化工系統(tǒng)工程：第4章 換熱網(wǎng)絡(luò)綜合

1、第3章過程系統(tǒng)綜合與集成1國發(fā)201240號印發(fā)節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃2背景“十二五”時期主要節(jié)能指標(biāo)指標(biāo)（單位工業(yè)增加值（規(guī)模以上）能耗）單位2010年2015年變化幅度/變化率原油加工綜合能耗千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸9986-13乙烯綜合能耗千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸886857-29合成氨綜合能耗千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸14021350-52國際上煉油綜合能耗最好水平 53.2千克標(biāo)油/噸（折合76千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸）；國外乙烯能耗 500-550千克標(biāo)油/噸 ，先進水平440千克標(biāo)油/噸（折合628.6千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸） ；3背景“十二五”時期主要減排指標(biāo)指標(biāo)單位2010年2015年變化幅度/變化率工業(yè)化學(xué)需氧量排放量萬噸

2、355319-10%工業(yè)二氧化硫排放量萬噸20731866-10%工業(yè)氨氮排放量萬噸28.524.2-15%工業(yè)氮氧化物排放量萬噸16371391-15%國發(fā)201240號印發(fā)節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃4背景加強工業(yè)節(jié)能。堅持走新型工業(yè)化道路，通過明確目標(biāo)任務(wù)、加強行業(yè)指導(dǎo)、推動技術(shù)進步、強化監(jiān)督管理，推進工業(yè)重點行業(yè)節(jié)能。石油石化。鼓勵符合條件的新建煉油項目發(fā)展煉化一體化。原油加工行業(yè)重點推廣高效換熱器并優(yōu)化換熱流程、優(yōu)化中段回流取熱比例、降低汽化率、塔頂循環(huán)回流換熱等節(jié)能技術(shù)?；ぁ：铣砂毙袠I(yè)重點推廣先進煤氣化技術(shù)、節(jié)能高效脫硫脫碳、低位能余熱吸收制冷等技術(shù)，實施綜合節(jié)能改造。燒堿行業(yè)提高離子

3、膜法燒堿比例，加快零極距、氧陰極等先進節(jié)能技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。純堿行業(yè)重點推廣蒸汽多級利用、變換氣制堿、新型鹽析結(jié)晶器及等節(jié)能技術(shù)。電石行業(yè)加快采用密閉式電石爐，全面推行電石高效節(jié)能循環(huán)泵和爐氣綜合利用，積極推進新型電石生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。國發(fā)201240號印發(fā)節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃5化工(石油)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)1. 工藝節(jié)能1.1 催化劑與化反(低溫低壓反應(yīng))1.2 分離工程(低耗物理分離)1.3 改進工藝方法和設(shè)備(干法)2. 化工單元操作設(shè)備2.1 流體力學(xué)輸送設(shè)備(泵/壓縮機)2.2 換熱設(shè)備(新材料/除垢/保溫)2.3 塔設(shè)備(預(yù)熱/回流/節(jié)能塔).3. 化工過程系統(tǒng)節(jié)能3.1 換熱網(wǎng)絡(luò)集成

4、3.2 公用工程系統(tǒng)集成4. 控制節(jié)能4.1 操作控制實現(xiàn)節(jié)能(計量/智能)主要內(nèi)容6化工過程系統(tǒng)的構(gòu)成及分解換熱網(wǎng)絡(luò)綜合工藝系統(tǒng)節(jié)能蒸汽動力系統(tǒng)的優(yōu)化過程系統(tǒng)綜合與集成反應(yīng)器分離系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)公用工程(Linnhoff et al., 1982; Smith 1995, 2005, 英國)7過程系統(tǒng)的洋蔥圖(Onion diagram)基本組成：反應(yīng)部分分離部分換熱部分公用工程部分8化工過程系統(tǒng)流程簡圖9化工過程系統(tǒng)中的熱量反應(yīng)熱吸熱反應(yīng)，放熱反應(yīng)分離熱量為分離劑（例如：精餾，蒸發(fā)，干燥）換熱物料的升溫與降溫公用工程提供熱量、冷量和動力等10“三環(huán)節(jié)”能量流結(jié)構(gòu)模型“三環(huán)節(jié)”能量流結(jié)構(gòu)模型(華

5、賁, 1998 , 中國)11如何實現(xiàn)化工過程系統(tǒng)節(jié)能？現(xiàn)行的能量系統(tǒng)是否合理？若不合理，哪些用能環(huán)節(jié)不合理？系統(tǒng)有多大的節(jié)能潛力？應(yīng)如何進行節(jié)能改造？ 12熱集成的方法數(shù)學(xué)規(guī)劃法基于熱力學(xué)的圖示法數(shù)學(xué)規(guī)劃法（換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)模型）夾點圖示法（冷熱物流熱容流率分析）Grossmann, 卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)CAPD中心Linnhoff, 曼徹斯特大學(xué)PSE中心（夾點技術(shù)，Pinch Technology）13夾點技術(shù)的定義夾點技術(shù)是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，運用拓?fù)鋵W(xué)的概念和方法，對過程系統(tǒng)作出直觀、形象的描述與處理，從客觀的角度分析過程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布，從中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的“瓶頸” 所在，并給以“解瓶

6、頸”的一種方法。夾點圖總復(fù)合曲線14夾點技術(shù)的應(yīng)用成果新設(shè)計降低操作(可變)成本3050%節(jié)省固定投資1020%老廠改造降低操作成本2030%投資費用回收期12年2. 換熱網(wǎng)絡(luò)綜合Exchanger Networks (HENs)15主要內(nèi)容16化工過程系統(tǒng)的構(gòu)成及分解換熱網(wǎng)絡(luò)綜合工藝系統(tǒng)節(jié)能蒸汽動力系統(tǒng)的優(yōu)化夾點的形成及其意義換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合裝置/廠際之間的熱聯(lián)合17熱容流率和溫焓圖用CP表示質(zhì)量流率與定壓比熱容的乘積用溫-焓圖上的一條直線表示一股冷流被加熱或一股熱流被冷卻的過程；可左右平移；直線斜率的倒數(shù)即CP值。CP值越大，溫焓T-H圖上的線越平緩。 溫焓

7、(T-H)圖18最小允許傳熱溫差19換熱器熱負(fù)荷20兩流股的熱量回收問題流股類型供應(yīng)溫度Ts ()目標(biāo)溫度Tt ()H (kW)熱容流率CP (kW/)1冷流股401101400202熱流股1604012001021兩流股的熱量回收問題直接加熱/冷卻利用蒸汽加熱冷流股：QH = 20 (110 40 ) = 1400 kW利用冷卻水冷卻熱流股：QC = 10 (160 40 ) = 1200 kW22兩流股的熱量回收問題利用換熱器回收熱量23兩流股的熱量回收問題利用換熱器回收熱量Tmin = 40 ：回收熱量QREC = 800 kW蒸汽加熱負(fù)荷：QHmin = 600 kW冷卻水冷卻負(fù)荷：Q

8、Cmin = 400 kW24兩流股的熱量回收問題利用換熱器回收熱量Tmin = 30 ：回收熱量QREC = 900 kW蒸汽加熱負(fù)荷：QHmin = 500 kW冷卻水冷卻負(fù)荷：QCmin = 300 kW25兩流股的熱量回收問題利用換熱器回收熱量Tmin = 20 ：回收熱量QREC = 1000 kW蒸汽加熱負(fù)荷：QHmin = 400 kW冷卻水冷卻負(fù)荷：QCmin = 200 kW26兩流股的熱量回收問題利用換熱器回收熱量Tmin = 10 ：回收熱量QREC = 1100 kW蒸汽加熱負(fù)荷：QHmin = 300 kW冷卻水冷卻負(fù)荷：QCmin = 100 kW27兩流股的熱量回

9、收問題結(jié)論加熱公用工程量越多，冷卻公用工程用量越多！ QHmin + X = QCmin + XTmin越小熱回收量越大，換熱器的面積越大Tmin()40302010QREC (kW)080090010001100QHmin (kW)1400600500400300QCmin (kW)120040030020010028兩熱兩冷流股的熱量回收問題流股名稱供應(yīng)溫度Ts ()目標(biāo)溫度Tt ()H (kW)熱容流率CP (kW/)H1產(chǎn)品22060352022H2反應(yīng)器出口流股270160198018C1進料50210320020C2循環(huán)流股160210250050案例129兩熱兩冷流股的熱量回收問

10、題熱復(fù)合曲線30兩熱兩冷流股的熱量回收問題冷復(fù)合曲線31兩熱兩冷流股的熱量回收問題冷/熱復(fù)合曲線繪制冷/熱復(fù)合曲線確定加熱/冷卻公用工程用量Tmin =20 QREC = 4700 kW QHmin = 1000 kW QCmin = 800 kWTmin =40 QREC = 4200 kW QHmin = 1500 kW QCmin = 1300 kW32夾點的形成夾點處熱、冷物流間傳熱溫差最小，限制了進一步回收過程系統(tǒng)的能量，構(gòu)成了系統(tǒng)用能的“瓶頸”。夾點把過程系統(tǒng)分為兩個獨立的子系統(tǒng)：夾點上方為凈熱阱，夾點下方為凈熱源。33HTQHminQCminPQ熱平衡熱平衡夾點夾點下方夾點上方熱

11、阱熱源夾點的分析夾點之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器夾點之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器不應(yīng)有跨越夾點的傳熱夾點設(shè)計“三原則”3435夾點位置的確定方法溫焓圖法（T-H圖）問題表法劃分溫區(qū)計算各溫區(qū)的熱平衡進行外界無熱量輸入時的熱級聯(lián)計算外界輸入最小加熱公用工程時的熱級聯(lián)計算熱通量為零處即為夾點案例分析案例 2 某過程系統(tǒng)含有的工藝物流為2個熱物流及2個冷物流，給定的數(shù)據(jù)列于下表，并選熱、冷物流間最小允許傳熱溫差Tmin = 10 ，試確定該過程系統(tǒng)的夾點位置。流股熱容流率CP (kW/)供應(yīng)溫度Ts ()目標(biāo)溫度Tt ()H (kW)H13.017060330H21.515030180C12.0

12、20135230C24.08014024036溫焓圖冷物流80熱物流9037劃分溫區(qū)： 分別將所有熱流/冷流的進出口溫度從小到大排列起來： 熱流體：30，60，150，170 冷流體：20，80，135，140 計算冷熱流體的平均溫度(或稱虛擬溫度)，即將熱流體溫度下降Tmin/2，將冷流體溫度上升Tmin/2：(Tmin=10) 熱流體：25，55，145，165 冷流體：25，85，140，145將所有冷熱流體的平均溫度從小到大排列起來： 冷熱流體：25，55，85，140，145，165劃分溫區(qū)：整個系統(tǒng)可以劃分為五個溫區(qū)，為： 第一溫區(qū)：165145；第二溫區(qū)：145140；第三溫區(qū)：

13、14085；第四溫區(qū)：8555；第五溫區(qū)：5525 問題表法38溫區(qū)1 CP=1.5 (140) 145 (150)溫區(qū)2 (135) 140 (145)溫區(qū)3 (80) 85 (90)溫區(qū)4 CP=4.0 (50) 55 (60)溫區(qū)5 (20) 25 (30) CP=2.0 (160) 165 (170)CP=3.0問題表法39溫區(qū)內(nèi)熱平衡計算：第一溫區(qū)：H1= 3.0 (165 145) = 60第二溫區(qū)：H2=(4.0 3.0 1.5) (145 140) = 2.5第三溫區(qū)：H3=(4.0 + 2.0 3.0 1.5) (140 85) = 82.5第四溫區(qū)：H4=(2.0 3.0

14、1.5) (85 55) = 75第五溫區(qū)：H5=(2.0 1.5) (55 25) = 15問題表法40溫區(qū)物流虧缺熱量(kW)無外界熱量輸入累積熱量(kW)有外界熱量輸入熱通量(kW)輸入輸出輸入輸出165溫區(qū)1 60145溫區(qū)2 2.5140溫區(qū)382.585溫區(qū)4 7555溫區(qū)515253.01.52.04.0問題表法41計算外界無熱量輸入時各溫區(qū)之間的熱通量：第一溫區(qū)：輸入熱量= 0，輸出熱量=0 ( 60) = 60第二溫區(qū)：輸入熱量= 60，輸出熱量= 60 ( 2.5) = 62.5第三溫區(qū)：輸入熱量= 62.5，輸出熱量= 62.5 82.5 = 20第四溫區(qū)：輸入熱量= 2

15、0，輸出熱量= 20 ( 75) = 55第五溫區(qū)：輸入熱量= 55，輸出熱量=5 5 15 = 40問題表法42溫區(qū)物流虧缺熱量(kW)無外界熱量輸入累積熱量(kW)有外界熱量輸入熱通量(kW)輸入輸出輸入輸出165溫區(qū)1 60060145溫區(qū)2 2.56062.5140溫區(qū)382.562.5 2085溫區(qū)4 75 205555溫區(qū)5155540253.01.52.04.0問題表法43計算外界輸入最小加熱公用工程量時的熱通量：第一溫區(qū)：輸入熱量=20，輸出熱量=20 ( 60) = 80第二溫區(qū)：輸入熱量=80，輸出熱量=80 ( 2.5) = 82.5第三溫區(qū)：輸入熱量=82.5，輸出熱量

16、= 82.5 82.5=0第四溫區(qū)：輸入熱量=0，輸出熱量=0 (75) = 75第五溫區(qū)：輸入熱量=75，輸出熱量=75 15=60問題表法44溫區(qū)物流虧缺熱量(kW)無外界熱量輸入累積熱量(kW)有外界熱量輸入熱通量(kW)輸入輸出輸入輸出165溫區(qū)1 600602080145溫區(qū)2 2.56062.58082.5140溫區(qū)382.562.5 2082.5085溫區(qū)4 75 205507555溫區(qū)51555407560253.01.52.04.0問題表法45溫區(qū)物流虧缺熱量(kW)無外界熱量輸入累積熱量(kW)有外界熱量輸入熱通量(kW)輸入輸出輸入輸出165加熱公用工程溫區(qū)1 60060

17、2080145溫區(qū)2 2.56062.58082.5140溫區(qū)382.562.5 2082.5085夾點溫區(qū)4 75 205507555溫區(qū)5155540756025冷卻公用工程3.01.52.04.0問題表法46溫區(qū)物流虧缺熱量(kW)無外界熱量輸入累積熱量(kW)有外界熱量輸入熱通量(kW)輸入輸出輸入輸出165加熱公用工程溫區(qū)1 600602080145溫區(qū)2 2.56062.58082.5140溫區(qū)382.562.5 2082.5085夾點溫區(qū)4 75 205507555溫區(qū)5155540756025冷卻公用工程3.01.52.04.0問題表法47溫區(qū)物流虧缺熱量(kW)無外界熱量輸入

18、累積熱量(kW)有外界熱量輸入熱通量(kW)輸入輸出輸入輸出165加熱公用工程溫區(qū)1 600603090145溫區(qū)2 2.56062.59092.5140溫區(qū)382.562.5 2092.51085原夾點溫區(qū)4 75 2055108555溫區(qū)5155540857025冷卻公用工程3.01.52.04.0問題表法48做出以下?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)的問題表取Tmin=20C 練習(xí)49流股熱容流率CP (kW/)供應(yīng)溫度Ts ()目標(biāo)溫度Tt ()H (kW)H12.015060180.0H28.09060240.0C12.520125262.5C23.025100225.0答案：夾點溫度Tpinch=80C,

19、Qh=107.5 kw, Qh=40.0 kw 主要內(nèi)容50化工過程系統(tǒng)的構(gòu)成及分解換熱網(wǎng)絡(luò)綜合工藝系統(tǒng)節(jié)能蒸汽動力系統(tǒng)的優(yōu)化夾點的形成及其意義換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合裝置/廠際之間的熱聯(lián)合能量目標(biāo)：即最小加熱公用工程量和最小冷卻公用工程量；換熱單元數(shù)目目標(biāo)：即最少換熱設(shè)備個數(shù)；換熱網(wǎng)絡(luò)面積目標(biāo)：即換熱器總傳熱面積最小；經(jīng)濟目標(biāo)：即總費用最小。 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)51 換熱器投資成本： C = a * Ab a: 系數(shù)； A: 換熱面積； b: 指數(shù)，一般情況下 b=0.6， 假如 b1，則 a(A1+A2)b Umin=586初始換熱網(wǎng)絡(luò)必然存在一個熱負(fù)荷回路87案例3

20、：一換熱系統(tǒng)，包含的工藝流股為兩個熱物流和兩個冷物流，給定的數(shù)據(jù)見下表，指定熱、冷物流間允許的最小傳熱溫差Tmin=20?，F(xiàn)設(shè)計一換熱器網(wǎng)絡(luò)，要求其具有最大的熱回收。 物流 熱容 初始 目標(biāo) 熱負(fù)荷 標(biāo)號 流率 溫度 溫度 kW/ oC oC oC kW CP Ts Tt Q H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0 90 60 240.0 C1 2.5 20 125 262.5 C2 3.0 25 100 225.088（1）夾點處，熱物流溫度在90oC、冷物流溫度70oC。（2）最小公用工程加熱量 Q H min = 107.5 kW（3）最小公用工程冷卻量 Q C min =

21、 40 kW 物流 熱容 初始 目標(biāo) 熱負(fù)荷 標(biāo)號 流率 溫度 溫度 kW/ oC oC oC kW CP Ts Tt Q H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0 90 60 240.0 C1 2.5 20 125 262.5 C2 3.0 25 100 225.089分析： 流股數(shù)符合規(guī)則1： NH NC (熱流股數(shù) 1，小于冷流股數(shù)2) 熱容流率符合規(guī)則2： CPHUmin=595具有最小公用工程加熱與冷卻負(fù)荷的整體設(shè)計方案必然存在2個熱負(fù)荷回路96練習(xí)97設(shè)計以下系統(tǒng)初始網(wǎng)絡(luò)取Tmin=20C 練習(xí)98換熱器網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)目標(biāo)： 最大能量回收；最小傳熱面積；最少換熱設(shè)備數(shù)；最小總

22、費用。方法：熱負(fù)荷回路的斷開和換熱器的合并；熱負(fù)荷路徑的能量松弛。99定義：在網(wǎng)絡(luò)中從一股物流（包括公用工程物流）出發(fā)，沿與其匹配的物流找下去，又回到此物流，則稱在這些匹配的單元之間構(gòu)成熱負(fù)荷回路。100獨立的熱負(fù)荷回路數(shù) = 實際換熱單元數(shù)- 最小換熱單元數(shù)特點：回路中各單元的熱負(fù)荷可以相互轉(zhuǎn)移，而不影響回路之外其他單元的熱負(fù)荷。根據(jù)回路的這一特點，可以通過熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移而使回路中一個換熱單元的負(fù)荷為零（即將該換熱單元合并），從而斷開回路達到合并換熱器的目的。 熱負(fù)荷回路通常把回路中單元設(shè)備的熱負(fù)荷最小的熱負(fù)荷分配給其他設(shè)備單元?？偣灿袃蓚€選擇： 奇數(shù)組最小的換熱器：熱負(fù)荷串中奇數(shù)位置的單元設(shè)備

23、減去所要合并的單元設(shè)備的熱負(fù)荷，偶數(shù)位置則加上該熱負(fù)荷。偶數(shù)組最小的換熱器：熱負(fù)荷串中偶數(shù)位置的單元設(shè)備減去所要合并的單元設(shè)備的熱負(fù)荷，奇數(shù)位置則加上該熱負(fù)荷。熱負(fù)荷回路的斷開101說明：合并后的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足 熱負(fù)荷非負(fù)； 傳熱溫差大于102(1)(2)(3)(4)(1)(2)(3)(4)(1)(2)(3)(4)消除以下?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)的熱負(fù)荷回路練習(xí)103104采用分支維持最小傳熱溫差2CP432.6105采用分支維持最小傳熱溫差2CP432.6106采用分支維持最小傳熱溫差2CP432.6107采用分支維持最小傳熱溫差換熱器4的傳熱溫差為負(fù)值。原因主要是在熱流上有換熱器4位于換熱器2和5之間。為保證

24、合并后的(2+5)號和4號換熱器均有較高的熱流溫度，需將2號熱物流分支。2CP432.6108采用分支維持最小傳熱溫差分支時分流率的分配應(yīng)使每股流的傳熱溫差均得到保證。分流率的分配不是唯一的，通常其中一股按最小分流率計算，即：CP分支=熱負(fù)荷/最大允許溫降(或溫升) 或者物流分支后，經(jīng)過換熱往往還要再混合為原物流。按熱力學(xué)原則，將溫度接近的物流相混合所造成的有效能損失小。 說明： 應(yīng)驗證傳熱溫差的可能性（大于Tmin）。 找出分支物流的熱容流率取值范圍。109采用分支維持最小傳熱溫差 在本例中，(2+5)號換熱器的熱負(fù)荷為240kW，2號熱物流的最大允許溫降為150-(60+10)=80，因此

25、求得2號熱物流在(2+5)號換熱器上分支的熱容流率為3.0。再檢驗4號換熱器的溫差，其熱流溫度降至150-22/1.0=128，大于冷流4的進口溫度86.9加上最小傳熱溫差，說明物流的分支是合理的。 tmin=10 110采用分支維持最小傳熱溫差方案1（分流率為1:3）111采用分支維持最小傳熱溫差方案1（分流率為0.415:3.585）熱負(fù)荷路徑及能量松弛夾點設(shè)計法得到的最大熱回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：熱負(fù)荷回路: 一級回路 (1，4) 二級回路(H1，3，2，H2)112(1) 流股 C1分支合并換熱器4問題：冷物流C1通過換熱器1的分支熱容流率=(120+20)/(118-20)=1.43 ，但此時

26、換熱器3左端傳熱溫差為90-118=-280C ，不可行。113(2) 合并換熱器4斷開回路（1，4） 問題：合并后，換熱器1右端溫差T2-T1 = 18 20 ( 因為1,4跨過了夾點，斷開后有一定的熱負(fù)荷通過夾點) , 如何提高 T2 ?114熱負(fù)荷路徑: 在加熱器和冷卻器間由物流和換熱器連接而成。（H1，1，C），使換熱器1達到最小的傳熱溫差，求出 X=4kW。熱負(fù)荷可以這樣沿路徑轉(zhuǎn)移：給加熱器中增加熱負(fù)荷X，則該加熱器所在物流的另一換熱器中減少熱負(fù)荷X，以維持該物流的總熱負(fù)荷不變；而在負(fù)荷減少的換熱器中與該物流匹配的另一股物流同時減少了熱負(fù)荷X，必須在這股物流的另一個換熱器或冷卻器中再

27、加上熱負(fù)荷X；當(dāng)冷卻器增加了熱負(fù)荷X后，熱負(fù)荷的轉(zhuǎn)移結(jié)束，整個路徑的熱負(fù)荷平衡。11540 + X =(82-60) 2.0X = 4 kW能量松弛: 加熱器H1和冷卻器C熱負(fù)荷增加， 以此為代價，減少了一個設(shè)備單元4， 而且不違背最小允許傳熱溫差的規(guī)定。116說明：圖(d)中仍然存在熱負(fù)荷回路(H1,3,2,H2)，斷開回路，合并加熱器H1。問題：換熱器1右端傳熱溫差為82-70.6=11.40C，換熱器3左端為90-70.6=19. 40C,不滿足Tmin的要求。結(jié)論：該回路不能斷開。 可見Tmin的選擇對換熱網(wǎng)絡(luò)影響很大。117118閾值問題并非所有的換熱網(wǎng)絡(luò)問題都存在夾點，只有那些既需

28、要加熱公用工程、又需要冷卻公用工程的換熱網(wǎng)絡(luò)問題才存在夾點。只需要一種公用工程的問題，稱為閾值問題（Threshold Problem）。119閾值問題有些系統(tǒng)，當(dāng)冷、熱復(fù)合曲線距離較遠時，既需要加熱公用工程又需要冷卻公用工程，是夾點問題；向左平移冷復(fù)合曲線到一定情形時，一種公用工程消失，成為閾值問題，此時的最小傳熱溫差稱為閾值溫差，記作TTHR。 120閾值問題這樣的系統(tǒng)屬于閾值問題還是屬于夾點問題，取決于夾點溫差和閾值溫差誰大誰小。若TTHRTmin，則屬于夾點問題；反之，若TTHRTmin，屬于閾值問題。 121閾值問題 對于閾值問題，雖然繼續(xù)減小傳熱溫差，公用工程用量不變，但這并不意味

29、就不存在能源費用與投資費用之間的權(quán)衡。 傳熱溫差的進一步降低，對于只需要加熱公用工程的閾值問題，使一部分加熱公用工程的需求溫度降低，加熱公用工程量的數(shù)量不變、溫度降低，整個換熱過程火用損失降低，加熱公用工程費用降低。 122閾值問題 對于只需要加熱公用工程的閾值問題，可以將其視為只有夾點之上部分，應(yīng)從低溫側(cè)開始設(shè)計，以保證較低溫度下的熱流體的熱量能傳給冷流體。 123閾值問題對于只需要冷卻公用工程的閾值問題，因為傳熱溫差的降低，使一部分冷卻公用工程的需求溫度升高，這樣，或者可以利用較高的余熱產(chǎn)生蒸汽，或者可以減少較低溫度冷量的需求，使整個換熱過程火用損失降低，冷卻公用工程費用降低。 124閾值

30、問題 對于只需要冷卻公用工程的閾值問題，可以將其視為只有夾點之下部分，應(yīng)從高溫側(cè)開始設(shè)計，以保證較高溫度下的冷流體能從熱流體獲取熱量。 主要內(nèi)容125化工過程系統(tǒng)的構(gòu)成及分解換熱網(wǎng)絡(luò)綜合工藝系統(tǒng)節(jié)能蒸汽動力系統(tǒng)的優(yōu)化夾點的形成及其意義換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合裝置/廠際之間的熱聯(lián)合126換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合現(xiàn)行的能量系統(tǒng)是否合理？若不合理，哪些用能環(huán)節(jié)不合理？系統(tǒng)有多大的節(jié)能潛力？應(yīng)如何進行節(jié)能改造？ 127數(shù)據(jù)提取流股名稱供應(yīng)溫度Ts ()目標(biāo)溫度Tt ()H (kW)熱容流率CP (kW/)H1產(chǎn)品22060352022H2反應(yīng)器出口流股270160198018C1進料5

31、0210320020C2循環(huán)流股160210250050128熱公用工程用量 2840 kW QH,min=1840 kW 冷公用工程用量 2640 kW QC,min=1840 kW 多的負(fù)荷都去哪兒了？夾點位置確定129例1 換熱網(wǎng)絡(luò)的格子圖熱流股冷流股冷卻器換熱器加熱器130例1 夾點將格子圖分成上下兩部分夾點夾點上方夾點下方131現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)132案例1 現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)圖夾點夾點之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器夾點之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器不應(yīng)有跨越夾點的傳熱夾點設(shè)計“三原則”133134案例1 現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)圖夾點CP22182050夾點之上冷卻：0 kW夾點之下加熱：20(160 149

32、) = 220 kW 穿越夾點傳熱：18(270 180) = 1620 kW135換熱網(wǎng)絡(luò)綜合：夾點之上(1)反應(yīng)器出口流股產(chǎn)品 220210210270180160160180Tmin = 20進料循環(huán)流股H/kWCP/(kW/)88016201000250022182050136換熱網(wǎng)絡(luò)綜合：夾點之上(1)反應(yīng)器出口流股產(chǎn)品 220210210270180160160180Tmin = 20進料循環(huán)流股H/kWCP/(kW/)88016201000250022182050880137換熱網(wǎng)絡(luò)綜合：夾點之上(2)反應(yīng)器出口流股產(chǎn)品 220210210270180160160180Tmin

33、= 20進料循環(huán)流股H/kWCP/(kW/)880162010002500221820508801000138換熱網(wǎng)絡(luò)綜合：夾點之上(3)反應(yīng)器出口流股產(chǎn)品 220210210270180160160180Tmin = 20進料循環(huán)流股H/kWCP/(kW/)880162010002500221820508801000620139換熱網(wǎng)絡(luò)綜合：夾點之上(5)反應(yīng)器出口流股產(chǎn)品 220210210270180160160180Tmin = 20進料循環(huán)流股H/kWCP/(kW/)880162010002500221820508801000620235.6177.6190140換熱網(wǎng)絡(luò)綜合：夾點之

34、上(4)反應(yīng)器出口流股產(chǎn)品 220210210270180160160180Tmin = 20進料循環(huán)流股H/kWCP/(kW/)880162010002500221820508801000620235.6177.6190H1000141換熱網(wǎng)絡(luò)綜合：夾點之下(1)反應(yīng)器出口流股產(chǎn)品 180160180Tmin = 20進料循環(huán)流股H/kWCP/(kW/)264036022002218205016060142換熱網(wǎng)絡(luò)綜合：夾點之下(1)反應(yīng)器出口流股產(chǎn)品 80160180Tmin = 20進料循環(huán)流股H/kWCP/(kW/)2640360220022182022001805016060143換

35、熱網(wǎng)絡(luò)綜合：夾點之下(1)反應(yīng)器出口流股產(chǎn)品 80160180Tmin = 20進料循環(huán)流股H/kWCP/(kW/)264036022002218202200C3601805016060C440144換熱網(wǎng)絡(luò)綜合145換熱網(wǎng)絡(luò)改造后網(wǎng)絡(luò)146換熱網(wǎng)絡(luò)改造現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)147換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合某柴油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造148換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合某柴油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造物流數(shù)據(jù)表149換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合某柴油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造夾點溫差與加熱公用工程之間的關(guān)系 150換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合某柴油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造夾點溫差與加熱公用工程之間的關(guān)系當(dāng)夾點溫差小于12時，加熱公用工程變?yōu)?，即此時該過程為一閾值

36、問題，只有冷卻公用工程，沒有加熱公用工程。 原換熱網(wǎng)絡(luò)中的最小溫差為18（見圖1換4溫度端差）。 151換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合某柴油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造若取夾點溫差為18，則此時最小加熱公用工程為637MJ/h。而實際換熱網(wǎng)絡(luò)的加熱公用工程為4085 MJ/h，顯然換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計很不合理，即使在夾點溫差為18的條件下，節(jié)能潛力仍高達84%。若夾點溫差進一步減小，其節(jié)能潛力將更大。若取夾點溫差為18，夾點出現(xiàn)在熱流溫度176、冷流溫度158處。 152換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合某柴油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造有夾點之下的加熱器。原料（C2）在爐-1內(nèi)從143到158的加熱為夾點之下的加熱，使公用工程增加1677MJ

37、/h；有跨越夾點的傳熱。換-1中產(chǎn)品（H2）從190176以及換-3中循環(huán)氫(H4)從216176均為用夾點之上的熱流加熱了夾點之下的冷流，兩者分別使公用工程增大1610 MJ/h和352 MJ/h。 153換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合某柴油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造對已有系統(tǒng)的改造不同于新設(shè)計，應(yīng)充分考慮原換熱網(wǎng)絡(luò)已有的結(jié)構(gòu)，做盡可能少的變動，以減少改造的投資費用。兩種方案：最大熱回收換熱網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變動最小換熱網(wǎng)絡(luò) 節(jié)能改造方案的確定 154換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合某柴油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造考慮原換熱網(wǎng)絡(luò)改動不大的最大熱回收初始換熱網(wǎng)絡(luò)如圖1-3所示。圖1-3的換熱網(wǎng)絡(luò)相對原換熱網(wǎng)絡(luò)，只增加了兩處新的匹配，即

38、E1和E2，去掉了爐-1和冷-1，其它部分網(wǎng)絡(luò)維持不變。圖1-3所示換熱網(wǎng)絡(luò)的熱回收達到最大，全部冷流所需的熱量均由熱流提供，不需加熱公用工程，因此節(jié)能量達4085 MJ/h 節(jié)能改造方案的確定最大熱回收換熱網(wǎng)絡(luò) 155最大熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)初始網(wǎng)絡(luò) 156換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合某柴油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造考慮到由于原料（C2）與氫氣混合后形成冷流C1，所以C2的目標(biāo)溫度并不是一固定值，且C2終溫的提高會使C1的供應(yīng)溫度升高。所以若在換-1中將H2所有的熱量均用于加熱C2，其換熱效果同圖1-3網(wǎng)絡(luò)一樣，但減少了E1這一新匹配，簡化了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的改造。因此，調(diào)優(yōu)后的換熱網(wǎng)絡(luò)如圖1-4所示。 節(jié)能改造方案的確

39、定最大熱回收換熱網(wǎng)絡(luò) 157最大熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)網(wǎng)絡(luò) 158換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合某柴油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造在最大熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)I（圖1-4）下，燃料用量從4085 MJ/h降為0。需新增換熱器E2，換熱器換-1和換-2面積不夠，需增加換熱面積。其余換熱器仍采用原有換熱器。 節(jié)能改造方案的確定最大熱回收換熱網(wǎng)絡(luò) 159換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合某柴油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造在本系統(tǒng)中，可以完全不動原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，盡量利用產(chǎn)品（H2）熱量將原料（C2）加熱到盡可能高的溫度，以及用產(chǎn)品氫氣(H3)的熱量將原料氫氣(C1)加熱到盡可能高的溫度，即增加該兩換熱器的熱負(fù)荷，以達到節(jié)能的目的。該方案中只對上述四股物流的換熱

40、情況做了調(diào)整，如圖1-5所示。其余物流因其不變，不再畫出。 節(jié)能改造方案的確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變動最小換熱網(wǎng)絡(luò) 160網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變動最小換熱網(wǎng)絡(luò)圖1-5 柴油加氫節(jié)能方案II換熱網(wǎng)絡(luò)改變部分圖 本方案中，換-1和換-2的傳熱面積將要增加，去掉了冷-1。 可以節(jié)省燃料3273MJ/h，即使燃料用量從4085 MJ/h降為848 MJ/h。 主要內(nèi)容161化工過程系統(tǒng)的構(gòu)成及分解換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工藝系統(tǒng)節(jié)能蒸汽動力系統(tǒng)的優(yōu)化夾點的形成及其意義換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)改造綜合裝置/廠際之間的熱聯(lián)合熱聯(lián)合方式熱聯(lián)合策略催化裂化和氣體分餾裝置的熱聯(lián)合采用中間介質(zhì)的廠際熱聯(lián)合裝置/廠際之間的熱聯(lián)合162

41、163Total-site integration+直接熱聯(lián)合直接使用工藝物流進行換熱間接熱聯(lián)合使用中間介質(zhì)進行換熱熱聯(lián)合方式164較大的傳熱溫差較大的公用工程用量較小的公用工程用量較小的傳熱溫差熱聯(lián)合方式的熱回收性能對比165每條工藝物流都需要單獨管路只需要一條管路熱聯(lián)合方式的投資費用對比1661）對比整個系統(tǒng)的節(jié)能潛力、各組成裝置節(jié)能潛力之和：當(dāng)兩者相差不大時，則考慮以各組成裝置為優(yōu)化對象，以降低改造費用和工程量，提高熱集成的可行性；當(dāng)兩者相差大時，考慮以整個系統(tǒng)為優(yōu)化對象，以提高用能效率。2）以各裝置為優(yōu)化對象時，也要考慮裝置之間熱集成的可能性，以提高用能效率。熱聯(lián)合策略1673）以整個

42、系統(tǒng)為優(yōu)化對象時，優(yōu)先考慮各裝置內(nèi)的物流匹配。4）當(dāng)某裝置本身的夾點溫度與整個系統(tǒng)的夾點溫度相近時，該裝置可作為獨立的子系統(tǒng)考慮。5）當(dāng)某裝置本身的夾點溫度比整個系統(tǒng)的夾點溫度高得較多時，要考慮其熱物流與其它裝置冷物流的匹配；而當(dāng)某裝置本身的夾點溫度比整個系統(tǒng)的夾點溫度低得較多時，要考慮其冷物流與其它裝置熱物流的匹配。熱聯(lián)合策略1686）裝置之間的匹配，要考慮裝置之間的相互關(guān)系，例如距離、并行運行時間等，以提高熱集成的可行性并增加經(jīng)濟效益。7）檢查系統(tǒng)中是否存在既是熱物流又是冷物流的物流。如果存在這樣的物流，可以適當(dāng)?shù)母淖兞鞒蹋绮扇徇M料。熱聯(lián)合策略169催化裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)分析氣體分餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)分析催化裂化、氣體分餾裝置的熱聯(lián)合催化裂化和氣體分餾裝置的熱聯(lián)合170催化裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)分析171取最小傳熱溫差為5，將物流數(shù)據(jù)輸入Pinch2.0計算，結(jié)果顯示該問題是閾值問題，裝置所需最小加熱公用工程為0kW，最小冷卻公用工程為20557.27kW。實際工況用加熱和冷卻公用工程分別2317.25kW和22874.52kW