第七章 换热网络合成ch72
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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。
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。
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化工过程分析与合成
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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
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
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
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。
采用结构进化策略的Lagrange乘子法优化换热网络
2016年第35卷第4期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·1047·化工进展采用结构进化策略的Lagrange乘子法优化换热网络张春伟，崔国民，陈上，陶佳男（上海理工大学新能源科学与工程研究所，上海 200093）摘要：针对罚函数法处理有约束问题时存在的不足，采用Lagrange乘子法优化换热网络。
为求解Lagrange函数方程组，根据确定性方法，提出最速下降法求解策略以及Powell法求解策略。
通过极小值判断机制，保证Lagrange 函数方程组的解是原换热网络目标函数值的极小值。
根据实际工况，提出结构进化策略，与Lagrange乘子法相结合，实现了换热网络全局最优化。
通过经典算例验证了两种求解策略的有效性、准确性以及结构进化策略的通用性。
与文献结果进行对比，结果表明本算法具有较强的局部搜索能力以及全局搜索能力，能够找到更优的换热网络结构，有利于在工业生产中节约成本。
关键词：换热网络；Lagrange乘子法；最速下降法；Powell法；结构进化策略中图分类号：TK 124 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）04–1047–09DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.013Lagrange multiplier method combined with structure evolution strategyfor heat exchanger network synthesisZHANG Chunwei，CUI Guomin，CHEN Shang，TAO Jianan（Research Institute of New Energy Science and Technology，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）Abstract：In allusion to the deficiency of penalty functions for constrained problems，a Lagrange multiplier method was adopted to optimize the heat exchanger network. To solve the Lagrange function equations，the steepest-descent method and the Powell method solving strategy according to the deterministic approach were proposed. The minimum value judgment mechanism ensures that the Lagrange function equation solution equals the minimum objective function value of the original network. According to the actual working conditions，a structure evolution strategy combined with a Lagrange multiplier method was proposed to reach the aim of global optimization. The validity and accuracy of these two methods，as well as the universality of the structure evolution strategy were verified by two benchmark problems. Compared with literature results，the proposed approaches have both strong local and global search abilities to find better heat exchanger network structures，which is conducive to cost saving in industrial production.Key words：heat exchanger network；Lagrange multiplier method；steepest-descent method；Powell method；structure evolution strategy换热网络综合（heat exchanger network synthesis，HENS）是系统工程中的一个重要组成部分，其目的在于提升系统的回收能力和经济性。
热交换网络的合成
H1
1
3
H2
2
1
H2
3
H1
H2
C
C1
1
C2
3
2
H
C1 C
C2
等价的线、圈表示图
一 、热交换网络的表示方法
工艺流程图
热交换网络图
二、T-H图、夹点和热交换网络的最小能耗
H
to ti
qm
cp
dt
qm
cp
(toti )
qm : 质 量 流 量 ；cp : 定 压 比 热 容 ；to :目 标 温 度 ；ti : 物 料 温 度 。
令FCP＝C（P 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
是在冷、热流股之间进行热交换的匹配。为满足最 大回收热量的目标，首先考虑的是用最高目标温度的冷 流股与具有最高供应温度的热流股进行交换。
四、降低能量回收的要求，减少换热器
热交换网络合成（设计）
例题：下表列出了冷、热各两股流的起始温度和目标温度， 并给出了其热容流率。假设最小传热温差，△Tmin要求为 20℃。
㈡、换热网络内温度低于夹点的流股，只要其温度变化范围 在夹点以下，就不能引入外界热源来进行加热，而应该用系 统内流股与之搭配（或引入外界冷源） ；
例：有两股冷流体和两股热流体构成的热 交换网络，如下表：
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
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。
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• 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
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温度区间具有以下特性：
• 人工智能方法的建立
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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
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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
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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。
4.4 热交换的计算
h1r1
rm
h2 r2
r1
当h1' 400 时 ' 当h2 20000 时
l 3.67kW .m 1 l 2.18kW .m 1
可见：提高原来h已经很大的这侧流体的传热膜系数，对 总传热的影响是不大的；而降低热阻大的这侧流体的热阻， 对传热速率的提高则是有意义的。
1 1 h1 h2 1 0.0001 1 0.008 0.00016 2 0.003 0.003 h1 1 50 2 1 / A t
1 0.004 h2
可见：主要热阻在搪瓷衬里和有机物这一侧。
如果忽略水蒸气和碳钢的热阻，计算结果只相差3.6%。
总传热方程: K A t
传热温差
连续定态传热有两种情况:恒温和变温
定态恒温传热:两流体经传热面进行热交换时,沿壁 面上两流体的温度不仅不随时间变化，同时也不随 壁面的不同位置而变化。如蒸发和蒸馏。
t T t
K或℃
传热温差
定态变温传热：传热壁面各点温度不随时间而变化， 但随传热面位置不同而不同。
10~50 50~400 300~2000
100~300 冷凝水蒸气-沸腾轻油 500~1000 150~400 冷凝水蒸气-沸腾溶液 300~2500 800~1800 冷凝水蒸气-沸腾水 2000~4000
例
题
例4-7 夹套反应釜的内径为80cm，釜壁碳钢(=50W.m-1.K-1) 板厚8mm,衬搪瓷厚3mm (=1.0W.m-1.K-1)，夹套中通饱和 水蒸气(h=10000W.m-2.K-1)加热，水蒸气温度为120℃，釜 内为有机物(h=250W.m-2.K-1)，温度为80℃。求该条件下单 位面积的传热速率和各热阻占总热阻的百分数。 解：因内径0.8m≈外径0.822m,可近似作为平面壁，则
rm
h2 r2
r1
当h1' 400 时 ' 当h2 20000 时
l 3.67kW .m 1 l 2.18kW .m 1
可见：提高原来h已经很大的这侧流体的传热膜系数，对 总传热的影响是不大的；而降低热阻大的这侧流体的热阻， 对传热速率的提高则是有意义的。
1 1 h1 h2 1 0.0001 1 0.008 0.00016 2 0.003 0.003 h1 1 50 2 1 / A t
1 0.004 h2
可见：主要热阻在搪瓷衬里和有机物这一侧。
如果忽略水蒸气和碳钢的热阻，计算结果只相差3.6%。
总传热方程: K A t
传热温差
连续定态传热有两种情况:恒温和变温
定态恒温传热:两流体经传热面进行热交换时,沿壁 面上两流体的温度不仅不随时间变化，同时也不随 壁面的不同位置而变化。如蒸发和蒸馏。
t T t
K或℃
传热温差
定态变温传热：传热壁面各点温度不随时间而变化， 但随传热面位置不同而不同。
10~50 50~400 300~2000
100~300 冷凝水蒸气-沸腾轻油 500~1000 150~400 冷凝水蒸气-沸腾溶液 300~2500 800~1800 冷凝水蒸气-沸腾水 2000~4000
例
题
例4-7 夹套反应釜的内径为80cm，釜壁碳钢(=50W.m-1.K-1) 板厚8mm,衬搪瓷厚3mm (=1.0W.m-1.K-1)，夹套中通饱和 水蒸气(h=10000W.m-2.K-1)加热，水蒸气温度为120℃，釜 内为有机物(h=250W.m-2.K-1)，温度为80℃。求该条件下单 位面积的传热速率和各热阻占总热阻的百分数。 解：因内径0.8m≈外径0.822m,可近似作为平面壁，则
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7.6.4
禁止匹配与强制匹配
在实际工程设计中 , 可能会对物流的匹配提出一 在实际工程设计中, 些限制. 些限制. 如考虑到腐蚀,操作安全,设备布置,管线铺设, 如考虑到腐蚀, 操作安全, 设备布置, 管线铺设, 操作方便等问题, 操作方便等问题 , 可能会禁止某些物流间的匹配 或强制进行某些物流间的匹配. 或强制进行某些物流间的匹配. 老厂改造时应充分利用原有设备 , 就属于强制匹 老厂改造时应充分利用原有设备, 配. 这些限制有时会影响到能量的回收. 这些限制有时会影响到能量的回收.
需要注意以下问题: 需要注意以下问题: 在T-H图上,夹点处对温度误差最为敏 图上, - 图上 感,因此在夹点附近必须尽可以取得准 确的热容流率值 为了防止低估能量消耗值,对热物流所 为了防止低估能量消耗值, 作线性的逼近不能高于热物流线, 作线性的逼近不能高于热物流线,对冷 物流所作的线性逼近不能低于冷物流线 相变点必须作为分段点
出现物流混合和分 解时,物流的选取 就更加复杂. 就更加复杂. 图 a : 两股起始温度 不同 的 物流 A , B , 混合为C 后被加热到 混合为 C 共同的目标温度. 共同的目标温度. 实际的工艺流程通 常为图b 的形式, 常为图 b 的形式 , 这 种方式是否合理就 要看物流混合时的 温度的变化是否跨 越了夹点. 越了夹点.
夹点之上,只有一种能够满足最小能量消耗的 夹点之上, 匹配方式.匹配4为新增加的 为新增加的. 匹配方式.匹配 为新增加的. 夹点之下,有多个方案,图b与原有流程的兼 夹点之下,有多个方案, 与原有流程的兼 容性最大,只需要增加一个新匹配5. 容性最大,只需要增加一个新匹配 .
将两个子系统合并,得到图8-28c的换热网络, 将两个子系统合并,得到图 的换热网络, 的换热网络 它比原有网络多了匹配4和匹配 和匹配5. 它比原有网络多了匹配 和匹配 .这意味着能 量消耗的降低将以增加两台换热器为代价节能
因为匹配 为新增加的换热单元,选择将匹配 因为匹配5为新增加的换热单元,选择将匹配5 为新增加的换热单元 消去,得到下图. 消去,得到下图.这一改进造成能量的进一步 松驰,即公用工程消耗增加. 松驰,即公用工程消耗增加.
利用将物流 和物流4之间匹配的能量"绷 利用将物流3和物流 之间匹配的能量 和物流 之间匹配的能量" 即将T ℃调整到80℃ ,可以节省2.7 紧"(即将 1从77℃调整到 ℃),可以节省 即将 个单位的能量,得到下图. 个单位的能量,得到下图. 与原有流程进行比较,所有装置都为原来存在 与原有流程进行比较, 的装置,热量节省5%,其中匹配1和匹配 %,其中匹配 和匹配3的 的装置,热量节省 %,其中匹配 和匹配 的 负荷有所增加,匹配2的负荷有所降低 的负荷有所降低. 负荷有所增加,匹配 的负荷有所降低.
因此,为了保证最小公用工程用量,应当 因此,为了保证最小公用工程用量, 避免物流的非等温混合, 避免物流的非等温混合,但会增加换热单 元数
物流分解也是工艺流程中常遇到的情况 如图所示,物流A被分解成B,C,物流B,C的 如图所示,物流A被分解成B 物流B 具有不同的目标温度. 具有不同的目标温度.
7.6.3老厂改造 7.6.3老厂改造
老厂改造项目多是节能改造.在做换热网络设计 老厂改造项目多是节能改造. 不仅要考虑节省能量, 时,不仅要考虑节省能量,还要考虑原有设备的 利用,因为这涉及到装置的投资费用. 利用,因为这涉及到装置的投资费用. 利用夹点方法,很容易计算出最小能耗目标,并 利用夹点方法,很容易计算出最小能耗目标, 找到最好的匹配方案,问题是, 找到最好的匹配方案,问题是,改进后的方案与 对原来的流程改动程度有多大. 对原来的流程改动程度有多大. 显然,在各种改进方案中,应该选取那些最能充 显然,在各种改进方案中, 分利用原有设备管线的方案, 分利用原有设备管线的方案,即和原有流程具有 最大兼容性的方案( 最大兼容性的方案(Linnhoff) )
再如,前面的老厂改造例题,当要求保留原有设 再如,前面的老厂改造例题, 备时, 备时,夹点之下仍能找到满足最小能量消耗的方 因此强制匹配不会影响能量回收. 案,因此强制匹配不会影响能量回收. 总之,对于存在禁止或强制匹配的问题,应该先 总之,对于存在禁止或强制匹配的问题, 找出满足最小公用工程消耗的方案, 找出满足最小公用工程消耗的方案,然后检查增 加的限制是否会影响到能量回收, 加的限制是否会影响到能量回收,影响的程度有 多大, 多大,是否存在解决方案
设A,B混合后的温度为60℃,夹点温度为 混合后的温度为60℃, 60℃ 100℃,则可以按的图b的方式直接混合, 100℃,则可以按的图b的方式直接混合,然后 看作只有一股物流C参与匹配. 看作只有一股物流C参与匹配. 如果夹点温度为80℃,则不能简单地按上述方 如果夹点温度为80℃ 80℃, 式处理. 式处理.图c两条冷物流的直接混合将违背夹 点匹配原则, 点匹配原则,即夹点之上与夹点之下的物流进 行了换热,将导致公用工程的消耗的增加. 行了换热,将导致公用工程的消耗的增加.
第三种方法最大限度地提供了自由设计空间,有 第三种方法最大限度地提供了自由设计空间, 可能找到更好的换热方案. 可能找到更好的换热方案. 因此,在选取物流时,应尽量避免过细地将物流 因此,在选取物流时, 拆开,当物流中间有指定温度时, 拆开,当物流中间有指定温度时,应当分析一下 该温度是否可以调整. 该温度是否可以调整.
7.6 实际工程项目的换热网络合成
7.6.1数据提取 7.6.1数据提取
工艺流程图是提取数据最主要的依据.换热网 工艺流程图是提取数据最主要的依据. 络设计所需的数据为物流的温度,流量及热容. 络设计所需的数据为物流的温度,流量及热容. 热容流率与温度与一定的关系,尤其是温度变 热容流率与温度与一定的关系, 化范围较大或存在相变时. 化范围较大或存在相变时.此时可以将物流分 分别对各段进行线性处理. 段,分别对各段进行线性处理. 许多工艺设计过程提供了换热装置的热负荷与 物流温度的关系图( 物流温度的关系图(即T-H图),可以根据 - 图),可以根据 此图决定是否有必要对物流分段, 此图决定是否有必要对物流分段,如何分段
按第一种方法设计的结果,可能会和原有流程 按第一种方法设计的结果, 一致,因为每段物流都与原有物流完全吻合, 一致,因为每段物流都与原有物流完全吻合, 因此起不到换热网络设计的作用. 因此起不到换热网络设计的作用. 第二种方法提供了网络设计的自由度,但实际 第二种方法提供了网络设计的自由度, 要求常温储存的物料并不是必须在25℃ 25℃, 上,要求常温储存的物料并不是必须在25℃, 因此将25℃作为指定温度又限制了网络的设计. 25℃作为指定温度又限制了网络的设计 因此将25℃作为指定温度又限制了网络的设计.
为了减少换热单元,利用能量松驰法进行改进. 为了减少换热单元,利用能量松驰法进行改进. 匹配4,匹配5与两台冷却器构成一个回路.由 匹配 ,匹配 与两台冷却器构成一个回路. 与两台冷却器构成一个回路 于匹配4造成了物流 的分解, 造成了物流5的分解 于匹配 造成了物流 的分解,这是原有流程中 不存在的,因此在断开回路时将匹配4合并到 不存在的,因此在断开回路时将匹配 合并到 匹配5上 匹配 上.
结果使 1,T2违反了允许温差的约束,利用能 结果使T 违反了允许温差的约束, 量松驰法进行调整,得到下图. 量松驰法进行调整,得到下图. 匹配方案方案与原有流程比较接近,只多了匹 匹配方案方案与原有流程比较接近, 配5,可以作为一个较好的改进方案 ,
加热器,匹配5与冷却器仍构成回路,因此可 加热器,匹配 与冷却器仍构成回路 与冷却器仍构成回路, 将网络继续改进. 将网络继续改进.
如:在蒸馏预热串联系统中,原料从10℃加热 在蒸馏预热串联系统中, 原料从 ℃ 到 150℃ 后进入蒸馏塔 , 在进行换热网络设计 ℃ 后进入蒸馏塔, 物流的选取有下列三种方法: 时,物流的选取有下列三种方法: 1) 将进料分为三股物流 , 第一股从 ℃ 到 25℃ , 将进料分为三股物流, 第一股从10℃ ℃ 第二股从25℃ 第二股从 ℃到70℃,第三股从 ℃到150℃ ℃ 第三股从70℃ ℃ 将进料分为二股物流, 2)将进料分为二股物流,第一股从 ℃到25℃, 将进料分为二股物流 第一股从10℃ ℃ 第二股从25℃ 第二股从 ℃到150℃ ℃ 3)将进料看作一股物流,从10℃到150℃ 将进料看作一股物流, 将进料看作一股物流 ℃ ℃
图a为一个换热网络的原有匹配流程,其中热 为一个换热网络的原有匹配流程, 为一个换热网络的原有匹配流程 公用工程消耗为196kW,冷公用工程消耗为 公用工程消耗为 , 175.3kW. .
取△Tmin=10℃,利用所给数据进行计算,得 ℃ 利用所给数据进行计算, 到夹点位置在149~159℃,最小热公用工程消 到夹点位置在 ℃ 耗为106.4kW,最小冷公用工程消耗为 耗为 ,最小冷公用工程消耗为85.7kW, , 可见热量的节能潜力高达46%. 可见热量的节能潜力高达 %. 利用夹点匹配技术,分别对夹点之上和夹点之 利用夹点匹配技术, 下的子系统进行设计. 下的子系统进行设计.
热物流 ,H2的品位高于冷物流 ,C2时, 热物流H1, 的品位高于冷物流 的品位高于冷物流C1, 时 如果禁止或强制匹配, 如果禁止或强制匹配,可能不会增加外加热量 消耗
热物流 的品位低于冷物流C1时,当禁止热 热物流H2的品位低于冷物流 时 的品位低于冷物流 物流H1与冷物流 匹配时, 与冷物流C1匹配时 物流 与冷物流 匹配时,则可能要增加外 加热量. 加热量.
实际工艺流程中可能采用图b,c所示的两种不 实际工艺流程中可能采用图b 同方式 图b,系统被看作两条物流 图c,则系统中有一条物流参与了匹配,节省 则系统中有一条物流参与了匹配, 了一台换热器,但旁路物流D 了一台换热器,但旁路物流D,E的混合构成了 物流混合问题, 物流混合问题,需慎重对待
因此,在物流混合出现温度跨越时,为了避免 因此,在物流混合出现温度跨越时, 过多地消耗公用工程,必须先将物流A 过多地消耗公用工程,必须先将物流A,B看作 两条不同的热物流和冷物流, 两条不同的热物流和冷物流,经过与其它物流 换热达到同一温度T后再混合成C 换热达到同一温度T后再混合成C,也就是保证 物流A 在等温状态下混合. 物流A,B在等温状态下混合. 若混合温度T=120℃,则系统被看作了两条物 若混合温度T=120℃ T=120℃, T<120℃,则应将C选作一条物流从T 流.若T<120℃,则应将C选作一条物流从T加 热到120℃ 系统实际上是被看作了三条物流. 120℃, 热到120℃,系统实际上是被看作了三条物流.