1、2022-4-2化工過程分析與合成1第第5 5章章 換熱器網絡的綜合換熱器網絡的綜合換熱器網絡綜合：換熱器網絡綜合： 確定確定具有最小設備投資，最小操作費用，能達具有最小設備投資，最小操作費用，能達到過程要求的換熱器網絡結構。到過程要求的換熱器網絡結構。 具有較好的可控性、柔性和具有較好的可控性、柔性和可操作性可操作性換熱換熱網絡的費用：網絡的費用： 換熱單元數、換熱面積、公用工程消耗換熱單元數、換熱面積、公用工程消耗2022-4-2化工過程分析與合成2根據綜合方法的性質和側重面不同分類根據綜合方法的性質和側重面不同分類： 啟發式經驗規則法；啟發式經驗規則法； 熱力學目標法熱力學目標法夾點設計

2、法；夾點設計法； 數學規劃法；數學規劃法； 人工智能算法人工智能算法遺傳算法遺傳算法 應用軟件：應用軟件：ADVENT、 HEXTRAN、 INTERHEAT、 MAGNETS、RESHEX及及SUPERTRAGET 等等 2022-4-2化工過程分析與合成3 換熱器網絡設計的一般步驟：換熱器網絡設計的一般步驟：1）選擇工藝流股和公用工程）選擇工藝流股和公用工程流股；流股；2） 確定經濟合理的夾點溫差和公用工程確定經濟合理的夾點溫差和公用工程用量；用量；3） 綜合出初步的候選換熱器網絡；綜合出初步的候選換熱器網絡；4） 將候選網絡優化成最好的將候選網絡優化成最好的換熱器網絡；換熱器網絡；5）對

3、換熱器進行）對換熱器進行詳細設計，得出工程網絡；詳細設計，得出工程網絡；6）對工程網絡模擬）對工程網絡模擬計算，進行技術經濟評價和系計算，進行技術經濟評價和系統操作性分析，對結果不滿意，返回第（統操作性分析，對結果不滿意，返回第（2）步，）步，直至滿意直至滿意。不同綜不同綜合方法合方法2022-4-2化工過程分析與合成45.1.1 熱力學最小傳熱面積網絡的綜合熱力學最小傳熱面積網絡的綜合（1） 傳熱過程的有效能分析傳熱過程的有效能分析假定過程物流比熱容為常數，則系統有效能損失：假定過程物流比熱容為常數，則系統有效能損失：5.1 根據溫根據溫-焓圖綜合換熱網絡法焓圖綜合換熱網絡法 kkikekk

4、jjijejjjkjkTTcWTTcWTlnln0 說明：說明：傳熱過程溫差愈大，過程的不可逆程度越大，傳熱過程溫差愈大，過程的不可逆程度越大，有效能損失越大有效能損失越大2022-4-2化工過程分析與合成5高溫流體有效能的減少：高溫流體有效能的減少：QTTH)1(0 低溫流體有效能的增加：低溫流體有效能的增加：QTTL )1(0 傳熱過程中有效能的損失：傳熱過程中有效能的損失：QTTQTTQTTTTTQTTQTTHLLHLHL H 00000)()1()1( 高溫流體的熱力學平均溫度：高溫流體的熱力學平均溫度：kekikekiHTTTTTln 低溫流體的熱力學平均溫度：低溫流體的熱力學平均溫

5、度：jijejijeLTTTTTln 2022-4-2化工過程分析與合成6高溫流體放出的熱量：高溫流體放出的熱量：)(kekikkTTcWQ 低溫流體吸收的熱量：低溫流體吸收的熱量：)(jijejjTTcWQ :中中的的計計算算式式代代入入將將 、Q、TTLHlnlnln)(ln)(00000ekkikkijjejjkekikekiekkikkjijejijejijejjHLTTcWTTcWTTTTTTTcWTTTTTTTcWTQTTQTT 2022-4-2化工過程分析與合成7又又kikekekiTTTTlnln 則：則：)lnln(0kikekkjijejjTTcWTTcWT 對于多個熱、冷

6、物流的換熱系統，有效能損失為：對于多個熱、冷物流的換熱系統，有效能損失為： kkikekkjjijejjjkjkTTcWTTcWTlnln0 2022-4-2化工過程分析與合成8結論結論： 給定輸入溫度給定輸入溫度Tki、Tji的換熱系統，使冷物流的的換熱系統，使冷物流的輸出溫度輸出溫度Tje最大，熱物流的輸出溫度最大，熱物流的輸出溫度Tke最小，最小，則系統有效能的損失最小。則系統有效能的損失最小。 傳熱溫差愈小，過程不可逆性愈小，有效能損傳熱溫差愈小，過程不可逆性愈小，有效能損失愈小，但要求較大的熱交換面積。失愈小，但要求較大的熱交換面積。 換熱系統物流的質量流量及輸入、輸出溫度一換熱系統

7、物流的質量流量及輸入、輸出溫度一定時，有效能損失不隨熱交換網絡的變化而變定時，有效能損失不隨熱交換網絡的變化而變化?；?。2022-4-2化工過程分析與合成9 處于熱力學平衡狀態的過程物流相混合，則不存處于熱力學平衡狀態的過程物流相混合，則不存在有效能的損失。在有效能的損失。 應合理分配每個換熱器的有效能損失，使熱交換應合理分配每個換熱器的有效能損失，使熱交換面積的總和最小面積的總和最小。A， 逆流熱交換器有效能的損失比并流熱交換器為小，逆流熱交換器有效能的損失比并流熱交換器為小，因為并流熱交換是一個固有的不可逆過程因為并流熱交換是一個固有的不可逆過程。 有效能的上述基本特性，提供了對于換熱網有

8、效能的上述基本特性，提供了對于換熱網絡綜合的直觀推斷規則的基礎絡綜合的直觀推斷規則的基礎2022-4-2化工過程分析與合成10（2）熱力學最小傳熱面積網絡的綜合）熱力學最小傳熱面積網絡的綜合理論依據：理論依據： 根據有效能分析，在根據有效能分析，在T-H圖上合理分配傳熱溫圖上合理分配傳熱溫差及熱負荷，實現冷熱流體的逆流分配，得到滿足差及熱負荷，實現冷熱流體的逆流分配，得到滿足要求的熱力學最小面積要求的熱力學最小面積網絡網絡步驟步驟： 搜集物流搜集物流數據：流量、溫度、比熱容、數據：流量、溫度、比熱容、 汽化熱汽化熱等等； 構造冷、熱物流的組合曲線構造冷、熱物流的組合曲線 ； 調整冷、熱物流的組

9、合曲線，使得最小傳熱溫差調整冷、熱物流的組合曲線，使得最小傳熱溫差不小于指定值；不小于指定值； 劃分溫度間隔區間，進行物流匹配。劃分溫度間隔區間，進行物流匹配。2022-4-2化工過程分析與合成11（1）構造組合曲線）構造組合曲線確定組合曲線確定組合曲線據據Tmin確定曲線位置確定曲線位置確定確定QRmax2022-4-2化工過程分析與合成12（2）劃分溫度）劃分溫度間隔間隔，進行物流，進行物流匹配匹配（3）對應的換熱器網絡）對應的換熱器網絡IP分解為：分解為：IRBEQPFC2022-4-2化工過程分析與合成135.1.2 熱力學最小傳熱面積網絡的改進熱力學最小傳熱面積網絡的改進 沒有考慮換

10、熱器傳熱系數沒有考慮換熱器傳熱系數U、單位傳熱面積費、單位傳熱面積費用用a的差別的差別 分區造成物流分支、混合，或熱負荷很小，分區造成物流分支、混合，或熱負荷很小，網絡結構復雜，使操作麻煩，投資增加網絡結構復雜，使操作麻煩，投資增加 改進方法：改進方法：（1 1）應使各換熱器的應使各換熱器的 值相近值相近 TaU /2022-4-2化工過程分析與合成14（2）減少物流的分支與混合，并把小負荷換熱器合）減少物流的分支與混合，并把小負荷換熱器合并到相鄰的換熱器上。但應盡可能接近最小傳熱面積并到相鄰的換熱器上。但應盡可能接近最小傳熱面積網絡時的溫度關系，使所需增加的傳熱面積不致太多網絡時的溫度關系，

11、使所需增加的傳熱面積不致太多待改進的換熱器網絡待改進的換熱器網絡改進后的換熱器網絡改進后的換熱器網絡2022-4-2化工過程分析與合成15影響換熱器網絡總費用的因素影響換熱器網絡總費用的因素: 換熱器數量換熱器數量； 同樣同樣A，換熱器臺數，換熱器臺數，投資，投資 換熱器面積；換熱器面積； T或或(U) ，A 單位換熱面積費用單位換熱面積費用； 浮頭式浮頭式固定管板式固定管板式 傳熱過程的總傳熱系數（型式和結構）傳熱過程的總傳熱系數（型式和結構）； A 公用工程消耗公用工程消耗； 操作成本操作成本 操作性和可控性。操作性和可控性。2022-4-2化工過程分析與合成165.2 夾點設計法夾點設計

12、法夾點設計法的基本原則：夾點設計法的基本原則：(1) 應該避免有熱流量通過夾點；應該避免有熱流量通過夾點；(2) 夾點上方避免引入公用工程冷卻物流；夾點上方避免引入公用工程冷卻物流；(3) 夾點下方避免引入公用工程加熱物流夾點下方避免引入公用工程加熱物流 。說明：說明：違背以上三條基本原則，就會增大公用工程違背以上三條基本原則，就會增大公用工程負荷及相應的設備投資負荷及相應的設備投資2022-4-2化工過程分析與合成175.2.1 夾點處物流間匹配換熱的可行性規則夾點處物流間匹配換熱的可行性規則夾點匹配：夾點匹配：指冷、熱物流同時有一端直接與夾點相指冷、熱物流同時有一端直接與夾點相通，即同一端

13、具有夾點處的溫度通，即同一端具有夾點處的溫度夾點匹配夾點匹配夾點匹配夾點匹配非夾點匹配非夾點匹配非夾點匹配非夾點匹配2022-4-2化工過程分析與合成18（1）夾點匹配可行性規則）夾點匹配可行性規則1： 對于夾點上方，對于夾點上方，熱工藝物流熱工藝物流(包括分支包括分支)的數目的數目NH不大于冷工藝物流不大于冷工藝物流(包括分支包括分支)數目數目NC，即：即：CHNN H1：采用公用工程冷卻：采用公用工程冷卻物流，違反基本原則物流，違反基本原則2(a)熱端夾點處熱端夾點處不可行不可行的匹配的匹配CHNN 90-(80+dT4)90-(80+dT5) Tmin2022-4-2化工過程分析與合成1

14、9熱端夾點處的可行匹配：熱端夾點處的可行匹配：(b) 采用冷物流分支采用冷物流分支 (c) 采用設置加熱器采用設置加熱器HCHNN CHNN 2022-4-2化工過程分析與合成20 對于夾點下方，對于夾點下方，熱工藝物流熱工藝物流(包括分支包括分支)數目數目NH不小于冷工藝物流不小于冷工藝物流(包括分支包括分支)的數目的數目NC , 即：即：CHNN (d) 冷端夾點處冷端夾點處不可行不可行的匹配的匹配采用公用工程加熱物流，采用公用工程加熱物流，違反基本原則違反基本原則3(90- dT1)-80(90-dT2 )-80 TminCHNN 2022-4-2化工過程分析與合成21冷端夾點處可行的匹

15、配：冷端夾點處可行的匹配：(e) 采用熱物流分支采用熱物流分支 (f) 設置冷卻器設置冷卻器CCHNN CHNN 2022-4-2化工過程分析與合成22（2）夾點匹配可行性規則）夾點匹配可行性規則2 夾點上方夾點上方，每一夾點匹配中熱物流的熱容流率，每一夾點匹配中熱物流的熱容流率CPH小于或等于冷物流的熱容量流率小于或等于冷物流的熱容量流率CPC,即：即： CPH CPC 夾點下方夾點下方，每一夾點匹配中熱物流的熱容流率，每一夾點匹配中熱物流的熱容流率CPH大于或等于冷物流的熱容量流率大于或等于冷物流的熱容量流率CPC,即：即： CPH CPC說明：說明：該規則保證了夾點匹配中的傳熱溫差不小于

16、該規則保證了夾點匹配中的傳熱溫差不小于允許的最小傳熱溫差允許的最小傳熱溫差 Tmin 。離開夾點后，由于物流。離開夾點后，由于物流間的傳熱溫差都增大了，所以不一定遵循該規則。間的傳熱溫差都增大了，所以不一定遵循該規則。2022-4-2化工過程分析與合成23夾點之上：夾點之上：（a）可行的夾點匹配）可行的夾點匹配 （b）不可行的夾點匹配）不可行的夾點匹配CHCPCP CHCPCP 2022-4-2化工過程分析與合成24夾點之下：夾點之下：（a）可行的夾點匹配）可行的夾點匹配 （b）不可行的夾點匹配）不可行的夾點匹配CHCPCP CHCPCP 2022-4-2化工過程分析與合成255.2.2 物流

17、間匹配換熱的經驗規則物流間匹配換熱的經驗規則 經驗規則經驗規則1 每個換熱器的熱負荷應等于該換熱每個換熱器的熱負荷應等于該換熱器冷熱物流匹配中器冷熱物流匹配中熱負荷較小者熱負荷較小者，以保證經過一次，以保證經過一次換熱，既可以使一個物流達到規定的目標溫度，以換熱，既可以使一個物流達到規定的目標溫度，以減少所用換熱設備的數量。減少所用換熱設備的數量。 經驗規則經驗規則2 應盡量選擇應盡量選擇熱容量流率相近熱容量流率相近的冷、的冷、熱流體進行匹配換熱，使得換熱器在結構上相對合熱流體進行匹配換熱，使得換熱器在結構上相對合理，且在相同的熱負荷及相同的有效能損失下，其理，且在相同的熱負荷及相同的有效能損

18、失下，其傳熱溫差最大。傳熱溫差最大。2022-4-2化工過程分析與合成26情況情況(a)：CPH=2CPC設環境溫度設環境溫度T0=293K，熱物流的熱力學平均溫度為：熱物流的熱力學平均溫度為：KTH9 .3527027390273ln)70273()90273( 2022-4-2化工過程分析與合成27冷物流的熱力學平均溫度為：冷物流的熱力學平均溫度為：KTL6 .3324027380273ln)40273()80273( 該傳熱過程的有效能損失為：該傳熱過程的有效能損失為：QQQTTTTTLLHLHW0507. 0)6 .3329 .352(6 .3329 .352293)(0 2022-4

19、-2化工過程分析與合成28情況（情況（b）：）： CPH=CPC熱物流的熱力學平均溫度仍為熱物流的熱力學平均溫度仍為 TH=352.9 K冷物流的熱力學平均溫度為：冷物流的熱力學平均溫度為：KTL9 .3426027380273ln)60273()80273( 該傳熱過程的有效能損失為：該傳熱過程的有效能損失為：QQLW0242. 0)9 .3429 .352(9 .3429 .352293 2022-4-2化工過程分析與合成29可見：可見：(a)的有效能損失比的有效能損失比(b)大了一倍還多。大了一倍還多。但（但（a）的傳熱溫差大，故需用的傳熱面積小，的傳熱溫差大，故需用的傳熱面積小，所以還

20、不能說明情況（所以還不能說明情況（a）就是不如情況（就是不如情況（b）進一步分析：進一步分析：把情況（把情況（b）的傳熱溫差增大到與的傳熱溫差增大到與（a）相同，再計算該情況下的有效能損失。相同，再計算該情況下的有效能損失。情況（情況（a）的傳熱平均溫差：的傳熱平均溫差：TTTTTm2 .181030ln1030ln1212 2022-4-2化工過程分析與合成30 按此傳熱溫差，推算出冷流體的入口、出口按此傳熱溫差，推算出冷流體的入口、出口溫度，如圖：溫度，如圖：2022-4-2化工過程分析與合成31熱物流的熱力學平均溫度仍為熱物流的熱力學平均溫度仍為 TH=352.9 K冷物流的熱力學平均溫

21、度為：冷物流的熱力學平均溫度為：KTL7 .3348 .512738 .71273ln)8 .51273()8 .71273( 傳熱過程有效能損失為：傳熱過程有效能損失為：QQWL0451. 0)7 .3349 .352(7 .3349 .352293 此時，情況（此時，情況（b）比情況（）比情況（a）小小10%多多2022-4-2化工過程分析與合成32說說 明明 （1）完成相同傳熱負荷條件下，又保持相同傳熱溫完成相同傳熱負荷條件下，又保持相同傳熱溫差，冷、熱物流熱容流率相等情況下比不等情況下差，冷、熱物流熱容流率相等情況下比不等情況下有效能損失??；反之，相同傳熱負荷和相同有效能有效能損失??；

22、反之，相同傳熱負荷和相同有效能損失，冷、熱物流熱容流率相等情況下比不等情況損失，冷、熱物流熱容流率相等情況下比不等情況下推動力大。下推動力大。（2）采用經驗規則時，經驗規則）采用經驗規則時，經驗規則1優于規則優于規則2；（3）經驗規則對離開夾點的其余物流匹配換熱也是）經驗規則對離開夾點的其余物流匹配換熱也是合適的。合適的。2022-4-2化工過程分析與合成33 夾點設計法的要點夾點設計法的要點（1）在夾點處，換熱網絡分隔開，熱端和冷端分）在夾點處，換熱網絡分隔開，熱端和冷端分別處理。別處理。（2）熱端和冷端都先從夾點開始設計，遵循夾點）熱端和冷端都先從夾點開始設計，遵循夾點匹配可行性規則及經驗

23、規則。匹配可行性規則及經驗規則。（3）離開夾點后，采用經驗規則，但傳熱溫差約）離開夾點后，采用經驗規則，但傳熱溫差約束緊張時還應遵循可行性規則。束緊張時還應遵循可行性規則。（4）考慮換熱系統的操作性、安全性，以及生產）考慮換熱系統的操作性、安全性，以及生產工藝上特殊要求等。工藝上特殊要求等。2022-4-2化工過程分析與合成34例例5-1 一換熱系統，包含的工藝流股為兩個熱物流一換熱系統，包含的工藝流股為兩個熱物流和兩個冷物流，給定的數據見下表，指定熱、冷物和兩個冷物流，給定的數據見下表，指定熱、冷物流間允許的最小傳熱溫差流間允許的最小傳熱溫差Tmin=20。現設計一換。現設計一換熱器網絡，要

24、求其具有最大的熱回收熱器網絡，要求其具有最大的熱回收。(題目同例題目同例4-3) 物流物流 熱容熱容 初始初始 目標目標 熱負荷熱負荷 標號標號 流率流率 溫度溫度 溫度溫度 kW/ oC oC oC kW CP Ts Tt Q H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0 90 60 240.0 C1 2.5 20 125 262.5 C2 3.0 25 100 225.02022-4-2化工過程分析與合成35問題表格問題表格 (1)子網絡序號子網絡序號 冷物流及其溫度冷物流及其溫度 熱物流及其溫度熱物流及其溫度 k C1 C2 H1 H2SN1SN2SN3SN4SN5SN61501

25、451209060125100704025202022-4-2化工過程分析與合成36 問題表格（問題表格（2）子網絡子網絡 赤字赤字Dk 熱量熱量 kW 熱量熱量 kW 序號序號 kW 無外界輸入熱量無外界輸入熱量 外界輸入最小熱量外界輸入最小熱量 I k O k I k O k SN1 -10 0 10 107.5 117.5 SN2 12.5 10.0 -2.5 117.5 105.0 SN3 105.0 -2.5 -107.5 105.0 0 SN4 -135.0 -107.5 27.5 0 135.0 SN5 82.5 27.5 -55.0 135.0 52.5 SN6 12.5 -5

26、5.0 -67.5 52.5 40.02022-4-2化工過程分析與合成37得到如下信息：得到如下信息：（1）夾點處，熱物流溫度在）夾點處，熱物流溫度在90、冷物流溫度、冷物流溫度70（2）最小公用工程加熱量）最小公用工程加熱量 Q H min = 107.5 kW（3）最小公用工程冷卻量）最小公用工程冷卻量 Q C min = 40 kW物流標號物流標號 熱容流率熱容流率 初始溫度初始溫度 目標溫度目標溫度 熱負荷熱負荷 CP/ kW/ oC Ts/ oC Tt/oC Q /kW H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0 90 60 240.0 C1 2.5 20 125 262

27、.5 C2 3.0 25 100 225.09070上方上方上方上方2022-4-2化工過程分析與合成38分析：分析：流股數符合可行規則流股數符合可行規則1： NH NC熱容流率符合可行規則熱容流率符合可行規則2： CPHCPC按經驗規則，應使熱流股按經驗規則，應使熱流股1與冷流股與冷流股1匹配。匹配。（1）熱端的設計）熱端的設計2022-4-2化工過程分析與合成39熱熱端的流股匹配端的流股匹配1202.5=48；70-48=1182022-4-2化工過程分析與合成40（2）冷端的設計）冷端的設計分析：分析：流股數符合可行規則流股數符合可行規則1：NH NC熱容流率不符合可行規則熱容流率不符合

28、可行規則2：CPH CPC將熱流股將熱流股2分支，與冷流股分支，與冷流股1、2實現夾點匹配實現夾點匹配2022-4-2化工過程分析與合成41冷冷端的流股匹配端的流股匹配：方案方案(1)：把把H2分支，并一次匹配分支，并一次匹配完成完成C2的熱負荷的熱負荷CP：CP=135/(90-60)=4.5；CP=3.5C1：Q=240-135=105；105/2.5=42；70-42=28H1：20/2.0=10；90-10=80；60-20=40kW2022-4-2化工過程分析與合成42方案方案(2)：把：把H2分支，并一次匹配分支，并一次匹配完成完成C1的熱負荷的熱負荷CP：CP=125/(90-6

29、0)=4.17；CP=3.83C2：Q=240-125=115；115/3.0=38.3；70-38.3=31.7H1：20/2.0=10；90-10=80；60-20=4031.72022-4-2化工過程分析與合成43具有最小公用工程加熱與冷卻負荷的具有最小公用工程加熱與冷卻負荷的整體設計方案整體設計方案說明：該方案是說明：該方案是初始設計方案初始設計方案2022-4-2化工過程分析與合成445.3 換熱器網絡的調優換熱器網絡的調優基礎：夾點設計法得到的最大能量回收換熱網絡基礎：夾點設計法得到的最大能量回收換熱網絡目標：最大能量回收；目標：最大能量回收； 最小傳熱面積；最小傳熱面積； 最少換

30、熱設備數；最少換熱設備數； 最小總費用。最小總費用。方法：熱負荷回路的斷裂；方法：熱負荷回路的斷裂； 熱負荷路徑的能量松弛。熱負荷路徑的能量松弛。2022-4-2化工過程分析與合成455.3.1 最少換熱設備個數與熱負荷回路最少換熱設備個數與熱負荷回路 換熱器投資成本：換熱器投資成本： C = a Ab a系數；系數； A換熱面積；換熱面積； b 指數，一般情況下指數，一般情況下 b=0.6 若若 b1，則則 a(A1+A2)b ） 找出分支物流的熱容流率取值范圍找出分支物流的熱容流率取值范圍minT 2022-4-2化工過程分析與合成57(a) 初始網絡：初始網絡：存在一級回路存在一級回路（

31、2，5)(b) 采用補充的回路斷開方式：采用補充的回路斷開方式： 把把h2分支分支，斷開圖（，斷開圖（a）中回路（）中回路（2，5）Tmin=10 23562402022-4-2化工過程分析與合成58設分支物流換熱后溫度相等：設分支物流換熱后溫度相等：4：CP(150-x)=223：(4-CP)(150-x)=240CP=0.34kW/ x=85.3 T=85.3-86.9= -1.6 4換后溫度換后溫度Tmin:96.9；CPmin=22/(150-96.9)=0.4143換后溫度換后溫度Tmin:70； CP3=240/(150-70)=3.0，CPmax=1.086.996.916052022-4-2化工過程分析與合成59(c) 再次采用補充的回路斷開方式：再次采用補充的回路斷開方式： 把把C2分支，斷開圖（分支，斷開圖（b）中回路（中回路（2，5