年产5万吨甲基丙烯酸甲酯项目5-换热网络设计说明书.doc

换热网络设计说明书

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目录

TOC\h\z\t标题1,1,标题2,2,标题3,3第一章 换热网络理论基础 2

1.1 概述 2

1.2 夹点技术 2

第二章 工艺流股提取 5

2.1 工艺流股提取 5

第三章 换热网络合成 6

3.1 AspenEnergyAnalyzer介绍 6

3.2 利用组合平台曲线的能量——热泵精馏 6

3.2.1 热泵精馏简述 6

3.2.2 热泵精馏适用场合 9

3.3 换热网络合成过程 10

换热网络理论基础

概述

从系统工程的角度可把过程工业的生产系统分为三个子系统，即化学装置子系统、换热网络子系统和公用工程子系统。其中化学装置由反应、精馏、吸收、萃取等化工基本设备单元组成，物料在这些设备中发生特定的物理、化学变化。在这些化学装置的结构和操作条件确定后，进出各个设备的流股根据操作条件要求需要冷却和加热，这些流股构成了热回收系统，即换热网络。

在工艺过程设计中节能是非常重要的，因此换热的目的不仅仅是为了使物流温度满足要求，而且也是为了回收过程余热，减少公用工程消耗，机遇这种思想进行的换热网络设计称为换热网络合成。换热网络合成的任务，是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。

图STYLEREF2\s1.1.SEQ图\*ARABIC\s21热集成的来源和辅助换热网络

目前，换热网络集成主要有三种方法：试探法，夹点技术，数学规划法。其中，夹点技术以其使用简单，直观和灵活的优点被广泛的使用。但夹点技术也有其缺点，夹点在应用中的主要缺陷有两点：过于注重能量的节省，而在设备和经济上的考虑略显不足；有些夹点匹配技术（如利用分流技术来匹配物流）在工艺的难以实现。

采用夹点技术进行换热网络的设计时，除了通过物流的信息计算相关的物理参数从而满足换热匹配要求外，还要求得最小公用工程，最小换热单元数和最小换热面积。事实上，对于实际生产装置，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。同时换热网络的设计还需要考虑到设备布置，物流是否具有腐蚀性及对换热材料的要求，更要结合实际来确定合理的节能方案。因此，实际进行换热网络设计时，需要在某方面做出牺牲，以获得一个折中的方案。

夹点技术

夹点技术（Pinchtechnology）是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量沿温度曲线的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”（Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈”（Debottleneck）的一种方法。主要通过构造冷、热物流组合曲线，总组合曲线和平衡组合曲线来对工艺过程进行能量分析，制定节能设计和改造方案。

要形象的判断工艺流股的夹点位置，首先就要做出T-H复合图。T-H图是用来表示工艺流股的热特性，即流股的温度－焓的关系图，流股在换热过程中的焓变为：

ΔH

其中M为质量流率，Cp为热容。

以焓变为横坐标，温度为纵坐标作出的T-H图如下：

图STYLEREF2\s1.2.SEQ图\*ARABIC\s21不同类型的T-H图

T-H图上，焓在热力学意义上并不严格，其中线段可以水平的随意移动，并不影响焓变的绝对值，其斜率为1C

对于多股流股，我们在T-H图上可以实现合并，热、冷流股经过简单的平移和重叠可以分别统一合并为一条。

在对冷热流股都进行了合并后我们可以得到如下图：

图STYLEREF2\s1.2.SEQ图\*ARABIC\s22冷热流体的组合曲线图

在夹点位置：冷热物流间的传热温差最小，刚好等于ΔT

通过图我们可以很容易的发现夹点位置，并且直观的看出内部换热量与冷公用工程及热公用工程的大小比例关系。对于夹点的设计与优化存在三条准则：

一、无跨越夹点的传热

二、夹点之上无公用工程冷却器

三、夹点之下无公用工程加热器

夹点的选取对于整个工程的费用有着决定性的作用。从图中我们可以发现，当夹点选取越小时，内部换热量增加，公用工程费用减少，但是随着夹点温度的减小，换热器的面积增加，当夹点温度设置为零时，换热器面积达到无限大。因此，夹点温差与公用工程、设备投资、总费用的关系存在下图关系：

图STYLEREF2\s1.2.SEQ图\*ARABIC\s23最小温差和费用关系图

可见，存在一个最优值，使总费用最小。

工艺流股提取

工艺流股提取

在换热网络设计前，我们已经对主要塔设备进行了优化，减少了许多不必要的能量能耗。我们再将可以需要热交换的数据（考虑到反应器的热稳定性等问题，不将其列入换热网络中）进行了提取，列于REF_Ref52213