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1、利用夹点温度合成换热网络摘要 ：化工生产中存在着大量的需要换热的工段，有些需要加热，有些需要冷却或冷凝。如果能 够合理地设计好换热网络系统，就可以最大限度地减少公共供热或供冷，而且还可能减少设备投资， 达到节能的目的。夹点技术( Pinch Technology )是合成换热网络常用的综合设计技术。利用该技术 设计合成公共供热或供冷最小的换热网络，在降低能耗，减少投资，保护环境等方面成效显着。关键词：夹点技术、夹点的确定及意义、换热网络合成1. 夹点技术夹点技术是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布， 从中发现系统的用能“瓶颈”所在，并给以“解瓶颈”的一种方法。夹点限制
2、了换热网 络可能达到的最大热回收。用夹点技术设计合成的换热网络，可推广应用于整个过程系 统的能量分析与调优。 目前，夹点技术在实际中应用广泛， 取得较好的成效。 我国高校， 设计部也已将夹点分析方法用于原油预热系统的节能改造，取得满意效果。1.1 温焓图用温焓图( T-H 图)能够简单明了地描述过程系统中换热网络中物流的热特性。在 温焓图上可以用一段线段或曲线描述物流的换热过程。例如，当某一工艺物流从供应温 度 Ts 加热或冷却到目标温度 Tt, 其所需的热量或冷量(该过程的焓差)为H Q Wcp(Tt Ts)式中，W为质量流率kg/h;Cp为比热容,kJ/kg.K;由此，就可在温焓图中画出表
3、示物流温度及热量的变化的直线。若 Q 为负值，表示 物流被冷却，需要冷量，在图中的直线为有一条箭头指向左下方的直线；若 Q为正值， 表示物流被加热，需要热量，在图中的直线为有一条箭头指向右上方的直线。若为一水 平线，则表示为饱和物质流体的焓变，过程中温度保持不变。若为曲线，则表示为多组 分物质流体的热量变化。1.2 组合曲线在一个过程系统中，会有多股热物流和冷物流，在研究过程中，常常把多股物流在 温焓图中有机结合在一起， 同时考虑冷热物流的匹配换热问题， 这样才更有意义。 因此， 即需在温焓图中画出组合曲线。在温焓图中，可做出多股热物流和多股冷物流的热组合曲线和冷组合曲线。即把相 同温度间隔内
4、物流的热负荷累加起来，然后在该温度间隔中用一个具有累加热负荷值的 虚线物流来代表即可。2、夹点的确定及意义2.1 夹点的确定(1) 作图法夹点的位置可以在温焓图中直观的确定出来。为确定夹点温度，需知道最小传热温差 T min 。在温焓图中先根据所给的温度作出热物流组合曲线和冷物流组合曲线，让两条物流 曲线在水平方向上相互靠近，当两物流曲线在某处的垂直距离正好等于T min 时，该处即为夹点。由此即可确定热流体的夹点温度和冷流体的夹点温度，热冷流体的夹点温差刚 好等于 T m in。确定夹点后， 还可以在温焓图中确定过程系统中所需最小公用工程加热量QH,min ，最小公用工程冷却量Q,min以及
5、最大回收热量Q,max。夹点把过程系统分隔成了两部分，即夹点 上方和夹点下方。夹点上方为热端，只需用公用工程加热，夹点下方为冷端，只需用公 用工程冷却。(2) 表格法 确定区间温度将所有冷流体的供应温度和目标温度上升T m in /2, 将所有热流体的供应温度和目标温度下降 T min/2 ，将调整后的温度从高到低排列，得到若干温度区间。 计算所需热量或冷量在每个温度区间的热平衡内， 计算各温去所需热量或冷量。 公式为Hi ( CPHCPC)(Ti Ti 1)H有正有负，一般，夹点就在Hi小于0的区间。 计算热级联 找到最小的的外加热量，使原来的输出热量为负值的区间变成输出热量为零的区间，该区
6、间的下限温度就是夹点的温度。2.2 夹点的意义夹点的意义有如下 2 点：(1) 夹点出热冷物流间传热温差最小，为Tmin，它限制了过程系统能量的回收，成为了系统用能的“瓶颈” 。为此，需要改善夹点，以“解瓶颈” 。(2) 夹点处过程系统的热流量为零。即夹点处没有热流流过。3、换热网络合成换热网络的合成就是利用夹点技术设计出能够回收最大热量的换热网络。而换热网络是有很多的，所以需要对换热网络进行优化。所谓的换热网络的优化，是在完成规定换热任务下可能换热器数目最小，也有可能是公用工程消耗 的能量最小，或是总操作费用最小。目前，最常用的是公用工程能量消耗最小 及总操作费用最小两个指标。由上述已可确定
7、夹点，由此即可设计换热网络。根据夹点的意义，在换热 网络设计时，应遵循以下原则：( 1 )夹点上方不能引入任何冷工用工程；( 2)夹点下方不能引入任何热工用工程；(3) 在夹点处不能有跨越夹点的传热。此外，在进行设计应用时，还应遵循换热器的流股匹配法则： 夹点之上的所有的热流在夹点处只能和那些热容流率比自己大或相等的冷流相匹配；即保证在传热过程中传热温差大于最小传热温差；即 CPH CPC 夹点之下的所有的冷流在夹点处只能和那些热容流率比自己大或相等的热流相 匹配；即保证在传热过程中传热温差大于最小传热温差；即 CPC CPH除此之外，还须满足一个要求，即最大限度地满足其中一个流股的换热，使这
8、 一流股的热量尽量用一台换热器用尽。如果在夹点之上，则先满足热流股；如果在 夹点之下，则先满足冷流股。根据所述的设计原则、匹配法则、基本要求，即可合成换热网络。虽然利用夹点技术可以设计出最大能量回收系统的换热网络，但从经济上讲，并不是最优的系统，所以，还可以对换热网络进行改善，使其更优化。结论换热网络的合成需要利用夹点技术。夹点技术是以热力学为基础，从宏观的角 度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统的用能“瓶颈”所在，并给 以“解瓶颈”的一种方法。夹点的确定需要在温焓图中利用热冷物流的组合曲线确 定。让热冷两条物流曲线在水平方向上相互靠近，当两物流曲线在某处的垂直距离 正好等于Tmi
9、n时，该处即为夹点。夹点确定后，即可确定过程系统中所需最小公用 工程加热量Q,min，最小公用工程冷却量 Q,min以及最大回收热量 Q,max=利用所确定的 夹点，就可以合成换热网络。致谢感谢韩媛媛老师的教导参考文献【M】张卫东 孙巍 刘君鹏等 化工过程分析与合成【M北京 化学工业出版社 2016,277287【M】方利国化工过程系统分析与合成【M】北京 化学工业出版社2013，,102115【M】都健 化工过程分析与合成【M大连 大连理工大学出版社 2012,202 211附:附：流股编号和内容热容流率/kW/C供应温度/C目标温度/C1冷流2.0501652热流3.0200903冷流40
10、.1101704热流1.518060解：根据表格法步骤，将2、4热流体的供应温度和 目标温 度下降Tmin/2，得195,175,85,55 ;将1、3冷流体的供应温度和目标温度上升T min/2，得175,170,115,55 。将两个温度序列合并从高到低进行排列：195,175,170,115,85,55; 共6个温度，5个温度区间，整理后填入表中区间编号区间温度区间温度热、冷流热容本区多余调整前热级联计算调整后热级联计算差厂C流率之差热量输入输出输入输出119517203.0600602080521751750.52.56062.58082.50317011551.5一62.52082.50582.5411585302.575205507558555300.51555407560由表得，第4级的输入热量为0,所以夹点就在第4级的上限温度115C处，由此得 到热流体在夹点处的温度为120C，冷流体在夹点处的温度为110C。最小热公用工程为 20kW,最小冷公用工程为60kW
