夾點技術(shù)的發(fā)展及基本原理

第二章夾點技術(shù)的發(fā)展及基本原理2.1夾點技術(shù)的發(fā)展歷史圖2-1洋蔥模型一個典型的化工過程系統(tǒng)包括以下三個組成部分：反應(yīng)分離部分、換熱部分和公用工程部分，其設(shè)計過程可用圖2-1所示的“洋蔥模型”來表示。在以往的設(shè)計中，各個部分間的設(shè)計是相對獨立的，如分離部分給公用工程部分提出了所需的熱量以及溫度，而公用工程部分則把分離部分提出的需求當(dāng)作是不能改變的，因此，各部分之間是機(jī)械地結(jié)合在一起，沒有形成一個有機(jī)的整體，所以，各部分的用能狀況的考慮只局限于各自的子系統(tǒng)，而沒有放入整個系統(tǒng)中對照，這樣必然會造成許多不合理的能量使用狀況。雖然當(dāng)時也有人意識到了這種情況，但由于過程系統(tǒng)過于復(fù)雜，能源價格并不算昂貴，沒有條件，也沒有壓力來完成這項任務(wù)。隨著資源的相對匱乏特別是能源危機(jī)以及對環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，對化工過程的設(shè)計提出了更高的要求，要求資源高效利用，能量消耗最少以及實現(xiàn)污染排放物最小。這使得設(shè)計的過程單元與單元之間的聯(lián)系更加密切，系統(tǒng)的信息含量越來越多，反映在裝置上即為其集成度越來越高。過程集成即是在這種背景下所產(chǎn)生的一個新的研究方向，因此，過程集成最終目標(biāo)是使得設(shè)計的過程效率最高一圖2-1洋蔥模型從廣義上講，過程集成技術(shù)產(chǎn)生的內(nèi)在因素是過程系統(tǒng)工程發(fā)展到一定程度，在過程模擬、過程綜合、過程的熱力學(xué)第二定律分析及過程改造等分支研究內(nèi)容基礎(chǔ)上的一種“集成技術(shù)”。外在因素是資源匱乏、能源緊張以及環(huán)境保護(hù)對化工過程的設(shè)計提出了更高的要求。從狹義上看，過程集成技術(shù)最初是從能量密集型的過程設(shè)計中，以提高能量利用效率為目標(biāo)而發(fā)展起來的。具體地其理論和方法產(chǎn)生于換熱網(wǎng)絡(luò)綜合問題的研究。最初是以熱力學(xué)第二定律分析為基礎(chǔ)，用有效能的概念來探討能量的合理利用。Umeda和Linnhoff相繼在這方面作了開創(chuàng)性的研究工作。它們先后發(fā)現(xiàn)了過程系統(tǒng)內(nèi)的能量流動存在著夾點（PinchPoint），后來，Linnhoff將這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于全過程系統(tǒng)的能量分析及有效利用，逐漸形成了稱之為“夾點技術(shù)”（PinchTechnology）的過程設(shè)計方法。今天，夾點技術(shù)已成為最主要的過程集成技術(shù)，其精髓在于確定過程設(shè)計所能達(dá)到的目標(biāo)（這些目標(biāo)包括能量、設(shè)備、原材料費用以及柔性等），并將所確定的目標(biāo)在實際的設(shè)計中加以實施，形成了化工過程集成的基礎(chǔ)及方法。夾點技術(shù)既可用于新廠設(shè)計，又可用于已有系統(tǒng)的節(jié)能改造，但兩者無論在目標(biāo)上還是在方法上都是有區(qū)別的。在新設(shè)計中應(yīng)用夾點技術(shù)可導(dǎo)致能量和設(shè)備投資雙節(jié)省，降低操作成本30-50%，節(jié)省投資10—20%；在老廠技術(shù)改造中可以達(dá)到用最少的設(shè)備投資回收盡可能多的能量，降低操作成本20—30%，投資費用1—2年即可得到回收。世界上已有數(shù)千家企業(yè)的眾多項目采用了夾點技術(shù)，取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益。夾點技術(shù)不僅用于節(jié)能，而且還可用于增產(chǎn)中解除“瓶頸”，減少環(huán)境污染等。由于夾點技術(shù)能取得明顯的節(jié)能和降低成本的效果，在各國正日益受到重視。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夾點技術(shù)，有名的大工程設(shè)計公司如凱洛格、魯姆斯、千代田、東洋等都設(shè)立了夾點技術(shù)組。而且，現(xiàn)在國際上一些大公司在投標(biāo)時，要求先進(jìn)行夾點技術(shù)分析已成為必要條件。2.2夾點技術(shù)基本原理2.2.1夾點及其形成物流的熱特性可以用溫一焓圖（T—H圖）來很好的表示。溫一焓圖以溫度T為縱軸，以熱焓H為橫軸。熱物流線的走向是從高溫向低溫，冷物流線的走向是從低溫到高溫。物流的熱量用橫坐標(biāo)兩點之間的距離（即焓差A(yù)H）表示，因此物流線左右平移，并不影響其物流的溫位和熱量。當(dāng)一股物流吸入或放出dQ熱量時，其溫度發(fā)生dT的變化，則

式中：CP一熱容流率，單位為kW/°C。熱容流率是質(zhì)量流率與定壓比熱的乘積。如果把一股物流從供給溫度TS加熱或冷卻至目標(biāo)溫度Tt，則所傳的總熱量為：Q=CP?dT (2-2)若熱容流率CP可作為常數(shù)，則Q=CP(Tt-Ts)=AH (2-3)這樣就可以用溫-焓圖上的一條直線表示一股冷流被加熱(圖2-2(a))或一股熱流被冷卻(圖2-2(b))的過程。CP值越大，T-H圖上的線越平緩。圖中的物流線具有兩個特征：一是物流線的斜率為物流熱容流率的倒數(shù)；另一特征是物流線可以在T-H圖上平移而并不改變其對物流熱特性的描述。實際上，對于橫軸H,我們關(guān)注的是焓差一熱量。TH(a)冷流股TTsTt(bTH(a)冷流股TTsTt(b)熱流股H圖2-2 無相變的物流在T-H圖上的標(biāo)繪在過程工業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)中，通常有若干股冷物流需要被加熱，而又有另外若干股熱物流需要被冷卻，在T-H圖上，可分別用熱復(fù)合曲線和冷復(fù)合曲線來表示多個熱物流和多個冷物流。這就需要分別把各個熱物流和冷物流的溫焓線合并。圖2-3熱流的復(fù)合溫焓線復(fù)合曲線的作法如圖2-3所示。設(shè)有三股熱流，其熱容流率分別為A、B、C(kW/°C),其溫位分別為(T]-T3)、(T2tT4)、(T2-T5),如圖2-3(a)所示。在T1到t2溫度區(qū)間，只有一股熱流提供熱量，熱量值^(t1-t2)(b)=ah1,所以這段曲線的斜率等于曲線B的斜率；在T2到T3的溫區(qū)內(nèi)，有三股熱流提供熱量，總熱量值為(t2-t3)(a+b+c)=ah2,于是這段復(fù)合曲線要改變斜率，即兩個端點的縱坐標(biāo)不變，而在橫軸上的距離等于原來三股流在橫軸上的距離的疊加。艮L在每一個溫區(qū)的總熱量可表示為：叫=ZCP.(T.-T+1) (2-4)j式中：j—第i溫區(qū)的物流數(shù)。照此方法，就可形成每個溫區(qū)的線段，使原來的三條曲線合成一條復(fù)合曲線，如圖2-3(b)所示。以同樣的方法，也可將多股冷流在溫-焓圖上合并成一根冷復(fù)合曲線。當(dāng)有多股熱流和多股冷流進(jìn)行換熱時，可將所有的熱流合并成一根熱復(fù)合曲線，所有的冷流合并成一根冷復(fù)合曲線，然后將二者一起表示在溫-焓圖上。系統(tǒng)的冷熱復(fù)合溫焓線表明了系統(tǒng)的熱流量沿溫位的分布。在溫-焓圖上，冷、熱復(fù)合溫焓線的相對位置有三種不同的情況，如圖2-4所示。圖中，A是熱復(fù)合曲線，B是冷復(fù)合曲線。當(dāng)B處于I位置時，過程中的熱量全部沒有回收，全部的冷流由加熱公用工程加熱，全部熱流由冷卻公用工程冷卻，加熱公用工程Qh1和冷卻公用工程Qc1的量最大；當(dāng)B處于II位置時，冷熱復(fù)合曲線有部分的重疊，即過程中的熱量有部分回收，回收的熱量為qR2，此時，加熱公用工程和冷卻公用工程量相對于B處于I處時的情況有所減少，減少的量為QR2；當(dāng)B處于III位置時，冷熱復(fù)合曲線在一點完全重合，此時過程中回收的熱量最大，為qR3,加熱公用工程和冷卻公用工程的量最小，分別為qH3和。甜。冷熱復(fù)合曲線在某點重合時為該系統(tǒng)內(nèi)部換熱的極限，該點的傳熱溫差為零，該點即為夾點。當(dāng)冷熱復(fù)合曲線在夾點處重合時，夾點處的傳熱溫差為零，操作時就需要無限大的傳熱面積，這樣既不現(xiàn)實也不經(jīng)濟(jì)。但可通過對設(shè)備費用和能量費用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價確定一個系統(tǒng)最小的傳熱溫差一夾點溫差。因此，夾點即為冷熱復(fù)合溫焓線上傳熱溫差最小的地方。

圖2-4圖2-4換熱系統(tǒng)的集成2.2.2夾點的意義夾點具有兩個特征：一是該處冷、熱物流的傳熱溫差最小，剛好等于ATmin；另一個特征是該處過程系統(tǒng)的熱流量為零。由這些特征，可以理解夾點的意義如下：（1） 夾點處熱、冷物流間傳熱溫差最小，等于ATmin，它限制了進(jìn)一步回收過程系統(tǒng)的能量，構(gòu)成了系統(tǒng)用能的“瓶頸”，若想增大過程系統(tǒng)的能量回收，減小公用工程負(fù)荷，就需要改善夾點，以“解瓶頸”。（2） 夾點處過程系統(tǒng)的熱流量為零，從熱流量的角度上（或從溫位的角度上），它把過程系統(tǒng)分為兩個獨立的子系統(tǒng)，如圖2-5a所示。夾點上方為熱阱，只有換熱和加熱公用工程，沒有任何熱量流出；夾點下方為熱源，只有換熱和冷卻公用工程，沒有任何熱量流入。T夾點熱源H熱阱圖2-5aT夾點熱源H熱阱圖2-5a如果在夾點之上熱阱子系統(tǒng)設(shè)置冷卻器，用冷卻公用工程移走部分熱量，其量為。，根據(jù)夾點之上子系統(tǒng)熱平衡可知，P這部分熱量必然要由加熱公用工程額外輸入，結(jié)果加熱和冷卻公用工程量均增加了。。同理，如果在夾點之下熱源子系統(tǒng)上設(shè)置加熱器，冷卻公用工程量也相應(yīng)需要增加。如果發(fā)生跨越夾點的熱量傳遞a，即夾點之上熱物流與夾點之下冷物流進(jìn)行匹配，則根據(jù)夾點上下子系統(tǒng)的熱平衡可知，夾點之上的加熱公用工程量和夾點之下的冷卻公用工程量均相應(yīng)增加a，如圖2-5b所示。因此，為達(dá)到最小加熱和冷卻公用工程量，夾點方法的設(shè)計原則是：夾點之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器；夾點之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器；不應(yīng)有跨越夾點的傳熱。2.2.3夾點位置的確定確定夾點位置的方法主要有兩種：T-H圖法和問題表法。T-H圖法在T-H圖上可以形象、直觀地表達(dá)過程系統(tǒng)的夾點位置。為確定過程系統(tǒng)的夾點，需要給出下列數(shù)據(jù)：所有過程物流的質(zhì)量流量、組成、壓力、初始溫度、目標(biāo)溫度、以及選用的冷熱物流間匹配換熱的最小允許傳熱溫差△zmin。用作圖的方法在T-H圖上確定夾點位置的步驟如下：根據(jù)給出的冷、熱物流的數(shù)據(jù)，在T-H圖上分別作出熱物流組合曲線及冷物流組合曲線。熱組合曲線置于冷組合曲線的上方，并且讓兩者在水平方向相互靠攏，當(dāng)兩組合曲線在某處的垂直距離剛好等于A^min時，該處即為夾點。問題表法當(dāng)物流較多時，采用復(fù)合溫焓線很煩瑣，且不夠準(zhǔn)確，此時常用問題表法來精確計算。問題表法的步驟如下：1)以冷、熱流體的平均溫度為標(biāo)尺，劃分溫度區(qū)間。冷熱流體的平均溫度相對熱流體，下降△7min2'，相對冷流體上升△7min,2，這樣可保證在每個溫區(qū)內(nèi)熱物流比冷物流高A^min。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，計算式為：斗&CPC-2CPH*i-TJ （2-5）式中：AHi—第i區(qū)間所需加入的熱量，kW；￡cpc,￡cph一分別為該溫區(qū)內(nèi)冷、熱物流熱容流率之和，kW/°C；t,t+1一分別為該溫區(qū)的進(jìn)、出口溫度。3） 進(jìn)行外界無熱量輸入時的熱級聯(lián)計算，即計算外界無熱量輸入時各溫區(qū)之間的熱通量。此時，各溫區(qū)之間可有自上而下的熱通量，但不能有逆向的熱通量。4） 為保證各溫區(qū)之間的熱通量＞0，根據(jù)第3）步計算結(jié)果，確定所需外界加入的最小熱量，即最小加熱公用工程用量。5） 進(jìn)行外界輸入最小加熱公用工程量時的熱級聯(lián)計算。此時所得最后一個溫區(qū)流出的熱量，就是最小冷卻公用工程用量。6） 溫區(qū)之間熱通量為零處，即為夾點。由上述的計算步驟可見，根據(jù)問題表可以精確的確定夾點溫度、最小加熱公用工程和最小冷卻公用工程的量，并可看出熱流量沿溫位的分布。2.2.4總復(fù)合曲線總復(fù)合曲線是夾點技術(shù)中的另一種重要的工具，它表示系統(tǒng)中的熱通量與溫位的關(guān)系?？梢愿鶕?jù)問題表中通過每一溫位的熱通量作出總復(fù)合曲線。也可以從冷熱復(fù)合曲線獲得總復(fù)合曲線：將冷復(fù)合曲線上移半個夾點溫差，將熱復(fù)合曲線下移半個夾點溫差，然后再由同溫度下兩曲線上的橫坐標(biāo)相減即得統(tǒng)內(nèi)部換熱即可滿足，即在該部位系統(tǒng)的局部熱源（或熱阱）可以滿足系統(tǒng)的局部熱阱（或熱源）。系統(tǒng)所需要的加熱公用工程和冷卻公用工程的情況可以通過總復(fù)合曲線反映出來，因此根據(jù)總復(fù)合曲線可以確定系統(tǒng)所需要的公用工程的溫位，以及各溫位下所需要的公用工程的量，如在T1溫位下，只需要600kW的加熱公用工程，如果在該溫位下供應(yīng)的加熱公用工程的量大于600kW，則加熱公用工程系統(tǒng)的冷流之間的傳熱溫差就小于系統(tǒng)的夾點溫差，違背了夾點匹配的原則，如果小于600kW，則其差值就需用高一級的公用工程來提供，造成能量的降級損失。同理，若在T2溫位處加入的冷卻公用工程的量大于或小于580kW，那么冷卻公用工程的配置也不合理。2.3閾值問題并非所有的換熱網(wǎng)絡(luò)問題都存在夾點，只有那些既需要加熱公用工程、又需要冷卻公用工程的換熱網(wǎng)絡(luò)問題才存在夾點。只需要一種公用工程的問題，稱為閾值問題。有些系統(tǒng)，當(dāng)冷、熱復(fù)合曲線距離較遠(yuǎn)時，既需要加熱公用工程又需要冷卻公用工程，是夾點問題；向左平移冷復(fù)合曲線，冷卻公用工程消失，只剩下加熱公用工程，成為閾值問題，此時的最小傳熱溫差稱為閾值溫差，記作ATthr。因此，這樣的系統(tǒng)屬于閾值問題還是屬于夾點問題，取決于夾點溫差和閾值溫差誰大誰小。若ATTHR<ATmin，則屬于夾點問題，因為系統(tǒng)不允許溫差小于夾點溫差；反之，若ATTHR>ATm.n,屬于閾值問題。對于閾值問題，若繼續(xù)左移冷復(fù)合曲線，使最小溫差小于閾值溫差但大于夾點溫差，此時加熱公用工程總量不再變化，但溫位有所變化。夾點問題的公用工程用量隨最小傳熱溫差的減小而減少。而閾值問題則不同，當(dāng)最小傳熱溫差大于閾值溫差時，公用工程用量隨最小傳熱溫差的減小而減少；但當(dāng)最小傳熱溫差小于閾值溫差時，公用工程用量將保持不變。對于閾值問題，雖然繼續(xù)減小傳熱溫差，公用工程用量不變，但這并不意味就不存在能源費用與投資費用之間的權(quán)衡。因為傳熱溫差的進(jìn)一步降低，對于只需要加熱公用工程的閾值問題，使一部分加熱公用工程的需求溫度降低，加熱公用工程量的數(shù)量不變、溫度降低，整個換熱過程加損失降低，加熱公用工程費用降低。對于只需要冷卻公用工程的閾值問題，因為傳熱溫差的降低，使一部分冷卻公用工程的需求溫度升高，這樣，或者可以利用較高的余熱產(chǎn)生蒸汽，或者可以減少較低溫度冷量的需求，使整個換熱過程火損失降低，冷卻公用工程費用降低。但此時由于傳熱溫差的降低，使換熱面積增加，投資費用增加。所以，仍然存在一個優(yōu)化的問題。但相對夾點問題，閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)的匹配有更大的靈活性，各換熱匹配不受所謂夾點溫差的限制，可根據(jù)實際情況安排。夾點問題與閾值問題是兩種不同類型的換熱網(wǎng)絡(luò)問題，應(yīng)當(dāng)采取不同的設(shè)計方法。因此，當(dāng)設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)時，首先要判斷其是夾點問題還是閾值問題。如果公用工程用量一直隨最小溫差的減小而減少，該問題為夾點問題。如果最小溫差減小到一定程度后，一種公用工程消失，另一種公用工程不再變化，也不能肯定這就是閾值問題，還要進(jìn)一步判斷。這次的判斷是根據(jù)最優(yōu)夾點溫差的計算來確定。若最優(yōu)夾點溫差大于閾值溫差，則表示系統(tǒng)既需要加熱公用工程也需要冷卻公用工程，為夾點問題；若最優(yōu)夾點溫差小于或等于閾值溫差，則表示一種公用工程消失，為閾值問題。在閾值問題的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，為了確保只用一種公用工程，應(yīng)該如下進(jìn)行設(shè)計：對于只需要加熱公用工程的閾值問題，可以將其視為只有夾點之上部分，應(yīng)從低溫側(cè)開始設(shè)計，以保證較低溫度下的熱流體的熱量能傳給冷流體；而對于只需要冷卻公用工程的閾值問題，可以將其視為只有夾點之下部分，應(yīng)從高溫側(cè)開始設(shè)計，以保證較高溫度下的冷流體能從熱流體獲取熱量。2.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化綜合換熱網(wǎng)絡(luò)的