过程系统综合与集成.ppt

过程系统综合过程系统综合与集成与集成张冰剑张冰剑 020-84113653zhbingj@10.1.4 问题表格法确定夹点•T-H图确定夹点的方法虽然直观，但是不适合大规模换热网络夹点的确定•确定夹点位置常用的方法是问题表格法（Problem Table Algorithm）1问题表格法确定夹点的步骤•第一步：子网络的分割，问题表格(1)；•第二步：每个子网络的热量衡算；•第三步：问题表格(2)的确立与夹点的确定2子网络的基本概念•热级联： 每个单元都是相似的传热过程组成的串级结构每一级相当于一个子网络•热级联－虚拟结构，同一温位的物流集中于同一级D k+1T1T kT k+1I1I kI k+1IKD1D kD KO kO1OkOk+13子网络热量衡算的基础概念•OK：第k个子网络向外界或其他子网络输出的热量；•IK：外界或其他子网络供给第k个子网络的热量；•DK：第k个子网络本身的赤字（Deficit），即该子网络为满足热平衡所需要的外加热量4热量衡算的基本公式•Ok=I k-D k 输出=输入-赤字•D k=(∑CPC- ∑CPH )(T k-T k+1)•∑ CPC：子网络k中包含的所有冷物流的热容流率之和；•∑CPH ：子网络k中包含的所有热物流的热容流率之和。

5例题一：•一过程系统含有两个热物流和两个冷物流，给定数据列于下表，选定冷热物流间最小传热温差为△Tmin = 20 ℃，试确定该过程的夹点位置物流标号初始温度℃终了温度℃热负荷kW热容流率kW/ ℃H115060180.02.0H29060240.08.0C120125262.52.5C225100225.03.06第一步：子网络的分割问题表格(1) △Tmin = 20 ℃子网络序号子网络序号 冷物流及其温度冷物流及其温度 热物流及其温度热物流及其温度 k C1 C2 /℃ H1 H2 /℃SN1SN2SN3SN4SN5SN6150145120906012510070402520等于最小传等于最小传热温差热温差7第二步：子网络的热量衡算•第一个子网络：K = 1，（温度间隔为 150～145 ℃)D 1=（0-2)×(150-145) = -10 （负赤字表示有剩余热量10kW）I 1 = 0 （无外界输入热量）O1= I 1 - D 1= 0 -(-10) = 10O1为正值，说明子网络1(SN1)有剩余热量供给子网络2(SN2)8第二步：子网络的热量衡算•第二个子网络：K = 2，（温度间隔为145～120℃)D 2=（2.5-2)×(145-120) = 12.5 （正赤字表示有热量赤字12.5kW）I 2 = O1= 10（子网络SN1有剩余热量供给SN2O2= I 2 - D 2= 10-12.5 = -2.5O2为负值，说明子网络SN2有剩余的负热量供给子网络SN3（即需要子网络3向子网络2供给热量，但这是不可能的）9第二步：子网络的热量衡算•第三个子网络：K = 3，（温度间隔为120～90℃)D 3=（2.5+3-2)×(120-90) = 105 I 3 = O2= -2.5O3= I 3 - D 3= -2.5-105 = -107.5•第四个子网络：K = 4，（温度间隔为90～60℃)D 4=（2.5+3-2-8)×(90-60) = -135I 4 = O3 = -107.5O4= I 4 - D 4= -107.5- (-135) =27.510第二步：子网络的热量衡算•第五个子网络：K = 5，（温度间隔为40～25℃ ) 只有冷物流D 5=（2.5+3)×(40-25) = 82.5 I 5 = O4= 27.5O5= I 5 - D 5= 27.5-82.5 = -55•第六个子网络：K = 6，（温度间隔为25～20℃)D 6=2.5×(25-20) =12.5I 6 = O5= -55O6= I 6 - D 6= -55-12.5 = -67.511第三步：问题表格(2)的确立与夹点的确定子网络序号赤字DK/kW热量/kWIKOKSN1-10010.0SN212.510.0-2.5SN3105.0-2.5-107.5SN4-135.0-107.527.5SN582.527.5-55.0SN612.5-55.0-67.5O OK K为负值的时候传热为负值的时候传热过程无法完成，需要过程无法完成，需要外界供入热量。

外界供入热量OK负值最大者，所负值最大者，所需从外部供入的热需从外部供入的热量温位温位若外部供入的热量若外部供入的热量为为107.5 kW，则过，则过程程OK 值不存在负值值不存在负值12第三步：问题表格(2)的确立子网络序号赤字DK/kW无外界输入热量/kW外界输入最小热量/kWIKOKIKOKSN1-10010.0107.5117.5SN212.510.0-2.5117.5105.5SN3105.0-2.5-107.5105.50SN4-135.0-107.527.50135.0SN582.527.5-55.0135.052.5SN612.5-55.0-67.552.54013SN1SN6SN2SN3SN4SN5SN1SN6SN2SN3SN4SN50 kW10-2.5-107.527.5-5567.5 kWQ H，min = 107.5 kW117.5105013552.5Q C，min = 40kW有无外界输入热量时的子网络传热示意图14第三步：夹点与公用工程冷、热负荷的确定•考察发现，外界输入最小热量时，SN4输入的热量为0，其他子网络的输入、输出热量皆无负值，此时SN3与SN4之间的热流量为0，即为夹点，该处的传热温差为△Tmin 。

•夹点处热物流温度为90℃，冷物流的温度为70 ℃ •最小公用工程的加热负荷QH，min =107.5 kW•最小公用工程的冷却负荷QC，min =40.0 kW15例题二：•将例题一中最小传热温差△Tmin改为15℃，考察最小传热温差的改变对计算结果的影响16例题二的问题表格(1)：问题表格(1) △Tmin = 15 ℃子网络序号子网络序号 冷物流及其温度冷物流及其温度 热物流及其温度热物流及其温度 k C1 C2 /℃ H1 H2 /℃SN1SN2SN3SN4SN5SN6150140115906012510075452520等于最小传等于最小传热温差热温差17例题二的问题表格(2)：子网络序号赤字DK/kW无外界输入热量/kW外界输入最小热量/kWIKOKIKOKSN1-20020.080.0100.0SN2120.520.07.5100.087.5SN387.57.5-80.087.50SN4-135.0-80.055.00135.0SN5110.055.0-55.0135.025.0SN612.5-55.0-67.525.012.518选用不同最小传热温差时计算结果比较△Tmin / ℃ QH，min / kWQC，min / kW夹点位置/℃热物流冷物流20107.5409070158012.59070△Tmin越小，热回收量越多，所需的加热和冷却公用工程量越少，但相应的换热面积加大，投资费用增加，故需要确定最优的△Tmin。

19最优的△Tmin确定方法：•1)、根据经验确定，需要考虑公用工程和换热器设备的价格、换热介质、传热系数、操作弹性等因素的影响•2)、在不同△Tmin下综合出不同的换热网络，选取总费用较低的网络对应的△Tmin•3)、运用数学规划法进行操作费用和投资费用的同时优化2010.1.5 夹点规则综合换热网络夹点规则综合换热网络的目标：确定一个仅需要最小公用工程加热负荷与最小公用工程冷却负荷就可以达到最大热回收的换热网络21物流间匹配换热的可行性规则一•对于夹点上方，每一夹点匹配的热物流的热容流率CPH要不大于冷物流的热容流率CPC，即CPH ≤ CPC；•对于夹点下方，每一夹点匹配的热物流的热容流率CPH要不小于冷物流的热容流率CPC，即CPH ≥ CPC热流股热流股冷流股冷流股夹点夹点T下方下方CPH ≤ CPCH热流股热流股冷流股冷流股夹点夹点T 上方上方CPH ≥ CPCHCPIN ≤ CPOUT进入夹点物流的热容流率要不大于穿出夹点物流的热容流率22物流间匹配换热的可行性规则二•选择每个匹配的热负荷等于冷热物流热负荷较小者，使一次匹配换热可以使一个物流(热负荷较小者)由初始温度达到终了温度，这样匹配系统所需的换热设备数目最小，降低了投资费用。

△H=20kW△H=100kW10020△H/kW23运用夹点规则综合换热网络•将上述规则应用于例10-1，综合出相应的换热网络物流标号物流名称初始温度℃终了温度℃热负荷kW热熔流率kW/ ℃H1产品22060352022H2反应流出物270160198018C1进料50210320020C2循环流股160210250050例10-1冷热流股数据24流股数据流股数据物流标号物流名称初始温度℃终了温度℃热负荷kW热熔流率kW/ ℃H1产品22060352022H2反应流出物270160198018C1进料50210320020C2循环流股160210250050冷热流股数据25结结 束！束！26。