-換熱網絡-夾點設計法完整版

7換熱網絡合成7．1化工生產流程中換熱網絡的作用和意義

換熱是化工生產不可缺少的單元操作過程。在所有工藝流程中，都會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，就組成了換熱網絡系統。在換熱網絡系統中：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。換熱網絡合成的基本思想：在工藝過程設計中節(jié)能非常重要，因此換熱網絡設計追求的目標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。換熱網絡合成的任務：確定換熱物流的合理匹配方式，從而以最小的消耗代價，獲得最大的能量利用效益。

換熱網絡消耗的來源：換熱單元(設備)數，傳熱面積，公用工程消耗。換熱網絡合成追求的目標：使三方面的消耗都為最小值。事實上，對于實際生產裝置，很難達到這一目標。最小公用工程消耗意味著較多的換熱單元數，而較少的換熱單元數又需要較大的換熱面積。實際進行換熱網絡設計時，需要在某方面做出犧牲，以獲得一個折衷的方案。7．2換熱網絡合成問題7.2.1換熱網絡合成問題的描述典型的換熱網絡合成問題：熱物流H：初始溫度TH初目標溫度TH終冷物流C：初始溫度TC初目標溫度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系，以使所有的物流均達到它們的目標溫度，同時使裝置成本、公用工程(外部加熱和冷卻介質)消耗成本最少。7.2.2換熱網絡合成的研究換熱網絡合成技術的研究主要經歷了四個階段：

(1)Hohmann的開創(chuàng)性工作Hohmann在溫焓圖上進行過程物流的熱復合，找到了換熱網絡的能量最優(yōu)解，即最小公用消耗。還提出了換熱網絡最少換熱單元數的計算公式。Hohmann工作的意義:從理論上導出了換熱網絡的兩個理想狀態(tài)，從而為換熱網絡設計指明了方向。HTAEH2BIIIIIIⅣⅤⅥQc.minQN.minH1CD△TmFC1’C1’’QR(2)Linnhoff和Flower的工作在綜合和證實Hohmann工作曲線基礎上，從方法上提出分兩步走。第一步:合成能量最優(yōu)的換熱網絡。從熱力學的角度出發(fā)，劃分溫度區(qū)間和進行熱平衡計算。通過簡單的代數運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(簡稱TI法)。第二步:對能量最優(yōu)解進行調優(yōu)。通過一些調優(yōu)法則，在少增加或不增加公用工程消耗的情況下，減少系統的換熱單元數，使網絡設計向操作和投資總費用最小的方向調整。(3)夾點(PinchPoint也譯為狹點，窄點)概念以及夾點設計法的建立。Linnhoff繼溫度區(qū)間法之后提出了夾點的概念，最后發(fā)展了一套夾點設計法。(4)人工智能方法的建立。從20世紀80年代起，隨著人工智能研究的發(fā)展，人工智能技術也被應用到換熱網絡合成領域，如專家系統模型，神經網絡模型、遺傳算法模型等。在各種合成方法中，Linnhoff的夾點技術具有較強的實用性，并已被過程設計所采用。為此本章主要介紹夾點設計技術。為了方便起見，在本章討論中，均假設熱容流率FCp為常數。7.3換熱網絡合成-夾點技術7.3.1第一定律分析物流的溫度發(fā)生變化時將會從外界吸收或向外界釋放熱量，通過第一定律可以計算該熱量值。Q=FCp(T初-T終）

HTAEH2BH1CDQ=FCp(T初—T終）第一定律在計算的公式中沒有考慮這個事實，即：只有熱物流溫度超過冷物流一定值時，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正的溫度差，才能得到所需加熱與冷卻的熱負荷值。因此所開發(fā)的任何換熱網絡既要滿足第一定律，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單的方法，即劃分溫度區(qū)間。具體方法：根據工程設計中傳熱速率要求，設置冷、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溫度減去最小允許溫差ΔTmin，然后與冷物流的起始、目標溫度一起按從大到小排序，從而生成n個溫度區(qū)間。冷、熱物流按各自的始溫、終溫落入相應的溫度區(qū)間(注意，熱物流的始濕、終溫應減去最小允許溫差ΔTmin)。由于落入各溫度區(qū)間的物流已考慮了溫度推動力，所以在每個溫度區(qū)間內，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結合例題介紹夾點設計法例題：某換熱系統，包含的工藝物流為兩個冷物流和兩個熱物流，相關數據見表。指定冷、熱物流間的允許最小傳熱溫差ΔTmin=20℃，請設計一個具有最大熱回收的換熱網絡系統例題物流數據一、夾點位置的確定及其意義：1、采用問題表格法確定夾點位置

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

虛擬界面溫度：指相鄰兩子網格間界面處冷熱流體的平均溫度。（2）對每個網格進行熱量衡算

定義Dk：本網格需要的熱量，或稱本網格冷熱物流換熱赤字（相當于輸出）。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：外界或其它網絡供給k網的熱,輸入。

Ok：k網向外部或其它網排出的熱量，輸出。則：熱衡式：Ik=Ok+Dk

變形：Ok=Ik–Dk（k=1,2…N)同時由于各網格間聯系的存在，有：

Ik+1=Ok

DKIkOkSN1I1=0D1=(0-2)(140-135)=-10O1=I1-D1=0-（-10）=10計算第一個網格，由于此前沒有其他網格，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匯總結果

Ik+1，Ok的負值現象：Ik+1、Ok出現負值表明熱物流提供不出冷物流達到低溫要求的熱量（△Tmin為前提），需公用工程設施提供熱量消除負值。

需提供的熱量大?。簯垢髯泳W的Ik或Ok消除負值。即使最大負值變?yōu)榱?。SN1SN2SN3SN4SN5SN6I1=0I2=10I3=-2.5I4=-107.5I5=27.5I6=-55O6=-67.5SN1SN2SN3SN4SN5SN6I1=107.5I2=117.5I3=105I4=0I5=135I6=52.5O6=40為保證溫位低的網格不需向溫位高的網格提供熱量（不可能實現），需向系統提供補充熱量，所需補充的最大值與計算所得輸入最大負值相等。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）確定夾點位置：夾點：即消除Ik或Ok的負值后，Ik或Ok的值為零的網格界面，（前提是其它Ik，Ok均無負值）。SN1SN2SN3SN4SN5SN6I1=107.5I2=117.5I3=105I4=0I5=135I6=52.5O6=40夾點（1）夾點特點及意義：a、夾點正處于兩側流體實際溫差最小(△T＝△Tmin)處。b、夾點構成一個截面，夾點兩側的網格之間無相互的熱量交換，即夾點兩側的網格間熱的流量為零。

2夾點意義及夾點設計法的三個基本原則：

I=0c、夾點將問題分成兩個區(qū)域：

熱端：夾點之上，冷熱物流溫度均高于夾點溫度。只需要公用設施提供熱量，又稱熱阱。

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

熱端冷端熱阱熱源d、當通過夾點熱量為零時，公用設施熱負荷最小。熱端冷端熱阱,可補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熱端取走熱量會增大公用系統熱負荷y0冷端補充熱量會增大公用系統熱負荷z（2）夾點設計法的三個基本原則：（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。原則二：夾點上方盡量避免引入公用設施冷卻物流，但可引入加熱設施。

熱端冷端107.5+y40y0z原則三：夾點下方盡量避免引入公用設施加熱物流，但可引入冷卻設施。熱端冷端107.5040＋zz二、夾點設計法：為保證夾點處無熱流通過，故以夾點為界，設計換熱網絡。

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

規(guī)則1：

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

夾點下方（冷端）：NH≥NC。舉例說明：

夾點H1H2H3C1C2需調整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（夾點上方不引入冷物流）。當NH<NC時（冷物流數多于熱物流數）：在物流C3處另加一個換熱器不違反基本原則。夾點H1H2H3C1C2需調整H1H2H3C1C2C2’NC=NH研究熱端NH>NC夾點上方（熱端）夾點下方：則應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夾點夾點H1H2H3C1C2夾點上方夾點下方夾點上方：當Nc≥Nh

（熱端）。多出的C可引入加熱介質平衡，并不違反基本原則。規(guī)則2：

夾點上方（熱端）：FCpH≤FCpc

夾點下方（冷端）：FCpH≥FCpc

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

HTHC△TC△T

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

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

當熱流體溫變△TH>冷流體溫變△TC時,才能保持△T>△Tmin（冷熱兩流體溫差）。此時，FCpH<FCpc。HTHC△TC△T

△TH△Tmin

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

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

△TH△Tmin夾點下方可行性規(guī)則小結：

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

經驗規(guī)則1：冷熱物流匹配時，選物流中熱負荷較小者為換熱器的熱負荷，如：H1，CPH=2，初溫90oC，終溫60oC，Q=60C1，CPC=3，初溫20oC，終溫30oC，Q=30

∴選換熱器熱負荷Q=30，這樣可使冷物流一次完成換熱。

經驗規(guī)則2：在考慮經驗規(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：換熱器的結構簡單，有效能損失小。

4o夾點設計法要點：

①以夾點為界，將原設計問題分解形成獨立的熱端、冷端子問題后分別處理。②對每個子問題，按次序遵循可行性規(guī)則及經驗規(guī)則決定物流間的匹配及是否需要分支。③離開夾點后，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、用夾點設計法設計前面例題提出的換熱網絡綜合首先以夾點為界，將原問題分為熱端及冷端的兩個子問題。

20404060608080100100120120140140160SN1SN2SN3SN4SN5SN6C2C1H2H1熱標尺80110355013514030夾點1、熱端設計：為三股物流間換熱問題流股夾點FCPQ

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

可行性：NH<NC，FCPH<FCPC均已符合

∴H與C1、C2匹配均可。再根據經驗規(guī)則：依Q值相近，則選H1與C1匹配，且夾點之上不冷卻物流?！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7017.590夾點上方2、冷端設計

四股物流間換熱。熱流H1、H2離開夾點，冷流C1、C2進入夾點。

20404060608080100100120120140140160SN1SN2SN3SN4SN5SN6C2C1H2H1熱標尺80110355013514030夾點FCPQH12.060H28.0240C12.5125C23.013560602590oC70oC夾點20夾點下方20404060608080100100120SN3SN4SN5SN6C2C1H2H180110355