化工流程模擬實訓(xùn)光盤文件5-aspen energy analyzer

1、光盤5-Aspen Energy Analyzer化工過程熱集成Aspen Energy Analyzer主要內(nèi)容1 夾點技術(shù)2 夾點技術(shù)與換熱網(wǎng)絡(luò)的合成3 Aspen Energy Analyzer的應(yīng)用光盤5-Aspen Energy Analyzer光盤5-Aspen Energy Analyzer1 夾點技術(shù)夾點技術(shù)（Pinch technology）是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，以最小能耗為主要目標(biāo)的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合方法。1978年，Linnhoff等提出了換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點問題，指出夾點限制了換熱網(wǎng)絡(luò)可能達(dá)到的最大熱回收。1983年，Linnhoff比較系統(tǒng)的提出了用于換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的夾點技術(shù)，并推廣應(yīng)

2、用于整個過程的能量分析與調(diào)優(yōu)。1.1 基本概念和術(shù)語1. 基本概念： 夾點、冷物流、熱物流、熱容流率2. 溫焓圖3. 復(fù)合曲線4. 總復(fù)合曲線光盤5-Aspen Energy Analyzer夾點夾點根據(jù)熱能回收的觀點，在換熱網(wǎng)絡(luò)中存在某一特定溫度，如果熱能傳遞通過這一溫度將造成能源浪費，這一特定溫度則稱夾點。冷物流冷物流初始溫度較低且需要加熱的物流。熱物流熱物流初始溫度較高且需要冷卻的物流。熱容流率熱容流率工藝物流單位時間內(nèi)每變化1K所發(fā)生的焓變，物流質(zhì)量流率與比熱容的乘積。1. 基本概念光盤5-Aspen Energy Analyzer2. 溫焓圖（T-H圖）工藝物流在溫焓圖上的表示特征：

3、線段AB的斜率為物流熱容流率的倒數(shù)；線段AB在T-H圖中水平移動并不改變其對物流熱特性的描述，因為水平移動時物流的初始和目標(biāo)溫度以及熱量H不變。BAH光盤5-Aspen Energy Analyzer冷、熱物流在同一溫焓圖上的表示光盤5-Aspen Energy Analyzer2. 溫焓圖（T-H圖）3. 復(fù)合曲線對于多股冷、熱物流的情況，需要將多股冷物流（或熱物流）揉合成一條虛擬冷物流（或熱物流），即復(fù)合曲線。構(gòu)造復(fù)合曲線的方法：（1）首先把熱過程物流分別標(biāo)繪在T-H圖上；（2）然后分割成若干個溫度區(qū)間；（3）在每個溫度區(qū)間內(nèi)把物流的熱負(fù)荷累加起來， 用一個虛擬物流代表；（4）將各溫度區(qū)間

4、的虛擬物流首尾相接。光盤5-Aspen Energy AnalyzerH1H2T0H復(fù)合曲線圖構(gòu)造圖解光盤5-Aspen Energy Analyzer3. 復(fù)合曲線4. 總復(fù)合曲線總復(fù)合曲線是由冷、熱物流匹配作出的，在不同的溫位，標(biāo)出凈熱流量和該溫段的溫度值，連接這些點就構(gòu)成了總復(fù)合曲線。夾點處凈熱負(fù)荷為零，夾點之上為熱阱，夾點之下為熱源。HT0夾點總復(fù)合曲線圖光盤5-Aspen Energy Analyzer1.2 夾點確定方法 夾點確定的方法主要有：圖解法問題表格法光盤5-Aspen Energy Analyzer1. 圖解法hcHTHcHh冷熱復(fù)合曲線在H軸方向沒有重合過程的能量沒有回

5、收，全部用公用工程來進行冷卻和加熱。冷熱復(fù)合曲線在H軸方向部分重合過程的能量有部分回收Hr，回收熱量的程度由最小接近溫差決定，其余部分用公用工程來進行冷卻和加熱。Hr最小接近溫差冷熱復(fù)合曲線在某點重合此時回收的熱量最大，公用工程用量最小，但重合點的傳熱溫差為零，所需的傳熱面積為無限大。光盤5-Aspen Energy AnalyzerhcT夾點重合部分過程內(nèi)部垂直換熱，為節(jié)約能源。HhHcHh熱公用工程用量Hc冷公用工程用量夾點下方-熱源夾點上方-熱阱光盤5-Aspen Energy Analyzer1. 圖解法2. 問題表格法當(dāng)物流較多時，采用復(fù)合曲線很繁瑣，且不夠準(zhǔn)確，此時用問題表格法計算

6、較精確。問題表格法可以更深刻地理解夾點的實質(zhì)及特性。光盤5-Aspen Energy Analyzer（1）以垂直軸為溫度的坐標(biāo)，把各物流按其初溫和終溫標(biāo)繪成有方向的垂直線。 在標(biāo)繪時，處于同一水平位置的冷、熱物流之間剛好相差Tmin，這樣就保證了熱、冷物流間有Tmin的傳熱溫差?；谒欣?、熱物流的初溫和終溫作出的水平線將換熱網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個子網(wǎng)絡(luò)。問題表格法求解步驟：光盤5-Aspen Energy Analyzer問題表格法求解步驟：（2）依次對每個子網(wǎng)絡(luò)進行熱量衡算。 Dk=(CPk,c-CPk,h)(Tk-Tk+1) Ok=Ik-Dk Ik+1=OkDk第k個子網(wǎng)絡(luò)的赤字，表示該網(wǎng)絡(luò)

7、為滿足熱平衡時所需外加的凈熱量；Ik由外界或其他子網(wǎng)絡(luò)放出的熱量；Ok第k個子網(wǎng)絡(luò)向外或其他子網(wǎng)絡(luò)放出的熱量；CPk,c子網(wǎng)絡(luò)k中包含的所有冷物流的熱容流率之和；CPk,h子網(wǎng)絡(luò)k中包含的所有熱物流的熱容流率之和；k子網(wǎng)絡(luò)數(shù)目；Tk-Tk+1子網(wǎng)絡(luò)k的溫度間隔，用該間隔的熱物流或冷物流溫度之差均可。光盤5-Aspen Energy Analyzer（3）確定換熱網(wǎng)絡(luò)夾點的位置和所需的最小熱公用工程用量和冷公用工程用量。 在某些子網(wǎng)絡(luò)中會出現(xiàn)供給熱量Ik和排出熱量Ok為負(fù)的現(xiàn)象。 Ok為負(fù)，說明在指定Tmin下，系統(tǒng)中熱物流無法提供使冷物流達(dá)到終溫所需的熱量，需要采用外部公用工程熱量，使Ok消除

8、負(fù)值。所需提供的最小熱量就是使Ok或Ik中負(fù)值最大者變成零的熱量。 Ok =0處所對應(yīng)溫度為夾點溫度，供給第一個子網(wǎng)絡(luò)的熱量即為所需的最小熱公用工程用量，最后一個子網(wǎng)絡(luò)輸出的熱量即為所需的最小冷公用工程用量。光盤5-Aspen Energy Analyzer問題表格法求解步驟：1.3 夾點的意義夾點是冷熱組合曲線圖中傳熱溫差最小的地方，此處熱通量為零。夾點將換熱網(wǎng)絡(luò)分為兩個部分：夾點之上稱為熱阱夾點之下稱為熱源光盤5-Aspen Energy Analyzer夾點之上只有換熱和熱公用工程，如果夾點之上設(shè)置了冷卻器，用冷公用工程取走熱量Q，那么根據(jù)熱平衡，這部分熱量必須由熱公用工程來彌補。同理，

9、夾點之下只有換熱和冷公用工程，如果夾點之下使用熱公用工程來加熱，也必然需要增加冷公用工程用量。如果發(fā)生跨越夾點的傳熱，即夾點之上的熱物流與夾點之下的冷物流進行換熱，那么夾點之上的熱公用工程和夾點之下的冷公用工程用量都必然增加。光盤5-Aspen Energy Analyzer1.3 夾點的意義 2 夾點技術(shù)與換熱網(wǎng)絡(luò) 在石油化工生產(chǎn)過程中，一些工藝物流需要加熱，而另一些工藝物流需要冷卻，如何合理地將這些物流匹配在一起，充分利用熱物流去加熱冷物流、提高過程的熱回收率，以便盡可能減少公用工程加熱和冷卻負(fù)荷是一個多方案、多目標(biāo)的集成問題。光盤5-Aspen Energy Analyzer換熱網(wǎng)絡(luò)合成

10、就是確定出這樣的流程，使它具有最小的冷換設(shè)備（換熱器、加熱器和冷卻器）投資費用和操作費用，并將每一個過程物流由初始溫度達(dá)到指定的目標(biāo)溫度。除此之外，換熱網(wǎng)絡(luò)還要求具備較好的靈活性、操作性和可控性。光盤5-Aspen Energy Analyzer 2 夾點技術(shù)與換熱網(wǎng)絡(luò)2.1 換熱網(wǎng)絡(luò)合成的目標(biāo) 最小公用工程負(fù)荷目標(biāo)：QHmin和Qcmin 最小換熱單元數(shù)目標(biāo)：Umin 最小傳熱面積目標(biāo)：Amin 年總費用最小目標(biāo)光盤5-Aspen Energy Analyzer1. 換熱單元數(shù)目目標(biāo)U 換熱單元數(shù)，包括換熱器、加熱器和冷凝器；N 冷熱物流總數(shù)，包括公用工程物流，不包括物 流分支數(shù)目；L 獨立

11、的熱負(fù)荷回路數(shù)；S 該系統(tǒng)內(nèi)分離為獨立的子系統(tǒng)數(shù)。光盤5-Aspen Energy Analyzer 一般情況，當(dāng)系統(tǒng)中不能分離出獨立的子系統(tǒng)時，即S=1。若使U達(dá)到最小，必定使L=0，即把換熱網(wǎng)絡(luò)中所有的熱負(fù)荷回路斷開，則光盤5-Aspen Energy Analyzer1. 換熱單元數(shù)目目標(biāo)2. 最小傳熱面積目標(biāo)換熱面積分區(qū)計算圖光盤5-Aspen Energy Analyzer3. 年度費用最小目標(biāo)年操作費用+設(shè)備投資費用=年總費用年操作費用：公用工程費用+人工操作費用設(shè)備投資費用：設(shè)備投資費用+管道安裝+折舊率等光盤5-Aspen Energy Analyzer2.2 夾點技術(shù)設(shè)計換熱

12、網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中, Tmin的取值對能量的回收和系統(tǒng)的投資運行費用有直接影響。Tmin取值較小,系統(tǒng)回收熱量多,冷、熱公用工程費用小, 但換熱面較大,系統(tǒng)造價高;Tmin取值較大,系統(tǒng)回收熱量小,冷、熱公用工程的費用大, 但換熱面積小,系統(tǒng)設(shè)備投資小。最小傳熱溫差對費用的影響換熱網(wǎng)絡(luò)中存在最優(yōu)的夾點溫差光盤5-Aspen Energy Analyzer1. 夾點技術(shù)設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)基本原則（1）避免有熱流量通過夾點換熱；（2）夾點上方應(yīng)該避免使用公用工程冷卻物流；（3）夾點下方應(yīng)該避免使用熱公用工程加熱物流。光盤5-Aspen Energy Analyzer2. 可行性規(guī)則可行性規(guī)則1 對于靠近

13、夾點處的夾點上方，熱工藝物流（包括其分支物流）數(shù)目NH不大于冷工藝物流（包括其分支物流）數(shù)目NC，即NH NC 對于靠近夾點處的夾點下方，熱工藝物流（包括其分支物流）數(shù)目NH不小于冷工藝物流（包括其分支物流）數(shù)目NC，即NH NC 光盤5-Aspen Energy Analyzer可行性規(guī)則2 對于靠近夾點處的夾點上方，每一夾點匹配中的熱物流的熱容流率MCph不大于冷物流的熱容流率MCpc ，即MCphMCpc 對于靠近夾點處的夾點下方，每一夾點匹配中的熱物流的熱容流率MCph不小于冷物流的熱容流率MCpc ，即MCphMCpc光盤5-Aspen Energy Analyzer2. 可行性規(guī)則

14、3. 經(jīng)驗規(guī)則經(jīng)驗規(guī)則1-所需換熱單元數(shù)目最小 選擇每個換熱匹配的熱負(fù)荷等于該匹配的冷、熱物流中熱負(fù)荷較小者，使之一次匹配可使一個物流（即熱負(fù)荷較小者）由初始溫度達(dá)到終了溫度。經(jīng)驗規(guī)則2-傳熱溫差最大 在考慮經(jīng)驗規(guī)則1的前提下，如有可能，應(yīng)盡量選擇熱容流率值相近的冷、熱物流進行匹配換熱。光盤5-Aspen Energy Analyzer將換熱網(wǎng)絡(luò)從夾點處分隔成兩部分，即熱端-夾點上方和冷端夾點下方，分別進行匹配處理；對于與夾點相鄰的子網(wǎng)絡(luò)，按照夾點匹配的可行性規(guī)則考慮冷、熱物流的匹配換熱，根據(jù)情況決定物流是否需要分支；離開夾點后,確定物流匹配換熱的自由度較大，工程師可以考慮系統(tǒng)操作性、彈性及具

15、體工程項目的有關(guān)要求等；將熱端和冷端的匹配結(jié)果合并起來，作為初步的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計結(jié)果。2.3 夾點設(shè)計法的步驟光盤5-Aspen Energy Analyzer3 Aspen Energy AnalyzerAspen Energy Analyzer（能量分析器）是AspenTech公司旗下的產(chǎn)品，是進行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的一個功能強大的概念設(shè)計包，提供了夾點分析和換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的環(huán)境，是Aspen在工程應(yīng)用上的一個重要工具。光盤5-Aspen Energy Analyzer計算能量和設(shè)備投資目標(biāo)進一步改善能量熱集成項目，從而減少操作費用、設(shè)備投資費用并使能量利用最大化提供過程能量優(yōu)化的工具提供圖

16、表結(jié)合使用的方法3.1 Aspen Energy Analyzer的功能光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer簡介啟動Aspen Energy Analyzer光盤5-Aspen Energy Analyzer新建HI Case/HI Project光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer簡介光盤5-Aspen Energy Analyzer輸入物流信息與公用工程至少輸入流股的入口溫度、出口溫度、熱容流率和熱負(fù)荷四個參數(shù)中的三個3.2 Aspen Energy Analyz

17、er簡介工具介紹從Hysys流程中導(dǎo)入數(shù)據(jù)從Aspen流程中導(dǎo)入數(shù)據(jù)從Excel中導(dǎo)入數(shù)據(jù)打開目標(biāo)查看窗口打開復(fù)合曲線窗口打開總復(fù)合曲線窗口打開公用工程復(fù)合曲線窗口打開換熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格圖窗口光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer簡介目標(biāo)查看窗口夾點溫度能量目標(biāo)所需換熱設(shè)備數(shù)光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer簡介復(fù)合曲線窗口光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer簡介總復(fù)合曲線窗口3.2 Aspen Energy

18、Analyzer簡介光盤5-Aspen Energy Analyzer光盤5-Aspen Energy Analyzer換熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格圖窗口繪制換熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格圖設(shè)計工具添加換熱器冷公用工程熱公用工程工藝物流3.2 Aspen Energy Analyzer簡介熱流冷流熱流入口溫度設(shè)定熱流出口溫度設(shè)定冷流出口溫度設(shè)定冷流入口溫度設(shè)定換熱器熱負(fù)荷換熱器面積換熱器參數(shù)設(shè)定窗口3.2 Aspen Energy Analyzer簡介光盤5-Aspen Energy Analyzer換熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格圖光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer簡介自動設(shè)計換

19、熱網(wǎng)絡(luò)首先將Case文件轉(zhuǎn)換為Project文件光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer簡介HI Project光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer簡介右擊Case1選擇 mended Designs光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer簡介 mend Designs參數(shù)設(shè)置窗口 設(shè)置每股物流的最大分離數(shù)和最大設(shè)計方案數(shù)光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Anal

20、yzer簡介自動設(shè)計方案窗口優(yōu)化工具光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer簡介各方案比較 可比較總費用、換熱器面積、換熱單元數(shù)、設(shè)備投資費用、冷熱公用工程費用、操作費用，還可查看各參數(shù)目標(biāo)值。如果以年度總費用最小為目標(biāo)，則選擇A_Design2方案。光盤5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer簡介改造模式（Retrofit） 對換熱方案進一步優(yōu)化改造工具3.2 Aspen Energy Analyzer簡介光盤5-Aspen Energy Analyzer例題某過程系統(tǒng)含有的工藝物流包括2個熱物流及2個冷物流，給定的物流數(shù)據(jù)如下表，假如選取熱、冷物流間最小允許傳熱溫差為20，試分析夾點位置并初步設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)。物流熱容流率,kW/初始溫度,目標(biāo)溫度,熱負(fù)荷,kWH12.015060180.0H28.09060240.0C12.520125262.5C23.025100225.0光盤5-Aspen Energy Analyzer1.輸入工藝流股數(shù)據(jù)光盤5-Aspen Energy Analyzer2.選擇公用工程光盤5-Aspen Energy Analyzer3.設(shè)定Tmin=20，得到夾點位置夾點處熱