化工系统-第4章夹点

第三篇化工过程系统的合成设计工程师选择流程系统的组成单元及组合方式，以建立一个能够满足产品设计要求的最优流程方案1960年代后期，由威斯康星大学Rudd教授提出一套理论和方法，试图将这个领域由经验转化为科学1970年代以后，十分活跃的新领域，但相对过程分析而言仍是一个发展得不太成熟的领域换热网络的合成和多组份精馏序列的合成*1

过程系统的设计开发：过程系统分析：对特定的过程系统（包括过程单元和单元间的联结关系）进行分析，确定其各个部位的属性和性能指标过程系统综合：在给定系统输入、输出的前提下，确定最优的组成系统的单元类型和最优的单元间联结关系的过程，即确定满足输入、输出要求的最优过程系统的过程*2综合模拟优化*3分析、优化与综合在过程设计中是不可分隔的综合可给出系统的组成及结构；通过分析则可得到系统的特性；通过优化可得到系统的最佳性能，从而对综合的效果进行检验。分析、优化得到的信息和概念可用于进一步的综合，以便得到性能更好的系统。过程系统设计是综合—分析—优化—综合这一交替过程的总体。*4第4章夹点技术的基础理论夹点技术：pinchanalysis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)Linnhoff和Umeda提出换热网络中的温度夹点问题1982和1983，Linnhoff换热网络综合的夹点技术，并推广到过程系统的能量分析与调优我国，20世纪80年代，原油预热系统的节能改造*54.1过程系统的夹点及其意义4.1.1T-H

图(温-焓图)

(Temperature-Enthalpygraph)W·cp——热容流率无相变化的冷物流在T-H图上的标绘*6不同物流在T-H

图上的标绘：*74.1.2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。组合曲线的构造方法：（a）冷物流C1、C2在T-H图上的标绘*8*9组合曲线的构造方法：C1和C2首尾相接沿B、C作水平线交于F、E虚拟物流——线段EF表示温度间隔内的C1和C2物流的组合C1C2同一温度间隔*10例题4-1：三个冷物流，构造组合曲线*114.1.3在T-H图上描述夹点说明：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夹点两曲线的垂直距离＝ΔTmin*12夹点描述所得信息：(1)过程系统最小传热温差，夹点部位传热温差最小;(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；QH,minQC,minQR,maxΔTmin*13(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)冷端在夹点温度以下，只需要冷公用工程冷却(热源)热端冷端*14*15说明：适宜的ΔT

min

是总费用最低的优化值。选用不同的ΔT

min

值对夹点位置的影响ΔTmin↑，QH,min,QC,min↑，QR,max减小↓*16例4-2蒸汽、压缩机功耗为热公用工程，循环水为冷公用工程，需外加热公用工程用量为1500kw，试确定夹点位置*17物流数据表热、冷物流间匹配换热的最小传热温差ΔT

min=20℃物流物流名称热容流率初始温度终了温度热负荷标号CP/

(kW/℃)Ts/℃

Tt/℃

Q/kWH1

产品22220603520H2

反应器出口流股182701601980C1

进料20502103200C2循环流股

501602102500*18（1）热物流组合曲线CPTsTtQ220603520182701601980*19（2）冷物流组合曲线（3）分别在水平方向移动冷、热物流组合曲线，使它们互相靠拢，直至它们在某处的垂直距离正好等于ΔT

min

70CPTsTtQ20502103200501602102500*20夹点位置确定T/℃H/kW*21夹点位置确定*224.1.4用问题表格法确定夹点热级联：虚拟的结构，同一温位的物流集中于同一级，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=I

k-D

kD

k=（∑CPC-∑CPH）(T

k-T

k+1)D

k+1T1T

kT

k+1I1I

kIk+1IKD1D

kD

KO

kO1OkOk+1*23例4-3

一过程系统含有的工艺物流为2个热物流及2个冷物流，数据列于下表，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

热容流率

初始温度

终了温度

热负荷标号CP/

(kW/℃)Ts/℃

Tt/℃

Q/kWH12.015060180.0H28.09060240.0C12.520125262.5C23.025100225.0物流数据*24（1）子网络分割，得到问题表格(1)

问题表格(1)△Tmin=20℃子网络序号

冷物流及其温度

热物流及其温度

k

C1

C2/℃H1

H2/℃SN1SN2SN3SN4SN5SN6150145120906012510070402520*25（2）对子网络进行热衡算Ok=I

k－D

k

D

k=(∑CPC－∑CPH)(T

k－T

k+1)

k=1，（温度间隔为150～145℃)D

1=（0－2)×(150－145)=－

10

（负赤字表示有剩余热量10kW）I

1=0（无外界输入热量）O1=I

1－D

1=0－(－

10)=10

O1为正值，说明子网络1(SN1)有剩余热量供给子网络2(SN2)*26k=2，（温度间隔为145～120℃)D

2=（2.5－2)×(145－120)=12.5

（正号表示有热量赤字12.5kW）I

2=O1=10（子网络1(SN1)的剩余热量供给了子网络2(SN2)）O2=I

2－D

2=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）*27k=6，（温度间隔为25～20℃)D

6=2.5×(25－20)=12.5

（正号表示有热量赤字12.5kW）I

6=O5=－55（子网络5(SN5)无剩余热量供给子网络6(SN6)）O6=I

6－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*28（3）根据热衡算结果，绘制问题表格（2）

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Dk/kWIk

Ok

Ik

Ok

问题表格(2)△Tmin=20℃SN1-10.0010.0107.5117.5SN212.510.0-2.5117.5105.0SN3105.0-2.5-107.5105.00SN4-135.0-107.527.50135.0SN582.527.5-55.0135.052.5SN612.5-55.0-67.552.540.0*29（4）热级联*30过程分析：消除I或O

负值的方法：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：O3=0夹点处，SN3与SN4之间的热流量为0I1=QH,min＝107.5

kW（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ΔT

min；夹点处热流量等于0*31说明：

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℃，夹点温度可以用该界面的虚拟温度来代表：界面虚拟温度=（90+70）/2=80℃*32若改变最小传热温差ΔT

min＝15℃，则结果如下：

问题表格(1)△Tmin=15℃子网络序号冷物流及其温度热物流及其温度

k

C1

C2℃H1

H2123456150140115906012510075452520*33

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Dk/kWIk

Ok

Ik

Ok

问题表格(2)△Tmin=15℃

1

-2002080100

2

12.5207.510087.5

3

87.57.5-8087.50

4

-135-80550135

5

11055-5513525

6

12.5-55-67.52512.5*34选用不同△Tmin

值计算结果的比较夹点位置/℃

20107.5409070158012.59075△Tmin/℃QH,min/kWQC,min/kW

热物流冷物流*354.1.5夹点的意义（1）夹点处，系统的传热温差最小（=ΔT

min），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ΔT

min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

；*36(1)热量不能通过夹点(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（最大热回收）的原则：

夹点上方

热阱

夹点下方

热源夹点QH,min+xQC,min+xx

夹点上方

热阱

夹点下方

热源QH,min+yQC,miny0

夹点上方

热阱

夹点下方

热源QH,minQC,min+zz0*37*384.2过程系统夹点位置的确定4.2.1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。（1）采用单一的ΔTmin（或HRAT，HeatRecoveryApproachTemperature）来确定夹点位置

*39③修正ΔTm