夹点理论.ppt

1、化工节能减排技术化工节能减排技术孙晓岩孙晓岩青岛科技大学 化工学院过程系统工程研究所Email:sun_Tel:0532-84022898主要参考书籍主要参考书籍能量的有效利用能量的有效利用夹点分析与过程集成夹点分析与过程集成项曙光等 译 第四章第四章 夹点技术理论夹点技术理论绪论绪论1夹点分析的关键概念夹点分析的关键概念2夹点及意义夹点及意义3换热器网络设计换热器网络设计44.1绪论绪论4.1.1 夹点技术夹点技术 以热力学为基础，分析过程系统中能量流沿温度的分布，从而发现系统用能的“瓶颈”（Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈”（Debottleneck）。1978年，Linnhof

2、f 首次提出换热网络的温度夹点问题。Bodo Linnhoff和他团队的其他成员通过他们的工作对化学工程做出了重要贡献。这已在世界范围内得到公认。化学工业消耗的燃料和原料是能耗大户，因此没有必要强调更有效利用能量的必要性。同样，为减少投资成本和操作费用，必须从更高层次的概念考虑，才能保持工业技术不断取得进展。图1.1（a）表示一某化学品过程前端传统设计流程简图。它使用了6个传热“单元”（即加热器，冷却器，换热器），加热所需的能量为加热1722 kW，冷却需要654 kW。图1.1（b）表示一可选流程，由Linnhoff等人（1979）利用夹点分析技术（当时新开发的技术）进行能量目标确定和网络集

3、成后得到的。该可选流程只用了4个热传递“单元”，热公用工程负荷降低了大约40%，不需要冷却，与传统流程一样安全、可操作，且绝对是更好的设计。传传统统设设计计夹夹点点设设计计ab4.1.2夹点技术的作用夹点技术的作用 夹夹点点分分析析的的第第一一个个关关键键概概念念是是确确定定能能量量目目标标。多年来节能目标已成为能量监测的关键内容。一般来说，要求工厂能量消耗量每年以10%的速度减少。但是，就象工业和管理中的这种“生产率目标”一样，这是武断的数据。对设计和操作不好的工厂而言，减少10%能量目标非常容易实现，因为存在许多节能的机会，应该对其确定更高的目标。利用夹点分析得到的目标是不同的。它它们们是

4、是完完全全的的热热力力学学目目标标，如如果果热热回回收收、加加热热和和冷冷却却系系统统正正确确设设计计的的话话，本本质质上上是是能能够够达达到到的的。以图1.1为例，确定目标的过程表明仅需要1068kW的外部热量，根本不需要外部冷却。从而产生以下动机：寻找实现这一目标的换热网络。图1.2 打破学习曲线 打破学习曲线，提高效率，直接找到最优设计4.1.3过程综合概念过程综合概念 “但夹点夹点分析仅是针对换热网络，不是吗？”这是以前听说过夹点分析人们的通常反应。这暗示如下问题：是不是夹点分析仅适用于炼油厂和大宗化学品厂？可能不适合我的过程？图1.3 过程综合的洋葱图 洋洋葱葱图图有效地描述了整个设

5、计过程。过程综合本质上来说是分层次的(Douglas 1988)。过程综合的核心是化学反应路径和反应器产品组成和进料需求决定的分离任务(包括再循环)。然后，设计者才能确定各物流加热和冷却负荷、换热网络和所需要的加热量和冷却量。设计过程基本上是由里而外一步步进行的。过程流程图过程流程图 反应，分离，反应，分离，热热交交换换和和外外部部加加热热/冷却冷却图图1.4中中的的换换热热系系统统或或换换热热网网络络可可能能不不是是最最好好的的，所所以以必必须须回回到到最最基基本本的的定义问题的数据上。定义问题的数据上。所有的换热器，加热器，冷却器全部从流程中去除，剩下的是各种加热和冷却任务定义。所以，1股

6、反应产物流必须从反应器出口温度冷却到分离器入口温度。3股物流需要加热，它们是反应器进料（从新鲜原料罐温度到反应器入口温度）、循环（从循环流温度到反应器内部温度）和前端产品（从分离器中温度到下下游加工所需温度）。所以该问题就由4股物流组成，1股需要加热，3股需要冷却，它们的终温和总焓变是知道的（根据流程物料平衡和物性数据得到）。设计的任务是找到最好的由换热器，加热器，冷却器组成的换热网络，该换热网络以最小操作费用和年度投资费用来处理这4股物流并与其它的设计目标协调一致，例如，可操作性。这就是夹点分析第一次应用的内容范围.简化温焓流图4.1.4 投资费用和能量费用投资费用和能量费用 最小投资费用换

7、热网络简图 最小能量费用换热网络简图 换热网络在能量费用能量费用低而投资费用高的条件下对大多数情况是合适的。这里没有过程能量回收而只有公用工程使用 换热网络在能量费用高能量费用高的条件下可能是合适的。在公用工程利用之前要尽量多地回收过程热量。隐含的假设是热量回收（而不是使用公用工程）节省了能量但要增加投资。最大能量回收，最小能量费用最佳换热网络 换热网络有两个基本热力学变量影响投资费用。一个是推动力，另一个是热负荷。显然，要进行严格设计（如减少推动力）从而需要较少的公用工程且总的热负荷减少。然而，减少推动力后投资费用增加（众所周知），减少热负荷投资费用减少（这一点我们很少考虑）4.2 夹点分析

8、的关键概念夹点分析的关键概念 本节要给出夹点分析的一些关键概念，说明如何确定能量目标和如本节要给出夹点分析的一些关键概念，说明如何确定能量目标和如何利用换热网络达到能量目标。何利用换热网络达到能量目标。4.2.1 热回收与热交换热回收与热交换（1）热交换的基本概念 任何需要加热或冷却的但其组成保持不变的流动称为物物流流。进料刚开始是冷的，需要被加热，称为冷冷物物流流。反之，需要降温的热的产品称为热热物物流流。相反，反应过程不是物流，因为它在组成上发生了变化，补充物不是一物流，因为它不需加热或冷却。质量流率W（kg/s）比热容Cp（kJ/kgK）热容流率CP(kW/K)初始（供应）温度Ts()最

9、终（目标）温度TT()热负荷H(kW)冷流0.2541.020200-180热流0.44.51.815050+180简单的2物流例题数据 能减少能量消耗吗？回答是肯定的能减少能量消耗吗？回答是肯定的 理想地希望把热流的180kW能量全部回收来用于加热冷流，但由于温度的限制这是不可能的。根据热力学第二定律，不能使用150C的热流来加热200C的冷流（第二定律的不正式表述就是你不能在冰上烧开水）。所以问题就是实际可回收有多少能量？换热器究竟要多大？它的出口温度是多少？4.2.2 温焓图温焓图(TemperatureEnthalpy Diagram)物流的热容量(kW)常被称为焓；这不能与热力学术语

10、比焓(kJ/kg)混淆了。微分热流量dQ增加到过程物流时，物流焓(H)增加CP dT,在这里：CP=“热容流率”(kW/K)=质量流率W(kg/s)热容cp(kJ/kgK)dT=微分温度变化 零温差需要在无限大面积的换热器 因此，如果假定CP是个定值，对于需要从初始温度(TS)加热到目标温度(TT)的物流（冷流），总的需要的热量就等于物流的焓变，即：表示物流线的斜率为：冷冷物物流流相相对对热热物物流流沿沿H轴轴向向右右移移动动，这这样样就就有有了了一一最最小小温温差差Tmin，Tmin不不再再为为零零了了，而而是是正正的的且且有有限限（该该例例为为20C）。移移动动的的结结果果是是增增加加了了

11、相相同同量量的的冷冷热热公公用用工工程程和和减减少少了了等等量量的的换换热热器器的的热热负负荷荷，这这里里是是20kW，故故需需要要外外部部70 kW 加加热热量量和和冷冷却却量量。因因为为Tmin不不再再为为零零，所所以以当当前前安安排排是是实实际际的的。显显然然，越多的移动隐含着越大的越多的移动隐含着越大的Tmin和越大的公用工程消耗。和越大的公用工程消耗。通过分析看出两个基本的事实。首先，换热器中Tmin与系统总公用工程负荷之间存在着联系。也就是说，在换热器设计合理的前提下，若选择了一Tmin，就有一能能量量目目标标，即需要使用多少加热或冷却负荷量。其次，若热公用工程负荷增加量，则冷公用

12、工程也会增加量。进的越多出的越多！若物流的热负荷恒定，这同样意味着热交换量减少量。仅限于单一热流和单一冷流的方法实际用处不大，我们需要用于实际多物流过程的方法。组组合合曲曲线线给我们提供了实现方法。4.2.3组合曲线组合曲线(Composite Curve)为处理多物流，我们把任何给定温度范围内的所有物流的热负荷或热容流率加在一起。从而，在T/H图中会产生一包含所有热流的组合曲线和一包含所有冷流的组合曲线，这样就可用处理两物流问题同样的方法处理多物流问题了。将系统的物流组合起来，以便于进行过程的冷、热物流的合理匹配热组合曲线热组合曲线 冷组合曲线冷组合曲线 组合曲线的实现组合曲线的实现(计算加

13、和法）计算加和法）（1）在T1和T2之间，只有B物流存在，所以这个间隔可用的热量是CPB(T1-T2)。（2）在T2和T3之间所有3物流都存在，所以在该间隔可利用的热量是(CPA+CPB+CPC)(T3-T2)。（3）在T3和T4之间所有2物流都存在，所以在该间隔可利用的热量 是(CPA+CPC)(T4-T3)。（4）在T4和T5之间，只有A物流存在，所以这个间隔可用的热量是CPA(T5 T4)。组合曲线的实现组合曲线的实现(曲线平移法）曲线平移法）组合曲线的实现组合曲线的实现(曲线平移法）曲线平移法）实例实例4.2.4 夹点夹点(Pinch)夹点夹点 两曲线的垂直距离两曲线的垂直距离Tmin

14、给定一Tmin，预测的公用工程的量就是解决这一能量回收问题所需要的最小量。尽管该问题中有很多物流，但是通常Tmin仅仅出现在最接近一点，称为夹点夹点(Pinch)凡是等于P点温度的热流体部位和等于Q点温度的冷流体部位都是夹点。热流体的夹点温度与冷流体的夹点温度相差Tmin。4.2.5 目标化（目标化（Targeting）方法：问题表法）方法：问题表法(The”Problem Table”)对于冷、热物流一起可以建立焓平衡间隔，以便考虑在每个温度间隔内可能的最大热交换量。唯一需要做的修改就是要确保在每个间隔内使冷、热物流至少相差Tmin。这个通过位位移移温温度度（Shifted Temperat

15、ure）来实现。位移温度设在热物流以下Tmin/2(本例为5C)与在冷物流温度以上Tmin2处。位移温度位移温度物流和温度间隔图 最后一列指出温度间隔内是热量多余或不足的状况。所以，这就有可能根据假设：全部“净盈”的温度间隔都把热能排放到冷的公用工程中去，并且全部“净亏”的温度间隔都由热公用工程加热，来产生一可行的换热网络设计。但是，这并不很切合实际，因为它会在不适当的温度下放热或者吸热。温温度度间间隔隔的的一一个个重重要要特特点点，就就是是在在温温度度间间隔隔（i）内内所所能能得得到到的的一一切切热热能能都都可可以以给给温温度度间间隔隔（i+1）内内所所有有负负荷荷供热供热。物流问题的温度间

16、隔和热负荷 4.2.6总组合曲线与位移组合曲线总组合曲线与位移组合曲线 如果组合曲线在位移温度轴上重新绘制，就得到了位位移移组组合合曲曲线线（The Shifted Composite Curve），如下图。位移组合曲线仅在夹点处相交，比组合曲线更清晰，夹点把过程分成了两部分。现在考虑在任一位移温度处的情形。所有热物流的热流率QH相对于夹点处QHP（固定值）为QH。同样，所有冷物流的能量相对于夹点处热流率为QC。冷热物流存在不平衡，必须有外界的公用工程来补充或移除。在夹点之上，QCQH，需要热公用工程来补充不足。同样，在夹点之下，QHQC，过剩的热量由冷公用工程带走。得到位移组合曲线后，就能发现在任何温度下所需要的最小加热量或冷却量 位移组合曲线位移组合曲线（The Shifted Composite Curve）总组合曲线总组合曲线（The Grand Composite Curve，简称GCC）对应于位移温度，净热流率图（公用工程需求）就能很容易画出来，称为总总组组合合曲曲线线（The Grand Composite Curve，简称GCC）。相对于夹点而言，对于给定的位移温度，G