5物流提取和换热网络综合

用。每年工作时间也是需要的，这里是5000小时。
加热由燃煤加热炉来提供，它的平均温度大约为 400°C；燃料费 用为72 £/t，总热值为 28.8GJ/t，加热炉的总效率为 75%。这就相当
于有效热传递费用是£3.33/GJ或£12/MWh。
在这个实例中冷却要便宜的多；冷却水循环到冷却水塔，其工作温 度为 25-35°C 。添加剂、维护、补充水和少量废水的处理平均费用 为£0.5/MWh。 众所周知，换热器的费用难于准确估算，但本例用英磅计为 £(10,000+300A0.95)。唯一例外是冷却器建造是便宜，式中第一个常 数减小到 5000 。所有这些无论如何也仅仅是大致数据，如果要安装
CP值的确定
在基本问题表法中，所有物流被假定CPs不受温度的影响。在
实际问题中热容总是某种程度上与温度有关系，并不是所有目
标化软件都可以处理这种情况。所以知道什么时候线性化近似 有效，什么时候线性化近似无效，是非常重要的。记住目标最
重要取决于冷热组合曲线在夹点处的接近程度，取决于这个区
域内他们的形状，很清楚数据错误在夹点最明显。因此，在夹 点附近必须非常小心CP的近似。
提取物流也并非越简单越好。。。。。
原油蒸馏中，在原油进料物流上经常有一脱盐设备。脱掉盐的量 对能量平衡影响可忽略，将脱盐前和脱盐后看作单一物流似乎具有 吸引力。然而，脱盐通常存在一紧的温度约束-它只能在125°C和 130°C 温度间有效操作。若原油进料看成是单一物流，匹配后的 温度可能不正确，从而影响正常脱盐操作。所以这种情况最好是分 成两个物流，但要注意需要的话断点温度要有一定的灵活性。另一 方面，再次看到夹点分析不是设计者技能和经验的替代，而是使设 计者以最有效方式应用其知识。
所需要的物流数据是温度范围(T1→T2)，物流类型（热或冷）和热容 流率CP (kW/K)或物流热负荷ΔH (kW)。这些最终可通过以下几种方式得 到： （1）通过物流质量流率和发表的（或测量的）比热容数值， （2）通过物流质量流率和比焓值， （3）通过测量换热器的热负荷， （4）通过能量衡算中其他物流热量反算。 各个量通过下面方程联系在一起：
关键点是：我们的目标是要建立可靠的平衡数据，从中 可以获得物流的温度和热负荷数据。
5.1.2 物流数据提取
物流选择准则是它有热量变化无组成变化
例如：通过一换热器的液体，或单一组分蒸发，
或被冷却的没有组分分离的混合物，都可用物流来 表示。相反，液体经过一吸收塔或洗涤塔，或一反 应的混合物，或一流动经过一精馏塔在里面脱除具 易挥发的组份，这就不能被看作是一物流。
如果假定CP是个定值不能接受，物流需要进行分段线性化。
这种操作保证了问题表法的有效性（线性化段与线性物流的处 理是一样的），同时在必要的地方提高精度。
一般情况是物流的热容以温度的多项式的形式给出，即：
热容流率
热负荷
物流可以被分成两段或多段，或如果随着温度的变化不大可看成单一物流 。初始目标化后，相关的物流在夹点处分成两部分，然后用改进的数据重新 计算目标。这将改变能量目标但几乎不会改变夹点温度（因为夹点往往是由 物流开始处或CP有大的变化处引起）。因此，不需要进一步的重复。 如果CP存在明显变化，例如物流开始蒸发或冷凝时加入或撤出大的潜热负 荷，将物流分段最安全，或若目标化软件不允许这种情况，将段作为单独物 流来处理。
H3A
C1
H2
H3B
表 5.3 过程物流数据表 H1
C2
冷物流的总热负荷为 8500kW ，热物流的为 5000kW 。而当前 热量回收水平为1640kW，这就意味着热公用工程和冷公用工 程的需求量分别为6860kW和3360kW。
5.2.4 费用数据
最后需要收集的数据是加热费用、冷却费用和新换热器的投资费
在这个区域内的塔顶出料的冷凝的CP计算值为80kW/K。然而，这不适用于剩余 物流。冷却水流量和温度降的测量指出塔顶出料后面冷却器的热负荷为 1.8MW ， 因温度降为60°C，从而得到其CP为30kW/K。 在这两个换热器中当前的热回收量为1,640kW。 现有换热器数据
5.2.3 物流数据提取
换热器面积A与总传热系数U和温度差ΔT成反比。迄今为止，都是假定 物流在给定温度下匹配，与它们的特征无关。然而，一些物流可能是具有 低传热系数的气体或粘性液体，或易于在换热器表面结垢。重油和蜡油在 这两个方面就这样，包括这些物流匹配的U值将是低的，因此相应的包括 这些物流匹配的换热面积将会惊人地高
如何明显处理这种情况，但基本能量目标化时如何处理这种情况？
变为实际设计项目时，若使用严重不一致的“平衡”数据会带来麻烦。
新建装置，能量平衡与物料平衡数据可以从设计数据中得到流量和组成， 从文献中得到比热等。 对现有装置，即使有设计数据，设计数据常常与实际情况存在明显不同。 过程设计是一门不精确的科学；设置和流量在试车过程中为得到稳定性能 和期望输出常常被改变。并且，原料组成可能与初始开车情况有所变化或 可能随时而变。因此，应该建立能量平衡和物料平衡，以反映当前性能 。
换热器，合适的预算价格必须从制造商处得到。
现在可以进行目标化了！！
5.3 能量目标化
基本的能量目标化在第 4章中介绍过。问题表计算得出给 定ΔTmin 值下的冷和热公用工程需求、夹点温度和净热 流量。现在将更加深入地研究一些细节和特殊情况处理。
5.3.1 个别物流的ΔTmin贡献
(Q=UAΔTLM）
5.1.3 热负荷和热容量的计算
对现有工厂的液体混合物物流来说，比热容数值可能是不 知道的，而热负荷可以利用现有换热器在已知温度的已知 热负荷容易得到。从而可以很容易地反算出CP。 可能存在两个缺陷： （1）首先应用的设备负荷可能是设计负荷而不是操作负 荷。其次CP往往是随着温度而变化，如果在很大的温度 范围内仅仅取了几个数据点，这种依从性可能导致误算。 （2）内部潜热变化（如部分汽化或冷凝）导致CP局部 变化巨大而被掩盖。这往往会带来很严重的目标化错误。
2. 避免过指定问题；不要在不必要的情况下打断物流；
3. 在能量目标化阶段不要进行非等温混合；
4. 检查和修正夹点附近的数据（或低净热热流量的其他区域）；
5. 识别任何可能的过程约束，确定包括和不包括这些约束的目 标，看看他们带来的能量惩罚（相同的技术用于单独的两个 工厂或两个工厂热联合能量目标化）。
5.2.2 能量与物料核算
能量与物流平衡数据
如流程图所示，各个馏分的生产量和它们的比热容信息是可得到的，数个温度通 过热电偶测得。因此，可得到如表中所示的初步的能量和物流平衡数据。然而， 还有一些信息是未知的，包括一些温度和准确的回流比（近似为5：1）。为得到 一致的数据需进行一些数学换算。原油进料的比热容与温度有关，为(2+0.005T) kJ/kg K ；因质量流率为 10 kg/s ， CP=(20+0.05T) kJ/K ，经积分计算（相对于 0°C的数据）焓为(20T+0.025T2) kJ/s (kW)。
这里有一简单的方法，对每个物流分配一 ΔTmin贡献。像与其它的冷热物 流一样，通常这个值是ΔTmin/2。然而，对于“难处理”物流，可以分配一 个 较 大 的 值 ， 定 义 为 ΔTcont 。 那 个 物 流 的 位 移 温 度 由 下 式 确 定 S=T±ΔTcont。利用位移温度的问题表现在可以与从前一样准确计算，但 是任何包括这一物流匹配的 ΔT要大。这就补偿了低U值，故新匹配的换热
没有数据可得到传热系数。但是，两个现有换热器的尺寸是知道的，一些信息 可以从它们这里推算以获得传热系数和能量平衡数据。进料和塔顶出料换热器 的热负荷可以通过进料的温度和热容流率得到；类似，中间油与进料换热器的 热负荷可以从中间油的详细数据得到，进料的出口温度可以反算出为92 ℃。换 热器的总传热系数 U分别计算得到，其值分别为 0.20 和 0.125kW/m2K 。 U与膜 传热系数h之间的联系（忽略污垢热阻和管壁热阻）是
第五章 数据的提取
主要参考书籍
能量的有效利用 夹点分析与过程集成 第 3章
项曙光等 译
5.1 数据提取
5.1.1 能量平衡和物料平衡
第一步必须要做的是得到工厂的能量平衡和物料衡算数据。这通常是重要
的挑战；对实际工厂而言，几乎总是没有能量平衡和物料平衡的数据。从而 必须进行数据校正。最重要的是数据的一致性，而不是精度。当企图将目标
对组成发生明显变化的设备，比如精馏塔、蒸发器或反应器，将 其进料和出料作为单独物流处理至关重要，而不是将其组合在一起 。
物流选择准则是它有热量变化无组成变化
5.1.5 混合 考虑两个具有相同组成的过程物流以不同的温度离开各自 单元，混合然后加热到一共同的最终温度。这可以作为一物 流处理，可用一个换热器来完成加热负荷。但是，混合使得 温度降低。考虑一下如果系统仅仅将其作为单一物流来确定 能量目标会出现什么情况？如果混合温度低于夹点温度，那 么夹点温度以下冷物流的“冷却能力”将会下降。因此，更 多的热量需要用冷公用工程冷却，通过能量平衡，热量要穿 过夹点来增加热公用工程的用量。在能量目标化阶段为了确 保最好的能量性能，应该假定混合过程是等温的。因此，分 别加热每个物流到它的最终温度，或加热/冷却一物流到另一 物流的温度，接着混合，然后加热/冷却混合物到它的最终温 度。
正确的方法是假定物流等温混合，这里目标温度是30°C。如果保留 原设计方案，且夹点对应在70°C和100°C之间的热物流，那么能 量就会被浪费。然而，不管夹点温度是多少，物流混合将要降低温度 ，减小换热器的推动力，增加投资费用。
5.1.6 小结
在提取数据时，脑中要牢记如下几点：
1. 要遵守热物流是热的，冷物流是冷的；
物料平衡需要基于质量流率。
很少工厂在所有物流上都安装流量计，而且流量计有明显误差； 蒸汽（或其他冷凝液）的计量特别容易出错，30%或更多并不少 见。
能量衡算更加复杂。
原始数据是温度、热负荷和从物料衡算得到的流量。与物料平衡相 比，热量损失总是允许，因泄漏造成物料损失通常是很小的（除非 过程用到大量的空气或气体）。温度是工厂中最容易准确测得参数 ，误差常常在1°C以内，尽管要考虑污垢和死角的影响。通常， 对没有测量仪表的地方，可以通过采样点插入热电偶来测量，或测 量管外温度（明显不够准确）。热负荷更加困难。比热容和潜热可 从文献、制造厂商数据或（有必要的话）测量得到。冷负荷可以从 冷却水流量和温降得到，加热器负荷从蒸汽流量（常常不准确的； 测量冷凝液流量会更好）得到。在燃烧炉中传递热量因为烟囱的热 损失而很难精确测量。做到能量平衡通常是个挑战，在一些情况下 ，必须修正物料平衡以获得更接近真实的数据。
用得到一致的能量和物流平衡数据，可推出物流数据。仅仅只有那些需要加热或 冷却的物流才需要流量，所以来自分离器的轻质油和水可被忽略。从分离器出来 的塔顶出料直接与新鲜油混合，直接传递的热量为100 kW。理论上，这两物流需 要增加参入分析；实Βιβλιοθήκη Baidu上，这两物流可利用的热量很少，且温度也很低，因此它 们可安全地被忽略。这就剩下了5个实际的物流，它们的特征都列在表5.3中。
总之，利用这些数据（热负荷和热容量）的策略应该是： （1）最先用粗略的数据。 （2）利用问题表法定位夹点区域。 （3）在夹点附近用更好的数据。
5.1.4 物流选择
如果把过程物流分成太 多的单独物流，就明显增 加了网络的复杂性（太多 物流），增加了不必要的 限制，还可能会隐藏了热 回收的机会 。 通常，设计者应该首先 确定哪一个进料和目标温 度定位为“硬的”（不变 ），哪一个是“软的”（ 允许一定变化）。接着要 设计一基本的换热网络， 而后通过改变原先分类为 “硬的”的温度，获得进 一步改进。这些决策明显 整个取决于工艺技术，某 种程度上依赖于设计者经 验。 从已有过程过程流图中提取数据
5.2 案例研究：有机蒸馏装置
5.2.1 过程描述
在环境温度和压力下原油进入 到精馏塔中，被分成三种馏分： 轻质油，中间油和残渣。进料需 要被加热到塔的操作温度，在这 种情况下肯定会部分汽化，没有 单独的再沸器；进入塔时热流体 会发生闪蒸。轻质油以气体形式 离开塔顶，然后被冷凝，大部分 作为回流，其余被冷却，少量的 水在重力分离器移除。各种产品 根据它们的粘度分别被冷却到不 同的水平。在进入一个加热炉之 前，原油进料经过两个换热器， 被塔顶产品和中间油加热，然后 在加热炉中被加热到最后的进塔 温度。所有其他的加热和冷却任 务都由公用工程来完成。