Aspen Energy Analyzer 入门
Structure 基本术语
1. 管理员(Manager) 2. 项目(Project)—方案（Scenario）和设计（Design） 3. 案例(Case)—— 设计目标计算 4. 改造模式(Retrofit Mode) 5. 案例/文档(Case/File) —— *.hcd
基本使用步骤（1）
1. 启动 User Interface
2. 设置 Unit Preferences
3. 新建一个 HI Case
4.
输入 Process Stream
5. 选择计算时的数据库等（Options）
6. 选择冷热公用工程 Utility Stream
7. 选择Tmin，进行Target分析
能量目标可通过温焓图的组合曲线法计算得到
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用网络定理来描述：
Umin N L S N 1
U—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； L—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。
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，先获得各项设计目标； 在优化的目标方面，夹点技术最初是以能量为系统的目标，然后发展为以总费用为目标。
HEN设计目标— 示例 1
图示为某炼油厂润滑油加氢补充精制工艺流程。原料油经加热器加热后进入反应器1，出反应器底部的高温 流体经换热降温后进入油气分离容器2，去除瓦斯气后经升温进入汽提塔3，出塔后的油过滤降温后即成为产品， 塔顶气经降温回收油污去油污罐。
原料油 65℃
295℃ 反 1
260℃
去瓦斯气
98℃
188℃ 容 2
塔 243℃ 3
160℃
过滤 228℃
35℃ 分离
回收污油
70℃ 成品油
HEN设计目标—示例1 (续)
物流数据的提取：
物流类型
编号
名称
初始温度/ ℃
终端温度/ ℃
H1
反应生成油
260
188
热流股
基本使用步骤（2）
1）建立 HI Project；输入流股数据 (process streams) 2）根据总组合曲线选择公用工程 (utility streams) 3）设计目标和最小传热温差 (targets ~ Tmin) 4）选定Tmin, Scenario状态下右键进入(recommend designs) 选择推荐网络数目 5）比较各种设计方案的经济性 6）选择经济性好的方案进入(Retrofit) 模式优化 7）以经济性为目标选择优化方案
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 差下冷热温焓曲线垂直换热得到的。
T
Ai
i
( 1 i Tlmi
qj j hj
)
H
Cost Target
能量费用目标 设备投资费用目标
— 经济目标
CE CH QH CCQC
1. 启动 User Interface
开始
所有程序
Aspen Energy Analyzer
AspenTech Process Modeling
启动界面
2. 设置 Unit Preferences
变量单位设置
变量有效位数设置
3. 新建 HI Case/HI Project
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱFeature Managers
L0 S 1
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，需将系统分成夹点之上和夹点之下两个独立网络设计：
夹点之上： U min，1 N1 L1 S1 夹点之下： U min ,2 N2 L2 S2
Umin Umin，1 Umin，2
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），此时加点上下就 不再是独立网络了。
Q1
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
Energy Target — 能量目标 能量目标就是指系统能量的最大回收目标，
即最小加热公用工程和最小冷却公用工程。 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一定。 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。
—根据换热单元数目标 和换热面积目标求取
假定：换热单元数目标为Umin，且换热面积平均分配 在各单元中
CN Umin [a b( A/Umin )c ]
总年度费用目标
CT CE B CN / R
B — 年运行时间；R — 设备折旧年限
最优夹点温差Tmin的确定
CE CH QH CCQC CN Umin [a b( A/Umin )c ]
4. 输入过程流股/HI Case
4. 输入过程流股/ HI project
选择数据库（Option)
二. Pinch Technology
— 夹点技术
化工过程中的换热任务由工艺提出。热集成是为了最大回收系统内的热量：
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
温-焓(T-H )图(1) 物流的热特性可以用(T-H )图很好地表示