化工系统工程04热夹点技术.ppt

热夹点技术 PinchPointTechnology 换热是化工生产不可缺少的单元操作过程 对于一个含有换热物流的工艺流程 将其中的换热物流提取出来 组成了换热网络系统 其中被加热的物流称为冷物流 被冷却的物流称为热物流 换热的目的不仅是为了使物流温度满足工艺要求 而且也是为了回收过程余热 减少公用工程消耗 基于这种思想进行的换热网络设计称为换热网络合成 换热网络合成的任务是确定换热物流的合理匹配方式 从而以最小的消耗代价 获得最大的能量利用效益 换热网络的消耗代价来自三个方面 换热单元 设备 数 传热面积 公用工程消耗 换热网络合成追求的目标 是使这三方面的消耗最小 实际进行换热网络设计时 需要在某方面做出牺牲 以获得一个折衷的方案 夹点技术的基础理论 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 Linnhoff首次提出换热网络的温度夹点问题 过程系统的夹点及其意义T H图 温 焓图 Temperature Enthalpy W cp 热容流率 不同物流在T H图上的标绘 组合曲线 Compositecurve 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 组合方法如图 例题 三个冷物流 构造组合曲线 在T H图上描述夹点 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 夹点两曲线的垂直距离 Tmin 夹点描述所得信息 1 过程系统的最小传热温差 夹点部位的传热温差最小 2 最小的公用工程加热负荷QH min 3 最小的公用工程冷却负荷QC min 4 系统最大的热回收量QR max 5 夹点将系统分为热端和冷端 热端在夹点温度以上 只需要公用工程加热 热阱 6 冷端在夹点温度以下 只需要冷公用工程冷却 热源 夹点温度差的影响 Tmin大 QH min QC min增大 QR max减小 适宜的 Tmin是总费用最低的优化值 热物流组合曲线 冷物流组合曲线 利用组合曲线确定夹点 有热量穿越夹点 则该过程增大了外加公用工程加热负荷的同时 也增大了外加公用工程冷却负荷 给定过程所需的公用工程加热负荷QH为840kW 比最小值多出1840kW 即XP QH QH min 1840kW 穿越夹点的热负荷XP CUXP HUXP PPXP 确定CUXP HUXP和PPXP的步骤如下 1 由格子图表示给定的换热器网络 2 利用所确定的夹点将格子图分为两部分 3 在格子图上确定穿越夹点的换热器 计算CUXP HUXP和PPXP PPXP是由热的过程物流在夹点上方的温位 180 270 与冷过程物流在夹点下方的温位 50 149 换热引起 PPXP CPH 270 180 CPC 149 50 1620kW HUXP是由冷过程物流在夹点下方的温位 149 160 外加公用工程加热负荷引起 HUXP CPC 160 49 220kW 即QXP CUXP HUXP PPXP 0 220 1620 1840kW 综上所述 为得到最小公用工程加热及冷却负荷 或达到最大的热回收 的设计结果 应遵循夹点设计的三个基本规则 夹点处不能有热流量穿过 夹点上方 热阱 不能外加公用工程冷却负荷 夹点下方 热源 不能外加公用工程加热负荷 用问题表格法确定夹点热级联 每个单元都是相似的传热过程组成的串级结构 每一级相当于一个子网络 第k级的热平衡 k 1 2 3 4 K 输出 输入 赤字Ok Ik DkDk CPC CPH Tk Tk 1 热级联 虚拟的结构 同一温位的物流集中于同一级 例 一过程系统含有的工艺物流为2个热物流及2个冷物流 给定的数据列于表中 并选热 冷物流间最小允许传热温差 Tmin 20 试确定该过程系统的夹点位置 物流数据表 子网络的分割 问题表格 1 做法 对子网络进行热衡算 Ok Ik DkDk CPC CPH Tk Tk 1 k 1 温度间隔为150 145 D1 0 2 150 145 10 负赤字表示有剩余热量10kW I1 0 无外界输入热量 O1 I1 D1 0 10 10O1为正值 说明子网络1 SN1 有剩余热量供给子网络2 SN2 k 2 温度间隔为145 120 D2 2 5 2 145 120 12 5 正号表示有热量赤字12 5kW I2 O1 10子网络1 SN1 的剩余热量供给了子网络2 SN2 O2 I2 D2 10 12 5 2 5O2为负值 说明子网络2 SN2 只能向子网络3 SN3 提供负的剩余热量 即需要子网络3向子网络2供给热量 但这是不可能的 k 6 温度间隔为25 20 D6 2 5 25 20 12 5 正号表示有热量赤字12 5kW I6 O5 55子网络5 SN5 无剩余热量供给了子网络6 SN6 O6 I6 D6 55 12 5 67 5O6为负值 说明子网络6 SN6 热量不够 无法达到规定的传热要求 问题表格2 过程分析 消除I或O的负值 方法 引入公用工程加热负荷使I1 各子网络中最小负数的绝对值 107 5 得 结果 O3 0 在夹点处I1 QH min 107 5kW 最小公用工程加热负荷 O6 Qc min 40kW 最小公用工程冷却负荷 夹点特征 夹点处系统传热温差最小 等于 Tmin 夹点处热流量等于0 夹点介于子网络3 SN3 和子网络4 SN4 之间 夹点处热流体温度90 冷流体温度70 夹点温度 界面虚拟温度 80 若改变最小传热温差 Tmin 15 则结果如下 问题表格 2 结果比较 夹点的意义 1 夹点处 系统的传热温差最小 等于 Tmin 系统用能瓶颈位置 2 夹点处热流量为0 夹点将系统分为热端和冷端两个子系统 热端在夹点温度以上 只需要公用工程加热 热阱 冷端在夹点温度以下 只需要公用工程冷却 热源 3 在一定的 Tmin下 确定了系统最小的公用工程加热负荷QHmin和系统最小的公用工程冷却负荷QCmin 以及系统最大的热回收量QR max 4 夹点处温度差的影响 Tmin大 QH min QCmin增大 QR max减小 适宜的 Tmin是一个课题 一般以经验选取 1 热量不能穿透夹点 2 夹点上方不能设置公用工程冷却 3 夹点下方不能设置公用工程加热 系统具有最低公用工程消耗以及最大热回收的原则 准确地确定过程系统的夹点位置1准确地确定夹点位置 操作型夹点计算操作型 模拟型 夹点计算 确定现有过程系统中热流量沿温度的分布 热流量等于零处即为夹点 方法一 采用单一的 Tmin 或HRAT HeatRecoveryApproachTemperature 确定夹点位置的计算步骤如下 1 收集过程系统中热 冷物流数据 包括其热容流率 初温 终温等 2 选择一最小允许的传热温差初值 Tmin 按4 1 4节介绍的问题表格法确定夹点位置 并得到系统所需的热 冷最小公用工程负荷QH min QCmin 3 修正 Tmin 直至QH min QCmin与现有过程系统所需的热 冷公用工程负荷相符 此时即确定了该过程系统的夹点位置 方法二 采用现场过程中各物流间匹配换热的实际传热温差进行计算 物流间传热温差值 Tmin 即平均传热温差 采用 虚拟温度法 法 具体步骤 2 确定各物流的虚拟温度 热物流虚拟初始温度 实际初始温度 热物流虚拟目标温度 实际目标温度 冷物流虚拟初始温度 实际初始温度 冷物流虚拟目标温度 实际目标温度 3 按4 1 4节介绍的问题表格法进行夹点计算 但不同之处是全过程系统取 Tmin值为零 这是因为当所有物流转换成虚拟温度后 都已经考虑了各物流间的传热温差值 4 打印输出计算结果 2合理地设计夹点位置 设计型夹点计算设计型夹点计算 改进各物流间匹配换热的传热温差以及对物流工艺参数进行调优 以得到合理的过程系统中热流量沿温度的分布 从而减小公用工程负荷 达到节能的目的 如何确定各物流适宜的传热温差贡献值 从而改善夹点 具有一个热阱 或热源 和多个热源 或热阱 满足 i 第i台换热器 多个热源与多个热阱匹配换热 j 第j个物流 找到一参照物流r 则 每一物流的传热温差贡献值都确定以后 按4 2 1节介绍的操作型夹点计算步骤进行夹点计算 确定改进后的夹点位置 进行热回收系统的设计 3过程系统的总组合曲线总组合曲线 在T H图上描述过程系统中的热流量沿温度的分布 热流量为零处就是夹点 总组合曲线的绘制 1 根据问题表格