化工过程分析与合成Ch7

第七章换热网络合成7.1化工生产流程中换热网络的作用和意义•换热是化工生产不可缺少的单元操作过程。•对于一个含有换热物流的工艺流程，将其中的换热物流提取出来，组成了换热网络系统•其中被加热的物流称为冷物流，被冷却的物流称为热物流。•换热的目的不仅是为了使物流温度满足工艺要求，而且也是为了回收过程余热，减少公用工程消耗。•基于这种思想进行的换热网络设计称为换热网络合成。•换热网络合成的任务，是确定换热物流的合理匹配方式，从而以最小的消耗代价，获得最大的能量利用效益。•换热网络的消耗代价来自三个方面：换热单元（设备）数，传热面积，公用工程消耗，换热网络合成追求的目标，是使这三方面的消耗都为最小值。•实际进行换热网络设计时，需要在某方面做出牺牲，以获得一个折衷的方案。7.2换热网络合成问题7.2.1换热网络合成问题的描述•一组需要冷却热物流H和一组需要加热的冷物流C，每条物流的热容流率FCp，热物流从初始温度TH初冷却到目标TH终，冷物流从初始温度TC初加热到目标温度TC终。•通过确定物流间的匹配关系，使所有的物流均达到它们的目标温度，同时使装置成本、公用工程（外部加热和冷却介质）消耗成本最少。7.2.2换热网络合成的研究•Hohmann的开创性工作。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；提出了换热网络最少换热单元数的计算公式。意义在于从理论上导出了换热网络的两个理想状态，从而为换热网络设计指明了方向•Linnhoff和Flower的工作•合成能量最优的换热网络。从热力学的角度出发，划分温度区间和进行热平衡计算，这样可通过简单的代数运算就能找到能量最优解（即最小公用工程消耗），这就是著名的温度区间法（简称TI法）•对能量最优解进行调优。•夹点（PinchPoint）概念以及夹点设计法的建立•人工智能方法的建立7.3换热网络合成—夹点技术•7.3.1第一定律分析)(终初TTFCpQ物流号类型FCp,KW/℃T初,℃T终,℃热量Q,kW1冷3.060180-3602热2.0180402803冷2.630105-1954热4.015040440165•如果没有温度推动力的限制，就必须由公用工程系统提供165kW的热量•第一定律计算算法没有考虑一个事实，即：只有热物流温度超过冷物流时，才能把热量由热物流传到冷物流。•因此所开发的任何换热网络既要满足第一定律，还要满足第二定律7.3.2温度区间•首先根据工程设计中传热速率要求，设置冷、热物流之间允许的的最小温差△Tmin•将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、目标温度一起按从在到小排序，分别用T1、T2、…、Tn+1表示，从而生成n个温度区间。•冷、热物流按各自的始温、终温落入相应的温度区间（注意，热物流的始温、终温应减去最小允许温差△Tmin）。•落入各温度区间的物流已考虑了温度推动力，所以在每个温度区间内都可以把热量从热物流传给冷物流，即热量传递满足第二定律。•每个区间的传热表达式为iiCiHiTFCpFCpQ])()([..温度区间具有以下特性：•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。•热量不能从低温区间的热物流向高温区间的冷物流传递。例7-1最小允许温差△Tmin为10℃，划分温度区间*将热物股的初、终温度分别减去△Tmin后，与冷物流的初、终温度一起排序，得到温度区间的端点温度值T1=180℃T2=170℃T3=140℃T4=105℃T5=60℃T6=30℃7.3.3最小公用工程消耗一、问题表1.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。2.对每个温区进行流股焓平衡，以确定热量净需求量•Di－区间的净热需求量•Ii－输入到第i个温区的热量，这个量或表示从第i-1个温区传递的热量，或表示从外部的加热器获得的热量；•Ｑi－从第i个温区输出的热量。这个量或表示传递给第i+1个子温区的热量，或表示传递给外部冷却器的热量。))((1HCiiiiiFCpFCpTTQID3.设第一个温区从外界输入的热量I1为零，则该温区的热量输出Q1为：（7－4）•在根据温度区间之间热量传递特性，并假定各温度区间与外界不发生热量交换，则有：（7－5）（7－6）•利用上述关系计算得到的结果列入问题表。1111DDIQiiQI11111iiiiiDQDIQ4.若Ｑi为正值，则表示热量从第i个温区向第i+1个温区，这种温度区间之间的热量传递是可行的。•若Ｑi为负值，则表示热量从第i+1个温区向第i个温区传递，这种传递是不可行的。•为了保证Ｑi均为正值，可取步骤3中计算得到的所有Ｑi中负数绝对最大值作为第一个温区的输入热量，重新计算。•如果上一步计算得到的Ｑi均为正值，则这步计算是不必要的例7-2:利用例7-1中的数据，计算该系统所需的最小公用工程消耗。假设热公用工程为蒸汽，冷公用工程为冷却水，它们的品位及负荷足以满足物流的使用•解：按问题表计算步骤，得到的问题表7-2列12345流股与温度T，℃最大允许热流量，kW温区热流股(2)(4)180冷流股(1)(3)Ti－Ti+1∑CPC-∑CPHDiIiQi输入输出1180170103.0+300-30+60+302150140301.0+30-30-60+300311510535-3.0-105-60+450+1054706045-0.4-18+45+63+105+1235403030-3.4-102+63+165+123+225FCP2.04.03.02.6从表7-2可得到以下信息•第3列最下面的数字表示由第一定律得到的该热回收网络所需的最小冷却量；•第4列最上面的数字表示该热回收网络所需的最小外加热量；•第5列最下面的数字表示该热回收网络所需的最小外冷却量；•若热回收网络达到最大能量回收，则所需要的公用工程消耗等于表中最小外加热、冷却量。利用问题表方法可以计算换热网络所需的最小公用工程消耗值。此时，系统内部的能量得到最大程度的回收二、夹点的概念表7-2的第4列、第5列表示公用工程消耗最小时，高温区与低温区之间以及与环境之间热量流动。这种热量流动可以用温区热流图来表示SN1SN2SN3SN4SN5QHmin=60kWQCmin=225kW30kW0105kW123kW•从图7-3中可以直观地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间的热量流动为零，表示无热量从SN2流向SN3。这个热流量为零的点称为夹点。•对热物流来说，此点为150℃，对于冷物流来说，此点为140℃•从热流图中可以看出，夹点将整个温度区间分为了两部分•夹点之上需要从外部获取热量，而不向外部提供任何热量，即需要加热器；•夹点之下可以向外部提供热量，而不需要从外部获取热量，即需要冷却器。•夹点的物理意义可以通过温焓图（T-H图）来描述7.3.4温焓图与组合曲线•对于同一个温度区间的冷物流或热物流，由于温差相同，只需将冷热流、热物流的热容流率分别相加再乘上温差，就能得到冷物流或热物流的总热量•冷物流或热物流的热量与温差的关系可以用T－H图上的一条曲线表示，称之组合曲线iiFCpTTQH)(初终T－H图上的焓值是相对的。基准点可以任何选取•对于热物流，取所有热物流中最低温度T，设在T时的H=HH0，以此作为焓基准点。从T开始向高温区移动，计算每一个温区的积累焓，用积累焓对T作图，得到热物流的组合曲线•对于冷物流，取所有冷物流中最低温度T，设在T时的H=HC0（HC0＞HH0），以此作为焓基准点。从T开始向高温区移动，计算每一个温区的积累焓，用积累焓对T作图，得到冷物流的组合曲线例7-3根据例7-2的数据，用T－H图表示冷、热物流的组合曲线解：•热物流的最低温度T=40℃，设其对应的基准焓HH0＝0。•冷物流的最低温度T=30℃，对应的基准焓HC0=1000。•用温度区间的端点温度对各温区的积累焓在T－H上作图，得到冷、热物流的组合曲线T℃积累焓HkW热流40H0=0070H1＝（2+4）（70－40）＝180180115H2＝（2+4）（115－70）＝270450150H3＝（2+4）（150－115）＝210660180H4＝2（180－150）＝60720冷流30H０＝1000100060H1＝2.6（60－30）＝781078105H２＝（3+2.6）（105－60）＝2521330140H３＝3（140－105）＝1051435180H４＝3（180－140）＝1201555TH•由于T－H图上的H值为相对值，因此曲线可以沿H轴平移而不会改变换热量。基于这一特点，可以用T－H图来描述夹点•将冷物流的组合曲线沿H轴向左平移，这时两条曲线之间的垂直距离随曲线的移动而逐渐减小，也就是说传热温差△T逐渐减小•当两条曲线的垂直最小距离等于最小允许传热温差△Tmin时，就达到了实际可行的极限位置。这个极限位置的几何意义就是冷、热物流组合曲线间垂直距离最小的位置•这个最窄的位置就是夹点050100150200HkWT℃QCmin=225kW△Tmin最大回收热量495kWQHmin=60kW•两条曲线端点的水平差值分别代表最小冷、热公用工程，以及最大热回收量（即最大换热量）。•这个位置的物理意义表示为一个热力学限制点。这一点限制了冷、热物流进一步作热交换，使冷、热公用工程都达到了最小值，这时物流间的匹配满足能量利用最优的要求•相同温度区间的物流间的组合称为过程物流的热复合。如果不进行过程物流的热复合，只是把两股冷流和两股热流进行常规匹配，则存在两个热力学限制1.过程物流热复合可以减少整个换热过程的热力学限制数2.经热复合后只剩一个热力学限制点，即夹点。这时，过程需要的公用工程用量可达到最小7.3.5夹点的特性•夹点的能量特性•夹点限制了能量的进一步回收，它表明了换热网络消耗的公用工程用量已达到最小状态。求解能量最优的过程就是寻找夹点的过程夹点的位置特性•夹点把整个问题分解成了夹点上热端与夹点下冷端两个独立的子系统•在夹点之上，换热网络仅需要热公用工程，因而是一个热阱。在夹点之下，换热网络只需要冷公用工程，因而是一个热源•夹点以上热物流与夹点下冷物流的匹配（热量穿过程夹点），将导致公用工程用量的增加•设有x单位热量从夹点流过，根据焓平衡，必将使夹点之上热公用工程用量增加x单位，同时也使夹点之下的冷公用工程用量增加x单位。yQCmin+zQCminQCmin+x热阱xQHmin+x热阱0QHmin+y热阱0QHmin热源热源热源z结论•避免夹点之上热物流与夹点之下冷物流间的匹配•夹点之上禁用冷却器•夹点之下禁用加热器夹点的传热特性•组合曲线上斜率发生变化的点，称为角点•凡是流股进入处或离开处，均引起组合曲线热容流率的变化，从而形成角点•夹点一定出现在角点或组合曲线的端点处•夹点是整个换热网络传热推动力△T最小的点•所以在夹点附近从夹点向两端的△T是增加的。这是由于在夹点的一侧，流入夹点流股的热容流率之和总是小于或等于流出夹点流股的热容流率之和流入流出FCpFCp•对没有流入夹点的流股4我们称这为从夹点进入的流股，流股1和2为通过夹点的流股•对任意一条组合曲线而言，流入夹点的流股数应小于或等于流出夹点的流股数（7-9）1423流出流入FCp=260℃夹点流出流出流入FCp=4FCp=3FCp=2.6212+41TQ1+3流入流出NN7.4夹点法设计能量最优的换热网络•目标：在公用工程用量最少的前提下寻求设备投资最少（即换热单元数最少）。•包括：一是公用工程消耗最少，二是换热单元数最少。•实际上，这个目标很难同时满足，也就是说，当公用工程消耗最少时，不能保证换热单元数最小。为了减少换热单元数，往往要牺牲一些能量消耗。•因此在设计换热网络时，存在能量与换热设备数的折衷问题。•在实际进行网络设计时，一般是先找出最小公用工程消耗，即先设计能量最优的换热网络，然后再采