熱交換網(wǎng)絡(luò)及能量管理課件

化工設(shè)計(jì)第四章流程組織化工設(shè)計(jì)第四章流程組織本學(xué)時(shí)講授內(nèi)容

第五節(jié)能量管理及熱交換網(wǎng)絡(luò)

本學(xué)時(shí)講授內(nèi)容4.5能量管理及熱交換網(wǎng)絡(luò)能量集成與管理；對(duì)于一個(gè)工程，要細(xì)致考慮、合理安排進(jìn)出每一個(gè)操作單元的每一個(gè)流股的順序或流經(jīng)的途徑，也就是要仔細(xì)考慮各流股的能量搭配和綜合利用問(wèn)題，以最經(jīng)濟(jì)地完成由原料到產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。因?yàn)閷?duì)于每一種產(chǎn)品成本來(lái)講，直接成本中最重要的內(nèi)容之一是水、電、汽等公用工程的消耗指標(biāo)，而這一消耗與過(guò)程流股的能量組合密切相關(guān)。4.5能量管理及熱交換網(wǎng)絡(luò)能量集成與管理；能量組合的基本原則盡量應(yīng)用內(nèi)部能源（流程內(nèi)流股的能量或反應(yīng)熱、相變熱等）代替外部能源（水、電、汽等公用工程提供），這是降低成本的基本途徑之一。熱交換網(wǎng)絡(luò)、多效蒸發(fā)、多級(jí)結(jié)晶等多級(jí)過(guò)程就是一種節(jié)能的組合方案。

以海水淡化為例，使用精餾法分離海水：能量組合的基本原則以海水淡化為例，使用精餾法分離海水：熱交換網(wǎng)絡(luò)及能量管理課件一、熱交換網(wǎng)絡(luò)的提出一個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程的流程中，經(jīng)常需要加熱或冷卻許多流股，最簡(jiǎn)單的方案是按各流股的質(zhì)量流速、熱負(fù)荷、進(jìn)出口溫度要求，分別引入外部熱源或外部冷源，即用熱水、蒸汽加熱或用冷卻水、冷凍液冷卻。

這種設(shè)計(jì)雖簡(jiǎn)單，設(shè)備投資費(fèi)較少，但熱力學(xué)效率常常是很低，能耗較大，一般是不經(jīng)濟(jì)。一、熱交換網(wǎng)絡(luò)的提出一個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程的流程中同時(shí)可以看到，一個(gè)化工流程的內(nèi)部，有一些較高溫的流股需要被冷卻，而一些較低溫的流股需要被加熱，所以可以考慮將這些流股搭配起來(lái)，在流程內(nèi)部用需要被冷卻的較高溫的流股來(lái)加熱需要熱量的低溫的流股，可以實(shí)現(xiàn)能量的有效利用，從而節(jié)約了能量源，降低成本。

減少流程對(duì)外界熱源和冷源的需求，盡量使用流程內(nèi)部的冷熱流股互相搭配，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。在流程內(nèi)建立熱交換網(wǎng)絡(luò)的根本目的：但會(huì)相應(yīng)增加換熱器投資。同時(shí)可以看到，一個(gè)化工流程的內(nèi)部，有一些較高溫?zé)峤粨Q網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展熱交換網(wǎng)絡(luò)的合成方法，早在20世紀(jì)70年代，Ponton和Nishia曾提出試探法；80年代末英國(guó)人（UMIST）Linnhoff又發(fā)明了窄點(diǎn)技術(shù)（PinchTechnique）；隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的迅速發(fā)展，人工智能技術(shù)也被應(yīng)用到熱交換網(wǎng)絡(luò)合成領(lǐng)域，如專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。熱交換網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展熱交換網(wǎng)絡(luò)的合成方法，早在20世紀(jì)70年代，窄點(diǎn)技術(shù)是過(guò)程系統(tǒng)最優(yōu)化的核心技術(shù)，針對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括冷熱流股的匹配，公用工程的類型和能級(jí)選擇等。因此，窄點(diǎn)技術(shù)代表了一種全新的，強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)方法。窄點(diǎn)技術(shù)因方法簡(jiǎn)單、靈活、實(shí)用，易于理解和掌握，在世界范圍內(nèi)（包括赫斯特、拜爾、聯(lián)碳、蒙山都、杜邦、ICI等）得到迅速推廣，并取得令人矚目的成果。窄點(diǎn)技術(shù)是過(guò)程系統(tǒng)最優(yōu)化的核心技術(shù)，針對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的整體進(jìn)行優(yōu)二、基本概念及熱交換系統(tǒng)表示方法

1、換熱網(wǎng)絡(luò)的名詞及假設(shè)熱流：熱交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，那些需要由起始溫度冷卻到目標(biāo)溫度的流股。冷流：熱交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，那些需要由起始溫度被加熱到目標(biāo)溫度的流股。二、基本概念及熱交換系統(tǒng)表示方法熱流：熱交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，那些需要Th,i–熱流出口Th,o–熱流進(jìn)口Tc,i–冷流進(jìn)口

Tc,o–冷流出口

TTTh,iTh,oTc,oTc,iTh,iTh,oTc,oTc,i傳熱溫差傳熱溫差傳熱過(guò)程Th,i–熱流出口TTTh,iTh,oTc,oTc,iQ=FhCp,h(Th,i-Th,o)=FcCp,c(Tc,o-Tc,i)

Q=UA(ΔT)L,M

根據(jù)熱量平衡原理，熱流放出的熱量等于冷流吸收的熱量：對(duì)于逆流換熱，傳熱速率方程：式中Q—熱負(fù)荷，kJ/h;

U—換熱系數(shù)，kJ/(M2·h);

A—傳熱面積，m2；ΔTL,M—對(duì)數(shù)平均溫度差，C。

h—熱流；

c—冷流；

i—進(jìn)；o—出。Q=FhCp,h(Th,i-Th,o)=FcCp,c(Tc,在換熱器兩端存在溫差的情況下，才能在有限換熱面積A上發(fā)生換熱，也就是說(shuō)必須維持熱端和冷端溫差以使才行。這里和；ΔTmin稱換熱流體的最小溫差。在換熱器兩端存在溫差的情況下，才能在有限換熱面積A上發(fā)生換熱隨著最小傳熱溫差的增加，投資成本降低，操作成本增加，總成本存在一個(gè)最小值。最小傳熱溫差DTmin通常為10~20℃年固定投資費(fèi)用年操作費(fèi)用總年費(fèi)用年費(fèi)用用最小傳熱溫差平衡投資和操作成本隨著最小傳熱溫差的增加，投資成本降低，操作成本增加，總成本存目標(biāo)方程：根據(jù)限定條件使冷、熱公用工程耗量最小

Minimize（QH+QC）

限定條件：各股物流的目標(biāo)溫度必須維持熱端和冷端溫差以使假設(shè)：◆冷熱流股逆流換熱，采用對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算總傳熱量；◆各冷熱流股的熱容Cp值在換熱溫度范圍內(nèi)不隨溫度而變。熱交換網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化問(wèn)題目標(biāo)方程：假設(shè)：熱交換網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化問(wèn)題2、熱交換網(wǎng)絡(luò)的表示方法線圈表示法矩陣表示法網(wǎng)絡(luò)表示法熱焓圖表示法溫度—焓圖（T－H圖）表示法2、熱交換網(wǎng)絡(luò)的表示方法線圈表示法（1）線、圈表示法1423C1C2H1H2H3（2）矩陣表示法（1）線、圈表示法1423C1C2H1H2H3（2）（3）網(wǎng)絡(luò)圖表示法13C21H23H1H2C1C2（3）網(wǎng)絡(luò)圖表示法13C21H23H1H2C1C213C2HC1C2H1H2與其等價(jià)的線、圈表示圖13C2HC1C2H1H2與其等價(jià)的線、圈表示圖（4）熱焓圖表示法（4）熱焓圖表示法單個(gè)流股的溫度－熱焓直線圖多個(gè)流股的溫度－熱焓復(fù)合曲線（折線）圖（流股組合曲線）（5）

溫－焓圖（T－H圖）表示法單個(gè)流股的溫度－熱焓直線圖（5）溫－焓圖（T－H圖）表示法三、流股的溫度－熱焓復(fù)合曲線對(duì)于一個(gè)進(jìn)口溫度（Ti），目標(biāo)溫度（To）均已知。流量為F，熱容為Cp（不隨溫度而變的恒值）的流股，其焓變可表示為：1、單個(gè)流股的溫度－熱焓直線圖三、流股的溫度－熱焓復(fù)合曲線對(duì)于一個(gè)進(jìn)口溫度（△H△H△H△H2、多個(gè)流股的溫度－熱焓復(fù)合曲線（折線）圖例如：A冷流股，熱容流率CPA，溫度從T5→T2B冷流股，熱容流率CPB，溫度從T3→T1C冷流股，熱容流率CPC，溫度從T4→T2THT1T2T3T4T5ABC2、多個(gè)流股的溫度－熱焓復(fù)合曲線（折線）圖例如：A冷流股，熱THT1T2T3T4T5ABCTHT1T2T3T4T5T5→T4區(qū)間，斜率：1/CPA;T4→T3區(qū)間，斜率：1/(CPA+CPC);T3→T2區(qū)間，斜率：1/(CPA+CPB+CPC);T2→T1區(qū)間，斜率：1/CPB;復(fù)合區(qū)間總焓變?yōu)椋篊PA（T4－T5）區(qū)間總焓變?yōu)椋海–PA＋CPC）（T3－T4）區(qū)間總焓變?yōu)椋海–PA＋CPB＋CPC）（T2－T3）區(qū)間總焓變?yōu)椋篊PB（T1－T2）這樣就完成了多流股的溫度－熱焓復(fù)合曲線（折線）。THT1T2T3T4T5ABCTHT1T2T3T4T5T5→THΔTmin窄點(diǎn)窄點(diǎn)（Pinch）THΔTmin窄點(diǎn)窄點(diǎn)（Pinch）THΔTminQHminQCminQRmax窄點(diǎn)窄點(diǎn)（Pinch）THΔTminQHminQCminQRmax窄點(diǎn)窄點(diǎn)（Pin四、窄點(diǎn)、熱交換網(wǎng)絡(luò)的最小能耗、熱交換網(wǎng)絡(luò)的合成1、復(fù)合曲線法（CompositeCurves）例題：下表列出了冷、熱各兩股流的起始溫度和目標(biāo)溫度，并給出了其熱容流率。假設(shè)最小傳熱溫差，△Tmin要求為20℃。1、根據(jù)窄點(diǎn)（Pinch）原理，請(qǐng)畫出復(fù)合曲線（CompositeCurves），標(biāo)出正確的Pinch點(diǎn)；2、計(jì)算出最大的回收能量（QREC）、外界最小輸入冷量（QCmin）和外界最小加熱量（QHmin）。四、窄點(diǎn)、熱交換網(wǎng)絡(luò)的最小能耗、熱交換網(wǎng)絡(luò)的合成1、復(fù)合曲線熱交換網(wǎng)絡(luò)及能量管理課件解：先在溫度－熱焓坐標(biāo)圖上畫出兩條熱流股的復(fù)合曲線。其溫度區(qū)間范圍：40℃→80℃→200℃→250℃熱流4熱流3＋熱流4熱流4斜率1/0.15斜率1/0.4斜率1/0.15解：先在溫度－熱焓坐標(biāo)圖上畫出兩條熱流股的復(fù)合曲線。其溫度區(qū)再在溫度－熱焓坐標(biāo)圖上畫出兩條冷流股的復(fù)合曲線。其溫度區(qū)間范圍：20℃→140℃→180℃→230℃冷流1冷流1＋冷流2冷流2斜率1/0.2斜率1/0.5斜率1/0.3再在溫度－熱焓坐標(biāo)圖上畫出兩條冷流股的復(fù)合曲線。其溫度區(qū)間范本學(xué)時(shí)講授內(nèi)容

4.5能量管理及熱交換網(wǎng)絡(luò)

本學(xué)時(shí)講授內(nèi)容四、窄點(diǎn)、熱交換網(wǎng)絡(luò)的最小能耗、熱交換網(wǎng)絡(luò)的合成1、復(fù)合曲線法（CompositeCurves）例題：下表列出了冷、熱各兩股流的起始溫度和目標(biāo)溫度，并給出了其熱容流率。假設(shè)最小傳熱溫差，△Tmin要求為20℃。1、根據(jù)窄點(diǎn)（Pinch）原理，請(qǐng)畫出復(fù)合曲線（CompositeCurves），標(biāo)出正確的Pinch點(diǎn)；2、計(jì)算出最大的回收能量（QREC）、外界最小輸入冷量（QCmin）和外界最小加熱量（QHmin）。四、窄點(diǎn)、熱交換網(wǎng)絡(luò)的最小能耗、熱交換網(wǎng)絡(luò)的合成1、復(fù)合曲線熱交換網(wǎng)絡(luò)及能量管理課件解：先在溫度－熱焓坐標(biāo)圖上畫出兩條熱流股的復(fù)合曲線。其溫度區(qū)間范圍：40℃→80℃→200℃→250℃熱流4熱流3＋熱流4熱流4斜率1/0.15斜率1/0.4斜率1/0.15解：先在溫度－熱焓坐標(biāo)圖上畫出兩條熱流股的復(fù)合曲線。其溫度區(qū)再在溫度－熱焓坐標(biāo)圖上畫出兩條冷流股的復(fù)合曲線。其溫度區(qū)間范圍：20℃→140℃→180℃→230℃冷流1冷流1＋冷流2冷流2斜率1/0.2斜率1/0.5斜率1/0.3再在溫度－熱焓坐標(biāo)圖上畫出兩條冷流股的復(fù)合曲線。其溫度區(qū)間范

將熱流股的復(fù)合曲線放在上方，冷流股的復(fù)合曲線放在下方，形成組合的復(fù)合曲線?！鱐min=20℃QCminQRECQHminQCmin≈14MWQREC≈47.5MWQHmin≈11.5MW窄點(diǎn)窄點(diǎn)溫度＝150℃熱流股窄點(diǎn)溫度＝150℃＋△Tmin/2＝160℃（熱窄點(diǎn)溫度）冷流股窄點(diǎn)溫度＝150℃－△Tmin/2＝140℃（冷窄點(diǎn)溫度）將熱流股的復(fù)合曲線放在上方，冷流股的復(fù)合曲線放2、問(wèn)題列表法（Theproblemtablealgorithm

）2、問(wèn)題列表法（Theproblemtablealgo解：①、首先根據(jù)△Tmin=20℃和各流股的進(jìn)出口溫度重新劃分溫度區(qū)間；溫度區(qū)間劃分原則：對(duì)冷流股：區(qū)間溫度值＝原溫度＋△Tmin/2對(duì)熱流股：區(qū)間溫度值＝原溫度－△Tmin/2解：①、首先根據(jù)△Tmin=20℃和各流股的進(jìn)出口溫度重新劃20.0540－16－0.28040.1407.50.1550⊿H（MW）∑CPC－∑CPH⊿T（℃）流股分配溫度間隔12330701501902404其中：⊿H表示各溫度區(qū)間熱量衡算值（焓變），由于采用∑CPC－∑CPH，若⊿H﹥0，則表示該區(qū)間熱量不足，反之逆然。②、計(jì)算各溫度區(qū)間的焓變；20.0540－16－0.28040.1407.50.1552－1647.5⊿H（MW）溫度間隔3070150190240③、畫出理想的熱階流圖熱源240℃0MW△H＝7.5190℃－7.5MW△H＝4150℃－11.5MW△H＝－1670℃4.5MW△H＝230℃2.5MW冷源先假設(shè)無(wú)外界熱源輸入最大熱量虧欠值假想最節(jié)能熱階流圖2－1647.5⊿H（MW）溫度間隔30701501902③、畫出可行的熱階流圖熱源240℃0MW△H＝7.5190℃－7.5MW△H＝4150℃－11.5MW△H＝－1670℃4.5MW△H＝230℃2.5MW冷源先假設(shè)無(wú)外界熱源輸入熱源240℃11.5MW△H＝7.5190℃4MW△H＝4150℃0MW△H＝－1670℃16MW△H＝230℃14MW

冷源最大熱量虧欠值窄點(diǎn)為越過(guò)熱力學(xué)瓶頸，需要最小外界熱量多余的熱量，需要外界冷源匹配假想最節(jié)能熱階流圖可行的最節(jié)能熱階流圖③、畫出可行的熱階流圖熱源240℃0MW△H＝7.5190

問(wèn)題列表方法的優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確可靠，簡(jiǎn)單問(wèn)題可手工計(jì)算，復(fù)雜問(wèn)題可借助專門的熱交換網(wǎng)絡(luò)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。④、畫出總復(fù)合曲線根據(jù)可行的最節(jié)能熱階流圖數(shù)據(jù)例題熱交換網(wǎng)絡(luò)的總復(fù)合曲線問(wèn)題列表方法的優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確可靠，簡(jiǎn)單問(wèn)題可手3、窄點(diǎn)特性和熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則QCminQHmin在溫度－熱焓圖中的總復(fù)合曲線中，直線段斜率為正，表示熱量不足，斜率為負(fù)，表示熱量多余。3、窄點(diǎn)特性和熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則QCminQHmin窄點(diǎn)以上，熱交換網(wǎng)絡(luò)只需要外界熱源，是換熱系統(tǒng)的“熱阱”窄點(diǎn)以下，熱交換網(wǎng)絡(luò)只需要外界冷源，是換熱系統(tǒng)的內(nèi)部“熱源”窄點(diǎn)之處無(wú)熱量通過(guò)，窄點(diǎn)上、下之間無(wú)熱量交換窄點(diǎn)以上，熱交換網(wǎng)絡(luò)只需要外界熱源，是換熱系統(tǒng)的“熱阱”窄點(diǎn)THΔTminQHminQCminQRmax窄點(diǎn)“熱阱”“熱源”“熱阱”和“熱源”THΔTminQHminQCminQRmax窄點(diǎn)“熱阱”“熱通俗講：1、窄點(diǎn)以上：熱流股需要冷卻時(shí)，只能是內(nèi)部流股搭配，也就是說(shuō)使用位于窄點(diǎn)以上冷流股提供的冷量而不能使用外界冷源；冷流股需要加熱時(shí)，可以使用位于窄點(diǎn)以上熱流股提供的熱量，不足部分使用外界熱源。2、窄點(diǎn)以下：冷流股需要加熱時(shí)，只能是內(nèi)部流股搭配，也就是說(shuō)使用位于窄點(diǎn)以下熱流股提供的熱量而不能使用外界熱源；熱流股需要冷卻時(shí)，可以使用位于窄點(diǎn)以下冷流股提供的冷量，不足部分使用外界冷源。通俗講：2、窄點(diǎn)以下：最大回收能量（最節(jié)能）的熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則：㈠、換熱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)溫度高于窄點(diǎn)的流股，只要其溫度變化范圍在窄點(diǎn)以上，就不能引入外界冷源來(lái)進(jìn)行冷卻，而應(yīng)該用系統(tǒng)內(nèi)流股與之搭配（或引入外界熱源）；㈡、換熱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)溫度低于窄點(diǎn)的流股，只要其溫度變化范圍在窄點(diǎn)以下，就不能引入外界熱源來(lái)進(jìn)行加熱，而應(yīng)該用系統(tǒng)內(nèi)流股與之搭配（或引入外界冷源）；窄點(diǎn)之處無(wú)熱量通過(guò)，窄點(diǎn)上、下之間無(wú)熱量交換最大回收能量（最節(jié)能）的熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則：㈠、換熱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)溫4、熱交換網(wǎng)絡(luò)合成（設(shè)計(jì)）還是針對(duì)上述例題：4、熱交換網(wǎng)絡(luò)合成（設(shè)計(jì)）還是針對(duì)上述例題：前面已經(jīng)計(jì)算出窄點(diǎn)溫度為150℃，熱流股窄點(diǎn)溫度為160℃，冷流股窄點(diǎn)溫度為140℃（在△Tmin＝20℃）而且已經(jīng)計(jì)算出，QHmin＝11.5MW，QCmin＝14MW。

那么，如何根據(jù)窄點(diǎn)技術(shù)的原則還在這4個(gè)流股之間進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)呢？前面已經(jīng)計(jì)算出窄點(diǎn)溫度為150℃，熱流股窄點(diǎn)溫40℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃60℃20℃H1，CP=0.15H2，CP=0.25C1，CP=0.2QHminQCmin133.33℃191.67℃C2，CP=0.340℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃40℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃60℃20℃H1，CP=0.15H2，CP=0.25C1，CP=0.2C2，CP=0.3133.33℃191.67℃146.67℃13.5MW168℃40℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃40℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃60℃20℃H1，CP=0.15H2，CP=0.25C1，CP=0.2C2，CP=0.3133.33℃191.67℃146.67℃13.5MW168℃20MW40℃40℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃各換熱器流股進(jìn)出口溫度、熱負(fù)荷及逆流對(duì)數(shù)傳熱溫差C211.5230191.67QHmin加熱器H11440133.33QCmin冷卻器28.85201404080160H2－C1116.644020133.33160H1－C129.828180140168200H2－C120.762146.67140160168H2－C260.613.5191.67146.67160250H1－C2對(duì)數(shù)溫差（℃）熱負(fù)荷（MW）冷流股出（℃）冷流股進(jìn)（℃）熱流股出（℃）熱流股進(jìn)（℃）各換熱器流股進(jìn)出口溫度、熱負(fù)荷及逆流對(duì)數(shù)傳熱溫差C211.5HC優(yōu)化設(shè)計(jì)的熱交換網(wǎng)絡(luò)H2H1C1C2H1－C2250℃160℃146.67℃191.67℃230℃180℃200℃168℃140℃140℃160℃80℃133.33℃40℃20℃40℃H2－C2H2－C1H2－C1H1－C1HC優(yōu)化設(shè)計(jì)的熱交換網(wǎng)絡(luò)H2H1C1C2H1－C2250℃1有如下一個(gè)熱流股和二個(gè)冷流股：要求△Tmin＝10℃；（1）、用Pinch原理的問(wèn)題列表法計(jì)算該熱交換網(wǎng)絡(luò)的窄點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)對(duì)外界的最小熱量需求和最小冷量需求；（2）、設(shè)計(jì)該優(yōu)化的熱交換網(wǎng)絡(luò)，用線圈圖表示出來(lái)。有如下一個(gè)熱流股和二個(gè)冷流股：要求△Tmin＝10℃；1、重新劃分溫度區(qū)間解：1、重新劃分溫度區(qū)間解：2、構(gòu)筑溫度區(qū)間圖并計(jì)算區(qū)間焓變溫度區(qū)間（℃）區(qū)間流股△T（℃）∑CPC－∑CPH

區(qū)間焓變(kW)

375305245145125706010020-500-100200-200-35000-600020000

-40005570-500

-35000H1C1C2

5003004002、構(gòu)筑溫度區(qū)間圖并計(jì)算區(qū)間焓變375305245145123、構(gòu)筑熱階流圖熱源375℃0

-35000305℃35000

-6000245℃41000

20000145℃21000

-400055℃60000冷源125℃25000

-35000

因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程熱量有余，無(wú)熱力學(xué)虧空陷阱；

假想和實(shí)際可行的熱階流圖相同。

3、構(gòu)筑熱階流圖熱源375℃0-35000305℃350得到窄點(diǎn)溫度為375℃；熱流股窄點(diǎn)溫度為380℃，冷流股窄點(diǎn)溫度為370℃；QCmin＝60000kW，QHmin＝0

熱交換網(wǎng)絡(luò)中所有流股的溫度變化范圍都在窄點(diǎn)溫度以下。窄點(diǎn)溫度出現(xiàn)在熱階流圖的最高點(diǎn)。得到窄點(diǎn)溫度為375℃；熱交換網(wǎng)絡(luò)中所有流股的252℃38060280120200504013021029037036064000kW60000kW36000kW4、配置換熱網(wǎng)絡(luò)500300400180℃140℃300℃252℃3806028012020050401302102960℃180℃252℃300℃240℃H1380℃120℃140℃C60000kW64000kW36000kW5、用線圈法表示換熱網(wǎng)絡(luò)C1C260℃180℃252℃300℃240℃H1380℃120℃1有如下一個(gè)熱流股和二個(gè)冷流股：要求△Tmin＝10℃；（1）、用Pinch原理的問(wèn)題列表法計(jì)算該熱交換網(wǎng)絡(luò)的窄點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)對(duì)外界的最小熱量需求和最小冷量需求；（2）、設(shè)計(jì)該優(yōu)化的熱交換網(wǎng)絡(luò)，用線圈圖表示出來(lái)。有如下一個(gè)熱流股和二個(gè)冷流股：要求△Tmin＝10℃；1、重新劃分溫度區(qū)間解：1、重新劃分溫度區(qū)間解：2、構(gòu)筑溫度區(qū)間圖并計(jì)算區(qū)間焓變溫度區(qū)間（℃）區(qū)間流股△T（℃）∑CPC－∑CPH

區(qū)間焓變（kW）305245195145125H1C1C2605050204001100

500700400600200240005500030000

40002、構(gòu)筑溫度區(qū)間圖并計(jì)算區(qū)間焓變305245195145123、構(gòu)筑熱階流圖熱源305℃0

24000245℃－24000

55000195℃－79000

30000145℃－109000

4000125℃－113000冷源假想最節(jié)能熱階流圖熱源305℃113000

24000245℃89000

55000195℃34000

30000145℃4000

4000125℃0冷源可行的最節(jié)能熱階流圖3、構(gòu)筑熱階流圖熱源305℃024000245℃－240得到窄點(diǎn)溫度為125℃；熱流股窄點(diǎn)溫度為130℃，冷流股窄點(diǎn)溫度為120℃；QCmin＝0，QHmin＝113000kW

熱交換網(wǎng)絡(luò)中所有流股的溫度變化范圍都在窄點(diǎn)溫度以上。窄點(diǎn)溫度出現(xiàn)在熱階流圖的最低點(diǎn)。得到窄點(diǎn)溫度為125℃；熱交換網(wǎng)絡(luò)中所有流股的30014020024016020013012017021025029028030049000kW64000kW35000kW1704、配置換熱網(wǎng)絡(luò)500700400300140200240160200130120170210170℃300℃240℃H1200℃120℃140℃HH130℃49000kW64000kW35000kW5、用線圈法表示換熱網(wǎng)絡(luò)C1C2170℃300℃240℃H1200℃120℃140℃HH131、進(jìn)行物流匹配，注意穿過(guò)窄點(diǎn)沒有熱交換，并留心最小溫差2、每一個(gè)匹配物流，決定換熱器進(jìn)出口溫度：

Qex=FCp(T2–T1)=FCp(t2–t1)3、如果有包含焓變的物流數(shù)據(jù)表，則有助于我們決定匹配物流的最好辦法建立熱交換網(wǎng)絡(luò)1、進(jìn)行物流匹配，注意穿過(guò)窄點(diǎn)沒有熱交換，并留心最小溫差建立5、幾種熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)節(jié)能比較①、最簡(jiǎn)單的方法（最笨的方法）分別用二個(gè)加熱器和二個(gè)冷卻器對(duì)2個(gè)冷流股進(jìn)行加熱、對(duì)2個(gè)熱流股進(jìn)行冷卻。這種方法的總能耗：120.5MW5、幾種熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)節(jié)能比較①、最簡(jiǎn)單的方法（最笨的方法）△Tmin=20℃QCminQRECQHminQCmin≈14MWQREC≈47.5MWQHmin≈11.5MW窄點(diǎn)②、部分優(yōu)化的方法30MW31.5MW27.5MW這種方法的總能耗：30＋27.5＝57.5MW△Tmin=20℃QCminQRECQHminQCmin≈1③、幾種方法的節(jié)能比較表③、幾種方法的節(jié)能比較表五、化工流程的能量管理在實(shí)際化工流程組織與設(shè)計(jì)時(shí)，掌握以下基本原則：化工過(guò)程能量管理的目的－－－節(jié)約有效能1、盡量利用流程中的反應(yīng)熱（放熱反應(yīng)）產(chǎn)生的熱流股來(lái)對(duì)需要加熱的冷流股和設(shè)備進(jìn)行加熱；2、在技術(shù)可行的前提下，盡量利用品位接近的流股相互搭配換熱；3、流程中一些耗能設(shè)備，在工藝可行的前提下，可以考慮共用問(wèn)題。五、化工流程的能量管理在實(shí)際化工流程組織與設(shè)計(jì)時(shí)，掌握以下基課外參考資料鄭美玲,王文.應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化多能流企業(yè)的能源利用.節(jié)能技術(shù),2010,28(1):81-86.魏艷艷,吳明.夾點(diǎn)理論及其在煉廠換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的應(yīng)用.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,24(5):71-74.李英團(tuán),韓效釗,陳敏等.夾點(diǎn)技術(shù)及其在化肥行業(yè)的應(yīng)用前景.安徽化工,2008,12:42-45.程華農(nóng),孫杰,鄭世清等．基于夾點(diǎn)分析的TDA合成裝置節(jié)能改造．?dāng)?shù)字石油和化工,2007,11:44-47.廖祖維,陽(yáng)永榮,張祖鈞．運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)提升氯堿行業(yè)用能水平．化學(xué)工業(yè),2007,25(10):41-45．易靈,何繼輝,趙仕林等．夾點(diǎn)技術(shù)在稀土濕法冶金中的應(yīng)用研究．稀土，2005，26(6):16-19.課外參考資料鄭美玲,王文.應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化多能流企業(yè)的能本章小結(jié)本章內(nèi)容，重點(diǎn)和難點(diǎn)

重點(diǎn)：流程組織的六個(gè)任務(wù)

難點(diǎn)：?jiǎn)栴}列表法求解熱交換網(wǎng)絡(luò)及優(yōu)化熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)節(jié)能比較本章小結(jié)本章內(nèi)容，重點(diǎn)和難點(diǎn)

換熱網(wǎng)絡(luò)不能同時(shí)達(dá)到能量最優(yōu)和換熱單元數(shù)最小時(shí),能量最優(yōu)可保證操作費(fèi)用最低，單元數(shù)最少可使設(shè)備費(fèi)用最低，因而存在著操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用之間的權(quán)衡。

對(duì)于夾點(diǎn)問(wèn)題，不管△Tmin

為何值，總是即需要加熱器又需要冷卻器。為了滿足系統(tǒng)最小換熱設(shè)備數(shù)的要求，往往需要跨越夾點(diǎn)傳熱，這會(huì)使公用工程費(fèi)用增加，此時(shí)可以找出一個(gè)跨越夾點(diǎn)的最佳換熱量x，從而使總費(fèi)用達(dá)到最小。可以用“能量松馳法”來(lái)恢復(fù)最小傳熱溫度。

熱量交換網(wǎng)絡(luò)的“消融”與“松弛”（能量集成章節(jié)補(bǔ)充材料）換熱網(wǎng)絡(luò)不能同時(shí)達(dá)到能量最優(yōu)和換熱單元數(shù)所謂“能量松弛法”，就是把換熱網(wǎng)絡(luò)從最大能量回收的緊張狀態(tài)“松弛”下來(lái)。通過(guò)調(diào)整參數(shù)，使能量回收減少，公用工程消耗加大，從而使傳熱溫差加大（在T-H圖上表現(xiàn)為冷、熱組合曲線拉開距離）。因此，對(duì)于已滿足最小公用工程消耗的換熱網(wǎng)絡(luò)，如果換熱單元數(shù)不是最少，可以采用以下步驟進(jìn)行調(diào)整：找出獨(dú)立的熱負(fù)荷回路；沿?zé)嶝?fù)荷回路增加或減少熱負(fù)荷來(lái)斷開回路；檢查合并后的換熱單元是否違反最小傳熱溫差△Tmin；若違反△Tmin，則利用能量松弛法求最小能量松弛量，恢復(fù)△Tmin。

所謂“能量松弛法”，就是把換熱網(wǎng)絡(luò)從最大能量回收的緊張狀態(tài)“熱量交換網(wǎng)絡(luò)的“消融”與“松弛”（能量集成章節(jié)補(bǔ)充材料）問(wèn)題:△Tmin要求為10℃，試設(shè)計(jì)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)。熱量交換網(wǎng)絡(luò)的“消融”與“松弛”（能量集成章節(jié)補(bǔ)充材料）問(wèn)題解：①、首先根據(jù)△Tmin=10℃和各流股的進(jìn)出口溫度重新劃分溫度區(qū)間；溫度區(qū)間劃分原則：對(duì)冷流股：區(qū)間溫度值＝原溫度＋△Tmin/2對(duì)熱流股：區(qū)間溫度值＝原溫度－△Tmin/2解：①、首先根據(jù)△Tmin=10℃和各流股的進(jìn)出口溫度重新劃②、計(jì)算各溫度區(qū)間的焓變；－102－3.430－28－0.470－30－3.010301.030303.010△H∑CPC－∑CPH區(qū)間溫差流股溫度變化區(qū)間區(qū)間溫度邊界值3565135145175185C1C2H1H2②、計(jì)算各溫度區(qū)間的焓變；－102－3.430－28－0.4③、構(gòu)筑假想（理想）的熱階流圖185－－－－－－－－030175－－－－－－－－－3030145－－－－－－－－－60

－30135－－－－－－－－－30

－2865－－－－－－－－－2

－10235－－－－－－－－100④、構(gòu)筑最小傳熱溫差下可行的優(yōu)化熱階流圖185－－－－－－－－6030175－－－－－－－－3030145－－－－－－－－0

－30135－－－－－－－－30

－2865－－－－－－－－58

－10235－－－－－－－－160－102－3.430－28－0.470－30－3.010301.030303.0103565135145175185C1C2H1H2③、構(gòu)筑假想（理想）的熱階流圖185－－－－－－－－QHmin＝60KWQCmin＝160KW窄點(diǎn)溫度（PinchPoint）：145℃熱流股熱窄點(diǎn)溫度（PinchPoint）：150℃冷流股冷窄點(diǎn)溫度（PinchPoint）：140℃在要求：△Tmin＝10℃情況下：⑤、Pinch理論計(jì)算結(jié)果QHmin＝60KWQCmin＝160KW窄點(diǎn)溫度（Pi⑥、Pinch理論最節(jié)省能量的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)40℃130℃150℃180℃140℃180℃60℃30℃窄點(diǎn)溫度（PinchPoint）：145℃熱流股熱窄點(diǎn)溫度（PinchPoint）：150℃冷流股冷窄點(diǎn)溫度（PinchPoint）：140℃⑥、Pinch理論最節(jié)省能量的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)40℃130℃1540℃130℃150℃180℃140℃180℃60℃30℃H1H2C1C240℃130℃150℃180℃140℃180℃60℃30℃H最節(jié)省能量換熱網(wǎng)絡(luò)集成過(guò)程：40℃130℃150℃180℃140℃180℃60℃30℃H1H2C1C2160℃QHmin＝60KWQCmin＝160KW80℃60kW110℃140kW83.85℃110℃100℃120kW140℃120kW126.67℃2.04.03.02.680kW最節(jié)省能量換熱網(wǎng)絡(luò)集成過(guò)程：40℃130℃150℃180℃1核算所有換熱器的對(duì)數(shù)傳熱溫差核算所有換熱器的對(duì)數(shù)傳熱溫差C1C2H1H2180℃150℃140℃160℃180℃100℃126.67℃150℃140℃60℃110℃110℃40℃30℃83.85℃130℃110℃110℃80℃40℃C1C2H1H2180℃150℃140℃160℃180℃10⑦、Pinch理論中換熱網(wǎng)絡(luò)的“松弛”與“消融”H12.0H24.0C13.0C22.6180℃150℃110℃40℃150℃140℃110℃80℃40℃60℃100℃126.67℃140℃160℃180℃130℃83.85℃30℃60kW60kW40kW80kW120kW160kW120kW140kW⑦、Pinch理論中換熱網(wǎng)絡(luò)的“松弛”與“消融”H1H2C1第一次‘‘消融”（firstheatloop）H12.0H24.0C13.0C22.6180℃110℃40℃150℃140℃110℃80℃40℃60℃100℃113.33℃160℃180℃130℃83.85℃30℃140kW60kW40kW120kW160kW120kW140kW違反（violation）△Tmin第一次‘‘消融”（firstheatloop）H1HH12.0H24.0C13.0C2180℃123.33℃40℃150℃140℃110℃80℃40℃60℃100℃113.33℃160℃180℃130℃83.85℃30℃140-x60+x40kW120kW160+x120-x140+x140－x＝2（180－123.33）＝113.33kWx=26.67kWShiftingheatloadsH1H2C1C2180℃123.33℃40℃150℃140℃H1H2C1C2180℃123.33℃40℃150℃140℃116.66℃86.66℃40℃60℃100℃113.33℃151.1℃180℃130℃94.1℃30℃113.33kW86.66kW40kW120kW186.66kW93.33kW166.66kW第一次‘‘消融”結(jié)果：H1H2C1C2180℃123.33℃40℃150℃140℃第二次‘‘消融”（secondheatloop）H1H2C1C2180℃123.33℃40℃150℃140℃116.66℃86.66℃40℃60℃100℃113.33℃151.1℃180℃130℃94.1℃30℃113.33kW86.66kW40kW120kW186.66kW93.33kW166.66kW第二次‘‘消融”（secondheatloop）H1H1H2C1C2180℃123.33℃40℃150℃126.66℃86.66℃40℃60℃113.33℃151.1℃180℃130℃94.1℃30℃113.33kW86.66kW160kW186.66kW93.33kW166.66kW第一次‘‘消融”結(jié)果：第二次“消融”過(guò)程不違反（violation）△TminH1H2C1C2180℃123.33℃40℃150℃126.H1H2C1C2180℃123.33℃40℃150℃126.66℃86.66℃40℃60℃113.33℃151.1℃180℃130℃94.1℃30℃113.33kW86.66kW160kW186.66kW93.33kW166.66kW“松弛”：以熱負(fù)荷“集中”為基本原則，減少內(nèi)部換熱器數(shù)量H1H2C1C2180℃123.33℃40℃150℃126.H1H2C1C2180℃170℃40℃150℃86.66℃40℃60℃144.44℃151.1℃180℃130℃30℃20kW86.66kW253.33kW186.66kW260kW違反（violation）△TminH1H2C1C2180℃170℃40℃150℃86.66℃4H1H2C1C2180℃170℃40℃150℃90℃40℃60℃140℃146.67℃180℃130℃30℃20kW100kW240kW200kW260kW“松弛”調(diào)整：減少被“松弛”的換熱器熱負(fù)荷，使其滿足最小推動(dòng)力要求。H1H2C1C2180℃170℃40℃150℃90℃40℃6C1C2H1H2180℃60℃110℃30℃130℃40℃170℃20kW100kW260kW240kW200kW150℃90℃40℃140℃146.67℃180℃優(yōu)化后的熱交換網(wǎng)絡(luò)圖：C1C2H1H2180℃60℃110℃30℃130℃40℃140℃130℃150℃180℃140℃180℃60℃30℃H1H2C1C22.04.03.02.6170℃90℃146.67℃QH＝100KWQC＝200KW40℃130℃150℃180℃140℃180℃60℃30℃H

前面已經(jīng)計(jì)算出窄點(diǎn)溫度為150℃，熱流股窄點(diǎn)溫度為160℃，冷流股窄點(diǎn)溫度為140℃（在△Tmin＝20℃）

而且已經(jīng)計(jì)算出，QHmin＝11.5MW，QCmin＝14MW。例題：

那么，如何根據(jù)窄點(diǎn)技術(shù)的原則還在這4個(gè)流股之間進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)呢？熱量交換網(wǎng)絡(luò)的“消融”與“松弛”（能量集成章節(jié)補(bǔ)充材料）而且已經(jīng)計(jì)算出，QHmin＝11.40℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃60℃20℃H1，CP=0.15H2，CP=0.25C1，CP=0.2C2，CP=0.3133.33℃191.67℃146.67℃13.5MW168℃20MW40℃40℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃各換熱器流股進(jìn)出口溫度、熱負(fù)荷及逆流對(duì)數(shù)傳熱溫差C211.5230191.67QHmin加熱器H11440133.33QCmin冷卻器28.85201404080160H2－C1116.644020133.33160H1－C129.828180140168200H2－C119.762146.67140160168H2－C260.613.5191.67146.67160250H1－C2對(duì)數(shù)溫差（℃）熱負(fù)荷（MW）冷流股出（℃）冷流股進(jìn)（℃）熱流股出（℃）熱流股進(jìn)（℃）各換熱器流股進(jìn)出口溫度、熱負(fù)荷及逆流對(duì)數(shù)傳熱溫差C211.5HC優(yōu)化設(shè)計(jì)的熱交換網(wǎng)絡(luò)H2H1C1C2H1－C2250℃160℃146.67℃191.67℃230℃180℃200℃168℃140℃140℃160℃80℃133.33℃40℃20℃40℃H2－C2H2－C1H2－C1H1－C1HC優(yōu)化設(shè)計(jì)的熱交換網(wǎng)絡(luò)H2H1C1C2H1－C2250℃1問(wèn)題：這個(gè)復(fù)雜的熱交換網(wǎng)絡(luò)能否通過(guò)“消融”和“松弛”進(jìn)行簡(jiǎn)化？簡(jiǎn)化前后，能量的節(jié)省情況如何變化？問(wèn)題：上述熱交換的網(wǎng)絡(luò)圖表示法：H10.15250℃160℃133.33℃40℃200℃168℃160℃80℃20℃40℃140℃180℃140℃146.67℃191.67℃230℃H20.25C10.2C20.313.5MW11.5MW14MW8MW2MW20MW4MW上述熱交換的網(wǎng)絡(luò)圖表示法：H1250℃160℃133.33℃H10.15250℃160℃133.33℃40℃200℃168℃160℃80℃20℃40℃140℃180℃140℃146.67℃191.67℃230℃H20.25C10.2C20.313.5MW11.5MW14MW8MW2MW20MW4MW“消融”：去掉換熱回路H1250℃160℃133.33℃40℃200℃168℃16H10.15250℃160℃133.33℃40℃200℃200℃192℃80℃20℃40℃180℃180℃140℃146.67℃191.67℃230℃H20.25C10.2C20.313.5MW11.5MW14MW2MW28MW4MW也遵循“小向大靠”的負(fù)荷集中原則但融合后的換熱器違反推動(dòng)力限制H1250℃160℃133.33℃40℃200℃200℃19H10.15250℃160℃133.33℃40℃200℃200℃200℃80℃20℃40℃180℃180℃140℃146.67℃191.67℃230℃H20.25C10.2C20.313.5MW11.5MW14MW2MW28MW4MW“消融”時(shí)熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移調(diào)整：H1250℃160℃133.33℃40℃200℃200℃20H10.15250℃160℃146.67℃40℃200℃200℃80℃20℃30℃180℃180℃140℃140℃185℃230℃H20.25C10.2C20.313.5MW13.5MW16MW30MW2MW“消融”時(shí)熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移調(diào)整并同時(shí)松弛：H1250℃160℃146.67℃40℃200℃200℃80上述消融和松弛后熱交換的網(wǎng)絡(luò)的線圈圖表示法：HCH2H1C1C2H1－C2250℃160℃185℃230℃180℃200℃140℃80℃146.67℃30℃20℃40℃H2－C1H1－C1上述消融和松弛后熱交換的網(wǎng)絡(luò)的線圈圖表示法：HCH2H1C1核算所有換熱器的對(duì)數(shù)傳熱溫差核算所有換熱器的對(duì)數(shù)傳熱溫差40℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃60℃20℃H1，CP=0.15H2，CP=0.25C1，CP=0.2C2，CP=0.3133.33℃191.67℃146.67℃168℃20MW40℃13.5MW40℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃40℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃60℃20℃H1，CP=0.15H2，CP=0.25C1，CP=0.2C2，CP=0.330℃185℃13.5MW30MW146.67℃2MW16MW13.5MW40℃80℃160℃140℃200℃250℃180℃230℃有如下二個(gè)熱流股和二個(gè)冷流股：要求△Tmin＝10℃；（1）、用Pinch原理的問(wèn)題列表法計(jì)算該熱交換網(wǎng)絡(luò)的窄點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)對(duì)外界的最小熱量需求和最小冷量需；（2）、設(shè)計(jì)該優(yōu)化的熱交換網(wǎng)絡(luò)，用線圈圖表示出來(lái)。有如下二個(gè)熱流股和二個(gè)冷流股：要求△Tmin＝10℃；熱交換網(wǎng)絡(luò)及能量管理課件溫度區(qū)間（℃）區(qū)間流股△T（℃）∑CPC－∑CPH區(qū)間焓變(kW)35530527524515550303090-300100-400300-150003000-1200027000145106006000H1H2C1C23005007004001252020040007550-500-25000溫度區(qū)間（℃）區(qū)間流股△T（℃）∑3、構(gòu)筑熱階流圖熱源355℃0-15000305℃150003000275℃12000-12000245℃240002700075℃12000

冷源155℃-3000-250006000145℃-90004000125℃-13000熱源355℃13000-15000305℃280003000275℃25000-12000245℃370002700075℃25000

冷源155℃10000-250006000145℃40004000125℃03、構(gòu)筑熱階流圖熱源355℃0-15000305℃150得到窄點(diǎn)溫度為125℃；熱流股窄點(diǎn)溫度為130℃，冷流股窄點(diǎn)溫度為120℃；QCmin＝25000kW，QHmin＝13000kW得到窄點(diǎn)溫度為125℃；801001201401601802002202402602803003203403607090110130150170190210230250270290310330350300500700400130267.5QH＝13000KWQC＝25000KW227.1475000kW3308028036016024012014030051000kW9000kW801001201401601802002202402602C1C2H1H2HC140℃267.5℃300℃120℃227.14℃240℃360℃330℃160℃280℃130℃80℃51000kW75000kW13000kW9000kW25000kWC1C2H1H2HC140℃267.5℃300℃120℃225QHmin加熱器H2500080130QCmin冷卻器25.775000227.1412