化工系统工程-04热夹点技术

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：冷物流热物流纯组分气化纯组分冷凝多组分气化多组分冷凝组合曲线(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ΔTmin。夹点两曲线的垂直距离＝ΔTmin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：

ΔT

min大，QH,min、QC,min

增大，QR,max减小。适宜的ΔT

min

是总费用最低的优化值。物流标号物流名称初始温度（TIN/℃）终了温度（TOUT/℃）热负荷（Q/kW）热容流率(CP/kW/

℃）H1产品22060352022H2反应器出口流股270160198018C1进料50210320020C2循环流股160210250050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=I

k-D

kD

k=（∑CPC-∑CPH）(T

k-T

k+1)

D

k+1T1T

kT

k+1I1I

kIk+1IKD1D

kD

KO

kO1OkOk+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。物流标号热容流率CP/

(kW/℃)初始温度Ts/℃

终了温度Tt/℃热负荷Q/kW

H12.015060180.0H28.09060240.0C12.520125262.5C23.025100225.0物流数据表子网络的分割，问题表格(1)：

做法：表

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对子网络进行热衡算：

Ok=I

k-D

k

D

k=（∑CPC-∑CPH）(Tk-Tk+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)k=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=－2.5

O2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℃)

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)无剩余热量供给了子网络6(SN6)。

O6=I

6－D6=－55－12.5=－67.5

O6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

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表

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

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＝107.5

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.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ΔT

min＝15℃，则结果如下：

表

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表

问题表格(2)△Tmin=15℃

1

-2002080100

2

12.5207.510087.5

3

87.57.5-8087.50

4

-135-80550135

5

11055-55135256

12.5-55-67.52512.5结果比较：表

选用不同△Tmin

值计算结果的比较20107.5409070158012.59075△Tmin/℃QH,min/kWQC,min/kW夹点位置/℃

热物流冷物流夹点的意义（1）夹点处，系统的传热温差最小（等于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；（4）夹点处温度差的影响ΔTmin大，QH,min、QCmin

增大，

QR,max减小。适宜的ΔT

min

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：

夹点上方热阱

夹点下方热源夹点QH,min+xQC,min+x

夹点上方热阱

夹点下方热源QH,min+yQC,miny

夹点上方热阱

夹点下方热源QH,minQC,min+zzx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ΔTmin

（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ΔTmin，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ΔTmin

，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ΔTmin

，即平均传热温差：—热物流对传热温差的贡献值；—冷物流对传热温差的贡献值。采用“虚拟温度法”法，具体步骤：（1）按现场数据推算各热、冷物流对传热温差的贡献值，i、j分别表示热、冷物流的序号；（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ΔTmin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）根据问题表格法计算的结果进行标绘物流标号热容流率

/

(kW/℃)初始温度Ts/℃

目标温度Tt/℃传热温差贡献值

H12.01506010H28.090605C12.52012510C23.02510010

物流标号虚拟初始温度/℃虚拟目标温度/℃

H1150–10=14060–10=50H290–5=8560–5=55C120+10=30125+10=135C225+10=35100+10=110物流的虚拟温度表表

问题表格(1)子网络序号冷物流及其温度热物流及其温度

k

C1

C2℃H1

H212345614013511085555035307

子网络赤字序号Dk

/kWIk

Ok

Ik

Ok表 问题表格(2)

1

-1001090100

2

12.510-2.510087.5

3

87.5-2.5-9087.50

4

-135-90450135

5

17.54527.5135117.56

82.527.5-55117.5357

12.5