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1、Hierarchy 化工化工过程的分层设计过程的分层设计过程的分层设计过程的分层设计洋葱模型分层洋葱模型分层结构的能量关系如结构的能量关系如右图所示：热回收右图所示：热回收子系统通过内部物子系统通过内部物流之间的换热来减流之间的换热来减少对外部公用工程少对外部公用工程的依赖，提高系统的依赖，提高系统能效；蒸汽动力子能效；蒸汽动力子系统是适用于大量系统是适用于大量高温放热过程的可高温放热过程的可选项。选项。工艺过程子系统工艺过程子系统热回收热回收子系统子系统蒸汽动力蒸汽动力子系统子系统能量供给（热公用工程）能量供给（热公用工程）废热排出（冷公用工程）废热排出（冷公用工程）原料产品副产副产蒸汽蒸汽
2、第1页/共52页过程热集成设计的方法 夹点技术 Pinch Technology 1.温-焓图和组合曲线2.夹点的形成3.夹点的意义和设计原则夹点技术是广泛应用的过程热集成夹点技术是广泛应用的过程热集成设计的有效方法，其要点如下设计的有效方法，其要点如下：第2页/共52页温温-焓焓(T-H)图图(1)(1)物流的热特性可以用物流的热特性可以用(T-H)图表示图表示第3页/共52页温温-焓焓(T-H)图图(2)(2)两流股间的换热两流股间的换热:温度及焓的变化在温度及焓的变化在(T-H)图上能够很好地表达。图上能够很好地表达。H(MW)T()Hot StreamCold StreamQEQHQC
3、第4页/共52页组合曲线组合曲线-Composite Curve多股流股的组合温焓线多股流股的组合温焓线第5页/共52页夹点的形成夹点的形成-Pinch Point(1)将全部热物流的组合温焓线与全部冷物流将全部热物流的组合温焓线与全部冷物流的组合温焓线绘制在同一（的组合温焓线绘制在同一（T-H）图上：）图上：HTHot StreamCold Stream第6页/共52页夹点的形成夹点的形成-Pinch Point(2)焓是热力学状态函数，具有实际意义的是其增焓是热力学状态函数，具有实际意义的是其增量而非绝对值。因此可以将组合曲线水平移动。量而非绝对值。因此可以将组合曲线水平移动。HT夹点夹点
4、夹点夹点冷、热组合曲冷、热组合曲线在横坐标上线在横坐标上的重叠部分代的重叠部分代表两类流体间表两类流体间可交换的热量，可交换的热量，在纵坐标上的在纵坐标上的差值代表传热差值代表传热温差。温差最温差。温差最小处称为夹点。小处称为夹点。极限情况是夹极限情况是夹点温差为零。点温差为零。QE第7页/共52页夹点的形成夹点的形成-Pinch Point(3)对对于于有有限限大大的的传传热热面面积积，最最小小传传热热温温差差不不能能为为零零。设设定定最最小小传传热热温温差差值值，就就可可根根据据(T-H)图图中中的的HT夹点夹点夹点夹点QCQHQE冷、热组冷、热组合曲合曲线得到系统内线得到系统内部换热量部
5、换热量QE、冷公用工程量冷公用工程量QC 和热公用工和热公用工程量程量QH。第8页/共52页夹点的意义和设计原则夹点的意义和设计原则1.1.夹点是冷热复合温焓线中传热温夹点是冷热复合温焓线中传热温差最小处，此处热通量为零。差最小处，此处热通量为零。2.2.夹点之上是热端，只有换热和加夹点之上是热端，只有换热和加热公用工程，为需要热量的热阱，热公用工程，为需要热量的热阱，不应设置任何冷公用工程。不应设置任何冷公用工程。3.3.夹点之下是冷端，只有换热和冷夹点之下是冷端，只有换热和冷却公用工程，为热量多余的热源，却公用工程，为热量多余的热源，不应设置任何热公用工程。不应设置任何热公用工程。4.4.
6、不应有跨越夹点的传热。不应有跨越夹点的传热。Q Q1 1Q Q2 2+Q+Q1 1+Q+Q2 2Q Q+Q+Q+Q+Q第9页/共52页Grand Composite Curve 总组合曲线总组合曲线如果将每个温区中的冷、热流股的焓变加和起来，如果将每个温区中的冷、热流股的焓变加和起来，计算总焓变，并在温焓图上表示，则可得到总组计算总焓变，并在温焓图上表示，则可得到总组合曲线。合曲线。TH第10页/共52页总组合曲线的意义总组合曲线的意义由总组合曲线可知不同温位下的传热通量分由总组合曲线可知不同温位下的传热通量分布，能更合理地配置公用工程。布，能更合理地配置公用工程。第11页/共52页换热网络换
7、热网络(HEN)设计目设计目标标1.能量目标2.换热单元数目标3.换热网络面积目标4.经济目标第12页/共52页Energy Target 能量目能量目标标能量目标就是指以系统能量的最大回收为目标，能量目标就是指以系统能量的最大回收为目标，即即最小热公用工程最小热公用工程和和最小冷公用工程最小冷公用工程。能量目标随夹点温差而变。夹点温差确定后，能量目标随夹点温差而变。夹点温差确定后，所分析系统的能量目标为一确定值。所分析系统的能量目标为一确定值。若夹点温差增大，加热公用工程和冷却公用若夹点温差增大，加热公用工程和冷却公用工程均增大，且增大的数量相等。工程均增大，且增大的数量相等。能量目标可通过
8、温焓图的组合曲线法计算得到。能量目标可通过温焓图的组合曲线法计算得到。第13页/共52页Units Target 换热单元数目换热单元数目标标 一个换热网络的最小单元数目可由欧拉通一个换热网络的最小单元数目可由欧拉通用网络定理来描述：用网络定理来描述：U U换热单元数，包括换热器、加热器和冷却器；换热单元数，包括换热器、加热器和冷却器；N流股数目，包括工艺流股和公用工程流股；流股数目，包括工艺流股和公用工程流股；L独立的热负荷回路数目；独立的热负荷回路数目；S可能分离成不相关子系统的数目。可能分离成不相关子系统的数目。第14页/共52页最大能量回收网络的最大能量回收网络的换热单元数目标换热单元
9、数目标如果要使系统能量最大回收，需将系统分成夹点如果要使系统能量最大回收，需将系统分成夹点之上和夹点之下两个独立网络设计：之上和夹点之下两个独立网络设计：如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量增加（不满足能量最大回收），此时夹点上下增加（不满足能量最大回收），此时夹点上下增加（不满足能量最大回收），此时夹点上下增加（不满足能量最大回收），此时夹点上下就不再是独立网络了。就不再是独立网络了。就不再是独立网络了。就不再是独立网络了。第15页/共52页Area Target 换热
10、面积目标换热面积目标 在进行换热网络设计前，无法精确计算换热网在进行换热网络设计前，无法精确计算换热网络的面积，最小换热面积的计算是由最小传热温络的面积，最小换热面积的计算是由最小传热温差下冷、热温焓曲线差下冷、热温焓曲线垂直换热垂直换热得到的。得到的。TH第16页/共52页Cost Target 经济经济目标目标能量费用目标设备投资费用目标总年度费用目标根据换热单元数目标根据换热单元数目标 和换热面积目标求取和换热面积目标求取假定：换热单元数目标为假定：换热单元数目标为假定：换热单元数目标为假定：换热单元数目标为U Uminmin，且换热面积平均分配，且换热面积平均分配，且换热面积平均分配，
11、且换热面积平均分配 在各单元中在各单元中在各单元中在各单元中第17页/共52页最优夹点温差最优夹点温差最优夹点温差最优夹点温差 T Tminmin的确定的确定的确定的确定第18页/共52页夹点技术的应用夹点技术的应用 夹点技术既可用于新厂设计，又可用于已有系统的节能改造，但两者在目标上和方法上都有区别；夹点技术的一个显著特点是在换热网络设计前，先获得各项设计目标；在优化目标方面，夹点技术最初是以最大能量回收为系统的目标，然后发展为以最小总费用为目标。第19页/共52页Aspen Energy Analyzer 入门有两种方式应用有两种方式应用 Aspen Energy Analyzer：1.独
12、立应用独立应用Aspen Energy Analyzer；2.在在Aspen Plus仿真模型的基础上应用仿真模型的基础上应用Aspen Energy Analyzer。第20页/共52页Aspen Energy Analyzer 入门Structure 基本术语基本术语1.管理员管理员(Manager)2.项目项目(Project)方案（方案（方案（方案（ScenarioScenario）和设和设和设和设计（计（计（计（DesignDesign）3.案例案例(Case)设计目标计算设计目标计算设计目标计算设计目标计算 4.改造模式改造模式(Retrofit Mode)5.案例案例/文档文档(
13、Case/File)*.hch*.hch 文件文件文件文件第21页/共52页基本使用步骤 独立应用（1）1.启动启动 User Interface 2.设置设置 Unit Preferences3.新建一个新建一个 HI Case4.输入输入 工艺流股数据工艺流股数据 Process Stream5.选择计算用的数据库等选择计算用的数据库等（Options）6.选择选择 Tmin，进行，进行Target分析分析第22页/共52页基本使用步骤 独立应用（2）7.建立建立 HI Project 8.选定选定 Tmin,进入进入Recommend Designs 选择推荐网络数目选择推荐网络数目9.
14、比较各种设计方案的经济性比较各种设计方案的经济性10.选择经济性好的方案选择经济性好的方案进入进入(Retrofit)模式模式优化优化11.以经济性为目标选择优化方案以经济性为目标选择优化方案第23页/共52页1.启动 User Interface开始开始所有程序所有程序Process ModelingProcess ModelingAspen Energy AnalyzerAspen Energy AnalyzerAspenTechAspenTech从从WindowsWindows系统菜单中启动能量分析系统菜单中启动能量分析器的用户界面器的用户界面第24页/共52页2.设置 Unit Pre
15、ferences（1）第25页/共52页2.设置 Unit Preferences（2）第26页/共52页2.设置 Unit Preferences（3）第27页/共52页2.设置 Unit Preferences（4）第28页/共52页2.设置 Unit Preferences（5）第29页/共52页3.新建 HI Case/HI Project第30页/共52页4.输入工艺流股/HI Case第31页/共52页选择数据库-Options（1）第32页/共52页选择数据库-Options（2）第33页/共52页选择数据库-Options（3）第34页/共52页察看公用工程物流第35页/共52
16、页目标分析进入目标分析界面第36页/共52页目标分析设置Tmin第37页/共52页目标分析获得最小公用工程用量第38页/共52页目标分析查看组合曲线第39页/共52页目标分析查看总组合曲线第40页/共52页目标分析考察Tmin对目标的影响第41页/共52页HEN设计 创建 HI Project（1）第42页/共52页HEN设计 创建 HI Project（2）第43页/共52页HEN设计 设置推荐方案数（1）第44页/共52页HEN设计 设置推荐方案数（2）第45页/共52页HEN设计 比较各方案性能第46页/共52页HEN设计 较优方案改造（1）第47页/共52页HEN设计 较优方案改造（2）第48页/共52页精品课件！第49页/共52页精品课件！第50页/共52页HEN设计 较优方案改造（3）第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页