化工系统-第5章换热网络综合

第五章 换热器网络的综合
换热器网络综合：确定具有最小设备投资，最小操作费用，能达
到过程要求的换热器网络结构。
具有可控性、稳定性和可操作性。
方法：
夹点设计法
有效能法
温度间隔法
热力学温差贡献法
数学规划法
5.2 夹点设计法
夹点设计法的基本原则： (1) 应该避免有热流量通过夹点； (2) 夹点上方避免引入公用工程冷却物流； (3) 夹点下方避免引入公用工程加热物流 。
夹点设计法的要点： （1）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分别处理。 （2）热端和冷端都先从夹点开始设计，遵循夹点匹配可行
性规则及经验规则。
（3）离开夹点后，采用经验规则，但传热温差约束紧张时 还应遵循可行性规则。
（4）考虑换热系统的操作性、安全性，以及生产工艺上特 殊要求等。
违背以上三条，就会增大公用工程负荷及相应的设 备投资。
5.2.1 夹点处物流间匹配换热的可行性规则
夹点匹配：指冷、热物流同时有一端直接与夹点相同，即同 一端具有夹点处的温度。
夹点匹配 非夹点规则： 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：
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 有效能损失下，其传热温差最大。
NH NC
H1
3
H2
1
H3
2
C4

将TH、T L、Q 的计算式代入 中 :
T0 T0 Q Q TL TH T0 W j c j (T je T ji ) T0 Wk ck (Tki Tk e ) T je T ji Tki Tke Tki T je ln ln Tke T ji Tki T0 [W j c j l n Wk ck l n ] Tj i Tk e
CPH ≥ CPC
说明：该规则保证了夹点匹配中的传热温差不小于
允许的最小传热温差Tmin 。离开夹点后，由于物流
间的传热温差都增大了，所以不一定遵循该规则。
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夹点之上：
（a）可行的夹点匹配
（b）不可行的夹点匹配
CPH CPC
2015/9/1 化工过程分析与合成
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9
（2）热力学最小传热面积网络的综合 理论依据： 根据有效能分析，在T-H图上合理分配传热温 差及热负荷，实现冷热流体的逆流分配，得到满足 要求的热力学最小面积网络 步骤： ① 搜集物流数据：流量、温度、比热容、 汽化热等； ② 构造冷、热物流的组合曲线 ； ③ 调整冷、热物流的组合曲线，使得最小传热温差 不小于指定值； ④ 划分温度间隔区间，进行物流匹配。
损失，冷、热物流热容流率相等情况下比不等情况
下推动力大。 （2）采用经验规则时，经验规则1优于规则2； （3）经验规则对离开夹点的其余物流匹配换热也是 合适的。
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夹点设计法的要点
（1）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分
别处理。
（2）热端和冷端都先从夹点开始设计，遵循夹点 匹配可行性规则及经验规则。 （3）离开夹点后，采用经验规则，但传热温差约 束紧张时还应遵循可行性规则。

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.

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，

(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.

（2）最小公用工程加热量 （3）最小公用工程冷却量
Q H min = 107.5 kW Q C min = 40 kW
（1）热端的设计
物流数据 T min=20oC
分析： ◆ 流股数符合规则1： NH <NC
(热流股数 1，小于冷流股数2) ◆ 热容流率符合规则2： CPH<CPC
(热流股热容流率2.0, 冷流股热容流率 2.5、3.0) ◆ 按经验规则，应使热流股1与冷流股1匹配。
-55.0
-55.0
-67.5
热量 kW 外界输入最小热量
Ik 107.5
Qk 117.5
117.5 105.0
105.0
0
0
135.0
135.0
52.5
52.5
40.0
热端 夹点 冷端
0 kw SN1
10 kw SN2
-2.50 kw SN3
-107.50 kw
SN4 27.5 kw
SN5 -55 kw
SN6 -67.5 kw
a 未加公用设施加热负荷
热端 夹点
QH min=107.5 kw SN1
117.50 kw SN2
105 kw SN3
0 kw
SN4 135 kw
冷端
SN5 52.5 kw
SN6 QC min=40 kw
b 加入公用设施加热负荷
得到如下信息：
（1）夹点处，热物流温度在90oC、冷物流温度70oC。
SN3
70 90
SN4
40 60
SN5
25
SN6
20
子网络 序号
SN1 SN2 SN3 SN4 SN5 SN6

图6-2塔顶气体压缩式热泵精馏流程图
表6-1有无热泵技术对比表
项目
无热泵技术
热泵技术
塔顶冷凝能耗（kW）
28285.43
1913.22
塔底再沸能耗（kW）
30529.69
336.32
总能耗（kW）
58815.12
166.551
由上表可知，考虑压缩机做功和冷却器能耗，热泵技术比无热泵技术节省热泵技术节省冷耗98.8%，节省热耗93.7%，总的节约能耗为96.17的炼厂干气为原料，经分离提纯得到高纯度的乙烯，将其通过与氧气、醋酸反应转化成附加值高、需求量大的产品醋酸乙烯酯。该项目采用国外先进的乙烯气相氧化法路线，传统的乙烯法路线主要有Bayer法和USI法，两者都采用气相固定床工艺，技术流程也很相似，它们的区别在Bayer法催化剂以Pd-Au为主体，硅胶为催化剂载体，反应压力为0.5~1.1MPa；而USI法催化剂以Pd-Pt为主体，采用α-Al2O3为载体，反应压力为常压。由于Bayer法具有醋酸单程转化率高、催化剂活性高、选择性好等优点，目前工业生产中大部分采用Bayer法。
12.81
-20
5173.86
0304 To 0305
E0304
62.25
165
13968.84
0309 To 0310
E0305
170
10
26061.89
0316 To 0317
E0302
19.09
70
4452.62
0324 To 0326
E0308
17.24
120
398.83
0336 To 0337
过程流股
加热器/换热器名称
进口温度/℃
出口温度/℃