化工过程中应用夹点技术优化换热网络.docx

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，英国曼彻斯特大学 BodoL innhoff 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(Pinch Technology)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AT min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—焓图上做出 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 标是焓，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AT min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） 个子网络之间的温位界面处（Ok=Ik=0）即为夹点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△T min； 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：NhWNc如果实际物流数目不能满足上述准则，则应通过分流来 增加冷流数目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，即：Nh2Nc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须小于等于冷流股的热容流率，即：CP WCPHC（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：CP 2CPHC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：上面讨论的是夹点匹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以由初始温度达到目标温度，这样 可使所需换热设备数目最小，节约了投资费用2） 尽量使热容流率值相近的冷、热物流进行匹配换热，这样在满足最小传热温差AT min的约束条件下，传热过程的不可逆性最小，对相同热负荷情况下传热过程的有效能损失最小。

二、换热网络：换热网络合成是根据夹点原理和夹点匹配可行性规则，利用夹点计算结果把冷热流股分成夹点之上和夹点之下分别进行匹配按上述方法得到的初始网络一般是能量利用最优化的换热网络，但未必是最适合工业生产的换热网络工程设计中，在完成能量最优 化基础换热网络后，通过对每台换热器换热面积的核算，采用能量松 弛法，对换热网络进行适合工程的调优通过断开换热网络的某些热 负荷回路来减少换热单元数目，简化初始网络换热网络的总费用可以认为由设备费用和操作费用组成对初始 网络进行调优的目的就是减少网络所含的设备数，以此减少设备投 资，但这又常会引起操作费用的增加，因此必须对最大能量回收的公 用工程费用和设备投资费用进行综合分析，交替地使用设备费用和操 作费用，找出最佳的AT min费用关系与AT min的关系如图1所示由图1可见，随着AT min的增大，换热器的热负荷减小，可使设 备投资费用降低，但公用工程费用增加，显然存在一个最佳的AT min，此时总费用最小为了满足系统最小换热设备数的要求，往往 需要跨越夹点传热，然而，这却会增加公用工程费用，于是应该找到 一个最佳点，使得总费用最小由于最大能量回收网络的设计是分夹点上、下分别进行匹配，而 有些在夹点上、下重复计算，这就不可避免地使网络换热单元总数大 于将整个系统作为一体对待时的最小换热单元数目。

而换热单元数目 对设备投资的影响很大，一般来说，换热单元数目的增加将导致投资 费用的增加，而且相对换热面积而言，单元数目对设备投资费用的影 响更大，因此有必要通过合并换热单元对换热网络进行调优一个换热网络的最小单元数目可由欧拉通用网络定理来描述：U min = N + L -S (1*)式中，U：换热单元数目(包括换热器、加热器、冷却器)；N：流股数目(包括工艺物流以及加热和冷却公用工程)；L：独立的换热回路数目；S：可能分离成不相关子系统的数目当系统中某一热物流的热负荷和某一冷物流的热负荷恰好相等， 且其间各处传热温差均不小于规定的最小传热温差(即夹点温差)△ T min时，则该两物流一次匹配换热就完成了各自所要求的换热负荷 此时，该两物流与其他物流没有关系，可以分离出作为独立的子系统 当系统中存在这样一个独立的子系统时，整个系统就可以分离成两个 不相关的子系统通常，系统往往没有可能分离成不相关子系统，故 S = 1； 一般希望避免多余的换热单元，因此尽量消除回路，使L = 0； 于是式(1*)变成： U min = N - 1 (2*)热负荷回路：当网络的换热单元数目超过将整个系统作为一体对 待时的最小换热单元时，根据欧拉通用网络定理，即(1*)，可知， 网络中必然构成了热负荷回路。

热负荷回路的定义是：在网络中从一 股物流出发， 沿与其匹配的物流找下去，又回到此物流，则称在这 些匹配的单元之间构成热负荷回路，这里所说的物流也包括公用工程物流一个系统中独立的热负荷回路数可以如下确定：独立的热负荷回路数 = 实际换热单元数 - 最小换热单元数所谓独立的负荷回路，是指热负荷回路相互独立，不会由其中几 个的加减而得到另一个合并换热器：为了使换热单元数目为最小，就应使热负荷回路数 L = 0，即需要把网络中的热负荷回路断开热负荷回路的一个主要特 点是，回路中各单元的热负荷可以相互转移而使回路中一个换热单元 的热负荷为零（合并换热单元），从而断开回路达到合并换热器目的换热器合并方法： （1）保证各换热单元的热负荷不小于零合并的过程如下: 从要合并的单元开始，按回路所经的顺序排出 换热单元次序，然后从各奇数位置的单元设备的热负荷中减去所要合 并的单元的热负荷，在各偶数位置的单元中加上所要合并的单元的热 负荷一般来说，总是合并回路中热负荷最小的换热器这样可以保 证合并后回路各单元的热负荷不小于零，同时也使合并换热单元对系 统的影响最小2）传热温差的考虑与适当增加公用工程用量通常，合并换热器后，会使局部传热温差减小，因此，在合并换 热器后，应检验传热温差，看是否满足最小传热温差的限制。

当采用 适当增加公用工程用量来维持最小传热温差时，首先要定义一个概 念，就是路径：网络中连接一个加热器和一个冷却器的一条热流路线， 它包括沿此路线的所有换热器换热器可以这样沿路径转移，给加热 器中增加负荷X,则该加热器所在的物流的另一换热器中减少热负荷 X,以维持该物流的总热负荷不变：而在负荷减少的换热器中与该物 流匹配的另一股物流同时减少了热负荷X,必须在这股物流的另一个 或冷却器中再加上热负荷X；当冷却器增加了热负荷X后，热负荷转 移结束，整个路径的热负荷平衡3）采用分支维持最小传热温差三、工业应用实例：在某石化企业原油常压蒸馏装置节能改造设计中,将全装置换热 作为一个整体考虑,提取过程系统中参与换热的所有物流作为夹点分 析的流股利用Aspen Plus流程模拟，提取换热网络设计所需的相应 物流的流量、温度等数据如表1所示表1物流数据列表类型物流来源流量']始温/兀终温代冷流原油5189893()232冷流拔头油496384232343冷流废水56967340热流常顶汽油9181()7340热流常一线油6398523212()热流常二线油861402485()热流常二线油2603329711()热流常底渣油25122434745热流常顶油汽13379814773热流常顶循2391481677()热流常一中15122126418()热流常一中155064319244最优传热温差△ T min的确定：最优传热温差A T min与总费用的关系如图2 所示。

通过对现场数扌分析可以看出，该蒸馏装置换热网络最小传热温差39°C左右，有的换热器传热温差甚至达70°C，换热强度不够从最 近几年的经济观点来看，钢材料约涨价5倍，而能源约涨价10倍，这 意味有些节能措施在过去难以实施或经济上不合算，现在看来是可行 的、合算的因此，随着技术和经济条件的变化，对节能潜力应有新 的评估，可以采用增大换热面积或采用新型换热器等方式，减小△T min,增加。