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2018-09-04 23:28| 发布者: | 查看: |

  第七章 换热网络合成 7.1 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。 ? 换热的目的不仅是为了使物流温度满足工艺要 求,而且也是为了回收过程余热,减少公用工 程消耗。 ? 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,需要在某方面做出 牺牲,以获得一个折衷的方案。 7.2 换热网络合成问题 7.2.1 换热网络合成问题的描述 ? 一组需要冷却热物流H和一组需要加热的冷物流C, 每条物流的热容流率FCp,热物流从初始温度TH初 冷却到目标TH终,冷物流从初始温度TC初加热到目 标温度TC终。 ? 通过确定物流间的匹配关系,使所有的物流均达 到它们的目标温度,同时使装置成本、公用工程 (外部加热和冷却介质)消耗成本最少。 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 ? 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 7.3 换热网络合成—夹点技术 ? 7.3.1 第一定律分析 Q ? FCp(T初 ? T终 ) 物流号 1 2 3 4 类型 冷 热 冷 热 FCp,KW/℃ 3.0 2.0 2.6 4.0 T初, ℃ 60 180 30 150 T终, ℃ 180 40 105 40 热量Q,kW 280 -195 440 165 ? 如果没有温度推动力的限制,系统放出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 7.3.2 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)。 ? 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。 ? 热量不能从低温区间的热物流向高温区间的冷 物流传递。 例7-1 根据表7-1给出的四个冷、秒速赛车平台:kW 280 -195 440 165 ? 如果没有温度推动力的限制热物流数 据,最小允许温差△Tmin为10 ℃,试划分 温度区间。 * 将热物股的初、终温度分别减去△Tmin后,与 冷物流的初、终温度一起排序,得到温度区间 的端点温度值 T1=180℃ T2=170℃ T3=140℃ T4=105℃ T5=6 0℃ T6=30℃ 1 2 3 4 6 7.3.3 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 Di ? I i ? Qi ? (Ti ? Ti ?1 )(? FCpC ? ? FCpH ) ? Di -区间的净热需求量 ? Ii -输入到第i个温区的热量,这个量或表示从 第i-1个温区传递的热量,或表示从外部的加热器 获得的热量; ? Qi -从第i个温区输出的热量。这个量或表示传 递给第i+1个子温区的热量,或表示传递给外部 冷却器的热量。 3. 设第一个温区从外界输入的热量I1为。

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