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1、化工CAD基础 第八讲,Simulation Design of Heat Integration in Chemical Processes 化工过程热集成仿真设计,1,深层分析,Hierarchy 化工过程的分层设计,化工过程的洋葱模型,最常用的化工过程分层设计模型是左图所示的洋葱模型，由里到外逐层细化设计。 过程热集成设计的对象是换热系统的拓扑结构和公用工程的规格配套设计。,2,深层分析,Hierarchy 化工过程的分层设计,洋葱模型分层结构的能量关系如右图所示：热回收子系统通过内部物流之间的换热来减少对外部公用工程的依赖，提高系统能效；蒸汽动力子系统是适用于大量高温放热过程的可选项。
2、,3,深层分析,过程热集成设计的方法 夹点技术 Pinch Technology,温-焓图和组合曲线 夹点的形成 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设计的有效方法，其要点如下：,4,深层分析,温-焓(T-H )图(1),物流的热特性可以用(T-H )图表示,5,深层分析,温-焓(T-H )图(2),两流股间的换热:温度及焓的变化在(T-H )图上能够很好地表达。,6,深层分析,组合曲线-Composite Curve,多股流股的组合温焓线,7,深层分析,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的组合温焓线绘制在同一（T-H）图上：,H
3、ot Stream,Cold Stream,8,深层分析,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量而非绝对值。因此可以将组合曲线水平移动。,冷、热组合曲线在横坐标上的重叠部分代表两类流体间可交换的热量，在纵坐标上的差值代表传热温差。温差最小处称为夹点。极限情况是夹点温差为零。,QE,9,深层分析,夹点的形成 -Pinch Point (3),对于有限大的传热面积，最小传热温差不能为零。设定最小传热温差值，就可根据(T-H)图中的,冷、热组合曲线得到系统内部换热量QE、冷公用工程量QC 和热公用工程量QH。,10,深层分析,夹点的意义和设计原则,1
4、.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。 2.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，不应设置任何冷公用工程。 3.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，不应设置任何热公用工程。 4.不应有跨越夹点的传热。,+ Q1,+ Q2,+ Q,+ Q,11,深层分析,Grand Composite Curve 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，计算总焓变，并在温焓图上表示，则可得到总组合曲线。,12,深层分析,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布，能更合理地配置公用工程。,13,深层分析,换热网络(HEN
5、)设计目标,能量目标 换热单元数目标 换热网络面积目标 经济目标,14,深层分析,Energy Target 能量目标,能量目标就是指以系统能量的最大回收为目标， 即最小热公用工程和最小冷公用工程。,能量目标随夹点温差而变。夹点温差确定后，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工程均增大，且增大的数量相等。,能量目标可通过温焓图的组合曲线法计算得到。,15,深层分析,Units Target 换热单元数目标,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：,U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； L独立的热负
6、荷回路数目； S可能分离成不相关子系统的数目。,16,深层分析,最大能量回收网络的换热单元数目标,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：,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），此时夹点上下就不再是独立网络了。,17,深层分析,Area Target 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、热温焓曲线垂直换热得到的。,T,18,深层分析,Cost Target 经济目标,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 和换热面积目标求取,假定：换热
7、单元数目标为Umin，且换热面积平均分配 在各单元中,19,深层分析,最优夹点温差Tmin的确定,20,深层分析,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。,21,深层分析,Aspen Energy Analyzer 入门,有两种方式应用 Aspen Energy Analyzer： 独立应用Aspen Energy Analyzer； 在Aspen Plus仿真模型的基础上应用As
8、pen Energy Analyzer。,22,深层分析,Aspen Energy Analyzer 入门,Structure 基本术语,管理员(Manager) 项目(Project) 方案（Scenario） 和设计（Design） 案例(Case) 设计目标计算 改造模式(Retrofit Mode) 案例/文档(Case/File) *.hch 文件,23,深层分析,基本使用步骤 独立应用（1）,启动 User Interface 设置 Unit Preferences 新建一个 HI Case 输入 工艺流股数据 Process Stream 选择计算用的数据库等（Options）
9、选择Tmin，进行Target分析,24,深层分析,基本使用步骤 独立应用（2）,建立 HI Project 选定Tmin, 进入Recommend Designs 选择推荐网络数目 比较各种设计方案的经济性 选择经济性好的方案进入(Retrofit) 模式优化 以经济性为目标选择优化方案,25,深层分析,1. 启动 User Interface,从Windows系统菜单中启动能量分析器的用户界面,26,深层分析,27,深层分析,2. 设置 Unit Preferences （1）,28,深层分析,2. 设置 Unit Preferences （2）,29,深层分析,2. 设置 Unit Pr
10、eferences （3）,30,深层分析,2. 设置 Unit Preferences （4）,31,深层分析,2. 设置 Unit Preferences （5）,32,深层分析,3. 新建 HI Case/HI Project,33,深层分析,4. 输入工艺流股 /HI Case,34,深层分析,选择数据库-Options（1）,35,深层分析,选择数据库-Options （2）,36,深层分析,选择数据库-Options （3）,37,深层分析,察看公用工程物流,38,深层分析,目标分析进入目标分析界面,39,深层分析,目标分析设置Tmin,40,深层分析,目标分析获得最小公用工程用量,41,深层分析,目标分析查看组合曲线,42,深层分析,目标分析查看总组合曲线,43,深层分析,目标分析考察Tmin对目标的影响,44,深层分析,HEN设计 创建 HI Project （1）,45,深层分析,HEN设计 创建 HI Project （2）,46,深层分析,HEN设计 设置推荐方案数（1）,47,深层分析,HEN设计 设置推荐方案数（2）,48,深层分析,HEN设计 比较各方案性能,49,深层分析,HEN设计 较优方案改造（1）,50,深层分析,HEN设计 较优方案改造（2）,51,深层分析,HEN设计 较优方案改造（3）,52,深层分析,