第八讲化工过程热集成仿真

QE （h j Aj T j）
j
QC
QE
QH
H
夹点的意义和设计原则
Q2 Q
+ Q2 + Q
+Q + Q1
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。
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。
Q1
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。
有两种方式应用 Aspen Energy Analyzer：
1.独立应用Aspen Energy Analyzer； 2.在Aspen Plus仿真模型的基础上应用 Aspen Energy Analyzer。
Aspen Energy Analyzer 入门
Structure 基本术语
1. 管理员(Manager) 2. 项目(Project) ——方案（Scenario） 和
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。
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：
U min 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； L 0 S—可能分离成不相关子系统的数目。 S 1
设备投资费用目标 —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 U min [a b( A /U min )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 CC QC CN U min [a b( A /U min )c ]
温-焓(T-H )图(1)
物流的热特性可以用(T-H )图表示
温-焓(T-H )图(2)
两流股间的换热:温度及焓的变化在
(T-H )图上能够很好地表达。
T (℃)
Hot Stream
Cold Stream
QE
QC
QH
H (MW)
组合曲线-Composite Curve
多股流股的组合温焓线
夹点的形成 -Pinch Point (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 N 2 L2 S2
U min U min ，1 U min ，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），此时夹点上下 就不再是独立网络了。
能量供给（热公用工程）
原料
工艺过程子系统
热回收 子系统
蒸汽动力 子系统
产品
副产 蒸汽
废热排出（冷公用工程）
过程热集成设计的方法
— 夹点技术 Pinch Technology 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：
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
Hierarchy
— 化工过程的分层设计
最常用的化工过程 分层设计模型是左图所 示的洋葱模型，由里到 外逐层细化设计。
过程热集成设计的 对象是换热系统的拓扑 结构和公用工程的规格 配套设计。
化工过程的洋葱模型
Hierarchy
— 化工过程的分层设计
洋葱模型分层 结构的能量关系如 右图所示：热回收 子系统通过内部物 流之间的换热来减 少对外部公用工程 的依赖，提高系统 能效；蒸汽动力子 系统是适用于大量 高温放热过程的可 选项。
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
i
Ai
1 ( i Ti,min
j
qj ) hj
H
Cost Target — 经济目标
能量费用目标
CE CH QH CC QC
夹点
在纵坐标上的
差值代表传热
温差。温差最源自文库
小处称为夹点。
极限情况是夹
QE
点温差为零。
H
夹点的形成 -Pinch Point (3)
对于有限大的传热面积，最小传热温差不能为
零。设定最小传热温差值，就可根据(T-H)图中的
冷、热组合曲 T 线得到系统内
部换热量QE、
冷公用工程量 QC 和热公用工
夹点
程量QH。
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（T-H）图上：
T
Hot Stream
Cold Stream
H
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 量而非绝对值。因此可以将组合曲线水平移动。
冷、热组合曲 T
线在横坐标上
的重叠部分代
表两类流体间 可交换的热量，
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
能量目标就是指以系统能量的最大回收为目标， 即最小热公用工程和最小冷公用工程。 能量目标随夹点温差而变。夹点温差确定后，
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
4.不应有跨越夹点的传热。
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， 计算总焓变，并在温焓图上表示，则可得到总组 合曲线。
T
H
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 布，能更合理地配置公用工程。
换热网络(HEN)设计目标
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。
Aspen Energy Analyzer 入门
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) —— *.hch 文件
基本使用步骤 — 独立应用（1