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
FCp=0.25
80 40
31.5
30
61.5
T (C) FCp=0.3
FCp=0.5 FCp=0.2
T (C) 250
Tmin=10
夹点
H (MW)
24
20 15 H
-127.7
250
0.0 249 (239)
127.7
-127.7 0.0
833.5
6
480.3
353.1
833.5 (170) 160
608.0
225.4 353.1 200
105.5
5
137.0
-31.5
939.0 160 (150)
745.0
193.9 321.6
425.5
4
301.4
124.1
夹点之上 与 夹点之下不进行换热
40
30
20
10
0
0
Q1 Q2
Q3
（3） 最小换热器数目
将换热网络用图表示：
点表示流股 点间连线表示换热器
(a) A B C D
E F GH (b) A B C D
定义：
E F GH
(1) 路径(path)：一组相连的线，如(a)中AECGD
(2) 元素(component)：所有两点之间均由一个路径相连，如：(a)为一个元 素，(b)为两个元素
QEX
10
51.5
7.5
H (MW)
QC+QEX
（5） 换热网络夹点设计方法
2. FCp不等式原理
规则：处于夹点的任何一个换热流股必须满足 如下不等式： 夹点之上：(FCp)H(FCp)C 夹点之下：(FCp)H(FCp)C
否则流股之间换热温差将小于Tmin
换热网络设计中的冷热流股匹配须从夹点开始
150
30
FCp (MW/C)
0.2 0.1
H (MW)
-14 12
QH=FCp T 规定：T为绝对温差
放出热量∆H为正 Tmin 为最小换热温差
如果Tmin=10ºC 则 QC=1MW, QH=3MW, QREC=11MW
30
Tmin=10ºC
如果Tmin=20ºC 则 QC=2 MW, QH=4 MW, QREC=10 MW
Q
290 240 190 140 90 40
20000
4. 总复合图（Grand Composite Curve) “右凸规则”
(Tmin=10 C)
复合热流股
复合冷流股
总复合流股
300 127.7
移出 累计 温度 温度 移入 累计 净移出 累计 平移
260
0.0
0.0 127.7
-
7
127.7
60
1637.6
122.4 250.1 50
250.1
0
1000
4. 总复合图（Grand Composite Curve) 根据总复合图确定公用工程的温度
(Tmin=10 C)
300 250.1 kW
127.7 kW
250
200
150
100
50
20000
500
11000000
1500
Q
290 300 127.7
20 15 H
59
59
2. 多流股的温-热复合曲线
已知4个流股的换热问题： 注： H = FCp(TS-TT)
流股
温度 (C)
初始 TS
目标 TT
H （MW）
C1
20
180
-32
C2
140
230
-27
H1
250
40
31.5
H2
200
80
30
H1-H2的复合曲线：
FCp (MW/C)
0.2 0.3 0.15 0.25
可用的公用工程– 温度、价格 换热器的价格
求解：年公用工程费和设备费最小的换热网络
（2） 复合图（composite curves）
1. 由温-热图表示的热量回收原理
目的：计算换热网络的最小公用工程用量
若已知流股的热熔，即FCp在给定温度范围内为常数， 则由
∆H= (FCp) ∆T
或
∆T = [1/(FCp)] ∆H
TLM 是Tmin 的函数
H
Ai=Qi/(hi TLM )
(每一侧的换热面积)
AABP (Tmin) =(A1+A2)/(N1-1)= (A1+A2)/(2-1)= (A1+A2) NABP = 1
18
18
18
ABLP (Tmin) = i=3Ai/(N2-1)= i=3Ai/(5-1) = i=3Ai/4
目标设定：当Tmin给定，则求出的QC、QH、QREC为目标设定值。
3. 列表法
例（p355）： 4SP1
注： H = FCp(TS-TT)
流股
温度 (C)
初始 TIN
目标 TOUT
H （MW）
C1
60
160
-762.0
C2
116
260
-875.5
H1
160
93
588.9
H2
249
138
1171.1
E F GH
L：图中的循环数
(b) A B C D
C：图中的元素数
目标：Nu最小，为此需要
E F GH
(1) L=0，或最小，即网络中没有循环或循环数最小
(2) C=1， 即网络仅有一个元素，此时网络受到的限制最小。
结论：换热网络的最小换热器数目
Nu=S-1
（4） 换热面积的目标设定 ——最优Tmin的确定
COST= a QU( Tmin) + bA(Tmin)
a：能源价格；b， ：换热器价格参数，一般=2/3 COST仅为Tmin的函数
命题：如何估算面积
由: A=
Q =
H TLM
1Q H TLM
=( 1 + 1 ) Q hH hC TLM
= AH + AC
T
T
12 3 4 5
59
T (C)
FCp=0.15
FCp=0.4
FCp=0.15
H (MW) 6
48 61.5
7.5 H
20
10
51.5
7.5
H (MW)
如果Tmin=10ºC 则 QC=10, QH=7.5, QREC=51.5
如果Tmin=20ºC 则 QC=14, QH=11.5, QREC=47.5
由此：多个流股换热问题的自由度为1 即Tmin（或QC、QH、QREC）
T Tmin
A =Q/(h ∆Tln)
QC=1 QC=2
QREC =11 QREC =10
H (MW)
QH=3
QH=4
2. 多流股的热-温复合曲线
已知4个流股的换热问题： 注： H = FCp(TS-TT)
流股
温度 (C)
初始 TS
目标 TT
H （MW）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C1
20
180
-32
C2
140
230
QC=1 QC=2
QREC =11 QREC =10
H (MW)
QH=3
QH=4
由此：两个流股换热问题的自由度为1，即 Tmin（或QC、QH、QREC）
Total cost
关于Tmin取值的说明
T (C) 150
100
FCp=0.1
Tmin=20ºC
FCp=0.2
30
Tmin=10ºC
(3) 循环(loop)：一个路径，其起点和终点为同一个点，如(a)中的CGDHC和 BGCEB，二者均为独立循环；BGDHCEB为非独立循环，(因为它是上 述两个独立循环的加和并去掉CG线而得)
（3） 最小换热器数目
由图论：
(a) A B C D
Nu=S+L-C
Nu：连线数（换热器数） S：点数（换热流股数）
1364.5 138 (128)
1046.4
318.0 445.7 150
105.5
3
164.4
-58.9
1470.0 (126) 116
1210.8
259.1 386.8
290.1
2
251.5
38.6
100
1760.1 93
(83)
1462.3
297.7 425.4
-
1
175.3
-175.3
1760.1
SH：位于夹点的热流股数， SC：位于夹点的冷流股数
（5） 换热网络夹点设计方法
5. 换热网络设计步骤
第1步：选择Tmin 第2步：基于Tmin 计算最小公用工程用量 第3步：应用总复合曲线（GCC）图选择冷、热公用工程，计算各自用量 第4步：如果换热问题存在夹点，则以夹点为界将问题分解为两个换热网络问题，
FCp (kW/C)
7.62 6.08 8.79 10.55
热复合流股
扩展表 (Tmin=10 C) 累计 移出
温度
温度 260
冷复合流股 移入
累计 0.0
-
7
127.7
0.0
249
(239)
127.7
833.5
6
480.3
833.5
(170)
160
608.0
105.5
5
137.0
939.0
160
1. 夹点原理
QH+QEX
定理：夹点之上的任何流股不得与夹点之下的 T (C) 任何流股换热，否则需要的公用工程 250 将大于目标值。
推论1：夹点之上热流股需移出的热量全部由 冷流股回收；夹点之下的冷流股所需 的热量全部由热流股提供。
20
推论2：夹点上、下分别为相互独立的换热网 络。
Tmin=10
(150)
745.0
425.5
4
301.4
1364.5
138
(128)
1046.4
105.5
3
164.4
1470.0
(126)
116
1210.8
290.1
2
251.5
1760.0
93
(83)
1462.3
-
1
175.3
1760.0
60
1637.5
T
T
复合温-热图 (Tmin=10 C)
300
夹点(pinch point)
250
平移后的热流股复合曲线
200
150
100
50
20 000
500
101000 00
1500
Q
290 240 190 140 90 40
20000
T
T
复合温-热图 (Tmin=10 C)
300 250.1 kW
250
200
150
100
50
20000
500
127.7 kW
11000000
1500
第4章 换热网络的合成
(Heat exchange network synthesis)
（1） 引言
• 化工过程中存在大量需要换热的流股 • 流股间的换热 – 能量的回收 • 多流股间的换热存在多种可行方案 • 命题：如何寻找最优方案——夹点分析法
问题的定义
已知： 一组热流股 （需要冷却） 一组冷流股 （需要加热） 各流股的进、出口温度（初始、目标温度） 各流股的流量、热容（假设为常数）
240 250
190 200
T
140 150
90 100
40
20000
50 0250.1
290 240 190 140 90 40 1000
4. 总复合图（Grand Composite Curve)
根据总复合图确定公用工程的温度
Q4 Q5
120
110
100
90
80
70
60
50
Q1和Q2的价格低于Q3 Q4 的价格低于Q5
换热网络设计奖针对两个独立的网络分别进行，夹点之上、下仅分别需 要热、冷工用工程。 第5步：分别计算两个独立换热网络最小换热器数，即N-1，N为某个换热网络问 题换热流股总数 第6步：按照夹点、FCp不等式等原理和规则建立换热网络 第7步：尽可能移除热量的循环。
NBLP = 4
COST= a QU( Tmin) +NABPbAABP+NBLPbABLP
Tmin 的计算： 由不同的Tmin 值计算COST， 由Tmin -COST，的关系确定最优Tmin
作业：阅读第10.1.5节（包括例10.3)； P385：9-14
（5） 换热网络夹点设计方法
300
250
200
150
100
50
20000
500
11000000 Q
6
1500
7 290 7
240 6
5
190
4
140
3
90
2
40
20000
1
流股
C2 ST H2 C2 H2 C1 C2 H1 H2 C1 C2 H1 H2 C2 H1 C1 H1 CW
面积
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18
T (C) 250
200 FCp=0.15
80 40