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7 换热网络合成 对于含有换热物流的工艺流程，将其中需要换热的物流提取出来，就组成了换热网络系统。 在换热网络系统中： 需要被加热的物流称为冷物流； 需要被冷却的物流称为热物流。 换热网络合成的基本思想： 在工艺过程设计中节能非常重要，因此换热网络设计追求的目标不仅是使物流温度满足工艺要求，还要回收过程余热，减少公用工程消耗。 换热网络合成的任务： 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。 换热网络消耗的来源：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：使三方面的消耗都为最小值。 事实上，对于实际生产装置，很难达到这一目标。 最小公用工程消耗意味着较多的换热单元数，而较少的换热单元数又需要较大的换热面积。 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 典型的换热网络合成问题： 热物流H：初始温度TH初 目标温度TH终 冷物流C：初始温度TC初 目标温度TC终 已知每条物流的热容流率FCp(物流流量与热容的乘积)，通过确定物流间的匹配关系，以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 换热网络合成技术的研究主要经历了四个阶段： (1)Hohmann的开创性工作 Hohmann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。 还提出了换热网络最少换热单元数的计算公式。 Hohmann工作的意义: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。 (2)Linnhoff和Flower的工作 在综合和证实Hohmann工作曲线基础上，从方法上提出分两步走。 第一步: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。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)。 第二步:对能量最优解进行调优。通过一些调优法则，在少增加或不增加公用工程消耗的情况下，减少系统的换热单元数，使网络设计向操作和投资总费用最小的方向调整。 (3)夹点(Pinch Point也译为狭点，窄点)概念以及夹点设计法的建立。 Linnhoff 继温度区间法之后提出了夹点的概念，最后发展了一套夹点设计法。 (4)人工智能方法的建立。从20世纪80年代起，随着人工智能研究的发展，人工智能技术也被应用到换热网络合成领域，如专家系统模型，神经网络模型、遗传算法模型等。 在各种合成方法中， Linnhoff的夹点技术具有较强的实用性，并已被过程设计所采用。为此本章主要介绍夹点设计技术。 为了方便起见，在本章讨论中，均假设热容流率FCp为常数。 7.3 换热网络合成-夹点技术 7.3.1 第一定律分析 物流的温度发生变化时将会从外界吸收或向外界释放热量，通过第一定律可以计算该热量值。 Q=FCp(T初-T终） Q=FCp(T初—T终） 第一定律在计算的公式中没有考虑这个事实，即：只有热物流温度超过冷物流一定值时，才能把热量由热物流传到冷物流。 因此，在热、冷物流之间必须存在一个正的温度差，才能得到所需加热与冷却的热负荷值。 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 Hohmann等人提出的过程能量集成分析中，提出考虑第二定律的一种非常简单的方法，即划分温度区间。 具体方法：根据工程设计中传热速率要求，设置冷、热物流之间允许的最小温差ΔTmin，将热物流的起始温度与目标温度减去最小允许温差ΔTmin ，然后与冷物流的起始、目标温度一起按从大到小排序，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，热物流的始湿、终温应减去最小允许温差ΔTmin )。 由于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，即热量传递总是满足第二定律。 一、夹点位置的确定及其意义： 1、采用问题表格法确定夹点位置 应用前提：各物料的比热可视为常数。 问题表格法求解夹点的步骤： （1）作出问题表格： 具体作法： a、分别作出冷热两侧流体标尺，标尺的刻度相差△Tmin。 b、标出冷热物流及变温方向。 （2）对每个网格进行热量衡算 定义Dk：本