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摘要：随着能源价格的不断提升，化工企业的节能降耗成为紧迫必行的任务。通过在对一实际过程的换热网络结构分析的基础上提取热、冷工艺物流，在给定的最小传热温差（20 ℃）限制下运用夹点设计法合成具有最大热回收的新换热网络；采用断开热负荷回路、取消热负荷较小的换热器达到减少换热器个数、简化网络的目的；由于热负荷转移造成了某些换热器传热温差违反最小传热温差限制、甚至出现传热温差为负值（违反热力学第二定律）的情况，采用能量松弛法恢复这些换热器的传热温差至给定的最小传热温差。经过调优后换热器网络总换热设备个数与原实际网络的相同，但与原实际网络相比，热、冷公用工程均节省1 220 kW。
关键词：换热网络；夹点设计法；最小传热温差；改造
中图分类号：TK123文献标志码：A文章编号：1672-1098（2014）04-0038-04
随着能源价格的不断提升，化工企业的节能降耗成为紧迫必行的任务。各种节能技术运应而生[1-3]，其中夹点技术是一种比较成熟的节能技术，它是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的变化，从中发现系统用能的瓶颈并予以解除的一种方法[4-5]。
国外著名的工程公司如赫斯特、拜耳、联碳、杜邦及三棱等较早运用夹点技术进行新厂设计和老厂改造，在降低能耗、减少投资、保护环境等方面取得显著成效；国内高校和设计部门于20世纪80年代初开始运用夹点技术并取得实效[6]。
本文采用夹点设计法，对一实际过程换热网络进行重新设计，并提出改造方案。
1实际换热网络结构
某实际过程换热网络如图1所示，该过程的换热过程描述如下。图1某实际过程换热网络结构
温度为50 ℃的某反应原料（FEED1）进入系统，在换热器E1（热负荷1 980 kW）中被反应器出口物流（REAOUT1）加热到149 ℃（FEED2），再经过加热器H1（热公用工程用量1 220 kW）加热到210 ℃（FEED3）进入反应器REACTOR；反应器出口物流（REAOUT1）经过换热器E1被冷却到160℃（REAOUT2）进入精馏塔COLUMN。精馏塔底产品物流（PRODUCT1）温度220 ℃，在换热器E2（热负荷880 kW）中被压缩机COMP出口物流（DISTIL2，160 ℃）冷却到180 ℃（PRODUCT2），再经过冷却器C1（冷公用工程用量为2 640 kW）冷却到目标温度60 ℃（PRODUCT3），压缩机COMP出口物流（DISTIL2）被加热到177.6 ℃（DISTIL3），再经过加热器H2（热公用工程用量1 620 kW）加热到210 ℃（DISTIL4）进入反应器。
从以上描述可知，该实际换热网络包括两台换热器（E1、E2）、两个加热器（H1、H2）和一个冷却器C1；仔细分析还可以发现换热器E1两端传热温差过大，进料冷量和产品物流热量没有被充分利用，致使换热过程热、冷公用工程消耗偏大，该网络热、冷公用工程用量分别为2 840 kW和2 640 kW（选取网络不包括精馏塔自身的公用工程及压缩机提供的热量）；网络最小传热温差为20 ℃，出现在换热器E2右端。
2运用夹点设计法合成新网络
21物流提取
根据第1节的分析，从原来实际换热网络中提取用于热集成的工艺物流，如表1所示。
表1物流数据
物流
代号物流名称热容流率
/（kW·℃-1）起始温度
/℃目标温度
/℃热负荷
/kW H1产 品 流 股22220603 520 H2反应器出口流股182701601 980 C1进 料 流 股20502103 200 C2循 环 流 股501602102 500 22夹点温位及最小公用工程用量确定
给定最小传热温差与原实际过程换热网络相同，为20 ℃，采用问题表格法计算得到提取物流系统的夹点温位为180 ℃（对热物流）和160 ℃（对冷物流）、最小热、冷公用工程分别为1 000 kW和800 kW。
23最大热回收网络合成
根据得到的夹点温位和最小热、 冷公用工程用量， 遵循夹点匹配换热的可行性规则及经验规则， 分别进行热端和冷端换热网络合成，用格子图表示的合成方案如图2和图3所示，整体方案如图4所示。
图2热端合成方案图3冷端合成方案图4整体方案3新网络调优及改造方案
图4整体方案具有最大热回收、最小热、冷公用工程用量，但换热设备较多，共7个，因此有必要对该初始网路进行调优，再将调优后的方案与原实际换热网络比较，提出改造方案。
31热负荷回路断开及能量松弛
仔细观察图4，可以识别出三个第二级回路。即A：（1，2，4，3），B：（C1，4，2，C2），C：（C1，3，1，C2），取A、B为独立回路，则C可由A、B消去公共节点4，2得到，所以不独立。按照通用网络定理[3]计算得到图4初始网络换热器个数
U=N+L-S=6+2-1=7
式中：N为源物流和阱物流总数，L为独立回路数，S为独立的子网络数，取1，与图4所示一致；若断开独立回路，使L=0，Umin=N-1=6-1=5，可以合并掉2个换热设备，达到简化网络的目的。
若断开回路A， 合并换热器1， 则换热器3右端温度为15182 ℃， 传热温差为15182-160=-818 ℃，如图5所示， 换热器3右端违反最小传热温差限制，同时也违反热力学第二定律，考虑通过热负荷路径（H， 3，C1）进行能量松弛，恢复传热温差至最小传热温差。
图5合并换热器1后的网络利用热负荷路径（H， 3，C1）进行能量松弛，恢复换热器3右端传热温差为20 ℃，结果如图6所示。 图6能量松弛后的网络继续断开回路B：（C1，4，2，C2），合并冷却器C2，结果如图7所示，经检查，没有违反最小传热温差限制的情况出现，至此，网络中换热设备个数已经达到最小。
图7调优后的网络作为对比，图8中给出了原实际网络的格子图，对比图7、图8可发现：调优后的网络增加了一台换热器4，减少了一个加热器，且热、冷公用工程均减少1 220 kW。
图8原实际网络32改造方案
比较图7与图8、图1与图9，对原实际网络的改造方案如下：保留原网络热负荷分别为1 980 kW和880 kW的两台换热器，增加一台热负荷为1 220 kW的换热器，取消原网络中热负荷为1 220 kW的进料加热器，产品冷却器热负荷减少到1 420 kW，具体网络结构如图7和图9所示。
图9调优后的网络还原成流程
4结论
应用夹点设计法对一实际换热网络进行重新设计改造，重新设计的网络与原网络换热设备个数相同， 但与原网络相比， 新设计网络可以节约热、 冷公用工程均为1 220 kW；改造方案为保留原网络中两台换热器，取消一个热负荷为1 220 kW加热器，原冷却器热负荷减少1 220 kW，增加一台热负荷为1 220 kW的换热器，具体网络如图7、图9所示。
参考文献：
[1]TANTIMURATHA L， ASTERIS G， ANTONOPOULOS D K， et al. A conceptual programming approach for the design of flexible HENs[J]. Computers and Chemical Engineering，2001，25（4）：887-892.
[2]LINNHOFF B， HINDMARSH E.Pinch design method for heat exchanger network[J].Chem. Eng. Sci.，1983，38：745-752.
[3]CIRIC A R，FLOUDAS C A. Heat exchanger network synthesis without decomposition[J]. Computers and Chemical Engineering，1991，14： 751-756.
[4]都健.化工过程分析与综合. [M].大连：大连理工大学出版社，2009：124-125.
[5]WARREN D SEIDER，J D SEADER，DANIEL R LEWIN.Process Design Principles（Synthesis，Analysis，and Evaluation）[M].John Wiley&Sons，Inc.1999：32-34.
[6]姚平经.过程系统分析与综合[M].大连：大连理工大学出版社，2004：202-204.
（责任编辑：李丽）
关键词：换热网络；夹点设计法；最小传热温差；改造
中图分类号：TK123文献标志码：A文章编号：1672-1098（2014）04-0038-04
随着能源价格的不断提升，化工企业的节能降耗成为紧迫必行的任务。各种节能技术运应而生[1-3]，其中夹点技术是一种比较成熟的节能技术，它是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的变化，从中发现系统用能的瓶颈并予以解除的一种方法[4-5]。
国外著名的工程公司如赫斯特、拜耳、联碳、杜邦及三棱等较早运用夹点技术进行新厂设计和老厂改造，在降低能耗、减少投资、保护环境等方面取得显著成效；国内高校和设计部门于20世纪80年代初开始运用夹点技术并取得实效[6]。
本文采用夹点设计法，对一实际过程换热网络进行重新设计，并提出改造方案。
1实际换热网络结构
某实际过程换热网络如图1所示，该过程的换热过程描述如下。图1某实际过程换热网络结构
温度为50 ℃的某反应原料（FEED1）进入系统，在换热器E1（热负荷1 980 kW）中被反应器出口物流（REAOUT1）加热到149 ℃（FEED2），再经过加热器H1（热公用工程用量1 220 kW）加热到210 ℃（FEED3）进入反应器REACTOR；反应器出口物流（REAOUT1）经过换热器E1被冷却到160℃（REAOUT2）进入精馏塔COLUMN。精馏塔底产品物流（PRODUCT1）温度220 ℃，在换热器E2（热负荷880 kW）中被压缩机COMP出口物流（DISTIL2，160 ℃）冷却到180 ℃（PRODUCT2），再经过冷却器C1（冷公用工程用量为2 640 kW）冷却到目标温度60 ℃（PRODUCT3），压缩机COMP出口物流（DISTIL2）被加热到177.6 ℃（DISTIL3），再经过加热器H2（热公用工程用量1 620 kW）加热到210 ℃（DISTIL4）进入反应器。
从以上描述可知，该实际换热网络包括两台换热器（E1、E2）、两个加热器（H1、H2）和一个冷却器C1；仔细分析还可以发现换热器E1两端传热温差过大，进料冷量和产品物流热量没有被充分利用，致使换热过程热、冷公用工程消耗偏大，该网络热、冷公用工程用量分别为2 840 kW和2 640 kW（选取网络不包括精馏塔自身的公用工程及压缩机提供的热量）；网络最小传热温差为20 ℃，出现在换热器E2右端。
2运用夹点设计法合成新网络
21物流提取
根据第1节的分析，从原来实际换热网络中提取用于热集成的工艺物流，如表1所示。
表1物流数据
物流
代号物流名称热容流率
/（kW·℃-1）起始温度
/℃目标温度
/℃热负荷
/kW H1产 品 流 股22220603 520 H2反应器出口流股182701601 980 C1进 料 流 股20502103 200 C2循 环 流 股501602102 500 22夹点温位及最小公用工程用量确定
给定最小传热温差与原实际过程换热网络相同，为20 ℃，采用问题表格法计算得到提取物流系统的夹点温位为180 ℃（对热物流）和160 ℃（对冷物流）、最小热、冷公用工程分别为1 000 kW和800 kW。
23最大热回收网络合成
根据得到的夹点温位和最小热、 冷公用工程用量， 遵循夹点匹配换热的可行性规则及经验规则， 分别进行热端和冷端换热网络合成，用格子图表示的合成方案如图2和图3所示，整体方案如图4所示。
图2热端合成方案图3冷端合成方案图4整体方案3新网络调优及改造方案
图4整体方案具有最大热回收、最小热、冷公用工程用量，但换热设备较多，共7个，因此有必要对该初始网路进行调优，再将调优后的方案与原实际换热网络比较，提出改造方案。
31热负荷回路断开及能量松弛
仔细观察图4，可以识别出三个第二级回路。即A：（1，2，4，3），B：（C1，4，2，C2），C：（C1，3，1，C2），取A、B为独立回路，则C可由A、B消去公共节点4，2得到，所以不独立。按照通用网络定理[3]计算得到图4初始网络换热器个数
U=N+L-S=6+2-1=7
式中：N为源物流和阱物流总数，L为独立回路数，S为独立的子网络数，取1，与图4所示一致；若断开独立回路，使L=0，Umin=N-1=6-1=5，可以合并掉2个换热设备，达到简化网络的目的。
若断开回路A， 合并换热器1， 则换热器3右端温度为15182 ℃， 传热温差为15182-160=-818 ℃，如图5所示， 换热器3右端违反最小传热温差限制，同时也违反热力学第二定律，考虑通过热负荷路径（H， 3，C1）进行能量松弛，恢复传热温差至最小传热温差。
图5合并换热器1后的网络利用热负荷路径（H， 3，C1）进行能量松弛，恢复换热器3右端传热温差为20 ℃，结果如图6所示。 图6能量松弛后的网络继续断开回路B：（C1，4，2，C2），合并冷却器C2，结果如图7所示，经检查，没有违反最小传热温差限制的情况出现，至此，网络中换热设备个数已经达到最小。
图7调优后的网络作为对比，图8中给出了原实际网络的格子图，对比图7、图8可发现：调优后的网络增加了一台换热器4，减少了一个加热器，且热、冷公用工程均减少1 220 kW。
图8原实际网络32改造方案
比较图7与图8、图1与图9，对原实际网络的改造方案如下：保留原网络热负荷分别为1 980 kW和880 kW的两台换热器，增加一台热负荷为1 220 kW的换热器，取消原网络中热负荷为1 220 kW的进料加热器，产品冷却器热负荷减少到1 420 kW，具体网络结构如图7和图9所示。
图9调优后的网络还原成流程
4结论
应用夹点设计法对一实际换热网络进行重新设计改造，重新设计的网络与原网络换热设备个数相同， 但与原网络相比， 新设计网络可以节约热、 冷公用工程均为1 220 kW；改造方案为保留原网络中两台换热器，取消一个热负荷为1 220 kW加热器，原冷却器热负荷减少1 220 kW，增加一台热负荷为1 220 kW的换热器，具体网络如图7、图9所示。
参考文献：
[1]TANTIMURATHA L， ASTERIS G， ANTONOPOULOS D K， et al. A conceptual programming approach for the design of flexible HENs[J]. Computers and Chemical Engineering，2001，25（4）：887-892.
[2]LINNHOFF B， HINDMARSH E.Pinch design method for heat exchanger network[J].Chem. Eng. Sci.，1983，38：745-752.
[3]CIRIC A R，FLOUDAS C A. Heat exchanger network synthesis without decomposition[J]. Computers and Chemical Engineering，1991，14： 751-756.
[4]都健.化工过程分析与综合. [M].大连：大连理工大学出版社，2009：124-125.
[5]WARREN D SEIDER，J D SEADER，DANIEL R LEWIN.Process Design Principles（Synthesis，Analysis，and Evaluation）[M].John Wiley&Sons，Inc.1999：32-34.
[6]姚平经.过程系统分析与综合[M].大连：大连理工大学出版社，2004：202-204.
（责任编辑：李丽）