夹点技术的基础理论

1、第五章夹点技术的基础理论化工生产过程中，一些物流需要加热，而另外一些物流需要冷却，人们希望 合理地把这些物流匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回 收，以便尽可能减少辅助加热与辅助冷却负荷。这了吗存在着如何确定物流间匹 配换热的结构以及相应的换热负荷分配问题。换热器网络的最优综合就是确定出这样的换热器网络，它具有最小的设备 (换热器、加热器、冷却器)投资费和操作(公用设施物流等)费用，并满足把每一 个过程物流由初始温度达到指定的目标温度。公用设施物流是指：蒸汽、冷却水、冷冻剂、压缩空气等。最常用的公用设 施加热物流是蒸汽、可有几个压力等级，供用户选择。最普通的公用设施冷却物 流

2、是冷却水，包含海水、河水、井水、循环水、冷冻剂等，其价格大不相同。夹点技术：1978年，Linnhoff首次提出换热网络的温度夹点问题。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)。5.1温-焓图在温-恰图上可以充分地描述工艺物流及公用设施物流的热特性，使用方便， 简单明了。温-恰图可简写为T-H图(TemperatureEnthalpy Graph)，该图的横 轴为恰H，纵轴为温度T。一个物流标绘在T-H图上为一线段。图5-1是无相变 化的冷物流T-H图，图上AH=Q，表示系统为等压

3、升温，一个物流在T-H量图 上的标绘如下：该物流的热容成假定为常数，其初始温度为Ts，终温为Tt， 则 Q = W c (T - T ) = ，直线的斜率为热容流率 W- c-的倒数，刽 AT T -T1 。线段AB可以沿横轴移动。斜率= = =一AHAH W cp图5.1无相变化的冷物流T-H图图5-2各种类型物流的T-H图图5.2是工业中各种换热流股的温-培图。其中a冷物流b热物流c纯组分气化d纯组分冷凝e多组分气化f多组分冷凝5.2 组合曲线(Composite curve)几个热过程物流和几个冷过程物流可分别用热的组合曲线和冷的组合曲线 在T-H图上表示。冷的过程物流C1和C2在T-H

4、图上分别表示为线段AB和CD， 见图5.3 (a)。图5.3(b)表示C1和C2两个冷物流的组合曲线的构造过程。首先将 线段CD水平移动至点B与点C在同一垂线上，即物流C1和C2 “首尾相接”， 然后沿点B、点c分别作水平线，交CD于点F，交AB于点E，这表明物流C1 的BE部分与物流C2的CF部分位于同一温度间隔，则可用一个虚拟物流，即 线段EF(对角线)，表示该间隔内的C1和C2两个物流的组合。因为EF的热负荷 等于(BE+CF)的热负荷，且在同一温度间隔。图5.3(c)表示最终得到的冷物沉C1 和C2的组合曲线AEFD。多个热过程物流或多个冷过程物流的组合曲线的作法同前.只要把相同温度

5、间隔内物循的热负荷累加起来，然后在该温度间隔中用一个具有累加热负荷值的 虚拟物流来代表即可。见图5.4若进行构造组合曲线相反的过程，就可以由组合曲线分解出各物流的单个图 线。图5.3组合曲线冷物流C1、C2在T-H图上的表示组合曲线的构造过程，(e) C1和C2的合曲线。图5.4多个冷过程物流的组合曲线5.3 夹点设计法（The Pinch Design Method）Linnhoff和Umeda等首先叙述了换热器网络中的温度夹点问题，该夹点限 制了换热器网络可能达到的最大热回收量。充分掌握夹点的特性，可以有效地进 行换热器网络的最优设计，而且方法简单、灵活，工程技术人员容易掌握，并可 发挥多

6、年的工程设计和生产实践经验，更好地完成换热器网络的综合工作。在T-H图上描述夹点（1）根据给出的热、冷物流数据，在T-H图上分别作出热物流组合线和冷 物流组合线。（2）热物流组合曲线置于冷物流组合曲线上方，并且两者在水平方向相互 靠拢，当两组合曲线在某处的垂直距离正好等于Tmin，如图5.5所示，则该处 为夹点。本节结合一例题，具体讨论如何确定换热网络中夹点位置，以及在分析夹点 特性的基础上介绍夹点设计法。图5.5选用不同的 T血对夹点位置的影响夹点描述所得信息：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QHmin ；3）最小的公用工程冷却负荷QC，mm ；

7、4） 系统最大的热回收量Q；，mmR,max5）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： T .大，Qh 、Qc .增大，Qr 减小例题：一换热系统，包含的工艺物流为两个冷物流和两个热物流，给定的数 据列于表5.1中。指定冷、热物流间允许的最小传热温差AT .=20C。现在让我 们设计一个换热器网络系统，其具有最大的热回收。mm表5.1流股热容流率初始温度目标温度热负荷H1254001805500H2204503003000C1252004807000C2302003003000在T-H

8、图上用图解的方法确定夹点的位置，这种方法简单、直观，但作图过 程中会存在一定误差。当冷、热物流数量比较少时，T-H图解法简单明了。但当 物流数目很大时，手工作固比较繁琐，而且误差大。此时，可在计算机上实现图 解法，得到准确的结果。也可采用5.4节介绍的问题网格法确定夹点。5.4用问题表格法确定夹点例5-2 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5-2中，并选热、冷物流间最小允许传热温差7min = 20 C ,试确定 该过程系统的夹点位置。mm表5.2物流标号热容流率初始温度终了温度热负荷H12.015060180.0H28.09060240.0C12.52012

9、5262.5C23.025100225.0问题表格算法的过程可分为两个步骤：第一步，以垂直轴为流体温度的坐标，把各物流按其初温和终温标绘成有方 向的垂直线。但要注意，标绘时，在同一水平位置的冷、热物流间要刚好相差 T .，即热物流的标尺数值比冷物流标尺的数值高T .，这样就保证了热、冷 物1流间有.的传热温差。按上述标绘的结果，如表5.3所示。由表5.3嘴看出，由各个冷、热物流的初温点和终温点作水平线，分出了 6 个温度间隔，每个温度间隔称做子网络，该6个子网络以SNl，SN2,SN6 表示。如子网络3是由冷物流C2的终温和热物流H2的初温所规定的温度间隔， 对冷物流为100-70 = 30

10、C，或对热物流为120-90=30C。相邻两个子网络之间的界面温度可以人为定义一个虚拟的界面温度，其值等 于该界面处冷、热流体温度的算术平均值。例如，子网络SN3与SN4之间的虚 拟界面温度等于(70+90)/2 = 80 C。表5.3问题表格(1)Tmin = 20 C子网络序号|冷物流及其温度热物流及其温度kCC12SNiSN2JSN3LSN4SN5SN/CH H /C1502125 -一 145 100 - 12070 9040 602520第二步：对子网络进行热衡算a =a -dvk k kD k=(ECpcoidf CPhot)(Tk-Tk+1)式中风第t个子网络本身的赤字(Defi

11、cit),表示该子网络为满足热平衡时所需外加的净热量。坎值为正，表示需要由外部供热，队值为负，表示该子网络有剩余热 量可输出h由外界或其它子网络供给第i个子网络的热量;6第*个子网络向外界或向其它子网络排出的熟量*习沈必子网络k中包含的所有冷物流的热容流率之利;2。子网络*中包含的所有热物流的热容流率之和;K于网络数孑g &+i)子网络&的温度间隔，用该间隔的热物流温度之差或冷物流温度之 差皆可。k=1,(温度间隔为150145 C)D1= (0-2) X (150-145) = -10负赤字表示有剩余热量10kW= 0 (无外界输入热量)O1 = 11-D1= 0- (-10) = 10O1

12、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145120 C)D2= (2.5-2) X (145-120) =12.5 正号表示有热量赤字 12.5kW= 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 =3,(温度间隔为12090 C)D3= (2.5+3-2) X (120-90) =1053=O2=-2.5O3 = I3 -D3= -2.5-105

13、=-107.5k =4,(温度间隔为9060 C)D4= (2.5+3-2-8) X (90-60) =-135I4=O3=-107.5O4 = I4 - D4=-107.5+135=27.5k =5,(温度间隔，对冷流体4025 C,该子网络中没有热流体)D5= (2.5+3-2-8) X (90-60) =-135L=OA=-107.554O5 = I5 - D5=-107.5+135=27.5k=6,(温度间隔为2520 C)D 6=2.5 X ( 25-20) =12.5正号表示有热量赤字12.5kWI6 = O5 =-55子网络5 (SN5)无剩余热量供给了子网络6 (SN6)O6

14、= I6-D6=-55-12.5 =-67.5表5.4问题表格Tmin = 20 C子网络SN1SN2SN3赤字气/kW-10.012.5105.0热量/kW无外界输入热量I -k0Ok-10.010.0-2.5-2.5-107.5热量/kW外界输入最小热量Ik107.5Ok117.5117.5105.0105.00SN4SN5SN6-135.0-107.527.5-55.027.50-55.0135.0-67.552.5135.052.540.0一旦某子网络中出现Ok为负值的情况，说明系统中的热物流提供不出使系 统中冷物流达到终温所需的热量，也就是需要采用外部公用设施物流（如加热蒸 汽，或燃

15、烧炉等）提供热量，使ok （或l+1消除负值。所需外界提供的最小热量 就是应该使各子络中所有的ok或+1消除负值，即ok或ik+1中负值最大者变成 零。该例题中，O3=I4=-107.5,为Ok或Ik+1中负值最大者，所以需从外部提供热 量107.5kw即向第一个子网络输入I1=107.5kw，使得O3=I4=0。当I1由零改为107.5时，各子网络依次作热量衡算，结果列于表5.4中的第 4列和第5列。实际上，该表中的第2列、第3列中各值分别加上107. 5,即得 出表中的第4列、第5列的值。若改变最小传热温差AT min=15C，则结果如下:表5-5问题表格(1)Tmin = 15 C子网络

16、序号 k冷物流及其温度CCC热物流及其温度-sHH11501 A d2125140310011547590r ex,54560620 问题表格（2）表5-6问题表格(2)Tmin = 15 C子网络赤字热量/kW无外界输入热量热量/kW外界输入最小热量序号DJ kWI kO kI kO k1-2002080100212.5207.510087.5387.57.5-8087.504-135-80550135511055-5513525612.5-55-67.52512.5改变夹点温度，得到结果比较：表5-7选用不同 Tmin值计算结果的比较用7-8图求解例5-2 Tmin /CQ / kWH,m

17、inQ / kWC,min夹点位置/ C热物流冷物流20107.5409070158012.59075由前述知，夹点处热、冷流体之间的传热温差为最小，而且为了达到最大的 热回收(或需用最小的公用设施加热及冷却负荷)，必须保证没有热量通过夹点， 这表明夹点处是设计工作中约束最多的地方，所以要先从夹点着手进行物流间匹 配换热的设计.离开夹点后，约束条件减少了，允许设计者更灵活地选择换热方 案，但应当遵循尽可能地减少换热设备个数的设计原则，以减少设备投密费。5.5夹点的意义夹点处，系统的传热温差最小(等于 T min )，系统用能瓶颈位置；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

18、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)；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QC,min，以及系统最大的热回收量QR,max；，mm夹点处温度差的影响： Tmin大，QH,min、QC,min增大，QR,max减小。系统具有最低公用工程消耗以及最大热回收的原则:热量不能穿透夹点(3)夹点下方不能 设置公用工程加热(2)夹点上 方不能设置公 用工程冷却5.6过程系统的总组合曲线夹点位置的确定对于换热网络的设计至关重要，对于夹点的位置确定，除了 可以采用T-H图绘制冷、热物流的组合曲线和问题

19、表格法外，还可以采用总组 合曲线法来确定夹点的位置。其确定的基本方法可以看做是问题表格与T-H图 的结合。问题表格是以物流的实际始末温度绘成有方向的垂直线，而过程总组合曲线 采用各物流的虚拟温度绘制有方向的垂直线，然后由各冷、热物流的虚拟初始温 度点和虚拟目标温度点做水平线，分出温度间隔。虚拟温度的计算要参考传热温差贡献值，通常传热温差贡献值的选取可以通 过公式计算，或通过经验选取，一般热容流率越大，传热温差贡献值越低。物流数据物流标号热容流率kW/C初始温度Ts目标温度Tt 传热温差贡献值H12.01506010H28.090605C12.52012510C23.02510010物流的虚拟温

20、度物流标号虚拟初始温度/ C虚拟目标温度/CH150 - 10 = 140H290 - 5 = 8560 - 10 = 5060 - 5 = 55C1一 20 + 10 = 30125 + 10 = 135C225 + 10 = 35100 + 10 = 110根据虚拟温度分出温度间隔，I、确定子婀络，见下图子网络序号 k冷物流及其温度热物流及其温度CCCHHJ_4 八L1104855552 /A1650735表5依次对每个子网络做撕弊子网络 序号赤字D / kW k热 流 量/ kWI1-1001090100212.510-2.510087.5387.5-2.5-9

21、087.504-135-90450135517.54527.5135117.5682.527.5-55117.535712.5-55-67.53522.5将虚拟温尊与热负荷列在一题表嬲新的问题表格子网络界面温度/ C界面热负荷/ kW（虚拟温度）上界面下界面序号上界面下界面输入输出114013590100213511010087.531108587.5048555013555550135117.565035117.535735303522.5将上面问题表格中各子网络界面处的温度与热负荷，绘制在T-H图。总组合曲线的意义描述热流量沿温度的分布；需要补充热量的温位；可以回收热量的温位；夹点上方一一

22、热阱（热端），只需要热公用工程;夹点下方一一热源（冷端），只需要冷公用工程。5.7多夹点问题对于一个过程系统，一般情况是存在一个夹点，但也可能存在多个夹点或没 有夹点，没有夹点的问题称为门槛问题。以T-H图为例，直观地讨论多夹点问题的处理方法。逆夹点CK一夹点1与夹点2间冷、热物流组合曲线间温差最大处。CK把 系统分割成两个单夹点问题，逐一处理。特点：第一个夹点问题的夹点上方（即第二段）不需要热公用工程。第二 个夹点问题的夹点下方（第三段）不需要冷却公用工程。第一段和第四段需要引 入热、冷公用工程物流。58门槛问题过程系统只需要一种公用工程物流，如值需要加热公用工程或只需要冷却 公用工程，这样

23、的系统不存在夹点问题，称为门槛问题（见下图）情况a，ABCD为热物流组合曲线，EFG为冷物流组合曲线，从水平投影来 看，热物流组合曲线覆盖了冷物流组合曲线，所以该系统只需要冷却公用工程， 其负荷为QC1与QC2之和，Qr为热、冷物流间回收的热量。情况b只需要冷却公用工程，最小传热温差在冷物流组合曲线的左端E；（1）增大热、冷物流间的传热温差，冷物流组合曲线向右移至EFG，点D、G在同一垂线上，仍只需要冷却公用工程，且冷却负荷大小不变，且直=函洗（2）继续增大传热温差，冷物流组合曲线向右移至EFG，由门槛问题 洗 变为夹点问题，WE 就是夹点。情况c只需要加热公用工程的门槛问题。情况d只需要加热

24、公用工程，最小传热温差在热物流组合曲线的左端A 设计时可选择热、冷物流间匹配换热的最小允许传热温度差等于门槛温度 差，此时传热温差最大，减少了总的传热面积，而且不增加公用工程负荷5.9平衡的总组合曲线如果一个工艺流程中的所有流股不采用余热回收的方法，而是直接使用公用 工程进行热负荷平衡，可采用平衡的总组合曲线进行用能诊断和调优。5.9.1构造公用工程总组合曲线平衡的总组合曲线，是由过程流股总组合曲线与公用工程总组合曲线绘制在 同一张T-H图上，采用夹点设计方法，确定公用工程的类型、温位及负荷。对一过程系统，可供选用的公用工程是多样的，如，热公用工程有：燃烧炉， 燃气轮机的排气，加热蒸汽，热泵等；冷公用工程有：冷却水