ASPEN ENERGY ANALYZER-化工过程热集成仿真(苍松书苑)

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换热网络(HEN)设计目标
1. 能量目标
2. 换热单元数目标
3. 换热网络面积目标
4. 经济目标
深层分析
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Energy Target — 能量目标
能量目标就是指以系统能量的最大回收为目标， 即最小热公用工程和最小冷公用工程。
能量目标随夹点温差而变。夹点温差确定后， 所分析系统的能量目标为一确定值。
蒸汽动力 子系统
产品
副产 蒸汽
废热排出（冷公用工程）
深层分析
3
过程热集成设计的方法
— 夹点技术 Pinch Technology 夹点技术是广泛应用的过程热集成 设计的有效方法，其要点如下：
1. 温-焓图和组合曲线
2. 夹点的形成
3. 夹点的意义和设计原则
深层分析
4
温-焓(T-H )图(1)
物流的热特性可以用(T-H )图表示
总年度费用目标 CT C E B C N / R
B — 年运行时间； R — 设备折旧年限
深层分析
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最优夹点温差Tmin的确定
CE CH QH CCQC C N U min [a b( A / U min )c ]
深层分析
20
夹点技术的应用
夹点技术既可用于新厂设计，又可用于
已有系统的节能改造，但两者在目标上和
N—流股数目，包括工艺股和公用工程流股；
L—独立的热负荷回路数目； L 0 S—可能分离成不相关子系统的数目。 S 1
深层分析
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最大能量回收网络的 换热单元数目标
如果要使系统能量最大回收，需将系统分成夹点 之上和夹点之下两个独立网络设计：
夹点之上： U min ，1 N1 L1 S1 夹点之下： U min ,2 N 2 L2 S 2
深层分析
5
温-焓(T-H )图(2)
两流股间的换热:温度及焓的变化在
(T-H )图上能够很好地表达。
T (℃)
Hot Stream
Cold Stream
QE
QC
深层分析QH
H (MW)
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组合曲线-Composite Curve
多股流股的组合温焓线
深层分析
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夹点的形成 -Pinch Point (1)
U min U min ，1 U min ，2
如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量
增加（不满足能量最大回收），此时夹点上下
就不再是独立网络了。
深层分析
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Area Target — 换热面积目标
在进行换热网络设计前，无法精确计算换热网 络的面积，最小换热面积的计算是由最小传热温 差下冷、热温焓曲线垂直换热得到的。
4.不应有跨越夹点的传热。
深层分析
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Grand Composite Curve — 总组合曲线
如果将每个温区中的冷、热流股的焓变加和起来， 计算总焓变，并在温焓图上表示，则可得到总组 合曲线。
T
深层分析
H
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总组合曲线的意义
由总组合曲线可知不同温位下的传热通量分 布，能更合理地配置公用工程。
深层分析
若夹点温差增大，加热公用工程和冷却公用 工程均增大，且增大的数量相等。
能量目标可通过温焓图的组合曲线法计算得到。
深层分析
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Units Target — 换热单元数目标
一个换热网络的最小单元数目可由欧拉通 用网络定理来描述：
U min N L S N 1
U—换热单元数，包括换热器、加热器和冷却器；
将全部热物流的组合温焓线与全部冷物流 的组合温焓线绘制在同一（T-H）图上：
T
Hot Stream
Cold Stream
深层分析
H 8
夹点的形成 -Pinch Point (2)
焓是热力学状态函数，具有实际意义的是其增 量而非绝对值。因此可以将组合曲线水平移动。
冷、热组合曲 T
线在横坐标上
的重叠部分代
化工CAD基础 第八讲
Simulation Design of Heat Integration in Chemical Processes
化工过程热集成仿真设计
深层分析
1
Hierarchy
— 化工过程的分层设计
最常用的化工过程 分层设计模型是左图所 示的洋葱模型，由里到 外逐层细化设计。
过程热集成设计的 对象是换热系统的拓扑 结构和公用工程的规格 配套设计。
表两类流体间 可交换的热量，
夹点
在纵坐标上的
差值代表传热
温差。温差最
小处称为夹点。
极限情况是夹
QE
点温差为零。
深层分析
H
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夹点的形成 -Pinch Point (3)
对于有限大的传热面积，最小传热温差不能为
零。设定最小传热温差值，就可根据(T-H)图中的
冷、热组合曲 T
线得到系统内
部换热量QE、
冷公用工程量 QC 和热公用工
化工过程的洋葱模型
深层分析
2
Hierarchy
— 化工过程的分层设计
洋葱模型分层 结构的能量关系如 右图所示：热回收 子系统通过内部物 流之间的换热来减 少对外部公用工程 的依赖，提高系统 能效；蒸汽动力子 系统是适用于大量 高温放热过程的可 选项。
能量供给（热公用工程）
原料
工艺过程子系统
热回收 子系统
方法上都有区别；
夹点技术的一个显著特点是在换热网络
设计前，先获得各项设计目标；
在优化目标方面，夹点技术最初是以最
大能量回收为系统的目标，然后发展为以
最小总费用为目标。
深层分析
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Aspen Energy Analyzer 入门
有两种方式应用 Aspen Energy Analyzer：
1. 独立应用Aspen Energy Analyzer； 2. 在Aspen Plus仿真模型的基础上应
用Aspen Energy Analyzer。
T
i
Ai
1 ( i Ti,min
j
qj ) hj
深层分析 H
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Cost Target — 经济目标
能量费用目标
CE CH QH CCQC
设备投资费用目标 —根据换热单元数目标
和换热面积目标求取
假定：换热单元数目标为Umin，且换热面积平均分配
在各单元中 C N U min [a b( A / U min )c ]
夹点
程量QH。
QE （h j A j T j）
j
QC
QE
QH
深层分析
H
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夹点的意义和设计原则
Q2 Q
+ Q2 + Q
+Q + Q1
1.夹点是冷热复合温焓线中传热温
差最小处，此处热通量为零。
2.夹点之上是热端，只有换热和加 热公用工程，为需要热量的热阱， 不应设置任何冷公用工程。
Q1
3.夹点之下是冷端，只有换热和冷 却公用工程，为热量多余的热源， 不应设置任何热公用工程。