化工系統(tǒng)-第4章夾點(diǎn)

第三篇化工過(guò)程系統(tǒng)的合成設(shè)計(jì)工程師選擇流程系統(tǒng)的組成單元及組合方式，以建立一個(gè)能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)流程方案1960年代后期，由威斯康星大學(xué)Rudd教授提出一套理論和方法，試圖將這個(gè)領(lǐng)域由經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為科學(xué)1970年代以后，十分活躍的新領(lǐng)域，但相對(duì)過(guò)程分析而言仍是一個(gè)發(fā)展得不太成熟的領(lǐng)域換熱網(wǎng)絡(luò)的合成和多組份精餾序列的合成*1

過(guò)程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)：過(guò)程系統(tǒng)分析：對(duì)特定的過(guò)程系統(tǒng)（包括過(guò)程單元和單元間的聯(lián)結(jié)關(guān)系）進(jìn)行分析，確定其各個(gè)部位的屬性和性能指標(biāo)過(guò)程系統(tǒng)綜合：在給定系統(tǒng)輸入、輸出的前提下，確定最優(yōu)的組成系統(tǒng)的單元類型和最優(yōu)的單元間聯(lián)結(jié)關(guān)系的過(guò)程，即確定滿足輸入、輸出要求的最優(yōu)過(guò)程系統(tǒng)的過(guò)程*2綜合模擬優(yōu)化*3分析、優(yōu)化與綜合在過(guò)程設(shè)計(jì)中是不可分隔的綜合可給出系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)；通過(guò)分析則可得到系統(tǒng)的特性；通過(guò)優(yōu)化可得到系統(tǒng)的最佳性能，從而對(duì)綜合的效果進(jìn)行檢驗(yàn)。分析、優(yōu)化得到的信息和概念可用于進(jìn)一步的綜合，以便得到性能更好的系統(tǒng)。過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)是綜合—分析—優(yōu)化—綜合這一交替過(guò)程的總體。*4第4章夾點(diǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)理論夾點(diǎn)技術(shù)：pinchanalysis以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，分析過(guò)程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的“瓶頸”(Bottleneck)所在，并給以“解瓶頸”(Debottleneck)Linnhoff和Umeda提出換熱網(wǎng)絡(luò)中的溫度夾點(diǎn)問(wèn)題1982和1983，Linnhoff換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的夾點(diǎn)技術(shù)，并推廣到過(guò)程系統(tǒng)的能量分析與調(diào)優(yōu)我國(guó)，20世紀(jì)80年代，原油預(yù)熱系統(tǒng)的節(jié)能改造*54.1過(guò)程系統(tǒng)的夾點(diǎn)及其意義4.1.1T-H

圖(溫-焓圖)

(Temperature-Enthalpygraph)W·cp——熱容流率無(wú)相變化的冷物流在T-H圖上的標(biāo)繪*6不同物流在T-H

圖上的標(biāo)繪：*74.1.2組合曲線(Compositecurve)

將系統(tǒng)的物流組合起來(lái)，以便于進(jìn)行過(guò)程的冷、熱物流的合理匹配。組合曲線的構(gòu)造方法：（a）冷物流C1、C2在T-H圖上的標(biāo)繪*8*9組合曲線的構(gòu)造方法：C1和C2首尾相接沿B、C作水平線交于F、E虛擬物流——線段EF表示溫度間隔內(nèi)的C1和C2物流的組合C1C2同一溫度間隔*10例題4-1：三個(gè)冷物流，構(gòu)造組合曲線*114.1.3在T-H圖上描述夾點(diǎn)說(shuō)明：凡是等于P點(diǎn)溫度的熱流體部位和等于Q點(diǎn)溫度的冷流體部位都是夾點(diǎn)夾點(diǎn)兩曲線的垂直距離＝ΔTmin*12夾點(diǎn)描述所得信息：(1)過(guò)程系統(tǒng)最小傳熱溫差，夾點(diǎn)部位傳熱溫差最小;(2)最小的公用工程加熱負(fù)荷QH,min；(3)最小的公用工程冷卻負(fù)荷QC,min；(4)系統(tǒng)最大的熱回收量QR,max；QH,minQC,minQR,maxΔTmin*13(5)夾點(diǎn)將系統(tǒng)分為熱端和冷端熱端在夾點(diǎn)溫度以上，只需要公用工程加熱(熱阱)冷端在夾點(diǎn)溫度以下，只需要冷公用工程冷卻(熱源)熱端冷端*14*15說(shuō)明：適宜的ΔT

min

是總費(fèi)用最低的優(yōu)化值。選用不同的ΔT

min

值對(duì)夾點(diǎn)位置的影響ΔTmin↑，QH,min,QC,min↑，QR,max減小↓*16例4-2蒸汽、壓縮機(jī)功耗為熱公用工程，循環(huán)水為冷公用工程，需外加熱公用工程用量為1500kw，試確定夾點(diǎn)位置*17物流數(shù)據(jù)表熱、冷物流間匹配換熱的最小傳熱溫差ΔT

min=20℃物流物流名稱熱容流率初始溫度終了溫度熱負(fù)荷標(biāo)號(hào)CP/

(kW/℃)Ts/℃

Tt/℃

Q/kWH1

產(chǎn)品22220603520H2

反應(yīng)器出口流股182701601980C1

進(jìn)料20502103200C2循環(huán)流股

501602102500*18（1）熱物流組合曲線CPTsTtQ220603520182701601980*19（2）冷物流組合曲線（3）分別在水平方向移動(dòng)冷、熱物流組合曲線，使它們互相靠攏，直至它們?cè)谀程幍拇怪本嚯x正好等于ΔT

min

70CPTsTtQ20502103200501602102500*20夾點(diǎn)位置確定T/℃H/kW*21夾點(diǎn)位置確定*224.1.4用問(wèn)題表格法確定夾點(diǎn)熱級(jí)聯(lián)：虛擬的結(jié)構(gòu)，同一溫位的物流集中于同一級(jí)，每一級(jí)相當(dāng)于一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)第

k

級(jí)的熱平衡(k=1、2、3、4、…..K)輸出=輸入-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

一過(guò)程系統(tǒng)含有的工藝物流為2個(gè)熱物流及2個(gè)冷物流，數(shù)據(jù)列于下表，并選熱、冷物流間最小允許傳熱溫差△Tmin=20℃,試確定該過(guò)程系統(tǒng)的夾點(diǎn)位置物流

熱容流率

初始溫度

終了溫度

熱負(fù)荷標(biāo)號(hào)CP/

(kW/℃)Ts/℃

Tt/℃

Q/kWH12.015060180.0H28.09060240.0C12.520125262.5C23.025100225.0物流數(shù)據(jù)*24（1）子網(wǎng)絡(luò)分割，得到問(wèn)題表格(1)

問(wèn)題表格(1)△Tmin=20℃子網(wǎng)絡(luò)序號(hào)

冷物流及其溫度

熱物流及其溫度

k

C1

C2/℃H1

H2/℃SN1SN2SN3SN4SN5SN6150145120906012510070402520*25（2）對(duì)子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熱衡算Ok=I

k－D

k

D

k=(∑CPC－∑CPH)(T

k－T

k+1)

k=1，（溫度間隔為150～145℃)D

1=（0－2)×(150－145)=－

10

（負(fù)赤字表示有剩余熱量10kW）I

1=0（無(wú)外界輸入熱量）O1=I

1－D

1=0－(－

10)=10

O1為正值，說(shuō)明子網(wǎng)絡(luò)1(SN1)有剩余熱量供給子網(wǎng)絡(luò)2(SN2)*26k=2，（溫度間隔為145～120℃)D

2=（2.5－2)×(145－120)=12.5

（正號(hào)表示有熱量赤字12.5kW）I

2=O1=10（子網(wǎng)絡(luò)1(SN1)的剩余熱量供給了子網(wǎng)絡(luò)2(SN2)）O2=I

2－D

2=10－12.5=－2.5O2為負(fù)值，說(shuō)明子網(wǎng)絡(luò)2(SN2)只能向子網(wǎng)絡(luò)3(SN3)提供負(fù)的剩余熱量（即需要子網(wǎng)絡(luò)3向子網(wǎng)絡(luò)2供給熱量，但這是不可能的）*27k=6，（溫度間隔為25～20℃)D

6=2.5×(25－20)=12.5

（正號(hào)表示有熱量赤字12.5kW）I

6=O5=－55（子網(wǎng)絡(luò)5(SN5)無(wú)剩余熱量供給子網(wǎng)絡(luò)6(SN6)）O6=I

6－D6=－55－12.5=－67.5O6為負(fù)值，說(shuō)明子網(wǎng)絡(luò)6(SN6)熱量不夠，無(wú)法達(dá)到規(guī)定的傳熱要求*28（3）根據(jù)熱衡算結(jié)果，繪制問(wèn)題表格（2）

子網(wǎng)絡(luò)赤字熱量/kW無(wú)外界輸入熱量熱量/kW外界輸入最小熱量

序號(hào)Dk/kWIk

Ok

Ik

Ok

問(wèn)題表格(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）熱級(jí)聯(lián)*30過(guò)程分析：消除I或O

負(fù)值的方法：引入公用工程加熱負(fù)荷使：I1=各子網(wǎng)絡(luò)中最小負(fù)數(shù)的絕對(duì)值(107.5)得：O3=0夾點(diǎn)處，SN3與SN4之間的熱流量為0I1=QH,min＝107.5

kW（最小公用工程加熱負(fù)荷）O6=Qc,min＝40kW（最小公用工程冷卻負(fù)荷）

夾點(diǎn)特征：夾點(diǎn)處系統(tǒng)傳熱溫差最小，等于ΔT

min；夾點(diǎn)處熱流量等于0*31說(shuō)明：

夾點(diǎn)介于子網(wǎng)絡(luò)3(SN3）和子網(wǎng)絡(luò)4(SN4)之間，夾點(diǎn)處熱流體溫度90℃，冷流體溫度70℃，夾點(diǎn)溫度可以用該界面的虛擬溫度來(lái)代表：界面虛擬溫度=（90+70）/2=80℃*32若改變最小傳熱溫差ΔT

min＝15℃，則結(jié)果如下：

問(wèn)題表格(1)△Tmin=15℃子網(wǎng)絡(luò)序號(hào)冷物流及其溫度熱物流及其溫度

k

C1

C2℃H1

H2123456150140115906012510075452520*33

子網(wǎng)絡(luò)赤字熱量/kW無(wú)外界輸入熱量熱量/kW外界輸入最小熱量

序號(hào)Dk/kWIk

Ok

Ik

Ok

問(wèn)題表格(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選用不同△Tmin

值計(jì)算結(jié)果的比較夾點(diǎn)位置/℃

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

熱物流冷物流*354.1.5夾點(diǎn)的意義（1）夾點(diǎn)處，系統(tǒng)的傳熱溫差最?。?ΔT

min），系統(tǒng)用能瓶頸位置；（2）夾點(diǎn)處熱流量為0，夾點(diǎn)將系統(tǒng)分為熱端和冷端兩個(gè)子系統(tǒng)，熱端在夾點(diǎn)溫度以上，只需要公用工程加熱（熱阱），冷端在夾點(diǎn)溫度以下，只需要公用工程冷卻（熱源）；（3）在一定的ΔT

min下，確定了系統(tǒng)最小的公用工程加熱負(fù)荷QHmin

和系統(tǒng)最小的公用工程冷卻負(fù)荷QCmin，以及系統(tǒng)最大的熱回收量QR,max

；*36(1)熱量不能通過(guò)夾點(diǎn)(2)夾點(diǎn)上方不能設(shè)置公用工程冷卻(3)夾點(diǎn)下方不能設(shè)置公用工程加熱系統(tǒng)具有最低公用工程消耗（最大熱回收）的原則：

夾點(diǎn)上方

熱阱

夾點(diǎn)下方

熱源夾點(diǎn)QH,min+xQC,min+xx

夾點(diǎn)上方

熱阱

夾點(diǎn)下方

熱源QH,min+yQC,miny0

夾點(diǎn)上方

熱阱

夾點(diǎn)下方

熱源QH,minQC,min+zz0*37*384.2過(guò)程系統(tǒng)夾點(diǎn)位置的確定4.2.1準(zhǔn)確地確定夾點(diǎn)位置—操作型夾點(diǎn)計(jì)算操作型（模擬型）夾點(diǎn)計(jì)算：確定現(xiàn)有過(guò)程系統(tǒng)中熱流量沿溫度的分布，熱流量等于零處即為夾點(diǎn)。（1）采用單一的ΔTmin（或HRAT，HeatRecoveryApproachTemperature）來(lái)確定夾點(diǎn)位置

*39③修正ΔTm