4夹点理论解析ppt课件

化工节能减排技术 孙晓岩青岛科技大学化工学院过程系统工程研究所 Email sun xyan Tel 0532 84022898 主要参考书籍 能量的有效利用夹点分析与过程集成项曙光等译 第四章夹点技术理论 4 1绪论 4 1 1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 BodoLinnhoff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1722kW 冷却需要654kW 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 传统设计 夹点设计 a b 4 1 2夹点技术的作用 夹点分析的第一个关键概念是确定能量目标 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 它们是完全的热力学目标 如果热回收 加热和冷却系统正确设计的话 本质上是能够达到的 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 但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 洋葱图有效地描述了整个设计过程 过程综合本质上来说是分层次的 Douglas1988 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 反应 分离 热交换和外部加热 冷却图1 4中的换热系统或换热网络可能不是最好的 所以必须回到最基本的定义问题的数据上 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 最小投资费用换热网络简图 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何利用换热网络达到能量目标 4 2 1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流 进料刚开始是冷的 需要被加热 称为冷物流 反之 需要降温的热的产品称为热物流 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 简单的2物流例题数据 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150 C的热流来加热200 C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 Temperature EnthalpyDiagram 物流的热容量 kW 常被称为焓 这不能与热力学术语比焓 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CPdT 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 冷物流相对热物流沿H轴向右移动 这样就有了一最小温差 Tmin Tmin不再为零了 而是正的且有限 该例为20 C 移动的结果是增加了相同量的冷热公用工程和减少了等量的换热器的热负荷 这里是20kW 故需要外部70kW加热量和冷却量 因为 Tmin不再为零 所以当前安排是实际的 显然 越多的移动隐含着越大的 Tmin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 就有一能量目标 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 组合曲线给我们提供了实现方法 4 2 3组合曲线 CompositeCurve 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 冷组合曲线 组合曲线的实现 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 曲线平移法 组合曲线的实现 曲线平移法 实例 4 2 4夹点 Pinch 夹点两曲线的垂直距离 Tmin 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 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 Targeting 方法 问题表法 The ProblemTable 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 这个通过位移温度 ShiftedTemperature 来实现 位移温度设在热物流以下 Tmin 2 本例为5 C 与在冷物流温度以上 Tmin 2处 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 温度间隔的一个重要特点 就是在温度间隔 i 内所能得到的一切热能都可以给温度间隔 i 1 内所有负荷供热 物流问题的温度间隔和热负荷 4 2 6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 就得到了位移组合曲线 TheShiftedCompositeCurve 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 QC QH 需要热公用工程来补充不足 同样 在夹点之下 QH QC 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 TheShiftedCompositeCurve 总组合曲线 TheGrandCompositeCurve 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 称为总组合曲线 TheGrandCompositeCurve 简称GCC 相对于夹点而言 对于给定的位移温度 GCC代表热物流的可用热量和冷物流所需的热量差 因此 GCC图是位移温度 间隔温度 对净热流率为坐标绘制的图 是问题表 热级联 简单的图形表示 最顶部和最低部净热流值就是热级联中需要提供或者移走的热量 从而得到热公用工程和冷公用工程目标值 GCC不仅告诉我们净加热量和净冷却量 还可告诉我们所需要的温位 没有必要在最高温度区间提供所有热公用工程 如果需要的话 大部分可提供较低温热公用工程 在GCC图上也是很容易看出夹点来 即净热流量为0且GCC与纵轴相交点 而且 可以看出夹点是在温度范围的中间还是在一端 即阀值问题 可识别低净热流率或两夹点或多夹点情况 关于能量目标化总结如下 1 组合曲线能帮助我们从概念上理解如何获得能量目标 2 问题表和它的图形表示法GCC 可更容易地得到同样的结果 包括夹点位置确定 3 能量目标化是强有力的过程设计和集成辅助手段 4 3夹点及意义 夹点以上 也就是右边的区域 热组合曲线全部热量传给冷组合曲线 余下的仅需要公用工程加热 因此 夹点以上区域是一个热阱 HeatSink 仅热量流入而不流出 它仅涉及与热公用工程的加热 而不需冷公用工程 相反 夹点以下区域仅需要冷却 称为热源 HeatSource 需要冷公用工程冷却 而不需热公用工程 设计达到最小公用工程目标的换热网络必需遵循如下三个金科玉律 GoldenRule 1 不要通过夹点传递热量 2 夹点以上不要使用冷公用工程 3 夹点以下不要使用的热公用工程 通过夹点传递 热量的任意换热网络 需要的热和冷公用工程比最小值多 简单且有效的概念 1 目标 一旦知道了组合曲线和问题表 就能准确知道所必需的外部加热负荷 就能以极快的速度和信心识别出接近最优过程或非最优过程 2 夹点 夹点以上需要外部加热 夹点以下需要外部冷却 这告诉我们在哪里安放加热炉 加热器 冷却器等 还会告诉我们需要怎样的全厂蒸汽动力系统 如何从蒸汽透平和烟气透平排气中回收热量 3 进的越多 出的越多 偏离目标的过程需要比最小外部加热量和最小外部冷却量多的加热和冷却负荷 我们套用习语 进的越多 出的越多 来形容这种情况 但注意对于过程中每个过量的外部加热单元 必需提供两次换热设备 在一些情况下 可允许我们改善能量费用和操作费用 4 选择的自由 在图 b 中热阱和热源是分开的 只要设计者遵守这一限制他就可以随心所欲的选择布置图和控制方案等 如果违背了这一限制 他可估计穿过夹点的热量 从而预测会受到的总惩罚 5 折衷 问题中物流数 过程物流数加上公用工程数 与最小换热单元数 即加热器 冷却器和热交换器数 之间存在简单的关系 热源和热阱分离的达到最小能量目标的换热网络比没有用夹点分割的换热网络需要更多的单元数 这种能量回收和单元数间的折衷 增加到传统的能量和表面积间的折衷概念上 简单且有效的概念 4 4换热器网络设计 4 4 1网格 NetworkGrid 表示 为设计一换热网络 Linnhoff和Flower 1978 引入了最有帮助的表示法 网格图 物流画成水平线 高温度在左边 热物流在上面 换热匹配由两个圆和连接两圆的竖线表示 网格图比流程图好画多了 尤其是换热器可以用任意顺序排放而不必重画物流 另外 网格图表示了换热器逆流的性质 这很容易检查换热器温度是否可行 4 4 2 通常 网络设计 1 在夹点以下没有加热器2 在夹点以上没有冷却器3 因此 肯定有热量穿过夹点 罪魁祸首肯定是换热器2 尽管它的两个物流跨在夹点以上 可以计算出物流4在高于90 C和低于90 C时释放90kW能量 而物流1在80 C以上仅接收60kW和80 C以下接收120kW的能量 因此 30kW的能量穿过夹点传递 对应于能量目标多用30kW的热和冷公用工程 能量目标本设计中加热量 Kw 2050冷却量 Kw 6090 4 4 3最大能量回收网络设计 夹点之上CPHOT CPCOLD 4 4 3最大能量回收网络设计 夹点之下CPHOT CPCOLD 将 热端设计 和 冷端设计 合在一起 在 Tmin 10 C 得到了由四个换热器 一个加热器和一个冷却器组成的具有最好能量性能的换热网络 换句话说 总共有六个换热单元 称为MER网络 因为满足最小能量需求和最大能量回收 MER 通过以下步骤完成设计 1 在夹点处分解问题 对每一部分进行单独设计 2 从夹点处开始设计 并向外拓展 3 接近夹点处有两个限制 CPHOT CPCOLD 夹点以上 对所有热物流CPHOT CPCOLD 夹点以下 对所有冷物流 4 最大化热负荷 5 只在夹点以上提供热公用工程 只在夹点以下提供冷公用工程 这些就是Linnhoff和Hindmarsh 1983 夹点设计方法的基本原理 4 5 Tmin选择 超级目标化 SuperTargeting 4 5 1 Tmin选择的深层含意 到目前为止 我们已经看到 选择 Tmin越大 所需要的热和冷公用工程也越多 因此 看来我们要选择尽量小的 Tmin以获得最大的能量有效利用 但是 这样存在问题 Tmin越小 换热器越大 投资越多 在传热设备中 换热所需要的换热面积为 式中 A的单位是m2 Q是换热器传递的热量 kW U是总传热系数 kW m2K TLM是对数平均温差 K 若有一纯逆流换热器 热物流进口温度Th1出口温度Th2 冷物流进口温度Tc1出口温度Tc2出 则Tc1和Th2为冷端 Th1和Tc2为热端 TLM为 上式直接用 T 一般来说 换热器面积与温差成反比 因此 Tmin越小 换热器面积越大 投资费用越高 因投资费用与换热面积紧密相关 即使换热器一端的温差很大 TLM表达式告诉我们小的温度差起控制作用 很明显 小的 Tmin对应小的 TLM 公用工程用量 换热器面积和投资费用随 Tmin变化关系 可以看出存在一最佳 Tmin值 本例约为15 20 C 显然 选择一个恰当的 Tmin对目标化和网络设计至关重要 可以通过面积目标化和费用目标化做到 或称为超目标化 Supertargeting 超目标化是建立在上面的概念基础之上 超目标化比能量目标化精度要差的多 因为存在许多不确定因素 如传热系数 总换热网络面积和总费用总是在变 然而 从图中可看到总费用曲线有一段相对平坦 所以有一可选择余地 只要 Tmin不要过小或过大 至少在初始设计阶段利用 Tmin经验值可得到合理的设计 通常10