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夹点技术（下）换热网络设计详细教程（附Aspen源程序文件）

夹点技术（下）换热网络设计详细教程（附Aspen源程序文件）

夹点技术（下）换热网络设计详细教程（附Aspen源程序文件）本教程以丙烯环氧化工段为例对换热网络的夹点设计过程进行详细说明，模拟的源文件来源于某一届化工设计大赛国赛特等奖作品。

本教程重在过程，夹点的原理已在本人的夹点技术原理与应用一文进行了详细介绍，因此本文不再进行解释说明。

另本教程参考了熊杰明老师及包宗宏老师的相关书籍，大家有什么不懂可以买来参考。

有兴趣学习的同学可以在本文文末获取Aspen源程序文件。

下面正式开始介绍使用Aspen Energy Analyzer进行换热网络设计的过程。

1、修改单位在进行设计之前，根据需要我们可以对单位进行修改，修改的方法具体为T ools/Preference/Variables/Variables/Units/Available Unit Sets页面下选用或者修改单位集。

本例采用默认的单位集。

2、数据导入本例采用直接从Aspen plus的模拟文件导入的方法，具体过程如下：（1）首先新建一个热集成文件，即点击Creat New HI Case创建新文件，出现如图的界面图1 新建文件其中上面的图标表示的含义从左往右依次是：从Hysys流程中导入数据、从Aspen流程中导入数据、从Excel中导入数据、打开目标查看窗口、打开复合曲线窗口、打开总复合曲线窗口、打开公用工程复合曲线窗口、打开换热网络网格图窗口。

（2）从Aspen流程中导入数据图2 从Aspen流程中导入数据图3 数据导入在左侧的Steps栏中，是导入的具体步骤，每一步都有相应的提示，从上往下步骤依次为选择文件类型，公用工程文件，模拟文件，经济文件、设定详细的选项、选择流程、改变公用工程或添加公用工程、选择加热器的公用工程、选择冷却器的公用工程、选择换热器的经济数据。

在右下角中的Tips中会提示你提供的模拟文件必须收敛，没有错误等等，有兴趣的可以将此提示看看，此处不再详细介绍。

点击“Next”，选择文件的路径。

17、第七章 换热网络 夹点设计

17、第七章 换热网络 夹点设计


H1
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
I1=0 SN1 SN2 D1=(0-2)(150-145)= -10 I2=O1= I1- D1=10 D2=(2.5-2)(135-110)=12.5 I3=O2= I2- D2=-2.5
物流 热容 初始 终了 热负 标号 流率 温度 温度 荷
H1 H2 C1 C2
Ik
DK Dk =
Ok
0 冷热均衡。 > 0 需外部提供热量。 < 0 有剩余热量。
Ik
DK
Ok
Ik：外界或其它网络供给 k 网的热,输入。 Ok：k网向外部或其它网排出的热量，输出。 则： 热衡式： Ik = Ok + Dk 变形：Ok = Ik – Dk （k = 1,2…N) 同时由于各网格间联系的存在，有： Ik+1 = Ok
计算第一个网格，由于此 前没有其他网格，故输入 视为0。
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
物流 热容 初始 终了 热负 标号 流率 温度 温度 荷
D1 = ∑Cpcold ( Tk – Tk＋1 ) –∑Cphot (Tk’ – Tk＋1’ ) = (∑Cpcold - ∑Cphot ) (Tk – Tk＋1 )
7.2.2 换热网络合成的研究
换热网络合成技术的研究主要经历了四个阶段： (1)Hohmann的开创性工作 Hohmann在温焓图上进行过程物流的热复合， 找到了换热网络的能量最优解，即最小公用消 耗。
温焓图（T – H 图）； 1 结构：横轴为焓，纵轴为温度。 2 物流在T – H 图上的标绘： T

T A
H2 B
E
H1
D
换热网络与夹点技术

换热网络与夹点技术

• c. 费用相加得到总的年费用。不同的 $T min 对应不同的年费用
ΔTmin 的权衡
• 低ΔTmin • 1公用工程能量降低，能量费用↓ • 2换热量增大，投资↑ • 3推动力变小，换热器变大，投资↑ • 4热负荷减小，加热器，冷却器减小，投资↓ • 5依照回收期限，总费用估计 • 最终平衡将取决于换热器面积费用、加热和
• (2)易懂,适于手算; • (3)能够较快产生不同拓扑结构的网络; • (4)在过程系统中,已经有成功的应用实例,并
取得了显著的效益。
存在问题
• 1能量松弛需要协调单元数、公用工程的消 耗量和面积3个因素,使网络的总费用最低。 PDM依赖使用者的直觉和简单的计算,所得 网络的公用工程的消耗量实际上对应着一 个新的夹点温差，这一自相矛盾的根源在 于网络中的所有单元均使用了单一的ΔTmin。 严格区分确定网络能量回收水平的最小温 差ΔTmin=HRAT和网络中换热器换热所允许 的最小温差ΔTmin=EMAT这两个基本概念,从 而形成了一种双温差法(或伪夹点技术)。
• 注意物流热容流率的变化，尤其是存在拓 扑陷阱的问题（温差下，净热流量大）。
5能量松弛
• 夹点之上： • Umin，1=N1-L1-S1 • 夹点之下： • Umin，2=N2-L2-S2
• Umin=Umin，1+Umin，2
• 以最小的能量牺牲，降低设备单元数的 “能量松弛”的方法如下：
• 1若存在回路，识别这条回路（跨越夹点） • 2通过加减负荷的方法来断开回路 • 3重新计算网络温度并判断是否违背ΔTmin • 4寻找松弛路径和T=f（x） • 5恢复ΔTmin
• 然后重复该方法应用于其他回路和路径， 得到具体不同设备单元数和能量用量的范 围。通常删除能量较小的设备单元。
利用夹点技术分析优化甲基叔戊基醚装置换热网络

利用夹点技术分析优化甲基叔戊基醚装置换热网络


应和甲醇回收 ３ 个部分组成。其中醚化反应是合
成 Ｔ Ｉ 的关键部 位 。 目前 醚化反应 主要 采用 方 Ａ、 他
式有管式反应、 膨胀床反应 、 固定床反应及催化蒸
馏反应 技术 。合 成 Ｔ ＭＥ 最 普 遍 、 Ａ 最先 进 的 技术
是固定床催化蒸馏工艺 ； 反应物首先在 固定床中达 到化学平衡， 然后经过催化蒸馏使反应进行完全。 在 ２ 世纪 ７ ｏ ０年代 ， ｉ ｈ ｆ等开发 的夹点 Ｌｎ ｏ ｎ ｆ
于一个 给 定 的 △ ， 以找 到一个 夹点 。 可
置进行优化分析 ， 可以提高装置的能量利用效率。
收 稿 日期 ：０ １Ｏ —Ｏ ２ １一８３
图１ 的右上角表示至少要 由热公用工程提供 Ｑ 的热量才能将冷流股提高到 目标温度， 左下 角表示至少要 由冷公用工程提供 Ｑ 的冷却量 ｃ
１２ ， ． 然后运用夹点技术对 甲基叔 戊基 醚固定床 装置换 热 网络进行优 化分析 。计 算结果表 明， ｗ 优化
关 键 词 ： 点技 术 ； 夹 甲基 叔 戊基 醚装 置 ； 热 网络 ； 化 换 优
后的换热 网络节 能效果较好 。通过 小试 数据 ， 可以椎 断 中试乃至Ｘ ＿化 装置的换热网络节能情况。 －ｋ ， ｌ
（． １ 中国石油吉林石化公司 研 究院 ， 吉林 吉林 １ ２ ２ ；． ３ ０ １ ２ 中国石油吉林石化公司 ， 吉林 吉林 １ ２ ２ ） ３０２
摘
一
要 ： 用 Ａｓｅ ｌｓ 件 计 算 出 冷 流 股 和 热 流 股 的 焓 变 ， 热 流 股 的 焓 变 分 别 为 １ ４Ｗ 和 利 ｐ ｎＰｕ 软 冷 ．
科 研 开 发
பைடு நூலகம்
Ｓ Ｎ ＆Ｅ Ｎ Ｏ化 ＥＣ１Ｄ１Ｙ Ｃ Ｃ ＴＨ Ｌ Ｙ 科 ，１ＩＵＲ Ｉ Ｅ Ｃ Ｏ ＧＩ Ｈ２ ，６ｓ ３ Ｅ Ｃ ＭＡ（４４ Ｎ 技０Ｌ ）Ｔ 工 Ｉ ： １９ ￣ Ｎ
夹点法设计能量最优的换热网络——李俊乾

夹点法设计能量最优的换热网络——李俊乾

125 100
240.0
262.5 225.0
问题表格（1） 子网络序号 冷物流及其温度 k C1 C2 SN1 SN2 SN3 SN4 热物流及温度 H1 H2
150 125 145 100 70 40 120 90 60
SN5
SN6
25
20
问题表格（2）
子网络 序号 赤字Dk kW 热量 kW 热量 kW
◆ 热容流率符合可行性规则2：
CPH<CPC
(热流股热容流率2.0, 冷流股热容流率 2.5、3.0)
◆ 按经验规则，应使热流股1与冷流股1匹配。
夹点热端的流股匹配
（2）冷端的设计
分析：
◆ 流股数符合规则1：
NH ≥ NC
CPH ≥ CPC
(热流股数 2，冷流股数2)
◆ 热容流率不符合规则2：
(热流股热容流率2.0、8.0， 冷流股热容流率 2.5、3.0)
目标 热负荷 kW Q 180.0 240.0 262.5 225.0
标号
流率
kW/ oC CP
温度
oC
温度
oC
Ts 150 90 20 25
Tt 60 60 125 100
H1 H2 C1 C2
2.0 8.0 2.5 3.0
（1）热端的设计
分析：
◆ 流股数符合可行性规则1：
NH <NC
(热流股数 1，小于冷流股数2)
无外界输入热量 Ik Qk 10 -2.5 -107.5 27.5
外界输入最小热量 Ik 107.5 117.5 105.0 0 Qk 117.5 105.0 0 135.0
SN1 SN2 SN3 SN4
－10 12.5 105.0 -135.0
换热网络优化——夹点理论

换热网络优化——夹点理论


A4
Yibin University
2012-6-5
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
7.2.2 换热网络合成的研究


Hohmann的开创性工作。
在温焓图上进行过程物流的热复合，找到了换热网 络的能量最优解，即最小公用消耗； 提出了换热网络最少换热单元数的计算公式。


意义在于从理论上导出了换热网络的两个理想状态 ，从而为换热网络设计指明了方向
A5
Yibin University
2012-6-5
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成 •Linnhoff和Flower的工作 合成能量最优的换热网络。 从热力学的角度出发，划分温度区间和进行热平衡 计算，这样可通过简单的代数运算就能找到能量最优 解（即最小公用工程消耗），这就是著名的温度区间 法（简称TI法） 对能量最优解进行调优。
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
第七章 换热网络合成
Dr. 尚书勇 宜宾学院化学与化工学院
A1
Yibin University
2012-6-5
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义
换热是化工生产不可缺少的单元操作过程。 对于一个含有换热物流的工艺流程，将其中的换热物流 提取出来，组成了换热网络系统 其中被加热的物流称为冷物流，被冷却的物流称为热物 流。
如果上一步计算得ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的Ｑi均为正值，则这步计算是不 必要的
A16
Yibin University
2012-6-5
2009年度宜宾学院化工学院课程 第3列最下面的数字表示由第一定律得到的该热回收网络所需 的最小冷却量； 化工过程分析与合成 第4列最上面的数字表示该热回收网络所需的最小外加热量； 例7-2:利用例7-1中的数据，计算该系统所需的最小公用工程 第5列最下面的数字表示该热回收网络所需的最小外冷却量； 消耗。假设热公用工程为蒸汽，冷公用工程为冷却水，它们 若热回收网络达到最大能量回收，则所需要的公用工程消耗等 的品位及负荷足以满足物流的使用。 于表中最小外加热、冷却量。 解：按问题表计算步骤，得到的问题表7-2
换热网络优化——夹点理论

换热网络优化——夹点理论


类型
冷 热 冷 热
FCp,KW/℃ T初, ℃ T终, ℃ 热量Q,kW
3.0
60
180
-360
2.0
180
40
280
2.6
30
105
-195
4.0
150
40
440
165
Yibin University 2020/1/19
A8
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
如果没有温度推动力的限制，就必须由公用工程系统 提供165kW的热量
A15
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
4. 若Ｑi为正值，则表示热量从第i个温区向第i+1个温区
，这种温度区间之间的热量传递是可行的。
若Ｑi为负值，则表示热量从第i+1个温区向第i个温区
传递，这种传递是不可行的。
为了保证Ｑi均为正值，可取步骤3中计算得到的所有Ｑ
i中负数绝对最大值作为第一个温区的输入热量，重新 计算。
通过确定物流间的匹配关系，使所有的物流均达到它们 的目标温度，同时使装置成本、公用工程（外部加热和 冷却介质）消耗成本最少。
Yibin University 2020/1/19
A4
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
7.2.2 换热网络合成的研究
Hohmann的开创性工作。 在温焓图上进行过程物流的热复合，找到了换热网
Yibin University 2020/1/19
A2
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义
换热网络的消耗代价来自三个方面：换热单元 （设备）数，传热面积，公用工程消耗，换热 网络合成追求的目标，是使这三方面的消耗都 为最小值。
第5章 夹点技术设计换热网络

第5章 夹点技术设计换热网络


所以不一定遵循该规则。
（a)夹点之上，可行的夹点匹配； （b)夹点之上，不可行的夹点匹配。
（a) 夹点之下，可行的夹点匹配。
CPHCPC
（b) 夹点之下，不可行的夹点匹配。 CPH<CPC
5.2.2 物流间匹配换热的经验规则
经验规则1 每个换热器的热负荷应等于该换热器冷热物流匹配
中热负荷较小者，以保证经过一次换热，既可以使一个物流达 到规定的目标温度,以减少所用换热设备的数量。
Q W c p (Tt Ts ) H
T Tt Ts 1 斜率 H H W cp
W· cp-热容流率
不同物流在 T-H 图上的标绘：
冷物流 热物流
纯组分气化 纯组分冷凝 多组分气化 多组分冷凝
5.1.2 组合曲线
将系统的物流组合起来，以便于进行过程的冷、热物流的合 理匹配。 组合方法：
负的剩余热量（即需要子网络3向子网络2供给热量，但这是不可
能的）。
k =3，（温度间隔为 120～90 ℃)
D 3=（2.5+3－2) ×(120－90) = 105
O3 = I3 － D 3 = －2.5 － 105= －107.5
k =4，（温度间隔为 90～60 ℃)
D 4=（2.5+3－2－8) ×(90－60) = －135
(3) 夹点下方避免引入公用工程加热物流 。
违背以上三条，就会增大公用工程负荷及相 应的设备投资。
5.2.1 夹点处物流间匹配换热的可行性规则
夹点匹配：指冷、热物流同时有一端直接与夹点相同，即同 一端具有夹点处的温度。
夹点匹配
夹点匹配 非夹点匹配
非夹点匹配
可行性规则： 规则1 对于夹点上方，热工艺物流（包括其分支物流）的数目 NH不大于冷工艺物流（包括其分支物流）数目NC，即：
_换热网络_夹点设计法完整版

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SN4
D4=(2.5+3-2-8)(80-50)= -135 I5=O4= I4- D4=27.5
140 135
100 SN3 80 SN4 SN5 SN6 60 40
120 100 80 60 40
110
80
50 35 30
C2
C1
20
H1
H2
I4=O3= I3- D3=-107.5 SN4 D4=(2.5+3-2-8)(80-50)= -135 I5=O4= I4- D4=27.5
换热网络合成的基本思想： 在工艺过程设计中节能非常重要，因此换 热网络设计追求的目标不仅是使物流温度满足 工艺要求，还要回收过程余热，减少公用工程 消耗。 换热网络合成的任务： 确定换热物流的合理匹配方式，从而以最 小的消耗代价，获得最大的能量利用效益。

换热网络消耗的来源：换热单元(设备)数，传热 面积，公用工程消耗。
110
80
50 35 30
C2
C1
20
H1
H2
汇总结果
I1=0
SN1 D1=(0-2)(150-145)= -10 I2=O1= I1- D1=10
SN2
SN3
D2=(2.5-2)(145-120)=12.5 I3=O2= I2- D2=-2.5
D3=(2.5+3-2)(120-90)=105
在各种合成方法中， Linnhoff的夹点技术具有较 强的实用性，并已被过程设计所采用。为此本 章主要介绍夹点设计技术。 为了方便起见，在本章讨论中，均假设热容流 率FCp为常数。
7.3 换热网络合成-夹点技术
7.3.1 第一定律分析 物流的温度发生变化时将会从外界吸收或向外 界释放热量，通过第一定律可以计算该热量值。 Q=FCp(T初-T终）
换热网络的夹点设计法

换热网络的夹点设计法

每个温度区间为一个子网络 ,每个子网络包含 所有具有该区间温度的物流 (或称通过该区间的物 流) 。这些子网络在一定的温度区间内进行热传递 ,
3 :国家自然科学基金资助项目 【作者简介】詹世平 ,女 ,1958 年生 ,1982 年毕业于大连理工大 学化工机械专业 ,硕士 ,副教授 。现从事教学与科研工作 。 【收稿日期】1998211216
·7 ·
流动沸腾传热渐进模型的一种修正形式
杨 军
天津大学化工学院生物化工系 天津 300072
摘要 在对文献模型进行分析的基础上 ,提出流动沸腾传热渐进模型的一个修正形式 。探讨了该 形式的合理性 ,并对该修正形式与实验数据的吻合情况进行了检测 。结果显示 ,该修正形式能较好地预 测窄矩形流道内流动沸腾传热的传热系数 。
负值 ,则需外界在第一级输入热量 Q h ,其值等于所 出现的负值的最大绝对值 ,以消除负值热量 ,在最大
负值热级联处 ,热流量为零 ,该点即为夹点 。第一级
输入热量为最小公用工程加热量 ,最后一级输出热
量为最小公用工程冷却量 。
212 预计最少换热设备数
当网络系统中不存在独立子系统时 ,最少换热
图 3 回路及其级别示意图
“级别”提供了某换热网络存在多大回路这个信 息 。另外 ,根据级别可识别出网络中的所有回路 。 调优的步骤首先是搜寻回路并试图从最低级把它们 断开 ,直到较低级回路消失或不能再分解为止 ,较高 级回路才将被断开 。一旦任何级的回路被断开 ,所 有步骤必须反复从最低级开始 ,因为此时已经改变 了热负荷或较低级回路的温度环境 。 413 基本回路的断开
关键词 流动沸腾 渐进模型 修正
1 引 言 流动沸腾传热包含着两相流体流动和沸腾传热
的相互影响 , 因而远较池沸腾复杂 , 但在工程中
2夹点技术换热网络优化综合

2夹点技术换热网络优化综合


z kskl aA
k l i
k i
式中 skl 为第k种公用工程用于第l台加 热器的年消耗量， k为单价，Ai为第i台 换热器、加热器或冷却器的换热面积，a 和b是计算设备费的常数 ， 是年折旧 率 。在计算换热面积时，往往取换热系 数为常数。
二、换热器网络的综合方法
一、换热器网络综合中的直观推 断规则
规则一 总是从最热的热物流开始，使其与最热 的冷物流相匹配换热，用热物流进口温度与冷物流出 口温度相配对（逆流换热）。 规则二 如果上述匹配不可行（温差太小），采 用一个加热器来加热冷物流的热端，以减低这个换热 器的出口温度，直到上述匹配称为可能为止。 规则三 一个流股匹配换热开始，就应当尽可能 地进行下去，直到实现下列情况之一为止： （1）热物流已经冷却到其目标温度； （2）冷物流已经加热到其目标温度； （3）冷、热物流之间温度已达到最小允许温差 △Tmin.。
自从C.S.Hwa于1965年首次提出换热器网 络优化问题以来，许多学者对换热器网络进 行了深入的研究，提出了多种最优或接近最 优的综合方法。根据研究方法的侧重面不同， 大体上可以分为以下几类：
第一类 数学规划法 即把问题归结为有约束的多变量优化问题。 目前虽然有一些成熟的数学方法可以利用， 但由于问题的维数太高，大规模非线性迭代 运算效率较低，致使现代的计算机也难以完 成。所以只好把问题加以简化，并在算法上 加以改进。这方面的代表性工作有80年代以 来的以美国CMU的Grossmann等人为代表的 MILP和MINLP方法。
第二部分 夹点技术与换热网络优化综合
主讲人：尹洪超 教授
大连理工大学能源动力学院 博士生导师 大连理工大学能源管理与节能研究中心 主任
夹点技术讲座内容

换热网络综合

当最终传热温差等于ΔT min时，热能被充分回收
8.1 过程系统的夹点及其意义
T
TH ,0
T TH ,P
TC ,2
H ,1
Tm in
TC ,1
TC ,0
QE ,m a x
H
QC ,m in
QH ,m in
ΔT =ΔT min
公用工程最省的换热方案
夹点的意义
1. 夹点上方无需公用工程冷却 2. 夹点下方无需公用工程加热 3. 夹点处无换热
8.3 换热器网络的综合
设计的主要步骤
1. 确定冷、热物流的数目 2. 确定互相匹配的物流
夹点匹配可行性规则一
夹点上方（热阱）热物流数（包括分支）NH应不大于
冷物流数（包括分支）NC，即NH≤ NC；夹点下方则应
有NH≥NC。
>90
90
H1
H1若与C1匹配传热则末
端传热温差低于ΔT min
H2
2 >90
例 一个过程系统含2个工艺热流和2个工艺冷流，给定它们数
据如下表，选取最小传热温差ΔT min=20°C ，试设计一个换热 网络，使其具有最大热回收。
流股标号
热容流率 CP/(kW/°C)
H1
2.0
H2
8.0
C1
2.5
C2
3.0
初始温度 Ts/°C 150
90
20
25
目标温度 Tt/°C 60
60
125
SN1 -10.0
0
10.0
SN2
12.5
10.0
-2.5
SN3 105.0 -2.5
-107.5
SN4 -135.0 -107.5

夹点技术设计换热网络

定的传热要求。
问题表格2
子网络 序号
SN1 SN2 SN3 SN4 SN5 SN6
问题表格(2)
△Tmin = 20 ℃
赤 字 热量/kW 无外界输入热量 热量/kW 外界输入最小热量
Dk / kW
Ik
-10.0
0
Ok
Ik
Ok
10.0 107.5 117.5
12.5 10.0 -2.5 117.5 105.0
Q W cp (Tt Ts ) H 斜率 T Tt Ts 1
H H W cp
W·cp-热容流率
不同物流在 T-H 图上的标绘：
冷物流 热物流
纯组分气化 纯组分冷凝 多组分气化 多组分冷凝
5.1.2 组合曲线
将系统的物流组合起来，以便于进行过程的冷、热物流的合 理匹配。 组合方法：
例 一过程系统含有的工艺物流为2个热物流及2个冷物流，给 定的数据列于表 中，并选热、冷物流间最小允许传热
温差△Tmin = 20 ℃ , 试确定该过程系统的夹点位置。
物流标号 热容流率CP / ( kW/℃ ) 初始温度Ts /℃ 终了温度Tt /℃ 热负荷Q / kW
H1要公用工程加热（热阱）;
（6）冷端在夹点温度以下，只需要冷公用工程冷却(热源)。 夹点温度差的影响： ΔT min大，QH, min、QC ,min 增大，QR,max减小
适宜的ΔT min 是总费用最低的优化值。
5.1.4 用问题表格法确定夹点
热级联： 每个单元都是相似的传热过程组 成的串级结构。每一级相当于一个子网络
热级联－ 虚拟的结构，同一温位的物流 集中于同一级。
第 k 级的热平衡 (k =1、2、3、4、…..K) 输出 = 输入- 赤字 Ok=I k-D k

利用夹点技术设计换热网络

利用夹点技术设计换热网络马连强Ξ郑开学　贺鑫平　高建红　华陆工程科技有限责任公司　西安　710054摘要　介绍夹点技术的基本概念以及利用夹点技术设计换热网络的原则,列举利用夹点技术设计换热网络过程的实例,并简单介绍换热网络优化方面的基本知识。

关键词　夹点技术　换热网络　设计 夹点技术(Pinch P oint T echn ology)是由Linnhoff为首的英国帝国化学公司(I1C1I)的系统综合小组开发的。

这个小组曾在1977～1981年对老厂技术改造及新厂建设的18项工程设计进行了重新设计计算,发现用新的原理设计平均可以节能30%,有的项目不仅可以节能,而且重新安排后节省了投资。

1982年美国联碳公司请Linnhoff指导,在一年时间内试算了9个工程实例,结果证明,用这种方法平均可以节能50%,用于老厂技术改造的设备投资一般可以在2～12个月内回收。

因而这种技术被认为是成熟的并可以在工业中普遍推广使用。

经验证明,采用这种方法在新设计中可节省能源和设备投资,在老厂技术改造中可用较少设备投资回收尽可能多的能量。

1　基本概念111　TH图工艺流股的热特性可以用TH图很好地表示出来。

当向某冷流股加入热量dQ时,如果温度变化为dT,则可以用式(1)描述:dQ=W・Cp・dT(1)式中,W为冷流股的质量流量,kg/h;Cp为冷流股的比热,kJ/(kg・℃)。

对于特定的冷流股,如果在温升范围内C p 变化不大,可将W・Cp当成常数,定义为热容流率CP,即:CP=W・Cp(2)则式(1)变为:Q=CP(T T-T S)=ΔH(3)式中,T T为冷流股的目标温度,℃;T S为冷流股的供给温度,℃。

这样就可以把该冷流股加热的过程用TH图表示出来,如图1所示。

图1　流股的TH图流股TH图的斜率为热容流率CP的倒数1/ CP,CP越大,斜率越小,在同样的热负荷下流股的温度变化越小。

当冷流股在温升范围内比热Cp变化显著时,流股的TH图是非线性的,在这种情况下可将温升范围分为若干个比较小的温度区间,在各个温度区间分别画出TH图。

换热网络优化——夹点理论课件

重要性
随着能源价格的上涨和环保要求的提 高，换热网络优化对于企业降低生产 成本、提高市场竞争力、实现可持续 发展具有重要意义。
换热网络优化的目标与原则
目标
提高换热网络的能量利用效率，降低能耗和生产成本，同时保证生产过程的稳 定性和产品质量。
原则
在换热网络优化过程中，应遵循系统能量利用效率最大化、操作费用最小化、 环境影响最小化等原则，确保优化方案的经济效益和环境效益。
CATALOGUE
换热网络优化案例分析
案例一：某石油化工企业的换热网络优化
总结词
通过夹点理论优化，实现节能减排
详细描述
某石油化工企业采用夹点理论对换热网络进行优化，通过调整工艺流程和操作参数，降低能耗和减少排放，提高 生产效率和经济效益。
案例二：某钢铁企业的余热回收系统优化
总结词
提高余热利用率，降低能源消耗
通过热力学第一定律和第 二定律分析系统中流股的 能量平衡和转化。
数学模型建立
根据系统流程图和热力学 数据建立数学模型，模拟 流股之间的热量交换。
夹点条件确定
通过分析数学模型，找出 系统中的夹点位置及其操 作条件。
夹点理论在换热网络优化中的优势与局限性
优势
夹点理论能够快速准确地确定系统中 的夹点位置，为换热网络的优化提供 指导。该方法简单易行，适用于各种 类型的换热网络。
局限性
夹点理论仅适用于稳态系统，对于动 态系统需要进行额外的处理。此外， 夹点理论无法处理复杂的化学反应和 多组分物系等情况。
03
CATALOGUE
夹点理论在换热网络优化中的 应用
夹点分析在换热网络优化中的步骤
确定目标函数
确定优化目标，如最小 化换热网络的能耗或成

换热网络设计

换热网络设计(总42页) -本页仅作为预览文档封面，使用时请删除本页-换热网络设计学院：班级：组员：指导老师：目录1. 前言 (2)2. 换热网络合成----夹点技术 (4)夹点特性 (4)温度区间的划分 (6)最小公用工程消耗 (7)温焓图与组合曲线 (8)3. 夹点法设计能量最优的换热网络 (10)匹配的可行性原则 (10)流股的分割---FCP表 (11)流股的匹配----勾销推断法 (13)4．换热网络的调优 (15)最小换热单元数 (15)能量与设备数的权衡 (16)△T min的选择 (17)5. 实例演算 (19)6. 心得体会 (40)1 前言化学工业是耗能大户，所以说在现代化学工业生产过程中，能量的回收及再利用有着极其重要的作用。

换热的目的不仅是为了改变物流温度使其满足工艺要求，而且也是为了回收过程余热，减少公用工程消耗。

在许多生产装置中，常常是一些物流需要加热，而另一些物流则需要冷却。

将这些物流合理的匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收能力，尽可能减少蒸汽和冷却水等辅助加热和冷却用的公用工程（即能量）耗量，可以提高系统的能量利用率和经济性。

合理有效的解决物流间的换热问题，涉及如何确定物流间匹配换热的网络结构及相应的换热负荷分配。

换热网络系统综合就是在满足把每个物流由初始温度达到制定的目标温度的前提下，设计具有最大热回收效果和最小设备投资费用的换热器网络。

在七十年代能源危机刺激了过程集成技术的发展。

过程设计从对单元操作的优化逐渐发展到对全系统的优化集成。

从70年代末发展起来的夹点技术是一项最成功的过程集成技术。

英国学者Linnhoff 博士领导的英国帝国化学公司（ICI）的过程综合小组率先在工程设计中采用了这种全新的设计方法，取得了令人瞩目的节能效果。

在新建工厂的设计中，每个工程项目比常规设计平均节能30%，并且还同时节省了设备投资，在现场装置技术改造的应用中，投资回收期一般为12个月左右。

换热网络操作夹点优化控制设计方案

换热网络操作夹点优化控制设计方案
张俊峰;罗雄麟;袁毅夫
【期刊名称】《炼油技术与工程》
【年(卷),期】2011(041)001
【摘要】换热网络的夹点法设计是针对某一特定的工艺条件而进行的,投入运行以后,当流量或温度波动时,换热网络的操作夹点就不同于优化设计值,最小温差也不再是设计时根据设备费用和操作费用优化得到的最小温差.利用空间离散化的动态模型,对某炼油厂常减压蒸馏装置的换热网络进行操作分析,并提出了操作夹点优化控制设计方案,对换热网络进行动态优化控制,在满足各物流出口温度的前提下,减少了公用工程用量.
【总页数】6页(P44-49)
【作者】张俊峰;罗雄麟;袁毅夫
【作者单位】中国海洋石油总公司,北京市,100010;中国石油大学自动化研究所,北京市,102249;中国石化工程建设公司,北京市,100101
【正文语种】中文
【相关文献】
1.换热网络操作夹点分析与旁路优化控制 [J], 罗雄麟;孙琳;王传芳;张俊峰;解增忠
2.换热网络操作夹点的求解与分析 [J], 孙文涛;胡永锁
3.夹点技术在八钢焦化粗苯蒸馏系统换热网络优化中的应用 [J], 王瑞
4.基于夹点技术的换热网络设计在冶炼烟气治理中的应用 [J], 陈玉萍;杨晓武;汤洛
5.二甲苯装置换热网络夹点分析与优化 [J], 蔡宝祥
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I2=O1= I1- D1=10 SN2 D2=(2.5-2)(135-110)=12.5
I3=O2= I2- D2=-2.5
140 160 SN1
120 140 SN2
C1
物流 热容 初始 终了 热负 标号 流率 温度 温度 荷
H1 2.0 150 60 180 H2 8.0 90 60 240 C1 2.5 20 125 262 C2 3.0 25 100 225
140 135
110
H1
Ok = Ik – Dk SN2 D2=(2.5-2)(135-110)=12.5 Ik+1 = Ok
I3=O2= I2- D2=-2.5
SN3 D3=(2.5+3-2)(110-80)=105 I4=O3= I3- D3=-107.5
SN1 SN2 SN3
SN4
C2
120 140 100 120 80 100 60 80
140
135
100 120 SN3
80 100
SN4
60 80
SN5
40 60
SN6
C2
C1
20 40
H1
110
80
50 35 30
H2
I4=O3= I3- D3=-107.5 SN4 D4=(2.5+3-2-8)(80-50)= -135
I5=O4= I4- D4=27.5
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
7 换热网络合成
7．1 化工生产流程中换热网络的作用和意义 换热是化工生产不可缺少的单元操作过程。
在所有工艺流程中，都会有一些物流需要被 加热，而另一些物流需要被冷却。
例如，图7-1所示的乙烯裂解气甲烷化流程。
对于含有换热物流的工艺流程，将其中 需要换热的物流提取出来，就组成了换热网 络系统。
在换热网络系统中： 需要被加热的物流称为冷物流； 需要被冷却的物流称为热物流。
SN5 D5=(2.5+3)(40-25)=82.5
I6=O5= I5- D5= -55
140
135
100 120 SN3
80 100
SN4
60 80
SN5
40 60
SN6
C2
C1
20 40
H1
110
80
50 35 30
H2
I5=O4= I4- D4=27.5 SN5 D5=(2.5+3)(40-25)=82.5
T(℃)
Q(kw）
H1
2.0
150
60
180
H2
8.0
90
60
240
C1
2.5
20
125
262
C2
3.0
25
100
225
一、夹点位置的确定及其意义：
1、采用问题表格法确定夹点位置 应用前提：各物料的比热可视为常数。
问题表格法求解夹点的步骤： （1）作出问题表格：
具体作法： a、分别作出冷热两侧流体标尺，标尺 的刻度相差△Tmin。
T A
H2
E
B F
C1’
H1 D
△Tm
C
I II III
C1 Ⅳ’’ Ⅴ Ⅵ
Qc.min
QN.min QR
H
(2)Linnhoff和Flower的工作
在综合和证实Hohmann工作曲线基础上，从方 法上提出分两步走。
第一步:合成能量最优的换热网络。从热力学的 角度出发，划分温度区间和进行热平衡计算。 通过简单的代数运算就能找到能量最优解(即最 小公用工程消耗)，这就是著名的温度区间法(简 称TI法)。
冷热 标标 尺尺
140 160 120 140
100 120
80 100
60 80 40 60 20 40
△Tmin=20
b、标出冷热物流及变温方向。物流 热容 初始 终了 热负
标号 流率 温度 温度 荷
热标尺
140 160 120 140
H1 2.0 150 60 180 H2 8.0 90 60 240 C1 2.5 20 125 262 C2 3.0 25 100 225
H2
（2）对每个网格进行热量衡算
定义Dk：本网格需要的热量，或称本网格冷热 物流换热赤字（相当于输出）。显然： Dk = ∑Cpcold ( Tk – Tk+1 ) –∑Cphot (Tk’ – Tk+1’)
= (∑Cpcold - ∑Cphot ) (Tk – Tk+1 )
Ik
0 冷热均衡。
DK Dk = > 0 需外部提供热量。
典型的换热网络合成问题：
热物流H：初始温度TH初
目标温度TH终
冷物流C：初始温度TC初
目标温度TC终
已知每条物流的热容流率FCp(物流流量与热容
的乘积)，通过确定物流间的匹配关系，以使所
有的物流均达到它们的目标温度，同时使装置
成本、公用工程(外部加热和冷却介质)消耗成本 最少。
7.2.2 换热网络合成的研究
Ok
< 0 有剩余热量。
Ik
DK
Ok
Ik：外界或其它网络供给 k 网的热,输入。 Ok：k网向外部或其它网排出的热量，输出。 则： 热衡式： Ik = Ok + Dk
变形：Ok = Ik – Dk （k = 1,2…N) 同时由于各网格间联系的存在，有：
Ik+1 = Ok
计算第一个网格，由于此
Ok = Ik – Dk
物流标号
H1 H2 C1 C2
热容流率 CP(kw/℃） 2.0 8.0 2.5 3.0
初始温度 T(℃) 150 90 20 25
终了温度 T(℃) 60 60 125 100
热负荷 Q(kw） 180 240 262 225
例题物流数据
物流标号 热容流率 初始温度 终了温度 热负荷
CP(kW/℃） T(℃)
SN5 D5=(2.5+3)(40-25)=82.5 I6=O5= I5- D5= -55
SN6 D6=(2.5)(25-20)=12.5 O6= I6- D6= -67.5
I1=0 SN1 D1=(0-2)(150-145)= -10
I2=O1= I1- D1=10 SN2 D2=(2.5-2)(145-120)=12.5
I3=O2= I2- D2=-2.5
SN3 D3=(2.5+3-2)(120-90)=105 I4=O3= I3- D3=-107.5
SN4 D4=(2.5+3-2-8)(90-60)= -135 I5=O4= I4- D4=27.5
7.3 换热网络合成-夹点技术
7.3.1 第一定律分析
物流的温度发生变化时将会从外界吸收或向外 界释放热量，通过第一定律可以计算该热量值。
Q=FCp(T初-T终）
T
H2
E
H1 D
A
B
C
H
Q=FCp(T初—T终）
第一定律在计算的公式中没有考虑这个事 实，即：只有热物流温度超过冷物流一定 值时，才能把热量由热物流传到冷物流。
由于落入各温度区间的物流已考虑了温度推动 力，所以在每个温度区间内，都可以把热量从 热物流传给冷物流，即热量传递总是满足第二 定律。
T A
H2
E
B F
C1’
H1 D
△Tm
C
I II III
C1 Ⅳ’’ Ⅴ Ⅵ
Qc.min
QN.min QR
H
结合例题介绍夹点设计法
例题：某换热系统，包含的工艺物流为两个冷物 流和两个热物流，相关数据见表。指定冷、热 物流间的允许最小传热温差ΔTmin =20℃ ，请设 计一个具有最大热回收的换热网络系统
前没有其他网格，故输入
Ik+1 = Ok
视为0。
物流 热容 初始 终了 热负
标号 流率 温度 温度 荷
D1 = ∑Cpcold ( Tk – Tk＋1 ) –∑Cphot (Tk’ – Tk＋1’ )
= (∑Cpcold - ∑Cphot ) (Tk – Tk＋1 )
I1=0
H1 2.0 150 60 180 H2 8.0 90 60 240
H1 2.0 150 60 180 H2 8.0 90 60 240 C1 2.5 20 125 262 C2 3.0 25 100 225
H2
d、标出各子网格界面处的虚拟界面温度。
虚拟界面温度：指相邻两子网 格间界面处冷热流体的平均温 度。
140 SN1
120 SN2
热标尺
160 140
100 120 SN3
C1
140 135
110
80
H1
H2
I3=O2= I2- D2=-2.5 SN3 D3=(2.5+3-2)(120-90)=105
I4=O3= I3- D3=-107.5
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
SN4 D4=(2.5+3-2-8)(80-50)= -135
I5=O4= I4- D4=27.5
I6=O5= I5- D5= -55
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
SN6 D6=(2.5)(25-20)=12.5
O6= I6- D6= -67.5
140
135
100 120 SN3
80 100
SN4
60 80
SN5
40 60
SN6
C2
C1
20 40
H1
110
80
50 35 30