文档介绍：7 换热网络合成
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,就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。
图7-1所示的乙烯裂解气甲烷化流程,把氢气进料加热到310℃,以便在反应器中进行反应。出反应器的物流先与进反应器的物流换热,以便回收热量,然后继续冷却,以完成气、液相的分离。
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。实际生产装置很难达到这一目标。通常,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。
换热网络合成问题

一组需要冷却的热物流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、公用工程消耗成本最少。
换热网络合成的研究主要经历
(1)Hohmann的开创性工作的意义在于从理论上导出了换热网络的两个理想状:
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。
从而为换热网络设计指明了方向。
(2)Linnhoff和 Flower在Hohmann的基础上,从方法上提出分两步走。
第一步是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找到能量最优解,这就是著名的温度区间法。
第二步是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。