(过程装备优化设计)最大热回收换热网络设计
换热网络优化实施方案
编号：P1******* 大修项目实施方案项目名称：换热网络优化申报单位：中海沥青（四川）有限公司项目经理：邱震宇主管领导（签字）：日期：2013年12月4日中海油气开发利用公司制一、大修实施方案1．项目的主要内容1.1中段取热温差大，改变中段取热控制方式。
目前中段取热控制方式为通过流量调节阀控制中段循环抽出量，由于在换热器面积一定的情况下，中段循环抽出量越小，换热温差越大。
将目前的控制方式更换为三通调节阀控制抽出和返塔温差，增加中段循环量，减少换热温差，增大高温位部分的热量利用。
将常二中和减二中调节阀更换为三通调节阀，原流量计移至三通调节阀后，流量仍通过中段循环泵变频控制。
1.2针对换热网络中存在跨夹点传热的现象，调整目前的换热网络，主要有以下几个方面：a调换6组换热器换热顺序。
主要为原油-常二中（II）换热器E113调整至原油-减二中（II）换热器E114A/B后换热；闪底油-减二中（I）换热器E120调整至闪底油-减四线换热器E117后换热。
将闪底油-减渣（II）换热器E118A～D拆分成两组，即闪底油-减渣（II）换热器E118C/D和闪底油-减渣（III）换热器E118A/B，其中闪底油-减渣（II）换热器E118C/D调整至闪底油-减三线（I）E119后换热；b将换热器E108A/B和E110A/B沥青由走管程改为走壳程，原油由走壳程改为走管程。
c新增3台换热器，分别为原油-减三线（II）换热器E107B、原油-减二线换热器E106B和原油-常三线（II）换热器E105B。
改造后换热网络换热流程详见改造后的PFD图。
1.3增加相应的管道和阀门新增3台换热器，新增换热器原油侧压降为80kPa，工艺侧增加压降均在5kPa左右，可忽略不计；换热器E113和E114A/B调整换热顺序，原油管道系统增加9kPa压降；换热器E108A/B原油由走壳程改为走管程，原油管道系统增加16kPa压降，减渣管道系统减少144kPa压降；换热器E110A/B原油由走壳程改为走管程，原油管道系统减少20kPa压降，减渣管道系统减少6kPa压降；闪底油换热顺序调整，闪底油管道系统合计增加25kPa的压降。
化工设计竞赛换热网络择优选取及优化过程(0002)
1.1 概述在大型过程系统中，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。
Aspen 能量分析器软件采用过程系统最优化的方法进行过程热集成的设计，其核心是夹点技术。
它主要是对过程系统的整体进行优化设计，包括冷热物流之间的恰当匹配、冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中的一些设备如分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三维权衡；最终的优化目标是总年度运行费用与设备投资费用之和（总年度费用目标）最小，同时兼顾过程系统的安全性、可操作性、对不同工况的适应性和对环境的影响等非定量的过程目标。
因此，夹点技术不仅可以用于热回收换热网络的优化集成，而且可用于合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用量，去除“瓶颈”、提高生产能力，分离设备的集成，减少生产用水消耗，减少废气污染排放等。
在此基础上，利用Aspen Energy Analyzer 设计换热网络，具体步骤如下：（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。
1.2 工艺流股的提取过程流股的提取如下：由于R101_heat反应器外已经模拟使用饱和水汽化带走热量，故反应器热应删去，V101V_To_C01OUT已经将这部分热量移走。
供热管道网络的热力性能优化设计
供热管道网络的热力性能优化设计随着人民生活水平的提高和城市化进程的加速，供热系统作为城市基础设施的重要组成部分，在满足人们生活、生产等多样化需求的同时，也面临着诸多挑战。
供热管道网络的热力性能优化设计是解决这些挑战的关键，本文将从经验和专业性角度出发，对供热管道网络的热力性能优化设计进行探讨。
首先，供热管道网络的热力性能受到多种因素的影响，其中包括供热管道的材料选择、铺设方式、管道路径设计等。
在材料选择上，应优先考虑导热性能好、抗压强度高、耐腐蚀性好的材料，以减小能量传输的阻力和损耗。
同时，铺设方式应合理选择，包括地下铺设、地面铺设、架空铺设等，可以通过考虑地形地貌、城市规划等因素进行合理布局，以降低管道长度和线损。
此外，管道路径设计也应适度考虑地形地貌的因素，选择合适的路径，以尽量减少管道的高低差和弯曲度，保持管道的连续性，减小管道的压力损失。
其次，供热管道网络的热力性能优化设计还需要考虑供热方式、换热器的选型和布局等。
在供热方式上，应根据不同地区的气候特点和用户需求，选择合适的供热方式，包括蒸汽供热、热水供热和温水供热等。
同时，换热器的选型和布局也十分重要，应根据供热热源的类型和供热负荷的需求，选择合适的换热器，并且合理布局，以提高热量转移效率，减小能量的损耗。
此外，管道绝热设计和运行管理也是供热管道网络热力性能优化的重要方面。
绝热设计应选用导热性能好、耐温性好的材料，合理选择绝热材料的厚度和种类，以降低管道的散热损失。
在运行管理上，应做好管道的定期维护和检修，及时发现漏损和故障，并进行及时修补和更换，以保证供热管道网络的正常运行。
此外，供热管道网络的热力性能优化设计还需要考虑节能环保的要求。
对于现代供热系统，节能环保已成为设计和运营的重要指标之一。
在供热系统设计中，应充分考虑使用高效换热设备和设备的合理配置，以提高能源利用率。
同时，在供热系统运行中，应加强对运行参数的监测和调整，以确保供热系统的平稳运行，并采用节能措施，如余热回收、热泵技术等，以降低能源消耗和环境污染。
化工设计竞赛5、能量集成及换热网络设计
表6-1有无热泵技术对比表
项目
无热泵技术
热泵技术
塔顶冷凝能耗（kW）
28285.43
1913.22
塔底再沸能耗（kW）
30529.69
336.32
总能耗（kW）
58815.12
166.551
由上表可知，考虑压缩机做功和冷却器能耗，热泵技术比无热泵技术节省热泵技术节省冷耗98.8%，节省热耗93.7%，总的节约能耗为96.17的炼厂干气为原料，经分离提纯得到高纯度的乙烯，将其通过与氧气、醋酸反应转化成附加值高、需求量大的产品醋酸乙烯酯。该项目采用国外先进的乙烯气相氧化法路线，传统的乙烯法路线主要有Bayer法和USI法，两者都采用气相固定床工艺，技术流程也很相似，它们的区别在Bayer法催化剂以Pd-Au为主体，硅胶为催化剂载体，反应压力为0.5~1.1MPa；而USI法催化剂以Pd-Pt为主体，采用α-Al2O3为载体，反应压力为常压。由于Bayer法具有醋酸单程转化率高、催化剂活性高、选择性好等优点，目前工业生产中大部分采用Bayer法。
12.81
-20
5173.86
0304 To 0305
E0304
62.25
165
13968.84
0309 To 0310
E0305
170
10
26061.89
0316 To 0317
E0302
19.09
70
4452.62
0324 To 0326
E0308
17.24
120
398.83
0336 To 0337
过程流股
加热器/换热器名称
进口温度/℃
出口温度/℃
空调排风能量回收用热管换热器的优化设计
翅片厚度的选择主要从机械强度 、 制造工艺以 及腐蚀和侵蚀裕量等方面进行考虑 ,而翅片高度的 选择 ,应尽可能与翅片厚度相匹配 [ 4 ] 。 5) 翅片间距 sf : ( 16) sf > sfmin 翅片最小间距必须大于相邻两翅片表面间流 体的流动边界层厚度之和 , 此外还应考虑积灰 、 预 期的翅片结构及工艺要求 。 6) 迎面流速 w n :
1 000
・c1
( 7)
其中 :
h Nd = h Δ Ph d ・V d ; η 3 600 ・ p
( 8)
Nd =
h
c Δ Pc d ・V d η 3 600 ・ p
( 9)
h[3 ] 式中 : N d 为冬季热流体侧消耗功率 ( W) ; N c d 为
的制约 。 4) 翅片厚度 δ f 和翅片高度 lf : δ fmin < δ f <δ fmax
t > 12
表1 供暖期 ( 12 月 、 1 月、 2 月) 室外空气温度频率分布
- 2< t≤ 0 89 - 0. 73 0< t≤ 2 93 1. 23 2< t≤ 4 222 3. 07 15 - 3. 01 101 14. 16
表2 供冷期 ( 6～9 月) 室外空气温度频率分布
室外温度 t / ℃ 小时数/ h 平均气温/ ℃
2 目标函数的建立
M1 = (
Qd Qx ) ・c1 / W + CO Pd CO Px
( 4)
式中 : c1 为电费比价 ( 元/ 千瓦时) ; CO Pd 为制冷机 冬季平均制冷系数 ; CO Px 为制冷机夏季平均制冷 系数 。
过程装备简介
3. 过程装备发展的推动力
3.3 在国家发展方针指引下的具体推动力 推动力之一——过程工艺发展的需要
推动力之二——生态环保的需要
推动力之三——节能降耗的需要
推动力之四——长周期安全运行的需要
推动力之五——现代高新技术的促进
26 27
3. 过程装备发展的推动力
3.4 过程工艺发展不断要求新装备
(0.1μm, ＜5mg/L) (占地1/10)
生物膜过滤
37 38
3. 过程装备发展的推动力
固体废弃物—— 高10倍
24 25
3. 过程装备发展的推动力
3.2 当前国家的急需
方针
改变经济增长方式
资源 投资
粗放
科技 支撑
. 集约
全面协调 科学发展 观
走新兴工业化道路
资源节约、环境友好 (循环经济，绿色GDP)
以科技发展和创新为主导 以高新技术为主导，
制造业为支柱
产业结构的战略调整
优先IT技术，发展高技术产业 用高新技术改造传统产业 加快现代服务业（知识型）
古代的炼丹术 士们通过炼金炼丹 的研磨、蒸馏、升 华、结晶、测定等 技术操作，积累了 金属的置换、物质 的化合、分解、氧 化、还原等化学反 应方面的知识。
3
1. 概述 1.1 过程装备的由来
但是化学，走出化学家的实验室，与 工程结合，还是这一百多年以来的事。
4
1. 概述 1.1 过程装备的由来
英国人帕金，于1856年发现 了苯胺染料，并实现了工业化的 生产。法国化学家拜特洛对有机 化合物的合成进行过系统研究， 于1856年合成了甲烷，1858年合 成了甲醇，1859年合成了乙炔， 1866年从乙炔合成了苯，进入了 合成化学的年代。
余热回收换热器经济最优化设计
ａ ｅ ｒｎｅ ｏｔ ｅｉ ，ｙｅｓ ｅ ｉ ， ｎ ｅ ｙｅ ｃ ｎｙｅａ ａ ｏ ｗ ｓ ｅ ｃ ｅ ｃａｇ ｒ ｆ ｅ ｄｓ ｔ ｌ ｔ ｎ ａ ｄ ｎｒ ｆ ｉ ｌ ｔ ｎｏ ａｔ ｈａ ｒ ｏ ｒ ｅ ｈ ｅ ｓ ｒｅ ｃ ｔ ｈ ｅ ｎ ｇ ｐ ｅ ｃｏ ｅ ｇ ｆ ｅ ｉ ｃ ｖｕｉ ｆ ｅ ｔ ｅｖ ｙ ｘ ｎ ．
Ｍ ｌＰｌＣ ・ ３ ０ Ｚ ＝ ・ ｌ Ｑ・ ０＂ Ｈ ６ （） ４
２ 资金现值 系数、 ． ４ 热价 、 单位 面积换热器成本和单 位面积换热器耗 电功率的计算 ２４１ 现 值系 数 Ｐ１Ｐ２Ｐ３ ． ． 】 、 、 【 ５
Ｐ昔 ｄ Ｐ（ ）． ）ｉ （ １ ＝ ； Ｉ ．（ ＃ １ ＝ ［昔 ］ ｄ ｏ 击 １ ， ）
：
Ｎ丁 ， 【：
ｔ — ｔ ｈ ｃ
Ｌ
ｆ） １
Ｌｍ Ｊ ｑ ｃ
式 中 ：’ ｔ 为热流 体进 入换 热器 的温 度 ， ℃；
ｔ’为冷 流 体进入 换 热器 的温度 。
， Байду номын сангаас℃：
（’ 为热流体 或冷 流体在 换热器 中 的实际温 ｔｔ 一 度 差值 中的大 者 ， ℃；
关键 词： 换 热器； 余热 回收； 净收益； 最优 化
中图分 类号 ： Ｔ ３ Ｕ８ １ 文献标志码 ： Ａ 文章编号： １７ —２ ７２ １）１０ ２ —５ ６ ３７ ３ （０ ２０ —０ ５０
Ｅ ｏｎ ｍ ｉ ｔｍ ｉａ ｉ ｓｇｎ ｏ ａ ｃ ｎ ｅ ｏｒ ａ ｔ ａ ｃ ｅ ｙ ｃ ｏ ｃＯｐ ｉ ｚ ｔｏｎ Ｄｅ ｉ ｆＨｅ ｔＥｘ ｈａ ｇ ｒｆ ｓ ｅＨｅ ｔＲｅ ｏｖ ｒ Ｗ
一
（） ２
般而言 ， 换热器 的效能 、 传热单元数和热容之
高性能换热器设计与优化
高性能换热器设计与优化换热器是一种用于加热或冷却流体的设备，广泛应用于工业生产、能源系统和空调等领域。
高性能换热器的设计与优化是提高设备性能和效率的关键。
本文将探讨高性能换热器的设计原则、常见问题及其优化方法。
高性能换热器的设计考虑因素较多，其中包括换热效率、紧凑性、流动阻力、材料选择等。
首先，换热效率是衡量换热器性能的重要指标。
通过增加传热表面积和改善流体流动方式，可以提高换热效率。
例如，增加热交换管的数量和长度，采用增强换热片或管子的内部结构，都可以增加传热表面积，从而提高换热效率。
其次，紧凑性是换热器设计的另一个重要考虑因素。
在有限的空间内实现高效的换热是挑战性的。
为了实现紧凑性，可以采用一些设计手段，如采用多流通道、采用波纹管或薄膜技术、增加管子的内部通道，以增加流体流动的路径，从而提高换热效果。
流动阻力是流体在换热器内部运动过程中所遇到的阻力，也是影响换热器性能的重要因素之一。
在设计过程中需要平衡换热效率与流动阻力之间的关系。
如果流动阻力过大，会导致能源的浪费和系统压力的增加，从而影响设备性能。
为了降低流动阻力，可以采用一些优化措施，例如增加流道的宽度、设计合理的角度和弯曲半径，减小局部流动的阻力。
此外，材料的选择对于换热器的性能和耐久性也起着重要的作用。
常见的材料包括金属和非金属材料。
金属材料具有良好的导热性和机械强度，但在一些特殊工况下可能受到腐蚀和腐蚀疲劳的影响。
非金属材料具有耐腐蚀性和良好的绝缘性能，但其导热性和机械强度较差。
因此，在选择材料时需要综合考虑使用环境、工作压力和温度等因素。
在实际应用中，有一些常见的问题需要特别关注和优化。
首先，换热器内部的污垢和结垢可能会降低换热效率，增加流动阻力。
因此，定期清洗和维护换热器是必要的。
其次，换热器内部的冷凝水和冷却液可能会导致腐蚀和腐蚀疲劳。
因此，适当的防腐措施和材料选择是必要的。
为了进一步优化高性能换热器的设计，可以采用一些先进的技术和工具辅助设计。
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• 经验规则2 应尽量选择热容量流率相近的冷、热流体进行 匹配换热，使得换热器在结构上相对合理，且在相同的热 负荷及相同的有效能损失下，其传热温差最大。
Cold Utilities:
We want to USE at the HIGHEST level and GENERATE at the LOWEST level.
(1) 蒸汽系统
4~12MPa 1~4MPa <1MPa
Furnace
Process
Heat Work 变配电系统
Pump
制冷系统
Fuel
Refrigeration Freezing Medium
Water-cooling tower
真空系统 ……
公用工程应用原则
Hot Utilities:
We want to USE at the LOWEST level and GENERATE at the HIGHEST level.
Yes
CPH<CPC for pinch
matches?
No
Stream data at pinch
Yes
NH<NC
No Split cold stream
Split hot stream
Place Matches
Summary
Below Pinch
Yes
CPH>CPC for pinch
matches?
Summary
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
4 合理利用公用工程
Multiple Utilities
4.1 公用工程的种类
违背以上三条，就会增大公用工程负荷及相应的设 备投资
Summary
夹点处流股匹配换热的可行性规则：
• 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：
NH NC
• 对于夹点下方，热工艺物流（包括其分支物流）
数目NH不小于冷工艺物流（包括其分支物流）的
NH NC
H1 3
H2
1
H3
2
C4
C5
(a)
3 1
2
(b)
H1
1
H2
2
C3
C4 C5 H
（C）
(2) 夹点下方
分割热流股
夹点匹配可行性规则
夹点匹配可行性规则
可行性规则：
规则2 对于夹点下方，热工艺物流（包括其分支物流）数目 NH不小于冷工艺物流（包括其分支物流）的数目NC , 即：
NH NC
175 960
Hinterval=-1000 125
1960
Hinterval=-480 105
2440
Hinterval=1680 75
760
Hinterval=760 65
0
Hinterval=-120 35
120
T*pinch=65℃。热流股：Tpinch=70℃；冷流股：Tpinch=60℃
4 7
3
4
90
3
3
Split cold stream 3
CPH>CPC NH>NC
5
4
7
4
3
✓ Branch flow rates = degree of freedom in design
✓ Finding best choice = optimization problem
Summary
Above Pinch
We normally have a choice of many hot and cold utilities.
Boiler
Fuel
HP of steam
MP of Steam
LP of stream
Steam Work Turbine
Gas Work Turbine
供热系统 空压系统 燃气供应系统
数目NC ：
NH NC
Summary
规则2 夹点上方，每一夹点匹配中热物流的热容流率 CPH小于或等于冷物流的热容量流率CPC,即： CPH ≤ CPC 夹点下方，每一夹点匹配中热物流的热容流率 CPH或等于冷物流的热容量流率CPC,即： CPH ≥ CPC
Summary
物流间匹配换热的经验规则：
QH,min=960， QC,min=120
Result
CPH<CPC
40
80
20
36
CPH>CPC
40
36
1 180℃ 2 130℃
100℃
120℃
2000
CP
80℃
20
2400
800
H
90℃
1080
120
70℃
43℃ C 40℃ 40
60℃ 3
80
160
H
116℃
60℃
30℃ 4 36
2000
Pinch
Hot 1 180℃
80℃
Hot 2
3240 130℃
100℃ H 85℃
60℃
1200
49℃ C 40℃
360
Cold 3
120℃
Cold 4
30℃
3.2 流股分割
Stream Splitting
(1)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ夹点上方
分割冷流股
夹点匹配可行性规则
夹点匹配可行性规则
可行性规则：
规则2 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：
过程装备优化设计
Working Session
Heat Exchanger Network Design for Maximum Energy Recovery
T 180
160
140
QH,min=960
120
100 Qc,min=120
80
60
Tmin=10
40
Pinch
2000 4000 6000 8000 10000 H
No
Stream data at pinch
Yes
NH>NC
No Split hot stream
Split cold stream
Place Matches
Summary
夹点设计法基本原则(夹点匹配三原则)：
✓ 应该避免有热流量通过夹点 ✓ 夹点上方避免引入公用工程冷却物流 ✓ 夹点下方避免引入公用工程加热物流
H1
1
H2
C3
C4
C5
（d）
3 2 1
(e)
1
H1
2
H2
C
H3
C4 C5
（f）
Example
Pinch CP 5 1 100 4 2 100
CPH>CPC NH>NC
5
7
4
7
90
3
No feasible match!
Example
CPH>CPC NH>NC
5 4 CP Pinch 5 1 100 4 2 100