夹点技术的发展及基本原理

夹点技术的开展及根本原理2.1夹点技术的开展历史一个典型的化工过程系统包括以下三个组成局部：反响别离局部、换热局部和公用工程局部，其设计过程可用图2-1所示的“洋葱模型〞来表示。在以往的设计中，各个局部间的设计是相对独立的，如别离局部给公用工程局部提出了所需的热量以及温度，而公用工程局部那么把别离局部提出的需求当作是不能改变的，因此，各局部之间是机械地结合在一起，没有形成一个有机的整体，所以，各局部的用能状况的考虑只局限于各自的子系统，而没有放入整个系统中对照，这样必然会造成许多不合理的能量使用状况。虽然当时也有人意识到了这种情况，但由于过程系统过于复杂，能源价格并不算昂贵，没有条件，也没有压力来完成这项任务。随着资源的相对匮乏特别是能源危机以及对环境保护的要求越来越高，对化工过程的设计提出了更高的要求，要求资源高效利用，能量消耗最少以及实现污染排放物最小。这使得设计的过程单元与单元之间的联系更加密切，系统的信息含量越来越多，反映在装置上即为其集成度越来越高。过程集成即是在这种背景下所产生的一个新的研究方向，因此，过程集成最终目标是使得设计的过程效率最高—即实现多目标最优设计。从广义上讲，过程集成技术产生的内在因素是过程系统工程开展到一定程度，在过程模拟、过程综合、过程的热力学第二定律分析及过程改造等分支研究内容根底上的一种“集成技术〞。外在因素是资源匮乏、能源紧张以及环境保护对化工过程的设计提出了更高的要求。从狭义上看，过程集成技术最初是从能量密集型的过程设计中，以提高能量利用效率为目标而开展起来的。具体地其理论和方法产生于换热网络综合问题的研究。最初是以热力学第二定律分析为根底，用有效能的概念来探讨能量的合理利用。Umeda和Linnhoff相继在这方面作了开创性的研究工作。它们先后发现了过程系统内的能量流动存在着夹点〔PinchPoint〕，后来，Linnhoff将这一发现应用于全过程系统的能量分析及有效利用，逐渐形成了称之为“夹点技术〞〔PinchTechnology〕的过程设计方法。今天，夹点技术已成为最主要的过程集成技术，其精髓在于确定过程设计所能到达的目标〔这些目标包括能量、设备、原材料费用以及柔性等〕，并将所确定的目标在实际的设计中加以实施，形成了化工过程集成的根底及方法。夹点技术既可用于新厂设计，又可用于已有系统的节能改造，但两者无论在目标上还是在方法上都是有区别的。在新设计中应用夹点技术可导致能量和设备投资双节省，降低操作本钱30—50％，节省投资10—20％；在老厂技术改造中可以到达用最少的设备投资回收尽可能多的能量，降低操作本钱20—30％，投资费用1—2年即可得到回收。世界上已有数千家企业的众多工程采用了夹点技术，取得了非常好的经济效益。夹点技术不仅用于节能，而且还可用于增产中解除“瓶颈〞，减少环境污染等。由于夹点技术能取得明显的节能和降低本钱的效果，在各国正日益受到重视。世界上著名的公司郝思特、拜耳、孟山都、杜邦、三菱等都早已采用了夹点技术，有名的大工程设计公司如凯洛格、鲁姆斯、千代田、东洋等都设立了夹点技术组。而且，现在国际上一些大公司在投标时，要求先进行夹点技术分析已成为必要条件。2.2夹点技术根本原理夹点及其形成物流的热特性可以用温—焓图〔T—H图〕来很好的表示。温—焓图以温度T为纵轴，以热焓H为横轴。热物流线的走向是从高温向低温，冷物流线的走向是从低温到高温。物流的热量用横坐标两点之间的距离〔即焓差ΔH〕表示，因此物流线左右平移，并不影响其物流的温位和热量。当一股物流吸入或放出dQ热量时，其温度发生dT的变化，那么dQ=CP·dT(2-1)式中：CP—热容流率，单位为kW/℃。热容流率是质量流率与定压比热的乘积。如果把一股物流从供给温度TS加热或冷却至目标温度TT，那么所传的总热量为：Q=∫CP·dT(2-2)假设热容流率CP可作为常数，那么Q=CP(TT-TS)=ΔH(2-3)这样就可以用温-焓图上的一条直线表示一股冷流被加热〔图2-2(a)〕或一股热流被冷却〔图2-2(b)〕的过程。CP值越大，T-H图上的线越平缓。图中的物流线具有两个特征：一是物流线的斜率为物流热容流率的倒数；另一特征是物流线可以在T-H图上平移而并不改变其对物流热特性的描述。实际上，对于横轴H，我们关注的是焓差—热量。图2-2无相变的物流在T—H图上的标绘在过程工业的生产系统中，通常有假设干股冷物流需要被加热，而又有另外假设干股热物流需要被冷却，在T-H图上，可分别用热复合曲线和冷复合曲线来表示多个热物流和多个冷物流。这就需要分别把各个热物流和冷物流的温焓线合并。〔a〕〔b〕图2-图2-3热流的复合温焓线复合曲线的作法如图2-3所示。设有三股热流，其热容流率分别为A、B、C(kW/℃)，其温位分别为(T1→T3)、(T2→T4)、(T2→T5)，如图2-3(a)所示。在T1到T2温度区间，只有一股热流提供热量，热量值为(T1-T2)(B)=ΔH1，所以这段曲线的斜率等于曲线B的斜率；在T2到T3的温区内，有三股热流提供热量，总热量值为(T2-T3)(A+B+C)=ΔH2，于是这段复合曲线要改变斜率，即两个端点的纵坐标不变，而在横轴上的距离等于原来三股流在横轴上的距离的叠加。即，在每一个温区的总热量可表示为：(2-4)式中：j—第i温区的物流数。照此方法，就可形成每个温区的线段，使原来的三条曲线合成一条复合曲线，如图2-3(b)所示。以同样的方法，也可将多股冷流在温-焓图上合并成一根冷复合曲线。当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将所有的热流合并成一根热复合曲线，所有的冷流合并成一根冷复合曲线，然后将二者一起表示在温-焓图上。系统的冷热复合温焓线说明了系统的热流量沿温位的分布。在温-焓图上，冷、热复合温焓线的相对位置有三种不同的情况，如图2-4所示。图中，A是热复合曲线，B是冷复合曲线。当B处于I位置时，过程中的热量全部没有回收，全部的冷流由加热公用工程加热，全部热流由冷却公用工程冷却，加热公用工程QH1和冷却公用工程QC1的量最大；当B处于II位置时，冷热复合曲线有局部的重叠，即过程中的热量有局部回收，回收的热量为QR2，此时，加热公用工程和冷却公用工程量相对于B处于I处时的情况有所减少，减少的量为QR2；当B处于III位置时，冷热复合曲线在一点完全重合，此时过程中回收的热量最大，为QR3，加热公用工程和冷却公用工程的量最小，分别为QH3和QC3。冷热复合曲线在某点重合时为该系统内部换热的极限，该点的传热温差为零，该点即为夹点。当冷热复合曲线在夹点处重合时，夹点处的传热温差为零，操作时就需要无限大的传热面积，这样既不现实也不经济。但可通过对设备费用和能量费用的技术经济评价确定一个系统最小的传热温差—夹点温差。因此，夹点即为冷热复合温焓线上传热温差最小的地方。图2-图2-4换热系统的集成夹点的意义夹点具有两个特征：一是该处冷、热物流的传热温差最小，刚好等于；另一个特征是该处过程系统的热流量为零。由这些特征，可以理解夹点的意义如下：夹点处热、冷物流间传热温差最小，等于，它限制了进一步回收过程系统的能量，构成了系统用能的“瓶颈〞，假设想增大过程系统的能量回收，减小公用工程负荷，就需要改善夹点，以“解瓶颈〞。夹点处过程系统的热流量为零，从热流量的角度上〔或从温位的角度上〕，它把过程系统分为两个独立的子系统，如图2-5a所示。夹点上方为热阱，只有换热和加热公用工程，没有任何热量流出；夹点下方为热源，只有换热和冷却公用工程，没有任何热量流入。如果在夹点之上热阱子系统设置冷却器，用冷却公用工程移走局部热量，其量为β，根据夹点之上子系统热平衡可知，β这局部热量必然要由加热公用工程额外输入，结果加热和冷却公用工程量均增加了β。同理，如果在夹点之下热源子系统上设置加热器，冷却公用工程量也相应需要增加。如果发生跨越夹点的热量传递α，即夹点之上热物流与夹点之下冷物流进行匹配，那么根据夹点上下子系统的热平衡可知，夹点之上的加热公用工程量和夹点之下的冷却公用工程量均相应增加α，如图2-5b所示。因此，为到达最小加热和冷却公用工程量，夹点方法的设计原那么是：1.夹点之上不应设置任何公用工程冷却器；2.夹点之下不应设置任何公用工程加热器；不应有跨越夹点的传热。夹点位置确实定确定夹点位置的方法主要有两种：T-H图法和问题表法。(a)T-H图法在T-H图上可以形象、直观地表达过程系统的夹点位置。为确定过程系统的夹点，需要给出以下数据：所有过程物流的质量流量、组成、压力、初始温度、目标温度、以及选用的冷热物流间匹配换热的最小允许传热温差。用作图的方法在T-H图上确定夹点位置的步骤如下：1)根据给出的冷、热物流的数据，在T-H图上分别作出热物流组合曲线及冷物流组合曲线。2)热组合曲线置于冷组合曲线的上方，并且让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刚好等于时，该处即为夹点。(b)问题表法当物流较多时，采用复合温焓线很烦琐，且不够准确，此时常用问题表法来精确计算。问题表法的步骤如下：1)以冷、热流体的平均温度为标尺，划分温度区间。冷热流体的平均温度相对热流体，下降，相对冷流体上升，这样可保证在每个温区内热物流比冷物流高。2)计算每个温区内的热平衡，以确定各温区所需的加热量和冷却量，计算式为：〔2-5〕式中：—第i区间所需参加的热量，kW；—分别为该温区内冷、热物流热容流率之和，kW/℃；—分别为该温区的进、出口温度。3)进行外界无热量输入时的热级联计算，即计算外界无热量输入时各温区之间的热通量。此时，各温区之间可有自上而下的热通量，但不能有逆向的热通量。4)为保证各温区之间的热通量≥0，根据第3)步计算结果，确定所需外界参加的最小热量，即最小加热公用工程用量。5)进行外界输入最小加热公用工程量时的热级联计算。此时所得最后一个温区流出的热量，就是最小冷却公用工程用量。6)温区之间热通量为零处，即为夹点。由上述的计算步骤可见，根据问题表可以精确确实定夹点温度、最小加热公用工程和最小冷却公用工程的量，并可看出热流量沿温位的分布。总复合曲线总复合曲线是夹点技术中的另一种重要的工具，它表示系统中的热通量与温位的关系。可以根据问题表中通过每一温位的热通量作出总复合曲线。也可以从冷热复合曲线获得总复合曲线：将冷复合曲线上移半个夹点温差，将热复合曲线下移半个夹点温差，然后再由同温度下两曲线上的横坐标相减即得该温度下总复合曲线的横坐标值。图2-6所示为一总复合曲线，O点即为夹点，该处的热通量为0，夹点之上总复合曲线的终点的焓值为最小加热公用工程用量，夹点之下终点的焓值代表了最小冷却公用工程的用量。在总复合曲线上会出现一些折弯处，例如夹点之上的ABC阴影局部和夹点之下的DEF阴影局部〔这些局部也可称为口袋〕，这都表示在它们相对应的温位范围内的热量或冷量不需要外界的公用工程提供，系统内部换热即可满足，即在该部位系统的局部热源〔或热阱〕可以满足系统的局部热阱〔或热源〕。系统所需要的加热公用工程和冷却公用工程的情况可以通过总复合曲线反映出来，因此根据总复合曲线可以确定系统所需要的公用工程的温位，以及各温位下所需要的公用工程的量，如在T1温位下，只需要600kW的加热公用工程，如果在该温位下供给的加热公用工程的量大于600kW，那么加热公用工程系统的冷流之间的传热温差就小于系统的夹点温差，违背了夹点匹配的原那么，如果小于600kW，那么其差值就需用高一级的公用工程来提供，造成能量的降级损失。同理，假设在T2温位处参加的冷却公用工程的量大于或小于580kW，那么冷却公用工程的配置也不合理。2.3阈值问题并非所有的换热网络问题都存在夹点，只有那些既需要加热公用工程、又需要冷却公用工程的换热网络问题才存在夹点。只需要一种公用工程的问题，称为阈值问题。有些系统，当冷、热复合曲线距离较远时，既需要加热公用工程又需要冷却公用工程，是夹点问题；向左平移冷复合曲线，冷却公用工程消失，只剩下加热公用工程，成为阈值问题，此时的最小传热温差称为阈值温差，记作ΔTTHR。因此，这样的系统属于阈值问题还是属于夹点问题，取决于夹点温差和阈值温差谁大谁小。假设ΔTTHR<ΔTmin，那么属于夹点问题，因为系统不允许温差小于夹点温差；反之，假设ΔTTHR≥ΔTmin，属于阈值问题。对于阈值问题，假设继续左移冷复合曲线，使最小温差小于阈值温差但大于夹点温差，此时加热公用工程总量不再变化，但温位有所变化。夹点问题的公用工程用量随最小传热温差的减小而减少。而阈值问题那么不同，当最小传热温差大于阈值温差时，公用工程用量随最小传热温差的减小而减少；但当最小传热温差小于阈值温差时，公用工程用量将保持不变。对于阈值问题，虽然继续减小传热温差，公用工程用量不变，但这并不意味就不存在能源费用与投资费用之间的权衡。因为传热温差的进一步降低，对于只需要加热公用工程的阈值问题，使一局部加热公用工程的需求温度降低，加热公用工程量的数量不变、温度降低，整个换热过程用损失降低，加热公用工程费用降低。对于只需要冷却公用工程的阈值问题，因为传热温差的降低，使一局部冷却公用工程的需求温度升高，这样，或者可以利用较高的余热产生蒸汽，或者可以减少较低温度冷量的需求，使整个换热过程用损失降低，冷却公用工程费用降低。但此时由于传热温差的降低，使换热面积增加，投资费用增加。所以，仍然存在一个优化的问题。但相对夹点问题，阈值问题换热网络的匹配有更大的灵活性，各换热匹配不受所谓夹点温差的限制，可根据实际情况安排。夹点问题与阈值问题是两种不同类型的换热网络问题，应当采取不同的设计方法。因此，当设计换热网络时，首先要判断其是夹点问题还是阈值问题。如果公用工程用量一直随最小温差的减小而减少，该问题为夹点问题。如果最小温差减小到一定程度后，一种公用工程消失，另一种公用工程不再变化，也不能肯定这就是阈值问题，还要进一步判断。这次的判断是根据最优夹点温差的计算来确定。假设最优夹点温差大于阈值温差，那么表示系统既需要加热公用工程也需要冷却公用工程，为夹点问题；假设最优夹点温差小于或等于阈值温差，那么表示一种公用工程消失，为阈值问题。在阈值问题的换热网络设计中，为了确保只用一种公用工程，应该如下进行设计：对于只需要加热公用工程的阈值问题，可以将其视为只有夹点之上局部，应从低温侧开始设计，以保证较低温度下的热流体的热量能传给冷流体；而对于只需要冷却公用工程的阈值问题，可以将其视为只有夹点之下局部，应从高温侧开始设计，以保证较高温度下的冷流体能从热流体获