换热网络设计教程
换热网络设计教程-换热网络设计
换热网络的设计——第一部分:主要是Aspen导入与自动设计1.启动Aspen Energy Analyzer2.新建HI Case/HI Project3.工具介绍4.从Aspen 流程中导入数据（也可直接输入物流信息与公用工程）从Hysys 流程中导入数据从Aspen 流程中导入数据从Excel 中导入数据 打开目标查看窗口 打开复合曲线窗口 打开总复合曲线窗口打开公用工程复合曲线窗口打开换热网络网格图窗口第一行：选择文件类型，公用工程文件，模拟文件，经济文件第二行：设定详细的选项第三行：选择流程第四行：改变公用工程或添加公用工程第五行：选择加热器的公用工程第六行：选择冷却器的公用工程第七行：选择换热器的经济数据右下角“Tips”有较详细介绍在点击最右下角“Next”中之前，需要判断要导入的Aspen Plus流程模拟文件：模拟文件必须收敛，且没有错误；是否有不必要的物流和不必要的单元操作；是否有隐藏物流（在Aspen Plus流程里，右键——Reved Hidden objects，可将隐藏物流显示）；模拟文件在稳态模式；是否有内部物流，是否有多流股换热器，不支持内部物流和多流股换。
热器；是否有循环及循环精度是否合适。
检查完成可以点击“Next”右下角“Browse”是要导入的文件路径，其左侧是要导入的文件名称点击“Next”第一项里选only streams with phase changes 只考虑相变，忽略过热过冷（注：若后期不能进行自动设计，则选上面Do not segment，在自动设计方法里有详细步骤）第二项里全选第三项里选lgnore 忽略泵第四项里全不选点击“Next”点击“Next”点击“Next”点击“Next”点击“Next”点击“Next”点击“finish”至此，数据已导入完成。
保存文件。
5.目标查看窗口数字1:物流名称，不需要的可以删除，比如流量太小或能量太少数字2:冷热物流符号，蓝色代表冷物流，红色代表热物流，箭头弯的代表有相变，点击弯箭头可显示该物流的区间能量变化数据数字3和4:代表进出口温度数字5:温度每度能量变化值数字6:该物流总的能量数字8:该物流质量流量数字9:该物流比热6.复合曲线窗口7.总复合曲线窗口公用工程复合曲线8.换热网络网格图窗口9.换热器参数设定窗口点击换热网络网格图窗口里换热器图标可显示换热器参数设定窗口10.换热网络网格图11.自动设计换热网络——首先将Case文件转换为Project文件12.HI Project13.右击Case1选择Recommended Designs14.Recommend Designs参数设置窗口15.自动设计方案窗口16.自动设计方案无法正常运行在导入Aspen plus模拟流程时选择Do not seqment 如下图导入以后点击convert to H1project可以先将公用工程不用的物流删除，如本设计不用空气将工艺物流中能量太小或为0的物流删除点击下方或在Case 1上右键点击“Recommend Designs”出现界面Recommend Near-optimal Designs界面将分离数改为5，设计方案为3或更多点击“Solve”出现警告如下主要是塔设备塔顶冷凝器或再沸器温差太小，适当加大温差，本例加大2°C再次点击“Recommend Designs”，可以显示自动设计的三个方案如左上侧各方案比较：分析三个方案的数据——可比较总费用、换热器面积、换热单元数、设备投资费用、冷热公用工程费用、操作费用，还可查看各参数目标值。
夹点技术（下）换热网络设计详细教程（附Aspen源程序文件）
夹点技术（下）换热网络设计详细教程（附Aspen源程序文件）本教程以丙烯环氧化工段为例对换热网络的夹点设计过程进行详细说明，模拟的源文件来源于某一届化工设计大赛国赛特等奖作品。
本教程重在过程，夹点的原理已在本人的夹点技术原理与应用一文进行了详细介绍，因此本文不再进行解释说明。
另本教程参考了熊杰明老师及包宗宏老师的相关书籍，大家有什么不懂可以买来参考。
有兴趣学习的同学可以在本文文末获取Aspen源程序文件。
下面正式开始介绍使用Aspen Energy Analyzer进行换热网络设计的过程。
1、修改单位在进行设计之前，根据需要我们可以对单位进行修改，修改的方法具体为T ools/Preference/Variables/Variables/Units/Available Unit Sets页面下选用或者修改单位集。
本例采用默认的单位集。
2、数据导入本例采用直接从Aspen plus的模拟文件导入的方法，具体过程如下：（1）首先新建一个热集成文件，即点击Creat New HI Case创建新文件，出现如图的界面图1 新建文件其中上面的图标表示的含义从左往右依次是：从Hysys流程中导入数据、从Aspen流程中导入数据、从Excel中导入数据、打开目标查看窗口、打开复合曲线窗口、打开总复合曲线窗口、打开公用工程复合曲线窗口、打开换热网络网格图窗口。
（2）从Aspen流程中导入数据图2 从Aspen流程中导入数据图3 数据导入在左侧的Steps栏中，是导入的具体步骤，每一步都有相应的提示，从上往下步骤依次为选择文件类型，公用工程文件，模拟文件，经济文件、设定详细的选项、选择流程、改变公用工程或添加公用工程、选择加热器的公用工程、选择冷却器的公用工程、选择换热器的经济数据。
在右下角中的Tips中会提示你提供的模拟文件必须收敛，没有错误等等，有兴趣的可以将此提示看看，此处不再详细介绍。
点击“Next”，选择文件的路径。
17、第七章 换热网络 夹点设计
H1
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
I1=0 SN1 SN2 D1=(0-2)(150-145)= -10 I2=O1= I1- D1=10 D2=(2.5-2)(135-110)=12.5 I3=O2= I2- D2=-2.5
物流 热容 初始 终了 热负 标号 流率 温度 温度 荷
H1 H2 C1 C2
Ik
DK Dk =
Ok
0 冷热均衡。 > 0 需外部提供热量。 < 0 有剩余热量。
Ik
DK
Ok
Ik：外界或其它网络供给 k 网的热,输入。 Ok：k网向外部或其它网排出的热量，输出。 则： 热衡式： Ik = Ok + Dk 变形：Ok = Ik – Dk （k = 1,2…N) 同时由于各网格间联系的存在，有： Ik+1 = Ok
计算第一个网格，由于此 前没有其他网格，故输入 视为0。
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
物流 热容 初始 终了 热负 标号 流率 温度 温度 荷
D1 = ∑Cpcold ( Tk – Tk＋1 ) –∑Cphot (Tk’ – Tk＋1’ ) = (∑Cpcold - ∑Cphot ) (Tk – Tk＋1 )
7.2.2 换热网络合成的研究
换热网络合成技术的研究主要经历了四个阶段： (1)Hohmann的开创性工作 Hohmann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。
温焓图（T – H 图）； 1 结构：横轴为焓，纵轴为温度。 2 物流在T – H 图上的标绘： T
T A
H2 B
E
H1
D
换热网络设计
在伪夹点处将其化为两部分，再应用夹点设计方法无 公用工程端不具有与公用工程匹配的灵活性
流股分流
问题：
三条热流股和两条冷流股匹配，夹点处不 违背 Tmin 约束，必有一条热流股不可能 冷却到夹点温度。
解决方法：
将一个冷流股分流为两个并行支流
流股分流
流股数目准则： SH ≤SC （夹点上方） SH ≥ SC （夹点下方） SH ——夹点处的热流股数目（包括分支流股） SC ——夹点处的冷流股数目（包括分支流股） 因夹点上方可用热公用工程，冷流股可多于热流股； 因夹点下方可用冷公用工程，热流股可多于冷流股。
门槛问题设计
门槛问题特点：
无夹点 只用冷公用工程或热公用工程 最受约束部分为无公用工程端
无公用工程端的意义
传热温差最小-- Tmin 需用特殊匹配才能达到目标温度--CP不等式可使 用 可当作夹点问题的部分进行处理
门槛问题设计
无公用工程端可视为夹点 可当作夹点问题 的一半处理
门槛问题设计
1）在夹点上方，b图中3,4流股匹配不能 满足3流股的热负荷，需与2流股匹配。 2）c图中，用热公用工程满 足冷流股的剩余冷却负荷
附加匹配间的热负荷最大化，夹点上方的剔除流股2
夹点设计方法
1）在夹点下方，b图中1,4流股 匹配不能满足1流股的热负荷， 需与2流股匹配。 2） c图中，用冷公用工程满足 热流股的剩余冷却负荷
最小能量设计 最小面积设计 壳程数目 投资方费用和总费用
剩余问题分析
以最小能量设计为例
对数据进行问题表格分析，计算出Qcmin 和QHmin 。 将匹配好的冷、热流股从数据流股中移走，对剩余 数据再做问题表格分析，计算Qcmin 和QHmin 。 判断是否有能量惩罚。 ① Qcmin 和Qhmin 不增加，无能量惩罚。 ② Qcmin 和Qhmin 增加，穿越夹点传热或能量惩罚
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
换热网络设计
换热⽹络设计⼀.简介：化学⼯业是耗能⼤户，在现代化学⼯业⽣产过程中，能量的回收及再利⽤有着极其重要的作⽤。
换热的⽬的不仅是为了改变物流温度使其满⾜⼯艺要求，⽽且也是为了回收过程余热，减少公⽤⼯程消耗。
在许多⽣产装置中，常常是⼀些物流需要加热，⽽另⼀些物流则需要冷却。
将这些物流合理的匹配在⼀起，充分利⽤热物流去加热冷物流，提⾼系统的热回收能⼒，尽可能减少蒸汽和冷却⽔等辅助加热和冷却⽤的公⽤⼯程（即能量）耗量，可以提⾼系统的能量利⽤率和经济性。
换热⽹络系统综合就是在满⾜把每个物流由初始温度达到制定的⽬标温度的前提下，设计具有最加热回收效果和设备投资费⽤的换热器⽹络。
我们主要介绍利⽤夹点技术对换热⽹络进⾏优化。
通过温度分区及问题表求出夹点及最⼩公⽤⼯程消耗，找出换热⽹络的薄弱环节提出优化建议，寻求最优的匹配⽅法。
再从经济利益上进⾏权衡提出最佳的换热⽹络⽅案。
提⾼能量的利⽤效率。
⼆.换热⽹络的合成——夹点技术1、温度区间的划分⼯程设计计算中，为了保证传热速率，通常要求冷、热物流之间的温差必须⼤于⼀定的数值，这个温差称作最⼩允许温差△Tmin。
热物流的起始温度与⽬标温度减去最⼩允许温差△Tmin，然后与冷物流的起始、⽬标温度⼀起按从⼤到⼩顺序排列，⽣称n个温度区间，热物流按各⾃冷、个温区，n从⽽⽣成表⽰，Tn+1……T1,T2分别⽤．的始温、终温落⼊相应的温度区间。
温度区间具有以下特性:（1）.可以把热量从⾼温区间内的任何⼀股热物流，传给低温区间内的任何⼀股冷物流。
（2）.热量不能从低温区间的热物流向⾼温区间的冷物流传递。
2、最⼩公⽤⼯程消耗（1）.问题表的计算步骤如下：A：确定温区端点温度T1，T2，………Tn+1，将原问题划分为n个温度区间。
B：对每个温区进⾏流股焓平衡，以确定热量净需求量：Di=Ii－Qi=（Ti－Ti+1）（∑FCPC－∑FCPH）C：设第⼀个温区从外界输⼊热量I1为零，则该温区的热量输出Q1为：Q1=I1－D1=－D1根据温区之间热量传递特性，并假定各温区间与外界不发⽣热交换，则有：Ii+1=QiQi+1=Ii+1－Di+1=Qi－Di+1利⽤上述关系计算得到的结果列⼊问题表(2).夹点的概念（⾃⼰画图7-3）从图中可以直观的看到温区之间的热量流动关系和所需最⼩公⽤⼯程⽤量，其中SN2和SN3间的热量流动为0，表⽰⽆热量从SN2流向SN3。
化工系统-第5章换热网络综合
问题表格 (1)
冷物流及其温度
C1
C2
℃ 150
125 145
100 120
70 90
40 60
25
20
热物流及其温度
H1
H2
2021/6/10
34
子网络 序号
SN1 SN2 SN3 SN4 SN5 SN6
2021/6/10
问题表格（2）
赤字Dk kW
-10 12.5 105.0 -135.0 82.5 12.5
352.9K
ln
273 70
2021/6/10
25
冷物流的热力学平均温度为：
(273 80) (273 40)
TL
l
n
273 273
80 40
332.6K
该传热过程的有效能损失为：
LW
T0 TH TL
(TH
TL )Q
293 (352.9 332.6)Q 352.9 332.6
0.0507Q
2021/6/10
[90-(80+dT4)] [90-(80+dT5)]
<Tmin
17
热端夹点处的可行匹配：
(b) 采用冷物流分支
NH NC
(c) 采用设置加热器H NH NC
2021/6/10
18
② 对于夹点下方，热工艺物流(包括分支)数目NH
不小于冷工艺物流(包括分支)的数目NC , 即：N H NC (d) 冷端夹点处不可行的匹配 N H NC
➢ 没有考虑换热器传热系数U、单位传热面积费 用a的差别
➢ 分区造成物流分支、混合，或热负荷很小， 网络结构复杂，使操作麻烦，投资增加
第4章 换热网络综合设计
3
C
2.0
40 60
2
8.0
2 125
3 20
20 2.5
25 3.0
夹点冷端的流股匹配（2）
Q 60 4.17 240 3.83
125 135
7
具有最小公用工程加热与冷却负荷的整体设计方案
夹点
150℃ H1
90℃ H2
90℃ 1
90℃
80℃ 3
80℃
4
C
60℃
40 60℃
2
125℃
118℃
H1
70℃
5
方案 1
夹点 H1 90 H2 90
1
C1 70
C2 70
1
135
CP
80
60
3
C
2.0
40
60
2
8.0
28
2
3
105
20
20 2.5
25 3.0
夹点冷端的流股匹配（1）
Q 60 3.5 240 4.5
125 135
6
方案 2
夹点 H1 90 H2 90
1
C1 70
C2 70
1
115
CP
80
60
H1
2
C1
2.5
C2
3.0
夹点端温度 另一端温度
(℃)
(℃)
90
150
70
125
70
100
热负荷 (kW)
120 137.5
90
分析： ◆ 流股数符合规则1： NH <NC
(热流股数 1，小于冷流股数2) ◆ 热容流率符合规则2： CPH<CPC
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换热网络的设计
——第一部分:主要是Aspen导入与自动设计1.启动Aspen Energy Analyzer
2.新建HI Case/HI Project
3.工具介绍
从Hysys流程中导入数据
从Aspen流程中导入数据
从Excel中导入数据
打开目标查看窗口
打开复合曲线窗口
打开总复合曲线窗口
打开公用工程复合曲线窗口
打开换热网络网格图窗口
4.从Aspen流程中导入数据（也可直接输入物流信息与公用工程）
第一行：选择文件类型，公用工程文件，模拟文件，经济文件
第二行：设定详细的选项
第三行：选择流程
第四行：改变公用工程或添加公用工程
第五行：选择加热器的公用工程
第六行：选择冷却器的公用工程
第七行：选择换热器的经济数据
右下角“Tips”有较详细介绍
在点击最右下角“Next”中之前，需要判断要导入的Aspen Plus流程模拟文件：模拟文件必须收敛，且没有错误；是否有不必要的物流和不必要的单元操作；是否有隐藏物流（在Aspen Plus流程里，右键——Reved Hidden objects，可将隐藏物流显示）；模拟文件在稳态模式；是否有内部物流，是否有多流股换热器，不支持内部物流和多流股换。
热器；是否有循环及循环精度是否合适。
检查完成可以点击“Next”
右下角“Browse”是要导入的文件路径，其左侧是要导入的文件名称点击“Next”
第一项里选only streams with phase changes 只考虑相变，忽略过热过冷（注：若后期不能进行自动设计，则选上面Do not segment，在自动设计方法里有详细步骤）
第二项里全选
第三项里选lgnore 忽略泵
第四项里全不选
点击“Next”
点击“Next”点击“Next”点击“Next”
点击“Next”点击“Next”
点击“finish”至此，数据已导入完成。
保存文件。
5.目标查看窗口
数字1:物流名称，不需要的可以删除，比如流量太小或能量太少
数字2:冷热物流符号，蓝色代表冷物流，红色代表热物流，箭头弯的代表有相变，点击弯箭头可显示该物流的区间能量变化数据
数字3和4:代表进出口温度数字5:温度每度能量变化值数字6:该物流总的能量
数字8:该物流质量流量
数字9:该物流比热
6.复合曲线窗口
7.总复合曲线窗口公用工程复合曲线
8.换热网络网格图窗口
9.换热器参数设定窗口
点击换热网络网格图窗口里换热器图标可显示换热器参数设定窗口
热流入口温度设定热流出口温度设定热
流
换热器热负荷换热器面积冷
流
冷流出口温度设定冷流入口温度设定
10.换热网络网格图
11.自动设计换热网络
——首先将Case文件转换为Project文件
12.HI Project
13.右击Case1选择Recommended Designs
14.Recommend Designs参数设置窗口
15.自动设计方案窗口
16.自动设计方案无法正常运行
在导入Aspen plus模拟流程时选择Do not seqment 如下图导入以后点击convert to H1project
可以先将公用工程不用的物流删除，如本设计不用空气
将工艺物流中能量太小或为0的物流删除
点击下方或在Case 1上右键点击“Recommend Designs”
出现界面Recommend Near-optimal Designs界面将分离数改为5，设计方案为3或更多
点击“Solve”出现警告如下
主要是塔设备塔顶冷凝器或再沸器温差太小，适当加大温差，本例加大2°C
再次点击“Recommend Designs”，可以显示自动设计的三个方案如左上侧
各方案比较：分析三个方案的数据
——可比较总费用、换热器面积、换热单元数、设备投资费用、冷热公用工程费用、操作费用，还可查看各参数目标值。
一般以年度总费用最小为目标，则选择方案。
点击下方或在该方案名称上右键“enter Retrofit mode”
出现“options”对话框，点击“Enter Retrofit Environment”
左上方显示该方案在新的Case目录内，可以对其编辑，进一步优化。