化工过程中应用夹点技术优化换热网络

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1、化工过程中应用夹点技术优化换热网络综述能源与人类文明和社会的发展一直紧密地联系在一起，是社会发展的物质基础。全球的能源、资源急剧消耗，有效、合理地利用自然资源是保证经济可持续发展的基本出发点。化学工业是一种能量密集型的行业，所以随着能源危机日益加深，优化结构、节约能量成为当今的热点话题，而夹点技术以其独有的实用、简单、直观和灵活的优点正在被广泛使用，经过20多年的发展，夹点技术已从热回收的特殊工具发展成为一种卓有成效的过程设计方法，它是过程系统综合的强有力方法，其研究和应用对促进企业技术进步、增加经济效益、提高竞争能力等都有重大意义，在我国的工业和企业中有着广阔的应用前景。一、夹

2、点设计法简介：过程工业为了降低生产成本、合理利用资源，己从对单台设备的操作优化集成发展到对整个系统的集成优化，即采用过程集成技术，在70年代末，英国曼彻斯特人学BodoLinnhoff教授及其同事在前人研究成果的基础上提出的换热网络优化设计方法，并逐步发展成为化工过程能量综合技术的方法论，即夹点技术(PinchTechnology)。采用这种技术对于新装置设计而言，比传统方法节能30%—50%。同时,近几年逐渐应用于老装置的节能改造中，其改造投资低，却能取得较好的节能目的。夹点技术的基本思想是：从最大热回收能量出发，建立一个初始网络，然后根据设备费用和能量费用的协调，对初始网络进

3、行修正，从而得到一个最佳的换热网络结构。运用夹点技术的关键就是要设定目标，其原则是先确定能获得什么（即建立目标），然后着手实现设计。也就是说，在设计前先确定其目标，对装置改造则意味着先确定节能目标，成本目标和返本期目标，由此识别出具体的设计方案。夹点的意义就在于将一个过程分为2个独立的区域，它们之间的传热量为0,它们各自于相应的公用工程处于热平衡状态。即：夹点之上的物流与夹点之上的物流换热。当有穿越夹点的热量传递时，将导致公用工程需求量增加。夹点技术充分考虑能的“质”和“量”两方面，具有严格的科学性和准确性，可以圆满地表达具有设备约束、经济约束及网络关联在内的热力学第二定律，是热

4、力学第二定律直接用于生产实践的最好体现。夹点技术的原理：给出生产过程系统中各物流的质量流量、初始温度、目标温度以及选定的最小允许传热温差△Tmin后，即可确定夹点。确定夹点常用的方法有3种：（1）作图法，在温一焙图上做岀冷、热物流的组合曲线，热组合曲线在冷组合曲线的上方，由于横坐标是焙，组合曲线也可以自由平移，当两组合曲线在某处的垂直距离恰好等于规定的最小传热温差厶Tmin时，该处即为夹点。（2）问题表格算法，按温位将系统中各物流划分为K个子网络，求出各子网络输人热负荷Ik及输出热负荷Ok,在Ok为零处，即第k个子网络与第（k+1）个了网络之间的温位界面处（Ok=Ik=0）即为夹

5、点。（3）数学规划法。夹点具有两个特征：一是该处热、冷物流间的传热温差最小，等于△Tmin；二是该处过程系统的热流量为零。夹点之上为热段，只需公用工程加热，称为热阱；夹点下方，为冷端，只需公用工程冷却，称为热源。夹点设计法的基本原则：为使过程系统能量回收最大化，保证达到最小的冷、热公用工程用量，达到系统过程节能的目的，必须遵循夹点设计的3条最基本原则：(1)夹点处不能有热流量穿过。(2)夹点上方不设冷公用工程。这意味着夹点之上所有的热流股都应依靠与冷流股换热达到夹点温度，而冷流股可以用加热器加热到目标温度。(3)夹点下方不设热公用工程。这意味着夹点之下所有的冷流股都应依靠与热流股

6、换热达到夹点温度，而热流股可以用冷却器冷却到目标温度。这些使夹点成为设计中约束最多的地方，因而要先从夹点着手，将换热网络分成夹点上、下两部分分别向两头进行物流间的匹配换热。物流的匹配：由于夹点处传热温差最小，传热学限制最严这导致夹点处冷、热流股不能随意匹配，必须遵循以下匹配规则。(1)夹点之上热流股或其分枝数必须小于等于冷流股或其分枝数，即：Nn^Nco如果实际物流数目不能满足上述准则，则应通过分流来增加冷流数冃。(2)夹点之下冷流股或其分枝数必须小于等于热流股或其分枝数，GP：Nh^Nco如果实际物流不能满足上述准则，则应通过分流来增加热流数目。(3)夹点之上热流股的热容流率必

7、须小于等于冷流股的热容流率，即：CPhWCPc。(4)夹点之下冷流股的热容流率必须小于等于热流股的热容流率，即：CPh^CPco注：以上各不等式中：Nh—热流股数；Nc—冷流股数；CPh—热流热容流率；CPc—冷流热容流率。物流间匹配的经验规则：上面讨论的是夹点兀配的四个可行性规则，是必须遵循的，但是在满足上述四个规则的前提下还存在多种匹配的选择。根据实践的经验得出两个有一定实用价值的规则：(1)选择每个换热器的热负荷等于该匹配的冷、热物流中热负荷较小者，使其只需一次匹配换热就可