化工系统-第5章换热网络综合
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。
换热器网络的综合
换热器网络综合：确定具有最小设备投资，最小操作费用，能达
到过程要求的换热器网络结构。
具有可控性、稳定性和可操作性。
方法：
夹点设计法
有效能法
温度间隔法
热力学温差贡献法
数学规划法
5.2 夹点设计法
夹点设计法的基本原则： (1) 应该避免有热流量通过夹点； (2) 夹点上方避免引入公用工程冷却物流； (3) 夹点下方避免引入公用工程加热物流 。
夹点设计法的要点： （1）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分别处理。 （2）热端和冷端都先从夹点开始设计，遵循夹点匹配可行
性规则及经验规则。
（3）离开夹点后，采用经验规则，但传热温差约束紧张时 还应遵循可行性规则。
（4）考虑换热系统的操作性、安全性，以及生产工艺上特 殊要求等。
违背以上三条，就会增大公用工程负荷及相应的设 备投资。
5.2.1 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同，即同 一端具有夹点处的温度。
夹点匹配 非夹点规则： 规则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NC，即：
5.2.2 物流间匹配换热的经验规则
经验规则1 每个换热器的热负荷应等于该换热器冷热物流匹配 中热负荷较小者，以保证经过一次换热，既可以使一个物流达 到规定的目标温度,以减少所用换热设备的数量。
经验规则2 应尽量选择热容量流率相近的冷、热流体进行匹配换 热，使得换热器在结构上相对合理，且在相同的热负荷及相同的 有效能损失下，其传热温差最大。
NH NC
H1
3
H2
1
H3
2
C4
化工系统-第5章换热网络综合
T0 T0 Q Q TL TH T0 W j c j (T je T ji ) T0 Wk ck (Tki Tk e ) T je T ji Tki Tke Tki T je ln ln Tke T ji Tki T0 [W j c j l n Wk ck l n ] Tj i Tk e
CPH ≥ CPC
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。
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夹点之上：
（a）可行的夹点匹配
（b）不可行的夹点匹配
CPH CPC
2015/9/1 化工过程分析与合成
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化工过程分析与合成
9
（2）热力学最小传热面积网络的综合 理论依据： 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 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。
损失，冷、热物流热容流率相等情况下比不等情况
下推动力大。 （2）采用经验规则时，经验规则1优于规则2； （3）经验规则对离开夹点的其余物流匹配换热也是 合适的。
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化工过程分析与合成
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夹点设计法的要点
（1）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分
别处理。
（2）热端和冷端都先从夹点开始设计，遵循夹点 匹配可行性规则及经验规则。 （3）离开夹点后，采用经验规则，但传热温差约 束紧张时还应遵循可行性规则。
换热网络的综合、优化
换热网络的综合,优化
上海理工大学 关欣
研究换热网络综合,优化的意义
换热器网络是石油化工,能源动力,低温工程等领域广泛 应用的工艺环节,其设计的合理性和高效性直接关系到工 业系统的整体性能.而换热器网络的综合和优化即是要充 分利用工艺物流的能量,尽量减少公用设施费用,使系统 总投资费用最小.实践表明,通过对已有换热器网络的优 化和改造以及对新型换热器网络的综合和优化,都可以显 著地提高能量利用效率,达到节能高效的目的,且产生的 经济效益是十分可观的.例如,ICI公司应用窄点法对已 有换热器网络进行优化和调整以后,不但节省了设备投资, 而且仅燃料费用一项每年就节约120万美元,获得了相当 可观的效果[1];我国在这方面的成功经验也很多,例如, 清华大学化工系统工程教研室在上世纪八十年代,通过对 炼厂原油预热网络的优化改造,使得加热炉负荷降低40%, 年经济效益达140万元[2].因此,近几十年来,换热器网 络的综合和优化技术得到了迅速的发展,并且已经成为过 程系统综合的一个重要分支.
化工过程分析与综合习题答案
T
T
H
纯组分 4-4 什么是过程系统的夹点？ 过程系统中传热温差最小的地方或热通量为 0 的地方。 4-5 如何准确的确定过程的夹点位置？ 混合物
H
有两种方法： 1.采用单一的△Tmin 确定夹点位置。 (1)收集过程系统中冷热物流数据。 并得到 QH,min 及 QC,min。 (2)选择一△Tmin 用问题表格法确定夹点位置， (3)修正△Tmin，直至 QH,min 及 QC,min 与现有的冷、热公用工程负荷相 符，则得到该过程系统夹点的位置。 2．采用现场过程中各物流间匹配换热的实际传热温差进行计算。 (1)按现场数据推算各冷、热物流对传热温差的贡献值。 (2)确定各物流的虚拟温度。 因为在计算中采 (3)按问题表格法进行夹点计算， 注意△Tmin 为 0， 用虚拟温度，已经考虑了各物流间的传热温差值。 4-6 如何合理的设计过程的夹点位置？ 设计合理的夹点位置， 可以改进各物流间匹配换热的传热温差以及优 化物流工艺参数，得到合理的过程系统中热流量沿温度的分布，从而 减小公用工程负荷，达到节能的目的。确定各物流适宜的传热温差贡 献值，从而改善夹点。 具有一个热阱（或热源）和多个热源（或热阱） ，满足： i— 第 i 台换热器。 多个热源与多个热阱匹配换热：
3-1
8 6 5 1 3 4 7 2 16 15 17
13 11 12
14
10
9
3-2 2 4 5 12
1 11 6 7
3
8
9
10 3-3 1.单元串搜索法 （1）1,2,3,4,3---合并 3,4---1,2， （3,4）
（2）1,2， （3,4） ，6,5,2---合并 2,3,4,5,6---1， （2， （3）1， （2，
换热网络的综合、优化
(utility grand composite curve)
传热过程的有效能分析
换热网络的调优
最少换热设备个数和热负荷回路
热负荷回路的断开 1 基本回路断开方式
2 补充回路断开方式
3 热负荷路径及能量松弛
换热网络的综合、优化
上海理工大学 关欣
研究换热网络综合、优化的意义
• 换热器网络是石油化工、能源动力、低温工程等领域广泛 应用的工艺环节，其设计的合理性和高效性直接关系到工 业系统的整体性能。而换热器网络的综合和优化即是要充 分利用工艺物流的能量，尽量减少公用设施费用，使系统 总投资费用最小。实践表明，通过对已有换热器网络的优 化和改造以及对新型换热器网络的综合和优化，都可以显 著地提高能量利用效率，达到节能高效的目的，且产生的 经济效益是十分可观的。例如，ICI公司应用窄点法对已 有换热器网络进行优化和调整以后，不但节省了设备投资， 而且仅燃料费用一项每年就节约120万美元，获得了相当 可观的效果[1]；我国在这方面的成功经验也很多，例如， 清华大学化工系统工程教研室在上世纪八十年代，通过对 炼厂原油预热网络的优化改造，使得加热炉负荷降低40%， 年经济效益达140万元[2]。因此，近几十年来，换热器网 络的综合和优化技术得到了迅速的发展，并且已经成为过 程系统综合的一个重要分支。
国内，针对换热器网络综合与优化的研究基本集中于高校内的研究工作。大连 理工大学姚平经教授在窄点技术法和数学规划法方面取得一定早期成果[13,14]， 并针对其不足之处提出和发展了先进的网络优化方法，例如，建立了三温差 MILP转运模型及其设计方法[15,16]等；华南理工大学华贲教授将人工智能和数 学规划[17]有机地结合起来应用于换热器网络的优化，建立了大规模网络的超 结构模型[18]，且充分考虑了换热器网络弹性设计问题[19]；清华大学肖云汉教 授、朱明善教授和王补宣教授在国内很早提出换热器网络综合和优化的重要性， 在该方面也作了大量有意义的研究[20,21]。 但总的看来，无论是窄点技术法还是数学规划法，到目前为止大都还是一种多 目标分步优化方法，很难一次得到网络的整体最优解。因而有必要对换热器网 络的综合与优化做进一步器网络的窄点法．新疆化工，1994，(1)：24-38. [2]肖云汉，朱明善，王补宣．换热网络的同步综合设计．化工学报，1993，(6)：635-643. [3] Linnhoff B, Flower J R. Synthesis of Heat Exchanger Networks: Systematic Generation of Energy Optimal Networks. AICHE Journal, 1978, 24(4): 633-654. [4]Trividi K K, et al. A New Dual-Temperature Design Method for the Synthesis of Heat Exchanger Networks. Comput Chem Eng, 1989, 16: 667-685. [5] Fraser D M. The Use of Minimum Flux instead of Minimum Approach Temperature as A Design Specification for Heat Exchanger Networks. Chem Eng Sci, 1989, 44: 1121-1127. [6] Cenda J, Westerberg A W, Mason D, Linnhoff B. Minimum Utility Usage in Heat Exchanger Networks Synthesis. Chem Eng Sci, 1983, 38: 373-387. [7]Papoulias S A, Grossman I E. A Structural Optimization Approach in Process Synthesis (II): Heat Recovery Network. Comput Chem Eng, 1983, 7(6): 707-721. [8]Floudas C A, Ciric A R, Grossman I E. Automatic Synthesis of Optimum Heat Exchanger Networks Configuration. AICHE. J, 1986, 32: 276-290. [9]Floudas C A, Ciric A R. Strategies for Overcoming Uncertainties in Heat Exchanger Network Synthesis. Comput Chem Eng, 1989, 13: 1133-1152. [10] Yee T F, Grossmann I E, Kravanja I. Computer Chem Eng, 1990, 14: 1151-1164. [11]Ciric A R, Floudas C A. Heat Exchanger Network Synthesis Without Decomposition. Comput Chem Eng, [J], 1991, 15: 385-396. [12] Yee T F, Grossmann I E. Simultaneous Optimization Models for Heat Integration (I)：Area and Energy Targeting and Modeling of Multi-stream Exchangers. Comput Chem Eng, 1990, 14(10): 1151-1164. [13] 詹士平，姚平经，袁一． 用转运问题求解换热器网络的最小公用设施费用． 化学工程，1989，17(5)：17-27. [14] 尹洪超，周东浩，崔峨．夹点技术与换热网络综合调优方法．节能，1994(5): 11-13. [15] 王莉，姚平经，袁一．换热器网络的新设计方法．化学工程，1995，23(1)：25-30. [16] 尹洪超，袁一，王晓云，施光艳．换热器网络非等温混合目标同步最优综合．大连理工大学学报，1995，35(5)：639-643. [17] 李志红，尹清华，华贲．换热网络最优合成研究的进展与展望．炼油设计，1997(3)：5-10. [18] 李志红，华贲，尹清华，何耀华． 人工智能与数学规划的集成用于换热网络最优合成设计的研究． 石油化工，1998(9)：660668. [19] 李志红，华贲．换热网络弹性分析的研究和应用．石油炼制与化工，1995(8)：11-14. [20] 肖云汉，朱明善，王补宣．换热网络设计方法的研究进展．化工进展，1994(1)： 1-8. [21] 朱明善，肖云汉，王补宣．换热网络的一种新的自动设计方法．石油炼制，1993(12)：46-52.
化工过程分析与合成第5章-6
（2）最小公用工程加热量 （3）最小公用工程冷却量
Q H min = 107.5 kW Q C min = 40 kW
（1）热端的设计
物流数据 T min=20oC
分析： ◆ 流股数符合规则1： NH <NC
(热流股数 1，小于冷流股数2) ◆ 热容流率符合规则2： CPH<CPC
(热流股热容流率2.0, 冷流股热容流率 2.5、3.0) ◆ 按经验规则，应使热流股1与冷流股1匹配。
-55.0
-55.0
-67.5
热量 kW 外界输入最小热量
Ik 107.5
Qk 117.5
117.5 105.0
105.0
0
0
135.0
135.0
52.5
52.5
40.0
热端 夹点 冷端
0 kw SN1
10 kw SN2
-2.50 kw SN3
-107.50 kw
SN4 27.5 kw
SN5 -55 kw
SN6 -67.5 kw
a 未加公用设施加热负荷
热端 夹点
QH min=107.5 kw SN1
117.50 kw SN2
105 kw SN3
0 kw
SN4 135 kw
冷端
SN5 52.5 kw
SN6 QC min=40 kw
b 加入公用设施加热负荷
得到如下信息：
（1）夹点处，热物流温度在90oC、冷物流温度70oC。
SN3
70 90
SN4
40 60
SN5
25
SN6
20
子网络 序号
SN1 SN2 SN3 SN4 SN5 SN6
换热网络
换热网络集成1.分工段换热网络集成（1）异构化反应工段①物流信息提取Aspen plus 流程模拟提示“no error and warning”,通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。
异构化反应工段物流提取信息见表1所示，热量回收及公用工程信息见表2所示。
表1 异构化反应工段物流提取信息物流名称类型入口温度（℃）出口温度（℃）热容流率（kj/℃·h）焓值（kj/h）流量（kg/h）异构化反应前20.0 140.0 1.575E067.057E06 8709 140.0 260.0 1.979E06260.0 380.0 2.326E06异构化反应后400.0 221.1 2.305E046.728E06 8709221.1 78.0 1.821E04表2 异构化反应工段热量回收及公用工程信息物流名称类型入口温度（℃）出口温度（℃）目标负荷（kj/h）目标流量（kg/h）生产高压蒸汽249.0 250.0 0 0高温炉气加热500.0 250.0 3．288E05 1315.02 空冷30.00 35.00 0 0②能量分析设定最小传热温差为10℃，利用Aspen HX-net 对能量进行分析，温焓图如图1所示，总组合曲线如图2所示。
图1异构化反应工段温焓图图2异构化反应工段总组合曲线图通过软件的计算，系统无夹点，所需热公用工程用量为6.406E05 KJ/H，冷公用工程用量为0。
③物流匹配本工段反应起始温度较高，需要加热量较大，为了更好的利用反应后气体温度，同时换热网络集成考虑了再生空气的换热，以及高温反应后气体的余热回收。
综合考虑工艺可行性、匹配原则、热量回收等原则，设计出异构化反应工段换热网络，如图3所示。
图3异构化反应工段换热网络（二） MTBE合成工段①物流信息提取Aspen plus 流程模拟提示“no error and warning”,通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。
化工设计竞赛5、能量集成及换热网络设计
表6-1有无热泵技术对比表
项目
无热泵技术
热泵技术
塔顶冷凝能耗（kW）
28285.43
1913.22
塔底再沸能耗（kW）
30529.69
336.32
总能耗（kW）
58815.12
166.551
由上表可知，考虑压缩机做功和冷却器能耗，热泵技术比无热泵技术节省热泵技术节省冷耗98.8%，节省热耗93.7%，总的节约能耗为96.17的炼厂干气为原料，经分离提纯得到高纯度的乙烯，将其通过与氧气、醋酸反应转化成附加值高、需求量大的产品醋酸乙烯酯。该项目采用国外先进的乙烯气相氧化法路线，传统的乙烯法路线主要有Bayer法和USI法，两者都采用气相固定床工艺，技术流程也很相似，它们的区别在Bayer法催化剂以Pd-Au为主体，硅胶为催化剂载体，反应压力为0.5~1.1MPa；而USI法催化剂以Pd-Pt为主体，采用α-Al2O3为载体，反应压力为常压。由于Bayer法具有醋酸单程转化率高、催化剂活性高、选择性好等优点，目前工业生产中大部分采用Bayer法。
12.81
-20
5173.86
0304 To 0305
E0304
62.25
165
13968.84
0309 To 0310
E0305
170
10
26061.89
0316 To 0317
E0302
19.09
70
4452.62
0324 To 0326
E0308
17.24
120
398.83
0336 To 0337
过程流股
加热器/换热器名称
进口温度/℃
出口温度/℃
换热网络
换热网络集成1.分工段换热网络集成（1）异构化反应工段①物流信息提取Aspen plus 流程模拟提示“no error and warning”,通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。
异构化反应工段物流提取信息见表1所示，热量回收及公用工程信息见表2所示。
表1 异构化反应工段物流提取信息物流名称类型入口温度（℃）出口温度（℃）热容流率（kj/℃·h）焓值（kj/h）流量（kg/h）异构化反应前20.0 140.0 1.575E067.057E06 8709 140.0 260.0 1.979E06260.0 380.0 2.326E06异构化反应后400.0 221.1 2.305E046.728E06 8709221.1 78.0 1.821E04表2 异构化反应工段热量回收及公用工程信息物流名称类型入口温度（℃）出口温度（℃）目标负荷（kj/h）目标流量（kg/h）生产高压蒸汽249.0 250.0 0 0高温炉气加热500.0 250.0 3．288E05 1315.02 空冷30.00 35.00 0 0②能量分析设定最小传热温差为10℃，利用Aspen HX-net 对能量进行分析，温焓图如图1所示，总组合曲线如图2所示。
图1异构化反应工段温焓图图2异构化反应工段总组合曲线图通过软件的计算，系统无夹点，所需热公用工程用量为6.406E05 KJ/H，冷公用工程用量为0。
③物流匹配本工段反应起始温度较高，需要加热量较大，为了更好的利用反应后气体温度，同时换热网络集成考虑了再生空气的换热，以及高温反应后气体的余热回收。
综合考虑工艺可行性、匹配原则、热量回收等原则，设计出异构化反应工段换热网络，如图3所示。
图3异构化反应工段换热网络（二） MTBE合成工段①物流信息提取Aspen plus 流程模拟提示“no error and warning”,通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。
2006化工系统综合与优化5-系统综合2
H 2SO4
SO3H 3NaOH
ONa CO2
H 2O
OH
反应步a)
反应步b)
反应步c)
H 2O
H 2O Na2SO3
图2 开放型反应路径
NaHCO3
-6-
清华大学.化工系.生态工业研究中心 Center for Industrial Ecology Chem. Eng. Dept., Tsinghua University
第一部分 过程系统集成
第三章 其它过程系统综合方法
一、 二、 三、 四、
分离序列综合 质量交换网络综合 反应路径综合 反应器网络综合
-1-
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三、反应路径综合
1、基本概念： 反应路径的综合实际上就是寻求最佳的反
应路线的过程。这里的最佳包括：反应的自由 能变化；经济成本；环境影响；工业上易实现 性等多方面的综合考虑。它作为开发一个新的 过程系统的最初阶段，可以把废物的终端处理 问题转变成废物源的减少，通过在设计反应路 径的时候排除那些废物过多的反应，来达到废 物源减少的目的。
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反应路径的综合方法： 两方面问题： 1、综合树的产生 2、最佳反应路径的筛选
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化工过程分析复习
《化工过程分析》复习资料一、填空1、过程系统分解包括对大规模复杂系统进行的识别、的分割、的断裂。
2、换热网络的设计要尽量有热通量穿过夹点。
3、系统的自由度为数减去描述系统的数。
4、过程系统工程学是以、、为基础，以为工具，应用于化工过程领域的一门边缘学科。
5、一个含有C组分的独立流股具有个自由度。
6、Aspen Plus软件的解算方法为，对于有循环回路和设计规定的流程必须。
7、最优化模型一般包括、和三大要素。
8、在实际过程系统中，决策变量数往往系统的自由度数。
9、在通用流程模拟系统中主要涉及物性模型、、和经济模型几大类，有时还涉及和管理模型。
10、综合换热网络时，实现最小公用工程目标的三种方法分别是、和线性规划法。
11、序贯模块法的基础是，单元模块是依据相应过程单元的和编制而成的子程序。
12、过程系统模拟基本方法分为、和三大类。
13、序贯模块法的基础是，单元模块是依据相应过程单元的和编制而成的子程序。
14、化工过程系统分解可分为及。
15、Aspen Plus是基于、、和的大型化工流程模拟软件。
16、过程系统工程的研究主要是：、、、、、人工智能技术的应用等。
17、是过程系统分析的主要工具。
18、过程系统综合的基本方法是、、、。
19、有两个流股混合成一个流股，每一流股有（C+2）个独立变量，则混合器的自由度为。
20、单元过程模拟的核心工作是构建。
21、过程系统模拟的基本任务是：、、。
22、选择最优断裂流股的方法有、、。
23、温-焓图（T-H图）描述的是过程系统中和的热特性。
24、确定夹点位置比较常用的方法是。
25、过程系统模拟的基本方法中，序贯模块法按求解。
26、用“问题表格法”确定夹点位置，可以看出夹点的两个特征：一是；二是。
27、过程系统工程的基本内容是：从过程系统的出发，根据系统内部各个组成部分的，确定过程系统在规划、设计、控制和管理等方面的最优策略。
28、过程系统分解包括对大规模复杂系统进行的识别、的分隔、的断裂。
换热器网络综合
【例3－3】根据[例3-2]的数据，用T-H图表示冷、 热物流的组合曲线。
T/℃ 热物流 40 70 115 150 180 冷物流 30 60 105 140 180 积累焓 H H0=0 H1=(2+4)(70-40)=180 H2=(2+4)(115-70)=270 H3=(2+4)(150-115)=210 H4=2(180-150)=60 H0=1000 H1=2.6(60-30)=78 H2=(3+2.6)(105-60)=252 H3=3(140-105)=105 H4=3(180-140)=120 0 180 450 660 720 1000 1078 1330 1435 1555
115℃
70℃
40℃
105℃ 105℃
60℃ 1 60℃ 30℃ 3
3.3.3 最小公用工程消耗
一、问题表 1. 确定温区端点温度T1、T2、…、Tn+1，将 原问题划分为n个温度区间。
2. 对每个温区进行流股焓平衡，以确定热量 净需求量
Di I i Qi (Ti Ti 1 )( FCpC FCpH )
N H NC
NH为热流股数或分支数，NC冷流股数或分支数。
• 流股的分割可以保证上式成立
• 相反，为了避免在夹点之下使用加热器，以保 证能量最优，夹点之下的流股数应满足
N H NC
• 夹点上下的总物流数可行性原则可归并成下式 （夹点一侧）
N流出 N流入
（7-12）
• 若上式不满足，则必须对流出夹点的流股作分割。 是对夹点一侧的流股数进行比较的
• Di －区间的净热需求量 • Ii －输入到第i个温区的热量，这个量或表 示从第i-1个温区传递的热量，或表示从外 部的加热器获得的热量； • Ｑ i －从第 i 个温区输出的热量。这个量或 表示传递给第i+1个子温区的热量，或表示 传递给外部冷却器的热量。
换热网络设计
一.简介：化学工业是耗能大户，在现代化学工业生产过程中，能量的回收及再利用有着极其重要的作用。
换热的目的不仅是为了改变物流温度使其满足工艺要求，而且也是为了回收过程余热，减少公用工程消耗。
在许多生产装置中，常常是一些物流需要加热，而另一些物流则需要冷却。
将这些物流合理的匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收能力，尽可能减少蒸汽和冷却水等辅助加热和冷却用的公用工程（即能量）耗量，可以提高系统的能量利用率和经济性。
换热网络系统综合就是在满足把每个物流由初始温度达到制定的目标温度的前提下，设计具有最加热回收效果和设备投资费用的换热器网络。
我们主要介绍利用夹点技术对换热网络进行优化。
通过温度分区及问题表求出夹点及最小公用工程消耗，找出换热网络的薄弱环节提出优化建议，寻求最优的匹配方法。
再从经济利益上进行权衡提出最佳的换热网络方案。
提高能量的利用效率。
二.换热网络的合成——夹点技术1、温度区间的划分工程设计计算中，为了保证传热速率，通常要求冷、热物流之间的温差必须大于一定的数值，这个温差称作最小允许温差△Tmin。
热物流的起始温度与目标温度减去最小允许温差△Tmin，然后与冷物流的起始、目标温度一起按从大到小顺序排列，生称n个温度区间，分别用T1,T2……Tn+1表示，从而生成n个温区，冷、热物流按各自的始温、终温落入相应的温度区间。
温度区间具有以下特性:（1）.可以把热量从高温区间内的任何一股热物流，传给低温区间内的任何一股冷物流。
（2）.热量不能从低温区间的热物流向高温区间的冷物流传递。
2、最小公用工程消耗（1）.问题表的计算步骤如下：A：确定温区端点温度T1，T2，………Tn+1，将原问题划分为n个温度区间。
B：对每个温区进行流股焓平衡，以确定热量净需求量：Di=Ii－Qi=（Ti－Ti+1）（∑FCPC－∑FCPH）C：设第一个温区从外界输入热量I1为零，则该温区的热量输出Q1为：Q1=I1－D1=－D1根据温区之间热量传递特性，并假定各温区间与外界不发生热交换，则有：Ii+1=QiQi+1=Ii+1－Di+1=Qi－Di+1 利用上述关系计算得到的结果列入问题表(2).夹点的概念（自己画图7-3）从图中可以直观的看到温区之间的热量流动关系和所需最小公用工程用量，其中SN2和SN3间的热量流动为0，表示无热量从SN2流向SN3。
换热网络合成[学习内容]
![换热网络合成[学习内容]](https://img.taocdn.com/s3/m/dc9531729e3143323868936d.png)
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。
换热网络
一生产工艺过程有三股热流体需要冷却， 一生产工艺过程有三股热流体需要冷却，两股冷流体 需要加热。冷热流体的基本参数如下表所列，请分别用温需要加热。冷热流体的基本参数如下表所列，请分别用温焓图法和温焓图法和温-热图法综合出两种流体的换热网络。
流体 热流体1 热流体 热流体2 热流体 热流体3 热流体 冷流体1 冷流体 冷流体2 冷流体 温度1 温度 ℃ 320 260 140 30 70 温度2 温度 ℃ 80 50 50 120 220 流量 kg/h 1250 2500 1800 3450 2000 热容 kJ/kg.℃ ℃ 1.35 0.80 1.20 0.90 1.30
二、温热法综合换热网络
根据上表做出温热图
H1 H2 H3
C1 C2
二、温热法综合换热网络
对热块和冷块进行温位划分
H1 H2 H3
C1 C2
二、温热法综合换热网络
对热块和冷块按温位进行匹配
1 2a 3a 4a 5a Qc 5b 5a 3b 4a 4b 3c
4b 2b 3b 5c Qc Qc 5b
在这里完全按温位 分解了所有物流， 分解了所有物流， 标号相同的为匹配 冷热物流。 冷热物流。图中面 积只为定性表示并 非完全准确。 非完全准确。
5c 3a 2a 3c 1 2b
二、温热法综合换热网络
根据匹配结果得出理论最优换热网络
3a
H1 H2 H31Biblioteka 2a 3b 2b 3c 4b
4a
5a
5b 5c
最大回收热量283.16kw 最大回收热量
H/kW
一、温焓法综合换热网络
根据物流匹配结果得出换热网络
H1 H2 H3
化工过程分析与合成5.6换热器设计与换热网络综合软件——HEXTRAN
● 软件由SimSci 开发； ● 应用范围广泛：换热器设计、操作分析、性能监测、清洗
工况，夹点分析，换热网络集成、优化。
软件界面
(1) 软件功能 ◆ 模拟计算两个物流间的热传递； ◆ 确定换热网络的最优配置； ◆ 通过接口程序传递数据给HTFS或HTRI等软件； ◆ 包括PRO/Ⅱ的组分数据库和严格的热力学计算方法。 ◆ 换热器的设计与核算； (2) 操作单元 管壳式换热器、套管换热器、多管换热器、折流杆换热器、 翅片管换热器、空冷器、板式换热器、简化法换热器、管线、 阀门、泵、压缩机、加热器、冷却器、火焰加热器、闪蒸罐、 混合器、分离器、多变量控 ◆ 换热网络和换热器的核算与设计； ◆ 数据调和；
【新】换热器网络综合
情况（a）的传热平均温差：
Tm
T2 T1 ln T2
30 10 ln 30
18.2 ℃
T1
10
按此传热温差，推算出冷流体的入口、出口温度，如图：
现计算其传热过程的有效能损失： 热物流的热力学平均温度仍为TH=352.9 K 冷物流的热力学平均温度为
TL
(273 71.8) (273 51.8) ln 273 71.8
换热器网络的综合
什么是换热网络？
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，组成了换热网络 系统。
换热器的作用和意义
•为了使物流温度满足工艺要求， 而且也是为了回收过程热，减少 公用工程消耗。
换热网络合成
• 需要解决的问题：如何确定物流间匹配换热的结构以及相应的换 热负荷分配的问题。
情况(a)：CPH=2CPC 设环境温度T0=293K，热物流的热力学平均温度为
TH
(273 90) (273 70) ln 273 90
352.9K
273 70
冷物流的热力学平均温度为
TL
(273
80)
ln
273 273
(273
80 40
40)
332 .6K
该传热过程的有效能损失为
夹点热端流股的匹配
夹点冷端的流股匹配（1）
夹点冷端的流股匹配（2）
具有最小公用工程加热与冷却负荷的整体设计方案
谢谢大家！
• 图(a)中的换热器1为夹点匹配，其热物流H1与冷物流C1直接与夹 点但相 换通 热， 器2即不换是热夹器点1匹的配右，端因传为热其温中差热已物达流到ΔHT1m与in，夹不点能间再隔小着了换。热 器1。
• 图(b)中，换热器1及换热器2皆为夹点匹配，但换热器3不是夹点 匹配。
化工过程分析与综合---总结
夹点设计法
设计原则？
夹点设计法
夹点匹配的可行性原则
夹点上方
夹点下方
夹点匹配的经验原则
经验规则1 经验规则2
夹点设计法的要点
如何进行夹点设计法换热网络合成的综合？
分离序列综合
基本概念
分离序列数 切分点 独立分离单元 产生组分子群数
分离序列方案评价
分离易度系数 分离难度系数 分离易度系数越大或分离难度系数越小，表示轻重关键组分 越易被分离 评价分离序列方案优劣的指标
分离序列综合
分离序列综合经典方法
直观推断
渐进调优
数学规划
直观推断
七条规则
如何理解七条规则
祝大家考个好成绩！ 谢谢大家这学期的支持！
输入模块
单元过程模块 物性数据库
热力学数据库
计算方法库 经济分析模块 优化方法库 管理系统执行模块
输出模块
过程系统的表达
流程图
矩阵表达（过程，邻接，关联）
邻接矩阵的特点（行，列）
过程系统的分解
分解的步骤（分隔，断裂）
分隔的步骤（不相干子系统的识别，确定 求解顺序）
不相干子系统的分隔
Sargent和Westerberg的单元串搜索法
要点：
由序号小的开始 遇到重复线路就合并 先走小路，后走大路
一定要掌握
不相干子系统的分隔
矩阵方法进行不相干子系统分隔
主要思路：
首先去除一步回路
除掉没有输入的节点 除掉没有输出的节点 邻接矩阵中没有全为零与列全为零的元素后， 寻找二步回路 寻找三步回路 。。。。直至系统中没有节点的存在 系统分隔过程结束
确定性模型与随机模型
自由度的概念
自由度分析的目的
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化工过程分析与合成
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5.1.2 热力学最小传热面积网络的改进
➢ 没有考虑换热器传热系数U、单位传热面积费 用a的差别
➢ 分区造成物流分支、混合，或热负荷很小， 网络结构复杂，使操作麻烦，投资增加
➢ 改进方法：
（1）应使各换热器的 U / a T 值相近
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不小于指定值； ④ 划分温度间隔区间，进行物流匹配。
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（1）构造组合曲线
确定组合曲线
据ΔTmin确定曲线位置 确定QRmax
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（2）划分温度间隔，进行物流匹配
IP分解为：IR↔BE QP↔FC
（3）对应的换热器网络
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5.2 夹点设计法 夹点设计法的基本原则： (1) 应该避免有热流量通过夹点； (2) 夹点上方避免引入公用工程冷却物流； (3) 夹点下方避免引入公用工程加热物流 。 说明：违背以上三条基本原则，就会增大公用工程
负荷及相应的设备投资
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化工过程分析与合成
有效能的上述基本特性，提供了对于换热网 络综合的直观推断规则的基础
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（2）热力学最小传热面积网络的综合 理论依据：
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 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
(1
T0 )Q TH•
(1
T0 )Q TL•
T0 TH TL
(TH
TL )Q
T0 TL
Q
T0 TH
Q
高温流体的热力学平均温度：
TH
Tki Tke ln Tki
Tke
低温流体的热力学平均温度：
TL
T je T ji ln Tje
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T ji 5
高温流体放出的热量： Q Wk ck (Tki Tke )
第5章 换热器网络的综合
换热器网络综合： ➢ 确定具有最小设备投资，最小操作费用，能达
到过程要求的换热器网络结构。 ➢ 具有较好的可控性、柔性和可操作性 换热网络的费用：
换热单元数、换热面积、公用工程消耗
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化工过程分析与合成
1
根据综合方法的性质和侧重面不同分类： ① 启发式经验规则法； ② 热力学目标法——夹点设计法； ③ 数学规划法； ④ 人工智能算法——遗传算法
③ 换热系统物流的质量流量及输入、输出温度一 定时，有效能损失不随热交换网络的变化而变 化。
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④ 处于热力学平衡状态的过程物流相混合，则不存 在有效能的损失。
⑤ 应合理分配每个换热器的有效能损失，使热交换 面积的总和最小。A↑，Δε↓
⑥ 逆流热交换器有效能的损失比并流热交换器为小， 因为并流热交换是一个固有的不可逆过程。
ln Tje Tji
Wkck
ln Tki Tk e
]
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又
ln Tki ln Tke
Tke
Tki
则：
T0 (W jc j
ln Tje Tji
Wkck
ln Tke ) Tki
对于多个热、冷物流的换热系统，有效能损失为：
j
k
jk
T0
j
W
jc
16
5.2.1 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，即同一端具有夹点处的温度
非夹点匹配
非夹点匹配
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夹点匹配
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j
k
jk
T0
j
W
jc
j
ln
T je T ji
k
Wk ck
ln
Tke Tki
说明：传热过程温差愈大，过程的不可逆程度越大， 有效能损失越大
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高温流体有效能的减少： (1 T0 )Q TH
低温流体有效能的增加： (1 T0 )Q
TL•
传热过程中有效能的损失：
应用软件： ADVENT、 HEXTRAN、 INTERHEAT、 MAGNETS、RESHEX及SUPERTRAGET 等
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换热器网络设计的一般步骤：
1）选择工艺流股和公用工程流股；
2） 确定经济合理的夹点温差和公用工程用量；不同综
3） 综合出初步的候选换热器网络；
j
ln
T je T ji
k
Wk ck
ln
Tke Tki
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化工过程分析与合成
ห้องสมุดไป่ตู้
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结论： ① 给定输入温度Tki、Tji的换热系统，使冷物流的
输出温度Tje最大，热物流的输出温度Tke最小， 则系统有效能的损失最小。
② 传热温差愈小，过程不可逆性愈小，有效能损 失愈小，但要求较大的热交换面积。
（2）减少物流的分支与混合，并把小负荷换热器合 并到相邻的换热器上。但应尽可能接近最小传热面积 网络时的温度关系，使所需增加的传热面积不致太多
待改进的换热器网络
改进后的换热器网络
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影响换热器网络总费用的因素: ① 换热器数量； 同样A，换热器台数↑，投资↑ ② 换热器面积； ΔT或(U) ↓，A ↑ ③ 单位换热面积费用； 浮头式>固定管板式 ④ 传热过程的总传热系数（型式和结构）； A ⑤ 公用工程消耗； 操作成本 ⑥ 操作性和可控性。
低温流体吸收的热量： Q W jc j (Tje Tji )
将TH、
T
、
L
Q
的计算式代入中
:
T0 Q T0 Q
TL
TH
T0 W jc j (Tje Tji ) T0 Wkck (Tki Tk e )
Tje Tji
Tki Tke
ln Tje T ji
ln Tki Tke
T0[W jc j
合方法
4） 将候选网络优化成最好的换热器网络；
5）对换热器进行详细设计，得出工程网络；
6）对工程网络模拟计算，进行技术经济评价和系 统操作性分析，对结果不满意，返回第（2）步， 直至满意。
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5.1 根据温-焓图综合换热网络法 5.1.1 热力学最小传热面积网络的综合 （1） 传热过程的有效能分析 假定过程物流比热容为常数，则系统有效能损失：