化工節(jié)能原理與技術(shù)10

化工節(jié)能原理與技術(shù)102024/3/29化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.1緒論4.1.1過程系統(tǒng)節(jié)能的意義節(jié)能工作的發(fā)展過程：第一階段：“撿浮財”階段，主要表現(xiàn)在回收余熱；第二階段：單個設(shè)備的節(jié)能，采用多效、熱泵技術(shù)等；第三階段：過程系統(tǒng)節(jié)能，采用夾點(diǎn)技術(shù)。夾點(diǎn)技術(shù)以整個系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，優(yōu)于只考慮局部而不考慮整個系統(tǒng)的節(jié)能方案2化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.1緒論4.1.2夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用范圍及其發(fā)展夾點(diǎn)技術(shù)適用于過程系統(tǒng)的設(shè)計和節(jié)能改造；過程工業(yè)是以處理物料流和能量流為目的的行業(yè)過程工業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)：工藝過程子系統(tǒng)、熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和蒸汽動力公用工程子系統(tǒng)3化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.1緒論4.1.2夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用范圍及其發(fā)展夾點(diǎn)技術(shù)適用于過程系統(tǒng)的設(shè)計和節(jié)能改造；過程工業(yè)是以處理物料流和能量流為目的的行業(yè)過程工業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)：工藝過程子系統(tǒng)、熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和蒸汽動力公用工程子系統(tǒng)工藝過程子系統(tǒng)由反應(yīng)器、分離器等單元設(shè)備組成的生產(chǎn)流程熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)是由換熱器、加熱器、冷卻器組成的系統(tǒng)蒸汽動力公用工程子系統(tǒng)是指為生產(chǎn)過程提供各種級別的蒸汽和動力的子系統(tǒng)4化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)5化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.1緒論4.1.2夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用范圍及其發(fā)展夾點(diǎn)技術(shù)最初源于熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化集成發(fā)展為包括熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和蒸汽動力公用工程子系統(tǒng)的總能系統(tǒng)6化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.1溫-焓圖和復(fù)合曲線熱物流線的走向是從高溫到低溫，冷物流線的走向是從低溫到高溫吸入或放出dQ熱量所傳的總熱量CP為熱容流率7化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.1溫-焓圖和復(fù)合曲線熱物流線的走向是從高溫到低溫，冷物流線的走向是從低溫到高溫8化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.1溫-焓圖和復(fù)合曲線對多股物流，合并成一根熱復(fù)合曲線9化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.1溫-焓圖和復(fù)合曲線對多股物流，合并成一根熱復(fù)合曲線復(fù)合曲線要改變斜率，即兩個端點(diǎn)的縱坐標(biāo)不變，在橫軸上的距離等于多股熱流在橫軸上的距離的迭加10化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.2夾點(diǎn)的形成冷熱復(fù)合曲線的相對位置有三種不同的情況11化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.2夾點(diǎn)的形成夾點(diǎn)：冷、熱復(fù)合曲線在某點(diǎn)重合時該系統(tǒng)內(nèi)部換熱達(dá)到極限，重合點(diǎn)的傳熱溫差為零，該點(diǎn)即為夾點(diǎn)；夾點(diǎn)溫差：冷、熱復(fù)合曲線上傳熱溫差最小的地方夾點(diǎn)溫差為零時操作需要無限大的傳熱面積12化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.2夾點(diǎn)的形成夾點(diǎn)：冷、熱復(fù)合曲線在某點(diǎn)重合時該系統(tǒng)內(nèi)部換熱達(dá)到極限，重合點(diǎn)的傳熱溫差為零，該點(diǎn)即為夾點(diǎn)；夾點(diǎn)溫差：13化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.3問題表法（1）以冷、熱流體的平均溫度為標(biāo)尺，劃分溫度區(qū)間。（2）計算每個溫區(qū)內(nèi)的熱平衡，以確定各溫區(qū)所需的加熱量和冷卻量。（3）進(jìn)行熱級聯(lián)計算。（4）溫區(qū)之間熱通量為零處，即為夾點(diǎn)。14化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.3問題表法15化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.3問題表法16化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.4夾點(diǎn)的意義夾點(diǎn)是冷熱復(fù)合曲線中傳熱溫差最小的地方，此處熱通量為零；夾點(diǎn)之上是熱端，只有換熱和加熱公用工程；夾點(diǎn)之下是冷端，只有換熱和冷卻公用工程夾點(diǎn)方法的設(shè)計原則是：（1）夾點(diǎn)之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器；（2）夾點(diǎn)之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器；（3）不應(yīng)有跨越夾點(diǎn)的傳熱17化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.2夾點(diǎn)的形成及其意義4.2.4夾點(diǎn)的意義18化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標(biāo)4.3.1能量目標(biāo)能量目標(biāo)是指最小加熱公用工程量和最小冷卻公用工程量；能量目標(biāo)隨夾點(diǎn)溫差而變（縮小夾點(diǎn)溫差）4.3.2換熱單元數(shù)目目標(biāo)面積對費(fèi)用的影響不如換熱器臺數(shù)的影響大；換熱器費(fèi)用與換熱面積的關(guān)系可能分離成不相關(guān)子系統(tǒng)不能分離成不相關(guān)子系統(tǒng)19化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標(biāo)4.3.2換熱單元數(shù)目目標(biāo)整個換熱網(wǎng)絡(luò)作為一體對待時的最小換熱單元數(shù)目20化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標(biāo)4.3.3換熱網(wǎng)絡(luò)面積目標(biāo)物流按純逆流垂直換熱時的近似面積目標(biāo)，即在冷熱復(fù)合溫焓圖上計算各區(qū)間垂直傳熱所需傳熱面積，然后相加而得。21化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標(biāo)4.3.3換熱網(wǎng)絡(luò)面積目標(biāo)物流按純逆流垂直換熱時的近似面積目標(biāo)，即在冷熱復(fù)合溫焓圖上計算各區(qū)間垂直傳熱所需傳熱面積，然后相加而得。第i區(qū)段的換熱面積換熱網(wǎng)絡(luò)的總面積22化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標(biāo)4.3.4經(jīng)濟(jì)目標(biāo)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)有能量費(fèi)用目標(biāo)、設(shè)備投資費(fèi)用目標(biāo)和總年度費(fèi)用目標(biāo)。能量費(fèi)用目標(biāo)換熱設(shè)備投資費(fèi)用總費(fèi)用目標(biāo)23化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標(biāo)4.3.5最優(yōu)夾點(diǎn)溫差的確定夾點(diǎn)溫差越小，熱回收量越多，則所需的加熱和冷卻公用工程量越少存在一個使總費(fèi)用最小的夾點(diǎn)溫差。24化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標(biāo)4.3.5最優(yōu)夾點(diǎn)溫差的確定夾點(diǎn)溫差越小，熱回收量越多，則所需的加熱和冷卻公用工程量越少最優(yōu)夾點(diǎn)溫差的確定方法：（1）根據(jù)經(jīng)驗確定。換熱器材質(zhì)價格較高時，可取較高的夾點(diǎn)溫差；對冷凍換熱系統(tǒng)，可取較小的夾點(diǎn)溫差。（2）在不同的夾點(diǎn)溫差下，綜合出不同的換熱網(wǎng)絡(luò)，選取總費(fèi)用最低的網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的夾點(diǎn)溫差。（3）在網(wǎng)絡(luò)綜合之前，依據(jù)冷熱復(fù)合溫焓線，通過數(shù)學(xué)優(yōu)化估算最優(yōu)夾點(diǎn)溫差25化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標(biāo)4.3.5最優(yōu)夾點(diǎn)溫差的確定夾點(diǎn)溫差越小，熱回收量越多，則所需的加熱和冷卻公用工程量越少最優(yōu)夾點(diǎn)溫差的確定方法：（1）根據(jù)經(jīng)驗確定。換熱器材質(zhì)價格較高時，可取較高的夾點(diǎn)溫差；對冷凍換熱系統(tǒng)，可取較小的夾點(diǎn)溫差。（2）在不同的夾點(diǎn)溫差下，綜合出不同的換熱網(wǎng)絡(luò)，選取總費(fèi)用最低的網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的夾點(diǎn)溫差。（3）在網(wǎng)絡(luò)綜合之前，依據(jù)冷熱復(fù)合溫焓線，通過數(shù)學(xué)優(yōu)化估算最優(yōu)夾點(diǎn)溫差26化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計準(zhǔn)則（1）物流數(shù)目準(zhǔn)則夾點(diǎn)之上夾點(diǎn)之下27化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計準(zhǔn)則（1）物流數(shù)目準(zhǔn)則如果實(shí)際系統(tǒng)中物流數(shù)目不能滿足上述準(zhǔn)則，則應(yīng)通過將物流人為地分流來滿足該準(zhǔn)則。28化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計準(zhǔn)則（1）物流數(shù)目準(zhǔn)則遠(yuǎn)離夾點(diǎn)處，只要溫差許可，物流可逐次進(jìn)行匹配，不必遵守該準(zhǔn)則。29化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計準(zhǔn)則（2）熱容流率準(zhǔn)則如果夾點(diǎn)處的實(shí)際物流不能滿足該準(zhǔn)則，就應(yīng)通過分流來減少夾點(diǎn)之上所需匹配的熱流的熱容流率或夾點(diǎn)之下所需匹配的冷流的熱容流率。夾點(diǎn)之上夾點(diǎn)之下30化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計準(zhǔn)則（2）熱容流率準(zhǔn)則離開夾點(diǎn)后，由于物流間的傳熱溫差都增大了，就不必遵守該準(zhǔn)則。31化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計準(zhǔn)則（3）最大換熱負(fù)荷準(zhǔn)則為保證最小數(shù)目的換熱單元，每一次匹配應(yīng)換完兩股物流中的一股。32化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.2初始網(wǎng)絡(luò)的生成初始網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是最大熱回收網(wǎng)絡(luò)，即具有最小公用工程（能量目標(biāo)；而不是換熱單元數(shù)目目標(biāo)）。33化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.2初始網(wǎng)絡(luò)的生成初始網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是最大熱回收網(wǎng)絡(luò)，即具有最小公用工程（能量目標(biāo)；而不是換熱單元數(shù)目目標(biāo)）。34化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點(diǎn)技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.4閾值問題只需要一種公用工程的