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1、化工系统工程全册配套最完整化工系统工程全册配套最完整 精品课件精品课件 化工系统工程化工系统工程 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 3 页页 主要内容主要内容 第一章第一章 绪论化工系统工程绪论化工系统工程 2 2 第二章第二章 过程系统模拟过程系统模拟 1010 第三章第三章 过程系统动态模拟过程系统动态模拟 6 6 第四章第四章 换热网络综合换热网络综合 4 4 第五章第五章 精馏分离序列综合精馏分离序列综合 3 3 第六章第六章 反应路径综合反应路径综合 3 3 第七章第七章 过程系统集成过程系统集成 4 4 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 4 页页 参考书参考书 化工系统

2、工程化工系统工程 项曙光 第第 5 页页 第一章第一章 绪论化工系统工程绪论化工系统工程 1.1 1.1 化工系统工程化工系统工程 0.50.5 1.2 1.2 化工系统工程基本问题化工系统工程基本问题 0.50.5 1.3 1.3 化工系统工程研究方法化工系统工程研究方法 0.50.5 1.4 1.4 化工系统工程学习方法化工系统工程学习方法 0.50.5 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 6 页页 1.1 1.1 化工系统工程化工系统工程 第一章第一章 绪论化工系统工程绪论化工系统工程 化学工程化学工程 定义：以化学、物理和数学原理为基础，研究物料在工业规模条 件下，它所发生的物理或

3、化学状态变化的工业过程及这类过程所用 装置的设计和操作的一门技术科学。 过程工业： 发展史：20世纪20年代-单元操作概念； 60年代：传递过程 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 7 页页 1.1 1.1 化工系统工程化工系统工程 第一章第一章 绪论化工系统工程绪论化工系统工程 系统工程系统工程 系统工程学(System Engineering)是以系统，特别是大系统，为对象 的一门跨学科的边缘科学。它是根据总体协调的需要，把自然科学 和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等从横的方面 有效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和计算机等工 具对系统的构成要素、组织结构、信息

4、交换和自动控制等功能进行 分析研究，而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更 加合理的研制和运用系统而采取的各种组织管理技术的总称，归根 结底是一种工程学的方法论。 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 8 页页 1.1 1.1 化工系统工程化工系统工程 第一章第一章 绪论化工系统工程绪论化工系统工程 化工系统工程化工系统工程 定义：定义：过程系统工程(Process Systems Engineering,PSE)是将系统工程 学的理论和方法应用于化工过程领域的边缘学科，是化学工程学的 一个分支。 国外过程系统工程发展概况国外过程系统工程发展概况 60年代PSE产生和发展理论准备时

5、期 70年代PSE开始走上实用阶段 77年“Comp. Linnhoff 等1983; Townsend和 Linnhoff 1983) 由此触发了进一 步研究，在曼彻 斯特理工大学 （UMIST）建 立了第一个学术 中心，后来是世 界上第一个过程 集成系 20世纪七十年 代起在瑞士联 邦理工学院和 英国利兹大学 最初开发用于 集成网络设计 的夹点分析技 术 发展历 史 4.1.2 4.1.2 历史与工业经历历史与工业经历 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 272 页页 当时，ICI公司在炼油厂原油精馏装置上面临挑战。需求扩产20%， 但这将导致能量需求相应增加。增加一加热炉似乎是唯一方

6、案，但问 题是不仅需要很大的投资，而且车间没有地方放置这个炉子。只能是 把它放在繁忙主路另一侧，用管道来连接操作，这又带来明显的操作 问题和安全危险。差不多11小时后，过程集成团队被叫来看能否提出 改进的解决办法。 在短时间内，该团队计算出能量目标，表明该过程可以使用少得 多的能量，即使扩产后的能量目标也比现在的要小。 他们很快提出了一个能实现这一目标的换热网络实用设计方案。 最终使得公司在能量方面每年节省一百万英镑以上，避免了新增加热 炉的投资及其相关问题。虽然需要新增换热器，但资金开支实际上比 原设计要低，从而投资费用和操作费用都大大降低。 4.1.2 4.1.2 历史与工业经历历史与工业

7、经历 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 273 页页 德国巴斯夫公 司（BASF）报 道完成了150个 项目和在路德 维希港主要工 厂改造中实现 25%以上的节 能(Korner 1988) 由英国政府资 助的研究也表 明这项技术能 够有效广泛地 应用于工业中 许多不同类型 的过程中 （Brown 1989） 夹点分析方法已 扩展到能量之外 的其它情形，特 别是废水最小化 (Wang 和Smith 1994, 1995; Smith 2005)和 氢夹点(Alves 1999;Hallale和 Liu 2001) 美国联碳公司 报道了甚至比 ICI更好的结果， 主要原因在于 理解如何作用

8、 于工艺过程改 变的进步 (Linnhoff和 Vredeveld 1984) 工 业 应 用 4.1.2 4.1.2 历史与工业经历历史与工业经历 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 274 页页 夹点分析在早些年时存在一些争议。它使用简单的概念而不是复 杂的数学方法，早期研究中报道的能量的节省和设计改进引起了一些怀 疑。 夹点分析在实际应用仅有很少技术诀窍时就早早商业化了，导致 了几个商业上的失败。曾导至分歧意见。 Morgan (1992)报道说夹点分析明显的改进了过程设计和设计的 过程。 Steinmeyer (1992)报道说夹点分析可能会错过改进的主要时机。 尽管如此，目前这项

9、技术被普遍接受、被广泛包括在大学本科课 程中、广泛应用于学术研究和工业实际中。 夹点分析已成为成熟的技术夹点分析已成为成熟的技术。 4.1.2 4.1.2 历史与工业经历历史与工业经历 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 275 页页 为什么夹点方法会比这些年来具有很高能力的工程师的传统设 计和学问更显进步呢？原因是大多数情况下想获得最优，必须有 特别的洞察力。特别洞察力即不是直觉明显的，也不是通常意义 上已有的。 仅包含有4股物流，似乎是简单任务。可试着用类似于图1.1的方法 解决这个包含4股物流（2股热流，2股冷流）的简单问题。在尝试 该例后，读者可能会同意这并不是一简单任务。 表1.

10、1 4股物流例题数据 物流号与类型物流号与类型 热容流率热容流率 （kW/ ） 初始温度初始温度 （） 最终温度最终温度 （） 物流热负荷物流热负荷 （kW）（正值为放热）（正值为放热 ） (1) 冷冷2.0201352.0(20-135)=-230 (2) 热热3.0170603.0(170-60)=330 (3) 冷冷4.0801404.0(80-140)=-240 (4) 热热1.5150301.5(150-30)=180 4.1.3 4.1.3 夹点分析是干什么的？夹点分析是干什么的？ 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 276 页页 怎么知道它是不是最佳的呢？ 你会继续寻找更好的

11、解吗？ 如果有的话如何寻找呢？ 若开始前就知道这个问题的能量目标是多少和期望所需的最小换热 器数量，这就会产生大的激励在开始时设法改进。在开始设计换热网络 时，若已知换热网络最严格约束点的关键信息，这会引导你如何达到目 标。 第2节中开发的看似合理的“普通意义”的热回收系统，其可行的 换热量可以降低10%，其热公用工程加热量却是计算出的目标热公用工 程的2.5倍，从而展示了基于夹点方法的价值。 设想一个大的复杂的过程工厂，怎样把它与实际联系起来呢？这些 年来，产生了新的主意用于节能。然而，改造一个已经存在的工厂比设 计一个新的工厂更加困难和昂贵，很多好想法必须等到下一代工厂设计 时才能实现。经

12、历越多方法越多，经过很多年或者几十年后，连续不断 的设计比以前设计能量利用更有效。 4.1.3 4.1.3 夹点分析是干什么的？夹点分析是干什么的？ 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 277 页页 基于目标分析 来确定能耗目 标的夹点分析 法 降耗降耗 基于过去工 厂的外推 的 “学习曲线” 虽然基于“学习曲线”也可以实现能耗改进 ，但其每次的能 耗改进时有限的，比如使下一代工厂能耗减少10%，而夹点分 析方法在第一代工厂就达到能量目标，从而完全避免“学习曲 线”。 4.1.3 4.1.3 夹点分析是干什么的？夹点分析是干什么的？ 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 278 页页 该

13、图表明对给定产品的情 况下通过取决于“学习曲 线”的逐步设计达到能量 消耗改善。但是，夹点分 析方法计算的能量目标突 然展现出了最终性能，通 过正确的集成，能耗比 “学习曲线”还要明显低 些。 4.1.3 4.1.3 夹点分析是干什么的？夹点分析是干什么的？ 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 279 页页 夹点分析已从原始研究扩展到了很大范围，它目前已是过程 开发与设计整个策略的主要部分，常称为过程综合过程综合和当前工 厂的最优化。洋葱图洋葱图有效地描述了整个设计过程 。 4.1.4 4.1.4 过程综合与换热网络综合过程综合与换热网络综合 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 280

14、 页页 该图为1.1节中专用化学品过 程的详细流程图，其中反应器 和分离器的设计任务已经完成， 余下的设计问题是怎样才能使 包括换热器，加热器和冷却器 在内的系统得到最优经济性能。 4.1.4 4.1.4 过程综合与换热网络综合过程综合与换热网络综合 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 281 页页 该图将所有的换热器，加热器，冷却 器全部从流程中去除，剩下的是各种 加热和冷却任务。所以该问题就由4 股物流组成，1股需要加热，3股需要 冷却 。设计的任务是找到最好的由 换热器，加热器，冷却器组成的换热 网络，该换热网络以最小操作费用和 年度投资费用来处理这4股物流 。因 此，夹点分析和过程

15、综合已经从单纯 的热回收问题的方法发展成为整体的 全过程分析方法。 4.1.4 4.1.4 过程综合与换热网络综合过程综合与换热网络综合 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 282 页页 4.1.5.1 如何实际运用热力学 夹点分析是直接建立在简单热力学的基础上，用一种实用的方 式应用热力学。但是，夹点分析方法总体上是非数学的。经典热力 学是一门非常完善的科目，我们需要把它用到实际的设计和操作中 去。我们通过区分不可避免的和可避免的热力学损失，实际的和理 想的性能目标，以达到节省能量和获得其他的利益。 4.1.5 4.1.5 过程设计中热力学的作用过程设计中热力学的作用 化工系统工程化工系

16、统工程 项曙光 第第 283 页页 4.1.5.2 投资费用和能量费用 该图表明换热网络在能量费用低而投资费用高的 条件下对大多数情况是合适的 4.1.5 4.1.5 过程设计中热力学的作用过程设计中热力学的作用 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 284 页页 4.1.5.2 投资费用和能量费用 该图表明的换热网络在能量费用高的条件下可能是合适的。 4.1.5 4.1.5 过程设计中热力学的作用过程设计中热力学的作用 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 285 页页 4.1.5.2 投资费用和能量费用 该图是一个达到最大能量回收的比较简单网络。 4.1.5 4.1.5 过程设计中热力

17、学的作用过程设计中热力学的作用 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 286 页页 1.5.2 投资费用和能量费用 从这个例子可以看出换热网络有两个基本热力学变量影响投资费用。一 个是推动力，另一个是热负荷。显然，要进行严格设计（如减少推动力）从 而需要较少的公用工程且总的热负荷减少。然而，减少推动力后投资费用增 加（众所周知），但减少热负荷投资费用减少（这一点我们很少考虑） 。 4.1.5 4.1.5 过程设计中热力学的作用过程设计中热力学的作用 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 287 页页 像大多数技术一样，夹点技术也是基于概念而不是规则的， 夹点分析需要好的理解和代表使用者的创

18、新的灵活性。没有这 些学习资源，使用者就不能利用夹点技术提供的通用性和灵活 性的全部优势。当然，系统和侧面的思考都是必要的。 4.1.6 4.1.6 学习和应用夹点技术学习和应用夹点技术 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 288 页页 热回收与热交换 4.2.1 夹点及其意义4.2.2 换热器网络设计 4.2.3 4.2.4 夹点分析方法论4.2.5 Tmin选择：超级目标化 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 289 页页 4.2.1.1 热交换的基本概念 物流概念：任何需要加热或冷却的但其组成保持不变的流动称为物流物流。需要被加

19、热，称为冷物流冷物流。需要降温的热的产品称为热物流热物流。反应过程不是物流，因为它 在组成上发生了变化，补充物不是一物流，因为它不需加热或冷却。 能减少能量消耗吗？回答是肯定的；如果能从热流回收一些热量在换热器中加 热冷流，就只需较少的蒸汽和冷却水了。 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 290 页页 当然，理想地希望把热流的180kW能量全部回收来用于加热冷流，但 由于温度的限制这是不可能的。所以问题就是实际可回收有多少能量？换 热器究竟要多大？它的出口温度是多少？ 4.2.1.1 热

20、交换的基本概念 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 291 页页 4.2.1.2 温焓图(TemperatureEnthalpy Diagram) 物流的热容量(kW)常被称为焓；微分热流量dQ增加到过程物流时，物流 焓(H)增加CP dT, 在这里：CP = “热容流率” (kW/K)=质量流率W (kg/s) 热容 CP(kJ/kgK) dT=微分温度变化 如果假定CP是个定值，对于需要从初始温度加热到目标温度的物流（冷 流），总的需要的热量就等于物流的焓变，即： 表示物流线的斜率：

21、 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 292 页页 在图2.3中，虚线表示热流在 左边，实线表示冷流在右边。 为使两物流间换热可行，热流 必须在每一点上都比冷流的温 度要高，所以热流线在冷流的 上方。图2.3描述了一极限情 况：热流不能再进一步向右以 提供更多的热量，因为换热器 的冷热流温差在最后面已经为 零。但是，这不是实际能够达 到的情况，因为零温差需要在 无限大面积的换热器。 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 4

22、.2.1.2 温焓图(TemperatureEnthalpy Diagram) 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 293 页页 在图2.4中，冷物流相对热物 流沿H轴向右移动，这样就有 了一最小温差Tmin，Tmin 不再为零了，而是正的且有限 （该例为20C）。移动的结 果是增加了相同量的冷热公用 工程和减少了等量的换热器的 热负荷。因为Tmin不再为零， 所以当前安排是实际的。显然， 越多的移动隐含着越大的 Tmin和越大的公用工程消耗。 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 4.2.1.2 温焓图(Temperatu

23、reEnthalpy Diagram) 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 294 页页 2 若热公用工程负荷增加量，则 冷公用工程也会增加量。进的 越多出的越多！若物流的热负荷 恒定，这同样意味着热交换量减 少量。 1 换热器中Tmin与系统总公用 工程负荷之间存在着联系。也 就是说，在换热器设计合理的 前提下，若选择了一Tmin， 就有一能量目标能量目标，即需要使用 多少加热或冷却负荷量。 得出两个基本事实 单一热流和单一冷流的方法实际用处不大 实际多物流过程的怎么办？组合曲线 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 4.

24、2.1.2 温焓图(TemperatureEnthalpy Diagram) 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 295 页页 4.2.1.3 组合曲线（composition curve) 在图（a）中，分别绘制了3股 热流，用它们的进料温度和目标 温度定了一系列间隔温度T1T5。 在T1和T2之间，只有B物流存在， 所以这个间隔可用的热量是CPB(T1 -T2)。但是在T2和T3之间所有3物 流都存在，所以在该间隔可利用 的热量是(CPA +CPB +CPC)(T3- T2)。 通过这个方法可以得到每个间隔 的H，重新绘制T/H图见图（b）。 在（b）图中一条曲线代表了所有 的热物流，

25、称为热组合曲线热组合曲线 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 296 页页 同样的方法可以得到 这个过程中所有冷物流的 冷组合曲线冷组合曲线。组合曲线中 间迭交的部分是这个过程 所能达到的最大可能热回 收量。热组合曲线底部超 出的部分代表所需额外冷 却量的最小值，冷组合曲 线顶部超出的部分代表了 所需额外加热量的最小值 (Hohmann 1971) 4.2.1.3 组合曲线（composition curve) 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分

26、析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 297 页页 该图给出了一对典型的组合曲线。弯 曲的组合曲线意味着Tmin可能会在中 间换热区域的任何地方出现而不仅仅 是在一端。给定一Tmin，预测的公用 工程的量就是解决这一能量回收问题 所需要的最小量。尽管该问题中有很 多物流，但是通常Tmin仅仅出现在最 接近一点，称为夹点夹点(Pinch) （Linnhoff等. 1979）。这意味着我 们可以设计一换热网络使公用工程用 量最小，只有在夹点处的换热器的T 在Tmin情况下操作。 夹点温度非常非常重要，不仅在换热网络设计上， 而且在所有与能量有关的过程最优化方面。 4.

27、2.1.3 组合曲线（composition curve) 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 298 页页 4.2.1.4 目标化（Targeting）方法：问题表法 对于冷、热物流一起也可以建立焓平衡间隔，以便考虑在每个温度间隔 内可能的最大热交换量。唯一需要做的修改就是要确保在每个间隔内使冷、 热物流至少相差Tmin。这个通过位移温度位移温度（Shifted Temperature）来实现。 位移温度设在热物流以下Tmin/2(本例为5C)与在冷物流温度以上Tmin/2 处。下表给

28、出了包含位移温度的4物流问题数据。 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 299 页页 左图用垂直的温度刻度对物流 进行了示意性的描述，被间隔分界 线分成了不同的层次。比如说，在 间隔2中，即在位移温度145C和 140C之间，物流2和4（热物流） 从150C变到145C，物流3（冷 物流）从135C到140C。按照这 种方法设置间隔可以保证在任何温 度间隔内的全部热交换都是可能的。 因此，每个间隔只具有根据焓平衡 确定的热能的净盈值或净亏值，但 决不会二者兼有。 4.2.1.4 目标化（

29、Targeting）方法：问题表法 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 300 页页 如果知道了每个间隔中的物流数目，那么对于任何间隔 i 其焓平衡都 很容易按下式计算： 最后计算结果如下表，最后一列指出温度间隔内是热量多余或不足的状况： 4.2.1.4 目标化（Targeting）方法：问题表法 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 301 页页 温度间隔的一个重要特点，就是在温度

30、间隔i内所能得到的 一切热能都可以给温度间隔（i+1）内所有负荷供热。这表示在 下图中，其中用间隔1和2作为例子说明。这里不是把60KW的多 余能量从温度间隔1送入冷公用工程中，而是把它送到温度间隔 2中。 4.2.1.4 目标化（Targeting）方法：问题表法 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 302 页页 由此建立起左图中所示的一种热能“级 联”。假设没有热能从热公用工程供给最热的 温度间隔1，那么温度间隔1中多余的60KW热量 流就级联送入到间隔2中。在间隔2中，它合并 温度

31、间隔本身的2.5KW的多余热量，于是就有 62.5KW的热量，并级联流入温度间隔3。温度间 隔3缺少82.5KW的能量，所以在接受62.5KW后， 认为它继续把20KW的能量不足传到温度间隔4。 温度间隔4具有75KW的多余量，所以就把55KW的 多余热量传给间隔5。最后，温度间隔5中15KW 不足说明，40KW是最终要传给冷公用工程的级 联能量。这在实际上是整个问题的净的焓平衡 （也就是冷公用工程总是超过热公用工程 40KW）。 4.2.1.4 目标化（Targeting）方法：问题表法 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础

32、化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 303 页页 在左图（a）中，很明显在间隔3和4之 间传递的20KW的负能流在热力学上看是 不可行的。为了使它刚好是可行的（即 等于0），就必须从热公用工程加入20KW 的热量，如（b）所示，并且级联通过该 系统。根据焓平衡，这意味着所有能流 都必须增加20KW的能量。这个做法的最 终结果就等于已经预估出过程所需的公 用工程最小需求量（即20KW热量和60KW 冷量）。其次，夹点的位置也已经确定 出来。这就是在85C温度间隔的位移温 度（即热物流温度为90C和冷物流温度 为80C）处，该处热流为零。 4.2.1.4 目标化（Targeting）方法：问题

33、表法 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 304 页页 通过把热负荷分别加到510 kWh的热物流和470kWh的冷物流上， 我们就得出通过热交换回收的总能量。从这些数上减去冷和热公用工 程目标（60kWh和20kWh）就得到了总的回收能量450kWh。冷公用工程 目标减去热公用工程目标应该等于不可行热级联的底线，即40kWh。这 个计算提供了一种有用的交叉检验方法，使得物流数据和热级联都被 很正确估算。 借助于问题表的算法，工程师们可以很熟练地使用一种极为有效 的确定目标的技术。其中的

34、数据可以很容易地从工艺流程图中提取出 来，经过分析就可以判断该流程是否接近最优，或者是否可能节约大 量能源。从而使设计者摆脱 “学习曲线”。 4.2.1.4 目标化（Targeting）方法：问题表法 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 305 页页 4.2.1.5 总组合曲线与位移组合曲线 如果组合曲线在位移温度轴上重新绘制，就得到了位移组合曲线位移组合曲线（The Shifted Composite Curve）。位移组合曲线仅在夹点处相交，比组合曲线 更清晰，夹点把过程分成了两部分

35、。 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 306 页页 得到位移组合曲线后，就能发现在任何温度下所需要的最小 加热量或冷却量。对应于位移温度，净热流率图（公用工程需求） 就能很容易画出来，称为总组合曲线总组合曲线（The Grand Composite Curve，简称GCCGCC）。 相对于夹点而言，对于给定的位移温度，GCC代表热物流的 可用热量和冷物流所需的热量差。因此，GCC图是位移温度（间 隔温度）对净热流率为坐标绘制的图，是问题表（热级联）简单 的图形表示。 总组合曲线： 4.

36、2.1.5 总组合曲线与位移组合曲线 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 307 页页 左图为4物流例子的GCC图。最顶部 和最低部净热流值就是热级联中需要提 供或者移走的热量，从而得到热公用工 程和冷公用工程目标值。GCC不仅告诉我 们净加热量和净冷却量，还可告诉我们 所需要的温位。没有必要在最高温度区 间提供所有热公用工程。如果需要的话， 大部分可提供较低温热公用工程。在GCC 图上也是很容易看出夹点来，即净热流 量为0且GCC与纵轴相交点。而且，可以 看出夹点是在温度范围的中间还是

37、在一 端（即阀值问题），可识别低净热流率 或两夹点或多夹点情况。 4.2.1.5 总组合曲线与位移组合曲线 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 308 页页 能量目标化也可用来解决“要集成还是不要集成”的争论。工艺流 程往往由于布局或可操作性的考虑而归属不同工序（“A”或“B”）。问 题往往是“按照交叉集成可以获得显著节能吗？”，问题表法可以分别 应用于A和B区域，然后应用于A和B合在一起情况。分析的结果可以很快 解决上面的问题。例如，如果答案是： 单独A：有可能节约总燃料费用的10%

38、单独B：有可能节约总燃料费用的5% A和B一起：有可能节省30% 那么对于区域A和B的交叉集成可以进一步节省15%。这就是分区目标化分区目标化 （Zonal Targeting） 4.2.1.5 总组合曲线与位移组合曲线 4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 309 页页 （1）组合曲线能帮助我们从概念上理解如何获得能量目标 （2）问题表和它的图形表示法GCC，可更容易地得到同样的 结果（包括夹点位置确定）。 （3）能量目标化是强有力的过程设计和集成辅助手段 能量目标化总结能量目标化总结

39、4.2.1 4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换 4.2 4.2 夹点分析技术基础夹点分析技术基础 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 310 页页 在该图中，物流2和3匹配时，T/H的 相对倾斜度意味着把增加热负荷换热器的 T增大。因此，这一匹配是可以接受的。 如果它被看作是一个严格设计决策，那么 物流4必须与物流1匹配使其温度降到夹点 温度（即物流4的唯一选择）。看看物流4 和1的CPs相对大小，(CP4 CP1)时匹配 是可行的。没有其它的物流需要冷却到夹 点温度，所以在夹点处已找到了一可行设 计。这是唯一可行的夹点设计，因为只需 要两个夹点匹配。总之，在夹点以上设计 中，必须满

40、足准则： CPHOT CPCOLD 4.2.3.3 4.2.3.3 最大能量回收网络设计最大能量回收网络设计 4.2.3 4.2.3 换热器网络设计换热器网络设计 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 311 页页 物流2在夹点以上需要240KW冷却量，物流3在夹点以上需要240KW加热 量，2/3的匹配可以满足这两个物流。而4/1匹配只能满足物流4，有90KW 的热负荷，因此最多把物流1加热到125C。通过这两步设计，两个热物 流几乎全部被耗尽了，物流1必须利用外部热公用工程从125C加热到目 标温度135C。根据问题表的分析，这个量是20kW。 4.2.3.3 4.2.3.3 最大能量回

41、收网络设计最大能量回收网络设计 4.2.3 4.2.3 换热器网络设计换热器网络设计 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 312 页页 夹点以下的设计步骤遵 循同样的道理 ，在夹点以 下，满足的准则与夹点以 上的设计准则正好相反是： CPHOT CPCOLD 包含CP准则的夹点以下设 计如左图所示 4.2.3.3 4.2.3.3 最大能量回收网络设计最大能量回收网络设计 4.2.3 4.2.3 换热器网络设计换热器网络设计 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 313 页页 将“热端设计”和“冷端设计”合在一起，。在Tmin 10C，得到了由四个换热器，一个加热器和一个冷却器组成 的具有

42、最好能量性能的换热网络。换句话说，总共有六个换热 单元，称为MER网络（因为满足最小能量需求和最大能量回 收）。 4.2.3.3 4.2.3.3 最大能量回收网络设计最大能量回收网络设计 4.2.3 4.2.3 换热器网络设计换热器网络设计 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 314 页页 总结出以下设计步骤： （1）在夹点处分解问题，对每一部分单独设计。 （2）从夹点处开始设计，并向外拓展。 （3）接近夹点处有两个限制： CPHOT CPCOLD（夹点以上）对所有热物流 CPHOT CPCOLD（夹点以下）对所有冷物流 （4）最大化热负荷。 （5）只在夹点以上提供热公用工程，只在夹点以下

43、提供冷公用工程。 这些就是Linnhoff和Hindmarsh (1983)夹点设计方法的基本原理。 网络设计不是都这么简单。如物流必须分流以满足在夹点处CP准则。通 常，为减少换热器数目，需要进行折衷处理，从而导致公用工程负荷增 加，称为“松弛”网络。 4.2.3.3 4.2.3.3 最大能量回收网络设计最大能量回收网络设计 4.2.3 4.2.3 换热器网络设计换热器网络设计 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 315 页页 4.2.3.4 4.2.3.4 设计策略概述设计策略概述 传统设计方法，通常是从热的一端开始，逐步到冷端。 夹点设计方法是从问题中最受限制的点，夹点，开始 设计。

44、设计者利用夹点的热力学约束来帮助识别可能的匹 配，从而获得有效的设计。在夹点处确定可能选项（这将 在以后讨论），设计者可能会选择他喜欢的控制方案、布 置、安全或其他，但仍能确保获得能量有效利用的设计。 同样，越远离夹点，设计受到的限制就越少，设计者有更 多的余地。 4.2.3 4.2.3 换热器网络设计换热器网络设计 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 316 页页 4.2.4.14.2.4.1T Tmin min选择的深层含义 选择的深层含义 选择的Tmin越大，所需要的热和冷公用工程也越多。因此，我们 要选择尽量小的Tmin以获得最大的能量有效利用。但是，换热器面积 与温差成反比。因此

45、，Tmin越小，换热器面积越大，投资费用越高。 4.2.4 4.2.4 TminTmin选择：超级目标化选择：超级目标化 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 317 页页 显然，选择一个恰当的Tmin对目标化和网络设计至关 重要。可以通过面积目标化和费用目标化做到，或称为超目超目 标化标化（Supertargeting）。 超目标化比能量目标化精度要差的多，因为存在许多不 确定因素，如传热系数、总换热网络面积和总费用总是在变。 然而，从图中可看到总费用曲线有一段相对平坦，所以有一 可选择余地。只要Tmin不要过小或过大，至少在初始设计 阶段利用Tmin经验值可得到合理的设计。通常10C或

46、20C是最好的，但对于一些工业，更小或更大值也是合适 的。 4.2.4.14.2.4.1T Tmin min选择的深层含义 选择的深层含义 4.2.4 4.2.4 TminTmin选择：超级目标化选择：超级目标化 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 318 页页 4.2.5.1 4.2.5.1 夹点分析技术范围夹点分析技术范围 介绍了夹点分析的重要概念。其细节及主要技术将在后 面涉及： （1）数据提取：针对具体的过程流程，如何产生一致的物料 平衡和能量平衡数据？如何提取夹点分析所需的物流数据？ （2）合理配置原则：如何使热和冷公用工程、分离系统和其 他过程单元与夹点和GCC图联系起来。 （

47、3）多个热和冷公用工程层次：将加热和冷却系统与过程流 程优化集成。 （4）网络松弛和优化：去除小的不经济换热器或其他不期望 特征来修改网络。 4.2.5 4.2.5 夹点分析方法论夹点分析方法论 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 319 页页 （5）现有装置改造：采用夹点技术来处理现有换热网络 和工厂布局。 （6）蒸汽动力系统、热泵和制冷系统。 （7）工艺过程改变：改变单元操作和物流的条件得到最 优热集成。 （8）间歇过程和其他如开停车的时变情形处理。 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 320 页页 4.2.5.2 4.2.5.2 如何进行夹点研究如何进行夹点研究 对一个真实过程装

48、置或全厂的过程集成（夹点）分析步 骤如下： （1）获得或生成包含温度、流量和热容数据的工艺流程图，产 生一致的物料平衡和能量平衡数据。 （2）从物料平衡和能量平衡数据提取物流数据。 （3）选择Tmin，计算能量目标和夹点温度。 （4）检查工艺过程改变的机会，相应修正物流数据重新计算目 标 4.2.5 4.2.5 夹点分析方法论夹点分析方法论 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 321 页页 （5）考虑与全厂中其他装置集成的可能性，或限制与部 分物流进行换热；比较新的目标与以前目标。 （6）分析整厂动力需求，识别热电联产（CHP）或热泵的 机会。 （7）确定是否实施工艺过程改变和将用何种水平

49、的公用 工程，设计换热网络来回收过程中的热量。 （8）设计公用工程系统来提供其余的加热和冷却需求， 必要时修改换热网络。 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 322 页页 4.3.1 概念4.3.1 4.3.2 通用原理 4.3.2 4.3.3 反应器系统 4.3.3 4.3.4 精馏系统 4.3.4 4.3.5 总结与结论 4.3.5 4.3 4.3 过程改变与完善过程改变与完善 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 323 页页 无论是设计新装置，还是改进现有装置，常常都会存在 可操作条件范围。当然，每次简单地重复问题表分析方法， 可以得到所有不同的可能条件的目标。但是，这种试差方

50、法很费时，并不能真正提高我们对过程的认识。 夹点技术中的过程改变分析可以明确告诉我们：一股物 流的操作条件如何改变将影响整个装置的能量用量，并找 到新的最佳操作条件。过程改变定义为：改变操作条件或 另外改变过程流程来改变物流数据，从而得到更多热量回 收的机会；过程改变可以降低能量目标或建立更简单、更 便宜的换热网络。 4.3.1 4.3.1 概念概念 化工系统工程化工系统工程 项曙光 第第 324 页页 过程改变例如： 改变精馏塔的温度； 增加泵回流、中间再沸器或中间冷凝器； 改变蒸发器或闪蒸系统的效数（板数）； 更改干燥器使用低温热或不同的干燥气体； 稍微改变反应温度 化工系统工程化工系统工