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1、7換熱網(wǎng)絡(luò)合成7．1化工生產(chǎn)流程中換熱網(wǎng)絡(luò)的作用和意義換熱是化工生產(chǎn)不可缺少的單元操作過程。在所有工藝流程中，都會(huì)有一些物流需要被加熱，而另一些物流需要被冷卻。例如，圖7-1所示的乙烯裂解氣甲烷化流程。對(duì)于含有換熱物流的工藝流程，將其中需要換熱的物流提取出來，就組成了換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中：需要被加熱的物流稱為冷物流；需要被冷卻的物流稱為熱物流。換熱網(wǎng)絡(luò)合成的基本思想：在工藝過程設(shè)計(jì)中節(jié)能非常重要，因此換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)不僅是使物流溫度滿足工藝要求，還要回收過程余熱，減少公用工程消耗。換熱網(wǎng)絡(luò)合成的任務(wù)：確定換熱物流的合理匹配方式，從而以最
2、小的消耗代價(jià)，獲得最大的能量利用效益。換熱網(wǎng)絡(luò)消耗的來源：換熱單元(設(shè)備)數(shù)，傳熱面積，公用工程消耗。換熱網(wǎng)絡(luò)合成追求的目標(biāo)：使三方面的消耗都為最小值。事實(shí)上，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)裝置，很難達(dá)到這一目標(biāo)。最小公用工程消耗意味著較多的換熱單元數(shù)，而較少的換熱單元數(shù)又需要較大的換熱面積。實(shí)際進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，需要在某方面做出犧牲，以獲得一個(gè)折衷的方案。7．2換熱網(wǎng)絡(luò)合成問題7.2.1換熱網(wǎng)絡(luò)合成問題的描述典型的換熱網(wǎng)絡(luò)合成問題：熱物流H：初始溫度TH初目標(biāo)溫度TH終冷物流C：初始溫度TC初目標(biāo)溫度TC終已知每條物流的熱容流率FCp(物流流量與熱容的乘積)，通過確
3、定物流間的匹配關(guān)系，以使所有的物流均達(dá)到它們的目標(biāo)溫度，同時(shí)使裝置成本、公用工程(外部加熱和冷卻介質(zhì))消耗成本最少。7.2.2換熱網(wǎng)絡(luò)合成的研究換熱網(wǎng)絡(luò)合成技術(shù)的研究主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：(1)Hohmann的開創(chuàng)性工作Hohmann在溫焓圖上進(jìn)行過程物流的熱復(fù)合，找到了換熱網(wǎng)絡(luò)的能量最優(yōu)解，即最小公用消耗。還提出了換熱網(wǎng)絡(luò)最少換熱單元數(shù)的計(jì)算公式。Hohmann工作的意義:從理論上導(dǎo)出了換熱網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)理想狀態(tài)，從而為換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)指明了方向。HTAEH2BIIIIIIⅣⅤⅥQc.minQN.minH1CD△TmFC1’C1’’QR(2)Linnhoff和
4、Flower的工作在綜合和證實(shí)Hohmann工作曲線基礎(chǔ)上，從方法上提出分兩步走。第一步:合成能量最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)。從熱力學(xué)的角度出發(fā)，劃分溫度區(qū)間和進(jìn)行熱平衡計(jì)算。通過簡單的代數(shù)運(yùn)算就能找到能量最優(yōu)解(即最小公用工程消耗)，這就是著名的溫度區(qū)間法(簡稱TI法)。第二步:對(duì)能量最優(yōu)解進(jìn)行調(diào)優(yōu)。通過一些調(diào)優(yōu)法則，在少增加或不增加公用工程消耗的情況下，減少系統(tǒng)的換熱單元數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)向操作和投資總費(fèi)用最小的方向調(diào)整。(3)夾點(diǎn)(PinchPoint也譯為狹點(diǎn)，窄點(diǎn))概念以及夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法的建立。Linnhoff繼溫度區(qū)間法之后提出了夾點(diǎn)的概念，最后發(fā)展了一套夾點(diǎn)
5、設(shè)計(jì)法。(4)人工智能方法的建立。從20世紀(jì)80年代起，隨著人工智能研究的發(fā)展，人工智能技術(shù)也被應(yīng)用到換熱網(wǎng)絡(luò)合成領(lǐng)域，如專家系統(tǒng)模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、遺傳算法模型等。在各種合成方法中，Linnhoff的夾點(diǎn)技術(shù)具有較強(qiáng)的實(shí)用性，并已被過程設(shè)計(jì)所采用。為此本章主要介紹夾點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)。為了方便起見，在本章討論中，均假設(shè)熱容流率FCp為常數(shù)。7.3換熱網(wǎng)絡(luò)合成-夾點(diǎn)技術(shù)7.3.1第一定律分析物流的溫度發(fā)生變化時(shí)將會(huì)從外界吸收或向外界釋放熱量，通過第一定律可以計(jì)算該熱量值。Q=FCp(T初-T終）HTAEH2BH1CDQ=FCp(T初—T終）第一定律在計(jì)算的公式
6、中沒有考慮這個(gè)事實(shí)，即：只有熱物流溫度超過冷物流一定值時(shí)，才能把熱量由熱物流傳到冷物流。因此，在熱、冷物流之間必須存在一個(gè)正的溫度差，才能得到所需加熱與冷卻的熱負(fù)荷值。因此所開發(fā)的任何換熱網(wǎng)絡(luò)既要滿足第一定律，還要滿足第二定律。7.3.2溫度區(qū)間Hohmann等人提出的過程能量集成分析中，提出考慮第二定律的一種非常簡單的方法，即劃分溫度區(qū)間。具體方法：根據(jù)工程設(shè)計(jì)中傳熱速率要求，設(shè)置冷、熱物流之間允許的最小溫差ΔTmin，將熱物流的起始溫度與目標(biāo)溫度減去最小允許溫差ΔTmin，然后與冷物流的起始、目標(biāo)溫度一起按從大到小排序，從而生成n個(gè)溫度區(qū)間。冷、熱
7、物流按各自的始溫、終溫落入相應(yīng)的溫度區(qū)間(注意，熱物流的始濕、終溫應(yīng)減去最小允許溫差ΔTmin)。由于落入各溫度區(qū)間的物流已考慮了溫度推動(dòng)力，所以在每個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，都可以把熱量從熱物流傳給冷物流，即熱量傳遞總是滿足第二定律。HTAEH2BIIIIIIⅣⅤⅥQc.minQN.minH1CD△TmFC1’C1’’QR結(jié)合例題介紹夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法例題：某換熱系統(tǒng)，包含的工藝物流為兩個(gè)冷物流和兩個(gè)熱物流，相關(guān)數(shù)據(jù)見表。指定冷、熱物流間的允許最小傳熱溫差ΔTmin=20℃，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)具有最大熱回收的換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)物流標(biāo)號(hào)熱容流率CP(kw/℃）初始溫度T(℃)終了溫度T
8、(℃)熱負(fù)荷Q(kw）H1H2C1C22.08.02.53.01509020256060125
