换热网络设计

换热网络设计学院：班级：组员：指导老师：-1-目录1.前言………………………………………………………………22.换热网络合成----夹点技术……………………………42.1夹点特性………………………………………………………42.1.1温度区间的划分…………………………………………62.1.2最小公用工程消耗………………………………………72.1.3温焓图与组合曲线………………………………………83.夹点法设计能量最优的换热网络……………………103.1匹配的可行性原则…………………………………………103.2流股的分割---FCP表………………………………………113.3流股的匹配----勾销推断法………………………………134．换热网络的调优……………………………………………154.1最小换热单元数……………………………………………154.2能量与设备数的权衡………………………………………164.3△Tmin的选择…………………………………………………175.实例演算………………………………………………………196.心得体会………………………………………………………40-2-1前言化学工业是耗能大户，所以说在现代化学工业生产过程中，能量的回收及再利用有着极其重要的作用。换热的目的不仅是为了改变物流温度使其满足工艺要求，而且也是为了回收过程余热，减少公用工程消耗。在许多生产装置中，常常是一些物流需要加热，而另一些物流则需要冷却。将这些物流合理的匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收能力，尽可能减少蒸汽和冷却水等辅助加热和冷却用的公用工程（即能量）耗量，可以提高系统的能量利用率和经济性。合理有效的解决物流间的换热问题，涉及如何确定物流间匹配换热的网络结构及相应的换热负荷分配。换热网络系统综合就是在满足把每个物流由初始温度达到制定的目标温度的前提下，设计具有最大热回收效果和最小设备投资费用的换热器网络。在七十年代能源危机刺激了过程集成技术的发展。过程设计从对单元操作的优化逐渐发展到对全系统的优化集成。从70年代末发展起来的夹点技术是一项最成功的过程集成技术。英国学者Linnhoff博士领导的英国帝国化学公司（ICI）的过程综合小组率先在工程设计中采用了这种全新的设计方法，取得了令人瞩目的节能效果。在新建工厂的设计中，每个工程项目比常规设计平均节能30%，并且还同时节省了设备投资，在现场装置技术改造的应用中，投资回收期一般为12个月左右。80年代，夹点技术在欧美等工业国家迅速得到推广应用，并取得了显著的经济效益和社会效益。目前国际上许多著名的大型化工公-3-司局普遍采用这一先进技术。一些大型工程公司都有专门研究小组从事夹点技术的研究和应用。LinnhoffMarch博士于1984年创立了LinnhoffMarch工程技术公司,专门从事夹点技术的推广应用，之后又在英国曼彻斯特大学建立过程综合研究中心作为公司的技术后盾。本文主要利用夹点技术对换热网络进行优化，通过温度分区及问题表求出夹点及最小公用工程消耗，找出换热网络的薄弱环节提出优化建议，寻求最优的匹配方法；再从经济利益上进行权衡提出最佳的换热网络方案，来提高能量的利用效率。-4-2换热网络合成---夹点技术上世纪70年代末，Linnhoff等人首先提出了换热网络的温度夹点（Pinchpoint）问题，该夹点限制了网络可能达到的最大能量回收。据初步统计，迄今为止，国际上已有2000多个工程项目采用了这项技术。原化工部1992年7月邀请LinnhoffMarch工程技术公司到我国试点，制定全国乙烯生产能耗最低的盘锦天然气化工场作试点单位，实验结果令人满意。夹点技术立足于严格热力学和数学原则，具有完备的理论基础。计算简单，可靠，方法灵活，实用，工程技术人员容易掌握，并可以发挥设计者多年工程设计经验和生产实践经验，更好的从事设计工作。因此，夹点技术代表了一种全新的，强有力的设计方法。在本文下面的内容中我们会具体的介绍夹点技术的使用方法、步骤及其在换热网络中的应用。2.1夹点特性（1）夹点的能量特性夹点限制了能量得进一步回收，它表明了换热网络消耗得公用工程用量已达到最小状态。可以说，求解能量最优的过程就是寻找夹点的过程。（2）夹点的位置特性夹点位置和最小公用工程消耗量可采用图解法（T-H图）或问题表格算法（ProblemTableAlgorithm）来确定。夹点把换热网络分隔成夹点上方（热阱）及夹点下方（热源）两个独立的子系统，而夹-5-点处是设计工作中约束最多的地方（即“瓶颈”）。夹点以上的热股流于夹点以下的冷股流的匹配（热量穿过夹点），将导致公用工程用量的增加。这一事实可以分别通过对夹点之上和夹点之下子系统进行焓平衡得到。为了使公用工程消耗最小，设计时需遵循以下三个基本原则：（1）尽量避免热量穿过夹点，避免夹点之上热股流于夹点之下冷股流间的匹配；(2)在夹点上方（或称热端），尽量避免引用公用工程冷却物流；(3)在夹点下方（或称冷端），尽量避免引用加热物流。换热网络综合设计中只要遵循上述三条原则，就可以保证换热网络能量最优，即回收量最大，公用工程消耗最小。（3）夹点的传热特性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小于或等于流出夹点流股的热容流率之和，即下式成立：∑FCp流出≥∑FCp流入对没有流入夹点的流股我们称之为从夹点进入的流股，其余流股为通过夹点的流股。很明显，要满足上式则必须要有从夹点进入的流股，这样才能增加流出夹点流股的热容流率之和。反之，由于流股消失而产生的角点绝不会成为夹点。由此可以得出推论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，即：-6-N流出≥N流入这三条原则不只是局限用于换热网络系统，也同样适用于热—动力系统、换热—分离系统以及全流程系统的最综合问题。换热回收网络只要遵循以上三条原则，就可以保证回收网络能量最优，即热回收量最大，公用工程消耗量最少。根据上述夹点特性及设计基本原理，夹点设计法可归纳如下:（1）温度区间的划分（2）最小公用工程消耗（3）温焓图与组合曲线2.1.1温度区间的划分工程设计计算中，为了保证传热速率，通常要求冷、热物流之间的温差必须大于一定的数值，这个温差称作最小允许温差△Tmin。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、目标温度一起按从大到小顺序排列，生称n个温度区间，分别用T1,T2……Tn+1表示。下标n为温度区间数，可由下式计算：n=2z-1-d式中d—始温和终温相同的股流重复数（热股流始、终温应减去△Tmin）z—股流数通过把原问题划分为n个温区，可以把原网络综合问题分解成n个子网络综合任务。由于子网络中的所有股流均处于同一温度区间，所以综合问题相对容易些。由于落入各温度区间的物流已考虑了温度-7-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，即热量传递总是满足热力学第二定律。温度区间的特性:（1）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。（2）热量不能从低温区间的热物流向高温区间的冷物流传递。2.1.2最小公用工程消耗利用Linnhoff提出的问题表方法，可以很方便的计算换热网络所需要的最小公用工程消耗。其步骤如下（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=Ii－Qi=（Ti－Ti+1）（∑FCPC－∑FCPH）式中Di--------区间的净热需求量；Ii--------输入到第I个温区的热量；Qi--------从第I个温区输出的热量。（3）设第一个温区从外界输入热量I1为零，则该温区的热量输出Q1为：Q1=I1－D1=－D1根据温区之间热量传递特性，并假定各温区间与外界不发生热交换，则有：Ii+1=Qi-8-Qi+1=Ii+1－Di+1=Qi－Di+1利用上述关系计算得到的结果列入问题表。（4）若Qi为正值，则表示热量从第i个温区向第i+1个温区传递。显然，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，根据温度区间特性可知，这种传递是不可行的。为了保证Qi均为正值，可取步骤（3）中的计算得到的所有Qi中负数绝对值最大值作为第一温区的输入热量按照上式重新计算。计算结果列入问题表最后两列。如果计算得到的Qi均为正值则这步计算是不必要的。2.1.3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，只需将冷物流、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。即：△H=∑Qi=(T终-T初)∑FCpi所以冷物流或热物流的热量与温差关系可以用T—H图上的一条曲线表示，称之为组合曲线。T—H图上的焓值是相对的。为了在图上标出焓值，需要为冷物流和热物流规定基准点。步骤如下：（1）对于热物流，取所有热物流中最低温度T，设在T时的H=H，以此作为焓基准点。从T开始想高温区移动，计算每一个温区的积累焓，用积累焓对T作图，得到热物流组合曲线。（2）对于冷物流，取所有冷物流中最低温度T，设在T时的H=H，-9-（HCO）以此作为焓基准点。从T开始想高温区移动，计算每一个温区的积累焓，用积累焓对T作图，得到冷物流组合曲线。将冷物流的组合曲线沿H轴向左平移，这时△T逐渐减小。当两条曲线垂直距离最小等于△Tmin时，到达极限位置。这个位置就是夹点。两条曲线端点得水平差值分别代表最小冷热公用工程量，以及最大热回收。这个位置得物理意义为一个热力学限制点。限制了冷热物流进一步热交换，使冷热公用工程量达到最小，物流间得匹配满足能量利用最优得要求。相同温度区间中物流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。只是把两股冷物流和两股热物流进行常规匹配，则存在热力学限制。由此可见：（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）经过热复合后只剩下一个热力学限制点，即夹点，此时，过程需要的公用工程用量可以达到最小。-10-3夹点法设计能量最优的换热网络最优换热网络设计的目标是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）。这里有两层含义：一是公用工程消耗最少二是换热单元最少。3.1匹配的可行性原则由于夹点处的特性，导致夹点处的匹配不能随意进行，夹点匹配必须满足如下的可行性原则：（1）总物流数的可行性原则某些过程流通过加点是，为了达到夹点温度，必须利用匹配进行换热。夹点之上使用外部冷却器会使总公用工程消耗增大，从而达不到能量最优的目的。利用流股分割可以避免夹点之上使用冷却器。也就是说为了保证能量最优、避免夹点之上使用冷却器，夹点之上的物流数应满足下式：NH≤NC式中NH----热流股数或分支数NC----冷流股数或分支数相反，为了避免在夹点之下使用加热器，以保证能量最优，夹点之下物流数应满足下式：NH≥NC上述两式合并后可得（夹点一侧）：N流出≥N流入。若上式不满足，则必须对流出夹点的流股作分割。-11-（2）FCP可行性原则为了保证传热推动力△T≥△Tmin，每个夹点匹配热容流率要满足：夹点之上：FCPH≤FCPC夹点之下：FCPH≥FCPC式中FCPH---热流股的热容流率FCPC---冷流股的热容流率合并上述两式，可得：FCP流出≥FCP流入。如果流股间的各种匹配组合不能满足上式，则需利用股流分割来改变流股的FCP值。（此式只适用于夹点匹配。非夹点匹配时温差较大，对匹配的限制不象夹点处那样苛刻。）3.2流股的分割----FCP表根据夹点匹配原则，可以得到夹点之上和夹点之下物流匹配的步骤，由下图可知当夹点之上或夹点之下的物流不满足条件时，需要对物流进行分割。采用Linnhoff提出FCP表来分割物流，FCP表就是把夹点之上或夹点之下的冷热物流的热容流率，按照数值的大小分别排成两列列入FCP表，将可行性判锯列与表头。每个FCp值代