基于热容流率的换热网络夹点设计法_张飞龙

收稿日期： 2011 － 12 － 13 基金项目： 浙江省自然科学基金（ Y4100264） ； 甘肃省自然科学基金（ 1014RJZA008） 作者简介： 张飞龙（ 1973 － ） ，男，硕士，副教授，从事化工过程系统的分析与优化的研究，0931 － 2756296，zhangfl － gulan@ sohu． com。
图 4 考虑热容流率随温度发生变化对 最小温差 ΔTmin 的影响
3 结论
（ 1） 本文以 Linnhoff 换热网络夹点技术理论为 基础，提出了考虑热容流率随温度发生变化时确定 夹点位置的方法。
（ 2） 对热容流率随温度发生变化较大的换热系 统，考虑热容流率随温度发生变化所确定的夹点位 置及公用工程用量与不考虑热容流率随温度发生变 化所确定的有较大的差距。
第 32 卷第 5 期 2012 年 5 月
信息技术应用
现代化工 Modern Chemical Industry
May 2012 ·111·
基于热容流率的换热网络夹点设计法
张飞龙1，2 ，申 玲1 ，卢小平1 ，李 澜1 （ 1． 兰州理工大学石油化工学院，甘肃 兰州 730050； 2． 兰州理工大学温州泵阀工程研究院，浙江 温州 325105）
7000 290. 0
89. 0
H6
12. 60 0. 8445 120000 201. 0
130. 1
H7
12. 64 0. 8515
33525 240. 0
137. 0
H8
12. 69 0. 8590
64705 298. 0
218. 4
H9
12. 75 0. 8670
21570 307. 0
193. 9
流股
特性 因数
密度 / g·cm － 3
流量 / kg·h － 1
进口温 度/℃
出口温 度/℃
C1
12. 60 0. 8585 318600
52. 5
129. 9
C2
12. 60 0. 8585 314000 128. 0
231. 1
C3
12. 87 0. 8710 296000 210. 0
360. 0
（ 3） 对热容流率随温度发生变化较大的换热系 统，考虑热容流率随温度发生变化所确定的最小温 差也有较大的差距。
（ 4） 对热容流率随温度发生变化较大的换热系 统，考虑热容流率随温度发生变化所估计的投资费 用更接近于实际投资。
参考文献
［1］ Linnhoff B，Hindmarsh E． The pinch design method for heat exchanger networks［J］． Chemical Engineering Science，1983，38 （ 5） ： 745 － 763．
H1
11. 97 0. 7495
89500 108. 0
72. 7
H2
11. 95 0. 7715
78000 173. 5
103. 7
H3
12. 12 0. 8080
46625 230. 0
102. 0
H4
12. 30 0. 8235
72500 305. 0
221. 2
H5
12. 39 0. 8290
∑ ∑ ∑ FCi CPCi+1 － Ti ×
FHi CPHi + Ti+1 ×
FHi CPHi+1 （ 1）
CP
= ［0. 7072
－
0.
318
d15. 15.
56 56
+ （ 0. 00147
－ 0. 000551 ×
d ） 15. 56 15. 56
t］ ×
（ 0. 055KW
+ 0. 35）
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现代化工
第 32 卷第 5 期
输入表 1 所示物流数据。然后在确定的最小允许温 差 ΔTmin下，利用 Linhoff 夹点技术法，确定温区端点 温度 T1 ，T2 ，…，Tn + 1 。具体措施是首先将热物流的 起始温度与目标温度减去最小允许温差 ΔTmin，然后 与冷物流的起始、目标温度一起按从大到小排列，分 别用 T1 ，T2 ，…，Tn + 1 表示，从而生成 n 个温度区间。 其次，判断该过程是否考虑热容流率随温度发生变 化，如果要考虑则用公式（ 1） 、（ 2） 、（ 3） 计算热量净 需求量，并对每个温区进行物流焓平衡。
H10 12. 85 0. 8745
7485
329. 0
192. 1
H11
12. 72 0. 8973
30000 347. 0
142. 3
H12
12. 85 0. 9185 112870 379. 5
109. 0
∑ Di = Inputi － Outputi = ti × FCi CPCi － ti+1 ×
到目前为止，夹点技术理论虽已发展得较为成 熟，但所有这些换热网络合成方法都没有考虑热容 流率随温度发生变化而对换热网络的影响。据此， 本文研究了热容流率随温度发生变化对换热网络设 计的影响，提出了基于热容流率随温度发生变化的 新的确定夹点位置的夹点技术法。
1 夹点位置的确定
结合某石油常减压换热网络系统为例，说明基 于热容流率随温度发生变化的夹点位置的确定和夹 点技术方法的实际应用，其过程如图 1 所示。首先
Abstract： Based on Linnhoff pinch technology，a method of locating the pinch which considers the heat capacity flowrate of a stream with variation in temperature is presented for the design of heat exchanger networks． It is analyzed and calculated in combination with an practical example． The result shows that the pinch position，the minimum temperature difference and utility consumption can be determined more accurately． The investment estimate is more close to the actual situation．
× 4. 187
（ 2）
d15. 56 15. 56
Baidu Nhomakorabea
= d240 + （ 9. 04 － 5. 6d240 ）
× 10 －3
（ 3）
图 2 热容流率随温度发生变化对换热 网络系统夹点位置的影响
由图 2 可知，考虑热容流率随温度发生变化的 换热系统，当 ΔTmin ＜ 16. 35℃ 时，其为阈值问题，即 输出为 0 的温区为最后一个温区。不考虑热容流率 随温度发生变化的换热系统，当 ΔTmin ≤20. 2℃ 时， 其为阈值问题，即输出为 0 的温区为最后一个温区。 由图 1 表明，考虑热容流率随温度发生变化会明显 影响换热网络系统的夹点位置，如取 ΔTmin = 30℃ 时，考虑热容流率随温度发生变化，其夹点位置对热 物流来说，此点为 298℃ ，对于冷物流来说，此点为 268℃ 。但是，若不考虑热容流率随温度发生变化， 取 ΔTmin = 30℃ 时，其夹点位置对热物流来说，此点 为 240℃ ，对于冷物流来说，此点为 210℃ 。
（ 1． School of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China； 2． Wenzhou Institute of Pump and Valve Engineering，Lanzhou University of Technology，Wenzhou 325105，China）
摘要： 以 Linnhoff 换热网络夹点技术理论为基础，提出了在进行换热网络设计时，考虑热容流率随温度发生变化时确定夹
点位置的方法，并结合实例进行分析计算。该法对夹点位置、最小温差、公用工程用量的确定更加准确，对投资费用的估算也更
接近于实际。
关键词： 换热网络； 夹点技术； 热容流率
中图分类号： TQ021． 8
文献标识码： A
文章编号： 0253 － 4320（ 2012） 05 － 0111 － 03
Pinch design method for heat exchanger networks based on heat
capacity flowrate
ZHANG Fei-long1，2 ，SHEN Ling1 ，LU Xiao-ping1 ，LI Lan1
2012 年 5 月
张飞龙等： 基于热容流率的换热网络夹点设计法
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计结果不能达到预期目标。
2 最小温差 ΔTmin的确定
如图 4 所示，换热网络的年总费用有一个最小 值，公用工程及最小温差有特点值。因此，必须确定 设计网络的最小温差所在的地方。通过价格设计， 采用夹点技术最小温差很容易确定。对考虑热容流 率随温度发生变化的最小温差为 16. 4℃ ，对热容流 率恒定的最小温差为 20. 2℃ 。由图 4 可以得到，考 虑热容流率随温度发生变化的换热网络设计费用高 于不考虑热容流率随温度发生变化的情况，因此若 换热网络设计过程中不考虑热容流率随温度发生变 化，其设计估计的投资费用将远离实际投资的费用。
以表 1 数据为例，分别取最小温差 ΔTmin = 5、 10、15、16、16. 35、17、18、19、20、20. 2、25、30℃ 等，研 究热容流率随温度发生变化对换热网络夹点位置及 公用工程消耗的影响，计算结果如图 2、图 3 所示。
图 1 夹点位置的确定
表 1 某石油常减压换热网络系统物流数据
格与 管 程 价 格 的 成 本 预 算 方 法，2008 年 Akbari 等［11］提出了基于 流 体 走 壳 程 或 管 程 的 面 积 目 标 换 热网络，同年 Pettersson［12］提出了用几何平均温度法 进行换热网络设计的方法，Jos'e 等［13］提出了等温过 程流股换热网络优化方法，2009 年 Akbarnia 等［14］ 提出了一个考虑管道价格的换热网络总价格目标 法，同年 Mohammadhasani 等［15］提出了一种新的价 格优化换热网络的方法。自夹点技术提出以来，国 内学者也纷纷对其进行了的研究［16 － 19］。
图 3 热容流率随温度发生变化对换热 网络系统共用工程消耗的影响
由图 3 可知，热容流率随温度发生变化对换热 网络系统 共 用 工 程 消 耗 影 响 很 大，以 取 最 小 温 差 ΔTmin = 30℃ 为例说明，对考虑热容流率随温度发生 变化的换热网络系统来说，其热公用工程需求量为 20 047. 2 kW，冷公用工程需求量为 4 838. 9 kW。对 不考虑热容流率随温度发生变化的换热网络系统来 说，其热公用工程需求量为 15 306. 6 kW，冷公用工 程需求量为 2 169. 7 kW。由此可见，如果换热网络 设计过程中不考虑热容流率随温度发生变化，其设
Key words： heat exchanger network； pinch technology； heat capacity flowrate
换热网络（ heat exchanger network） 合成方法大 致可以分为 3 类： 热力学方法、数学规划法和人工智 能专家系统。夹点技术法是目前应用最广泛、发展 较为成熟的，该方法是 1983 年由 Linnhoff 等［1］提出 的，其以严格的热力学知识和数学理论作为基础，方 法简单、灵活、实用，概念清晰，易于理解和掌握，并 且可在设计前期预测设计目标。随着夹点技术的深 入研究，方法本身也在不断地完善和发展。1984 年 Ahmad 等［2］提出了以最小公用工程及投资费用为 目标的夹点技术法，1986 年 Linnhoff 等［3］提出了超 目标法，1988 年 Gundersen 等［4］提出了投资目标优 化换热网络，1990 年 Colberg 等［5］提出了考虑面积 与匹配数量的目标方法，同年 Trivedi 等［6］提出了双 温差法，1991 年 Polley 等［7］介绍了考虑流股压力降 的目标方法，1992 年 Mathisen 等［8］从控制的角度通 过逐一计算比较确定旁路位置，提出一种换热网络 的旁路优化控制方法，1997 年 Uzturk 等［9］通过逐一 计算换热网络柔性指数确定旁路位置，2004 年 Hojjati 等［10］介绍了一种通过分解换热器价格为壳程价