化工系統(tǒng)工程-04熱夾點技術(shù)

熱夾點技術(shù)PinchPointTechnology換熱是化工生產(chǎn)不可缺少的單元操作過程。對于一個含有換熱物流的工藝流程，將其中的換熱物流提取出來，組成了換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中被加熱的物流稱為冷物流，被冷卻的物流稱為熱物流。換熱的目的不僅是為了使物流溫度滿足工藝要求，而且也是為了回收過程余熱，減少公用工程消耗?；谶@種思想進行的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計稱為換熱網(wǎng)絡(luò)合成。換熱網(wǎng)絡(luò)合成的任務(wù)是確定換熱物流的合理匹配方式，從而以最小的消耗代價，獲得最大的能量利用效益。換熱網(wǎng)絡(luò)的消耗代價來自三個方面：換熱單元（設(shè)備）數(shù)，傳熱面積，公用工程消耗，換熱網(wǎng)絡(luò)合成追求的目標(biāo)，是使這三方面的消耗最小。實際進行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，需要在某方面做出犧牲，以獲得一個折衷的方案。夾點技術(shù)的基礎(chǔ)理論夾點技術(shù)：以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，分析過程系統(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

首次提出換熱網(wǎng)絡(luò)的溫度夾點問題。過程系統(tǒng)的夾點及其意義T-H圖(溫-焓圖)(Temperature-Enthalpy)W·cp-熱容流率不同物流在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組合曲線(Compositecurve)

將系統(tǒng)的物流組合起來，以便于進行過程的冷、熱物流的合理匹配，組合方法如圖。例題：三個冷物流，構(gòu)造組合曲線。在T-H圖上描述夾點凡是等于P點溫度的熱流體部位和等于Q點溫度的冷流體部位都是夾點。熱流體的夾點溫度與冷流體的夾點溫度相差ΔTmin。夾點兩曲線的垂直距離＝ΔTmin夾點描述所得信息：（1）過程系統(tǒng)的最小傳熱溫差，夾點部位的傳熱溫差最??；（2）最小的公用工程加熱負(fù)荷QH,min；（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）夾點將系統(tǒng)分為熱端和冷端，熱端在夾點溫度以上，只需要公用工程加熱（熱阱）;（6）冷端在夾點溫度以下，只需要冷公用工程冷卻(熱源)。夾點溫度差的影響：

ΔT

min大，QH,min、QC,min

增大，QR,max減小。適宜的ΔT

min

是總費用最低的優(yōu)化值。物流標(biāo)號物流名稱初始溫度（TIN/℃）終了溫度（TOUT/℃）熱負(fù)荷（Q/kW）熱容流率(CP/kW/

℃）H1產(chǎn)品22060352022H2反應(yīng)器出口流股270160198018C1進料50210320020C2循環(huán)流股160210250050熱物流組合曲線冷物流組合曲線利用組合曲線確定夾點有熱量穿越夾點，則該過程增大了外加公用工程加熱負(fù)荷的同時，也增大了外加公用工程冷卻負(fù)荷給定過程所需的公用工程加熱負(fù)荷QH為840kW，比最小值多出1840kW，即XP=QH-QH,min=1840kW穿越夾點的熱負(fù)荷XP=CUXP+HUXP+PPXP

確定CUXP、HUXP和PPXP的步驟如下:1)由格子圖表示給定的換熱器網(wǎng)絡(luò)

2)利用所確定的夾點將格子圖分為兩部分

3)在格子圖上確定穿越夾點的換熱器，計算CUXP、HUXP和PPXP

PPXP是由熱的過程物流在夾點上方的溫位（180℃～270℃）與冷過程物流在夾點下方的溫位（50℃～149℃）換熱引起，PPXP=CPH（270-180）=CPC（149-50）=1620kW。

HUXP是由冷過程物流在夾點下方的溫位（149℃～160℃）外加公用工程加熱負(fù)荷引起，HUXP=CPC(160-49)=220kW。即QXP=CUXP+HUXP+PPXP=0+220+1620=1840kW。綜上所述，為得到最小公用工程加熱及冷卻負(fù)荷（或達到最大的熱回收）的設(shè)計結(jié)果，應(yīng)遵循夾點設(shè)計的三個基本規(guī)則：夾點處不能有熱流量穿過；夾點上方（熱阱）不能外加公用工程冷卻負(fù)荷；夾點下方（熱源）不能外加公用工程加熱負(fù)荷。用問題表格法確定夾點熱級聯(lián)：每個單元都是相似的傳熱過程組成的串級結(jié)構(gòu)。每一級相當(dāng)于一個子網(wǎng)絡(luò)第

k

級的熱平衡(k=1、2、3、4、…..K)

輸出=輸入-赤字

Ok=I

k-D

kD

k=（∑CPC-∑CPH）(T

k-T

k+1)

D

k+1T1T

kT

k+1I1I

kIk+1IKD1D

kD

KO

kO1OkOk+1熱級聯(lián)－虛擬的結(jié)構(gòu)，同一溫位的物流集中于同一級。例：一過程系統(tǒng)含有的工藝物流為2個熱物流及2個冷物流，給定的數(shù)據(jù)列于表中，并選熱、冷物流間最小允許傳熱溫差△Tmin=20℃,試確定該過程系統(tǒng)的夾點位置。物流標(biāo)號熱容流率CP/

(kW/℃)初始溫度Ts/℃

終了溫度Tt/℃熱負(fù)荷Q/kW

H12.015060180.0H28.09060240.0C12.520125262.5C23.025100225.0物流數(shù)據(jù)表子網(wǎng)絡(luò)的分割，問題表格(1)：

做法：表

問題表格(1)△Tmin=20℃子網(wǎng)絡(luò)序號

冷物流及其溫度

熱物流及其溫度

k

C1

C2/℃H1

H2/℃SN1SN2SN3SN4SN5SN6150145120906012510070402520對子網(wǎng)絡(luò)進行熱衡算：

Ok=I

k-D

k

D

k=（∑CPC-∑CPH）(Tk-Tk+1)

k=1，（溫度間隔為150～145℃)

D

1=（0－2)×(150－145)=-10

（負(fù)赤字表示有剩余熱量10kW）

I

1=0（無外界輸入熱量）

O1=I

1－D

1=0－(-10)=10

O1為正值，說明子網(wǎng)絡(luò)1(SN1)有剩余熱量供給子網(wǎng)絡(luò)2(SN2)k=2，（溫度間隔為145～120℃)

D

2=（2.5－2)×(145－120)=12.5（正號表示有熱量赤字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25～20℃)

D

6=2.5×(25－20)=12.5（正號表示有熱量赤字12.5kW）

I

6=O5=－55子網(wǎng)絡(luò)5(SN5)無剩余熱量供給了子網(wǎng)絡(luò)6(SN6)。

O6=I

6－D6=－55－12.5=－67.5

O6為負(fù)值，說明子網(wǎng)絡(luò)6(SN6)熱量不夠，無法達到規(guī)定的傳熱要求。問題表格2

子網(wǎng)絡(luò)赤字熱量/kW無外界輸入熱量熱量/kW外界輸入最小熱量

序號Dk

/kWIk

Ok

Ik

Ok表

問題表格(2)△Tmin=20℃SN1-10.0010.0107.5117.5SN212.510.0-2.5117.5105.0SN3105.0-2.5-107.5105.00SN4-135.0-107.527.50135.0SN582.527.5-55.0135.052.5SN612.5-55.0-67.552.540.0

過程分析：消除I或O

的負(fù)值，方法：引入公用工程加熱負(fù)荷使

I1=各子網(wǎng)絡(luò)中最小負(fù)數(shù)的絕對值（107.5)得：結(jié)果:

O3=0,在夾點處

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）夾點特征：夾點處系統(tǒng)傳熱溫差最小，等于ΔT

min；

夾點處熱流量等于0.夾點介于子網(wǎng)絡(luò)3(SN3）和子網(wǎng)絡(luò)4(SN4)之間，夾點處熱流體溫度90℃，冷流體溫度70℃，夾點溫度（界面虛擬溫度）80℃。若改變最小傳熱溫差ΔT

min＝15℃，則結(jié)果如下：

表

問題表格(1)△Tmin=15℃子網(wǎng)絡(luò)序號冷物流及其溫度熱物流及其溫度

k

C1

C2℃H1

H2123456150140115906012510075452520問題表格（2）

子網(wǎng)絡(luò)赤字熱量/kW無外界輸入熱量熱量/kW外界輸入最小熱量

序號Dk

/kWIk

Ok

Ik

Ok表

問題表格(2)△Tmin=15℃

1

-2002080100

2

12.5207.510087.5

3

87.57.5-8087.50

4

-135-80550135

5

11055-55135256

12.5-55-67.52512.5結(jié)果比較：表

選用不同△Tmin

值計算結(jié)果的比較20107.5409070158012.59075△Tmin/℃QH,min/kWQC,min/kW夾點位置/℃

熱物流冷物流夾點的意義（1）夾點處，系統(tǒng)的傳熱溫差最?。ǖ扔讦

min

），系統(tǒng)用能瓶頸位置；（2）夾點處熱流量為0，夾點將系統(tǒng)分為熱端和冷端兩個子系統(tǒng)，熱端在夾點溫度以上，只需要公用工程加熱（熱阱）冷端在夾點溫度以下，只需要公用工程冷卻（熱源）；（3）在一定的ΔT

min下，確定了系統(tǒng)最小的公用工程加熱負(fù)荷

QHmin

和系統(tǒng)最小的公用工程冷卻負(fù)荷QCmin，以及系統(tǒng)最大的熱回收量QR,max；（4）夾點處溫度差的影響ΔTmin大，QH,min、QCmin

增大，

QR,max減小。適宜的ΔT

min

是一個課題，一般以經(jīng)驗選取。(1)熱量不能穿透夾點（2）夾點上方不能設(shè)置公用工程冷卻（3）夾點下方不能設(shè)置公用工程加熱系統(tǒng)具有最低公用工程消耗以及最大熱回收的原則：

夾點上方熱阱

夾點下方熱源夾點QH,min+xQC,min+x

夾點上方熱阱

夾點下方熱源QH,min+yQC,miny

夾點上方熱阱

夾點下方熱源QH,minQC,min+zzx準(zhǔn)確地確定過程系統(tǒng)的夾點位置1準(zhǔn)確地確定夾點位置—操作型夾點計算操作型（模擬型）夾點計算：確定現(xiàn)有過程系統(tǒng)中熱流量沿溫度的分布，熱流量等于零處即為夾點。方法一:采用單一的ΔTmin

（或HRAT，HeatRecoveryApproachTemperature)，確定夾點位置的計算步驟如下：（1）收集過程系統(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ΔTmin，按4.1.4節(jié)介紹的問題表格法確定夾點位置，并得到系統(tǒng)所需的熱、冷最小公用工程負(fù)荷QH,min、QCmin；（3）修正ΔTmin

，直至QH,min、QCmin與現(xiàn)有過程系統(tǒng)所需的熱、冷公用工程負(fù)荷相符，此時即確定了該過程系統(tǒng)的夾點位置。方法二：采用現(xiàn)場過程中各物流間匹配換熱的實際傳熱溫差進行計算。物流間傳熱溫差值ΔTmin

，即平均傳熱溫差：—熱物流對傳熱溫差的貢獻值；—冷物流對傳熱溫差的貢獻值。采用“虛擬溫度法”法，具體步驟：（1）按現(xiàn)場數(shù)據(jù)推算各熱、冷物流對傳熱溫差的貢獻值，i、j分別表示熱、冷物流的序號；（2）確定各物流的虛擬溫度

熱物流虛擬初始溫度=實際初始溫度-熱物流虛擬目標(biāo)溫度=實際目標(biāo)溫度-冷物流虛擬初始溫度=實際初始溫度+冷物流虛擬目標(biāo)溫度=實際目標(biāo)溫度+（3）按4.1.4節(jié)介紹的問題表格法進行夾點計算，但不同之處是全過程系統(tǒng)取ΔTmin值為零，這是因為當(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）打印輸出計算結(jié)果。2合理地設(shè)計夾點位置—設(shè)計型夾點計算設(shè)計型夾點計算：改進各物流間匹配換熱的傳熱溫差以及對物流工藝參數(shù)進行調(diào)優(yōu)，以得到合理的過程系統(tǒng)中熱流量沿溫度的分布，從而減小公用工程負(fù)荷，達到節(jié)能的目的。如何確定各物流適宜的傳熱溫差貢獻值，從而改善夾點？具有一個熱阱（或熱源）和多個熱源（或熱阱），滿足：i—第i臺換熱器。多個熱源與多個熱阱匹配換熱：j—第j個物流找到一參照物流r，則：每一物流的傳熱溫差貢獻值都確定以后，按4.2.1節(jié)介紹的操作型夾點計算步驟進行夾點計算，確定改進后的夾點位置，進行熱回收系統(tǒng)的設(shè)計。3過程系統(tǒng)的總組合曲線總組合曲線—在T—H圖上描述過程系統(tǒng)中的熱流量沿溫度的分布，熱流量為零處就是夾點。總組合曲線的繪制（1）根據(jù)問題表格法計算的結(jié)果進行標(biāo)繪物流標(biāo)號熱容流率

/

(kW/℃)初始溫度Ts/℃

目標(biāo)溫度Tt/℃?zhèn)鳠釡夭钬暙I值

H12.01506010H28.090605C12.52012510C23.02510010

物流標(biāo)號虛擬初始溫度/℃虛擬目標(biāo)溫度/℃

H1150–10=14060–10=50H290–5=8560–5=55C120+10=30125+10=135C225+10=35100+10=110物流的虛擬溫度表表

問題表格(1)子網(wǎng)絡(luò)序號冷物流及其溫度熱物流及其溫度

k

C1

C2℃H1

H212345614013511085555035307

子網(wǎng)絡(luò)赤字序號Dk

/kWIk

Ok

Ik

Ok表 問題表格(2)

1

-1001090100

2

12.510-2.510087.5

3

87.5-2.5-9087.50

4

-135-90450135

5

17.54527.5135117.56

82.527.5-55117.5357

12.5