热交换网络的合成
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热交换网络的合成
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又发明了夹点法，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。
在诸多的热交换网络合成方法中，由于Linnhoff的夹点技术具有较强的实 用性，至今已经被广泛的采用。
230℃
H
C2
H1－C2
160℃
5、几种热交换网络设计节能比较
流股 类型
1
冷
2
冷
3
热
4
热
进口温度 Ti(℃) 20 140 200 250
出口温度 To(℃) 180 230 80 40
热容流率 CP（MW／℃）
0.2 0.3 0.25 0.15
焓差（变） （MW）
32 27 30 31.5
①、最简单的方法（最笨的方法）
A
B C
T1
T2
复合
T3
T4
T4
T5
T5
H
H
T5→T4区间，斜率：1/CPA; 区间总焓变为：CPA（T4－T5） T4→T3区间，斜率：1/(CPA+CPC); 区间总焓变为：（CPA＋CPC）（T3－T4） T3→T2区间，斜率：1/(CPA+CPB+CPC);
区间总焓变为：（CPA＋CPB＋CPC）（T2－T3） T2→T1区间，斜率：1/CPB; 区间总焓变为：CPB（T1－T2）
而且已经计算出，QHmin＝11.5MW，QCmin＝14MW。
这种方法的总能耗：25.5 MW
那么，如何根据窄点技术的原则还在这4个流股之间进行换 热网络的设计呢？
133.33℃
250℃
230℃
200℃
180℃
160℃ 140℃
191.67℃ C2，CP=0.3
80℃ H2，CP=0.25
H1，CP=0.15 QCmin
是在冷、热流股之间进行热交换的匹配。为满足最 大回收热量的目标，首先考虑的是用最高目标温度的冷 流股与具有最高供应温度的热流股进行交换。
四、降低能量回收的要求，减少换热器
热交换网络合成（设计）
例题：下表列出了冷、热各两股流的起始温度和目标温度， 并给出了其热容流率。假设最小传热温差，△Tmin要求为 20℃。
T-H图
流股复合曲线图
流股的温度－热焓复合曲线
1、单个流股的温度－热焓直线图
对于一个进口温度（Ti），目标温度（To）均已知。流量为F，热容为 Cp（不随温度而变的恒值）的流股，其焓变可表示为：
H
To Ti
FCpdT
FCp (To Ti )
在热焓－温度图上的斜率为：
dt / dH T / H 1 / FCp
QCmin
133.33
40
冷却器
14
H1
QHmin 加热器
191.67
230
11.5
C2
优化设计的热交换网络
40℃
20℃
C 133.33℃ 40℃ H1－C1
140℃
80℃
H2 200℃
H1 250℃
140℃ H2－C1
H2－C1 168℃
146.67℃
H2－C2
160℃
180℃ C1
191.67℃
㈡、换热网络内温度低于夹点的流股，只要其温度变化范围 在夹点以下，就不能引入外界热源来进行加热，而应该用系 统内流股与之搭配（或引入外界冷源） ；
例：有两股冷流体和两股热流体构成的热 交换网络，如下表：
流股
1 2 3 4
物流
冷流 热流 冷流 热流
t/℃
ti
to
120
235
260
160
180
240
QHmi
n
QHmin≈11.5MW
27.5MW
这种方法的总能耗：30＋27.5＝57.5 MW
③、几种方法的节能比较表
最简单方法 部分优化方法
最优化方法
能耗 （MW） 120.5
57.5
25.5
能耗百分数 100％
47.72％ 21.16％
需换热器数 4
4～7 7
五、化工流程的能量管理
化工过程能量管理的目的－－－节约有效能
分别用二个加热器和二个冷却器对2个冷流股进行加热、对2个热流 股进行冷却。
这种方法的总能耗：120.5 MW
②、部分优化的方法
300
夹点
250
200
150
△Tmin=20℃ 100
50
0
0
10
20
30
40
50
QCmin
QREC
QCmin≈14MW
QREC≈47.5MW
30MW
31.5MW
60
70
80
1、根据夹点（Pinch）原理，请画出复合曲线（Composite Curves），标出正确的Pinch点；
2、计算出最大的回收能量（QREC）、外界最小输入冷量 （QCmin）和外界最小加热量（QHmin）。
流股
1 2 3 4
类型
冷 冷 热 热
进口温度 Ti(℃)
20 140 200 250
出口温度 To(℃)
40℃
60℃
20℃ C1，CP=0.2
QHmin
13.5MW 250℃
230℃
133.33℃
168℃
200℃
180℃
160℃ 140℃
191.67℃
146.67℃ C2，CP=0.3
80℃ H2，CP=0.25
H1，CP=0.15
40℃
60℃
20℃ C1，CP=0.2
250℃
230℃ 13.5MW
这样就完成了多流股的温度－热焓复合曲线（折线）。
T
QH,min
夹点
ΔTmin
Qc,min 覆盖区
O
H
夹点与热交换网络最小能耗图
针对：
夹点之处无热量通过，夹点上、下之间无热量交换
最大回收能量（最节能）的热交换网络设计原则：
㈠、换热网络内温度高于夹点的流股，只要其温度变化范围在 夹点以上，就不能引入外界冷源来进行冷却，而应该用系统内 流股与之搭配（或引入外界热源）；
同时可以看到，一个化工流程的内部，有一些较高温的流股需要被 冷却，而一些较低温的流股需要被加热，所以可以考虑将这些流股搭配 起来，在流程内部用需要被冷却的较高温的流股来加热需要热量的低温 的流股，可以实现能量的有效利用，从而节约了能量源，降低成本。
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。
160
冷流股进 （℃）
146.67
冷流股出 （℃）
191.67
热负荷 （MW）
13.5
对数温差 （℃）
60.6
H2－C2
168
160
140
146.67
2
19.76
H2－C1
200
168
140
180
8
29.82
H1－C1
160
133.33
20
40
4
116.6
H2－C1
160
80
40
140
20
28.85
但会相应增加换热器投资。
假设： ◆冷热流股逆流换热，采用对数平均温差计算总传热量； ◆各冷热流股的热容Cp值在换热温度范围内不随温度而变。
2、热交换网络的表示方法
（1） 线、圈表示法
（2） 矩阵表示法
H1
H2
H3
C1
1
3
C2
2
4
H1
H2
H3
C1
1
3
C2
2
4
（3） 温度－焓图表示法
（4） 网络图表示法
H1
1
3
H2
2
1
H2
3
H1
H2
C
C1
1
C2
3
2
H
C1 C
C2
等价的线、圈表示图
一 、热交换网络的表示方法
工艺流程图
热交换网络图
二、T-H图、夹点和热交换网络的最小能耗
H
to ti
qm
cp
dt
qm
cp
(toti )
qm : 质 量 流 量 ；cp : 定 压 比 热 容 ；to :目 标 温 度 ；ti : 物 料 温 度 。
夹点技术－－－Pinch Technique
基本概念及热交换系统表示方法：
1、换热网络的名词及假设
热流：热交换网络内，那些需要由起始温度冷却到目标温度的流股。
冷流：热交换网络内，那些需要由起始温度被加热到目标温度的流股。
Байду номын сангаас
热交换网络的提出
一个化工生产过程的流程中，经常需要加热或冷却许多流股，最简 单的方案是按各流股的质量流速、热负荷、进出口温度要求，分别引入 外部热源或外部冷源，即用热水、蒸汽加热或用冷却水、冷冻液冷却。 这种设计虽简单，设备投资费较少，但热力学效率常常是很低，能耗较 大，显然是不经济。
在实际化工流程组织与设计时，掌握以下基本原则：
1、尽量利用流程中的反应热（放热反应）产生的热流 股来对需要加热的冷流股和设备进行加热；
2、在技术可行的前提下，尽量利用品位接近的流股相 互搭配换热；
3、流程中一些耗能设备，在工艺可行的前提下，可以 考虑共用问题。
250
130
冷热流体温度区间图
热阶流图
总复合曲线图
三、热交换网络设计
1、建立回收最大能量网络的准备工作 冷热流体在热交换器中的温差必须大于最小换热温差。
2、固体混和物的分离 按夹点划分法则，夹点将热交换网络划分为两个子系统。
夹点以上不用冷源，夹点以下不用热源，夹点处无热量 穿透，此时回收的能量为最大。 3、网络设计
200℃
180℃
191.67℃
133.33℃
168℃
160℃ 140℃ 20MW
146.67℃ C2，CP=0.3
80℃ H2，CP=0.25
H1，CP=0.15
40℃
60℃
40℃
20℃ C1，CP=0.2
各换热器流股进出口温度、热负荷及逆流对数传热温差
H1－C2
热流股进 （℃）
250
热流股出 （℃）
180 230 80 40
热容流率 CP（MW／℃）
0.2 0.3 0.25 0.15
将热流股的复合曲线放在上方，冷流股的复合曲线放在下方，形成组合的 复合曲线。
300
夹点 250
200
150
△Tmin=20℃ 100
50
0
0
10
QCmin
QCmin≈14MW
20
30
40
50
60
70
80
QREC
QREC≈47.5MW
QHmi
n
QHmin≈11.5MW
窄点温度＝150℃
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）
热交换网络合成（设计）
前面已经计算出窄点温度为150℃，热流股窄点温度为 160℃，冷流股窄点温度为140℃（在△Tmin＝20℃）
令FCP＝C（P 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又发明了夹点法，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。
在诸多的热交换网络合成方法中，由于Linnhoff的夹点技术具有较强的实 用性，至今已经被广泛的采用。
230℃
H
C2
H1－C2
160℃
5、几种热交换网络设计节能比较
流股 类型
1
冷
2
冷
3
热
4
热
进口温度 Ti(℃) 20 140 200 250
出口温度 To(℃) 180 230 80 40
热容流率 CP（MW／℃）
0.2 0.3 0.25 0.15
焓差（变） （MW）
32 27 30 31.5
①、最简单的方法（最笨的方法）
A
B C
T1
T2
复合
T3
T4
T4
T5
T5
H
H
T5→T4区间，斜率：1/CPA; 区间总焓变为：CPA（T4－T5） T4→T3区间，斜率：1/(CPA+CPC); 区间总焓变为：（CPA＋CPC）（T3－T4） T3→T2区间，斜率：1/(CPA+CPB+CPC);
区间总焓变为：（CPA＋CPB＋CPC）（T2－T3） T2→T1区间，斜率：1/CPB; 区间总焓变为：CPB（T1－T2）
而且已经计算出，QHmin＝11.5MW，QCmin＝14MW。
这种方法的总能耗：25.5 MW
那么，如何根据窄点技术的原则还在这4个流股之间进行换 热网络的设计呢？
133.33℃
250℃
230℃
200℃
180℃
160℃ 140℃
191.67℃ C2，CP=0.3
80℃ H2，CP=0.25
H1，CP=0.15 QCmin
是在冷、热流股之间进行热交换的匹配。为满足最 大回收热量的目标，首先考虑的是用最高目标温度的冷 流股与具有最高供应温度的热流股进行交换。
四、降低能量回收的要求，减少换热器
热交换网络合成（设计）
例题：下表列出了冷、热各两股流的起始温度和目标温度， 并给出了其热容流率。假设最小传热温差，△Tmin要求为 20℃。
T-H图
流股复合曲线图
流股的温度－热焓复合曲线
1、单个流股的温度－热焓直线图
对于一个进口温度（Ti），目标温度（To）均已知。流量为F，热容为 Cp（不随温度而变的恒值）的流股，其焓变可表示为：
H
To Ti
FCpdT
FCp (To Ti )
在热焓－温度图上的斜率为：
dt / dH T / H 1 / FCp
QCmin
133.33
40
冷却器
14
H1
QHmin 加热器
191.67
230
11.5
C2
优化设计的热交换网络
40℃
20℃
C 133.33℃ 40℃ H1－C1
140℃
80℃
H2 200℃
H1 250℃
140℃ H2－C1
H2－C1 168℃
146.67℃
H2－C2
160℃
180℃ C1
191.67℃
㈡、换热网络内温度低于夹点的流股，只要其温度变化范围 在夹点以下，就不能引入外界热源来进行加热，而应该用系 统内流股与之搭配（或引入外界冷源） ；
例：有两股冷流体和两股热流体构成的热 交换网络，如下表：
流股
1 2 3 4
物流
冷流 热流 冷流 热流
t/℃
ti
to
120
235
260
160
180
240
QHmi
n
QHmin≈11.5MW
27.5MW
这种方法的总能耗：30＋27.5＝57.5 MW
③、几种方法的节能比较表
最简单方法 部分优化方法
最优化方法
能耗 （MW） 120.5
57.5
25.5
能耗百分数 100％
47.72％ 21.16％
需换热器数 4
4～7 7
五、化工流程的能量管理
化工过程能量管理的目的－－－节约有效能
分别用二个加热器和二个冷却器对2个冷流股进行加热、对2个热流 股进行冷却。
这种方法的总能耗：120.5 MW
②、部分优化的方法
300
夹点
250
200
150
△Tmin=20℃ 100
50
0
0
10
20
30
40
50
QCmin
QREC
QCmin≈14MW
QREC≈47.5MW
30MW
31.5MW
60
70
80
1、根据夹点（Pinch）原理，请画出复合曲线（Composite Curves），标出正确的Pinch点；
2、计算出最大的回收能量（QREC）、外界最小输入冷量 （QCmin）和外界最小加热量（QHmin）。
流股
1 2 3 4
类型
冷 冷 热 热
进口温度 Ti(℃)
20 140 200 250
出口温度 To(℃)
40℃
60℃
20℃ C1，CP=0.2
QHmin
13.5MW 250℃
230℃
133.33℃
168℃
200℃
180℃
160℃ 140℃
191.67℃
146.67℃ C2，CP=0.3
80℃ H2，CP=0.25
H1，CP=0.15
40℃
60℃
20℃ C1，CP=0.2
250℃
230℃ 13.5MW
这样就完成了多流股的温度－热焓复合曲线（折线）。
T
QH,min
夹点
ΔTmin
Qc,min 覆盖区
O
H
夹点与热交换网络最小能耗图
针对：
夹点之处无热量通过，夹点上、下之间无热量交换
最大回收能量（最节能）的热交换网络设计原则：
㈠、换热网络内温度高于夹点的流股，只要其温度变化范围在 夹点以上，就不能引入外界冷源来进行冷却，而应该用系统内 流股与之搭配（或引入外界热源）；
同时可以看到，一个化工流程的内部，有一些较高温的流股需要被 冷却，而一些较低温的流股需要被加热，所以可以考虑将这些流股搭配 起来，在流程内部用需要被冷却的较高温的流股来加热需要热量的低温 的流股，可以实现能量的有效利用，从而节约了能量源，降低成本。
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。
160
冷流股进 （℃）
146.67
冷流股出 （℃）
191.67
热负荷 （MW）
13.5
对数温差 （℃）
60.6
H2－C2
168
160
140
146.67
2
19.76
H2－C1
200
168
140
180
8
29.82
H1－C1
160
133.33
20
40
4
116.6
H2－C1
160
80
40
140
20
28.85
但会相应增加换热器投资。
假设： ◆冷热流股逆流换热，采用对数平均温差计算总传热量； ◆各冷热流股的热容Cp值在换热温度范围内不随温度而变。
2、热交换网络的表示方法
（1） 线、圈表示法
（2） 矩阵表示法
H1
H2
H3
C1
1
3
C2
2
4
H1
H2
H3
C1
1
3
C2
2
4
（3） 温度－焓图表示法
（4） 网络图表示法
H1
1
3
H2
2
1
H2
3
H1
H2
C
C1
1
C2
3
2
H
C1 C
C2
等价的线、圈表示图
一 、热交换网络的表示方法
工艺流程图
热交换网络图
二、T-H图、夹点和热交换网络的最小能耗
H
to ti
qm
cp
dt
qm
cp
(toti )
qm : 质 量 流 量 ；cp : 定 压 比 热 容 ；to :目 标 温 度 ；ti : 物 料 温 度 。
夹点技术－－－Pinch Technique
基本概念及热交换系统表示方法：
1、换热网络的名词及假设
热流：热交换网络内，那些需要由起始温度冷却到目标温度的流股。
冷流：热交换网络内，那些需要由起始温度被加热到目标温度的流股。
Байду номын сангаас
热交换网络的提出
一个化工生产过程的流程中，经常需要加热或冷却许多流股，最简 单的方案是按各流股的质量流速、热负荷、进出口温度要求，分别引入 外部热源或外部冷源，即用热水、蒸汽加热或用冷却水、冷冻液冷却。 这种设计虽简单，设备投资费较少，但热力学效率常常是很低，能耗较 大，显然是不经济。
在实际化工流程组织与设计时，掌握以下基本原则：
1、尽量利用流程中的反应热（放热反应）产生的热流 股来对需要加热的冷流股和设备进行加热；
2、在技术可行的前提下，尽量利用品位接近的流股相 互搭配换热；
3、流程中一些耗能设备，在工艺可行的前提下，可以 考虑共用问题。
250
130
冷热流体温度区间图
热阶流图
总复合曲线图
三、热交换网络设计
1、建立回收最大能量网络的准备工作 冷热流体在热交换器中的温差必须大于最小换热温差。
2、固体混和物的分离 按夹点划分法则，夹点将热交换网络划分为两个子系统。
夹点以上不用冷源，夹点以下不用热源，夹点处无热量 穿透，此时回收的能量为最大。 3、网络设计
200℃
180℃
191.67℃
133.33℃
168℃
160℃ 140℃ 20MW
146.67℃ C2，CP=0.3
80℃ H2，CP=0.25
H1，CP=0.15
40℃
60℃
40℃
20℃ C1，CP=0.2
各换热器流股进出口温度、热负荷及逆流对数传热温差
H1－C2
热流股进 （℃）
250
热流股出 （℃）
180 230 80 40
热容流率 CP（MW／℃）
0.2 0.3 0.25 0.15
将热流股的复合曲线放在上方，冷流股的复合曲线放在下方，形成组合的 复合曲线。
300
夹点 250
200
150
△Tmin=20℃ 100
50
0
0
10
QCmin
QCmin≈14MW
20
30
40
50
60
70
80
QREC
QREC≈47.5MW
QHmi
n
QHmin≈11.5MW
窄点温度＝150℃
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）
热交换网络合成（设计）
前面已经计算出窄点温度为150℃，热流股窄点温度为 160℃，冷流股窄点温度为140℃（在△Tmin＝20℃）
令FCP＝C（P 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