换热网络合成例题
_换热网络_夹点设计法完整版..
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。
化工设计竞赛换热网络与热集成(0002)
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。
化工过程分析与合成第7章换热网络合成1资料
T 初, ℃ 60 180 30 150
T终, ℃ 180 40 105 40
热量Q,kW -360 280 -195 440 165
假设△Tmin为10 ℃， 热物流温度：170，30；140，30。
冷物流温度：60，180；30，105。
温度区间：180-170-140-105-60-30
③冷、热物流按各自的始温、终温落入相应的温 度区间（注意，热物流的始温、终温应减去最小 允许温差△Tmin）。
列 温 区 1 2 3 4 5 FCP 热流股 (2) (4) 180 150 115 70 40 2.0 4.0 流股与温度 T，℃ 180 170 140 105 60 30 3.0 2.6 冷流股 (1) (3) 10 30 35 45 30 Ti－Ti+1 1 Di 2 Ii 3 Qi 4 5
最大允许热
∑ CPC∑ CPH
3.0 1.0 -3.0 -0.4 -3.4
流量，kW 输入 输出
+30 +30 -105 -18 -102
0 -30 -60 +45 +63
-30 -60 +45 +63 +165
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。
I i 1 Qi
（ 7－ 5）
Qi 1 I i 1 Di 1 Qi Di 1 （7－6） 利用上述关系计算得到的结果列入问题表。
物流号 1 2 3 4
类型 冷 热 冷 热
FCp,KW/℃ 3.0 2.0 2.6 4.0
T 初, ℃ 60 180 30 150
T终, ℃ 180 40 105 40
换热网络
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
第七章换热网络合成
❖ (a)全部冷流Ⅱ由加 热公用工程加热，全 部热流Ⅰ由冷却公用 工程冷却，过程中的
❖ 第三阶段，也就是现在所处的阶段，考 虑过程系统节能，这是由于八十年代以 来过程系统工程学的发展，使人们认识 到，要把一个过程工业的工厂设计得能 耗最小、费用最小和环境污染最少，就 必须把整个系统集成起来作为一个有机 结合的整体来看待，达到整体设计最优 化。
❖ 因此，九十年代是过程系统节能的时代。 夹点技术已成功地应用在2500多个项目 中，在世界范围内取得了显著的节能效
果。采用这种技术对新厂设计而言，比 传统方法可节能30％～50％，节省投资 10％左右；对老厂改造而言，通常可节 能20％～35％，改造投资的回收年限一 般只有0.5～3年。
7.4 夹点的形成及其意义
❖ 7.4.1 温-焓图和复合曲线
❖ 温-焓图以温度T为纵轴，以热焓H为横轴。 热物流线的走向是从高温向低温，冷物 流线的走向是从低温向高温。物流的热 量用横坐标两点之间的距离（即焓差H） 表示，因此物流线左右平移，并不影响 其物流的温位和热量。
7 换热网络合成
7.1 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，就组成了 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。
❖ 图7-1所示的乙烯裂解气甲烷化流程，把氢气进 料加热到310℃，以便在反应器中进行反应。 出反应器的物流先与进反应器的物流换热，以
于曲线 B的斜率；
在 T2到 T3的温区内，有三 股热流提供热量，总热量值 为(T2-T3)(A＋B＋C)=H2， 于是这段复合曲线要改变斜 率，即两个端点的纵坐标不 变，而在横轴上的距离等于 原来三股流在横轴上的距离 的叠加。即，在每一个温区 的总热量可表示为：
第七章换热网络合成
❖ 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。实际生产装置很 难达到这一目标。通常，最小公用工程 消耗意味着较多的换热单元数，而较少 的换热单元数又需要较大的换热面积。 实际进行换热网络设计时，需要在某方 面做出牺牲，以获得一个折衷的方案。
步骤一 划分温区
❖ （1）分别将所有热流和所有冷流的进、 出口温度从小到大排列起来： 热流体：30，60，150，170 冷流体：20，80，135，140
热流体：30，60，150，170 冷流体：20，80，135，140
（2）计算冷热流体的平均温度，即将热流体温 度下降Tmin/2，将冷流体温度上升上Tmin/2
j
式中j为第i温区的物流数
❖ 照此方法，就可 形成每个温区的 线段，使原来的 三条曲线合成一 条复合曲线，如 图 所示。以同样
的方法，也可将 多股冷流在温-焓 图上合并成一根 冷复合曲线。
7.2.4 夹点的形成
❖ 当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将 所有的热流合并成一根热复合曲线，所有的 冷流合并成一根冷复合曲线，然后将两者一 起表示在温-焓图上。在温-焓图上，冷、热 复合曲线的相对位置有三种不同的情况，如 下图所示。
于曲线 B的斜率；
在 T2到 T3的温区内，有三 股热流提供热量，总热量值 为(T2-T3)(A＋B＋C)=H2， 于是这段复合曲线要改变斜 率，即两个端点的纵坐标不 变，而在横轴上的距离等于 原来三股流在横轴上的距离 的叠加。即，在每一个温区 的总热量可表示为：
H i FCP (Ti Ti1 )
化工过程分析和合成计算题
3
45
Qi
0 10 107.5117.5 10
最小加热量为107.5 kW，最小冷却量为40kW，夹点位置在90-70℃.N1 ≤ N3 + N4, FCp1 ≤ FCp3 ,FCp1 ≤ FCp4
Q = 2×(150-90) = 120 kW Q = 2.5×(125-70) = 137.5 kW
例3 既有一五组分碳氢化合物旳混合物，其构成和各组
分旳相对挥发度如下表所示：工艺要求得到高纯度旳单
组分产品，试用有序直观推断法进行分离序列旳综合。
分离易度系数计算公式：CES = f*△，
f = D/W或W/D，f 取接近 1旳数值，△ = (α-1)*100。
序号 构成(摩尔分率)
相邻组分相对挥发度 原则沸点（ºC）
热流量（kw） 360 275 420 220
[解] 根据所给数据作出问题表格（1）
1
2
3
45
列
温
流股与温度
最大允许
区 热流股
T，℃
冷流股 Ti－ ∑CPC- Di
Ii
Qi 热流量，
T1 T2
C1 C2 Ti+1 ∑CPH
kW
170
输入 输
出
1
160 150
20
3.5 +70 0 -70 +10 +30
6/3/F/Fmax问题，阐明Johnson规则在特殊旳n/3/F/Fmax问题上旳应用
产品 1
实际加工时间
M1
M2
M3
4
1
3
虚拟二单元加工时间
第一单元ai 第二单元bi
5
4
2
换热器计算例题
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℃。
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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。