第五章----夹点技术的基础理论.ppt

6.1 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。 6.2 换热网络合成问题 6.2.1 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。 6.2.2 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 6.3 换热网络合成—夹点技术 6.3.1 第一定律分析 如果没有温度推动力的限制，就必须由公用工程系统提供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 6.3.2 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 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6-1 最小允许温差△Tmin为10 ℃， 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=60℃ T6=30℃ 6.3.3 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 －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为零，则该温区的热量输出Q1为： （7－4） 在根据温度区间之间热量传递特性，并假定各温度区间与外界不发生热量交换，则有： （7－5） （7－6） 利用上述关系计算得到的结果列入问题表。 4. 若Ｑi为正值，则表示热量从第i个温区向第i+1个温区，这种温度区间之间的热量传递是可行的。 若Ｑi为负值，则表示热量从第i+1个温区向第i个温区传递，这种传递是不可行的。 为了保证Ｑi均为正值，可取步骤3中计算得到的所有Ｑi中负数绝对最大值作为第一个温区的输入热量，重新计算。 如果上一步计算得到的Ｑi均为正值，则这步计算是不必要的 例6-2:利用例7-1中的数据，计算该系统所需的最小公用工程消耗。假设热公用工程为蒸汽，冷公用工程为冷却水，它们的品位及负荷足以满足物流的使用 解：按问题表计算步骤，得到的问题表7-2