_换热网络_夹点设计法完整版..

SN5 D5=(2.5+3)(40-25)=82.5
I6=O5= I5- D5= -55
140
135
100 120 SN3
80 100
SN4
60 80
SN5
40 60
SN6
C2
C1
20 40
பைடு நூலகம்
H1
110
80
50 35 30
H2
I5=O4= I4- D4=27.5 SN5 D5=(2.5+3)(40-25)=82.5
C1
140 135
110
80
H1
H2
I3=O2= I2- D2=-2.5 SN3 D3=(2.5+3-2)(120-90)=105
I4=O3= I3- D3=-107.5
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
SN4 D4=(2.5+3-2-8)(80-50)= -135
I5=O4= I4- D4=27.5
H1 2.0 150 60 180 H2 8.0 90 60 240 C1 2.5 20 125 262 C2 3.0 25 100 225
H2
d、标出各子网格界面处的虚拟界面温度。
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。
140 SN1
120 SN2
热标尺
160 140
100 120 SN3
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ΔTmin，将 热物流的起始温度与目标温度减去最小允许温 差ΔTmin ，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ΔTmin )。
前没有其他网格，故输入
Ik+1 = Ok
视为0。
物流 热容 初始 终了 热负
标号 流率 温度 温度 荷
D1 = ∑Cpcold ( Tk – Tk＋1 ) –∑Cphot (Tk’ – Tk＋1’ )
= (∑Cpcold - ∑Cphot ) (Tk – Tk＋1 )
I1=0
H1 2.0 150 60 180 H2 8.0 90 60 240
冷热 标标 尺尺
140 160 120 140
100 120
80 100
60 80 40 60 20 40
△Tmin=20
b、标出冷热物流及变温方向。物流 热容 初始 终了 热负
标号 流率 温度 温度 荷
热标尺
140 160 120 140
H1 2.0 150 60 180 H2 8.0 90 60 240 C1 2.5 20 125 262 C2 3.0 25 100 225
80 100
SN4
60 80
SN5
40 60
SN6
C2
C1
20 40
H1
物流 热容 初始 终了 热负 标号 流率 温度 温度 荷
H1 2.0 150 60 180 H2 8.0 90 60 240 C1 2.5 20 125 262 C2 3.0 25 100 225
140 135
110
80
50 35 30
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。
140
135
100 120 SN3
80 100
SN4
60 80
SN5
40 60
SN6
C2
C1
20 40
H1
110
80
50 35 30
H2
I4=O3= I3- D3=-107.5 SN4 D4=(2.5+3-2-8)(80-50)= -135
I5=O4= I4- D4=27.5
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
I2=O1= I1- D1=10 SN2 D2=(2.5-2)(135-110)=12.5
I3=O2= I2- D2=-2.5
140 160 SN1
120 140 SN2
C1
物流 热容 初始 终了 热负 标号 流率 温度 温度 荷
H1 2.0 150 60 180 H2 8.0 90 60 240 C1 2.5 20 125 262 C2 3.0 25 100 225
100 120
80 100
60 80
40 60
C2
C1
20 40
H1
H2
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。
热标尺
140 160 SN1
120 140 SN2
100 120 SN3
80 100
SN4
60 80
SN5
40 60
SN6
C2
C1
20 40
H1
物流 热容 初始 终了 热负 标号 流率 温度 温度 荷
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
140 135
110
H1
Ok = Ik – Dk SN2 D2=(2.5-2)(135-110)=12.5 Ik+1 = Ok
I3=O2= I2- D2=-2.5
SN3 D3=(2.5+3-2)(110-80)=105 I4=O3= I3- D3=-107.5
SN1 SN2 SN3
SN4
C2
120 140 100 120 80 100 60 80
H2
（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 )
Ik
0 冷热均衡。
DK Dk = > 0 需外部提供热量。
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。
7．2 换热网络合成问题
7.2.1 换热网络合成问题的描述
(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。
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。
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
C1 2.5 20 125 262
SN1 D1=(0-2)(140-135)= -10
C2 3.0 25 100 225
O1= I1- D1=0-（-10）=10
140 160
140
SN1
135
120 140
SN2
110
H1
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
I1=0 SN1 D1=(0-2)(150-145)= -10
7 换热网络合成
7．1 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。
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，即热量传递总是满足第二 定律。
T A
H2
E
B F
C1’
H1 D
△Tm
C
I II III
C1 Ⅳ’’ Ⅴ Ⅵ
Qc.min
QN.min QR
H
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ΔTmin =20℃ ，请设 计一个具有最大热回收的换热网络系统
I6=O5= I5- D5= -55
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
SN6 D6=(2.5)(25-20)=12.5
O6= I6- D6= -67.5
140
135
100 120 SN3
80 100
SN4
60 80
SN5
40 60
SN6
C2
C1
20 40
H1
110
80
50 35 30
H2
汇总结果
T(℃)
Q(kw）
H1
2.0
150
60
180
H2
8.0
90
60
240
C1
2.5
20
125
262
C2
3.0
25
100
225
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。
Ok
< 0 有剩余热量。
Ik
DK
Ok
Ik：外界或其它网络供给 k 网的热,输入。 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 = 1,2…N) 同时由于各网格间联系的存在，有：
Ik+1 = Ok
计算第一个网格，由于此
Ok = Ik – Dk
物流标号
H1 H2 C1 C2
热容流率 CP(kw/℃） 2.0 8.0 2.5 3.0
初始温度 T(℃) 150 90 20 25
终了温度 T(℃) 60 60 125 100
热负荷 Q(kw） 180 240 262 225
例题物流数据
物流标号 热容流率 初始温度 终了温度 热负荷
CP(kW/℃） T(℃)
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）
T
H2
E
H1 D
A
B
C
H
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。
I1=0 SN1 D1=(0-2)(150-145)= -10
I2=O1= I1- D1=10 SN2 D2=(2.5-2)(145-120)=12.5
I3=O2= I2- D2=-2.5
SN3 D3=(2.5+3-2)(120-90)=105 I4=O3= I3- D3=-107.5
SN4 D4=(2.5+3-2-8)(90-60)= -135 I5=O4= I4- D4=27.5
T A
H2
E
B F
C1’
H1 D
△Tm
C
I II III
C1 Ⅳ’’ Ⅴ Ⅵ
Qc.min
QN.min QR
H
(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。