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第八章 换热网络综合

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换热网络与热集成

换热网络与热集成

换热网络与热集成4.1概述本章进行了甲苯甲醇烷基化的冷热流股之间的能量匹配设计病构建换热网络。

热集成旨在最大程度的利用流程内部的能量，减少公用工程的消耗，从而减少操作费用，降低生产成本。

通过对流程流股的深入分析，利用Aspen Energy Analyzer 设计换热网络，其主要步骤如下：1)确定流程中需要换热的冷流股和热流股；2)利用物流数据做出冷热流股的温焓图和总组合曲线图（GCC）；3)确定最小传热温差；4)找出夹点及最小冷、热公用工程用量；5)构建优化换热网络。

4.2冷热流股确定表4-1 换热冷热流股一览表流股名称T in/℃T out/℃热负荷/KW 流股说明6-to-7 25 480.3 8.06×105反应器R0101进料4-to-5 25 485 9.85×108 反应器R0101进料Reboiler@T0101 124.7 127.63 3.2×105T0101再沸器Reboiler@T0102 142.5 143.7 8.4×104T0102再沸器Reboiler@T0201 163.9 167.6 2×104T0201再沸器15-to-16 460 25 7.15×108反应器R0103出料Condenser@T0101 115 113 3.8×106T0101冷凝器Condenser@T0102 119.3 118.3 7.2×106T0102冷凝器Condenser@T0201 144.2 143.4 1.07×105T0201冷凝器利用Aspen Energy Analyzer 分析计算得到换热网络，如图4-1、4-2所示：图4-1 换热网络示意图图4-2 换热网络夹点图换热网络设计流股分析报告如表4-2所示：表4-2换热网络设计股流分析报告最小传热温差最小热公用工程kj/h 最小冷公用工程kj/h46.09℃ 1.063×109 4.025×1094.3构建换热网络根据Aspen Energy Analyzer 的计算，所有参与换热的流股形成的换热网络如图4-3所示：图4-3 参与换热的流股形成的换热网络4.4优化换热网络利用Aspen Energy Analyzer进行优化得到优化后的换热网络（图4-4）和换热网络夹点（图4-5）：图4-4 优化后换热网络图4-5 优化后换热网络夹点图优化后换热网络设计流股分析报告如表4-3所示：表4-3优化后换热网络设计股流分析报告最小传热温差最小热公用工程kj/h 最小冷公用工程kj/h 16℃ 2.387×108 4.025×1084.5换热网络总结报告换热网络总结报告详见表4-4。

换热器网络的综合

换热器网络的综合

（a)夹点之上，可行的夹点匹配； （b)夹点之上，不可行的夹点匹配。
（a) 夹点之下，可行的夹点匹配。
CPHCPC
（b) 夹点之下，不可行的夹点匹配。 CPH<CPC
5.2.2 物流间匹配换热的经验规则
经验规则1 每个换热器的热负荷应等于该换热器冷热物流匹配
中热负荷较小者，以保证经过一次换热，既可以使一个物流达 到规定的目标温度,以减少所用换热设备的数量。 经验规则2 应尽量选择热容量流率相近的冷、热流体进行匹配换 热，使得换热器在结构上相对合理，且在相同的热负荷及相同的

(b)热端夹点处的可行匹配（采用冷物流分支）
(c)热端夹点处的可行匹配（采用设置加热器H)
对于夹点下方，热工艺物流（包括其分支物流）数目NH不小于 冷工艺物流（包括其分支物流）的数目NC , 即：
N H NC
3
2
H1 1 H2 C3
1 2 C
H1 H2 H3
1
C4
C5
C4
C5
（ d）
(e)
（ f）
夹点匹配
夹点匹配 非夹点匹配
非夹点匹配
可行性规则： 规则1 对于夹点上方，热工艺物流（包括其分支物流）的数目 NH不大于冷工艺物流（包括其分支物流）数目NC，即：
N H NC
H1 H2 H3 C4 C5
3 1
3 1
H1
1 2
H2
C3 C4
2
2
C5
H
(a) (a)热端夹点处不可行的匹配
(b)
（ C）
（d）冷端夹点处不可行的匹配 （e）可行的匹配采用热物流分支
（f）可行的匹配设置冷却器C
规则2 夹点上方，每一夹点匹配中热物流的热容流率CPH小于

换热网络的综合、优化

换热网络的综合、优化
1983年Cerda[6]把换热器网络表示成目 标函数和约束条件的形式,将数学规划法引入到换热器网络的综合中;1983 年Parpoulias和Grossmann[7]将最大能源回收问题归结为一线性(LP)问题, 以求解最少的换热单元数目;在自动产生换热器网络的结构方面进行了尝试. 1986年Floudas,Ciric和Grossmann[8]合作采用数学规划法生成最优换热器 网络,奠定了其应用基础.1989年Floudas和Ciric[9]把混合整数线性规划法 (MILP)与Floudas的超结构相结合,得到混合整数非线性规划(MINLP) 模型,成功确立了换热器网络最小投资费用;1990年Yee,Grossmann和 Kravanja[10]提出了同时考虑运行费用和投资费用的同步最优综合方法,但 是其没有考虑涉及单元数目的固定费用,问题原则上可归结为一非线性规划 (NLP)问题求解,其结果中可能包括较多的换热单元数目.1991年Ciric和 Floudas[11]所提出的MINLP模型严重非凸,约束是二次型的,虽然采用的分 解算法大大改善了解的质量,但由于其主问题仍为非凸,无法克服局部极小 值点,同时建立的模型依赖于窄点技术的网络温差及子网络的划分.1990年 Yee和Grossmann[12]提出的线性约束MINLP模型可同步优化公用工程,面 积费用和单元设备数,但模型的非等温混合假设造成了有分流情况下必须进 行二次优化.
换热网络的综合,优化
上海理工大学 关欣
研究换热网络综合,优化的意义
换热器网络是石油化工,能源动力,低温工程等领域广泛 应用的工艺环节,其设计的合理性和高效性直接关系到工 业系统的整体性能.而换热器网络的综合和优化即是要充 分利用工艺物流的能量,尽量减少公用设施费用,使系统 总投资费用最小.实践表明,通过对已有换热器网络的优 化和改造以及对新型换热器网络的综合和优化,都可以显 著地提高能量利用效率,达到节能高效的目的,且产生的 经济效益是十分可观的.例如,ICI公司应用窄点法对已 有换热器网络进行优化和调整以后,不但节省了设备投资, 而且仅燃料费用一项每年就节约120万美元,获得了相当 可观的效果[1];我国在这方面的成功经验也很多,例如, 清华大学化工系统工程教研室在上世纪八十年代,通过对 炼厂原油预热网络的优化改造,使得加热炉负荷降低40%, 年经济效益达140万元[2].因此,近几十年来,换热器网 络的综合和优化技术得到了迅速的发展,并且已经成为过 程系统综合的一个重要分支.

化工过程分析与综合习题答案

化工过程分析与综合习题答案

T
T
H
纯组分 4-4 什么是过程系统的夹点？ 过程系统中传热温差最小的地方或热通量为 0 的地方。 4-5 如何准确的确定过程的夹点位置？ 混合物
H
有两种方法： 1.采用单一的△Tmin 确定夹点位置。 (1)收集过程系统中冷热物流数据。 并得到 QH,min 及 QC,min。 (2)选择一△Tmin 用问题表格法确定夹点位置， (3)修正△Tmin，直至 QH,min 及 QC,min 与现有的冷、热公用工程负荷相 符，则得到该过程系统夹点的位置。 2．采用现场过程中各物流间匹配换热的实际传热温差进行计算。 (1)按现场数据推算各冷、热物流对传热温差的贡献值。 (2)确定各物流的虚拟温度。 因为在计算中采 (3)按问题表格法进行夹点计算， 注意△Tmin 为 0， 用虚拟温度，已经考虑了各物流间的传热温差值。 4-6 如何合理的设计过程的夹点位置？ 设计合理的夹点位置， 可以改进各物流间匹配换热的传热温差以及优 化物流工艺参数，得到合理的过程系统中热流量沿温度的分布，从而 减小公用工程负荷，达到节能的目的。确定各物流适宜的传热温差贡 献值，从而改善夹点。 具有一个热阱（或热源）和多个热源（或热阱） ，满足： i— 第 i 台换热器。 多个热源与多个热阱匹配换热：
3-1
8 6 5 1 3 4 7 2 16 15 17
13 11 12
14
10
9
3-2 2 4 5 12
1 11 6 7
3
8
9
10 3-3 1.单元串搜索法 （1）1,2,3,4,3---合并 3,4---1,2， （3,4）
（2）1,2， （3,4） ，6,5,2---合并 2,3,4,5,6---1， （2， （3）1， （2，

换热网络的综合、优化

换热网络的综合、优化

(utility grand composite curve)
传热过程的有效能分析
换热网络的调优
最少换热设备个数和热负荷回路
热负荷回路的断开 1 基本回路断开方式
2 补充回路断开方式
3 热负荷路径及能量松弛
换热网络的综合、优化
上海理工大学 关欣
研究换热网络综合、优化的意义
• 换热器网络是石油化工、能源动力、低温工程等领域广泛 应用的工艺环节，其设计的合理性和高效性直接关系到工 业系统的整体性能。而换热器网络的综合和优化即是要充 分利用工艺物流的能量，尽量减少公用设施费用，使系统 总投资费用最小。实践表明，通过对已有换热器网络的优 化和改造以及对新型换热器网络的综合和优化，都可以显 著地提高能量利用效率，达到节能高效的目的，且产生的 经济效益是十分可观的。例如，ICI公司应用窄点法对已 有换热器网络进行优化和调整以后，不但节省了设备投资， 而且仅燃料费用一项每年就节约120万美元，获得了相当 可观的效果[1]；我国在这方面的成功经验也很多，例如， 清华大学化工系统工程教研室在上世纪八十年代，通过对 炼厂原油预热网络的优化改造，使得加热炉负荷降低40%， 年经济效益达140万元[2]。因此，近几十年来，换热器网 络的综合和优化技术得到了迅速的发展，并且已经成为过 程系统综合的一个重要分支。
国内，针对换热器网络综合与优化的研究基本集中于高校内的研究工作。大连 理工大学姚平经教授在窄点技术法和数学规划法方面取得一定早期成果[13,14]， 并针对其不足之处提出和发展了先进的网络优化方法，例如，建立了三温差 MILP转运模型及其设计方法[15,16]等；华南理工大学华贲教授将人工智能和数 学规划[17]有机地结合起来应用于换热器网络的优化，建立了大规模网络的超 结构模型[18]，且充分考虑了换热器网络弹性设计问题[19]；清华大学肖云汉教 授、朱明善教授和王补宣教授在国内很早提出换热器网络综合和优化的重要性， 在该方面也作了大量有意义的研究[20,21]。 但总的看来，无论是窄点技术法还是数学规划法，到目前为止大都还是一种多 目标分步优化方法，很难一次得到网络的整体最优解。因而有必要对换热器网 络的综合与优化做进一步器网络的窄点法．新疆化工，1994，(1)：24-38. [2]肖云汉，朱明善，王补宣．换热网络的同步综合设计．化工学报，1993，(6)：635-643. [3] Linnhoff B, Flower J R. Synthesis of Heat Exchanger Networks: Systematic Generation of Energy Optimal Networks. AICHE Journal, 1978, 24(4): 633-654. [4]Trividi K K, et al. A New Dual-Temperature Design Method for the Synthesis of Heat Exchanger Networks. Comput Chem Eng, 1989, 16: 667-685. [5] Fraser D M. The Use of Minimum Flux instead of Minimum Approach Temperature as A Design Specification for Heat Exchanger Networks. Chem Eng Sci, 1989, 44: 1121-1127. [6] Cenda J, Westerberg A W, Mason D, Linnhoff B. Minimum Utility Usage in Heat Exchanger Networks Synthesis. Chem Eng Sci, 1983, 38: 373-387. [7]Papoulias S A, Grossman I E. A Structural Optimization Approach in Process Synthesis (II): Heat Recovery Network. Comput Chem Eng, 1983, 7(6): 707-721. [8]Floudas C A, Ciric A R, Grossman I E. Automatic Synthesis of Optimum Heat Exchanger Networks Configuration. AICHE. J, 1986, 32: 276-290. [9]Floudas C A, Ciric A R. Strategies for Overcoming Uncertainties in Heat Exchanger Network Synthesis. Comput Chem Eng, 1989, 13: 1133-1152. [10] Yee T F, Grossmann I E, Kravanja I. Computer Chem Eng, 1990, 14: 1151-1164. [11]Ciric A R, Floudas C A. Heat Exchanger Network Synthesis Without Decomposition. Comput Chem Eng, [J], 1991, 15: 385-396. [12] Yee T F, Grossmann I E. Simultaneous Optimization Models for Heat Integration (I)：Area and Energy Targeting and Modeling of Multi-stream Exchangers. Comput Chem Eng, 1990, 14(10): 1151-1164. [13] 詹士平，姚平经，袁一． 用转运问题求解换热器网络的最小公用设施费用． 化学工程，1989，17(5)：17-27. [14] 尹洪超，周东浩，崔峨．夹点技术与换热网络综合调优方法．节能，1994(5): 11-13. [15] 王莉，姚平经，袁一．换热器网络的新设计方法．化学工程，1995，23(1)：25-30. [16] 尹洪超，袁一，王晓云，施光艳．换热器网络非等温混合目标同步最优综合．大连理工大学学报，1995，35(5)：639-643. [17] 李志红，尹清华，华贲．换热网络最优合成研究的进展与展望．炼油设计，1997(3)：5-10. [18] 李志红，华贲，尹清华，何耀华． 人工智能与数学规划的集成用于换热网络最优合成设计的研究． 石油化工，1998(9)：660668. [19] 李志红，华贲．换热网络弹性分析的研究和应用．石油炼制与化工，1995(8)：11-14. [20] 肖云汉，朱明善，王补宣．换热网络设计方法的研究进展．化工进展，1994(1)： 1-8. [21] 朱明善，肖云汉，王补宣．换热网络的一种新的自动设计方法．石油炼制，1993(12)：46-52.

换热网络综述报告模板

换热网络综述报告模板

换热网络综述报告模板换热网络综述报告一、绪论换热网络是工业过程中常见的能源转移方式，通过高温与低温之间的热交换，实现能源的有效利用。

换热网络的设计和优化对于提高能源效率、降低能源消耗具有重要意义。

本文主要综述了换热网络的设计、优化方法以及相关应用情况。

二、换热网络设计方法1. 网络结构设计：换热网络的结构设计包括换热器的排布、管道连接以及热媒的流动方式等。

常用的设计方法有贪婪算法、图论方法和优化算法等。

2. 管网的确定：在换热网络设计中，管网的确定是一个关键环节。

可以基于贪婪法、动态规划法和模拟退火等方法进行优化，以减少能量消耗和降低压力损失。

三、换热网络优化方法1. 能量综合利用：通过对热源与热负荷的匹配分析，实现能量的综合利用。

此外，采用合适的热媒流动方式，如顺流、逆流和混合流动方式等，可以进一步提高能量利用效率。

2. 负荷分级调整：将热源负荷进行分级调整，根据不同负荷的大小，进行优化设计，以实现能源的最佳分配。

3. 热媒温度分级：通过控制不同热媒的温度级数，实现换热网络的优化设计，将高温热媒与低温热媒进行合理匹配，从而提高能源利用效率。

四、换热网络应用情况1. 化工工艺中的应用：换热网络在化工行业中广泛应用，如石化、冶金、化肥等。

通过合理设计和优化，能够提高生产效率，减少能源消耗。

2. 电力工业中的应用：换热网络在电力工业中也有重要应用，例如燃煤电厂、核电厂等。

通过优化设计换热网络，可以提高发电效率，降低排放。

3. 建筑节能中的应用：换热网络在建筑节能中也有一定应用，如地源热泵、太阳能热水器等。

通过合理利用换热网络，可以节约能源，减少对环境的影响。

五、结论换热网络的设计与优化是提高能源利用效率、降低能源消耗的重要手段。

通过合理的网络结构设计和优化方法，可以实现能源的综合利用，提高产能和效益。

同时，换热网络在工业生产和建筑节能领域都具有重要应用价值。

未来，随着科技的发展和环保要求的提高，换热网络的设计与优化方法也将不断创新和完善，以更好地满足能源需求，推动可持续发展。

换热网络设计

换热网络设计

换热⽹络设计⼀.简介：化学⼯业是耗能⼤户，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。

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，设计具有最加热回收效果和设备投资费⽤的换热器⽹络。

我们主要介绍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。

提⾼能量的利⽤效率。

⼆.换热⽹络的合成——夹点技术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，热物流按各⾃冷、个温区，n从⽽⽣成表⽰，Tn+1……T1,T2分别⽤．的始温、终温落⼊相应的温度区间。

温度区间具有以下特性:（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、最⼩公⽤⼯程消耗（1）.问题表的计算步骤如下：A：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。

B：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）C：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=QiQi+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(2).夹点的概念（⾃⼰画图7-3）从图中可以直观的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0，表⽰⽆热量从SN2流向SN3。

换热网络

换热网络

换热网络集成1.分工段换热网络集成（1）异构化反应工段①物流信息提取Aspen plus 流程模拟提示“no error and warning”,通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

异构化反应工段物流提取信息见表1所示，热量回收及公用工程信息见表2所示。

表1 异构化反应工段物流提取信息物流名称类型入口温度（℃）出口温度（℃）热容流率（kj/℃·h）焓值（kj/h）流量（kg/h）异构化反应前20.0 140.0 1.575E067.057E06 8709 140.0 260.0 1.979E06260.0 380.0 2.326E06异构化反应后400.0 221.1 2.305E046.728E06 8709221.1 78.0 1.821E04表2 异构化反应工段热量回收及公用工程信息物流名称类型入口温度（℃）出口温度（℃）目标负荷（kj/h）目标流量（kg/h）生产高压蒸汽249.0 250.0 0 0高温炉气加热500.0 250.0 3．288E05 1315.02 空冷30.00 35.00 0 0②能量分析设定最小传热温差为10℃，利用Aspen HX-net 对能量进行分析，温焓图如图1所示，总组合曲线如图2所示。

图1异构化反应工段温焓图图2异构化反应工段总组合曲线图通过软件的计算，系统无夹点，所需热公用工程用量为6.406E05 KJ/H，冷公用工程用量为0。

③物流匹配本工段反应起始温度较高，需要加热量较大，为了更好的利用反应后气体温度，同时换热网络集成考虑了再生空气的换热，以及高温反应后气体的余热回收。

综合考虑工艺可行性、匹配原则、热量回收等原则，设计出异构化反应工段换热网络，如图3所示。

图3异构化反应工段换热网络（二） MTBE合成工段①物流信息提取Aspen plus 流程模拟提示“no error and warning”,通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

换热网络

换热网络

换热网络集成1.分工段换热网络集成（1）异构化反应工段①物流信息提取Aspen plus 流程模拟提示“no error and warning”,通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

异构化反应工段物流提取信息见表1所示，热量回收及公用工程信息见表2所示。

表1 异构化反应工段物流提取信息物流名称类型入口温度（℃）出口温度（℃）热容流率（kj/℃·h）焓值（kj/h）流量（kg/h）异构化反应前20.0 140.0 1.575E067.057E06 8709 140.0 260.0 1.979E06260.0 380.0 2.326E06异构化反应后400.0 221.1 2.305E046.728E06 8709221.1 78.0 1.821E04表2 异构化反应工段热量回收及公用工程信息物流名称类型入口温度（℃）出口温度（℃）目标负荷（kj/h）目标流量（kg/h）生产高压蒸汽249.0 250.0 0 0高温炉气加热500.0 250.0 3．288E05 1315.02 空冷30.00 35.00 0 0②能量分析设定最小传热温差为10℃，利用Aspen HX-net 对能量进行分析，温焓图如图1所示，总组合曲线如图2所示。

图1异构化反应工段温焓图图2异构化反应工段总组合曲线图通过软件的计算，系统无夹点，所需热公用工程用量为6.406E05 KJ/H，冷公用工程用量为0。

③物流匹配本工段反应起始温度较高，需要加热量较大，为了更好的利用反应后气体温度，同时换热网络集成考虑了再生空气的换热，以及高温反应后气体的余热回收。

综合考虑工艺可行性、匹配原则、热量回收等原则，设计出异构化反应工段换热网络，如图3所示。

图3异构化反应工段换热网络（二） MTBE合成工段①物流信息提取Aspen plus 流程模拟提示“no error and warning”,通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

化工设计竞赛8-换热网络及热集成 (0001)

化工设计竞赛8-换热网络及热集成 (0001)

2019 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛宁夏长城能化年产10万吨高纯VAM项目换热网络及热集成设计单位长安大学设计团队风与天幕队成员姓名周慧、吴雪雪、穆原冰、王艺凡、卢凯彬指导教师叶林静、罗钰、邢建宇、周昭辉、谈震2019年7月18日目录1换热网络的设计 (4)1.1概述 (4)1.2确定流股信息 (4)1.2.1工艺物流信息 (4)表1-1 流股信息提取表（不含换热） (6)1.2.2公用工程规格 (6)1.2.3确定能量目标 (6)1.3换热网络的优化 (7)1.3.1夹点分析技术 (7)1.3.2优化方案的确定 (11)1 换热网络的设计1.1 概述本项目是宁夏长城能化年产10万吨高纯VAM项目，是中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司的分厂，运行操作成本是一个重要评价参数。

在整个流程中，原料的预热、共沸精馏、精馏等都是非常耗能的过程，会消耗大量的公用工程。

换热网络是化工工业过程能量回收的重要手段，对化工生产降低能耗有着重要的意义。

合理的利用热物流去加热冷物流，减少公用工程辅助加热和冷却负荷，可以能提高整个过程系统的能量利用率和经济性。

本项目中需要的热公用工程有中压蒸汽、低压蒸汽，需要的冷公用工程有循环冷却水和冷冻盐水，均可由总厂和工业园区获得。

以夹点技术为基础，利用Aspen Energy Analyzer 进行换热网络设计优化，通过调节流股之间的热交换，减少公用工程用量，合理优化并确定出具有最小总费用，即设备费和操作费最小，且满足把每个过程物流由初温达到规定目标温度的换热网络。

1.2 确定流股信息1.2.1 工艺物流信息利用Aspen Energy Analyzer 软件自动导入Aspen Plus 中模拟的总流程信息，并适当修改和补充部分物流信息，如表1-1所示。

换热器信息换热器类型Base热进口热出口冷进口冷出口Recoverable热侧流体冷侧流体Duty 温度温度温度温度Duty[Gcal/hr][C] [C] [C] [C][Gcal/hr]Reboiler@T105 Heater2.048 125 124 80 86.6 2.048 LP SteamToReboiler@T105_TO_T105-WH103 Cooler1.981 170 50 30 35 0.9375R102OUT_To_H103-OUTAirH102 Heater1.187 175 174 74.9 150 0.3802 MP SteamM102OUT_To_H102OUTH101 Heater1.839 175 174 20 117.5 0.3293 MP SteamM101OUT_To_H101OUTReboiler@T107 Heater0.2582 125 124 45.8 90.3 0.2511 LP SteamToReboiler@T107_TO_T107-WH106 Cooler0.5301 123.6 20 -25 -24 0.1262T106-W_To_H106OUTRefrigerant 1H104 Heater0.065 125 124 10 20 0.065 LP SteamM103OUT_To_H104OUTH105 Heater0.04023125 124 13 20 0.04023 LP SteamF103VAP_To_H105OUTCondenser @T106 Cooler6.369 99.9 99.5 30 35 0ToCondenser@T106_TO_T106-DAirCondenser @T105 Cooler2.076 72.5 72.2 30 35 0ToCondenser@T105_TO_T105-DAirCondenser @T104 Cooler2.081 72.8 72.2 30 35 0ToCondenser@T104_TO_T104-DAirCondenser @T103 Cooler0.1845 42 -0.3 -25 -24 0ToCondenser@T103_TO_T103-DRefrigerant 1Condenser @T107 Cooler0.1651 21.1 20.6 -25 -24 0ToCondenser@T107_TO_T107-DRefrigerant 1Reboiler@T104 Heater3.403 175 174 123.1 123.5 0 MP SteamToReboiler@T104_TO_T104-WReboiler@T103 Heater1.144 125 124 92.6 96.7 0 LP SteamToReboiler@T103_TO_T103-WReboiler@T106 Heater9.671 175 174 123.4 123.6 0 MP SteamToReboiler@T106_TO_T106-WDuplicate表1-1 流股信息提取表（不含换热）1.2.2 公用工程规格公用工程循环冷却水入水温度为20℃，回水温度25℃；冷冻盐水进水温度-25℃，回水温度-24℃；加热蒸汽选择进口温度125℃的低压蒸汽和进口温度为175℃中压蒸汽（压力均为表压）。

换热网络合成[学习内容]

换热网络合成[学习内容]

特选内容
7
• 出现物流混合和分 解时，物流的选取 就更加复杂。
• 图a：两股起始温度 不同的物流A、B， 混合为C后被加热到 共同的目标温度。
• 实际的工艺流程通 常为图b的形式，这 种方式是否合理就 要看物流混合时的 温度的变化是否跨 越了夹点。
特选内容
8
• 设A、B混合后的温度为60℃，夹点温度为 100℃，则可以按的图b的方式直接混合，然后 看作只有一股物流C参与匹配。
• 利用夹点方法，很容易计算出最小能耗目标，并 找到最好的匹配方案，问题是，改进后的方案与 对原来的流程改动程度有多大。
• 显然，在各种改进方案中，应该选取那些最能充 分利用原有设备管线的方案，即和原有流程具有 最大兼容性的方案（Linnhoff）
特选内容
14
• 图a为一个换热网络的原有匹配流程，其中热 公用工程消耗为196kW，冷公用工程消耗为 175.3kW。
特选内容
12
• 实际工艺流程中可能采用图b、c所示的两种不 同方式
• 图b，系统被看作两条物流
• 图c，则系统中有一条物流参与了匹配，节省 了一台换热器，但旁路物流D、E的混合构成了 物流混合问题，需慎重对待
特选内容
13
7.6.3老厂改造
• 老厂改造项目多是节能改造。在做换热网络设计 时，不仅要考虑节省能量，还要考虑原有设备的 利用，因为这涉及到装置的投资费用。
• 第二种方法提供了网络设计的自由度，但实际
上，要求常温储存的物料并不是必须在25℃，
因此将25℃作为指定温度又限制了网络的设计。
特选内容
6
• 第三种方法最大限度地提供了自由设计空间，有 可能找到更好的换热方案。
• 因此，在选取物流时，应尽量避免过细地将物流 拆开，当物流中间有指定温度时，应当分析一下 该温度是否可以调整。

第八章 换热网络综合

第八章 换热网络综合

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

Qi [ ( FCp) H .i ( FCp)C .i ]Ti
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。
第一定律分析
Q FCp(T初 T终 )
物流号 1 2 3 4 类型 热 热 冷 冷 FCp,KW/℃ 2.0 4.0 2.6 3.0 T初, ℃ 180 150 30 60 T终, ℃ 40 40 105 180 热量Q,kW 280 440 -195 -360 165
如果没有温度推动力的限制，就必须由公用
0 180 450 660 720 1000 1078 1330 1435 1555
T
H
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
QHmin=60kW 200 150
△Tmin
T ℃
10 5
0
0
0
QCmin=225kW
最大回收热量 495kW
H kW

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

换热网络综合

换热网络综合
当最终传热温差等于ΔT min时，热能被充分回收
8.1 过程系统的夹点及其意义
T
TH ,0
T TH ,P
TC ,2
H ,1
Tm in
TC ,1
TC ,0
QE ,m a x
H
QC ,m in
QH ,m in
ΔT =ΔT min
公用工程最省的换热方案
夹点的意义
1. 夹点上方无需公用工程冷却 2. 夹点下方无需公用工程加热 3. 夹点处无换热
8.3 换热器网络的综合
设计的主要步骤
1. 确定冷、热物流的数目 2. 确定互相匹配的物流
夹点匹配可行性规则一
夹点上方（热阱）热物流数（包括分支）NH应不大于
冷物流数（包括分支）NC，即NH≤ NC；夹点下方则应
有NH≥NC。
>90
90
H1
H1若与C1匹配传热则末
端传热温差低于ΔT min
H2
2 >90
例 一个过程系统含2个工艺热流和2个工艺冷流，给定它们数
据如下表，选取最小传热温差ΔT min=20°C ，试设计一个换热 网络，使其具有最大热回收。
流股标号
热容流率 CP/(kW/°C)
H1
2.0
H2
8.0
C1
2.5
C2
3.0
初始温度 Ts/°C 150
90
20
25
目标温度 Tt/°C 60
60
125
SN1 -10.0
0
10.0
SN2
12.5
10.0
-2.5
SN3 105.0 -2.5
-107.5
SN4 -135.0 -107.5

换热网络

换热网络

目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Keywords (1)前言 (1)1 给定工艺条件换热网络的设计方法 (2)1.1夹点设计法 (2)1.2数学规划法 (2)1.3人工智能法 (2)2 换热网络的弹性设计方法 (3)3 换热网络控制与工艺一体化设计方法 (4)3.1控制性能指数分析法 (5)3.2换热网络旁路优化法 (5)4 展望 (7)参考文献 (7)换热网络设计方法的研究进展姓名：学号：化学化工学院化学工程与工艺班摘要：回顾了近年来换热网络设计研究的内容和方法。

分析了当前求解换热网络最小公用工程设计的3种方法:传统的给定工艺条件的设计法、最近几年得到很大发展的弹性设计法和控制与工艺一体化设计法。

阐述了这些方法各自的优势和尚待改进的问题,并指出换热网络的设计同时应考虑先进控制和动态优化,先进控制与工艺一体化换热网络设计是今后的发展方向。

关键词：换热网络;工艺设计;弹性设计;控制与工艺一体化设计Abstract:The content and methods of heat exchange network design in recent years are reviewed. Analysis of the current solution for thermal network minimum utility engineering design of three kinds of methods: given conditions of traditional design method, by the great development of the elastic design method and integration of process and control design method in recent years. Describes the advantages of monk to be improved, and it is pointed out that for thermal network design should also be considered in the advanced process control and dynamic optimization and advanced control and process integration for thermal network design is the development direction in the future.Keywords:Heat exchange network; designed methods on given process condition; flexible design; integration of process and control前言炼油化工生产过程中,一些物流需要加热,而另一些物流需要冷却,换热网络的设计就是确定出这样的换热网络,它具有最小的设备(换热器、加热器和冷却器)投资费用和操作(公用工程加热与冷却)费用,并满足把每一过程物流由初始温度加热或冷却到指定的目标温度。

换热网络

换热网络

节能技术结课作业学号：09160216班级：工艺（2）班姓名：贠国柱●换热网络的优化1.工业换热器网络的设计，一般以总的年费用为目标。

总的年费用包括操作费用和以年记的设备投资费用。

2.需要兼顾多个目标：公用工程负荷、换热面积、换热设备个数等因素3.换热网络优化方法是在在采用夹点设计法得到的最大能量回收换热网络的基础上，经过调优，得到换热设备个数较少的系统结构，从而得到最优或接近最优的设计方案●换热设备的最小个数1.换热网络中换热器的最小个数为：NHX,min＝NS＋NU－NNWNS为物流数；NU为不同热公用工程和冷公用工程来源的总数；NNW为独立网络数，即由物流间的连接通道组成的子网络数目，当过程中的所有物流通过热交换器直接或间接相连时，NNW＝1；当换热网络中的换热设备个数大于最小换热设备个数的时候，说明物流间存在多次匹配的情况。

●减少换热器个数的方法2.流股分割3.切断热量回路(能量松弛法)●切断热量回路(能量松弛法)1.热量回路：两个或多个物流间存在循环热量流的网络。

独立的热量回路个数为： N HX－ N HX,min●切断热量回路(能量松弛法)1.¾断开热量回路的方法是合并相同物流间的两个换热器，将两个换热器的热负荷转移到一个换热器上，两物流间交换的总负荷不变，传热温差发生变化。

2.常常会导致穿过夹点的热量流动，导致公用工程相应地增加，使得换热网络的合成偏离最大能量回收的目标，称之为能量松弛。

●例子1.一过程系统含有2个热流和2个冷流，给定的数据列于下表，指定冷热物流间允许的最小传热温差△Tmin为10℃，热交换器的费用由Cost=13000A0.6$/m2给出，比较不同方案下的设备投资。

●使用HEXTRAN计算1. 使用targeting计算方法得到最小温差为10℃时的夹点温度为135 ℃；先使用HRAT为10 ℃计算发现，在最小温差处有热量跨夹点传递，将热公用工程减去此值，指定热公用工程负荷进行夹点分析。

【新】换热器网络综合

【新】换热器网络综合

情况（a）的传热平均温差：
Tm
T2 T1 ln T2
30 10 ln 30
18.2 ℃
T1
10
按此传热温差，推算出冷流体的入口、出口温度，如图：
现计算其传热过程的有效能损失： 热物流的热力学平均温度仍为TH=352.9 K 冷物流的热力学平均温度为
TL
(273 71.8) (273 51.8) ln 273 71.8
换热器网络的综合
什么是换热网络？
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。
换热器的作用和意义
•为了使物流温度满足工艺要求， 而且也是为了回收过程热，减少 公用工程消耗。
换热网络合成
• 需要解决的问题：如何确定物流间匹配换热的结构以及相应的换 热负荷分配的问题。
情况(a)：CPH=2CPC 设环境温度T0=293K，热物流的热力学平均温度为
TH
(273 90) (273 70) ln 273 90
352.9K
273 70
冷物流的热力学平均温度为
TL
(273
80)
ln
273 273
(273
80 40
40)
332 .6K
该传热过程的有效能损失为
夹点热端流股的匹配
夹点冷端的流股匹配（1）
夹点冷端的流股匹配（2）
具有最小公用工程加热与冷却负荷的整体设计方案
谢谢大家！
• 图(a)中的换热器1为夹点匹配，其热物流H1与冷物流C1直接与夹 点但相 换通 热， 器2即不换是热夹器点1匹的配右，端因传为热其温中差热已物达流到ΔHT1m与in，夹不点能间再隔小着了换。热 器1。
• 图(b)中，换热器1及换热器2皆为夹点匹配，但换热器3不是夹点 匹配。

换热网络

换热网络
1 2a 3a 4a
2b
3b
4b
4a
3b 4b 2a 1 2b 3a
C1
C2
H1 H2 H3
C1 C2
二、温热法综合换热网络
对热块和冷块进行温位划分
H1 H2 H3
C1 C2
二、温热法综合换热网络
对热块和冷块按温位进行匹配
1 2a 3a 4a 5a Qc 5b 5a 3b 4a 3c
4b
2b 3b 5c Qc Qc 5b
在这里完全按温位 分解了所有物流， 标号相同的为匹配 冷热物流。图中面 积只为定性表示并 非完全准确。
根据已知条件得出各物流的热容流率
温度1 ℃ 320 260 140 30 70 温度2 ℃ 80 50 50 120 220 热容流率 kJ/(h·℃) 1687.5 2000 2160 3105 2600
流体 热流体1 热流体2 热流体3 冷流体1 冷流体2
二、温热法综合换热网络
根据上表做出温热图
30
70 120 220
300
334.5 413.73 485.95
260
320
122.91
28.12
255.04
283.16
一、温焓法综合换热网络
根据表中信息得出各物流的温焓图
一、温焓法综合换热网络
组合冷热流体，得出组合曲线
按温位划分物流
H/kW
冷热物流匹配
按温位匹配物流
1 2b
△Tmin—最小传热温差
C2 此处所标金额为将热量折算为蒸汽， 以200元/吨计算年节约热能费用。
二、温热法综合换热网络
综合考虑设备费用与操作费用后，调整后的物流匹配情况
1 2a 3a 4a
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∑ CCP ∑ H CP
3.0 1.0 -3.0 -0.4 -3.4
Di
Ii
Qi
流量，kW 输入 输出 +30 0 +105 +123 +225
+30 +30 -105 -18 -102
0 -30 -60 +45 +63
-30 -60 +45 +63 +165
+60 +30 0 +105 +123
从上表可得到以下信程物流的热复 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

夹点的特性

这个最窄的位置就是夹点
QHmin=60kW 200 150
△Tmin
T ℃
10 5
0
0
0
QCmin=225kW
最大回收热量 495kW
H kW

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
H0=0 H1＝（2+4 ） （70－40）＝180 H2＝（2+4 ） （115－70）＝270 H3＝（2+4 ） （150－115）＝210 H4＝2（180－150）＝60 H０＝1000 H1＝2.6（60－30）＝78 H２＝（3+2.6） （105－60）＝252 H３＝3（140－105）＝105 H４＝3（180－140）＝120

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H
kW
热流 40 70 115 150 180 冷流 30 60 105 140 180
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
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
表中第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
QHmin=60kW SN1 30kW SN2 0 SN3 105kW SN4 123kW SN5
QCmin=225kW

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。
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
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）。
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
物流号 1 2 3 4 类型 热 热 冷 冷 FCp,KW/℃ 2.0 4.0 2.6 3.0 T 初, ℃ 180 150 30 60 T终, ℃ 40 40 105 180 热量Q,kW 280 440 -195 -360
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

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（Pinch Point ）概念以及夹点设计法的 建立
人工智能方法的建立

换热网络合成—夹点技术


例8-2:利用例8-1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8-2
列 温 区 1 2 3 4 5 FCP 热流股 (2) (4) 180 150 115 70 40 2.0 4.0 流股与温度 T，℃ 180 170 140 105 60 30 3.0 2.6 冷流股 (1) (3) 10 30 35 45 30 Ti－Ti+1 1 2 3 4 5 最大允许热
4. 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
第一定律分析
Q FCp(T初 T终 )
物流号 1 2 3 4 类型 热 热 冷 冷 FCp,KW/℃ 2.0 4.0 2.6 3.0 T初, ℃ 180 150 30 60 T终, ℃ 40 40 105 180 热量Q,kW 280 440 -195 -360 165
如果没有温度推动力的限制，就必须由公用
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
0 180 450 660 720 1000 1078 1330 1435 1555
T
H
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
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
H Qi (T终 T初 ) FCpi
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
T－H图上的焓值是相对的。基准点可以任 何选取
夹点的传热特性

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

Qi [ ( FCp) H .i ( FCp)C .i ]Ti
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。


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 。
QHmin+x QHmin+y QHmin
热阱
热阱
y
热阱
QCmin+x
QCmin
QCmin+z
z
热源
热源
热源
0
0
x
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
第八章
换热网络合成
8.1 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。