夾點(diǎn)分析大連理工化工學(xué)院

1、夾 點(diǎn) 分 析主講人：都 健 大連理工大學(xué)化工學(xué)院(Pinch Analysis) Dalian University of Technology 2011年01月17日1 夾點(diǎn)技術(shù)（分析）基礎(chǔ) 1.1 過(guò)程系統(tǒng)的夾點(diǎn)及其意義 1.2 準(zhǔn)確地確定過(guò)程系統(tǒng)的夾點(diǎn) 1.3 過(guò)程系統(tǒng)的總組合曲線(xiàn) 1.4 多夾點(diǎn)問(wèn)題 1.5 無(wú)夾點(diǎn)問(wèn)題2 夾點(diǎn)技術(shù)（分析）應(yīng)用 2.1 換熱器網(wǎng)絡(luò)的綜合 2.2 過(guò)程系統(tǒng)的能量集成 2.2.1 蒸餾過(guò)程與過(guò)程系統(tǒng)的能量集成 2.2.2 公用工程系統(tǒng)與過(guò)程系統(tǒng)的能量集成 2.3 全過(guò)程系統(tǒng)的能量集成 2.4 實(shí)例 2.4.1 乙烯裝置的夾點(diǎn)分析 2.4.2 乙烯精餾塔系統(tǒng)

2、優(yōu)化目 錄夾 點(diǎn) 分 析夾點(diǎn)技術(shù)：以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，分析過(guò)程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的“瓶頸”（Bottleneck）所在，并給以“解瓶頸”（Debottleneck）。 1978年，Linnhoff 和Umeda首次提出換熱網(wǎng)絡(luò)的溫度夾點(diǎn)問(wèn)題。1. 夾點(diǎn)技術(shù)（分析）的基礎(chǔ)1.1 過(guò)程系統(tǒng)的夾點(diǎn)及其意義1.1.1 T-H 圖 ( 溫-焓圖 ) (Temperature-Enthalpy) Wcp-物流熱容流率圖1 一無(wú)相變化的冷物流在T-H圖上的標(biāo)繪不同物流在 T-H 圖上的標(biāo)繪：圖2 幾種不同類(lèi)型物流在T-H圖上的標(biāo)繪冷物流熱物流純組分氣化純組分冷凝多組分氣化多組分冷凝H1.

3、1.2 組合曲線(xiàn)(Composite curve) 將系統(tǒng)的冷、熱物流分別組合起來(lái)，構(gòu)造過(guò)程的冷、熱物流的組合曲線(xiàn) 。 組合方法：圖3 組合曲線(xiàn)的構(gòu)造過(guò)程例題1：三個(gè)冷物流，構(gòu)造冷物流組合曲線(xiàn)。圖4 冷物流組合曲線(xiàn)的構(gòu)造過(guò)程（按溫度間隔組合）1.1.3 在T-H圖上描述夾點(diǎn)（Pinch）凡是等于P點(diǎn)溫度的熱流體部位和等于Q點(diǎn)溫度的冷流體部位都是夾點(diǎn)。熱流體的夾點(diǎn)溫度與冷流體的夾點(diǎn)溫度相差Tmin。夾點(diǎn)處熱、冷組合曲線(xiàn)的垂直距離Tmin圖5 在T-H圖上描述夾點(diǎn)夾點(diǎn)描述所得信息：（1）夾點(diǎn)部位的傳熱溫差最小，等于過(guò)程系統(tǒng)允許的最小小傳熱溫差T min ；（2）最小的公用工程加熱負(fù)荷QH ,min

4、 ；（3）最小的公用工程冷卻負(fù)荷QC, min ； （4）系統(tǒng)最大的熱回收量QR,max ；（5）夾點(diǎn)將系統(tǒng)分為熱端和冷端，熱端在夾點(diǎn)溫度以上， 只需要公用工程加熱（為熱阱）;（6）冷端在夾點(diǎn)溫度以下，只需要冷公用工程冷卻(為熱源)。夾點(diǎn)溫度差的影響： T min ，QH, min 、QC ,min ，QR,max不同溫差的影響：適宜的T min 是總費(fèi)用最低的優(yōu)化值。H/ kW圖6 選用不同的T min值對(duì)夾點(diǎn)位置的影響例題2熱公用工程用量：1620 =2840kW圖7 一工藝過(guò)程壓縮機(jī)熱負(fù)荷物流標(biāo)號(hào)物流名稱(chēng)初始溫度（TIN/ ）終了溫度（TOUT/ ）熱負(fù)荷（Q/ kW）熱容流率(CP/

5、kW/ ）H1產(chǎn)品22060352022H2反應(yīng)器出口流股270160198018C1進(jìn)料50210320020C2循環(huán)流股160210250050表1 例題2的物流數(shù)據(jù)表熱物流組合曲線(xiàn)冷物流組合曲線(xiàn)圖8 熱、冷物流組合曲線(xiàn)選T min =20圖9 利用組合曲線(xiàn)確定夾點(diǎn)圖10 組合曲線(xiàn)分析1.1.4 用“問(wèn)題表格法”確定夾點(diǎn)熱級(jí)聯(lián)： 每個(gè)單元都是相似的傳熱過(guò)程組成的串級(jí)結(jié)構(gòu)。每一級(jí)相當(dāng)于一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)第 k 級(jí)的熱平衡 (k =1、2、3、.K) 輸出 = 輸入- 赤字 Ok=I k-D k D k=（CPC- CPH ）(T k-T k+1) D k+1T1T kT k+1I1I kI k+1I

6、KD1D kD KO kO1OkOk+1熱級(jí)聯(lián) 虛擬的結(jié)構(gòu)，同一溫位的物流 集中于同一級(jí)。圖11 熱級(jí)聯(lián)圖例題3 一過(guò)程系統(tǒng)含有的工藝物流為2個(gè)熱物流及2個(gè)冷物流，給 定的數(shù)據(jù)列于表2中，并選熱、冷物流間最小允許傳熱 溫差Tmin = 20 , 試確定該過(guò)程系統(tǒng)的夾點(diǎn)位置。 物流標(biāo)號(hào) 熱容流率CP / ( kW/ ) 初始溫度Ts / 終了溫度Tt / 熱負(fù)荷Q / kW H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0 90 60 240.0 C1 2.5 20 125 262.5 C2 3.0 25 100 225.0 表2 例題3的物流數(shù)據(jù)子網(wǎng)絡(luò)的分割，問(wèn)題表格(1)： 作法：表3

7、問(wèn)題表格(1) Tmin = 20 子網(wǎng)絡(luò)序號(hào) 冷物流及其溫度 熱物流及其溫度 k C1 C2 / H1 H2 SN1SN2SN3SN4SN5SN6150145120906012510070402520對(duì)子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熱衡算： Ok=I k-D k D k=（CPC- CPH ）(T k-T k+1) k=1，（溫度間隔為 150145 ) D 1=（02) (150145) = -10 （負(fù)赤字表示有剩余熱量10kW） I 1 = 0 （無(wú)外界輸入熱量） O1= I 1 D 1= 0 (-10) = 10 O1為正值，說(shuō)明子網(wǎng)絡(luò) 1(SN1) 有剩余熱量供給子網(wǎng)絡(luò)2(SN2)k =2，（溫度間隔

8、為 145120 ，或125100 ) D 2=（2.52) (145120) = 12.5 （正號(hào)表示有熱量赤字12.5kW） I 2 = O1 = 10 子網(wǎng)絡(luò)1 (SN1)的剩余熱量供給了子網(wǎng)絡(luò)2 (SN2) 。 O2 = I 2 D 2= 10 12.5 = 2.5 O2為負(fù)值，說(shuō)明子網(wǎng)絡(luò) 2(SN2) 只能向子網(wǎng)絡(luò)3(SN3)提供負(fù)的剩余熱量（即需要子網(wǎng)絡(luò)3向子網(wǎng)絡(luò)2供給熱量，但這是不可能的）。k=6，（溫度間隔為2520 ) D 6= 2.5 ( 2520) = 12.5 （正號(hào)表示有熱量赤字12.5kW） I 6 = O5 = 55 子網(wǎng)絡(luò)5 (SN5)無(wú)剩余熱量供給子網(wǎng)絡(luò)6 (

9、SN6) 。 O6 = I 6 D6 =55 12.5 = 67.5 O6為負(fù)值，說(shuō)明子網(wǎng)絡(luò)6(SN6) 熱量不夠，無(wú)法達(dá)到規(guī)定的傳熱要求。問(wèn)題表格（2） 子網(wǎng)絡(luò) 赤 字 熱量/kW 無(wú)外界輸入熱量 熱量/kW 外界輸入最小熱量 序 號(hào) Dk / kW Ik Ok Ik Ok表4 問(wèn)題表格(2) Tmin = 20 SN1 -10.0 0 10.0 107.5 117.5SN2 12.5 10.0 -2.5 117.5 105.0SN3 105.0 -2.5 -107.5 105.0 0SN4 -135.0 -107.5 27.5 0 135.0SN5 82.5 27.5 -55.0 135.

10、0 52.5SN6 12.5 -55.0 -67.5 52.5 40.0見(jiàn)表4第3、4列 見(jiàn)表4第5、6列圖12 熱級(jí)聯(lián)間熱衡算 過(guò)程分析： 消除 I 或 O 的負(fù)值，方法：引入公用工程加熱負(fù)荷 I1 = 各子網(wǎng)絡(luò)中負(fù)數(shù)的絕對(duì)值最大者（107.5)得，結(jié)果: O3=0, I4=0 ， 夾點(diǎn)處于SN3與SN4的界面 I1=QH,min 107.5 kW （ 最小公用工程加熱負(fù)荷） O6 =Qc,min 40kW ( 最小公用工程冷卻負(fù)荷 ） 夾點(diǎn)特征： 夾點(diǎn)處系統(tǒng)傳熱溫差最小，等于T min； 夾點(diǎn)處熱流量等于0. 夾點(diǎn)處熱流體溫度90 ，冷流體溫度70 ，夾點(diǎn)溫度（界面虛擬溫度）80 。若改變

11、最小傳熱溫差T min 15，則結(jié)果如下： 表 5 問(wèn)題表格(1) Tmin = 15 子網(wǎng)絡(luò)序號(hào) 冷物流及其溫度 熱物流及其溫度 k C1 C2 H1 H2123456150140115906012510075452520問(wèn)題表格（2） 子網(wǎng)絡(luò) 赤 字 熱量/kW 無(wú)外界輸入熱量 熱量/kW 外界輸入最小熱量 序 號(hào) Dk / kW Ik Ok Ik Ok表6 問(wèn)題表格(2) Tmin = 15 1 -20 0 20 80 100 2 12.5 20 7.5 100 87.5 3 87.5 7.5 -80 87.5 0 4 -135 -80 55 0 135 5 110 55 -55 135

12、 25 6 12.5 -55 -67.5 25 12.5結(jié)果比較：表7 選用不同 Tmin 值計(jì)算結(jié)果的比較 20 107.5 40 90 70 15 80 12.5 90 75Tmin /QH,min / kWQC,min / kW夾點(diǎn)位置 / 熱物流 冷物流圖13 用T-H圖求解1.1.5 夾點(diǎn)的意義（1）夾點(diǎn)處，系統(tǒng)的傳熱溫差最?。ǖ扔赥 min ），系統(tǒng)用能 瓶頸位置；（2）夾點(diǎn)處熱流量為 0 ，夾點(diǎn)將系統(tǒng)分為熱端和冷端兩個(gè)子系 統(tǒng)，熱端在夾點(diǎn)溫度以上，只需要公用工程加熱（熱阱） 冷端在夾點(diǎn)溫度以下，只需要公用工程冷卻（熱源）；（3）在一定的T min下，確定了系統(tǒng)最小的公用工程加熱負(fù)

13、荷 QH min 和系統(tǒng)最小的公用工程冷卻負(fù)荷QC min ，以及系統(tǒng) 最大的熱回收量QR,max ； （4）夾點(diǎn)處溫度差的影響 T min ，QH, min 、QC min ， QR,max 。適宜的T min 是一個(gè)優(yōu)選問(wèn)題。(1)熱量不能穿越夾點(diǎn)（2）夾點(diǎn)上方不能設(shè)置公用工程冷卻（3）夾點(diǎn)下方不能設(shè)置公用工程加熱圖14 系統(tǒng)具有最低公用工程消耗以及最大熱回收的原則 夾點(diǎn)上方 熱阱 夾點(diǎn)下方 熱源夾點(diǎn)QH,min+xQC,min+x 夾點(diǎn)上方 熱阱 夾點(diǎn)下方 熱源QH,min+yQC,miny 夾點(diǎn)上方 熱阱 夾點(diǎn)下方 熱源QH,minQC,min+zzx冷公用工程熱公用工程穿越夾點(diǎn)熱負(fù)荷

14、圖15 夾點(diǎn)的意義1.2 準(zhǔn)確地確定過(guò)程系統(tǒng)的夾點(diǎn)位置1.2.1 操作型夾點(diǎn)計(jì)算 操作型（模擬型）夾點(diǎn)計(jì)算：確定現(xiàn)有過(guò)程系統(tǒng)中熱流 量沿溫度的分布，熱流量等于零處即為夾點(diǎn)。方法一: 采用單一的T min （或HRAT，Heat Recovery Approach Temperature)，確定夾點(diǎn)位置的計(jì)算步驟如下： （1）收集過(guò)程系統(tǒng)中熱、冷物流數(shù)據(jù)，包括其熱容流 率、初溫、終溫等；（2）選擇一最小允許的傳熱溫差初值T min，按1.1.4節(jié)介紹的問(wèn)題表格法確定夾點(diǎn)位置，并得到系統(tǒng)所需的熱、冷最小公用工程負(fù)荷QH, min、QC,min ；（3）修正T min ，直至QH, min、QC,m

15、in與現(xiàn)有過(guò)程系統(tǒng)所需的熱、冷公用工程負(fù)荷相符，此時(shí)即確定了該過(guò)程系統(tǒng)的夾點(diǎn)位置。方法二：采用現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中各物流間匹配換熱的實(shí)際傳熱溫差進(jìn)行 計(jì)算。物流間傳熱溫差值T min ，即平均傳熱溫差：熱物流對(duì)傳熱溫差的貢獻(xiàn)值；冷物流對(duì)傳熱溫差的貢獻(xiàn)值。采用“虛擬溫度法”法，具體步驟：（1）按現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)推算各熱、冷物流對(duì)傳熱溫差的貢獻(xiàn)值，i、j分別表示熱、冷物流的序號(hào)；（2）確定各物流的虛擬溫度定義物流的虛擬溫度對(duì)熱流股i對(duì)冷流股j 和 為熱、冷流股傳熱溫差貢獻(xiàn)值確定流股傳熱溫差貢獻(xiàn)值的方法已有的傳熱溫差貢獻(xiàn)值的計(jì)算式： 流股i的換熱器單位面積的費(fèi)用，$m-2； 流股i側(cè)的傳熱膜系數(shù),kWm-2K-1；

16、流股i的傳熱溫差貢獻(xiàn)值，K； C 系數(shù)； r 表示參考流股；（3）按1.1.4節(jié)介紹的問(wèn)題表格法進(jìn)行夾點(diǎn)計(jì)算，但不同之處是全過(guò)程系統(tǒng)取T min值為零，這是因?yàn)楫?dāng)所有物流轉(zhuǎn)換成虛擬溫度后，都已經(jīng)考慮了各物流間的傳熱溫差值；（4）修正流股傳熱溫差貢獻(xiàn)值，直至QH, min、QC ,min與現(xiàn)有過(guò)程系統(tǒng)所需的熱、冷公用工程負(fù)荷相符，此時(shí)即確定了該過(guò)程系統(tǒng)的夾點(diǎn)位置。1.2.2 設(shè)計(jì)型夾點(diǎn)計(jì)算 設(shè)計(jì)型夾點(diǎn)計(jì)算：改進(jìn)各物流間匹配換熱的傳熱溫差以及對(duì)物流工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，以得到合理的過(guò)程系統(tǒng)中熱流量沿溫度的分布，從而減小公用工程負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能的目的。 關(guān)鍵是如何確定各物流適宜的傳熱溫差貢獻(xiàn)值，從而改善夾

17、點(diǎn)。（在此從略） 1.2.3 過(guò)程流股的提取及參數(shù)的確定 （1）過(guò)程流股的提取 過(guò)程系統(tǒng)中與工藝物流匹配換熱或與公用工程流股匹配換熱的所有工藝流股應(yīng)提取作為參與過(guò)程夾點(diǎn)分析的流股。 從一個(gè)單元設(shè)備直接流出又直接流入另一個(gè)單元設(shè)備的工藝流股（即不參與過(guò)程換熱）一般不列入所提取的參與夾點(diǎn)分析的流股中。 對(duì)于那些參與流股間匹配換熱，但熱負(fù)荷很小不足以影響系統(tǒng)能量分布的工藝流股，從簡(jiǎn)化過(guò)程計(jì)算的角度，可以不予選取。 有些參與流股間匹配換熱的隱含流股，必須計(jì)入不可遺漏。例如，再沸器內(nèi)循環(huán)的釜液，要確定一虛擬的工藝?yán)湮锪鳌?對(duì)于一些直接混合的工藝流股，應(yīng)作具體分析，考慮其流股還原的必要性。 從簡(jiǎn)化過(guò)程計(jì)算

18、的角度出發(fā)，要進(jìn)行流股的合并。 提取過(guò)程流股時(shí)，要考慮流股的分段處理。在較大溫度范圍內(nèi)換熱的流股有可能包括相變的過(guò)程，即流股的熱容流率變化較大。 對(duì)于能量驅(qū)動(dòng)的能量密集型單元，如反應(yīng)器、蒸餾塔、壓縮機(jī)、熱機(jī)、熱泵等，一是可以應(yīng)用過(guò)程用能一致性原則將其轉(zhuǎn)化為當(dāng)量的冷、熱流股，參與夾點(diǎn)分析；二是可以在T-H圖上，用方塊圖或有向線(xiàn)段的形式反映其內(nèi)部的能量流動(dòng)或改變，考察這些單元設(shè)備在過(guò)程系統(tǒng)中所處的位置是否合理以及與背景過(guò)程相集成的狀況。 在提取過(guò)程參與夾點(diǎn)換熱的工藝流股的同時(shí)，也應(yīng)提取與工藝流股匹配換熱的公用工程流股，并分別加和冷、熱公用工程的負(fù)荷，計(jì)算出總的冷、熱公用工程用量，作為采用夾點(diǎn)分析進(jìn)

19、行過(guò)程系統(tǒng)用能診斷、調(diào)優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。 在提取過(guò)程工藝流股、能量驅(qū)動(dòng)單元和公用工程流股的數(shù)據(jù)之后，應(yīng)加和所得的流股的冷、熱負(fù)荷，考察整個(gè)系統(tǒng)的能量是否平衡。（2）物流參數(shù)的確定參數(shù)名稱(chēng)符號(hào)單位流股流量流股組成初始溫度終了溫度傳熱溫差貢獻(xiàn)值流股熱容流率流股熱負(fù)荷Wx（y）TsTttcWCpQkg/h kW/kW說(shuō)明：當(dāng)純組分發(fā)生相變時(shí)，其溫差也應(yīng)給一適當(dāng)小的值 1.3 過(guò)程系統(tǒng)的總組合曲線(xiàn)總組合曲線(xiàn) 在TH圖上描述過(guò)程系統(tǒng)中的熱流量沿溫度的分布，熱流量為零處就是夾點(diǎn)。1.3.1 總組合曲線(xiàn)的繪制（1）根據(jù)問(wèn)題表格法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)繪物流標(biāo)號(hào) 熱容流率 / ( kW/ ) 初始溫度Ts / 目標(biāo)溫

20、度Tt / 傳熱溫差貢獻(xiàn)值/ H1 2.0 150 60 10 H2 8.0 90 60 5 C1 2.5 20 125 10 C2 3.0 25 100 10表7 物流數(shù)據(jù) 物流標(biāo)號(hào) 虛擬初始溫度/ 虛擬目標(biāo)溫度/ H1 150 10 = 140 60 10 = 50 H2 90 5 = 85 60 5 = 55 C1 20 + 10 = 30 125 + 10 = 135 C2 25 + 10 = 35 100 + 10 = 110 表8 物流的虛擬溫度 表 9 問(wèn)題表格(1)子網(wǎng)絡(luò)序號(hào) 冷物流及其溫度 熱物流及其溫度 k C1 C2 H1 H21234561401351108555503

21、5307 子網(wǎng)絡(luò) 赤 字 序 號(hào) Dk / kW Ik Ok Ik Ok 表10 問(wèn)題表格(2) 1 -10 0 10 90 100 2 12.5 10 -2.5 100 87.5 3 87.5 -2.5 -90 87.5 0 4 -135 -90 45 0 135 5 17.5 45 27.5 135 117.5 6 82.5 27.5 -55 117.5 35 7 12.5 -55 -67.5 35 22.5 熱 流 量 / kW 7 35 30 35 22.5 子網(wǎng)絡(luò) 界面溫度 / 界面熱負(fù)荷 / kW (虛擬溫度) 上界面 下界面 序 號(hào) 上界面 下界面 輸入 輸出 表 11 問(wèn)題表格

22、(3) 1 2 .5 3 110 85 87.5 0 4 85 55 0 135 5 55 50 135 117.5 6 50 35 117.5 35按問(wèn)題表格（3）標(biāo)繪總組合曲線(xiàn)：9022.512367圖16 按表11標(biāo)繪的總組合曲線(xiàn) 45（2）用圖解法構(gòu)造總組合曲線(xiàn)圖17 用作圖法繪制總組合曲線(xiàn)具體步驟：第一步，按物流的虛擬溫度分別作出熱物流組合曲線(xiàn)及冷物流組合曲線(xiàn)，并水平移動(dòng)至兩線(xiàn)在點(diǎn)C處接觸（點(diǎn)C即為夾點(diǎn)），如圖17中的ABCD與EFGH所示。第二步，過(guò)熱、冷組合曲線(xiàn)的端點(diǎn)及折點(diǎn)引水平線(xiàn)，劃分出7個(gè)溫度間隔，即相當(dāng)于問(wèn)題表格算法中的子網(wǎng)絡(luò)。第三步，在圖上逐一讀出各溫度間隔界面處的熱流量

23、，具體讀數(shù)如下：間隔,上界面為DD= 90kW，即加入的公用工程加熱負(fù)荷，下界面為（DD+ HD）的熱負(fù)荷，即為HH=100kW。間隔，上界面為間隔的下界面，HH= 100kW,下界面為（HH+ GH-GH）的熱負(fù)荷，即為GG=87.5kW,其中HH 由間隔輸入來(lái)的熱負(fù)荷；GH 該間隔內(nèi)熱物流的熱負(fù)荷；GH 該間隔內(nèi)冷物流的熱負(fù)荷。 間隔,上界面為間隔的下界面，即由間隔輸入來(lái)的熱負(fù)荷GG=87.5kW,下界面為（GG+ CG-CG）的熱負(fù)荷，剛好為零，即夾點(diǎn)C，其中GG 由間隔輸入來(lái)的熱負(fù)荷；CG 間隔內(nèi)熱物流熱負(fù)荷；CG 間隔內(nèi)冷物流熱負(fù)荷。間隔,上界面為夾點(diǎn)C，熱負(fù)荷為零。下界面為（BC-

24、BC）的熱負(fù)荷,即為BB=135kW，其中BC 間隔內(nèi)熱物流熱負(fù)荷；BC間隔內(nèi)冷物流熱負(fù)荷。間隔, 上界面為間隔的下界面，即由間隔輸入來(lái)的熱負(fù)荷，BB=135kW。下界面為（BB+ AB-AB），即為AA=117.5kW,其中BB 由間隔輸入來(lái)的熱負(fù)荷；AB 間隔內(nèi)熱物流熱負(fù)荷；AB 間隔內(nèi)冷物流熱負(fù)荷。間隔, 上界面為間隔的下界面，AA=117.5kW, 即由間隔輸入來(lái)的熱負(fù)荷。下界面為（AA- FA），即為FF=35kW，其中AA 由間隔輸入來(lái)的熱負(fù)荷；FA 間隔內(nèi)冷物流熱負(fù)荷。間隔, 上界面為間隔的下界面，F(xiàn)F=35kW。下界面為（FF-EF），即為EE=22.5kW，其中FF 由間隔輸

25、入來(lái)的熱負(fù)荷；EF 間隔內(nèi)冷物流熱負(fù)荷。第四步，按上一步驟得出的各界面溫度下的熱負(fù)荷值，作出總組合曲線(xiàn)，即把線(xiàn)段 DD、HH、GG、C、BB、AA、FF、EE水平移動(dòng)，使其左端達(dá)到垂直軸，此時(shí)把各線(xiàn)段的右端點(diǎn)相連就構(gòu)成了總組合曲線(xiàn)，如圖17所示的折線(xiàn)EFABCGHD。由于每一間隔內(nèi)熱、冷物流的熱容流率不變，所以折點(diǎn)之間皆為直線(xiàn)相連，即在各間隔內(nèi)熱流量與溫度為線(xiàn)性關(guān)系。 1.3.2 總組合曲線(xiàn)的意義 描述熱流量沿溫度的分布； 需要補(bǔ)充熱量的溫位； 可以回收熱量的溫位； 夾點(diǎn)上方熱阱，只需要熱公用工程或去冷卻工藝流股； 夾點(diǎn)下方熱源，只需要冷公用工程或去加熱工藝流股； 過(guò)程能量綜合的背景。1.4

26、多夾點(diǎn)問(wèn)題圖18 多夾點(diǎn)問(wèn)題逆夾點(diǎn)CK夾點(diǎn)1與夾點(diǎn)2間冷、熱物流組合曲線(xiàn)間溫差最大處。處理方法：分隔成多個(gè)單夾點(diǎn)問(wèn)題，逐一處理。特點(diǎn)：第一個(gè)夾點(diǎn)問(wèn)題的夾點(diǎn)上方（即第二段）不需要熱公用工程。第二個(gè)夾點(diǎn)問(wèn)題的夾點(diǎn)下方（第三段）不需要冷卻公用工程?！皧A點(diǎn)區(qū)”第1個(gè)夾點(diǎn)與第2個(gè)夾點(diǎn)之間；其間熱、冷物流間的匹配換熱要遵循一個(gè)總原則，即不能引入熱、冷公用工程物流。1.5 無(wú)夾點(diǎn)門(mén)檻問(wèn)題門(mén)檻問(wèn)題 一過(guò)程系統(tǒng)只需要一種公用工程物流。（a）只需要冷卻公用工程；（b）只需要冷卻公用工程，最小傳熱溫差在冷物流組合曲線(xiàn)的左端E。圖19 無(wú)夾點(diǎn)（只需要冷公用工程）問(wèn)題（a）只需要加熱公用工程；（b）只需要加熱公用工程，

27、最小傳熱溫差在熱物流組合曲線(xiàn)的左端。圖20 無(wú)夾點(diǎn)（只需要熱公用工程）問(wèn)題(a) (b)圖20 無(wú)夾點(diǎn)（只需要熱公用工程）問(wèn)題 圖19（b）情況：（1）增大熱、冷物流間的傳熱溫差，冷物流組合曲線(xiàn)向右移至 EFG，點(diǎn)D、G在同一垂線(xiàn)上，仍只需要冷卻公用工程， 且冷卻負(fù)荷大小不變，且：（2）繼續(xù)增大傳熱溫差，冷物流組合曲線(xiàn)向右移至E FG， 由門(mén)檻問(wèn)題變?yōu)閵A點(diǎn)問(wèn)題，WE就是夾點(diǎn)。門(mén)檻溫度差 ：由門(mén)檻問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)閵A點(diǎn)問(wèn)題的溫度差。 設(shè)計(jì)時(shí)可選擇熱、冷物流間匹配換熱的最小允許傳熱溫度差等于門(mén)檻溫度差，此時(shí)傳熱溫差最大，減少了總的傳熱面積，而且不增加公用工程負(fù)荷。2 夾點(diǎn)技術(shù)（分析）應(yīng)用換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合：確

28、定具有最小設(shè)備投資，最小操作費(fèi)用，能達(dá) 到過(guò)程要求的換熱器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 具有可控性、穩(wěn)定性和可操作性。方法： 夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法 有效能法 溫度間隔法 熱力學(xué)溫差貢獻(xiàn)法 數(shù)學(xué)規(guī)劃法應(yīng)用軟件： ADVENT, HEXTRAN, INTERHEAT, MAGNETS,RESHEX及SUPERTRAGET等。 2.1 換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合 換熱器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)步驟：（1）選擇工藝流股和公用工程流股;（2） 確定經(jīng)濟(jì)合理的夾點(diǎn)溫差和公用工程用量;（3） 綜合出初步的候選換熱網(wǎng)絡(luò)；（4） 將候選網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成最好的換熱網(wǎng)絡(luò);（5）對(duì)換熱器進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì);（6）模擬計(jì)算，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和系統(tǒng)操作性分析， 對(duì)結(jié)果不滿(mǎn)意，返回第（2）

29、步，直至滿(mǎn)意。 不同的綜合方法，體現(xiàn)在（2）、（3）步。 主要介紹熱力學(xué)最小傳熱面積網(wǎng)絡(luò)的綜合 根據(jù)有效能分析，在T-H圖上合理分配傳熱溫差及熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn) 冷熱流體的逆流分配，得到滿(mǎn)足要求的熱力學(xué)最小面積網(wǎng)絡(luò)。 具體步驟： 搜集物流數(shù)據(jù) 流量、溫度、比熱容、汽化熱等； 構(gòu)造冷、熱物流的組合曲線(xiàn) ； 調(diào)整冷熱物流的組合曲線(xiàn)，使得最小傳熱溫差不小于指定值； 劃分焓間隔區(qū)間，按逆流匹配原則綜合換熱網(wǎng)絡(luò)。 根據(jù)溫-焓圖綜合換熱網(wǎng)絡(luò)法（1）構(gòu)造組合曲線(xiàn)圖21 確定物流間最大熱交換量 （2）劃分焓間隔，進(jìn)行物流匹配圖22 分隔區(qū)間確定匹配關(guān)系（3）對(duì)應(yīng)的換熱網(wǎng)絡(luò)圖23 對(duì)應(yīng)圖22的換熱網(wǎng)絡(luò) 過(guò)程系統(tǒng)能量集

30、成是以合理利用能量為目標(biāo)的全過(guò)程系統(tǒng)綜合問(wèn)題的深化，它從總體上考慮過(guò)程中能量的供求關(guān)系以及過(guò)程結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)的調(diào)優(yōu)處理，達(dá)到全過(guò)程系統(tǒng)能量的優(yōu)化綜合。 2.2 過(guò)程系統(tǒng)的能量集成產(chǎn)品副產(chǎn)品圖24 沒(méi)有能量集成的流程 隨著全球性能源危機(jī)的加深，在各子系統(tǒng)綜合優(yōu)化研究已取得很大進(jìn)展的基礎(chǔ)上，以整體系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和能量?jī)?yōu)化為目標(biāo)，進(jìn)行各子系統(tǒng)之間的能量集成和協(xié)調(diào)優(yōu)化越來(lái)越受到人們的重視。（已減少）（已減少）圖25 有一定能量集成的流程（已減少） 集成時(shí)增加了系統(tǒng)中各單元設(shè)備間的耦合關(guān)系，某些參數(shù)的擾動(dòng)會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)部擴(kuò)散、放大，給操作控制帶來(lái)困難，所以要求系統(tǒng)具有一定的柔性。 有代表性的能量集成研究：Li

31、nnhoff的夾點(diǎn)分析：它是在研究換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化綜合的基礎(chǔ)上，提出了用于包括工藝過(guò)程和公用工程系統(tǒng)在內(nèi)的整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)達(dá)到能量綜合優(yōu)化的方法。 Grossmann的數(shù)學(xué)規(guī)劃法：提出公用工程、換熱網(wǎng)絡(luò)和化工過(guò)程全流程的綜合方法，利用的模型是代數(shù)形式的混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃（MILP）模型，此后，這種過(guò)程綜合的模型擴(kuò)展為混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃(MINLP)模型。 華南理工大學(xué)提出了基于有效能分析的三環(huán)節(jié)能量結(jié)構(gòu)模型及過(guò)程系統(tǒng)分析與能量集成的綜合方法。 大連理工大學(xué)等提出了過(guò)程用能一致性原則進(jìn)行過(guò)程系統(tǒng)能量集成的方法，這些方法在過(guò)程系統(tǒng)能量集成和優(yōu)化中發(fā)揮了重要作用。 過(guò)程系統(tǒng)能量集成的方法（1）熱力學(xué)分析法有效

32、能分析法、熱經(jīng)濟(jì)優(yōu)化綜合法、有效能圖法、夾點(diǎn)分析法（2）數(shù)學(xué)規(guī)劃法（3）人工智能法（4）三種方法的交叉和結(jié)合2.2.1 蒸餾過(guò)程與過(guò)程系統(tǒng)的能量集成 單個(gè)蒸餾操作能夠采取的節(jié)能措施是有限的，如降低回流比可以節(jié)省能量，但會(huì)增加設(shè)備投資費(fèi)。但如把蒸餾過(guò)程與全系統(tǒng)一同考慮，則可以增大回流比，卻不一定增加系統(tǒng)的能耗。 過(guò)程系統(tǒng)能量集成的策略 從系統(tǒng)工程的角度可把全過(guò)程系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)，即工藝子系統(tǒng)、熱回收網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和公用工程子系統(tǒng)，其中，工藝系統(tǒng)由反應(yīng)、分離、壓縮等過(guò)程組成。 由于分離過(guò)程的能耗較大，因而分離過(guò)程及其與換熱網(wǎng)絡(luò)和全過(guò)程系統(tǒng)的熱集成首先受到重視。 （1） 分離器在系統(tǒng)中的合理放置 分離

33、器在T-H圖上的表示圖26 蒸餾過(guò)程在T-H圖上的表示 12蒸發(fā)器圖28 蒸發(fā)器在T-H圖上的表示 蒸餾塔圖27 蒸餾塔在T-H圖上的表示 再沸器冷凝器分離器在系統(tǒng)中的合理放置蒸餾塔穿越夾點(diǎn)：夾點(diǎn)上方取熱，夾點(diǎn)下方放熱，公用工程的冷、熱負(fù)荷均增加，與過(guò)程是否集成，所用能量相同，不能節(jié)省能量。圖29 分離器穿越夾點(diǎn)為無(wú)效熱集成 蒸餾塔不穿越夾點(diǎn) 蒸餾塔設(shè)在夾點(diǎn)上方，若再沸器熱量取自熱工藝物流，冷凝器熱量加熱冷工藝物流，則節(jié)能。 蒸餾塔設(shè)于夾點(diǎn)下方，再沸器熱量取自熱工藝物流，冷凝器熱量用于加熱冷工藝物流，節(jié)能。圖30 分離器未穿越夾點(diǎn)為有效的熱集成 結(jié)論：（a）分離器與過(guò)程系統(tǒng)熱集成時(shí)，分離器穿越

34、夾點(diǎn)是無(wú)效的 熱集成；（b）分離器完全在夾點(diǎn)上方或完全在夾點(diǎn)下方均是有效的熱 集成。蒸餾塔與過(guò)程系統(tǒng)熱集成，在能量方面是節(jié)省的，但在開(kāi)工、操作和控制方面會(huì)帶來(lái)一定的困難，而且也會(huì)增加設(shè)備投資費(fèi)，所以應(yīng)當(dāng)權(quán)衡利弊。 （2） 蒸餾過(guò)程的調(diào)優(yōu) 改變蒸餾塔操作壓力 蒸餾塔的操作壓力是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了塔再沸器和冷凝器的溫位，進(jìn)而決定了過(guò)程的加熱和冷卻介質(zhì)的選擇。改變塔的操作壓力，即改變了塔再沸器和冷凝器的溫位，從而增加了蒸餾塔與過(guò)程系統(tǒng)進(jìn)行能量集成的機(jī)會(huì)。 圖31 改變操作壓力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的熱集成 P1 P2某合成乙醇裝置的能量集成改造工程實(shí)例 該項(xiàng)目由于塔操作壓力的提高，則進(jìn)入該塔的物

35、流溫度也需相應(yīng)提高，如進(jìn)料必須預(yù)熱等。此外，塔提壓操作后，該塔塔釜液溫度也升高，其熱量應(yīng)加以回收。 圖32 能量集成改造實(shí)例 多效蒸餾 如果一混合物在精餾塔中分離，塔兩端溫差相差不大，且允許操作壓力變化時(shí)，原料被分為大致相等的兩股物流分別進(jìn)入操作壓力不等的兩個(gè)蒸餾塔中，使加入系統(tǒng)的熱量和冷量在兩塔內(nèi)逐級(jí)使用，此時(shí)熱負(fù)荷為單塔操作時(shí)的一半。圖33 多效蒸餾流程1 由于高壓塔分離要求降低，重組分進(jìn)入塔頂，使塔頂溫度提高，其塔頂蒸汽為低壓塔再沸器熱源。P1P2圖34 多效蒸餾流程2熱泵技術(shù) 通過(guò)由外部輸入的能量做功來(lái)提高排出熱量的溫位，再返回塔底以滿(mǎn)足再沸器的用能需要。圖35 直接蒸汽壓縮式熱泵 圖

36、36 采用輔助介質(zhì)的熱泵精餾系統(tǒng)流程 塔頂蒸汽不適于直接壓縮時(shí)，采用輔助介質(zhì)進(jìn)行熱泵循環(huán)。 這些過(guò)程尤其適用于待分離混合物中各組分沸點(diǎn)比較接近的物系，因?yàn)樗?、塔底溫差小，從而使壓縮功費(fèi)用降低。 設(shè)置中間再沸器或中間冷凝器圖37 具有中間再沸器的蒸餾塔圖38 具有中間冷凝器的蒸餾塔但是要以降低部分塔板的分離效率為代價(jià)。復(fù)雜塔 多股進(jìn)料和多側(cè)線(xiàn)出料。即可節(jié)省能源，又可以節(jié)省 設(shè)備投資，是有效的熱集成。熱耦合塔可以節(jié)省能源2030%。復(fù)雜塔與熱偶合塔 圖39 復(fù)雜塔和熱耦合塔說(shuō)明：按照分離序列設(shè)計(jì)的工作順序，還是首先考慮采用簡(jiǎn)單塔，然后再考慮是否能實(shí)行熱集成，最后才考慮采用復(fù)雜塔及熱耦合方案，這樣處理是出于對(duì)系統(tǒng)的總費(fèi)用以及操作、控制和安全等因素的綜合考慮。 多個(gè)塔的合理放置：圖40 多個(gè)塔與組合曲線(xiàn)的分配