ASPEN | 换热网络设计

2024-12-02 21:01   江苏  

前言

组合曲线是实现热回收目标可视化的有效工具。然而当涉及多股工艺物流时,绘制组合曲线费时费力,且仅依赖作图法并不能精确地确定能量目标。为了能精确计算能量目标,通常采用问题表法(ProblemTable Algorithm,PTA),问题表法步骤如下:
①改变工艺物流温度;
②划分系统温度区间;
③计算温度区间内热平衡;
④假设无热公用工程,计算热级联(Heat Cascade);
⑤根据需要增加热公用工程,确保温度区间内热流量为非负值。


问题表法

例:

某一过程系统流程如下图所示,含有两股热物流和两股冷物流,物流数据见

表2-1。令ΔTmin=20℃,使用问题表法确定能量目标和夹点温度。



①列出物流数据。


②改变工艺物流温度。

热物流温度降低ΔTmin/2,冷物流温度提高ΔTmin/2,如上图最后两列。

③划分系统温度区间

将所有工艺物流的位移温度(任何重复值仅考虑一次)降序排列,这个过程会产生温度边界,从而形成问题表法的温度区间,如表2-2所示,温度边界为260℃、220℃、210℃、170℃、150℃、60℃和50℃。

④计算温度区间的热平衡


⑤假设无公用工程,计算热联级

图2-11所示的热级联包含每个温度区间的热平衡,热流量沿温度轴向下一个区间的级联传递,即上一级的输出为下一级的输入,热流量在区间之间的传递量记为R。顶部热流量表示总热公用工程用量,底部热流量表示总冷公用工程用量。首先假定输入的热公用工程热流量为零,该值与顶部温度区间内热平衡加和,产生输入下一级的热流量。在各温度区间内重复此操作,直至计算出底部的冷公用工程热流量,从而产生如图2-11(a)所示的热级联。(PS:即上一级别的热量传递至下一个级别

⑥根据需要增加热公用工程,确保温度区间热流量为非负值

图2-11(a)所示的热流量R存在负值,因为热流量不能沿温度轴向上传递,所以此热级联不可行。为使热级联可行,需从热公用工程引入足够的热流量,使级联间传递的热量至少为零。从热公用工程引入的最小热流量为图2-11(a)中负值绝对值最大的热流量,即1000kW。
重复步骤(4),最终得到可行的热级联,并提供能量目标,顶部的热流量代表最小热公用工程用量,底部的热流量代表最小冷公用工程用量。温度区间内热流量为零处,即为夹点。本例可行的热级联如图2-11(b)所示,最小热公用工程用量为1000kW,最小冷公用工程用量为800kW,夹点温度为170℃(热物流夹点温度为180℃,冷物流夹点温度为160℃)。



换热网络设计

根据问题表计算得知,最小热公用工程用量为1000kW,最小冷公用工程用量为800k。

①划分节点上下

热物流180℃,冷物流160℃。见上图2-68。
②夹点匹配


2.1 夹点之上

夹点之上有两股热物流和两股冷物流,满足物流数目准则。

根据热容流率准则,H1与C1匹配,H2与C2匹配。

为满足最大热负荷,每次匹配应该换完两股物流中的一股。比较夹点之上物流热负荷大小,物流H1与C1匹配,换完热负荷较小的物流C1;物流H2与C2匹配,换完热负荷较小的物流H2;物流H1所剩热量可继续与C2匹配;最后,物流C2所需热负荷由加热器满足。夹点之上换热网络设计过程如图2-69所示。

路路君PS:

①号换热器:将C1流股完全利用,H1热量有剩余。

号换热器:将H2流股完全利用,C1冷量有剩余。

号换热器:将H1和C1剩余的能量利用,C1冷量仍有剩余。

H号换热器:热公用工程换热器,补充工艺物流不足的热量。


2.2 夹点之下

夹点之下含有两股热物流和一股冷物流,满足物流数目准则。根据热容流率准则,冷物流C1只能与热物流H2在夹点处进行换热,换完热负荷较小的冷物流C1,热物流H1和H2剩余热负荷由冷却器提供。夹点之下换热网络设计过程如图2-70所示。

路路君PS:

④号换热器:将C1流股完全利用,H2热量有剩余。

C1号换热器:冷公用工程换热器,与H1流股换热。

C2号换热器:冷公用工程换热器,与H2流股剩余热量换热。


③夹点合并
将夹点之上和夹点之下的换热网络合并,确定最终的换热网络如图2-71所示,其对应的流程如图2-72所示,满足了通过问题表法所得到的最小公用工程用量,其中热公用工程1000kW,冷公用工程800kW。整个换热网络共7个换热单元,而系统的换热单元数目标为5,说明网络中存在回路,故初始的换热网络还需要进一步调优。


观察图2-68可知,夹点之上热物流H1与H2的热负荷相加等于冷物流C2的热负荷,故可对冷物流C2进行分流,使其完美匹配热物流H2和H1,从而减少一个夹点之上的换热器,设计结果如图2-73所示。


两股物流分支的热容流率需满足热容流率准则。本例冷物流C2的任一分支的热容流率大于或等于热物流H1或H2的热容流率,同时应注意匹配中各处温差均不小于ΔTmin。为了减少换热单元数,物流分支热容流率的分配原则是其中一个匹配能恰好满足与之匹配的物流的热负荷。

-END-


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