换热网络合成例题
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换热网络与热集成我国国民经济正处于一个高速发展的时期,这就不可避免地出现能源消耗的大幅度上升。
当前我国的能源消费量已超过世界能源消费总量的10%,但是我国的人均能源消费量仅约为世界平均水平的50%,这种情况表明未来我国经济发展所面临的能源问题将更加突出、更加严峻。
为了保证国民经济持续、快速、健康地发展,必须合理、有效地利用能源,不断提高能源利用效率。
在大型过程系统中,存在大量需要换热的流股,一些物流需要被加热,一些物流需要被冷却。
大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多,如不同压力等级的蒸汽,不同温度的冷冻剂、冷却水等。
为提高能量利用率,节约资源与能源,就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配,以实现最大限度的热量回收,尽可能提高工艺过程的热力学效率。
热集成网络的分析与合成,本质上是设计一个由热交换器组成的换热网络,使系统中所有需要加热和冷却的物流都达到工艺流程所规定的出口温度,使得基于热集成网络运行费用与换热设备投资费用的系统总费用最小。
1.1 热集成1.1.1 概述进行流程的冷热流股之间的能量匹配设计并构建换热网络。
热集成旨在最大程度的利用流程内部的能量,减少公用工程的消耗,从而减少操作费用,降低生产成本。
通过对流程流股的深入分析,利用Aspen Energy Analyzer 设计换热网络,其主要步骤如下:(1)确定流程中需要换热的冷流股和热流股;(2)利用物流数据做出冷热流股的温焓图和总组合曲线图(GCC);(3)确定最小传热温差;(4)找出夹点及最小冷、热公用工程用量;(5)构建优化换热网络。
由于跨车间换热对管道伴热要求较高,使用的管道经济投资较大,在换热网络处理中,本设计将原料预处理工段、反应工段、二氧化碳捕集工段和分离提纯工段分别进行换热网络设计。
夹点设计技术原则:(1)流股数目准则夹点以上只能用热公用工程进行加热,所有的热流股都要用冷流股冷却到热夹点温度,夹点以下只能用冷公用工程进行冷却,所有的冷流股都要用热流股加热到冷夹点温度。
壳管式换热器例题(一) 确定计算数据用户循环水的供水温度为95℃,回水温度为70℃,外网蒸汽的温度为165℃,蒸汽焓为2763kJ/kg ,饱和水焓为694kJ/kg ,从水水换热器出来的凝结水温取80℃。
(二) 计算用户循环水量和外网的蒸汽流量。
用户循环水流量:s kg t t c Q G h g /55.41)7095(41871035.4)(6''=-⨯=-= 外网蒸汽进入热力站的流量:s kg h h Q D n q /79.1)804187102763(1035.4)(36=⨯-⨯⨯=-= (三)热网回水从水水换热器出来进入汽水换热器前的水温t 2()℃7.73)70(418755.4185418779.170)80165(222=-⋅⋅=⋅⋅-⋅⋅=-⋅⋅t t t c G c D (四)汽水换热器的选择计算因为热负荷较大,初步选择N107-3DN650型汽水换热器两台并联。
换热器的主要技术数据如下:管内水流总净断面积为87.9×10-4m 2,管内径为0.02m ,外径为0.025m ,单位长度加热面积7.9 m 2,总管根数/行程数为112/4,最大一排管根数为12根,每纵排平均管数为9根。
1、单台汽水换热器的换热量为:()Mw h h D Q b q 85.12694000276300079.12)(=-=-= 2、汽水换热器的平均温差为:℃80951657.731657.73951221=---=---=∆In t t t t In t t t n n p 3、热网循环水在换热器内的流速 可按下式计算:pn f G w ρ=式中p ρ-为换热器内热网水的平均密度,kg/m 3。
s m w m kg t n p pj /4.2969109.872/55.41/9694.8427.739543=⨯⨯===+=-ρ℃该流速在推荐流速范围内。
4、 内壁与水的换热系数℃⋅=⨯-⨯+=-+=22.08.022.08.02/1370602.04.2)4.84041.04.84211630()041.0211630(m w d w t t pj pj i α5、 外壁与蒸汽的凝结换热系数管外壁温度是未知的,假设管外壁温度比蒸汽饱和温度小30℃,则管外壁温度为:℃℃150216513513530165=+==-=m bm t t []()[]℃./3.5990135165025.09150163.01503.555028)(163.03.555028225.0225.020m w t t md t t bm b w m m =-⨯⨯-⨯+=--+=α6、 传热系数℃⋅=+++=+++=20/8.25643.5990130003.0500025.01370611111m w K wg wg g g i αλδλδα 7、验算假定℃3.343.5990808.25640'=⨯=∆=-αpb bm t K t t 相差较大,重新计算,假设相差34℃。
课程作业一:换热网络设计设计一个换热网络,该系统包含的工艺物流为3个热物流和3和冷物流,物流数据如下表所示,规定最小的允许传热温差为20℃。
假设热交换过程无相变,无热损失。
要求按照公用工程最省的原则设计出换热网络,并计算换热面积。
课程作业二:换热网络设计设计一个换热网络,该系统包含的工艺物流为3个热物流和3和冷物流,物流数据如下表所示,规定最小的允许传热温差为30℃。
假设热交换过程无相变,无热损失。
要求按照公用工程最省的原则设计出换热网络,并计算换热面积。
课程作业三:流程模拟策略由氯气和乙烯制二氯乙烯的流程见下图。
已知氯气(含96%氯、4%不凝性惰性气体)和乙烯的进料流量均为80kmol/h,设无副反应,乙烯的反应转化率为90%,分离塔为锐分离器,分割比u(放空分率)为5%,不考虑温度和压力的影响。
分别用序贯模块法和联立方程法求系统中所有流股的状态(包括流量、各组分的摩尔分率)。
8课程作业四:ASPEN模拟模拟二氯二甲烷(DEC)催化裂解制氯乙烯(VCM)的反应工艺,流程图如下:70 F390 psi 10 deg F subcooling已知条件:反应式为 CH2CL-CH2CL ——HCL + CHCL=CH2;CH2CL-CH2CL转化率=0.55;计算方法: RK-SOAVE;原料二氯二甲烷的进料量、温度和压力以及反应器、冷凝器、泵的操作条件在流程图中已给出,下面给出精流塔COL1、COL2的操作条件:COL1:塔板数15 stages、回流比RR=1.082、D:F=0.354、进料板:tray 7、压力为367 psiCOL2:塔板数10 stages、回流比RR=0.969、D:F=0.550、进料板:tray 6、压力为115 psi要求:1.由上述已知条件建立一个流程模块并给出下列结果:(保存为aspen-1.bkp)反应器(REACTER)热负荷:冷却器(QUENCH)热负荷:冷却器(QUENCH)出口温度:COL2塔顶冷凝器和塔底再沸器热负荷:在产品中VCM的浓度:2.在反应器中DEC的转化率在0.50-0.55之间变化,做一个灵敏度分析,被调节变量为反应器的热负荷和冷却器的热负荷。
化工原理换热习题答案化工原理换热习题答案换热是化工过程中非常重要的一环,通过换热可以实现能量的传递和转化。
在实际的工程应用中,我们常常会遇到一些与换热相关的习题。
本文将为大家提供一些常见的换热习题答案,希望能够帮助读者更好地理解和应用换热原理。
一、传热方式的选择1. 问题描述:在某个化工过程中,需要将高温的流体A与低温的流体B进行换热。
根据实际的工艺要求,我们需要选择一种合适的传热方式。
请问,在以下几种传热方式中,应该选择哪一种?(1) 对流传热(2) 辐射传热(3) 导热传热答案解析:根据问题描述,我们需要将高温的流体A与低温的流体B进行换热。
在这种情况下,我们通常会选择对流传热。
对流传热是通过流体的运动来实现能量的传递,可以快速有效地完成换热过程。
辐射传热主要依靠物体表面的热辐射来传递能量,适用于高温物体的换热。
导热传热则是通过物体内部的热传导来实现能量的传递,适用于固体材料的换热。
在这个问题中,由于我们需要将两种流体进行换热,因此对流传热是最合适的选择。
二、换热器的热效率计算2. 问题描述:某个换热器的进口温度为150℃,出口温度为70℃,冷却介质的进口温度为20℃,出口温度为40℃。
请问该换热器的热效率是多少?答案解析:热效率是指换热器中传递的热量与输入的热量之比。
根据题目中的信息,我们可以计算出热量的传递量和输入量。
热量的传递量可以通过计算两种流体的热量差来获得,即:热量的传递量 = 热量的输入量 - 热量的输出量热量的输入量 = 进口流体A的热量 - 出口流体A的热量热量的输出量 = 进口流体B的热量 - 出口流体B的热量进口流体A的热量 = 流体A的质量流量× 流体A的比热容× (进口温度 - 出口温度)进口流体B的热量 = 流体B的质量流量× 流体B的比热容× (进口温度 - 出口温度)根据以上公式,我们可以计算出热量的传递量和输入量。
然后,将热量的传递量除以热量的输入量,即可得到换热器的热效率。
)(s t p T T Wc Q H -==∆利用夹点温度合成换热网络摘要:化工生产中存在着大量的需要换热的工段,有些需要加热,有些需要冷却或冷凝。
如果能够合理地设计好换热网络系统,就可以最大限度地减少公共供热或供冷,而且还可能减少设备投资,达到节能的目的。
夹点技术(Pinch Technology )是合成换热网络常用的综合设计技术。
利用该技术设计合成公共供热或供冷最小的换热网络,在降低能耗,减少投资,保护环境等方面成效显着。
关键词:夹点技术、夹点的确定及意义、换热网络合成1.夹点技术夹点技术是以热力学为基础,从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布,从中发现系统的用能“瓶颈”所在,并给以“解瓶颈”的一种方法。
夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收。
用夹点技术设计合成的换热网络,可推广应用于整个过程系统的能量分析与调优。
目前,夹点技术在实际中应用广泛,取得较好的成效。
我国高校,设计部也已将夹点分析方法用于原油预热系统的节能改造,取得满意效果。
1.1温焓图用温焓图(T-H 图)能够简单明了地描述过程系统中换热网络中物流的热特性。
在温焓图上可以用一段线段或曲线描述物流的换热过程。
例如,当某一工艺物流从供应温度Ts加热或冷却到目标温度Tt,其所需的热量或冷量(该过程的焓差)为 式中,W 为质量流率kg/h;Cp 为比热容,kJ/kg.K;由此,就可在温焓图中画出表示物流温度及热量的变化的直线。
若Q 为负值,表示物流被冷却,需要冷量,在图中的直线为有一条箭头指向左下方的直线;若Q 为正值,表示物流被加热,需要热量,在图中的直线为有一条箭头指向右上方的直线。
若为一水平线,则表示为饱和物质流体的焓变,过程中温度保持不变。
若为曲线,则表示为多组分物质流体的热量变化。
1.2组合曲线在一个过程系统中,会有多股热物流和冷物流,在研究过程中,常常把多股物流在温焓图中有机结合在一起,同时考虑冷热物流的匹配换热问题,这样才更有意义。
2.换热网络合成例题
①基础数据
本例题共有三个热流、二个冷流,为方便起见,取物流平均比热进行计算,换热网络物流数据见表5-8。
②换热网络热量回收分析
以夹点温差ΔT min为变量,进行换热网络技术经济分析。
具体步骤是给出可行的夹点温差范围(本例中夹点温差ΔT min的范围为5~50℃),在该范围内平均选取若干个夹点温差分别进行夹点计算,确定该夹点下换热网络的换热负荷、公用工程负荷、换热面积、各项费用等。
现以ΔT min=20℃为例说明技术经济分析的步骤。
表5-8 例题中物流数据
热量回收计算:
以热流温度为基准,即各热流的进出口温度保持不变,各冷流的进出口温度分别加上夹点温差ΔT min=20℃,将换热网络中各个冷热物流按温度划分成若干个子网络,见表5-9所示。