夹点技术（下）| 换热网络设计详细教程（附Aspen源程序文件）|163

本教程以丙烯环氧化工段为例对换热网络的夹点设计过程进行详细说明，模拟的源文件来源于某一届化工设计大赛国赛特等奖作品。本教程重在过程，夹点的原理已在本人的夹点技术原理与应用一文进行了详细介绍，因此本文不再进行解释说明。另本教程参考了熊杰明老师及包宗宏老师的相关书籍，大家有什么不懂可以买来参考。有兴趣学习的同学可以在本文文末获取Aspen源程序文件。

下面正式开始介绍使用Aspen Energy Analyzer进行换热网络设计的过程。

1、修改单位

在进行设计之前，根据需要我们可以对单位进行修改，修改的方法具体为Tools/Preference/Variables/Variables/Units/Available Unit Sets页面下选用或者修改单位集。本例采用默认的单位集。

2、数据导入

本例采用直接从Aspen plus的模拟文件导入的方法，具体过程如下：

（1）首先新建一个热集成文件，即点击Creat New HI Case创建新文件，出现如图的界面

图1 新建文件

其中上面的图标表示的含义从左往右依次是：从Hysys流程中导入数据、从Aspen流程中导入数据、从Excel中导入数据、打开目标查看窗口、打开复合曲线窗口、打开总复合曲线窗口、打开公用工程复合曲线窗口、打开换热网络网格图窗口。

（2）从Aspen流程中导入数据

图2 从Aspen流程中导入数据

图3 数据导入

在左侧的Steps栏中，是导入的具体步骤，每一步都有相应的提示，从上往下步骤依次为选择文件类型，公用工程文件，模拟文件，经济文件、设定详细的选项、选择流程、改变公用工程或添加公用工程、选择加热器的公用工程、选择冷却器的公用工程、选择换热器的经济数据。在右下角中的Tips中会提示你提供的模拟文件必须收敛，没有错误等等，有兴趣的可以将此提示看看，此处不再详细介绍。

点击“Next”，选择文件的路径。

图4 选择文件路径

点击“Next”

图5 相关设置

点击“Next”

图6 模块设置

点击“Next”

图7 自动选择公用工程物流

此页面可以对公用工程的相关数据进行修改，软件有时默认的数据可能和实际情况有些出入，比如在某些地区的夏季，温度高达近40度，而软件默认的冷却水为20到25度，显然是不可行的，因此需要对这些数据进行修改。

点击“Next”

图8 自动匹配热公用工程的物流

点击“Next”

图9 自动匹配冷公用工程的物流

点击“Next”

图10 物流的经济数据设置

点击“Next”

图11 导入完成

点击“finish”至此，数据已导入完成。

导入的物流信息如下：

表2-1 工艺物流信息提取

表2-2 公用工程物流信息提取

3、换热网络设计 3.1 确定最小传热温差

在理解了夹点理论的基础上我们可以很容易知道传热温差越小，回收的热量越多，所需的冷热公用工程量越少，也即操作成本越低，随之带来的问题是换热器的换热面积越大，也即设备成本约高，而年度总成本由二者共同决定，也就是说传热温差小，年度总成本并不一定小。但是我们可以猜测，一定存在某一个温差，使年度总成本最小。在Aspen Energy Analyzer软件中可以大致确定这一数值。因此我们采用Aspen Energy Analyzer以最小传热温差△Tmin为横坐标，年度操作费用为纵坐标，利用Aspen Energy Analyzer自带的经济衡算数据库对得最小传热温差进行经济评估。

图12 最小传热温差的确定

将最小传热温差的温度范围设置为1~20℃，计算步长值取1℃，得到的图如图12所示。从上图得到，最小传热温差取值为4℃时总投资费用最少，故选择最小温差为4℃。

3.2 组合曲线

（1）物流组合曲线

当确定最小传热温差后，获得的过程物流组合曲线（温-焓图）如图13所示。

图13 物流组合曲线

（2）公用工程物流组合曲线

在确定最小传热温差后，获得的公用工程物流组合曲线如图14所示。

图14 公用工程物流组合曲线

（3）总组合曲线

过程物流和公用工程物流的总组合曲线图如15所示。

图15 总的组合曲线

3.3 换热网络的设计与优化

针对换热网络的设计，在Aspen Energy Analyzer8.4软件中有两种方式，分别是软件自动设计和手动设计，两者各有优缺点，通常自动设计用于初步换热网络的设计，比较便捷，虽然软件本身基于夹点技术原理而设定的，但是软件本身并不能自动识别一些错误，比如有的换热器面积比较小，这样的换热器应该舍去，虽然有的在理论上行的通，在设计工业生产中不易于实现的换热过程，手动设计需要依据工程经验来进行手动设计，虽然比较繁琐，但更接近工业设计。在实际工业工程中，为了减少设备的费用，必须人为的增加公用工程的消耗量以减少换热的数量，这时候通过夹点换热是必要的。

3.3.1 原始换热网络

在将所有的数据导入Aspen Energy Analyzer中，可以看到原始未匹配的换热网络，具体见图16。

图16 原始换热网络

此外还可以看到换热网络的夹点位置，根据软件提供的数据，可以知道换热网络的热夹点为66.48℃，冷夹点为62.47℃

3.3.2 自动设计及优化方案

Aspen Energy Analyzer软件具有自动生成换热网络的功能，以年度总费用为目标，自动生成换热网络，根据软件提供的数据，以换热面积，公用工程消耗量及换热器的数量为目标，在自动设计的几个换热网络中找到最佳的换热网络，最佳的换热网络如图17

图17 自动设计中最佳的换热网络

图18 换热网络数据

利用Aspen Energy Analyzer自动优化的功能对该换热网络进行优化，以年度操作费用为优化目标进行优化，优化后的换热网络如图19。

图19 自动优化换热网络

图20 自动优化换热网络数据

由图6和图8可分析知，自动设计的优化前的换热网络的换热器个数为21个，换热面积为84920，热公用工程消耗量为，冷公用工程的消耗量为，自动优化后的换热网络的换热器数目不变，换热面积为84810，热公用工程消耗量为，冷公用工程的消耗量为。通过对比发现，优化后公用工程的消耗量和换热面积均减少，年度操作费用也下降，但下降不太明显。

3.3.3 手动优化方案

由自动设计的换热网络图可以看到，仅有一个换热器是过程物流的匹配，这样会造成换热物流间的热量回收量比较小，公用工程的消耗量比较大，为了进一步得到更优化的换热网络，采用手动优化的方法进一步优化换热网络。

在进行手动换热网络优化时，除了遵守换热网络优化的准则外，考虑到精馏塔的冷凝器及再沸器会对精馏塔的控制产生影响，为了便于控制精馏塔，在进行冷凝器及再沸器的换热匹配时，要一次性匹配完成。

（1）删除换热器

将上面的换热器删除后，可以得到未经匹配的物流，如图21所示。

图21 未匹配的换热物流

（2）物流匹配

在进行物流匹配时，要遵守换热网络优化的准则和换热网络设计的准则，即夹点之上不应设置任何公用工程冷却器；夹点之下不应设置任何公用工程加热器。首先要匹配物流热量相近的物流，尽可能的不穿过夹点，有时为了降低设备的费用，可以穿过夹点进行换热，这就需要增加公用工程的用量。

在此换热网络中，夹点上方只有一条热物流，为了更多的利用此物流的热量，考虑到冷凝器需要一次匹配完成，故可考虑最后一条物流与该物流进行换热，查看该物流的热流率，发现可以使热物流一次匹配完成，如图22所示。

图22 匹配结果

在完成该物流的匹配时，发现该换热网络的夹点上方的热物流全部匹配完成，故夹点上方的未完成匹配的冷物流需全部由热公用工程完成匹配。夹点上方的匹配结果如图23所示。

图23 夹点上方的匹配结果