_换热网络_夹点设计法完整版..
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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）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
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
• 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。
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
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
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
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
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
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
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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
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：
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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
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