1、熱夾點(diǎn)技術(shù),Pinch Point Technology,,換熱是化工生產(chǎn)不可缺少的單元操作過(guò)程。對(duì)于一個(gè)含有換熱物流的工藝流程，將其中的換熱物流提取出來(lái)，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(guò)程余熱，減少公用工程消耗?；谶@種思想進(jìn)行的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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

2、消耗代價(jià)，獲得最大的能量利用效益。,,換熱網(wǎng)絡(luò)的消耗代價(jià)來(lái)自三個(gè)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(shí)際進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，需要在某方面做出犧牲，以獲得一個(gè)折衷的方案。,夾點(diǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)理論,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，Li

3、nnhoff 首次提出換熱網(wǎng)絡(luò)的溫度夾點(diǎn)問(wèn)題。,,過(guò)程系統(tǒng)的夾點(diǎn)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：,組合曲線(Composite curve),將系統(tǒng)的物流組合起來(lái)，以便于進(jìn)行過(guò)程的冷、熱物流的合理匹配，組合方法如圖。,例題：三個(gè)冷物流，構(gòu)造組合曲線。,在T-H圖上描述夾點(diǎn),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

4、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ΔTmin。,,夾點(diǎn) 兩曲線的垂直距離＝ΔTmin,夾點(diǎn)描述所得信息：,（1）過(guò)程系統(tǒng)的最小傳熱溫差，夾點(diǎn)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(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（熱阱）;,（6）冷端在夾點(diǎn)溫度以下，只需要

5、冷公用工程冷卻(熱源)。,夾點(diǎn)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(fèi)用最低的優(yōu)化值。,,,,熱物流組合曲線,冷物流組合曲線,,利用組合曲線確定夾點(diǎn),,有熱量穿越夾點(diǎn)，則該過(guò)程增大了外加公用工程加熱負(fù)荷的同時(shí)，也增大了外加公用工程冷卻負(fù)荷,給定過(guò)程所需的公用工程加熱負(fù)荷QH為840kW，比最小值多出1840 kW，

6、即XP=QH-QH,min=1840 kW,,穿越夾點(diǎn)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(diǎn)將格子圖分為兩部分,,3) 在格子圖上確定穿越夾點(diǎn)的換熱器，計(jì)算CUXP、HUXP和PPXP,,PPXP是由熱的過(guò)程物流在夾點(diǎn)上方的溫位（180℃～270℃）與冷過(guò)程物流在夾點(diǎn)下方的溫位（50℃～149℃）換熱引起，PPXP = CP

7、H（270-180）= CPC（149-50）=1620kW。HUXP是由冷過(guò)程物流在夾點(diǎn)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(dá)到最大的熱回收）的設(shè)計(jì)結(jié)果，應(yīng)遵循夾點(diǎn)設(shè)計(jì)的三個(gè)基本規(guī)則：夾點(diǎn)處不能有熱流量穿過(guò)；夾點(diǎn)上方（熱阱）不能外

8、加公用工程冷卻負(fù)荷；夾點(diǎn)下方（熱源）不能外加公用工程加熱負(fù)荷。,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、4、…..K) 輸出 = 輸入- 赤字 Ok=I k-D k D k=（∑CPC

9、- ∑CPH ）(T k-T k+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)。,例：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 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。,物流數(shù)據(jù)表,子網(wǎng)絡(luò)的分割，問(wèn)題表格(1)： 做法：,對(duì)子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熱衡算：,Ok=I k-D k

10、 D k=（∑CPC- ∑CPH ）(T k-T k+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(wú)外界輸入熱量） O1= I 1 － D 1= 0 －(-10) = 10 O1為正值，

11、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，（溫度間隔為 145～120 ℃) D 2=（2.5－2) ×(145－120) = 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 =

12、 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25～20 ℃) D 6= 2.5 ×( 25－20) = 12.5 （正號(hào)表示有熱量赤字12.5kW） I 6 =

13、 O5 = －55 子網(wǎng)絡(luò)5 (SN5)無(wú)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(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,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)荷使 I1 =

14、各子網(wǎng)絡(luò)中最小負(fù)數(shù)的絕對(duì)值（107.5)得：結(jié)果: O3=0, 在夾點(diǎn)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(diǎn)特征：

15、 夾點(diǎn)處系統(tǒng)傳熱溫差最小，等于ΔT min； 夾點(diǎn)處熱流量等于0. 夾點(diǎn)介于子網(wǎng)絡(luò)3(SN3）和子網(wǎng)絡(luò)4(SN4)之間，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 ℃。,若改變最小傳熱溫差ΔT min ＝ 15℃，則結(jié)果如下：,問(wèn)題表格（2）,結(jié)果比較：,夾點(diǎn)的意義,（1）夾點(diǎn)處，系統(tǒng)的傳熱溫差最?。ǖ扔讦 min ），系統(tǒng)用能

16、 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ΔT min下，確定了系統(tǒng)最小的公用工程加熱負(fù)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 ；

17、（4）夾點(diǎn)處溫度差的影響 ΔT min大，QH, min、QC min 增大， QR,max減小。,適宜的ΔT min 是一個(gè)課題，一般以經(jīng)驗(yàn)選取。,(1)熱量不能穿透夾點(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,系統(tǒng)具有最低公用工程消耗以及最大熱回收的原則：,準(zhǔn)確地確定過(guò)程系統(tǒng)的夾點(diǎn)位置1 準(zhǔn)確地確定夾點(diǎn)位置—操作型夾點(diǎn)計(jì)算 操作型（模擬型

18、）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ΔT 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；

19、 （2）選擇一最小允許的傳熱溫差初值ΔT min，按4.1.4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ΔT min ，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

20、 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ΔT min ，即平均傳熱溫差：,采用“虛擬溫度法”法，具體步驟：,（2）確定各物流的虛擬溫度,熱物流虛擬初始溫度=實(shí)際初始溫度 - 熱物流虛擬目標(biāo)溫度=實(shí)際目標(biāo)溫度 - 冷物流虛擬初始溫度=實(shí)際初始溫度 + 冷物流虛擬目標(biāo)溫度=實(shí)際目標(biāo)溫度 +,（3）按

21、4.1.4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ΔT 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）打印輸出計(jì)算結(jié)果。,2 合理地設(shè)計(jì)夾點(diǎn)位置—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。如何確定各物流適宜的傳熱溫差貢獻(xiàn)值，從而改善夾

22、點(diǎn)？具有一個(gè)熱阱（或熱源）和多個(gè)熱源（或熱阱），滿足：,i— 第i臺(tái)換熱器。,,多個(gè)熱源與多個(gè)熱阱匹配換熱：,j— 第j個(gè)物流,找到一參照物流r，則：,每一物流的傳熱溫差貢獻(xiàn)值都確定以后，按4.2.1節(jié)介紹的操作型夾點(diǎn)計(jì)算步驟進(jìn)行夾點(diǎn)計(jì)算，確定改進(jìn)后的夾點(diǎn)位置，進(jìn)行熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。,3 過(guò)程系統(tǒng)的總組合曲線總組合曲線— 在T—H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)。,總組合曲線的繪制,（1）根據(jù)問(wèn)題表格法

23、計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)繪,按問(wèn)題表格（3）標(biāo)繪總組合曲線：,,總組合曲線的意義 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； 夾點(diǎn)下方—熱源，只需要冷公用工程； 過(guò)程能量綜合的背景。,熱袋,蒸汽實(shí)際溫度170+ΔTmin/2=180 0C,過(guò)程物流