第13講換熱網(wǎng)絡(luò)集成

1、 化工生產(chǎn)過程中，需要對(duì)許多化工生產(chǎn)過程中，需要對(duì)許多流股流股進(jìn)進(jìn)行行加熱加熱和和冷卻冷卻，經(jīng)常引入外源，即，經(jīng)常引入外源，即蒸汽蒸汽加加熱或熱或冷卻水冷卻水、冷凍液冷卻。這些公用工程、冷凍液冷卻。這些公用工程費(fèi)用，在生產(chǎn)成本中占有相當(dāng)大的份額。費(fèi)用，在生產(chǎn)成本中占有相當(dāng)大的份額。 為了降低成本、節(jié)約能源，在設(shè)計(jì)中為了降低成本、節(jié)約能源，在設(shè)計(jì)中應(yīng)用應(yīng)用換熱網(wǎng)絡(luò)換熱網(wǎng)絡(luò)的合成技術(shù)。即對(duì)化工過程的合成技術(shù)。即對(duì)化工過程中的流股進(jìn)行詳細(xì)的分析與匹配，盡量使中的流股進(jìn)行詳細(xì)的分析與匹配，盡量使系統(tǒng)內(nèi)的加熱和冷卻的物流相互配合，盡系統(tǒng)內(nèi)的加熱和冷卻的物流相互配合，盡量量避免使用外源避免使用外源，以降低

2、網(wǎng)絡(luò)所需的公用，以降低網(wǎng)絡(luò)所需的公用工程費(fèi)用。工程費(fèi)用。 熱流：熱流：由起始溫度被由起始溫度被冷卻冷卻至目標(biāo)溫度至目標(biāo)溫度的流股的流股(提供熱量的物流提供熱量的物流)； 冷流：冷流：由起始溫度被由起始溫度被加熱加熱至目標(biāo)溫度至目標(biāo)溫度的流股的流股(提供冷量的物流提供冷量的物流) ； 并流傳熱：并流傳熱：冷流體和熱流體在間壁兩冷流體和熱流體在間壁兩側(cè)以同一方向流動(dòng)并換熱；側(cè)以同一方向流動(dòng)并換熱； 逆流傳熱：逆流傳熱：冷流體和熱流體在間壁兩冷流體和熱流體在間壁兩側(cè)以相反方向流動(dòng)并換熱。側(cè)以相反方向流動(dòng)并換熱。 對(duì)于一個(gè)實(shí)際的換熱器，只有在兩端存在對(duì)于一個(gè)實(shí)際的換熱器，只有在兩端存在溫差的情況下，才

3、能在有限的換熱面積上發(fā)生溫差的情況下，才能在有限的換熱面積上發(fā)生換熱，即：換熱，即：minT)tT,tT(T 1221 Tmin 稱換熱流體的稱換熱流體的最小誤差最小誤差。 (1) 已知物料流股的流率，進(jìn)出口溫度，以已知物料流股的流率，進(jìn)出口溫度，以及比熱容及比熱容(流率流率熱容熱容=熱容流率熱容流率)；公用工程進(jìn)；公用工程進(jìn)口溫度已知，且其流率大小不受限制；口溫度已知，且其流率大小不受限制； (2) 傳熱系數(shù)根據(jù)各流股性質(zhì)及操作條件傳熱系數(shù)根據(jù)各流股性質(zhì)及操作條件(溫溫度、壓力、流量度、壓力、流量)而變化；而變化； (3) 逆流操作；逆流操作； (4) 設(shè)備投資與所用臺(tái)數(shù)有關(guān)，每臺(tái)換熱又設(shè)備

4、投資與所用臺(tái)數(shù)有關(guān)，每臺(tái)換熱又與其換熱面積有關(guān)，在換熱網(wǎng)絡(luò)的合成中，有與其換熱面積有關(guān)，在換熱網(wǎng)絡(luò)的合成中，有以下五種方法表示熱交換系統(tǒng)。以下五種方法表示熱交換系統(tǒng)。(1) 冷、熱流股用線表示冷、熱流股用線表示 熱交換器用圓圈表示熱交換器用圓圈表示(2) 矩陣法矩陣法 冷流為行，熱流為列冷流為行，熱流為列(3) 溫焓溫焓(T-H)圖圖TCpFH 圖中的斜率稱為圖中的斜率稱為熱容流率熱容流率：)hK.kJ(CpF11 (4) 熱焓圖熱焓圖(5) 網(wǎng)絡(luò)圖網(wǎng)絡(luò)圖 在在溫焓圖溫焓圖上，因?yàn)殪手祪H僅是個(gè)相對(duì)值，上，因?yàn)殪手祪H僅是個(gè)相對(duì)值，所以我們只關(guān)心所以我們只關(guān)心焓差焓差及其及其溫位溫位?？梢栽谕粡?/p>

5、?？梢栽谕粡圱-H圖圖上畫出各個(gè)流股的上畫出各個(gè)流股的溫焓特性直線溫焓特性直線，并在不同，并在不同的溫度段內(nèi)進(jìn)行加和，得到的溫度段內(nèi)進(jìn)行加和，得到復(fù)合曲線復(fù)合曲線。 將冷熱流股復(fù)將冷熱流股復(fù)合曲線水平移動(dòng)，合曲線水平移動(dòng)，縱坐標(biāo)最近處為縱坐標(biāo)最近處為夾夾點(diǎn)點(diǎn)(Pinch Point)，夾，夾點(diǎn)處的溫度差為：點(diǎn)處的溫度差為：minT 圖中，圖中，QH,min為為最小需要外源熱量最小需要外源熱量(熱阱熱阱)； QC,min為最為最小需要外源冷量小需要外源冷量(冷冷阱阱)。 冷、熱復(fù)合曲線冷、熱復(fù)合曲線 法難于準(zhǔn)確。引入問題列表法：法難于準(zhǔn)確。引入問題列表法： (1) 根據(jù)冷、熱流股的進(jìn)出口溫度建

6、立根據(jù)冷、熱流股的進(jìn)出口溫度建立溫度區(qū)間溫度區(qū)間； (2) 對(duì)每個(gè)區(qū)間的對(duì)每個(gè)區(qū)間的邊界溫度邊界溫度：2T-TTmin熱區(qū)間間邊 2TTTmin 冷冷區(qū)間間邊 (3) 繪出總復(fù)合曲線，熱流股放熱的熱量為正；冷繪出總復(fù)合曲線，熱流股放熱的熱量為正；冷流股吸收的熱量為負(fù)；流股吸收的熱量為負(fù)； (4) 將總復(fù)合曲線水平移動(dòng)，使所有的折線均處于將總復(fù)合曲線水平移動(dòng)，使所有的折線均處于大于大于0的位置；的位置； (5) H=0的溫度為夾點(diǎn)；的溫度為夾點(diǎn)； (6) 上部缺口為所需外熱源，下部為所需外冷源。上部缺口為所需外熱源，下部為所需外冷源。取取Tmin為為10，求，求QH,min和和QC,min 。物

7、流號(hào)物流號(hào)流股流股溫度，溫度， T Tminmin邊界溫度，邊界溫度，合并邊界溫度合并邊界溫度2熱260-52552554熱250-52452453冷24052453冷23552402403160-51551554熱130-51251251冷1205125溫度從高到低：溫度從高到低：區(qū)間：區(qū)間：255 245；Cp=3；H=30區(qū)間：區(qū)間：245 240；Cp=3+1.5-4=0.5；H=2.5區(qū)間：區(qū)間：240 185；Cp=3+1.5-2-4=-1.5；H=-82.5區(qū)間：區(qū)間：185 155；Cp=3+1.5-2=2.5；H=60區(qū)間：區(qū)間：155 125；Cp

8、=1.5-2=-0.5；H=-15夾點(diǎn)溫度：夾點(diǎn)溫度：185QH,min= 50QC,min= 45網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求：網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求： (1) 無熱量穿過夾點(diǎn)；無熱量穿過夾點(diǎn)； (2) 夾點(diǎn)以上只需要外熱；夾點(diǎn)以上只需要外熱； (3) 夾點(diǎn)以下只需要外冷。夾點(diǎn)以下只需要外冷。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)換熱量一定時(shí)，傳熱面積的變化只根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)換熱量一定時(shí)，傳熱面積的變化只有有3%左右。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少左右。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少搭配搭配(換熱器換熱器)數(shù)數(shù)，才能滿足降低設(shè)備成本的優(yōu)化目標(biāo)。才能滿足降低設(shè)備成本的優(yōu)化目標(biāo)。 根據(jù)圖論根據(jù)圖論Euler定理，定理，最少搭配數(shù)最少搭配數(shù)為：為：LSNNMOP )

9、(min式中，式中，NP 過程冷、熱物流總數(shù)；過程冷、熱物流總數(shù)； NO 外加冷、熱公用工程流股數(shù)目；外加冷、熱公用工程流股數(shù)目； S 網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立次級(jí)網(wǎng)的數(shù)目；網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立次級(jí)網(wǎng)的數(shù)目； L 網(wǎng)絡(luò)中的回路數(shù)目網(wǎng)絡(luò)中的回路數(shù)目(應(yīng)盡量減少應(yīng)盡量減少)。 今有兩個(gè)熱流股今有兩個(gè)熱流股H1和和H2，兩個(gè)冷流股，兩個(gè)冷流股C1和和C2：HUC70=1HP,HUC90=2HP,HUC40=1CP,HUC100=2CP,分析設(shè)計(jì)方案和搭配數(shù)。分析設(shè)計(jì)方案和搭配數(shù)。HUQ30=minH,HUQ50=minC,解題：解題：NP = 4；NO = 2方案方案1：1=S0=L5016 -minM方案方案2：1=

10、S1 L6116 -minM方案方案3：2 S0 L4026 -minM (1) 熱容流率可行性準(zhǔn)則熱容流率可行性準(zhǔn)則(夾點(diǎn)附近夾點(diǎn)附近) 夾點(diǎn)之上：夾點(diǎn)之上： 夾點(diǎn)之下：夾點(diǎn)之下： CP,HP,CC CP,HP,CC 否則，夾點(diǎn)之上熱物流斜率較大，或者夾點(diǎn)之否則，夾點(diǎn)之上熱物流斜率較大，或者夾點(diǎn)之下熱物流斜率較小，換熱過程均易出現(xiàn)交叉下熱物流斜率較小，換熱過程均易出現(xiàn)交叉(即從即從夾點(diǎn)向兩端擴(kuò)大夾點(diǎn)向兩端擴(kuò)大)。 (2) 流股數(shù)可行性準(zhǔn)則流股數(shù)可行性準(zhǔn)則 夾點(diǎn)之上：夾點(diǎn)之上： 夾點(diǎn)之下：夾點(diǎn)之下： 如果夾點(diǎn)之上，冷物流數(shù)目小于熱物流數(shù)目；如果夾點(diǎn)之上，冷物流數(shù)目小于熱物流數(shù)目；或者夾點(diǎn)之下，

11、冷物流數(shù)目大于熱物流數(shù)目，則或者夾點(diǎn)之下，冷物流數(shù)目大于熱物流數(shù)目，則考慮到夾點(diǎn)之上單獨(dú)的加熱器和夾點(diǎn)之下單獨(dú)的考慮到夾點(diǎn)之上單獨(dú)的加熱器和夾點(diǎn)之下單獨(dú)的冷卻器，需要進(jìn)行物流分割。冷卻器，需要進(jìn)行物流分割。 夾點(diǎn)之上，需要將冷物流拆分；夾點(diǎn)之下，夾點(diǎn)之上，需要將冷物流拆分；夾點(diǎn)之下，需要對(duì)熱物流拆分。需要對(duì)熱物流拆分。 CHNN CHNN 夾夾點(diǎn)點(diǎn)之之上上夾夾點(diǎn)點(diǎn)之之下下 (1) 列表分析列表分析所有熱流股、冷流股；所有熱流股、冷流股； (2) 圖解求出圖解求出夾點(diǎn)夾點(diǎn)和最少外源熱量和冷量；和最少外源熱量和冷量； (3) 分析夾點(diǎn)上下的冷、熱分析夾點(diǎn)上下的冷、熱流股搭配流股搭配，能否滿，能否滿足足“流股數(shù)可行性準(zhǔn)則流股數(shù)可行性準(zhǔn)則”和和“熱容流率可行性準(zhǔn)熱容流率可行性準(zhǔn)則則”； (4) 畫出畫出換熱網(wǎng)絡(luò)圖換熱網(wǎng)絡(luò)圖，確定滿足最大能量回收，確定滿足最大能量回收的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案；的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案； (5) 消除回路消除回路，減少搭配數(shù)，最小化總目標(biāo)費(fèi)，減少搭配數(shù)，最小化總目標(biāo)費(fèi)用；用； (6) 若不能滿足第若不能滿足第(3)要求，研究要求，研究流股分支流股分支；