利用夹点技术设计换热网络
马连强Ξ郑开学 贺鑫平 高建红 华陆工程科技有限责任公司 西安 710054
摘要 介绍夹点技术的基本概念以及利用夹点技术设计换热网络的原则,列举利用夹点技术设计换热网络过程的实例,并简单介绍换热网络优化方面的基本知识。
关键词 夹点技术 换热网络 设计
夹点技术(Pinch P oint T echn ology)是由Linnhoff为首的英国帝国化学公司(I1C1I)的系统综合小组开发的。这个小组曾在1977～1981年对老厂技术改造及新厂建设的18项工程设计进行了重新设计计算,发现用新的原理设计平均可以节能30%,有的项目不仅可以节能,而且重新安排后节省了投资。1982年美国联碳公司请Linnhoff指导,在一年时间内试算了9个工程实例,结果证明,用这种方法平均可以节能50%,用于老厂技术改造的设备投资一般可以在2～12个月内回收。因而这种技术被认为是成熟的并可以在工业中普遍推广使用。经验证明,采用这种方法在新设计中可节省能源和设备投资,在老厂技术改造中可用较少设备投资回收尽可能多的能量。
1 基本概念
111 TH图
工艺流股的热特性可以用TH图很好地表示出来。当向某冷流股加入热量dQ时,如果温度变化为dT,则可以用式(1)描述:
dQ=W・Cp・dT(1)式中,W为冷流股的质量流量,kg/h;Cp为冷流股的比热,kJ/(kg・℃)。
对于特定的冷流股,如果在温升范围内C p 变化不大,可将W・Cp当成常数,定义为热容流率CP,即:
CP=W・Cp(2)
则式(1)变为:
Q=CP(T T-T S)=ΔH(3)
式中,T T为冷流股的目标温度,℃;T S为冷流股的供给温度,℃。
这样就可以把该冷流股加热的过程用TH图表示出来,如图1所示
。
图1 流股的TH图
流股TH图的斜率为热容流率CP的倒数1/ CP,CP越大,斜率越小,在同样的热负荷下流股的温度变化越小。
当冷流股在温升范围内比热Cp变化显著时,流股的TH图是非线性的,在这种情况下可将温升范围分为若干个比较小的温度区间,在各个温度区间分别画出TH图。
112 曲线
在有多股冷流股被加热的情况下就要用到“组合曲线”来表示。由式(3)可以看到,热负荷只与热焓H的相对值ΔH有关,也就是说,在图1上,T轴是有连续性的,而H轴则只有相对性,TH图可以沿H轴平行移动而效果不变。根据这一特点就可以把多个TH图合并为一根组合曲线,如图2所示。
Ξ马连强:2004年毕业于大连理工大学化学工程专业,获硕士学位。主要从事化工工艺系统设计工作。联系电话:(029) 82238189-3225,E-mail:Malianqiang@1631com。
图2 从TH图到组合曲线
图2表示热容流率分别为A、B和C的三股冷流股如何合并为一根冷组合曲线。在T1与T2温度之间只有一股冷流股吸收热量(T1-T2)・B=ΔH1,所以这一段斜率不变。在T2与T3温度之间有三股冷流股吸收热量(T2-T3)・(A +B+C)=ΔH2,于是组成组合曲线时要改变斜率,即在纵轴上两个端点不变,而横轴上要把原来三股冷流股在H轴上的投影叠加起来,构成组合曲线的第二段。按此方法,即可形成每个温度区间的线段,完成组合曲线。图2中(A)图表示合并前的三条TH图,(B)图表示完成的冷组合曲线。
上述TH图和组合曲线的概念同样适用于热流股。
113 夹点
在利用夹点技术设计换热网络时,要给定一个最小传热温差ΔT min,这是在整个换热网络中所允
许出现的最小传热温差,是进行换热网络设计的前提,最小传热温差ΔT min通常为10～20℃。
把冷组合曲线和热组合曲线表示在一个图上,热组合曲线在左上方,冷组合曲线在右下方,然后沿H轴平移冷组合曲线使之靠近热组合曲线,在这个过程中各部位的传热温差ΔT逐步变小,直到最后某一部位的传热温差ΔT=ΔT
min
。传热温差为ΔT min的位置称为“夹点”,如图3所示。夹点处热流股的温度称为热夹点温度,夹点处冷流股的温度称为冷夹点温度。
图3的物理意义非常明显,对于一个给定的
ΔT
min
,可以找到一个夹点。图的右上角表示至少要由热公用工程提供Q H,min的热量才能将冷流股提高到目标温度,左下角表示至少要由冷公用工程提供Q C,min的冷却量才能将热流股冷却到目标温度,
中间重叠部分表示通过换热最大可回收
图3 TH图上夹点的意义
的热量Q R,max。
2 设计换热网络的原则
通过对图3的分析,可以看到在夹点处可将整个换热网络分解成夹点之上和夹点之下两个子系统,夹点之上的子系统只有外部加热和内部换热,没有任何热量流出,是个”热阱”系统;夹点之下的子系统只有外部冷却和内部换热,没有任何热量流入,是个”热源”系统,如图4
所示。
图4 在夹点处将换热网络分为两个子系统
假如有一定量的热量自热阱系统进入热源系统,根据热量衡算,不但在热阱系统需要多消耗同样量的热公用工程,而且在热源系统也多消耗同样量的冷公用工程;如果在夹点之上的热阱系统设置冷却器,冷却器取出的热量必然要由热公用工程额外输入,这样既浪费了热公用工程,又浪费了冷公用工程,还浪费了设备投资;同样如果在夹点之下的热源系统设置加热器,这部分热量对系统并无好处,还要用冷公用工程来取出,浪费冷、热公用工程的同时还增加了设备投资。
由此我们得出夹点技术设计换热网络的原则为:
(1)不要有跨越夹点的传热。
(2)不要在夹点以上设置任何公用工程冷却
器,这意味着夹点之上所有的热流股都应依靠与冷流股换热达到夹点温度,而冷流股可以用加热器加热到目标温度。
(3)不要在夹点以下设置任何公用工程加热器,这意味着夹点之下所有的冷流股都应依靠与热流股换热达到夹点温度,而热流股可以用冷却器冷却到目标温度。
3 实例
通过一个简单的例子来描述利用夹点技术设计换热网络的过程。
假如一个换热网络有两股热流股和两股冷流股构成,有关参数如表1所示。
表1 流股参数
流股编号
流股类型热容流率(kW/℃)供给温度(℃)目标温度(℃)
1冷210201352热310170603冷410801404
热
115
150
30
311 确定夹点温度及冷、热公用工程消耗
分别完成冷、热组合曲线,
给定ΔT min 为10℃,确定夹点温度及冷、热公用工程消耗,如图5所示。
图5 确定夹点温度以及冷、热公用工程负荷
热夹点温度为90℃,冷夹点温度为80℃,这就意味着温度高于90℃的热流股的热量为可回收热量,不可用冷却器冷却而要用温度高于80℃的冷流股冷却;温度低于80℃冷流股不可
用加热器加热,要用温度低于90℃的热流股加热。同时还可以由图5看到热公用工程最少消耗20kW ,冷公用工程最少消耗
60kW ,最大可回
收热负荷为450kW 。
本设计方法的特点是将系统在夹点处分解,从夹点起始向两头设计,该换热网络分解为两个子系统后如图6所示。
图6 在夹点处分为两个子系统
312 夹点之上子系统的设计
由于在夹点之上不可设置冷却器,这就意味
着所有的热流股均要靠与冷流股换热达到夹点温度,而冷流股则可以靠热公用工程加热到目标温度。从夹点出发,把冷、热流股匹配成换热器,在匹配的过程中需要遵守以下原则:
(1)所有的热流股在夹点处只能和那些热容流率比自己大或相等的冷流股匹配。
(2)最大限度地满足两流股中的一股,
使这一股的热量完全用尽。
(3)在夹点以上要首先满足热流股,因为冷流股不满足可以增设加热器。
根据以上原则设计出的夹点以上换热网络如图7所示。
图7 夹点之上子系统的设计
流股2在夹点之上有240kW 热量需要取出,
正好被流股3所吸收,这只是一种巧合。流股4有90kW 热要求冷却,流股1只能用这部分热量由80℃加热到125℃,还剩下从125℃至135℃的热量(20kW )需要用热公用工程来加热。
