1、本学时讲授内容 第五节能量管理及热交换网络 4.5 能量管理及热交换网络能量管理及热交换网络能量集成与管理；对于一个工程，要细致考虑、合理安排进出每一个操作单元的每一个流股的顺序或流经的途径，也就是要仔细考虑各流股的能量搭配和综合利用问题，以最经济地完成由原料到产品的生产过程。因为对于每一种产品成本来讲，直接成本中最重要的内容之一是水、电、汽等公用工程的消耗指标，而这一消耗与过程流股的能量组合密切相关。能量组合的基本原则 尽量应用内部能源（流程内流股的能量或反应热、相变热等）代替外部能源（水、电、汽等公用工程提供），这是降低成本的基本途径之一。热交换网络、多效蒸发、多级结晶等多级过程就是一种节
2、能的组合方案。以海水淡化为例，使用精馏法分离海水：一、热交换网络的提出一、热交换网络的提出 一个化工生产过程的流程中，经常需要加热或一个化工生产过程的流程中，经常需要加热或冷却许多流股，最简单的方案是按各流股的质量流冷却许多流股，最简单的方案是按各流股的质量流速、热负荷、进出口温度要求，分别引入外部热源速、热负荷、进出口温度要求，分别引入外部热源或外部冷源，即用热水、蒸汽加热或用冷却水、冷或外部冷源，即用热水、蒸汽加热或用冷却水、冷冻液冷却。冻液冷却。这种设计虽简单，设备投资费较少，但热力学这种设计虽简单，设备投资费较少，但热力学效率常常是很低，能耗较大，一般是不经济。效率常常是很低，能耗较大
3、，一般是不经济。同时可以看到，一个化工流程的内部，有一些较同时可以看到，一个化工流程的内部，有一些较高温的流股需要被冷却，而一些较低温的流股需要被高温的流股需要被冷却，而一些较低温的流股需要被加热，所以可以考虑将这些流股搭配起来，加热，所以可以考虑将这些流股搭配起来，在流程内在流程内部用需要被冷却的较高温的流股来加热需要热量的低部用需要被冷却的较高温的流股来加热需要热量的低温的流股，温的流股，可以实现能量的有效利用，从而节约了能可以实现能量的有效利用，从而节约了能量源，降低成本。量源，降低成本。减少流程对外界热源和冷源的需求，尽量使用流减少流程对外界热源和冷源的需求，尽量使用流程内部的冷热流股
4、互相搭配，以达到节约能源的目的。程内部的冷热流股互相搭配，以达到节约能源的目的。在流程内建立热交换网络的根本目的：在流程内建立热交换网络的根本目的：但会相应增加换热器投资。但会相应增加换热器投资。热交换网络的发展热交换网络的发展热交换网络的合成方法，早在热交换网络的合成方法，早在20世纪世纪70年代，年代，Ponton和和Nishia曾提出试探法曾提出试探法；80年代末英国人（年代末英国人（UMIST）Linnhoff又发明了窄点又发明了窄点技技术（术（Pinch Technique）；）；随着计算机应用的迅速发展，人工智能技术也被应用随着计算机应用的迅速发展，人工智能技术也被应用到热交换网络
5、合成领域，如专家系统、神经网络模型到热交换网络合成领域，如专家系统、神经网络模型等。等。窄点技术是过程系统最优化的核心技术，针对过程系统的整体窄点技术是过程系统最优化的核心技术，针对过程系统的整体进行优化设计，包括冷热流股的匹配，公用工程的类型和能级进行优化设计，包括冷热流股的匹配，公用工程的类型和能级选择等。因此，窄点技术代表了一种全新的，强有力的设计方选择等。因此，窄点技术代表了一种全新的，强有力的设计方法。法。窄点技术因方法简单、灵活、实用，易于理解和掌握，在世窄点技术因方法简单、灵活、实用，易于理解和掌握，在世界范围内（包括赫斯特、拜尔界范围内（包括赫斯特、拜尔、联碳、蒙山都、杜邦、联
6、碳、蒙山都、杜邦、ICI等）得到迅速推广，并取得令人瞩目的成果。等）得到迅速推广，并取得令人瞩目的成果。二、基本概念及热交换系统表示方法二、基本概念及热交换系统表示方法 1、换热网络的名词及假设、换热网络的名词及假设热流热流：热交换网络内，那些需要由起始温度冷却到：热交换网络内，那些需要由起始温度冷却到目标温度的流股。目标温度的流股。冷流冷流：热交换网络内，那些需要由起始温度被加热：热交换网络内，那些需要由起始温度被加热到目标温度的流股。到目标温度的流股。Th,i 热流出口热流出口Th,o 热流进口热流进口Tc,i 冷流进口冷流进口 Tc,o 冷流出口冷流出口TTTh,iTh,oTc,oTc,
7、iTh,iTh,oTc,oTc,i传热温差传热温差传热温差传热温差传热过程传热过程Q=FhCp,h(Th,i-Th,o)=FcCp,c(Tc,o-Tc,i)Q=UA(T)L,M 根据热量平衡原理，热流放出的热量等于冷流吸收的热量：根据热量平衡原理，热流放出的热量等于冷流吸收的热量：对于逆流换热，传热速率方程：对于逆流换热，传热速率方程：式中 Q热负荷，kJ/h;U换热系数，kJ/(M2h);A传热面积，m2；TL,M对数平均温度差，C。h热流；c冷流；i进；o出。在换热器两端存在温差的情况下，才能在有在换热器两端存在温差的情况下，才能在有限换热面积限换热面积A上发生换热，也就是说必须维上发生换
8、热，也就是说必须维持热端和冷端温差以使持热端和冷端温差以使 才行。这才行。这里里 和和 ；Tmin称换称换热流体的最小温差。热流体的最小温差。minTT c,oh,iTTTc,ih,oTTT随着最小传热温差的增加，投资成本降低，操作成本增加，总随着最小传热温差的增加，投资成本降低，操作成本增加，总成本存在一个最小值。最小传热温差成本存在一个最小值。最小传热温差 Tmin通常为通常为1020 年固定投资费用年固定投资费用年操作费用年操作费用总年费用总年费用年费用年费用 用最小传热温差平衡投资和操作成本用最小传热温差平衡投资和操作成本 目标方程：目标方程：根据限定条件使冷、热公用工程耗量最小根据限
9、定条件使冷、热公用工程耗量最小 Minimize（QH+QC）限定条件：限定条件：各股物流的目标温度各股物流的目标温度 必须维持热端和冷端温差以使必须维持热端和冷端温差以使minTT 假设：假设：冷热流股逆流换热，采用对数平均温差计算总传热量；冷热流股逆流换热，采用对数平均温差计算总传热量；各冷热流股的热容各冷热流股的热容Cp值在换热温度范围内不随温度而变。值在换热温度范围内不随温度而变。热交换网络的最优化问题热交换网络的最优化问题2、热交换网络的表示方法热交换网络的表示方法线圈表示法线圈表示法矩阵表示法矩阵表示法网络表示法网络表示法热焓图表示法热焓图表示法温度温度焓图焓图（TH图）表示法图）
10、表示法（1）线、圈表示法线、圈表示法1423C1C2H1H2H3（2）矩阵表示法矩阵表示法H1H2H3C113C224（3）网络图表示法网络图表示法13C21H23H1H2C1C213C2HC1C2H1H2与其等价的线、圈表示图与其等价的线、圈表示图（4）热焓图表示法热焓图表示法单个流股的温度热焓直线图单个流股的温度热焓直线图多个流股的温度热焓复合曲线（折线多个流股的温度热焓复合曲线（折线）图（流股组合曲线）图（流股组合曲线）（5）温焓图（温焓图（TH图）表示法图）表示法三、流股的温度热焓复合曲线三、流股的温度热焓复合曲线 对于一个进口温度（对于一个进口温度（Ti），目标温度（），目标温度（T
11、o）均已）均已知。流量为知。流量为F，热容为，热容为Cp（不随温度而变的恒值）的（不随温度而变的恒值）的流股，其焓变可表示为：流股，其焓变可表示为：1、单个流股的温度热焓直线图、单个流股的温度热焓直线图)(iopTTpTTFCdTFCHoi1/CP CPFCp/1/该直线的斜率为：则：（称为热容流率）令率为：在温度热焓图上的斜pFCHTdHdtHH2、多个流股的温度热焓复合曲线（折线）图、多个流股的温度热焓复合曲线（折线）图例如：A冷流股，热容流率CPA，温度从T5T2B冷流股，热容流率CPB，温度从T3T1C冷流股，热容流率CPC，温度从T4T2THT1T2T3T4T5ABCTHT1T2T3
12、T4T5ABCTHT1T2T3T4T5T5T4区间，斜率：区间，斜率：1/CPA;T4T3区间，斜率：区间，斜率：1/(CPA+CPC);T3T2区间，斜率：区间，斜率：1/(CPA+CPB+CPC);T2T1区间，斜率：区间，斜率：1/CPB;复合复合区间总焓变为：区间总焓变为：CPA（T4T5）区间总焓变为：（区间总焓变为：（CPACPC）（）（T3T4）区间总焓变为：（区间总焓变为：（CPACPBCPC）（）（T2T3）区间总焓变为：区间总焓变为：CPB（T1T2）这样就完成了多流股的这样就完成了多流股的温度热焓复合曲线（折线）。温度热焓复合曲线（折线）。THTmin窄点窄点窄点（Pin
13、ch）THTminQHminQCminQRmax窄点窄点窄点（窄点（Pinch）四、窄点、热交换网络的最小能耗、热交换网络的合成四、窄点、热交换网络的最小能耗、热交换网络的合成1、复合曲线法（、复合曲线法（Composite Curves）例题：下表列出了冷、热各两股流的起始温度和目标例题：下表列出了冷、热各两股流的起始温度和目标温度，并给出了其热容流率。假设最小传热温差，温度，并给出了其热容流率。假设最小传热温差，Tmin要求为要求为20。1、根据窄点（、根据窄点（Pinch）原理，请画出复合曲线）原理，请画出复合曲线（Composite Curves），标出正确的），标出正确的Pinch点
14、；点；2、计算出最大的回收能量（、计算出最大的回收能量（QREC）、外界最小输入）、外界最小输入冷量（冷量（QCmin）和外界最小加热量（）和外界最小加热量（QHmin）。）。流股流股类型类型进口温度进口温度Ti()出口温度出口温度To()热容流率热容流率CP（MW）1冷冷201800.22冷冷1402300.33热热200800.254热热250400.15解：解：先在温度热焓坐标图上画出两条热流股两条热流股的复合曲线。其温度区间范围：40 80 200 250 热流热流4热流热流3热流热流4热流热流4斜率1/0.15斜率1/0.4斜率1/0.15流股类型进口温度Ti()出口温度To()热容
15、流率CP（MW）1冷201800.22冷1402300.33热200800.254热250400.15再在温度热焓坐标图上画出两条冷流股两条冷流股的复合曲线。其温度区间范围：20 140 180 230 冷流冷流1冷流冷流1冷流冷流2冷流冷流2斜率1/0.2斜率1/0.5斜率1/0.3流股类型进口温度Ti()出口温度To()热容流率CP（MW）1冷201800.22冷1402300.33热200800.254热250400.15本学时讲授内容 4.5能量管理及热交换网络 四、窄点、热交换网络的最小能耗、热交换网络的合成四、窄点、热交换网络的最小能耗、热交换网络的合成1、复合曲线法（、复合曲线法
16、（Composite Curves）例题：下表列出了冷、热各两股流的起始温度和目标例题：下表列出了冷、热各两股流的起始温度和目标温度，并给出了其热容流率。假设最小传热温差，温度，并给出了其热容流率。假设最小传热温差，Tmin要求为要求为20。1、根据窄点（、根据窄点（Pinch）原理，请画出复合曲线）原理，请画出复合曲线（Composite Curves），标出正确的），标出正确的Pinch点；点；2、计算出最大的回收能量（、计算出最大的回收能量（QREC）、外界最小输入）、外界最小输入冷量（冷量（QCmin）和外界最小加热量（）和外界最小加热量（QHmin）。）。流股流股类型类型进口温度进口
17、温度Ti()出口温度出口温度To()热容流率热容流率CP（MW）1冷冷201800.22冷冷1402300.33热热200800.254热热250400.15解：解：先在温度热焓坐标图上画出两条热流股两条热流股的复合曲线。其温度区间范围：40 80 200 250 热流热流4热流热流3热流热流4热流热流4斜率1/0.15斜率1/0.4斜率1/0.15流股类型进口温度Ti()出口温度To()热容流率CP（MW）1冷201800.22冷1402300.33热200800.254热250400.15再在温度热焓坐标图上画出两条冷流股两条冷流股的复合曲线。其温度区间范围：20 140 180 230
18、冷流冷流1冷流冷流1冷流冷流2冷流冷流2斜率1/0.2斜率1/0.5斜率1/0.3流股类型进口温度Ti()出口温度To()热容流率CP（MW）1冷201800.22冷1402300.33热200800.254热250400.15 将热流股的复合曲线放在上方，冷流股的复合曲线放在下将热流股的复合曲线放在上方，冷流股的复合曲线放在下方，形成组合的复合曲线。方，形成组合的复合曲线。Tmin=20QCminQRECQHminQCmin14MWQREC47.5MWQHmin11.5MW窄点窄点窄点温度窄点温度150热流股窄点温度热流股窄点温度150 Tmin/2160（热窄点温度热窄点温度）冷流股窄点温
19、度冷流股窄点温度150 Tmin/2140（冷窄点温度冷窄点温度）2、问题列表法（、问题列表法（The problem table algorithm）流股流股类型类型Ti()To()CP（MW）1冷冷201800.22冷冷1402300.33热热200800.254热热250400.15解：解：、首先根据、首先根据Tmin=20和各流股的进出口温度重新划分和各流股的进出口温度重新划分温度区间；温度区间；流流股股类型类型Ti()To()Ti()To()1冷冷20180301902冷冷1402301502403热热20080190704热热2504024030温度区间划分原则：温度区间划分原则：
20、对冷流股：对冷流股：区间温度值原温度区间温度值原温度 Tmin/2对热流股：对热流股：区间温度值原温度区间温度值原温度 Tmin/220.0540160.28040.1407.50.1550H（MW）CPCCPHT（）流股分配流股分配温度间隔温度间隔12330701501902404流股流股类型类型Ti()To()CP（MW）1冷冷301900.22冷冷1502400.33热热190700.254热热240300.15其中：其中：H 表示各温度区间热量衡算值（焓变），由于采用表示各温度区间热量衡算值（焓变），由于采用CPCCPH，若若H 0，则表示该区间热量不足，反之逆然。，则表示该区间热量不
21、足，反之逆然。、计算各温度区间的焓变；、计算各温度区间的焓变；21647.5H（MW）温度间隔3070150190240、画出理想的热阶流图、画出理想的热阶流图热源2400 MWH7.51907.5MWH415011.5MWH16704.5MWH2302.5 MW 冷源先假设无外界先假设无外界热源输入热源输入最大热量亏欠值最大热量亏欠值假想最节能热阶流图假想最节能热阶流图、画出可行的热阶流图、画出可行的热阶流图热源热源2400 MWH7.51907.5MWH415011.5MWH16704.5MWH2302.5 MW 冷源冷源先假设无外界先假设无外界热源输入热源输入热源热源24011.5 MW
22、H7.51904MWH41500 MWH167016 MWH23014 MW 冷源冷源最大热量亏欠值最大热量亏欠值窄点窄点为越过热力学为越过热力学瓶颈，需要最瓶颈，需要最小外界热量小外界热量多余的热量，多余的热量，需要外界冷需要外界冷源匹配源匹配假想最节能热阶流图假想最节能热阶流图可行的最节能热阶流图可行的最节能热阶流图 问题列表方法的优点：准确可靠，简单问题可手工计算，问题列表方法的优点：准确可靠，简单问题可手工计算，复杂问题可借助专门的热交换网络计算软件进行计算。复杂问题可借助专门的热交换网络计算软件进行计算。H（MW）温度（温度（）11.511.52402404 41901900 015
23、01501616707014143030、画出总复合曲线、画出总复合曲线根据可行的最节能热阶流图数据根据可行的最节能热阶流图数据例题热交换网络的总复合曲线例题热交换网络的总复合曲线3、窄点特性和热交换网络设计原则、窄点特性和热交换网络设计原则QCminQHmin 在温度热在温度热焓图中的总复合焓图中的总复合曲线中，直线段曲线中，直线段斜率为正，表示斜率为正，表示热量不足，斜率热量不足，斜率为负，表示热量为负，表示热量多余。多余。窄点以上，热交换网络只需要外界热源，是窄点以上，热交换网络只需要外界热源，是换热系统换热系统的的“热阱热阱”窄点以下，热交换网络只需要外界冷源，是窄点以下，热交换网络只
24、需要外界冷源，是换热系统的换热系统的内部内部“热源热源”窄点之处无热量通过，窄点上、下之间无热量交换窄点之处无热量通过，窄点上、下之间无热量交换THTminQHminQCminQRmax窄点窄点“热阱热阱”“热源热源”“热阱”和“热源”通俗讲：通俗讲：1、窄点以上：、窄点以上：热流股需要冷却时，只能是内部流股搭配，也就是说使用热流股需要冷却时，只能是内部流股搭配，也就是说使用位于窄点以上冷流股提供的冷量而不能使用外界冷源；冷流股位于窄点以上冷流股提供的冷量而不能使用外界冷源；冷流股需要加热时，可以使用位于窄点以上热流股提供的热量，不足需要加热时，可以使用位于窄点以上热流股提供的热量，不足部分使
25、用外界热源。部分使用外界热源。2、窄点以下：、窄点以下：冷流股需要加热时，只能是内部流股搭配，也就是说使用位于冷流股需要加热时，只能是内部流股搭配，也就是说使用位于窄点以下热流股提供的热量而不能使用外界热源；热流股需要窄点以下热流股提供的热量而不能使用外界热源；热流股需要冷却时，可以使用位于窄点以下冷流股提供的冷量，不足部分冷却时，可以使用位于窄点以下冷流股提供的冷量，不足部分使用外界冷源。使用外界冷源。最大回收能量（最节能）的热交换网络设计原则：最大回收能量（最节能）的热交换网络设计原则：、换热网络内温度高于窄点的流股，只要其温度变化、换热网络内温度高于窄点的流股，只要其温度变化范围在范围在
26、窄点以上窄点以上，就，就不能引入外界冷源不能引入外界冷源来进行冷却，而来进行冷却，而应该用系统内流股与之搭配（或引入外界热源）；应该用系统内流股与之搭配（或引入外界热源）；、换热网络内温度低于窄点的流股，只要其温度变化、换热网络内温度低于窄点的流股，只要其温度变化范围在范围在窄点以下窄点以下，就，就不能引入外界热源不能引入外界热源来进行加热，而来进行加热，而应该用系统内流股与之搭配（或引入外界冷源）应该用系统内流股与之搭配（或引入外界冷源）；窄点之处无热量通过，窄点上、下之间无热量交换窄点之处无热量通过，窄点上、下之间无热量交换4、热交换网络合成（设计）、热交换网络合成（设计）还是针对上述例题
27、：还是针对上述例题：流股流股类型类型进口温度进口温度Ti()出口温度出口温度To()热容流率热容流率CP（MW）1冷冷201800.22冷冷1402300.33热热200800.254热热250400.15 前面已经计算出窄点温度为前面已经计算出窄点温度为150，热流股窄点温度为，热流股窄点温度为160，冷流股窄点温度为，冷流股窄点温度为140（在（在Tmin20）而且已经计算出，而且已经计算出，QHmin11.5MW，QCmin14MW。那么，如何根据窄点技术的原则还在这那么，如何根据窄点技术的原则还在这4个流股之间个流股之间进行换热网络的设计呢？进行换热网络的设计呢？40801601402
28、002501802306020H1，CP=0.15H2，CP=0.25C1，CP=0.2QHminQCmin133.33191.67C2，CP=0.340801601402002501802306020H1，CP=0.15H2，CP=0.25C1，CP=0.2C2，CP=0.3133.33191.67146.6713.5MW16840801601402002501802306020H1，CP=0.15H2，CP=0.25C1，CP=0.2C2，CP=0.3133.33191.67146.6713.5MW16820MW40各换热器流股进出口温度、热负荷及逆流对数传热温差各换热器流股进出口温度、热
29、负荷及逆流对数传热温差C211.5230191.67QHmin加热器加热器H11440133.33QCmin冷却器冷却器28.85201404080160H2C1116.644020133.33160H1C129.828180140168200H2C120.762146.67140160168H2C260.613.5191.67146.67160250H1C2对数温差对数温差（）热负荷热负荷（MW）冷流股出冷流股出（）冷流股进冷流股进（）热流股出热流股出（）热流股进热流股进（）HC优化设计的热交换网络优化设计的热交换网络H2H1C1C2H1C2250160146.67191.672301802
30、0016814014016080133.33402040H2C2H2C1H2C1H1C1进口温度（）出口温度（）热容流率（kW/）H138060500C1120240300C2140300400有如下一个热流股和二个冷流股：要求Tmin10；（1）、用Pinch原理的问题列表法计算该热交换网络的窄点、网络对外界的最小热量需求和最小冷量需求；（2）、设计该优化的热交换网络，用线圈图表示出来。1、重新划分温度区间、重新划分温度区间解：解：进口温度（）出口温度（）热容流率（kW/）H138060500C1120240300C2140300400进口温度（）出口温度（）热容流率（kW/）H137555
31、500C1125245300C21453054002、构筑温度区间图并计算区间焓变、构筑温度区间图并计算区间焓变温度区间（）区间流股 T（）CPCCPH 区间焓变(kW)375305245145125706010020-500-100200-200-35000-600020000 -40005570-500 -35000H1 C1 C2 500 300 4003、构筑热阶流图、构筑热阶流图热源3750 -3500030535000 -600024541000 2000014521000 -40005560000 冷源12525000 -35000 因为整个过程热量有余，无热力学亏空陷阱；因为整
32、个过程热量有余，无热力学亏空陷阱；假想和实际可行的热阶流图相同。假想和实际可行的热阶流图相同。得到窄点温度为375；热流股窄点温度为380，冷流股窄点温度为370；QCmin60000kW，QHmin0 热交换网络中所有流股的温度变化范围都在窄点热交换网络中所有流股的温度变化范围都在窄点温度以下。窄点温度出现在热阶流图的最高点。温度以下。窄点温度出现在热阶流图的最高点。25238060280120200504013021029037036064000kW60000kW36000kW4、配置换热网络、配置换热网络50030040018014030060180252300240H138012014
33、0C60000kW64000kW36000kW5、用线圈法表示换热网络、用线圈法表示换热网络C1C2有如下一个热流股和二个冷流股：进口温度（）出口温度（）热容流率（kW/）H1200130500C1120240700C2140300400要求Tmin10；（1）、用Pinch原理的问题列表法计算该热交换网络的窄点、网络对外界的最小热量需求和最小冷量需求；（2）、设计该优化的热交换网络，用线圈图表示出来。1、重新划分温度区间、重新划分温度区间进口温度（）出口温度（）热容流率（kW/）H1195125500C1125245700C2145305400进口温度（）出口温度（）热容流率（kW/）H12
34、00130500C1120240700C2140300400解：解：2、构筑温度区间图并计算区间焓变、构筑温度区间图并计算区间焓变温度区间（）区间流股 T（）CPCCPH 区间焓变 （kW）305245195145125H1 C1 C2605050204001100 500 700 400600200240005500030000 40003、构筑热阶流图、构筑热阶流图热源3050 2400024524000 5500019579000 30000145109000 4000125113000 冷源假想最节能热阶流图假想最节能热阶流图热源305113000 2400024589000 5500
35、019534000 300001454000 40001250 冷源可行的最节能热阶流图可行的最节能热阶流图得到窄点温度为125；热流股窄点温度为130，冷流股窄点温度为120；QCmin0，QHmin113000kW 热交换网络中所有流股的温度变化范围都在窄点热交换网络中所有流股的温度变化范围都在窄点温度以上。窄点温度出现在热阶流图的最低点。温度以上。窄点温度出现在热阶流图的最低点。30014020024016020013012017021025029028030049000kW64000kW35000kW1704、配置换热网络、配置换热网络500700400170300240H120012
36、0140HH13049000kW64000kW35000kW5、用线圈法表示换热网络、用线圈法表示换热网络C1C21、进行物流匹配，注意穿过窄点没有热交换，、进行物流匹配，注意穿过窄点没有热交换，并留心最小温差并留心最小温差2、每一个匹配物流，决定换热器进出口温度：、每一个匹配物流，决定换热器进出口温度：Qex=FCp(T2 T1)=FCp(t2 t1)3、如果有包含焓变的物流数据表，则有助于我、如果有包含焓变的物流数据表，则有助于我们决定匹配物流的最好办法们决定匹配物流的最好办法建立热交换网络建立热交换网络5、几种热交换网络设计节能比较、几种热交换网络设计节能比较流股类型 进口温度Ti()出
37、口温度To()热容流率CP（MW）焓差（变）（MW）1冷201800.2322冷1402300.3273热200800.25304热250400.1531.5、最简单的方法（最笨的方法）、最简单的方法（最笨的方法）分别用二个加热器和二个冷却器对2个冷流股进行加热、对2个热流股进行冷却。这种方法的总能耗：这种方法的总能耗：120.5 MWTmin=20QCminQRECQHminQCmin14MWQREC47.5MWQHmin11.5MW窄点窄点、部分优化的方法、部分优化的方法30MW31.5MW27.5MW这种方法的总能耗：这种方法的总能耗：3027.557.5 MW、几种方法的节能比较表、几
38、种方法的节能比较表能耗（MW）能耗百分数需换热器数最简单方法120.51004部分优化方法57.547.7247最优化方法25.521.167五、化工流程的能量管理五、化工流程的能量管理在实际化工流程组织与设计时，掌握以下基本原则：化工过程能量管理的目的节约有效能化工过程能量管理的目的节约有效能1、尽量利用流程中的反应热（放热反应）产生的热流股来对需要加热的冷流股和设备进行加热；2、在技术可行的前提下，尽量利用品位接近的流股相互搭配换热；3、流程中一些耗能设备，在工艺可行的前提下，可以考虑共用问题。课外参考资料1.郑美玲郑美玲,王文王文.应用夹点技术优化多能流企业的能源利用应用夹点技术优化多能
39、流企业的能源利用.节能节能技术技术,2010,28(1):81-86.2.魏艳艳魏艳艳,吴明吴明.夹点理论及其在炼厂换热网络优化中的应用夹点理论及其在炼厂换热网络优化中的应用.西西安石油大学学报安石油大学学报(自然科学版自然科学版),2009,24(5):71-74.3.李英团李英团,韩效钊韩效钊,陈陈 敏等敏等.夹点技术及其在化肥行业的应用前夹点技术及其在化肥行业的应用前景景.安徽化工安徽化工,2008,12:42-45.4.程华农程华农,孙杰孙杰,郑世清郑世清等等基于夹点分析的基于夹点分析的TDA合成装置节能合成装置节能改造改造数字石油和化工数字石油和化工,2007,11:44-47.5.
40、廖祖维廖祖维,阳永荣阳永荣,张祖钧张祖钧运用夹点技术提升氯碱行业用能水运用夹点技术提升氯碱行业用能水平平化学工业化学工业,2007,25(10):41-456.易易 灵灵,何继辉何继辉,赵仕林赵仕林等等夹点技术在稀土湿法冶金中的应用夹点技术在稀土湿法冶金中的应用研究研究稀土，稀土，2005，26(6):16-19.本章小结本章小结 本章内容，本章内容，重点和难点重点和难点 重点：重点：流程组织的六个任务流程组织的六个任务 难点：难点：问题列表法求解热交换网络及优化问题列表法求解热交换网络及优化 热交换网络设计节能比较热交换网络设计节能比较 换热网络不能同时达到能量最优和换热单元数最小时换热网络
41、不能同时达到能量最优和换热单元数最小时,能量最优可保证操作费用最低，单元数最少可使设备费用能量最优可保证操作费用最低，单元数最少可使设备费用最低，因而存在着操作费用和设备费用之间的权衡。最低，因而存在着操作费用和设备费用之间的权衡。对于夹点问题，不管对于夹点问题，不管Tmin 为何值，总是即需要加热为何值，总是即需要加热器又需要冷却器。器又需要冷却器。为了满足系统最小换热设备数的要求，为了满足系统最小换热设备数的要求，往往需要跨越夹点传热往往需要跨越夹点传热，这会使公用工程费用增加，此时，这会使公用工程费用增加，此时可以找出一个可以找出一个跨越夹点的最佳换热量跨越夹点的最佳换热量x，从而使总费
42、用达，从而使总费用达到最小。可以用到最小。可以用“能量松驰法能量松驰法”来恢复最小传热温度。来恢复最小传热温度。热量交换网络的热量交换网络的“消融消融”与与“松松弛弛”（能量集成章节补充材料）（能量集成章节补充材料）所谓所谓“能量松弛法能量松弛法”，就是把换热网络从最大能量回收，就是把换热网络从最大能量回收的紧张状态的紧张状态“松弛松弛”下来。通过调整参数，使能量回收下来。通过调整参数，使能量回收减少，公用工程消耗加大，从而使传热温差加大（在减少，公用工程消耗加大，从而使传热温差加大（在T-H图上表现为冷、热组合曲线拉开距离）。图上表现为冷、热组合曲线拉开距离）。因此，对于已满足最小公用工程消
43、耗的换热网络，如果因此，对于已满足最小公用工程消耗的换热网络，如果换热单元数不是最少，可以采用以下步骤进行调整：换热单元数不是最少，可以采用以下步骤进行调整：1.找出独立的热负荷回路；找出独立的热负荷回路；2.沿热负荷回路增加或减少热负荷来断开回路沿热负荷回路增加或减少热负荷来断开回路；3.检查合并后的换热单元是否违反最小传热温差检查合并后的换热单元是否违反最小传热温差Tmin；4.若违反若违反Tmin，则利用能量松弛法求最小能量松弛量，则利用能量松弛法求最小能量松弛量，恢复，恢复 Tmin。热量交换网络的热量交换网络的“消融消融”与与“松松弛弛”（能量集成章节补充材料）（能量集成章节补充材料
44、）问题问题:流股流股类型类型进口温度进口温度Ti()出口温度出口温度To()热容流率热容流率CP（kW）C1冷冷601803.0C2冷冷301302.6H1热热180402.0H2热热150404.0Tmin要求为要求为10，试设计优化换热网络。，试设计优化换热网络。解：解：、首先根据、首先根据Tmin=10和各流股的进出口温度重新划分温度区间；和各流股的进出口温度重新划分温度区间；流股流股类型类型Ti()To()Ti()To()C1冷冷6018065185C2冷冷3013035135H1热热1804017535H2热热1504014535温度区间划分原则：温度区间划分原则：对冷流股：对冷流股
45、：区间温度值原温度区间温度值原温度 Tmin/2对热流股：对热流股：区间温度值原温度区间温度值原温度 Tmin/2流股流股类型类型进口温度进口温度Ti()出口温度出口温度To()热容流率热容流率CP（kW）C1冷冷601803.0C2冷冷301302.6H1热热180402.0H2热热150404.0、计算各温度区间的焓变；、计算各温度区间的焓变；流股流股类型类型Ti()To()Ti()To()C1冷冷6018065185C2冷冷3013035135H1热热1804017535H2热热15040145351023.430280.470303.010301.030303.010HCPCCPH区间
46、温差区间温差流股温度变化区间流股温度变化区间区间温度边界值区间温度边界值3565135145175185C1C2H1H2热容流率热容流率CP（kW）3.02.62.04.0、构筑假想（理想）的热阶流图、构筑假想（理想）的热阶流图185 0 30175 30 30145 60 30135 30 2865 2 10235 100、构筑最小传热温差下可行的优化热阶流、构筑最小传热温差下可行的优化热阶流图图185 60 30175 30 30145 0 30135 30 2865 58 10235 1601023.430280.470303.010301.030303.0103565135145175
47、185C1C2H1H2QHmin60 KWQCmin160 KW窄点温度（窄点温度（Pinch Point）：）：145热流股热窄点温度（热流股热窄点温度（Pinch Point）：）：150冷流股冷窄点温度（冷流股冷窄点温度（Pinch Point）：）：140在要求：在要求：Tmin10 情况下：情况下：、Pinch理论计算结果理论计算结果、Pinch理论最节省能量的换热网络设计理论最节省能量的换热网络设计401301501801401806030流股流股类型类型进口温进口温度度Ti()出口温出口温度度To()热容流率热容流率C1冷冷601803.0C2冷冷301302.6H1热热1804
48、02.0H2热热150404.0窄点温度（窄点温度（Pinch Point）：）：145热流股热窄点温度（热流股热窄点温度（Pinch Point）：）：150冷流股冷窄点温度（冷流股冷窄点温度（Pinch Point）：）：140401301501801401806030H1H2C1C2最节省能量换热网络集成过程：最节省能量换热网络集成过程：401301501801401806030H1H2C1C2160QHmin60KWQCmin160KW8060kW110140kW83.85110100120kW140120kW126.672.04.03.02.680kW换热器名称换热器名称热流进温热流
49、进温热流出温热流出温冷流进温冷流进温冷流出温冷流出温热负荷热负荷kW对数温差对数温差H1C1高1801501401606014.43H1C1低150110100126.678015.74H1C2110403083.8514016.80H2C1高150140126.671404011.68H2C214011083.8513012016.80H2C1低110806010012014.43C1Hmin60H2Cmin160核算所有换热器的对数传热温差核算所有换热器的对数传热温差C1C2H1H2180150140160180100126.6715014060110110403083.851301101
50、108040、Pinch理论中换热网络的理论中换热网络的“松弛松弛”与与“消融消融”H12.0H24.0C13.0C22.618015011040150140110804060100126.6714016018013083.853060kW60kW40kW80kW120kW160kW120kW140kW第一次第一次消融消融”（first heat loop）H12.0H24.0C13.0C22.618011040150140110804060100113.3316018013083.8530140kW60kW40kW120kW160kW120kW140kW违反（违反（violation）Tmi
