-換熱網(wǎng)絡(luò)-夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法完整版

7換熱網(wǎng)絡(luò)合成7．1化工生產(chǎn)流程中換熱網(wǎng)絡(luò)的作用和意義

換熱是化工生產(chǎn)不可缺少的單元操作過程。在所有工藝流程中，都會(huì)有一些物流需要被加熱，而另一些物流需要被冷卻。例如，圖7-1所示的乙烯裂解氣甲烷化流程。

對(duì)于含有換熱物流的工藝流程，將其中需要換熱的物流提取出來，就組成了換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中：需要被加熱的物流稱為冷物流；需要被冷卻的物流稱為熱物流。換熱網(wǎng)絡(luò)合成的基本思想：在工藝過程設(shè)計(jì)中節(jié)能非常重要，因此換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)不僅是使物流溫度滿足工藝要求，還要回收過程余熱，減少公用工程消耗。換熱網(wǎng)絡(luò)合成的任務(wù)：確定換熱物流的合理匹配方式，從而以最小的消耗代價(jià)，獲得最大的能量利用效益。

換熱網(wǎng)絡(luò)消耗的來源：換熱單元(設(shè)備)數(shù)，傳熱面積，公用工程消耗。換熱網(wǎng)絡(luò)合成追求的目標(biāo)：使三方面的消耗都為最小值。事實(shí)上，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)裝置，很難達(dá)到這一目標(biāo)。最小公用工程消耗意味著較多的換熱單元數(shù)，而較少的換熱單元數(shù)又需要較大的換熱面積。實(shí)際進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，需要在某方面做出犧牲，以獲得一個(gè)折衷的方案。7．2換熱網(wǎng)絡(luò)合成問題7.2.1換熱網(wǎng)絡(luò)合成問題的描述典型的換熱網(wǎng)絡(luò)合成問題：熱物流H：初始溫度TH初目標(biāo)溫度TH終冷物流C：初始溫度TC初目標(biāo)溫度TC終已知每條物流的熱容流率FCp(物流流量與熱容的乘積)，通過確定物流間的匹配關(guān)系，以使所有的物流均達(dá)到它們的目標(biāo)溫度，同時(shí)使裝置成本、公用工程(外部加熱和冷卻介質(zhì))消耗成本最少。7.2.2換熱網(wǎng)絡(luò)合成的研究換熱網(wǎng)絡(luò)合成技術(shù)的研究主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：

(1)Hohmann的開創(chuàng)性工作Hohmann在溫焓圖上進(jìn)行過程物流的熱復(fù)合，找到了換熱網(wǎng)絡(luò)的能量最優(yōu)解，即最小公用消耗。還提出了換熱網(wǎng)絡(luò)最少換熱單元數(shù)的計(jì)算公式。Hohmann工作的意義:從理論上導(dǎo)出了換熱網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)理想狀態(tài)，從而為換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)指明了方向。HTAEH2BIIIIIIⅣⅤⅥQc.minQN.minH1CD△TmFC1’C1’’QR(2)Linnhoff和Flower的工作在綜合和證實(shí)Hohmann工作曲線基礎(chǔ)上，從方法上提出分兩步走。第一步:合成能量最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)。從熱力學(xué)的角度出發(fā)，劃分溫度區(qū)間和進(jìn)行熱平衡計(jì)算。通過簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算就能找到能量最優(yōu)解(即最小公用工程消耗)，這就是著名的溫度區(qū)間法(簡(jiǎn)稱TI法)。第二步:對(duì)能量最優(yōu)解進(jìn)行調(diào)優(yōu)。通過一些調(diào)優(yōu)法則，在少增加或不增加公用工程消耗的情況下，減少系統(tǒng)的換熱單元數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)向操作和投資總費(fèi)用最小的方向調(diào)整。(3)夾點(diǎn)(PinchPoint也譯為狹點(diǎn)，窄點(diǎn))概念以及夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法的建立。Linnhoff繼溫度區(qū)間法之后提出了夾點(diǎn)的概念，最后發(fā)展了一套夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法。(4)人工智能方法的建立。從20世紀(jì)80年代起，隨著人工智能研究的發(fā)展，人工智能技術(shù)也被應(yīng)用到換熱網(wǎng)絡(luò)合成領(lǐng)域，如專家系統(tǒng)模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、遺傳算法模型等。在各種合成方法中，Linnhoff的夾點(diǎn)技術(shù)具有較強(qiáng)的實(shí)用性，并已被過程設(shè)計(jì)所采用。為此本章主要介紹夾點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)。為了方便起見，在本章討論中，均假設(shè)熱容流率FCp為常數(shù)。7.3換熱網(wǎng)絡(luò)合成-夾點(diǎn)技術(shù)7.3.1第一定律分析物流的溫度發(fā)生變化時(shí)將會(huì)從外界吸收或向外界釋放熱量，通過第一定律可以計(jì)算該熱量值。Q=FCp(T初-T終）

HTAEH2BH1CDQ=FCp(T初—T終）第一定律在計(jì)算的公式中沒有考慮這個(gè)事實(shí)，即：只有熱物流溫度超過冷物流一定值時(shí)，才能把熱量由熱物流傳到冷物流。因此，在熱、冷物流之間必須存在一個(gè)正的溫度差，才能得到所需加熱與冷卻的熱負(fù)荷值。因此所開發(fā)的任何換熱網(wǎng)絡(luò)既要滿足第一定律，還要滿足第二定律。7.3.2溫度區(qū)間Hohmann等人提出的過程能量集成分析中，提出考慮第二定律的一種非常簡(jiǎn)單的方法，即劃分溫度區(qū)間。具體方法：根據(jù)工程設(shè)計(jì)中傳熱速率要求，設(shè)置冷、熱物流之間允許的最小溫差ΔTmin，將熱物流的起始溫度與目標(biāo)溫度減去最小允許溫差ΔTmin，然后與冷物流的起始、目標(biāo)溫度一起按從大到小排序，從而生成n個(gè)溫度區(qū)間。冷、熱物流按各自的始溫、終溫落入相應(yīng)的溫度區(qū)間(注意，熱物流的始濕、終溫應(yīng)減去最小允許溫差ΔTmin)。由于落入各溫度區(qū)間的物流已考慮了溫度推動(dòng)力，所以在每個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，都可以把熱量從熱物流傳給冷物流，即熱量傳遞總是滿足第二定律。HTAEH2BIIIIIIⅣⅤⅥQc.minQN.minH1CD△TmFC1’C1’’QR結(jié)合例題介紹夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法例題：某換熱系統(tǒng)，包含的工藝物流為兩個(gè)冷物流和兩個(gè)熱物流，相關(guān)數(shù)據(jù)見表。指定冷、熱物流間的允許最小傳熱溫差ΔTmin=20℃，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)具有最大熱回收的換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)例題物流數(shù)據(jù)一、夾點(diǎn)位置的確定及其意義：1、采用問題表格法確定夾點(diǎn)位置

應(yīng)用前提：各物料的比熱可視為常數(shù)。問題表格法求解夾點(diǎn)的步驟：（1）作出問題表格：具體作法：a、分別作出冷熱兩側(cè)流體標(biāo)尺，標(biāo)尺的刻度相差△Tmin。20404060608080100100120120140140160熱標(biāo)尺冷標(biāo)尺△Tmin=20b、標(biāo)出冷熱物流及變溫方向。20404060608080100100120120140140160熱標(biāo)尺C2C1H2H1c、據(jù)冷熱物流起、終溫端點(diǎn)作水平線，分出溫度間隔，稱為溫度子網(wǎng)格。20404060608080100100120120140140160C2C1H2H1熱標(biāo)尺SN1SN2SN3SN4SN5SN6d、標(biāo)出各子網(wǎng)格界面處的虛擬界面溫度。20404060608080100100120120140140160SN1SN2SN3SN4SN5SN6C2C1H2H1熱標(biāo)尺80110355013514030

虛擬界面溫度：指相鄰兩子網(wǎng)格間界面處冷熱流體的平均溫度。（2）對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行熱量衡算

定義Dk：本網(wǎng)格需要的熱量，或稱本網(wǎng)格冷熱物流換熱赤字（相當(dāng)于輸出）。顯然：Dk=∑Cpcold

(Tk–Tk+1)–∑Cphot(Tk’–Tk+1’)=(∑Cpcold-∑Cphot)(Tk–Tk+1)

0冷熱均衡。Dk=>0需外部提供熱量。<0有剩余熱量。DKIkOk

Ik：外界或其它網(wǎng)絡(luò)供給k網(wǎng)的熱,輸入。

Ok：k網(wǎng)向外部或其它網(wǎng)排出的熱量，輸出。則：熱衡式：Ik=Ok+Dk

變形：Ok=Ik–Dk（k=1,2…N)同時(shí)由于各網(wǎng)格間聯(lián)系的存在，有：

Ik+1=Ok

DKIkOkSN1I1=0D1=(0-2)(140-135)=-10O1=I1-D1=0-（-10）=10計(jì)算第一個(gè)網(wǎng)格，由于此前沒有其他網(wǎng)格，故輸入視為0。D1=∑Cpcold(Tk–Tk＋1)–∑Cphot(Tk’–Tk＋1’)=(∑Cpcold-∑Cphot)(Tk–Tk＋1)120140140160SN1SN2110135140H1Ok=Ik–DkIk+1=OkSN1SN2I1=0D1=(0-2)(150-145)=-10I2=O1=I1-D1=10D2=(2.5-2)(135-110)=12.5I3=O2=I2-D2=-2.5120140140160SN1SN2110135140H1C1Ok=Ik–DkIk+1=Ok608080100100120120140SN1SN2SN3SN4C2C1H2H180110135140SN3D3=(2.5+3-2)(110-80)=105I3=O2=I2-D2=-2.5I4=O3=I3-D3=-107.5SN2D2=(2.5-2)(135-110)=12.5I3=O2=I2-D2=-2.5Ok=Ik–DkIk+1=Ok20404060608080100100120SN3SN4SN5SN6C2C1H2H180110355013514030SN3D3=(2.5+3-2)(120-90)=105I3=O2=I2-D2=-2.5I4=O3=I3-D3=-107.5SN4D4=(2.5+3-2-8)(80-50)=-135I4=O3=I3-D3=-107.5I5=O4=I4-D4=27.5Ok=Ik–DkIk+1=Ok20404060608080100100120SN3SN4SN5SN6C2C1H2H180110355013514030I4=O3=I3-D3=-107.5SN4D4=(2.5+3-2-8)(80-50)=-135I4=O3=I3-D3=-107.5I5=O4=I4-D4=27.5SN5D5=(2.5+3)(40-25)=82.5I6=O5=I5-D5=-55Ok=Ik–DkIk+1=Ok20404060608080100100120SN3SN4SN5SN6C2C1H2H180110355013514030I5=O4=I4-D4=27.5SN5D5=(2.5+3)(40-25)=82.5I6=O5=I5-D5=-55SN6D6=(2.5)(25-20)=12.5O6=I6-D6=-67.5Ok=Ik–DkIk+1=OkSN1SN2SN3SN4SN5SN6I1=0D1=(0-2)(150-145)=-10I2=O1=I1-D1=10D2=(2.5-2)(145-120)=12.5D3=(2.5+3-2)(120-90)=105D4=(2.5+3-2-8)(90-60)=-135D5=(2.5+3)(40-25)=82.5D6=(2.5)(25-20)=12.5I3=O2=I2-D2=-2.5I4=O3=I3-D3=-107.5I5=O4=I4-D4=27.5I6=O5=I5-D5=-55O6=I6-D6=-67.5匯總結(jié)果

Ik+1，Ok的負(fù)值現(xiàn)象：Ik+1、Ok出現(xiàn)負(fù)值表明熱物流提供不出冷物流達(dá)到低溫要求的熱量（△Tmin為前提），需公用工程設(shè)施提供熱量消除負(fù)值。

需提供的熱量大?。簯?yīng)使各子網(wǎng)的Ik或Ok消除負(fù)值。即使最大負(fù)值變?yōu)榱?。SN1SN2SN3SN4SN5SN6I1=0I2=10I3=-2.5I4=-107.5I5=27.5I6=-55O6=-67.5SN1SN2SN3SN4SN5SN6I1=107.5I2=117.5I3=105I4=0I5=135I6=52.5O6=40為保證溫位低的網(wǎng)格不需向溫位高的網(wǎng)格提供熱量（不可能實(shí)現(xiàn)），需向系統(tǒng)提供補(bǔ)充熱量，所需補(bǔ)充的最大值與計(jì)算所得輸入最大負(fù)值相等。溫位高溫位低公用工程需提供的最小冷量=40公用工程需提供的最小熱量=107.5（3）確定夾點(diǎn)位置：夾點(diǎn)：即消除Ik或Ok的負(fù)值后，Ik或Ok的值為零的網(wǎng)格界面，（前提是其它Ik，Ok均無負(fù)值）。SN1SN2SN3SN4SN5SN6I1=107.5I2=117.5I3=105I4=0I5=135I6=52.5O6=40夾點(diǎn)（1）夾點(diǎn)特點(diǎn)及意義：a、夾點(diǎn)正處于兩側(cè)流體實(shí)際溫差最小(△T＝△Tmin)處。b、夾點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)截面，夾點(diǎn)兩側(cè)的網(wǎng)格之間無相互的熱量交換，即夾點(diǎn)兩側(cè)的網(wǎng)格間熱的流量為零。

2夾點(diǎn)意義及夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法的三個(gè)基本原則：

I=0c、夾點(diǎn)將問題分成兩個(gè)區(qū)域：

熱端：夾點(diǎn)之上，冷熱物流溫度均高于夾點(diǎn)溫度。只需要公用設(shè)施提供熱量，又稱熱阱。

冷端：夾點(diǎn)之下，冷熱物流溫度均低于夾點(diǎn)溫度，只需要公用設(shè)施提供冷量（取走熱量），故又稱熱源。

熱端冷端熱阱熱源d、當(dāng)通過夾點(diǎn)熱量為零時(shí)，公用設(shè)施熱負(fù)荷最小。熱端冷端熱阱,可補(bǔ)充熱熱端冷端熱端冷端107.5+x107.5+y107.540+xx熱源,可取走熱040＋z40熱端取走熱量會(huì)增大公用系統(tǒng)熱負(fù)荷y0冷端補(bǔ)充熱量會(huì)增大公用系統(tǒng)熱負(fù)荷z（2）夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法的三個(gè)基本原則：（為保證熱能的最大回收）

熱端冷端107.5+x40+xx原則一：盡量避免熱流量通過夾點(diǎn)。原則二：夾點(diǎn)上方盡量避免引入公用設(shè)施冷卻物流，但可引入加熱設(shè)施。

熱端冷端107.5+y40y0z原則三：夾點(diǎn)下方盡量避免引入公用設(shè)施加熱物流，但可引入冷卻設(shè)施。熱端冷端107.5040＋zz二、夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法：為保證夾點(diǎn)處無熱流通過，故以夾點(diǎn)為界，設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)。

先設(shè)計(jì)夾點(diǎn)處的物流匹配，再設(shè)計(jì)離開夾點(diǎn)后的流程。1、夾點(diǎn)匹配的概念：稱：熱物流與冷物流均直接與夾點(diǎn)相通時(shí)的匹配即為夾點(diǎn)匹配。夾點(diǎn)H1H2H3C1C2夾點(diǎn)匹配H1H2H3C1C2非夾點(diǎn)匹配2夾點(diǎn)處物流間匹配換熱的可行性規(guī)則：

規(guī)則1：

夾點(diǎn)上方（熱端）：熱物流數(shù)目不大于冷物流數(shù)目（含分支），NH≤NC（避免熱端引入冷卻物流）。

夾點(diǎn)下方（冷端）：NH≥NC。舉例說明：

夾點(diǎn)H1H2H3C1C2需調(diào)整H1H2H3C1C2C2’NC=NH研究熱端NH>NC

NH>NC：有一股熱物流找不到匹配，而從外部引入冷流，又不符合基本原則二（夾點(diǎn)上方不引入冷物流）。當(dāng)NH<NC時(shí)（冷物流數(shù)多于熱物流數(shù)）：在物流C3處另加一個(gè)換熱器不違反基本原則。夾點(diǎn)H1H2H3C1C2需調(diào)整H1H2H3C1C2C2’NC=NH研究熱端NH>NC夾點(diǎn)上方（熱端）夾點(diǎn)下方：則應(yīng)NH≥NC（冷端）。多出的H可引入冷卻劑平衡，而不違反基本原則。可行H1H2C3C2C1夾點(diǎn)夾點(diǎn)H1H2H3C1C2夾點(diǎn)上方夾點(diǎn)下方夾點(diǎn)上方：當(dāng)Nc≥Nh

（熱端）。多出的C可引入加熱介質(zhì)平衡，并不違反基本原則。規(guī)則2：

夾點(diǎn)上方（熱端）：FCpH≤FCpc

夾點(diǎn)下方（冷端）：FCpH≥FCpc

FCpH，F(xiàn)Cpc為冷熱流體的熱容流率。分析熱端：熱流體降溫達(dá)到夾點(diǎn)，焓降。冷流體升溫離開夾點(diǎn)，焓升。只有這樣才能保證△T<△Tmin

HTHC△TC△T

△TH△Tmin設(shè)，在一個(gè)換熱器中，冷熱流體換熱。冷流體吸收的熱=熱流體放出的熱

（FCpH*△TH=FCpc*△TC）夾點(diǎn)上方小大大當(dāng)焓差相等時(shí)，熱容流率小則溫差大，溫焓線的斜率就大。夾點(diǎn)

當(dāng)熱流體溫變△TH>冷流體溫變△TC時(shí),才能保持△T>△Tmin（冷熱兩流體溫差）。此時(shí)，F(xiàn)CpH<FCpc。HTHC△TC△T

△TH△Tmin

冷端：熱流體從夾點(diǎn)離開并繼續(xù)降溫，冷流體升溫進(jìn)入夾點(diǎn)。同樣FCpH△Tн=FCpCΔTс

當(dāng)△Tн≤ΔTс時(shí)(這樣才能保持ΔTн>ΔTm?n),則必有CpHCpC。為滿足可行性規(guī)則2，可通過分支以調(diào)整FCpH或FCpC。HTHC△TC△T

△TH△Tmin夾點(diǎn)下方可行性規(guī)則小結(jié)：

規(guī)則1規(guī)則2夾點(diǎn)上方：NH≤NC夾點(diǎn)下方：NH≥NC夾點(diǎn)上方：FCpH≤FCpC夾點(diǎn)下方：FCpH≥FCpC上述可行性規(guī)則必須遵循，而后面介紹的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是一些經(jīng)驗(yàn)積累，供參考。3o物流間匹配換熱的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則

經(jīng)驗(yàn)規(guī)則1：冷熱物流匹配時(shí)，選物流中熱負(fù)荷較小者為換熱器的熱負(fù)荷，如：H1，CPH=2，初溫90oC，終溫60oC，Q=60C1，CPC=3，初溫20oC，終溫30oC，Q=30

∴選換熱器熱負(fù)荷Q=30，這樣可使冷物流一次完成換熱。

經(jīng)驗(yàn)規(guī)則2：在考慮經(jīng)驗(yàn)規(guī)則1的前提下，盡量選擇熱容流率相近的物流匹配換熱。優(yōu)點(diǎn)：換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效能損失小。

4o夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法要點(diǎn)：

①以夾點(diǎn)為界，將原設(shè)計(jì)問題分解形成獨(dú)立的熱端、冷端子問題后分別處理。②對(duì)每個(gè)子問題，按次序遵循可行性規(guī)則及經(jīng)驗(yàn)規(guī)則決定物流間的匹配及是否需要分支。③離開夾點(diǎn)后，仍需考慮ΔT>ΔTmin的問題及上述規(guī)則。④兼顧安全性、可操作性及工藝上的某些特殊要求。三、用夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)前面例題提出的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合首先以夾點(diǎn)為界，將原問題分為熱端及冷端的兩個(gè)子問題。

20404060608080100100120120140140160SN1SN2SN3SN4SN5SN6C2C1H2H1熱標(biāo)尺80110355013514030夾點(diǎn)1、熱端設(shè)計(jì)：為三股物流間換熱問題流股夾點(diǎn)FCPQ

H1150902.0120=2.0×（150-90）C1701252.5137.5=2.5×（125-70）C2701003.090=3.0×（100-70）20404060608080100100120120140140160SN1SN2SN3SN4SN5SN6C2C1H2H180110355013514030夾點(diǎn)

可行性：NH<NC，F(xiàn)CPH<FCPC均已符合

∴H與C1、C2匹配均可。再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：依Q值相近，則選H1與C1匹配，且夾點(diǎn)之上不冷卻物流?！鄬1（能提供120熱量）用盡但C1不能滿足要求。另外再由公用工程引入Q=17.5熱量換熱，C2則全部引入公用工程Q=90熱量加熱。

HHH1C1C290150FCPQ2.01202.5137.53.190夾點(diǎn)7017.590夾點(diǎn)上方2、冷端設(shè)計(jì)

四股物流間換熱。熱流H1、H2離開夾點(diǎn)，冷流C1、C2進(jìn)入夾點(diǎn)。

20404060608080100100120120140140160SN1SN2SN3SN4SN5SN6C2C1H2H1熱標(biāo)尺80110355013514030夾點(diǎn)FCPQH12.060H28.0240C12.5125C23.013560602590oC70oC夾點(diǎn)20夾點(diǎn)下方20404060608080100100120SN3SN4SN5SN6C2C1H2H180110355