换热网络与夹点技术

利用夹点技术对精馏系统换热网络的调优分析!赵峭梅"郭延红"张理平"付峰"郭莉#陕西省化学反应工程重点实验室"陕西延安$%&’’’(摘要)利用夹点技术对永坪炼油厂%’’万吨*年常压蒸馏装置换热网络进行了调优分析"找出了节能方面存在的问题"为进一步采取节能措施和途径提供了依据+关键词)夹点技术,精馏,节能中图分类号)-.’/%01文献标识码)2文章编号)%’’34&’/5#/’’/(’64’’3&4’6在炼油厂中"主要的单元操作是精馏"精馏是分离液体混合物最常用的方法"也是化学工业中最大的耗能操作+在生产中既需要加热公用工程"又需要冷却公用工程"如何合理利用能源"降低生产成本"意义重大+为此"我们利用夹点技术对延安永坪炼油厂年产%’&7常压蒸馏装置的换热网络进行了调优分析"建立了换热网络图"找出了换热网络的薄弱环节"为进一步优化组合提供了依据+%夹点技术理论及换热网络的合成%0%夹点理论8%9/:对于一个化工系统"当有多股热流和多股冷流进行换热时"可将所有的热流合并成一根热复合曲线"所有的冷流合并成一根冷复合曲线"然后将两者一起表示在温;焓图上"夹点即为在温;焓图上冷<热复合曲线在某点重合时系统内部换热的极限"重合点的传热温差为零"该点即为夹点+在夹点温差为零下操作"需要无限大的传热面积"可以通过技术经济评价而确定一个系统最小的传热温差;夹点温差"因此"夹点可以定义为冷<热复合温焓线上传热温差最小的地方+为了达到系统过程节能的目的"夹点理论的设计原则是)#%(夹点之上不应该设置任何共用工程冷却器, #/(夹点之下不应该设置任何共用工程加热器,#6(不应有跨越夹点的传热+夹点的出现将整个换热网络分成了两个部分)夹点之上与夹点之下"夹点之上是热端"只有加热和换热公用工程"没有任何热量流出"可以看作是一个热阱,夹点之下是冷端"只有换热和冷却公用工程"没有任何热量流入"可以看作是一个热源,夹点处热流量为零+%0/换热网络的合成在换热网络的合成中"需要考虑各种物流匹配"在夹点处物流匹配受的限制最多"因此首先考虑夹点处的物流匹配"即合成过程从夹点开始"将换热网络分成夹点上<下两部分"分别向两头进行物流间的匹配换热+夹点技术设计准则)%0/0%物流数目准则夹点将网络分成热端和冷端"对于热端来说热物流只能用冷物流来冷却"而不应有任何冷却器"这意味着"所有的热物流均要靠同冷物流换热达到夹点温度"而冷物流可以用公用工程加热器加热到目标温度+因此"每股热流均要有冷流匹配"即夹点以上的热流数目=>应小于或等于冷流体数目=?)夹点之上=>@=?#%(如果实际物流数目不能满足上述准则"则应通过分流来增加冷流数目+同理"在夹点之下"为保证每股冷流都被匹配"应有)夹点之下=>A=?#/(!收稿日期)/’’/9%’9/’基金项目)陕西省化学反应工程重点实验室资助项目#’’B C’6(作者简介)赵峭梅#%D3D;("女"陕西延安市人"延安大学副教授+万方数据如果实际物流不能满足上述准则!则应通过分流来增加热流数目"#$%$%热容流率准则本准则适用于夹点处的匹配"夹点处的温差&’()*是网络中的最小温差!为保证各换热匹配的温差始终不小于&’()*!要求夹点处匹配的物流的热容流率+,-./0满足以下准则1夹点之上2345232678夹点之下23492326:8%永坪炼油厂精馏系统实况为了简明表示延安市永坪炼油厂的换热情况!我们将实际的工艺过程绘制成换热网络图!如图#所示"图#换热网络栅格图网络栅格图中的原始数据取于永坪炼油厂!每一条水平线代表一股物流!箭头指向右端的是热流!箭头指向左端的是冷流;左端是高温区!右端是低温区"箭头末尾的温度是物流的起始温度!箭头边的温度是目标温度"<表示加热器!=表示冷却器!两个由一条竖线连接的小圆圈表示一个换热器!圆圈所在的两股物流即为进行换热的冷热流体"垂直的虚线表示夹点的位置!线旁的温度即为夹点温度!热冷端温度相差&’()*"7问题表法当物流较多时!采用复合温焓线较为繁琐!且结果不够准确!此时常采用问题表法来准确计算"步骤如下16#8先将九股热流流体的温度6包括起始与目标温度8从大到小排列!同样将冷流体温度从大到小排列;6%8然后将热>冷流体温度统一相混!从大到小排列;678以冷>热流体的平均温度为标尺+即冷>热流体的平均温度相对热流体下降?@个夹点温差6&’()*.%8!相对于冷流体上升?@个夹点温差6&’()*.%80"划分温度区间"A 股热流有#B 个温度!:股冷流有B 个温度!但因目标温度出现了7个C D/!故应有%:个从大到小的冷热流体的平均温度!构成%7个温区"6:8计算每个温区的热平衡!以确定每个温区热量的余或亏!计算式为1&4E F 6G H I H JG H I K86L EJ L E M #8式中若&K E 为负值表示该温区有剩余热量!,N;G H I H !G H I K 分别为该温区内冷>热物流热容流率之和!,N./;L E !L E M #!分别为该温区的进>出口温度"第一温区输出热量等于第二温区输入热量!依次类推直至最后一个温区"6C 8从计算结果知!从第C 温区到第O 温区之间热通量为零!此处即为夹点6温度为%%:/8!夹点以上所亏热量共计P %A #Q D ,N !并且第一温区就出现了热量的亏缺!因此该P %A #Q D ,N 热量需用加热公用工程从第一温区补入"问题表如表#所示"6O 8依次类推!最后一个温区的热通量输出应为%B #Q P ,N !则确定最小冷却公用工程用量为%B #Q P ,N "A :第7期赵峭梅!等1利用夹点技术对精馏系统换热网络的调优分析万方数据表!问题表温区!温区"温区#温区$温区%温区&温区"##&###&"’""&("$(""$"!)###"物流亏缺热量*+,积累热量*+,热通量*+,输入输出输入输出"%%-.(&(/"%%-.(&’"-!.($)$’#!.-))#!"(.&$/"%%-.(&/%&’-.’$’#!.-))!&!!.#$)$&-.)$$/%&’-.’/&!$-.%$$!&!!.#$)!!$!.%($/!--.%"/&!$-.%$$/%-%(.("$!!$!.%($!#$!.("$!#$!.("$/%-%(.("$/’"-!.()$!#$!.("$(/&%.)%&/’"-!.()$/’""%.!-"(&%.)%&00/!-.&&/’("-.(!&/’((-.#%&"&".(#"")!.&-"!据问题表法所得之夹点1用试差法求夹点温差如表"所示表"试差结果表23456*7夹点平均3*7最小加热工程量*+,最小冷却工程量*+,!$无’"-%."(!%""#.%’’#!.($)"&$."&-!&""$’"-!.($)")!.&-"!)!)-’’’#.%&%)%.(-!"(""&’)(#.#)&’((.%&&"$""))!"-#!%#.-")从视差结果可知128456为!&7时1所需公用加热工程量最小1为’"-!9($)+,1则夹点温差确定为!&7:$结论根据以上夹点技术的计算结果及配合栅格图1对永坪炼油厂!(&8*年常压蒸馏装置换热系统设计进行详细的调优分析1得出以下结论;<!=根据夹点设计准则1应在夹点之上>?@>A 夹点之下>?B >A 1但在夹点上热流股数大于冷流股数1使得冷却工程用量和加热工程用量同时增大1夹点之下符合原则:<"=经校正本厂换热网络没有跨越夹点的换热器存在1且夹点之上无任何冷却工程及夹点之下无加热工程:说明在设计时充分考虑到了节能问题:<#=根据夹点设计原则1需夹点处匹配的物流的热流率满足;夹点之上C D ?@C D C 1夹点之下C D ?B C D C :校正后发现夹点之上符合此原则E 夹点之下所有热流都和原油换热1由于在物流中原油的C D 值最大1所以全都违反了此原则1这样能量就没有充分利用1也没有符合每一次匹配:<$=此换热网络在设计中形成了众多回路1而没有考虑到回路合并问题1致使换热器台数增加1操作费用增大F $G :<%=现行流程中所用冷热公用工程用量与计算结果比较;H 现行热公用工程I)))#9(#(+,H 计算所得加热工程I’"-!9($)+,H 现行冷公用工程I$(!’9!’-+,H 计算所得冷公用工程I")!9&-"+,由以上计算和比较可以看出1永坪炼油厂!(&8*年常压蒸馏装置的换热系统还有进一步改造达到最大限度的节能因素:参考文献;F !G 冯宵1李勤凌编著.化工节能原理与技术F J G.北京;化学工业出版社!--);!’$/!)#.F "G 倪进方.化工过程设计F J G .北京;化学工业出版社1!---.!&&.F #G 李淑培.石油加工工艺学<上册=F J G.北京;中国石化出版社1!--!."#/#$.F $G 冷一欣1钱三鸿.重油催化裂化装置换热网络的改进设计F KG .炼油设计1!--’1"’<%=;$’/%(.L 责任编辑徐文梅MN O O P Q R S T Q U VU W T X Y O Q V R X T Y R X V U P U Z [\Y ]Q Z V ]S V \R X Y R ^]T _S V ]W U _‘Q V ZX Y S T Q V Z‘Y ]XU W _Y R T Q W [Q V Z][]T Y ‘a b c d H 5e f g 4h 51i j d k e 6g ?f 6l 1a b c >i m 5g n 56l 1o j o h 6l 1i j d m 5<D p f q 56A 5e r s h tm e u f p e 8f p tf v C ?h 45A e r w h e A 85f 6x 6l 56h h p 56l 1k e 6e 6j 65q h p y 58t 1k e 6e 6’!&(((1C ?56e =N z S ]T _S R T ;3?5y n e n h p{y h y 8h A ?6f r f l t f vn 56A ?e 6|A ?h A +y 8p e 6y v f p 456l ?h e 856l y t y 8h 4f v6f p 4e re 84f y n ?h p h|5y 85r r e 85f 6}?5A ?e 66{e r r tf {8n {8!1(((1(((8f 6y e 8k f 6lD 56lf 5r p h v 56h p t .~8v 56|y f {88?hn p f u r h 4f v h 6h p l ty e q 56le y n h A 8e 6|n p f q 5|h y 4h 8?f |y v f p 8?h h 6h p l ty e q 56l.!Y ["U _\];D 56A ?3h A ?6f r f l t E p h A 85v 5A e 85f 6E h 6h p l ty e q 56l(%延安大学学报<自然科学版=第"!卷万方数据。

夹点技术（下）换热网络设计详细教程（附Aspen源程序文件）本教程以丙烯环氧化工段为例对换热网络的夹点设计过程进行详细说明，模拟的源文件来源于某一届化工设计大赛国赛特等奖作品。

本教程重在过程，夹点的原理已在本人的夹点技术原理与应用一文进行了详细介绍，因此本文不再进行解释说明。

另本教程参考了熊杰明老师及包宗宏老师的相关书籍，大家有什么不懂可以买来参考。

有兴趣学习的同学可以在本文文末获取Aspen源程序文件。

下面正式开始介绍使用Aspen Energy Analyzer进行换热网络设计的过程。

1、修改单位在进行设计之前，根据需要我们可以对单位进行修改，修改的方法具体为T ools/Preference/Variables/Variables/Units/Available Unit Sets页面下选用或者修改单位集。

本例采用默认的单位集。

2、数据导入本例采用直接从Aspen plus的模拟文件导入的方法，具体过程如下：（1）首先新建一个热集成文件，即点击Creat New HI Case创建新文件，出现如图的界面图1 新建文件其中上面的图标表示的含义从左往右依次是：从Hysys流程中导入数据、从Aspen流程中导入数据、从Excel中导入数据、打开目标查看窗口、打开复合曲线窗口、打开总复合曲线窗口、打开公用工程复合曲线窗口、打开换热网络网格图窗口。

（2）从Aspen流程中导入数据图2 从Aspen流程中导入数据图3 数据导入在左侧的Steps栏中，是导入的具体步骤，每一步都有相应的提示，从上往下步骤依次为选择文件类型，公用工程文件，模拟文件，经济文件、设定详细的选项、选择流程、改变公用工程或添加公用工程、选择加热器的公用工程、选择冷却器的公用工程、选择换热器的经济数据。

在右下角中的Tips中会提示你提供的模拟文件必须收敛，没有错误等等，有兴趣的可以将此提示看看，此处不再详细介绍。

点击“Next”，选择文件的路径。

夹点技术原理及其在换热网络优化中的应用夹点技术原理及其在换热网络优化中的应用工093 林媛10091707摘要：能源危机的到来，节能降耗已是大势所趋。

夹点技术是换热网络、水网络优化最实用的节能技术。

本文主要介绍了夹点技术的基本原理以及近几年在工程设计中的广泛应用和良好前景。

关键词：夹点技术；换热网络；过程工程；节能系统1 前言能源与人类文明和社会的发展一直紧密地联系在一起，是社会发展的物质基础。

在当今的世界上，能源问题更是渗透到社会生活的各个方面，直接关系到整个社会经济发展和人们物质文化生活水平的提高。

随着能源危机日益加深，过程集成方法成为热点话题，而夹点技术以其独有的实用、简单、直观和灵活?的优点正在被广泛使用，经过20多年的发展，夹点技术已从热回收的特殊工具发展成为一种卓有成效的过程设计方法，它是过程系统综合的强有力方法，其研究和应用对促进企业技术进步、增加经济效益、提高竞争能力等都有重大意义，在我国的工业和企业中有着广阔的应用前景。

夹点技术(Princh T echnology，pinch又译作窄点、狭点、挟点)是英国Bodo Linnhoff 教授等人于70年代末提出的换热网络优化设计方法，后来又逐步发展成为化工过程综合的方法论。

夹点技术是能量回收系统分析的重大突破，80年代以来夹点技术在欧洲、美国、日本等工业发达国家迅速得到推广应用，现已成功地用于各种工业生产的连续和间歇工艺过程，应用领域十分广阔，在世界各地产生了巨大的经济效益。

2 夹点技术基本原理工艺过程存在多股冷、热物流，过程综合就是要设计出能使冷热物流充分换热以尽可能回收热量，并同时满足投资费用、可操作性等方面的约束条件的过程系统。

夹点技术是以化工热力学为基础，以经济费用为目标函数，对换热网络的整体进行优化设计。

优化过程包括冷热物流之间的匹配，冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中一些分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的i维权衡。

换热网络夹点技术
换热网络夹点技术是一种应用于传热系统中的先进技术，用于改善传热系统的效率和可靠性。

它可以提高传热效率，减少发动机失速，保证系统安全运行。

有效的换热器夹点技术可以使系统效率提高20％以上。

换热网络夹点技术具有多种优点，其中最为显著的一点就是可以提高系统效率。

在汽车发动机或空调系统中，采用这种技术可以有效提高汽车的加速和降温能力，从而提高系统的可靠性和性能。

此外，换热网络夹点技术还可以降低系统的抗冲击能力，提高系统可靠性，这将有助于降低故障概率。

换热网络夹点技术的安装和维护也相对简单，因为它不需要复杂的设备和工具，也不需要大量的电力和特殊的材料。

在安装过程中，只需根据设备的指示和规定，将整个换热网络以及换热网络夹点的部件连接起来，这样就可以保证系统的可靠性和性能。

换热网络夹点技术的缺点也不容忽视，其中最大的缺点是成本较高。

换热网络夹点技术设备需要专门设计与深入研究，而且施工也相对复杂，价格成本高，考虑到这些因素，使用这种技术可能会带来投资回报期较长的问题。

总而言之，换热网络夹点技术是一种先进而有效的技术，可以提高传热系统的可靠性和性能，但也会带来一定的成本。

在决定是否使用这种技术时，应该考虑到设备价格、系统成本和可靠性等因素，并根据实际情况形成合理的决策。

)(s t p T T Wc Q H -==∆利用夹点温度合成换热网络摘要：化工生产中存在着大量的需要换热的工段，有些需要加热，有些需要冷却或冷凝。

如果能够合理地设计好换热网络系统，就可以最大限度地减少公共供热或供冷，而且还可能减少设备投资，达到节能的目的。

夹点技术（Pinch Technology ）是合成换热网络常用的综合设计技术。

利用该技术设计合成公共供热或供冷最小的换热网络，在降低能耗，减少投资，保护环境等方面成效显着。

关键词：夹点技术、夹点的确定及意义、换热网络合成1.夹点技术夹点技术是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统的用能“瓶颈”所在，并给以“解瓶颈”的一种方法。

夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收。

用夹点技术设计合成的换热网络，可推广应用于整个过程系统的能量分析与调优。

目前，夹点技术在实际中应用广泛，取得较好的成效。

我国高校，设计部也已将夹点分析方法用于原油预热系统的节能改造，取得满意效果。

1.1温焓图用温焓图（T-H 图）能够简单明了地描述过程系统中换热网络中物流的热特性。

在温焓图上可以用一段线段或曲线描述物流的换热过程。

例如，当某一工艺物流从供应温度Ts加热或冷却到目标温度Tt,其所需的热量或冷量（该过程的焓差）为 式中，W 为质量流率kg/h;Cp 为比热容,kJ/kg.K;由此，就可在温焓图中画出表示物流温度及热量的变化的直线。

若Q 为负值，表示物流被冷却，需要冷量，在图中的直线为有一条箭头指向左下方的直线；若Q 为正值，表示物流被加热，需要热量，在图中的直线为有一条箭头指向右上方的直线。

若为一水平线，则表示为饱和物质流体的焓变，过程中温度保持不变。

若为曲线，则表示为多组分物质流体的热量变化。

1.2组合曲线在一个过程系统中，会有多股热物流和冷物流，在研究过程中，常常把多股物流在温焓图中有机结合在一起，同时考虑冷热物流的匹配换热问题，这样才更有意义。