换热网络合成例题 - 360文档中心

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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
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
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
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。

化工设计竞赛换热网络与热集成(0002)

换热网络与热集成我国国民经济正处于一个高速发展的时期，这就不可避免地出现能源消耗的大幅度上升。

当前我国的能源消费量已超过世界能源消费总量的10%，但是我国的人均能源消费量仅约为世界平均水平的50%，这种情况表明未来我国经济发展所面临的能源问题将更加突出、更加严峻。

为了保证国民经济持续、快速、健康地发展，必须合理、有效地利用能源，不断提高能源利用效率。

在大型过程系统中，存在大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被冷却。

大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多，如不同压力等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等。

为提高能量利用率，节约资源与能源，就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高工艺过程的热力学效率。

热集成网络的分析与合成，本质上是设计一个由热交换器组成的换热网络，使系统中所有需要加热和冷却的物流都达到工艺流程所规定的出口温度，使得基于热集成网络运行费用与换热设备投资费用的系统总费用最小。

1.1 热集成1.1.1 概述进行流程的冷热流股之间的能量匹配设计并构建换热网络。

热集成旨在最大程度的利用流程内部的能量，减少公用工程的消耗，从而减少操作费用，降低生产成本。

通过对流程流股的深入分析，利用Aspen Energy Analyzer 设计换热网络，其主要步骤如下：（1）确定流程中需要换热的冷流股和热流股；（2）利用物流数据做出冷热流股的温焓图和总组合曲线图（GCC）；（3）确定最小传热温差；（4）找出夹点及最小冷、热公用工程用量；（5）构建优化换热网络。

由于跨车间换热对管道伴热要求较高，使用的管道经济投资较大，在换热网络处理中，本设计将原料预处理工段、反应工段、二氧化碳捕集工段和分离提纯工段分别进行换热网络设计。

夹点设计技术原则：（1）流股数目准则夹点以上只能用热公用工程进行加热，所有的热流股都要用冷流股冷却到热夹点温度，夹点以下只能用冷公用工程进行冷却，所有的冷流股都要用热流股加热到冷夹点温度。

化工过程分析与合成第7章换热网络合成1资料

T 初, ℃ 60 180 30 150
T终, ℃ 180 40 105 40
热量Q,kW -360 280 -195 440 165
假设△Tmin为10 ℃，热物流温度：170，30；140，30。
冷物流温度：60，180；30，105。
温度区间：180-170-140-105-60-30
③冷、热物流按各自的始温、终温落入相应的温度区间（注意，热物流的始温、终温应减去最小允许温差△Tmin）。
列温区 1 2 3 4 5 FCP 热流股 (2) (4) 180 150 115 70 40 2.0 4.0 流股与温度 T，℃ 180 170 140 105 60 30 3.0 2.6 冷流股 (1) (3) 10 30 35 45 30 Ti－Ti+1 1 Di 2 Ii 3 Qi 4 5
最大允许热
∑ CPC∑ CPH
3.0 1.0 -3.0 -0.4 -3.4
流量，kW 输入输出
+30 +30 -105 -18 -102
0 -30 -60 +45 +63
-30 -60 +45 +63 +165
4. 若Ｑi为正值，则表示热量从第i个温区向第 i+1个温区，这种温度区间之间的热量传递是可行的。
I i 1 Qi
（ 7－ 5）
Qi 1 I i 1 Di 1 Qi Di 1 （7－6）利用上述关系计算得到的结果列入问题表。
物流号 1 2 3 4
类型冷热冷热
FCp,KW/℃ 3.0 2.0 2.6 4.0
T 初, ℃ 60 180 30 150
T终, ℃ 180 40 105 40

换热网络

T, o C QH,min
Pinch Point
Tmin
该系统所需最小公用工程加热负荷QH,min以及最小公用工程冷却负荷QC,min ；系统最大热回收QR,max ；夹点把系统分隔为夹点上方热端、夹点下方冷端。
QC,min
QREC H
Δ Tmin
1
ΔTmin
QC,min Q1C,min
3. 各流股在不同温度下的比热
4. 现有公用工程（如蒸汽，冷却水等）
的温度及其费用
设计最优（总费用最低）的换热器网络
0 580 100 FCp=1 0
580 1000 FCp=2
流股 C1 C2 H1 类型冷冷热
0
反应器
初始温度 TS(℃) 100 100 600
6000 2000 定义各股物流的流率与热容的乘 FCp=3 积为热容流率FC
2(580-420)=320
80-320=-240
备选方案3
200o
100o 100
o
180o 180
o
580o 580
o
反应器
600o
[3(600－200)]= [2(600－200)] + [1(600－200)] (1＋2)(180－100)=240
方案比较
加热量冷却量加热介质冷却介质换热设备公用工程公用工程加热设备冷却设备 1 320 80 2 1 1 蒸汽水 2 3 320 240 80 0 蒸汽热水水无 2 2 1 2 1 0
目标温度 TT(℃) 580 580 200
p
FCp 1 2 3
△H(MW)
-480 -960 +1200
Utilities 蒸汽, S 热水, HW 冷却水，CW

第七章换热网络合成

❖ (a)全部冷流Ⅱ由加热公用工程加热，全部热流Ⅰ由冷却公用工程冷却，过程中的
❖ 第三阶段，也就是现在所处的阶段，考虑过程系统节能，这是由于八十年代以来过程系统工程学的发展，使人们认识到，要把一个过程工业的工厂设计得能耗最小、费用最小和环境污染最少，就必须把整个系统集成起来作为一个有机结合的整体来看待，达到整体设计最优化。
❖ 因此，九十年代是过程系统节能的时代。夹点技术已成功地应用在2500多个项目中，在世界范围内取得了显著的节能效
果。采用这种技术对新厂设计而言，比传统方法可节能30％～50％，节省投资 10％左右；对老厂改造而言，通常可节能20％～35％，改造投资的回收年限一般只有0.5～3年。
7.4 夹点的形成及其意义
❖ 7.4.1 温-焓图和复合曲线
❖ 温-焓图以温度T为纵轴，以热焓H为横轴。热物流线的走向是从高温向低温，冷物流线的走向是从低温向高温。物流的热量用横坐标两点之间的距离（即焓差H）表示，因此物流线左右平移，并不影响其物流的温位和热量。
7 换热网络合成
7.1 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。对于一个含有换热物流的工艺流程，将其中的换热物流提取出来，就组成了换热网络系统，其中被加热的物流称为冷物流，被冷却的物流称为热物流。
❖ 图7-1所示的乙烯裂解气甲烷化流程，把氢气进料加热到310℃，以便在反应器中进行反应。出反应器的物流先与进反应器的物流换热，以
于曲线 B的斜率；
在 T2到 T3的温区内，有三股热流提供热量，总热量值为(T2-T3)(A＋B＋C)=H2，于是这段复合曲线要改变斜率，即两个端点的纵坐标不变，而在横轴上的距离等于原来三股流在横轴上的距离的叠加。即，在每一个温区的总热量可表示为：

第七章换热网络合成

便回收热量，然后继续冷却，以完成气、液相的分离。
❖ 换热网络的消耗代价来自三个方面：
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，是使这三方面的消耗都为最小值。实际生产装置很难达到这一目标。通常，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。
步骤一划分温区
❖ （1）分别将所有热流和所有冷流的进、出口温度从小到大排列起来：热流体：30，60，150，170 冷流体：20，80，135，140
热流体：30，60，150，170 冷流体：20，80，135，140
（2）计算冷热流体的平均温度，即将热流体温度下降Tmin/2，将冷流体温度上升上Tmin/2
j
式中j为第i温区的物流数
❖ 照此方法，就可形成每个温区的线段，使原来的三条曲线合成一条复合曲线，如图所示。以同样
的方法，也可将多股冷流在温-焓图上合并成一根冷复合曲线。
7.2.4 夹点的形成
❖ 当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将所有的热流合并成一根热复合曲线，所有的冷流合并成一根冷复合曲线，然后将两者一起表示在温-焓图上。在温-焓图上，冷、热复合曲线的相对位置有三种不同的情况，如下图所示。
于曲线 B的斜率；
在 T2到 T3的温区内，有三股热流提供热量，总热量值为(T2-T3)(A＋B＋C)=H2，于是这段复合曲线要改变斜率，即两个端点的纵坐标不变，而在横轴上的距离等于原来三股流在横轴上的距离的叠加。即，在每一个温区的总热量可表示为：
H i FCP (Ti Ti1 )

化工过程分析和合成计算题

冷流股 34
3
45
Qi
0 10 107.5117.5 10
最小加热量为107.5 kW，最小冷却量为40kW，夹点位置在90-70℃.N1 ≤ N3 + N4, FCp1 ≤ FCp3 ,FCp1 ≤ FCp4
Q = 2×(150-90) = 120 kW Q = 2.5×(125-70) = 137.5 kW
例3 既有一五组分碳氢化合物旳混合物，其构成和各组
分旳相对挥发度如下表所示：工艺要求得到高纯度旳单
组分产品，试用有序直观推断法进行分离序列旳综合。
分离易度系数计算公式：CES = f*△，
f = D/W或W/D，f 取接近 1旳数值，△ = (α-1)*100。
序号构成(摩尔分率)
相邻组分相对挥发度原则沸点（ºC）
热流量（kw） 360 275 420 220
[解] 根据所给数据作出问题表格（1）
1
2
3
45
列
温
流股与温度
最大允许
区热流股
T，℃
冷流股 Ti－ ∑CPC- Di
Ii
Qi 热流量，
T1 T2
C1 C2 Ti+1 ∑CPH
kW
170
输入输
出
1
160 150
20
3.5 +70 0 -70 +10 +30
6/3/F/Fmax问题，阐明Johnson规则在特殊旳n/3/F/Fmax问题上旳应用
产品 1
实际加工时间
M1
M2
M3
4
1
3
虚拟二单元加工时间
第一单元ai 第二单元bi
5
4
2

换热器计算例题

壳管式换热器例题（一）确定计算数据用户循环水的供水温度为95℃，回水温度为70℃，外网蒸汽的温度为165℃，蒸汽焓为2763kJ/kg ，饱和水焓为694kJ/kg ，从水水换热器出来的凝结水温取80℃。

（二）计算用户循环水量和外网的蒸汽流量。

用户循环水流量：s kg t t c Q G h g /55.41)7095(41871035.4)(6''=-⨯=-= 外网蒸汽进入热力站的流量：s kg h h Q D n q /79.1)804187102763(1035.4)(36=⨯-⨯⨯=-= （三）热网回水从水水换热器出来进入汽水换热器前的水温t 2()℃7.73)70(418755.4185418779.170)80165(222=-⋅⋅=⋅⋅-⋅⋅=-⋅⋅t t t c G c D （四）汽水换热器的选择计算因为热负荷较大，初步选择N107-3DN650型汽水换热器两台并联。

换热器的主要技术数据如下：管内水流总净断面积为87.9×10-4m 2，管内径为0.02m ，外径为0.025m ，单位长度加热面积7.9 m 2，总管根数/行程数为112/4，最大一排管根数为12根，每纵排平均管数为9根。

1、单台汽水换热器的换热量为：()Mw h h D Q b q 85.12694000276300079.12)(=-=-= 2、汽水换热器的平均温差为：℃80951657.731657.73951221=---=---=∆In t t t t In t t t n n p 3、热网循环水在换热器内的流速可按下式计算：pn f G w ρ=式中p ρ－为换热器内热网水的平均密度，kg/m 3。

s m w m kg t n p pj /4.2969109.872/55.41/9694.8427.739543=⨯⨯===+=-ρ℃该流速在推荐流速范围内。

4、内壁与水的换热系数℃⋅=⨯-⨯+=-+=22.08.022.08.02/1370602.04.2)4.84041.04.84211630()041.0211630(m w d w t t pj pj i α5、外壁与蒸汽的凝结换热系数管外壁温度是未知的，假设管外壁温度比蒸汽饱和温度小30℃，则管外壁温度为：℃℃150216513513530165=+==-=m bm t t []()[]℃./3.5990135165025.09150163.01503.555028)(163.03.555028225.0225.020m w t t md t t bm b w m m =-⨯⨯-⨯+=--+=α6、传热系数℃⋅=+++=+++=20/8.25643.5990130003.0500025.01370611111m w K wg wg g g i αλδλδα 7、验算假定℃3.343.5990808.25640'=⨯=∆=-αpb bm t K t t 相差较大，重新计算，假设相差34℃。

(自由练习作业)河北科技大学化工系统工程-课程作业

课程作业一：换热网络设计设计一个换热网络，该系统包含的工艺物流为3个热物流和3和冷物流，物流数据如下表所示，规定最小的允许传热温差为20℃。

假设热交换过程无相变，无热损失。

要求按照公用工程最省的原则设计出换热网络，并计算换热面积。

课程作业二：换热网络设计设计一个换热网络，该系统包含的工艺物流为3个热物流和3和冷物流，物流数据如下表所示，规定最小的允许传热温差为30℃。

假设热交换过程无相变，无热损失。

要求按照公用工程最省的原则设计出换热网络，并计算换热面积。

课程作业三：流程模拟策略由氯气和乙烯制二氯乙烯的流程见下图。

已知氯气（含96%氯、4%不凝性惰性气体）和乙烯的进料流量均为80kmol/h，设无副反应，乙烯的反应转化率为90%，分离塔为锐分离器，分割比u（放空分率）为5%，不考虑温度和压力的影响。

分别用序贯模块法和联立方程法求系统中所有流股的状态（包括流量、各组分的摩尔分率）。

8课程作业四：ASPEN模拟模拟二氯二甲烷（DEC）催化裂解制氯乙烯（VCM）的反应工艺，流程图如下：70 F390 psi 10 deg F subcooling已知条件：反应式为 CH2CL-CH2CL ——HCL + CHCL=CH2；CH2CL-CH2CL转化率=0.55；计算方法： RK-SOAVE；原料二氯二甲烷的进料量、温度和压力以及反应器、冷凝器、泵的操作条件在流程图中已给出，下面给出精流塔COL1、COL2的操作条件：COL1：塔板数15 stages、回流比RR=1.082、D:F=0.354、进料板:tray 7、压力为367 psiCOL2：塔板数10 stages、回流比RR=0.969、D:F=0.550、进料板:tray 6、压力为115 psi要求：1．由上述已知条件建立一个流程模块并给出下列结果：（保存为aspen-1.bkp）反应器(REACTER)热负荷：冷却器(QUENCH)热负荷：冷却器(QUENCH)出口温度：COL2塔顶冷凝器和塔底再沸器热负荷：在产品中VCM的浓度：2．在反应器中DEC的转化率在0.50-0.55之间变化，做一个灵敏度分析，被调节变量为反应器的热负荷和冷却器的热负荷。

热交换网络的合成1、复合曲线法(CompositeCurves)

在流程内建立热交换网络的根本目的：
减少流程对外界热源和冷源的需求，尽量使用流程内部的冷热流股互相搭配，以达到节约能源的目的。
但会相应增加换热器投资。
热交换网络的合成方法，早在20世纪70年代，Ponton和Nishia曾提出试探法，80年代末英国人（UMIST）Linnhoff又发明了窄点法，以后随着计算机应用的迅速发展，人工智能技术也被应用到热交换网络合成领域，如专家系统、神经网络模型等。
热容流率 CP（MW／℃） 0.2 0.3 0.25 0.15
解：
先在温度－热焓坐标图上画出两条热流股的复合曲线。
流股
1 2 3 4
其温度区间范围：40℃ → 80 ℃ → 200 ℃ → 250 ℃ 热流4 热流3＋热流4 热流4
斜率1/0.15 斜率1/0.4 斜率1/0.15
类型冷
进口温度 Ti(℃)
令FCp＝CP（称为热容流率）则：
该直线的斜率为：1/CP
△H
2、多个流股的温度－热焓复合曲线（折线）图例如：A冷流股，热容流率CPA，温度从T5→T2 B冷流股，热容流率CPB，温度从T3→T1 C冷流股，热容流率CPC，温度从T4→T2
T
T1
T2 T3
A
T4 T5
B C
H
T
T
T1
T2 T3
热流股窄点温度＝150℃＋ △Tmin/2＝160℃（热窄点温度）
冷流股窄点温度＝150℃－ △Tmin/2＝140℃ （冷窄点温度）
2、问题列表法（The problem table algorithm ）
流股 1 2 3 4
类型冷冷热热
Ti(℃) 20 140 200 250

换热网络.ppt

第四章换热网络
• 第一节换热网络合成的基本问题 • 第二节夹点技术基础 • 第三节夹点设计
第四章
第一节换热网络合成的基本问题
一、换热网络的合成
• 换热器网络的最优合成，就是要合成出一定意义上最优的，并满足把过程的每个物流由初始温度加热或冷却到目标温度的换热器网络。
给定的条件
1. 一些需要加热的物流和一些需要冷却的物流
H1 240 960 1200
Heat into 480 960
H1
H2
C1
100
C2
60
C3
60
200
C4
C5
300
CU1
175
H3
H4
H5
HU1
300
200
50
125
150
400
100
100
200
方案3的改进
FCp=3 H1
600
FCp=1 C1
100
Q=480 580
FCp=2
C2
100
220
Q=240
580 Q=720
122000
220400
200
检验可行性：是否满足最小温差20度
第四章
第二节夹点技术的基础理论
换热网络的设计步骤
（1）选择过程物流以及所要采用的公用工程加热、冷却物流的等级；
（2）确定适宜的物流间匹配换热的最小允许传热温差以及公用工程加热与冷却负荷；
（3）综合出一组候选的换热网络；（4）对上述网络进行调优，得出适宜的方案；（5）对换热设备进行详细设计，得出工程网络；（6）对工程网络作模拟计算，进行技术经济评价
和系统操作性分析。如对结果不满意，返回第（2）步，重复上述步骤，直至满意；

化工过程分析与合成换热网络

1 夹点处物流间匹配换热的可行性规则
夹点匹配：指冷、热物流同时有一端直接与夹点相通，即同一端具有夹点匹配
非夹点匹配
（1）夹点匹配可行性规则1： ① 对于夹点上方，热工艺物流（包括其分支物流）的数目NH不大于冷工艺物流（包括其分支物流）数目NF，即：
N H NC
目标
° 温度
oc
热负荷 kW Q 180.0 240.0 262.5 225.0
标号
流率
kW/ oc FP
温度
oc
Ts 150 90 20 25
Tt 60 60 125 100
H1 H2 C1 C2
2.0 8.0 2.5 3.0
（1）热端的设计
分析：
◆ 流股数符合可行性规则1：
NH <NF
(热流股数 1，小于冷流股数2)
24
说明：该规则保证了夹点匹配中的传热温差不小于允许的最
小传热温差Tmin 。离开夹点后，由于物流间的传热温差都增大了，所以不一定遵循该规则。
由夹点上下，可行性原则也可归并（夹点一侧）：
N流出 N流入 FCp流出 FCp流入
如果流股间的各种匹配组合均不能满足上式，则需利用流股分割来改变流股的FCp值
夹点处设计过程：
（b）狭点之下
[例] 一换热系统，包含的工艺流股为两个热物流和两个冷物流，
给定的数据见下表，指定热、冷物流间允许的最小传热温差 △Tmin=20℃。现设计一换热器网络，进行物流匹配。
物流标号
热容流率 kW/ oC FP
初始温度
oC
目标温度
oC
热负荷 kW Q
Ts
Tt
H1
H2 C1 C2

化工原理换热习题答案

化工原理换热习题答案化工原理换热习题答案换热是化工过程中非常重要的一环，通过换热可以实现能量的传递和转化。

在实际的工程应用中，我们常常会遇到一些与换热相关的习题。

本文将为大家提供一些常见的换热习题答案，希望能够帮助读者更好地理解和应用换热原理。

一、传热方式的选择1. 问题描述：在某个化工过程中，需要将高温的流体A与低温的流体B进行换热。

根据实际的工艺要求，我们需要选择一种合适的传热方式。

请问，在以下几种传热方式中，应该选择哪一种？(1) 对流传热(2) 辐射传热(3) 导热传热答案解析：根据问题描述，我们需要将高温的流体A与低温的流体B进行换热。

在这种情况下，我们通常会选择对流传热。

对流传热是通过流体的运动来实现能量的传递，可以快速有效地完成换热过程。

辐射传热主要依靠物体表面的热辐射来传递能量，适用于高温物体的换热。

导热传热则是通过物体内部的热传导来实现能量的传递，适用于固体材料的换热。

在这个问题中，由于我们需要将两种流体进行换热，因此对流传热是最合适的选择。

二、换热器的热效率计算2. 问题描述：某个换热器的进口温度为150℃，出口温度为70℃，冷却介质的进口温度为20℃，出口温度为40℃。

请问该换热器的热效率是多少？答案解析：热效率是指换热器中传递的热量与输入的热量之比。

根据题目中的信息，我们可以计算出热量的传递量和输入量。

热量的传递量可以通过计算两种流体的热量差来获得，即：热量的传递量 = 热量的输入量 - 热量的输出量热量的输入量 = 进口流体A的热量 - 出口流体A的热量热量的输出量 = 进口流体B的热量 - 出口流体B的热量进口流体A的热量 = 流体A的质量流量× 流体A的比热容× (进口温度 - 出口温度)进口流体B的热量 = 流体B的质量流量× 流体B的比热容× (进口温度 - 出口温度)根据以上公式，我们可以计算出热量的传递量和输入量。

然后，将热量的传递量除以热量的输入量，即可得到换热器的热效率。

夹点温度合成换热网络的理解

)(s t p T T Wc Q H -==∆利用夹点温度合成换热网络摘要：化工生产中存在着大量的需要换热的工段，有些需要加热，有些需要冷却或冷凝。

如果能够合理地设计好换热网络系统，就可以最大限度地减少公共供热或供冷，而且还可能减少设备投资，达到节能的目的。

夹点技术（Pinch Technology ）是合成换热网络常用的综合设计技术。

利用该技术设计合成公共供热或供冷最小的换热网络，在降低能耗，减少投资，保护环境等方面成效显着。

关键词：夹点技术、夹点的确定及意义、换热网络合成1.夹点技术夹点技术是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统的用能“瓶颈”所在，并给以“解瓶颈”的一种方法。

夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收。

用夹点技术设计合成的换热网络，可推广应用于整个过程系统的能量分析与调优。

目前，夹点技术在实际中应用广泛，取得较好的成效。

我国高校，设计部也已将夹点分析方法用于原油预热系统的节能改造，取得满意效果。

1.1温焓图用温焓图（T-H 图）能够简单明了地描述过程系统中换热网络中物流的热特性。

在温焓图上可以用一段线段或曲线描述物流的换热过程。

例如，当某一工艺物流从供应温度Ts加热或冷却到目标温度Tt,其所需的热量或冷量（该过程的焓差）为式中，W 为质量流率kg/h;Cp 为比热容,kJ/kg.K;由此，就可在温焓图中画出表示物流温度及热量的变化的直线。

若Q 为负值，表示物流被冷却，需要冷量，在图中的直线为有一条箭头指向左下方的直线；若Q 为正值，表示物流被加热，需要热量，在图中的直线为有一条箭头指向右上方的直线。

若为一水平线，则表示为饱和物质流体的焓变，过程中温度保持不变。

若为曲线，则表示为多组分物质流体的热量变化。

1.2组合曲线在一个过程系统中，会有多股热物流和冷物流，在研究过程中，常常把多股物流在温焓图中有机结合在一起，同时考虑冷热物流的匹配换热问题，这样才更有意义。

换热习题

πd 外 l ⋅ N = π × 0.025 × 4 × 272 = 85.4m 2 Q A需 = K∆ t m
Q = qm1r = qm2cp2 (t2 − t1 )
水 φ25×2.5mm,l=4m， N=272 根,m=4, D=700mm
T=40℃
四管程列管式
∆t 2 − ∆t 1 ∆t 2 ln ∆t 1 t1 − t 2 = 5.77°C T − t2 ln T − t1
q 快速分析：快速分析：m1
↑⇒ α1 ↑, K ↑, Q ↑⇒ t 2 ↑, T2 ↑⇒ ∆t m不定
t 2 − t1 εc = ↑ ∴ t2 ↑ T1 − t 1
∴ T2 ↑
Q↑
练习1 无相变的冷、练习无相变的冷、热流体在套管式换热器中进行换热，在套管式换热器中进行换热，今若冷流体的进口温度冷流体的进口温度t 今若冷流体的进口温度 1下而其它操作参数不变，降，而其它操作参数不变，试定性分析K、、试定性分析、 Q、 t2 、 T2 、的变化趋势。 ∆tm的变化趋势。
290.0 × 103 = = 68.0m 2 739.6 × 5.77
r=1099kJ/kg
t2=36℃ t1 =32℃ 水 φ25×2.5mm,l=4m， N=272 根,m=4, D=700mm T=40℃
A实 = 85.4m
2
∴ A需 < A实
换热面积够用
四管程列管式
例3：无相变的冷、热流体在套管式换热器中进行换热，今：无相变的冷、热流体在套管式换热器中进行换热，热流体的质量流量增大，而其它操作参数不变，若热流体的质量流量增大，而其它操作参数不变，试定性分的变化趋势。析K、Q、t2、T2、∆tm的变化趋势。、、

化工过程分析与合成-4-2017-换热网络--

Tmin
(FCp)H(FCp)C
Tmin (FCp)H(FCp)C
（5）换热网络夹点设计方法
3. 流股勾销原则
规则：为了实现换热器数目最小，流股之间的换热器应该足够大，使得至少一个流股达到其目标温度。
（5）换热网络夹点设计方法
4. 流股的分支（分叉）
规则：为实现设定目标：
夹点之上：SHSC 夹点之下：SHSC 否则将违反推理1
-27
H1
250
40
31.5
H2
200
80
30
FCp (MW/C)
0.2 0.3 0.15 0.25
C1-C2的复合曲线：
T (C) 230
180
FCp=0.3
140 FCp=0.2
T (C) FCp=0.3
FCp=0.5 FCp=0.2
C2 C1-C2的复合流股
C1
20
32
27
H (MW)
24
得温度-热量呈直线关系冷流股
热流股
T
H
（2）复合图（composite curves）
1. 由热-温图表示的热量回收原理
T：取绝对坐标 H：取相对坐标（即热量Q）
T (C) 150
100
FCp=0.1
Tmin=20ºC
FCp=0.2
流股
C1 H1
温度 (C)
初始 TS 目标 TT
30
100
7.5 H
T (C) 230
180 140
FCp=0.2
FCp=0.3
20
32
27
59
T (C) 250
200 FCp=0.15

换热网络合成[学习内容]

特选内容
7
• 出现物流混合和分解时，物流的选取就更加复杂。
• 图a：两股起始温度不同的物流A、B，混合为C后被加热到共同的目标温度。
• 实际的工艺流程通常为图b的形式，这种方式是否合理就要看物流混合时的温度的变化是否跨越了夹点。
特选内容
8
• 设A、B混合后的温度为60℃，夹点温度为 100℃，则可以按的图b的方式直接混合，然后看作只有一股物流C参与匹配。
• 利用夹点方法，很容易计算出最小能耗目标，并找到最好的匹配方案，问题是，改进后的方案与对原来的流程改动程度有多大。
• 显然，在各种改进方案中，应该选取那些最能充分利用原有设备管线的方案，即和原有流程具有最大兼容性的方案（Linnhoff）
特选内容
14
• 图a为一个换热网络的原有匹配流程，其中热公用工程消耗为196kW，冷公用工程消耗为 175.3kW。
特选内容
12
• 实际工艺流程中可能采用图b、c所示的两种不同方式
• 图b，系统被看作两条物流
• 图c，则系统中有一条物流参与了匹配，节省了一台换热器，但旁路物流D、E的混合构成了物流混合问题，需慎重对待
特选内容
13
7.6.3老厂改造
• 老厂改造项目多是节能改造。在做换热网络设计时，不仅要考虑节省能量，还要考虑原有设备的利用，因为这涉及到装置的投资费用。
• 第二种方法提供了网络设计的自由度，但实际
上，要求常温储存的物料并不是必须在25℃，
因此将25℃作为指定温度又限制了网络的设计。
特选内容
6
• 第三种方法最大限度地提供了自由设计空间，有可能找到更好的换热方案。
• 因此，在选取物流时，应尽量避免过细地将物流拆开，当物流中间有指定温度时，应当分析一下该温度是否可以调整。

化工过程分析与综合习题答案

ω5
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
ω1
x1 ω2
x2 ω3
x3 ω4
x4 x5
t
p
s
局部度为 1：x1，t，p，s （2）消去 x1，t，s，F2, F4, F7 F1 F3 F5 F6
ω1
ω2
x2 ω3
x3 ω4
x4 x5 p
局部度为 1：ω1 ，x3 ，x4 ，x5 （3）消去ω1 ，x3 ， F3 F5
ω2
x2
ω3
ω4
x4
x5
p
局部度为 1：ω2 ，ω4 （4）消去ω2 ，ω4 x2 ，ω3，x4 ，x5，p 求解顺序如下： ω4 ω3 F5 F6 F3 局部度均为 0，选为设计变量。
X4
F4
t
F1
ω1
F2
X1
F7 3-6
S
描述过程系统的独立方程有：物料平衡：V1y1i= V2y2i+ L2x2i F1（V1，V2，L2，y1i，y2i，x2i）=0 V1= V2+ L2 F2（V1，V2，L2）=0 能量平衡：V1H1= V2H2+ L2H3+Qc F3（V1，V2，L2，Qc，T1，P1，T2，P2）=0 相平衡：y2i=kx2i F4（y2i，x2i,T2，P2）=0 （1）该系统的双图层为： F1 F2 F3 F4
d= c+N+M+15 2-5 2-6 2-7 简捷算法：Reflex Ratio：-1.3 Light Key：Methanol 0.95 Heavy Key：Ethanol 0.1585 Pressure：Condenser：1.9 公斤 Reboiler：1.8 公斤最小回流比为：3.529 实际回流比：4.588 最小理论板数：14.47 实际板数：26.18 进料板：10.47 逐板计算：27 块塔板，11 板进料，塔顶采出：31.67kmol/hr，回流比：4.6

换热器网络的综合

第六章换热器网络的综合换热器网络的综合的目标是，在公用工程用量最少的前提下，寻找设备投资最少（即换热单元数最少）。

实际上，这个目标很难同时满足，在实际进行网络设计时，一般是先找出最小公用工程消耗，然后再采取一定方法，减少换热单元数。

6.1 热力学最小传热面积网络的综合根据有效能分析，在T-H图上合理分配传热温差及热负荷，实现冷热流体的逆流分配，得到满足要求的热力学最小面积网络。

具体步骤：①搜集物流数据：流量、温度、比热容、汽化热等；②构造冷、热物流的组合曲线；③调整冷热物流的组合曲线，使得最小传热温差不小于指定值；④划分温度间隔区间，进行物流匹配。

具体作法说明：例如，一换热器系统，包含两个热物流H1、H2和一个冷物流C1，经上述步骤一、二、三后，在T-H图上得到的结果如图6-1所示。

线段AE、FD、GH分别表示物流H2、H1、C1，热物流的组合曲线为ABCD，物流间的最大换热量为Q R，所需的最小公用工程冷却负荷为Q C,min，所需的最小公共工程加热负荷为Q H,min。

图6-1 确定物流间的最大换热量按照第四步，进行组合曲线区间的分割，由热物流组合曲线的折点B和C，分别引垂线交冷物流线段GH于点I和P，则表面冷物流C1的IP段要同热物流H1的CF线段进行匹配热物流H2的BE部分匹配换热，为此，要把冷物流的IP段要分解为两股物流，分割结果见图6-2。

图6-2 分割区间确定匹配关系图6-3 对应图6-2的换热网络换热网络合成的研究（1）Hohmann的开创性工作。

提出了换热网络最少换热单元数的计算公式，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，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的工作从热力学的角度出发，划分温度区间和进行热平衡计算，这样可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）。