HEXTRAN与过程热集成0

换热网络热集成
换热网络热集成
热力学方法 夹点分析PDM 夹点分析 (Pinch Design Method) 数学规划法 人工智能专家系统
夹点分析PDM
• 最小传热温差 夹点技术的核心是以热力学为基础，结合优化计算，充分利用 换热网络和公用工程之间的联系，引入夹点允许最小传热温差 这一重要的决策变量。 • 根据能量目标构造一个具有最大能量回收特性的换热初始网络， 其基本点是找出夹点位置，禁止通过夹点传递热量 • 再以设备投资费用和操作费用最小为目标，对初始网络进行调 优，从而获得一个最优或接近最优的换热网络。 • 夹点的出现限制了冷热物流间的进一步热量交换，同时，夹点 也将换热网络分成两部分，夹点之上和夹点之下。 夹点之上只能引入热公用工程 夹点之下只能引入冷公用工程
热机的位置
热力学定理
• 热力学—研究自然界中与热现象有关的各种状态 变化和能量转化的规律的科学。 第一定律：能量转化在数值上守恒 第二定律：过程按能量品位降低的方向进行 • 应用： 运用第一定律，可以建立热和功之间的定量关系； 运用第一、二定律，研究过程的方向和限度。
换热过程的经济性
对于变温热源，热量Q的最大做功能力为：(卡诺循环)
当环境温度T0、传热量Q和传热平均温度之积(THm*TLm)恒定时， 损耗功与传热温差成正比关系，即能耗费用随传热温差减小而降低。 但是，对于一定的传热量，为减少温差必须增加传热面积，导致设备 投资增加，存在能耗费用与投资费用的矛盾。 同时，在传热量Q和传热温差相同时，损耗功与流体的传热平均 温度之积成反比，显然低温传热的损耗功要比高温的大。高温传热允 许有较大的传热温差，低温传热允许的温差较小。 换热过程节能的主要方向应该时减少传热温差，尽量做到温位 匹配。
热泵的位置
热泵的位置
• 夹点之上（b） 夹点之上（ ）
压缩负荷Win使热公用工程减少同样的数量，但不减少夹点以下的冷 公用工程负荷。
• 跨越夹点（c） 跨越夹点（ ）
热量从夹点一下的温度区间移走，并排入夹点以上的温度区间，导 致热公用工程和冷公用工程负荷都减少，消耗轴功为代价。
• 夹点之下（d） 夹点之下（ ）
最优温度差
在设计过程中，我们常 常规定一个最小温度差∆Tmin， 来决定两个物流是否能进行 换热。 ∆Tmin → ∞ ∆Tmin → 0 换热面积趋于零，公用工程最大 换热面积最大，公用工程需求最小，当温差下降一定温
度时，冷热物流完全换热，需要公用工程提供换热的冷量或热量，此 温度称为阈值温度。 ∆Tmin取值是针对投资和公用工程统一优化的结果。 工艺物流的热集成－换热网络合成优化
由上式可知，相同的环境温度下T0，相同的热量Q，热力学平均 温度Tm越大，做功能力越大。
换热过程的经济性
对于换热过程，假设没有换热器的散热损失。根据热力学第一定律, 高温流体给出的热量QH即为低温流体得到的热量QL： |QH|=|QL|=Q 传热前，热量QH的最大做功能力为：
Wc = Q(1 − T0 ) THm
| QH | | QH | TH ω= = = | Ws | | QH − QL | TH − TL
由于实际过程中，压缩机运转总是有一定的机械能效率、工 质流动过程中摩擦起热及漏热造成实际热泵制热系数要小于可逆 热泵的制热系数，能效系数COP值。
热泵的效率
例 某空调器低温制热量为5230W，低温制热输入功率为2235W， 则其COP值为5230/2235=2.34，其从环境中吸收的热量为
热和功的集成－热泵
热泵是一种把热量从低温端送向高温端的系统，是一种节能设 备。它消耗一部分高质量的能量，通过热力循环，把自然环境或生产 排放出的余热加以挖掘进行利用。
热泵的效率
热泵的操作费用取决于驱动压缩的机械能或者电能的费用， 热泵的经济性能是已消耗单位功量Ws所取得的供热量来衡量的， 称为制热系数ω。对于可逆热泵（逆卡诺循环）的制热系数为：
HEXTRAN与过程热 集成
换热过程背景 与 HEXTRAN功能概要
换热过程背景
•化工企业三个子系统
化学装置（Chemical Plant） 换热器网络（Heat Exchanger Network） 换热 公用工程（Utility System）
网络 化学 装置
公用 工程
节能的关键在于提高各个子系统用能的合理性和各子系 统间能量匹配的合理性。 换热器网络是设备种类单一的子系统，除了设备性能继 续得到改进外，该子系统的综合一直受到很多关注。
压缩负荷Win使冷公用工程增加同样的数量，但不减少夹点以上的热 公用工程负荷。
为减少总公用工程负荷， 为减少总公用工程负荷，应将热泵跨越学反应都是放热反应，放出的热量不仅数量大而且温度 较高，这是一种宝贵的余热资源。应该先用功后用热。 热机是从高温热源吸收热量，将其一部分转化为功对外输出， 一部分剩余热量在低温下输出。
Wc = ∫ (1 −
0 Q
T0 )δQ, T
T0环境温度
恒压下，对于单纯的换热过程，δQ=dH=CpdT 代入上式： 其中，T1，T2分别为流体的初温和终温
Tm = T2 − T1 , ln(T2 / T1 ) Q = Cpm (T2 − T1 )
Wc = ∫ Cp (1 −
T1
T2
T0 T T )dT ≈ Cpm (T2 − T1 ) − T0Cpm ln 2 = Q (1 − 0 ) T T1 Tm
2995W 假定改用电加热，则它得到的热量与消耗的电量是相等的。 因此热泵是一种比较合理的供热装置。 热泵热水器 采用空调产品中逐渐成熟的空气源热泵技术，吸收环 境中的热量，通过逆卡诺循环工作原理加热用水。热泵热水 器的耗电量只需电热水器的1/4左右。
化学工业中的热泵
燃料价格提高，为了提高热力学效率，允 许利用同一精馏塔的塔底液体冷凝塔顶蒸汽。 当节省的冷凝和蒸发的公用工程费用及热 交换器的购置费用超过与压缩机相关的操作费 用和购置费用时，这种设计就更具优越性。
T0 ) TLm
传热后，热量QL的最大做功能力为： 传热过程的损耗功应是：
T0 T T0 ) − Q(1 − 0 ) = (THm − TLm )Q 换热设备即使没有散热损失，热量在数量上完全回收仍然有功损耗 THm TLm THm * TLm WL = Q(1 −
Wc = Q(1 −
换热过程的经济性
推荐的换热温差
(King C. J., Separation Processes. 2nd ed.)
介质类别 冷剂： -101℃ -70℃～-75℃ -55℃～-62℃ -40℃～-41℃ -23℃～-24℃ 0℃～20℃ 冷却水 锅炉水 空气 2.5～3 3～4 3～5 4～5 5～6 5～10 5～20 20～40 20～50 终端温差℃