课件：第3章 3.1 化工过程热集成
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夹点技术是广泛应用的过程热集成 设计的有效方法，其要点如下：
1. 温-焓图和组合曲线
2. 夹点的形成
3. 夹点的意义和设计原则
传统换热网络问题
210℃ 210℃
蒸汽加热 1620 kW
循环物料 178℃
880 kW 160℃
160℃
220℃
冷却水
180℃
60℃
2640 kW
反应器
270℃
N 130℃
够很好地表达。
T (℃)
Hot Stream
Cold Stream
QE
QC
QH
H (MW)
组合曲线-Composite Curve
多股流股的组合温焓线
夹点的形成 -Pinch Point
将全部热物流的组合温焓线与全部冷物流的组 合温焓线绘制在同一（T-H）图上：
T
Hot Stream
Cold Stream
T
i
Ai
1 ( i Ti,min
j
qj ) hj
H
Cost Target — 经济目标
能量费用目标 设备投资费用目标
CE CH QH CCQC
—根据换热单元数目标 和换热面积目标求取
假定：换热单元数目标为Umin，且换热面积平均分配
在各单元中
C N U min [a b ( A / U min ) c ]
《化工设计》第三章 设计结果与分析与优化
第一讲：化工过程热集成
1 1
— 化工过程的分层设计
化工过程的洋葱模型
最常用的化工过程分 层设计模型是左图所示的洋 葱模型，由里到外逐层细化 设计。
过程热集成设计的对 象是换热系统的拓扑结构和 公用工程的规格配套设计。
— 化工过程的分层设计
洋葱模型分层 结构的能量关系如
能量供给 (热公用工程)
右图所示：热回收 原料 子系统通过内部物
工艺过程子系统
产品
流之间的换热来减 少对外部公用工程 的依赖，提高系统
热回收 子系统
蒸汽动力 子系统
副产 蒸汽
能效；蒸汽动力子
系统是适用于大量 高温放热过程的可
废热排出 (冷公用工程)
选项。
过程热集成设计的方法 — 夹点技术 Pinch Technology
目标温度 Tt (℃)
60 160 210 210
ΔH (kW)
3520 1980 3200 2500
热容流率 CP (kW/℃)
22 18 20 50
问题表格 格子图 复合曲线
温-焓(T-H )图
物流的热特性可以用(T-H )图表示
温-焓(T-H )图
两流股间的换热:温度及焓的变化在(T-H )图上能
H
夹点的形成 -Pinch Point
焓是热力学状态函数，具有实际意义的是其增量而 非绝对值。因此可以将组合曲线水平移动。
冷、热组合曲 T
线在横坐标上
的重叠部分代
表两类流体间 可交换的热量，
夹点
在纵坐标上的
差值代表传热
温差。温差最
小处称为夹点。
极限情况是夹
QE
点温差为零。
H
夹点的形成 -Pinch Point
差最小处，此处热通量为零。
2.夹点之上是热端，只有换热和加 热公用工程，为需要热量的热阱 ，不应设置任何冷公用工程。
Q1
3.夹点之下是冷端，只有换热和冷 却公用工程，为热量多余的热源 ，不应设置任何热公用工程。
4.不应有跨越夹点的传热。
Grand mposite Curve — 总组合曲线
如果将每个温区中的冷、热流股的焓变加和起来， 计算总焓变，并在温焓图上表示，则可得到总组 合曲线。
总年度费用目标
CT CEB CN / R
B — 年运行时间； R — 设备折旧年限
最优夹点温差Tmin的确定
CE CH QH CCQC C N U min [a b ( A / U min ) c ]
夹点技术的应用
夹点技术既可用于新厂设计，又可用于已有系统的 节能改造，但两者在目标上和方法上都有区别；
T
H
总组合曲线的意义
由总组合曲线可知不同温位下的传热通量分布， 能更合理地配置公用工程。
换热网络(HEN)设计目标
1. 能量目标 2. 换热单元数目标 3. 换热网络面积目标 4. 经济目标
Energy Target — 能量目标
能量目标就是指以系统能量的最大回收为目标， 即最小热公用工程和最小冷公用工程。
夹点技术的一个显著特点是在换热网络设计前，先 获得各项设计目标；
在优化目标方面，夹点技术最初是以最大能量回收 为系统的目标，然后发展为以最小总费用为目标。
对于有限大的传热面积，最小传热温差不能为零。 设定最小传热温差值，就可根据(T-H)图中的
T
冷、热组合曲
线得到系统内
部换热量QE、
冷公用工程量
夹点
Q程C量和Q热H。公用工
Q E （ h j A j T j）
j
QC
QE
QH
H
夹点的意义和设计原则
Q2 Q
+ Q2 + Q
+Q + Q1
1.夹点是冷热复合温焓线中传热温
U—换热单元数，包括换热器、加热器和冷却器； N—流股数目，包括工艺流股和公用工程流股；
L—独立的热负荷回路数目；L 0 S—可能分离成不相关子系统的数目。S 1
最大能量回收网络的 换热单元数目标
如果要使系统能量最大回收，需将系统分成夹点 之上和夹点之下两个独立网络设计：
夹点 之上 ： U min ，1 N1 L1 S1 夹点 之下 ： U min ,2 N 2 L2 S 2
160℃
精馏塔
蒸汽加热
进料50℃
1220 kW
149℃ 1980 kW
220℃ 塔底产品
➢ 现行的能量系统是否合理？ ➢ 若不合理，哪些用能环节不合理？ ➢ 系统有多大的节能潜力？ ➢ 应如何进行节能改造？
流股
名称
H1
产品
H2 反应器出口流股
C1
进料
C2
循环流股
供应温度 Ts (℃)
220 270 50 160
U mi n U mi n ，1 U mi n ，2
如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量增加 （不满足能量最大回收），此时夹点上下就不再是 独立网络了。
Area Target — 换热面积目标
在进行换热网络设计前，无法精确计算换热网 络的面积，最小换热面积的计算是由最小传热温 差下冷、热温焓曲线垂直换热得到的。
能量目标随夹点温差而变。夹点温差确定后，所 分析系统的能量目标为一确定值。 若夹点温差增大，加热公用工程和冷却公用工程 均增大，且增大的数量相等。 能量目标可通过温焓图的组合曲线法计算得到。
Units Target — 换热单元数目标
一个换热网络的最小单元数目可由欧拉通用网络
定理来描述：
U min N L S N 1
1. 温-焓图和组合曲线
2. 夹点的形成
3. 夹点的意义和设计原则
传统换热网络问题
210℃ 210℃
蒸汽加热 1620 kW
循环物料 178℃
880 kW 160℃
160℃
220℃
冷却水
180℃
60℃
2640 kW
反应器
270℃
N 130℃
够很好地表达。
T (℃)
Hot Stream
Cold Stream
QE
QC
QH
H (MW)
组合曲线-Composite Curve
多股流股的组合温焓线
夹点的形成 -Pinch Point
将全部热物流的组合温焓线与全部冷物流的组 合温焓线绘制在同一（T-H）图上：
T
Hot Stream
Cold Stream
T
i
Ai
1 ( i Ti,min
j
qj ) hj
H
Cost Target — 经济目标
能量费用目标 设备投资费用目标
CE CH QH CCQC
—根据换热单元数目标 和换热面积目标求取
假定：换热单元数目标为Umin，且换热面积平均分配
在各单元中
C N U min [a b ( A / U min ) c ]
《化工设计》第三章 设计结果与分析与优化
第一讲：化工过程热集成
1 1
— 化工过程的分层设计
化工过程的洋葱模型
最常用的化工过程分 层设计模型是左图所示的洋 葱模型，由里到外逐层细化 设计。
过程热集成设计的对 象是换热系统的拓扑结构和 公用工程的规格配套设计。
— 化工过程的分层设计
洋葱模型分层 结构的能量关系如
能量供给 (热公用工程)
右图所示：热回收 原料 子系统通过内部物
工艺过程子系统
产品
流之间的换热来减 少对外部公用工程 的依赖，提高系统
热回收 子系统
蒸汽动力 子系统
副产 蒸汽
能效；蒸汽动力子
系统是适用于大量 高温放热过程的可
废热排出 (冷公用工程)
选项。
过程热集成设计的方法 — 夹点技术 Pinch Technology
目标温度 Tt (℃)
60 160 210 210
ΔH (kW)
3520 1980 3200 2500
热容流率 CP (kW/℃)
22 18 20 50
问题表格 格子图 复合曲线
温-焓(T-H )图
物流的热特性可以用(T-H )图表示
温-焓(T-H )图
两流股间的换热:温度及焓的变化在(T-H )图上能
H
夹点的形成 -Pinch Point
焓是热力学状态函数，具有实际意义的是其增量而 非绝对值。因此可以将组合曲线水平移动。
冷、热组合曲 T
线在横坐标上
的重叠部分代
表两类流体间 可交换的热量，
夹点
在纵坐标上的
差值代表传热
温差。温差最
小处称为夹点。
极限情况是夹
QE
点温差为零。
H
夹点的形成 -Pinch Point
差最小处，此处热通量为零。
2.夹点之上是热端，只有换热和加 热公用工程，为需要热量的热阱 ，不应设置任何冷公用工程。
Q1
3.夹点之下是冷端，只有换热和冷 却公用工程，为热量多余的热源 ，不应设置任何热公用工程。
4.不应有跨越夹点的传热。
Grand mposite Curve — 总组合曲线
如果将每个温区中的冷、热流股的焓变加和起来， 计算总焓变，并在温焓图上表示，则可得到总组 合曲线。
总年度费用目标
CT CEB CN / R
B — 年运行时间； R — 设备折旧年限
最优夹点温差Tmin的确定
CE CH QH CCQC C N U min [a b ( A / U min ) c ]
夹点技术的应用
夹点技术既可用于新厂设计，又可用于已有系统的 节能改造，但两者在目标上和方法上都有区别；
T
H
总组合曲线的意义
由总组合曲线可知不同温位下的传热通量分布， 能更合理地配置公用工程。
换热网络(HEN)设计目标
1. 能量目标 2. 换热单元数目标 3. 换热网络面积目标 4. 经济目标
Energy Target — 能量目标
能量目标就是指以系统能量的最大回收为目标， 即最小热公用工程和最小冷公用工程。
夹点技术的一个显著特点是在换热网络设计前，先 获得各项设计目标；
在优化目标方面，夹点技术最初是以最大能量回收 为系统的目标，然后发展为以最小总费用为目标。
对于有限大的传热面积，最小传热温差不能为零。 设定最小传热温差值，就可根据(T-H)图中的
T
冷、热组合曲
线得到系统内
部换热量QE、
冷公用工程量
夹点
Q程C量和Q热H。公用工
Q E （ h j A j T j）
j
QC
QE
QH
H
夹点的意义和设计原则
Q2 Q
+ Q2 + Q
+Q + Q1
1.夹点是冷热复合温焓线中传热温
U—换热单元数，包括换热器、加热器和冷却器； N—流股数目，包括工艺流股和公用工程流股；
L—独立的热负荷回路数目；L 0 S—可能分离成不相关子系统的数目。S 1
最大能量回收网络的 换热单元数目标
如果要使系统能量最大回收，需将系统分成夹点 之上和夹点之下两个独立网络设计：
夹点 之上 ： U min ，1 N1 L1 S1 夹点 之下 ： U min ,2 N 2 L2 S 2
160℃
精馏塔
蒸汽加热
进料50℃
1220 kW
149℃ 1980 kW
220℃ 塔底产品
➢ 现行的能量系统是否合理？ ➢ 若不合理，哪些用能环节不合理？ ➢ 系统有多大的节能潜力？ ➢ 应如何进行节能改造？
流股
名称
H1
产品
H2 反应器出口流股
C1
进料
C2
循环流股
供应温度 Ts (℃)
220 270 50 160
U mi n U mi n ，1 U mi n ，2
如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量增加 （不满足能量最大回收），此时夹点上下就不再是 独立网络了。
Area Target — 换热面积目标
在进行换热网络设计前，无法精确计算换热网 络的面积，最小换热面积的计算是由最小传热温 差下冷、热温焓曲线垂直换热得到的。
能量目标随夹点温差而变。夹点温差确定后，所 分析系统的能量目标为一确定值。 若夹点温差增大，加热公用工程和冷却公用工程 均增大，且增大的数量相等。 能量目标可通过温焓图的组合曲线法计算得到。
Units Target — 换热单元数目标
一个换热网络的最小单元数目可由欧拉通用网络
定理来描述：
U min N L S N 1