第七章换热网络合成
_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。
化工过程分析与合成考点(精华)
化工过程分析与合成考点1、什么叫过程：（1）客观事物从一个状态到另一个状态的转移.【过程】(2)在工艺生产上,对物料流进行物理或化学的加工工艺称作过程工艺。
【过程工艺】(3)以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程。
化工过程包括：原料制备、化学反应、产品分离(4）由被处理的物料流联接起来，构成化工过程生产工艺流程。
（5）【最重要的单元过程】化学反应过程、换热过程、分离过程、输送过程、催化反应过程(6）【化学反应过程举例】热裂解反应过程、电解质溶液离子反应过程生化反应过程、分散控制（7）【过程控制技术发展历程】计算机集中控制、集散控制（我国多)、现场总线控制第二章、化工过程系统稳态模拟与分析【模块】模型和算法，一是要建模，二是这个模型的算法，两者组一起才能算作模块.【单元模型类型】理论模型、经验模型、半经验模型.【什么叫稳态（化工过程稳态模拟)】各个工艺参数状态量不随时间而发生变化的叫做稳态。
【么叫模拟】对过程系统模型进行求解就叫模拟.【过程系统模拟可以解决哪些问题（会画图）】(1）过程系统模拟分析问题；（2）过程系统设计问题；（3）过程系统参数优化问题。
过程系统模拟分析问题:已知决策变量输入，已知过程参数,求输出,是一个正向求解问题，最简单的模型。
2)过程系统设计问题：已知输出设计结果,已知过程参数,求决策变量输入；看起来是已知输出求输入，实际上是假设输入猜值去计算输出与已知输出进行比较再调整猜值进行计算。
只能单项求解，从左到右3)过程系统参数优化问题：过程系统模型与最优化模型联立求解，得到一组使工况目标函数最佳的决策变量,从而实施最佳工况.【过程系统模拟三种基本方法，及其优缺点】(1）序贯模块法（不适于解算设计、优化问题，只适于模拟问题(2)面向方程法(3）联立模块法(同时有(1)、（2)的优点）【单元模块】是依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制而成的子程序.具有单向性特点【断裂】通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。
《化工过程分析与合成》教学大纲
化工过程分析与合成课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：化学工程与工艺、课程代码：41E01016学时分配：32赋予学分：2学分先修课程：高等数学、化工原理、化工设备机械基础、化学反应工程后续课程：化工设计、化工过程开发二、课程性质与任务1课程性质：《化工过程分析与合成》课程是一门具有综合性、应用性、研究性特色的化工类专业主干课程，以科学研究的方法论为主线，培养成人教育学生将实践经验与所学知识相结合分析和解决工程问题的能力。
2课程任务：通过本课程教学，使学生在学习了化工原理、化工热力学、化学反应工程等课程的基础上，学会以系统工程的方法来处理化工过程的分析与合成问题。
三、教学目的与要求本课程以科学研究的方法论为主线，培养学生将实践经验与所学知识相结合、分析和解决工程问题的能力。
通过本课程的学习，使学生掌握将实验室研究成果（新工艺、新产品等）实现工业化的主要方法，掌握化工过程及系统工程的发展概况；氨合成工艺介绍了化工过程系统稳态模拟方法及其分析求解方法；化工过程系统动态模拟的特性、方法及数学处理；化工过程系统的优化和求解方法；化工生产过程操作工况调优的数学模型及调优计算，以及人工神经元网络的基础知识；间歇化工过程的基本概念、模型化方法及设计优化；换热网络的合成及其夹点技术进行了全面的介绍；分离塔序列合成的方法等环节的过程研究。
通过列举大量化工过程开发的实例，让学生了解正确的理论指导、科学的实验方法、以及工艺与工程相结合的工程观念在化工过程开发中的重要作用。
四、教学内容与安排第一章绪论（课堂讲授学时：2）1.1 化工过程1.2 化工过程生产操作控制1.3 化工过程的分析与合成1.4 化工过程模拟系统1.5 化工企业CIPS技术第二章化工过程系统稳态模拟与分析（课堂讲授学时：4）2.1 典型的稳态模拟与分析问题2.2 过程系统模拟的三类问题及三种基本方法2.3 过程系统模拟的序贯模块法2.4 过程系统模拟的面向方程法2.5 过程系统模拟的联立模块法2.6 氨合成工艺流程的模拟与分析第三章化工过程系统动态模拟与分析（课堂讲授学时：4）3.1 化工过程系统的动态模型3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性3.3 精馏塔的动态特性第四章化工过程系统的优化（课堂讲授学时：4）4.1 概述4.2 化工过程系统优化问题基本概念4.3 化工过程系统最优化问题的类型4.4 化工过程中的线性规划问题4.5 化工过程中非线性规划问题的解析求解4.6 化工过程中非线性规划问题的数值求解第五章化工生产过程操作工况调优（课堂讲授学时：2）5.1 化工生产过程操作工况调优的作用与意义5.2 化工生产过程操作工况离线调优的方法第六章间歇化工过程（课堂讲授学时：6）6.1 间歇过程与连续过程6.2 过程动态模型及模拟6.3 间歇过程的最优时间表6.4 多产品间歇过程的设备设计与优化第七章换热网络合成（课堂讲授学时：4）7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义7.2 换热网络合成问题7.3 换热网络合成--夹点技术7.4 夹点法设计能量最优的换热网络第八章分离塔序列的综合（课堂讲授学时：6）8.1 精馏塔分离序列综合概况8.2 分离序列综合的基本概念8.3 动态规划法8.4 分离度系数有序探试法8.5 相对费用函数法8.6 分离序列综合过程的评价五、教学设备和设施多媒体教室、黑板、黑板笔六、课程考核与评估期末闭卷考试，考试时间100min。
5.换热器网络的合成
夹点上方物流间的可行性规则为： NH≤NC、 CPH≤CPC 此处：NH=1，NC=2，又CPH=2.0，CPC1=2.5， CPC2=3.0，满足上面的要求。
热端合成
根据经验规则，能够经过一次匹配换热即可完成、 其中热负荷较小的物流，并尽量取热容流率相近的 冷热物流进行换热。
夹点 90
H1
150
热端夹点处的可行匹配 （设置加热器H）
夹点匹配可行性规则1－冷端
对于夹点下方（冷端），热物流（包括其分支物流 ）数目NH不小于冷物流（包括其分支物流）数目 NC，即 NH≥NC
夹点匹配可行性规则2
对于夹点上方，每一个夹点匹配中物流（或其分支 ）的热容流率CPH要小于或等于冷物流（或其分支 ）的热容流率CPC ，即 CPH≤CPC 对于夹点下方，则正好相反，即 CPH≥CPC
伪夹点法
HRAT用以决定合成网络的公用工程用量； EMAT用以限制换热流股间的最小温差； 一般HRAT≥EMAT，这样的做法即允许一部分热量自由穿越 夹点，
减少不必要的流股分割； 产生更多的初始方案。
这两个值可分别确定两套组合曲线图，代表着不同的最 低公用工程消耗αN和αE ，定义它们的差为α ，即：
夹点 90 H1 H2 90
CP
3 2 1 C
40 60 60
Q
60 3.5 4.5 240
2.0 8.0
C1 C2
70 70 135 105 20
20 25
2.5 3.0
125 135
最大能量回收网络的整体设计
把上面的热端设计和冷端设计结合起来，就可以得 到最大能量回收网络的整体设计。 该设计需用公用工程加热负荷为17.5+90=107.5kW ，需用公用工程冷却负荷为40kW，该方案需2个加 热器，4个换热器，1个冷却器，共7台换热设备。
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 )
热交换网络的合成1、复合曲线法(CompositeCurves)
减少流程对外界热源和冷源的需求，尽量使用流程内部的冷热流 股互相搭配，以达到节约能源的目的。
但会相应增加换热器投资。
热交换网络的合成方法，早在20世纪70年代，Ponton和Nishia曾提出试探 法，80年代末英国人（UMIST）Linnhoff又发明了窄点法，以后随着计算机应用 的迅速发展，人工智能技术也被应用到热交换网络合成领域，如专家系统、神经 网络模型等。
热容流率 CP（MW／℃） 0.2 0.3 0.25 0.15
解：
先在温度－热焓坐标图上画出两条热流股的复合曲线。
流股
1 2 3 4
其温度区间范围：40℃ → 80 ℃ → 200 ℃ → 250 ℃ 热流4 热流3＋热流4 热流4
斜率1/0.15 斜率1/0.4 斜率1/0.15
类型 冷
进口温度 Ti(℃)
令FCp＝CP（称为热容流率） 则：
该直线的斜率为：1/CP
△H
2、多个流股的温度－热焓复合曲线（折线）图 例如：A冷流股，热容流率CPA，温度从T5→T2 B冷流股，热容流率CPB，温度从T3→T1 C冷流股，热容流率CPC，温度从T4→T2
T
T1
T2 T3
A
T4 T5
B C
H
T
T
T1
T2 T3
热流股窄点温度＝150℃＋ △Tmin/2＝160℃（热窄点温度）
冷流股窄点温度＝150℃－ △Tmin/2＝140℃ （冷窄点温度）
2、问题列表法（The problem table algorithm ）
流股 1 2 3 4
类型 冷 冷 热 热
Ti(℃) 20 140 200 250
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成一，化工系统的定常态模拟与分析（一）模拟是对过程系统模型的求解1. 过程系统的模拟分析：对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过程系统进行工况分析2，过程系统设计：当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求3，过程系统参数优化：过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量（优化变量）。
从而实施最佳工况1. -序贯模块法：基本部分是单元模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。
单元模块具有单向性特点。
(1) 断裂：通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。
它适用于不可分割子系统；-不可分割子系统：过程系统中，若含有再循环物流，则构成不可分割子系统。
-实施序贯模块法进行过程系统模拟计算中必须要解决的问题——如何选择断裂物流、如何确定迭代序列。
-判断最佳断裂的准则：①断裂的物流数最少；②断裂物流的变量数最少；③断裂物流的权重因子之和最少；④断裂回路的总次数最少。
i=1，…，m ，代表回路；j =1，…，n,代表物流(2) 回路矩阵简单回路: 一个不可分割子系统包含若干个再循环回路。
包含两个以上再循环物流，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路。
。
回路矩阵：过程系统中的简单回路可以用回路矩阵表示。
矩阵：行→回路；列→物流。
若某回路I 中包括有物流j 则相应的矩阵元素aji=1，否则为空白或零。
Upadyhe －Grens 断裂法需要解决的两个问题：一是要有一种能把所有的有效断裂物流组都能搜索出来的办法；二是要能把最优断裂组从中选择出来。
有效断裂组：能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂流股组。
① 多余断裂组：如果从一个有效断裂组中至少可以除去一个流股，而得到的断裂组仍⎩⎨⎧=⎩⎨⎧=ij i j a j j x ij j 属于回路流股不属于回路流股被断裂流股未断裂流股,1,0,1,为有效断裂组，则原有效断裂组为多余断裂组。
化工过程分析与合成换热网络
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通，即同 一端具有夹点匹配
非夹点匹配
（1）夹点匹配可行性规则1： 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NF，即：
N H NC
目标
° 温度
oc
热负荷 kW Q 180.0 240.0 262.5 225.0
标号
流率
kW/ oc FP
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 <NF
(热流股数 1，小于冷流股数2)
24
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。
由夹点上下，可行性原则也可归并 （夹点一侧）：
N流出 N流入 FCp流出 FCp流入
如果流股间的各种匹配组合均不能满 足上式，则需利用流股分割来改变流 股的FCp值
夹点处设计过程：
（b）狭点之下
[例] 一换热系统，包含的工艺流股为两个热物流和两个冷物流，
给定的数据见下表，指定热、冷物流间允许的最小传热温差 △Tmin=20℃。现设计一换热器网络，进行物流匹配。
物流 标号
热容 流率 kW/ oC FP
初始 温度
oC
目标 温度
oC
热负荷 kW Q
Ts
Tt
H1
H2 C1 C2
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❖ (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：
H i FCP (Ti Ti1 )
❖ 对于多股冷流，将它们合并成一根冷复 合曲线。下图表示了如何在温-焓图上把 三股热流合并成一根复合曲线。
设有三股热流，其热
容流率分别为A、B、 C（kw/℃），其温位 分别为（T1T3）、 （T2 T4）、（T2 T5），在T1到T2温度 区间，只有一股热流
提供热量，热量值为
（T1-T2）B=H1，所 以这段曲线的斜率等
❖ 这样就可以用温-焓图上的一条直线表示一股热 流被冷却或一股冷流被加热的过程。 FCp值越 大，T－H图上的线越平缓。
T
TS
T
TT
TT
TS
Q
H
（a）一股热流被冷却
QH （b）一股冷流被加热
❖ 在过程工业的生产系统中，通常总是有 若干冷物流需要被加热，而又有另外若 干热物流需要被冷却。
❖ 对于多股热流，将它们合并成一根热复 合曲线；
❖ 第一步是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找到能量最优解，这就是 著名的温度区间法。
❖ 第二步是对能量最优解进行调优。通过一些调 优法则，在少增加或不增加公用工程消耗的情 况下，减少系统的换热单元数，使网络设计向 操作和投资总费用最小的方向调整。
7.2 换热网络合成问题
7.2.1换热网络合成问题的描述
❖ 一组需要冷却的热物流H和一组需要加热 的冷物流C；
❖ 每条物流的热容流率FCp； ❖ 热物流从初始温度TH初冷却到目标TH终； ❖ 冷物流从初始温度TC初加热到目标温度TC终。 ❖ 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、公用工程消耗成本最少。
便回收热量，然后继续冷却，以完成气、液相 的分离。
❖ 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 Nhomakorabea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。
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。
（3）夹点（Pinch Point也译为狭点，窄 点）概念以及夹点设计法的建立。 Linnhoff继温度区间法之后提出了夹点 的概念，最后发展了一套夹点设计法。
（4）人工智能方法的建立。从20世纪80年代 起，随着人工智能研究的发展，人工智能技 术也被应用到换热网络合成领域，如专家系 统模型，神经网络模型、遗传算法模型等。
7.2.2 换热网络合成的研究主要经历
（1）Hohmann的开创性工作的意义在于 从理论上导出了换热网络的两个理想状：
❖ 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。 从而为换热网络设计指明了方向。
(2）Linnhoff和 Flower在Hohmann的基础上， 从方法上提出分两步走。
❖ 当一股物流吸入或放出dQ热量时，其温 度发生dT的变化，则dQ=FCp·dT 式中，FCp为热容流率，单位为kw／ºC。
热容流率是质量流率与定压比热的乘积。
如果把一股物流从供给温度Ts加热或冷 却至目标温度TT，则所传的总热量为:
Q TT FCp.dT TS
若热容流率FCp可作为常数，则
Q=FCp（TT-TS）=H
7.3 换热网络合成---夹点技术
节能工作的发展经历了这样几个过程：
❖ 第一阶段，属于捡浮财的阶段，主要表 现在回收余热，但在此阶段所着眼的只 是单个的余热流，而不是整个的热回收 系统；
❖ 第二阶段，考虑单个设备的节能，例如 将蒸发设备从双效改为三效，采用热泵 装置，减少精馏塔的回流比，强化换热 器的传热，等等；