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化工系统-第5章换热网络综合

化工系统-第5章换热网络综合
将TH、T L、Q 的计算式代入 中 :
T0 T0 Q Q TL TH T0 W j c j (T je T ji ) T0 Wk ck (Tki Tk e ) T je T ji Tki Tke Tki T je ln ln Tke T ji Tki T0 [W j c j l n Wk ck l n ] Tj i Tk e
CPH ≥ CPC
说明：该规则保证了夹点匹配中的传热温差不小于
允许的最小传热温差Tmin 。离开夹点后，由于物流
间的传热温差都增大了，所以不一定遵循该规则。
2015/9/1 化工过程分析与合成 22
夹点之上：
（a）可行的夹点匹配
（b）不可行的夹点匹配
CPH CPC
2015/9/1 化工过程分析与合成
2015/9/1
化工过程分析与合成
9
（2）热力学最小传热面积网络的综合 理论依据： 根据有效能分析，在T-H图上合理分配传热温 差及热负荷，实现冷热流体的逆流分配，得到满足 要求的热力学最小面积网络 步骤： ① 搜集物流数据：流量、温度、比热容、 汽化热等； ② 构造冷、热物流的组合曲线 ； ③ 调整冷、热物流的组合曲线，使得最小传热温差 不小于指定值； ④ 划分温度间隔区间，进行物流匹配。
损失，冷、热物流热容流率相等情况下比不等情况
下推动力大。 （2）采用经验规则时，经验规则1优于规则2； （3）经验规则对离开夹点的其余物流匹配换热也是 合适的。
2015/9/1
化工过程分析与合成
32
夹点设计法的要点
（1）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分
别处理。
（2）热端和冷端都先从夹点开始设计，遵循夹点 匹配可行性规则及经验规则。 （3）离开夹点后，采用经验规则，但传热温差约 束紧张时还应遵循可行性规则。

换热网络

换热网络
T, o C QH,min
Pinch Point
Tmin
该系统所需最小公用工程加 热负荷QH,min以及最小公用 工程冷却负荷QC,min ； 系统最大热回收QR,max ； 夹点把系统分隔为夹点上方 热端、夹点下方冷端。
QC,min
QREC H
Δ Tmin
1
ΔTmin
QC,min Q1C,min
3. 各流股在不同温度下的比热
4. 现有公用工程（如蒸汽，冷却水等）
的温度及其费用
设计最优（总费用最低）的换热器网络
0 580 100 FCp=1 0
580 1000 FCp=2
流股 C1 C2 H1 类型 冷 冷 热
0
反应器
初始温度 TS(℃) 100 100 600
6000 2000 定义各股物流的 流率与热容的乘 FCp=3 积为热容流率FC
2(580-420)=320
80-320=-240
备选方案3
200o
100o 100
o
180o 180
o
580o 580
o
反应器
600o
[3(600－200)]= [2(600－200)] + [1(600－200)] (1＋2)(180－100)=240
方案比较
加热量 冷却量加热介质 冷却介质 换热设备 公用工程 公用工程 加热设备 冷却设备 1 320 80 2 1 1 蒸汽 水 2 3 320 240 80 0 蒸汽 热水 水 无 2 2 1 2 1 0
目标温度 TT(℃) 580 580 200
p
FCp 1 2 3
△H(MW)
-480 -960 +1200
Utilities 蒸汽, S 热水, HW 冷却水，CW

第三节--换热站及热力管网PPT课件

第三节--换热站及热力管网PPT课件
3
（二）换热器的定义及分类
• 换热器是换热站的核心设备。所谓换热器 就是实现热量传递的设备。在石油、化工、 轻工、制药、能源等工业生产中，常常需 要把低温流体加热或者把高温流体冷却， 把液体气化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。 这些过程均和热量传递有着密切的关系， 因而均可以通过换热器来完成。
4
1、换热器的工作原理 • 换热器的工作原理是利用冷介质与热介质之间的
间供站是指：电厂为一次 线，小区为二次线，热源 与热网和热用户连接处为 间连接。通过下面的供热 流程可以理解间供站的定 义。
2
热源厂→一级换热站（汽水换人）→一级热水管网→ 二级换热站→二级热水管网→热用户 换热站的主要设备包括板式热水器；循环泵；一、二 次线除污器；补水泵；水箱；计量表；控制阀门等。
滚柱导向支架。 • 4)弹簧支架
15
（五）采暖系统与管网的连接
• 在民用建筑中，常用的采暖热媒介质是热 水，所以主要介绍热水采暖与集中供热热 网的链接形式。
• 采暖系统与集中供热热网相连时如设施比 较少，可称为引入口；如设施比较多，可 称为热力中心（或热力站）。热水采暖与 集中供热热网的连接形式可以分为直接连 接旋板式式换热器的构造原理、特点：螺旋 板式换热器是一种高效换热设备，适用汽—汽， 汽—液、液—液传热。按结构形式可分为不可拆 式螺旋板式及可拆式螺旋板式换热器。
• （3）列管式换热器的构造原理、特点：列管式换 热器（又名列管式冷凝器），按材质分为碳钢列 管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈 钢混合式列管换热器三种，按形式分为固定管板 式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、 双管程和多管程。
• （3）、小型换热站一般为单体单层砖混或内框结 构，大型换热站一般为二层全框或底框架结构。

换热网络

换热网络

换热网络集成1.分工段换热网络集成（1）异构化反应工段①物流信息提取Aspen plus 流程模拟提示“no error and warning”,通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

异构化反应工段物流提取信息见表1所示，热量回收及公用工程信息见表2所示。

表1 异构化反应工段物流提取信息物流名称类型入口温度（℃）出口温度（℃）热容流率（kj/℃·h）焓值（kj/h）流量（kg/h）异构化反应前20.0 140.0 1.575E067.057E06 8709 140.0 260.0 1.979E06260.0 380.0 2.326E06异构化反应后400.0 221.1 2.305E046.728E06 8709221.1 78.0 1.821E04表2 异构化反应工段热量回收及公用工程信息物流名称类型入口温度（℃）出口温度（℃）目标负荷（kj/h）目标流量（kg/h）生产高压蒸汽249.0 250.0 0 0高温炉气加热500.0 250.0 3．288E05 1315.02 空冷30.00 35.00 0 0②能量分析设定最小传热温差为10℃，利用Aspen HX-net 对能量进行分析，温焓图如图1所示，总组合曲线如图2所示。

图1异构化反应工段温焓图图2异构化反应工段总组合曲线图通过软件的计算，系统无夹点，所需热公用工程用量为6.406E05 KJ/H，冷公用工程用量为0。

③物流匹配本工段反应起始温度较高，需要加热量较大，为了更好的利用反应后气体温度，同时换热网络集成考虑了再生空气的换热，以及高温反应后气体的余热回收。

综合考虑工艺可行性、匹配原则、热量回收等原则，设计出异构化反应工段换热网络，如图3所示。

图3异构化反应工段换热网络（二） MTBE合成工段①物流信息提取Aspen plus 流程模拟提示“no error and warning”,通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

第6章-换热网络-(1)PPT课件

第6章-换热网络-(1)PPT课件
位，标出净热流量和该温段 的温度值，连接这些点就构 夹点
成了总复合曲线。
夹点处净热负荷为零，夹
点之上为热阱，夹点之下为
热源。
0
H
总复合曲线图
2020/3/23
9
§1.2 夹点确定方法
夹点确定的方法主要有：
图解法 问题表格法
2020/3/23
10
1. 图解法
T
h 最小接
近温差
c
△Hc △Hr
△Hh
H
冷全冷收公冷工积热部热△用热程为复用H复工复用无r合 公，合程合量限曲用回曲来曲最大线工收线进线小。在程热在行在，来H量H冷某但轴进轴的却点重方行方程和重合向冷向度加合点没却部由热的—有和分最。传—重加重小热此合热合接温时—。—近差回——温为收过过差零的程程决，热的的定所量能能，需最量量其的大没有余传，有部部热公回分分面用收回用，
（1）首先把热过程物流分别标绘在T-H图上；
（2）然后分割成若干个温度区间； （3）在每个温度区间内把物流的热负荷累加起来，
用一个虚拟物流代表；
（4）将各温度区间的虚拟物流首尾相接。
2020/3/23
7
3. 复合曲线
T
0
2020/3/23
△H1
△H2
复合曲线图构造图解
H
8
4. 总复合曲线
总复合曲线是由冷、热物 T 流匹配作出的，在不同的温
，使Ok消除负值。所需提供的最小热量就是使Ok或Ik中负值 最大者变成零的热量。
Ok =0处所对应温度为夹点温度，供给第一个子网络的 热量即为所需的最小热公用工程用量，最后一个子网络输出
的热量即为所需的最小冷公用工程用量。
2020/3/23

第七章换热网络合成

第七章换热网络合成
小允许温差△Tmin）。
精选完整ppt课件
10
• 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，即热量传递满足第二定律。
• 每个区间的传热表达式为
Q i [ (F)H C .ip (F)C C .i] T ip
精选完整ppt课件
11
温度区间具有以下特性：
• 人工智能方法的建立
精选完整ppt课件
7
7.3 换热网络合成—夹点技术
• 7.3.1 第一定律分析
QFC (T初 p T终 )
物流号
1 2 3 4
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
精选完整ppt课件
6
•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。 • 夹点（Pinch Point ）概念以及夹点设计法的建 立
第七章 换热网络合成
精选完整ppt课件
1
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。

换热网络


净 热 量 累 积
有 外 界 供 热
150
(130)
(145) 125 (120) 100 90 60 (45) (70) (40) 25 20
6
(40)
子网络热量衡算
热物流 子 网 号 子网 子网 放出 热量 热量 累积 H1H2 1 2 3 4 5 冷物流 子网 子网 吸收 热量 热量 累积 子网 净热 量
该系统所需最小公用工程加 热负荷QH,min以及最小公用 工程冷却负荷QC,min ； 系统最大热回收QR,max ； 夹点把系统分隔为夹点上方 热端、夹点下方冷端。
QC,min
QREC H
∆Tmin对夹点位置的影响
Δ Tmin
1
ΔTmin
QC,min Q1C,min
QR,max Q1R,max
QH,min Q
进行标绘
T,oC 260/270 239/249
热 源 QH,min(127.7)
总 合 成 曲 线
160/170 150/160 128/138 116/126
83/93 60/70
冷 源 QHC,min(250.1)
Cascaded Heat, kW
课堂习题
• 一过程系统含有 温度 ℃ 的工艺物流为2个 物流 号 热物流及2个冷物 初始 终了 流，并选热、冷 物流间最小允许 H1 150 60 传热温差∆Tmin ＝20℃，试确定 H2 90 60 该过程系统的夹 C1 20 125 点位置。
1 H,min
如果
∆T¹ min>∆Tmin
则 Q¹ C,min>QC,min Q¹ H,min>QH,min Q¹ R,max<QR,max
四、用问题表格确定夹点

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

heat exchange networks(换热网络)


30
15 5
-4.5
5.5 2.5
-135
82.5 12.5
-107.5
27.5 -55.0
27.5
-55.0 67.5
0
135.0 52.5
135.0
52.5 40.0
Qi+1=Ii+1-Di+1=Qi-Di+1
(3)
Qin= max︱Qi ︱ QIN(N+1) =Qin(n) –Dn
(4)
QH ,min 107 .5kW
∑Cpc ∑CpH
-2.0 0.5 3.5
DI
-10 12.5 105 0
Ii
Qi
10 -2.5 -107.5
in
107.5 117.5 105.0
out
117.5 105.0 0
SN1 SN2 SN3
10.0 -2.5
SN4
SN5 SN6 FCp 2.0 8.0
60
45 40
40
25 20 2.5 3.0
H
Problem : there are two hot stream that require to cooling
and two cold stream that require to heat，the required date are given in the table blow，ΔT min=20°C ，find the pinch .
The resulting cost profile displays a minimum at some value of Tmin
Contribution to Area = Contribution to Capital Cost

换热网络

12. 换热网络综合技术
一生产工艺过程有三股热流体需要冷却， 一生产工艺过程有三股热流体需要冷却，两股冷流体 需要加热。冷热流体的基本参数如下表所列，请分别用温需要加热。冷热流体的基本参数如下表所列，请分别用温焓图法和温焓图法和温-热图法综合出两种流体的换热网络。
流体 热流体1 热流体 热流体2 热流体 热流体3 热流体 冷流体1 冷流体 冷流体2 冷流体 温度1 温度 ℃ 320 260 140 30 70 温度2 温度 ℃ 80 50 50 120 220 流量 kg/h 1250 2500 1800 3450 2000 热容 kJ/kg.℃ ℃ 1.35 0.80 1.20 0.90 1.30
二、温热法综合换热网络
根据上表做出温热图
H1 H2 H3
C1 C2
二、温热法综合换热网络
对热块和冷块进行温位划分
H1 H2 H3
C1 C2
二、温热法综合换热网络
对热块和冷块按温位进行匹配
1 2a 3a 4a 5a Qc 5b 5a 3b 4a 4b 3c
4b 2b 3b 5c Qc Qc 5b
在这里完全按温位 分解了所有物流， 分解了所有物流， 标号相同的为匹配 冷热物流。 冷热物流。图中面 积只为定性表示并 非完全准确。 非完全准确。
5c 3a 2a 3c 1 2b
二、温热法综合换热网络
根据匹配结果得出理论最优换热网络
3a
H1 H2 H31Biblioteka 2a 3b 2b 3c 4b
4a
5a
5b 5c
最大回收热量283.16kw 最大回收热量
H/kW
一、温焓法综合换热网络
根据物流匹配结果得出换热网络
H1 H2 H3
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第四章 换热网络
• 第一节 换热网络合成的基本问题 • 第二节 夹点技术基础 • 第三节 夹点设计
第四章
第一节 换热网络合成的基本问题
一、换热网络的合成
• 换热器网络的最优合成，就是要合成出一定意义上最优的， 并满足把过程的每个物流由初始温度加热或冷却到目标温 度的换热器网络。
给定的条件
1. 一些需要加热的物流和一些需要冷 却的物流
H1 240 960 1200
Heat into 480 960
H1
H2
C1
100
C2
60
C3
60
200
C4
C5
300
CU1
175
H3
H4
H5
HU1
300
200
50
125
150
400
100
100
200
方案3的改进
FCp=3 H1
600
FCp=1 C1
100
Q=480 580
FCp=2
C2
100
220
Q=240
580 Q=720
122000
220400
200
检验可行性：是否满足最小温差20度
第四章
第二节 夹点技术的基础理论
换热网络的设计步骤
（1）选择过程物流以及所要采用的公用工程加热、 冷却物流的等级；
（2）确定适宜的物流间匹配换热的最小允许传热 温差以及公用工程加热与冷却负荷；
（3）综合出一组候选的换热网络； （4）对上述网络进行调优，得出适宜的方案； （5）对换热设备进行详细设计，得出工程网络； （6）对工程网络作模拟计算，进行技术经济评价
和系统操作性分析。如对结果不满意，返回第 （2）步，重复上述步骤，直至满意；
不同的综合方法，主要体现在第（2）、 （3）、（4）步。
窄点设计（夹点设计）
• 夹点技术是以热力学为基础，从宏观角 度分析过程系统中能量流沿温度的分布， 从中发现系统用能瓶颈所在，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回 收。
Heat into 480 960
• 调优处理的目的是通过重新分配回路中各单元设备的 热负荷减少回路中的单元设备数（如果某一设备重新
分配的热负荷为零，则相当于删去了该设备），同时，
该回路也就被断开了。
热负荷回路的断开
HW
C1
80 －
C2
＋ 160
Heat from 240
H1
＋ 400 － 800
TH1（280） TC1（260）
换热器
TH1（226.7） TC1（100）
换热面积
固定投资
Tmin
公用工程用量
操作费用
最小温差的选择是一个优化问题
备选方案2
100o
440o
100o
420o
580o 580o
反应器
600o
226.7o
200o
600-[1(580－100)]/3=440 440-[2(420－100)]/3=226.7 3(226.7－200)=80 2(580-420)=320 80-320=-240
C1
C2
子网(1)放出热量＝ FCP,hot (Tk Tk1) 3(600 200) 1200 子网(1)吸收热量＝ FCP,cold (Tk Tk1) （1＋2）(580 180)＝1200 子网(1)净热量＝( FCP,hot FCP,cold )(Tk Tk1) 1200 1200 0
备选方案3
20ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱo
100o 180o
580o
反应器
600o
100o 180o
580o
[3(600－200)]= [2(600－200)] + [1(600－200)] (1＋2)(180－100)=240
方案比较
加热量 冷却量加热介质 冷却介质 换热设备 公用工程 公用工程
加热设备 冷却设备
1 320 80 蒸汽
2. 所有物流的流量和进/出口温度 3. 各流股在不同温度下的比热 4. 现有公用工程（如蒸汽，冷却水等）
的温度及其费用
设计最优（总费用最低）的换热器网络
1000 5800 FCp=1
1000 5800 FCp=2
反应器
6000
2000
定义各股物流的 流率与热容的乘
FCp=3 积为热容流率FCp
初始温度 目标温度
Heat into 480 960
1200
HW
H1
Heat into
C1
＋ － 80
400
480
C2
－ ＋ 160
800
960
Heat from 240
1200
HW
C1
0
C2
240
Heat from 240
H1 480 720 1200
Heat into 480 960
HW
C1
240
C2
0
Heat from 240
580o 580o
反应器
600o
600-[2(580－100)]/3=280 280-[1(260－100)]/3=226.7
3(226.7-200)=80 1(580－260)=320
80-320=-240
△Tmin=20
最小温差
TH1（600） TC2（580）
换热器
TH1（280） TC2（100）
子网(2)放出热量＝ FCP,hot (Tk Tk1) 0 子网(2)吸收热量＝ FCP,cold (Tk Tk1) （1＋2）(180 100) 240 子网(2)净热量＝( FCP,hot FCP,cold )(Tk Tk1) 0 240 240
流股 类型
TS(℃)
TT(℃)
FCp
C1 冷
100
580
1
C2 冷
100
580
2
H1 热
600
200
3
△H(MW)
-480 -960 +1200
Utilities
蒸汽, S
650
热水, HW
250
冷却水，CW
80
650 >130 <125
备选方案1
200o
226.7o
100o
260o
280o 100o
水
2
1
1
2 320 80 蒸汽
水
2
1
1
3 240 0 热水
无
2
2
0
二、预测过程的公用工程用量
子网放 热流股 冷流股
子网吸 子网
T1
出热量 H1 600 （580）FCp＝1 FCp＝2 收热量 净热量
1 1200
1200
0
T2
2
0 FCp＝3 200 （180）
240 －240
T3
（120） 100
三、最小换热单元数的估计
• 最小换热单元数＝总流股数－1＝4－1＝3
H1 1200
480
Hot water
240
720 240
480
960
C1
C2
H1 1200
960
Hot water
240 240
240
960
480
C2
C1
四、热负荷回路的确定
HW
C1
80
C2
160
Heat from 240
H1 400 800 1200