化工過程分析與合成ch72

1、 工藝流程圖是提取數(shù)據(jù)最主要的依據(jù)。換熱網(wǎng)工藝流程圖是提取數(shù)據(jù)最主要的依據(jù)。換熱網(wǎng)絡設計所需的數(shù)據(jù)為物流的溫度、流量及熱容。絡設計所需的數(shù)據(jù)為物流的溫度、流量及熱容。 熱容流率與溫度與一定的關系，尤其是溫度變熱容流率與溫度與一定的關系，尤其是溫度變化范圍較大或存在相變時。此時可以將物流分化范圍較大或存在相變時。此時可以將物流分段，分別對各段進行線性處理。段，分別對各段進行線性處理。 許多工藝設計過程提供了換熱裝置的熱負荷與許多工藝設計過程提供了換熱裝置的熱負荷與物流溫度的關系圖（即物流溫度的關系圖（即TH圖），可以根據(jù)圖），可以根據(jù)此圖決定是否有必要對物流分段，如何分段此圖決定是否有必要對物流

2、分段，如何分段需要注意以下問題：需要注意以下問題： 在在TH圖上，夾點處對溫度誤差最為敏圖上，夾點處對溫度誤差最為敏感，因此在夾點附近必須盡可以取得準感，因此在夾點附近必須盡可以取得準確的熱容流率值確的熱容流率值 為了防止低估能量消耗值，對熱物流所為了防止低估能量消耗值，對熱物流所作線性的逼近不能高于熱物流線，對冷作線性的逼近不能高于熱物流線，對冷物流所作的線性逼近不能低于冷物流線物流所作的線性逼近不能低于冷物流線 相變點必須作為分段點相變點必須作為分段點 工藝流程中的許多物流，往往不是從起始工藝流程中的許多物流，往往不是從起始溫度直接加熱或冷卻到最終指定溫度，而溫度直接加熱或冷卻到最終指定溫

3、度，而是要經(jīng)過幾次加熱或冷卻。是要經(jīng)過幾次加熱或冷卻。 另外還遇到物流的混合與分解。另外還遇到物流的混合與分解。 如何選取物流，以便最大程度地發(fā)揮換熱如何選取物流，以便最大程度地發(fā)揮換熱網(wǎng)絡設計的作用，是解決實際問題時應考網(wǎng)絡設計的作用，是解決實際問題時應考慮的問題慮的問題 如：在蒸餾預熱串聯(lián)系統(tǒng)中，原料從如：在蒸餾預熱串聯(lián)系統(tǒng)中，原料從10加熱加熱到到150后進入蒸餾塔，在進行換熱網(wǎng)絡設計后進入蒸餾塔，在進行換熱網(wǎng)絡設計時，物流的選取有下列三種方法：時，物流的選取有下列三種方法：1) 將進料分為三股物流，第一股從將進料分為三股物流，第一股從10到到25，第二股從第二股從25到到70，第三股從

4、，第三股從70到到1502 2)將進料分為二股物流，第一股從將進料分為二股物流，第一股從10到到25，第二股從第二股從25到到1503)將進料看作一股物流，從將進料看作一股物流，從10到到150 按第一種方法設計的結(jié)果，可能會和原有流程按第一種方法設計的結(jié)果，可能會和原有流程一致，因為每段物流都與原有物流完全吻合，一致，因為每段物流都與原有物流完全吻合，因此起不到換熱網(wǎng)絡設計的作用。因此起不到換熱網(wǎng)絡設計的作用。 第二種方法提供了網(wǎng)絡設計的自由度，但實際第二種方法提供了網(wǎng)絡設計的自由度，但實際上，要求常溫儲存的物料并不是必須在上，要求常溫儲存的物料并不是必須在2525，因此將因此將2525作為

5、指定溫度又限制了網(wǎng)絡的設計。作為指定溫度又限制了網(wǎng)絡的設計。 第三種方法最大限度地提供了自由設計空間，有第三種方法最大限度地提供了自由設計空間，有可能找到更好的換熱方案?？赡苷业礁玫膿Q熱方案。 因此，在選取物流時，應盡量避免過細地將物流因此，在選取物流時，應盡量避免過細地將物流拆開，當物流中間有指定溫度時，應當分析一下拆開，當物流中間有指定溫度時，應當分析一下該溫度是否可以調(diào)整。該溫度是否可以調(diào)整。 出現(xiàn)物流混合和分出現(xiàn)物流混合和分解時，物流的選取解時，物流的選取就更加復雜。就更加復雜。 圖圖a a：兩股起始溫度：兩股起始溫度不同的物流不同的物流A A、B B，混合為混合為C C后被加熱到后

6、被加熱到共同的目標溫度。共同的目標溫度。 實際的工藝流程通實際的工藝流程通常為圖常為圖b b的形式，這的形式，這種方式是否合理就種方式是否合理就要看物流混合時的要看物流混合時的溫度的變化是否跨溫度的變化是否跨越了夾點。越了夾點。 設設A A、B B混合后的溫度為混合后的溫度為6060，夾點溫度為，夾點溫度為100100，則可以按的圖，則可以按的圖b b的方式直接混合，然后的方式直接混合，然后看作只有一股物流看作只有一股物流C C參與匹配。參與匹配。 如果夾點溫度為如果夾點溫度為8080，則不能簡單地按上述方，則不能簡單地按上述方式處理。圖式處理。圖c c兩條冷物流的直接混合將違背夾兩條冷物流的

7、直接混合將違背夾點匹配原則，即夾點之上與夾點之下的物流進點匹配原則，即夾點之上與夾點之下的物流進行了換熱，將導致公用工程的消耗的增加。行了換熱，將導致公用工程的消耗的增加。 因此，在物流混合出現(xiàn)溫度跨越時，為了避免因此，在物流混合出現(xiàn)溫度跨越時，為了避免過多地消耗公用工程，必須先將物流過多地消耗公用工程，必須先將物流A A、B B看作看作兩條不同的熱物流和冷物流，經(jīng)過與其它物流兩條不同的熱物流和冷物流，經(jīng)過與其它物流換熱達到同一溫度換熱達到同一溫度T T后再混合成后再混合成C C，也就是保證，也就是保證物流物流A A、B B在等溫狀態(tài)下混合。在等溫狀態(tài)下混合。 若混合溫度若混合溫度T=120T

8、=120，則系統(tǒng)被看作了兩條物，則系統(tǒng)被看作了兩條物流。若流。若T120T120，則應將，則應將C C選作一條物流從選作一條物流從T T加加熱到熱到120120，系統(tǒng)實際上是被看作了三條物流。，系統(tǒng)實際上是被看作了三條物流。 因此，為了保證最小公用工程用量，應當因此，為了保證最小公用工程用量，應當避免物流的非等溫混合，但會增加換熱單避免物流的非等溫混合，但會增加換熱單元數(shù)元數(shù) 物流分解也是工藝流程中常遇到的情況物流分解也是工藝流程中常遇到的情況 如圖所示，物流如圖所示，物流A A被分解成被分解成B B、C C，物流，物流B B、C C的的具有不同的目標溫度。具有不同的目標溫度。 實際工藝流程中

9、可能采用圖實際工藝流程中可能采用圖b b、c c所示的兩種不所示的兩種不同方式同方式 圖圖b b，系統(tǒng)被看作兩條物流，系統(tǒng)被看作兩條物流 圖圖c c，則系統(tǒng)中有一條物流參與了匹配，節(jié)省，則系統(tǒng)中有一條物流參與了匹配，節(jié)省了一臺換熱器，但旁路物流了一臺換熱器，但旁路物流D D、E E的混合構成了的混合構成了物流混合問題，需慎重對待物流混合問題，需慎重對待7.6.37.6.3老廠改造老廠改造 老廠改造項目多是節(jié)能改造。在做換熱網(wǎng)絡設計老廠改造項目多是節(jié)能改造。在做換熱網(wǎng)絡設計時，不僅要考慮節(jié)省能量，還要考慮原有設備的時，不僅要考慮節(jié)省能量，還要考慮原有設備的利用，因為這涉及到裝置的投資費用。利用，

10、因為這涉及到裝置的投資費用。 利用夾點方法，很容易計算出最小能耗目標，并利用夾點方法，很容易計算出最小能耗目標，并找到最好的匹配方案，問題是，改進后的方案與找到最好的匹配方案，問題是，改進后的方案與對原來的流程改動程度有多大。對原來的流程改動程度有多大。 顯然，在各種改進方案中，應該選取那些最能充顯然，在各種改進方案中，應該選取那些最能充分利用原有設備管線的方案，即和原有流程具有分利用原有設備管線的方案，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） 圖圖a為一個換熱網(wǎng)絡的原有匹配流程，其中熱為一個換熱網(wǎng)絡的原有匹配流程，其中熱公用工程消耗為公用工程消耗為196kW，冷

11、公用工程消耗為，冷公用工程消耗為175.3kW。 取取Tmin10，利用所給數(shù)據(jù)進行計算，得，利用所給數(shù)據(jù)進行計算，得到夾點位置在到夾點位置在149159，最小熱公用工程消，最小熱公用工程消耗為耗為106.4kW，最小冷公用工程消耗為，最小冷公用工程消耗為85.7kW，可見熱量的節(jié)能潛力高達可見熱量的節(jié)能潛力高達46。 利用夾點匹配技術，分別對夾點之上和夾點之利用夾點匹配技術，分別對夾點之上和夾點之下的子系統(tǒng)進行設計。下的子系統(tǒng)進行設計。 夾點之上，只有一種能夠滿足最小能量消耗的夾點之上，只有一種能夠滿足最小能量消耗的匹配方式。匹配匹配方式。匹配4為新增加的。為新增加的。 夾點之下，有多個方案

12、，圖夾點之下，有多個方案，圖b與原有流程的兼與原有流程的兼容性最大，只需要增加一個新匹配容性最大，只需要增加一個新匹配5。 將兩個子系統(tǒng)合并，得到圖將兩個子系統(tǒng)合并，得到圖8-28c的換熱網(wǎng)絡，的換熱網(wǎng)絡，它比原有網(wǎng)絡多了匹配它比原有網(wǎng)絡多了匹配4和匹配和匹配5。這意味著能。這意味著能量消耗的降低將以增加兩臺換熱器為代價節(jié)能量消耗的降低將以增加兩臺換熱器為代價節(jié)能 為了減少換熱單元，利用能量松馳法進行改進。為了減少換熱單元，利用能量松馳法進行改進。 匹配匹配4、匹配、匹配5與兩臺冷卻器構成一個回路。由與兩臺冷卻器構成一個回路。由于匹配于匹配4造成了物流造成了物流5的分解，這是原有流程中的分解，

13、這是原有流程中不存在的，因此在斷開回路時將匹配不存在的，因此在斷開回路時將匹配4合并到合并到匹配匹配5上。上。 結(jié)果使結(jié)果使T1、T2違反了允許溫差的約束，利用能違反了允許溫差的約束，利用能量松馳法進行調(diào)整，得到下圖。量松馳法進行調(diào)整，得到下圖。 匹配方案方案與原有流程比較接近，只多了匹匹配方案方案與原有流程比較接近，只多了匹配配5，可以作為一個較好的改進方案，可以作為一個較好的改進方案 加熱器、匹配加熱器、匹配5與冷卻器仍構成回路，因此可與冷卻器仍構成回路，因此可將網(wǎng)絡繼續(xù)改進。將網(wǎng)絡繼續(xù)改進。 因為匹配因為匹配5為新增加的換熱單元，選擇將匹配為新增加的換熱單元，選擇將匹配5消去，得到下圖。

14、這一改進造成能量的進一步消去，得到下圖。這一改進造成能量的進一步松馳，即公用工程消耗增加。松馳，即公用工程消耗增加。 利用將物流利用將物流3和物流和物流4之間匹配的能量之間匹配的能量“繃繃緊緊”(即將即將T1從從77調(diào)整到調(diào)整到80)，可以節(jié)省，可以節(jié)省2.7個單位的能量，得到下圖。個單位的能量，得到下圖。 與原有流程進行比較，所有裝置都為原來存在與原有流程進行比較，所有裝置都為原來存在的裝置，熱量節(jié)省的裝置，熱量節(jié)省5，其中匹配，其中匹配1和匹配和匹配3的的負荷有所增加，匹配負荷有所增加，匹配2的負荷有所降低。的負荷有所降低。 對各方案的能量回收與設備增加情況進行比較對各方案的能量回收與設備

15、增加情況進行比較 方案方案 能量回收潛力最大，但需要增加和改能量回收潛力最大，但需要增加和改造的設備也最多，方案造的設備也最多，方案能量回收潛力較小，能量回收潛力較小，但設備投資也最小。但設備投資也最小。設備投資改造方案節(jié)能增加裝置改造裝置方案1 （圖7-28a）46方案2（圖7-28c）34方案3（圖7-28e）5原有流程7.6.4 7.6.4 禁止匹配與強制匹配禁止匹配與強制匹配 在實際工程設計中，可能會對物流的匹配提出一在實際工程設計中，可能會對物流的匹配提出一些限制。些限制。 如考慮到腐蝕、操作安全、設備布置、管線鋪設、如考慮到腐蝕、操作安全、設備布置、管線鋪設、操作方便等問題，可能會

16、禁止某些物流間的匹配操作方便等問題，可能會禁止某些物流間的匹配或強制進行某些物流間的匹配?；驈娭七M行某些物流間的匹配。 老廠改造時應充分利用原有設備，就屬于強制匹老廠改造時應充分利用原有設備，就屬于強制匹配。配。 這些限制有時會影響到能量的回收。這些限制有時會影響到能量的回收。 熱物流熱物流H1、H2的品位高于冷物流的品位高于冷物流C1、C2時，時，如果禁止或強制匹配，可能不會增加外加熱量如果禁止或強制匹配，可能不會增加外加熱量消耗消耗 熱物流熱物流H2的品位低于冷物流的品位低于冷物流C1時，當禁止熱時，當禁止熱物流物流H1與冷物流與冷物流C1匹配時，則可能要增加外匹配時，則可能要增加外加熱量

17、。加熱量。 再如，前面的老廠改造例題，當要求保留原有設再如，前面的老廠改造例題，當要求保留原有設備時，夾點之下仍能找到滿足最小能量消耗的方備時，夾點之下仍能找到滿足最小能量消耗的方案，因此強制匹配不會影響能量回收。案，因此強制匹配不會影響能量回收。 總之，總之，對于存在禁止或強制匹配的問題，應該先對于存在禁止或強制匹配的問題，應該先找出滿足最小公用工程消耗的方案，然后檢查增找出滿足最小公用工程消耗的方案，然后檢查增加的限制是否會影響到能量回收，影響的程度有加的限制是否會影響到能量回收，影響的程度有多大，是否存在解決方案多大，是否存在解決方案 夾點問題的冷、熱公用工程消耗隨夾點問題的冷、熱公用工

18、程消耗隨Tmin單調(diào)變單調(diào)變化，且二呈平行關系。即使化，且二呈平行關系。即使Tmin為為0，這種平行，這種平行關系也不變。關系也不變。 對于夾點問題存在能量與設備投資的折衷，需要對于夾點問題存在能量與設備投資的折衷，需要考慮考慮Tmin的選擇。的選擇。 在實際問題中，并不是所有的問題都存在夾點。在實際問題中，并不是所有的問題都存在夾點。 不存在夾點的問題稱為非夾點問題不存在夾點的問題稱為非夾點問題 圖圖a即需要蒸汽也需要冷卻水，將組合曲線平即需要蒸汽也需要冷卻水，將組合曲線平移，冷公用工程用量隨著移，冷公用工程用量隨著Tmin的減小而消失的減小而消失 繼續(xù)減小繼續(xù)減小Tmin，高端的蒸汽用量會

19、繼續(xù)減少，高端的蒸汽用量會繼續(xù)減少，在低端卻出現(xiàn)了對蒸汽的需求，結(jié)果造成總的在低端卻出現(xiàn)了對蒸汽的需求，結(jié)果造成總的熱公用工程消耗量不變熱公用工程消耗量不變Tmin對公用工程的影響有一個轉(zhuǎn)折點，稱為對公用工程的影響有一個轉(zhuǎn)折點，稱為閾值閾值T閾閾。 高于這個閾值，關系特性符合夾點問題，低于高于這個閾值，關系特性符合夾點問題，低于此閾值，公用工程用量與此閾值，公用工程用量與Tmin無關，因此也無關，因此也就不存在能量與設備投資的折衷問題。就不存在能量與設備投資的折衷問題。 由于非夾點問題的存在，在進行實際項目設計由于非夾點問題的存在，在進行實際項目設計時，應該首先判斷問題是否為夾點問題時，應該首先判斷問題是否為夾點問題 如果是，則按前面介紹的夾點技術進行設計。如果是，則按前面介紹的夾點技術進行設計。 如果為非夾點問題，則應找出如果為非夾點問題，則應找出Tmin與公用工與公用工程的關系曲線，并確定閾值位置程的關系曲