夹点温度合成换热网络的理解
名词解释—化工过程分析与合成
名词解释2•夹点的意义(夹点处，系统的传热温差最小(等TArmin ),系统用能瓶颈位置。
夹点处热流量为0 ,夹点将系统分为热端和冷端两个子系统.热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热(热阱)，冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却(热源)；)2、夹点技术夹点技术是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给与解瓶颈的方法。
夹点设计法三条原则：(1)应该避免有热流量穿过夹点(2)夹点上方应该尽量避免引入公用工程冷却物流(3)夹点下方应该尽量避免引入公用工程加热物流夹点匹配的可行性规则与经验规则3、过程系统能量集成过程系统综合是以合理利用能量为目标的全系统能量综合问题，它从总体上考虑过程中能量的供求关系以与系统结构.操作参数的调优处理，已达到全过程系统能量的优化综合。
(以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合)设备在系统中的合理放置：(1)分离器与过程系统热集成时，分离器穿越夹点是无效的热集成；(2)分离器完全在夹点上方或完全在夹点下方均是有效的热集成。
(3)热机不穿越夹点的设置，是有效的热集成。
(4)热泵穿越夹点的设置是有效热集成。
4、过程用能一致性原则利用热力学原理.把反应、分离、换热、热机、热泵等过程的用能特性从用能本质的角度统一起来，把全过程系统能量综合问题转化为有约束的化热网络综合问题。
5、利用夹点分析进行过程系统能量集成，调优策略的原则：设法增大夹点上方总的热流股的热负荷，减少总的冷流股的热负荷；设法减少夹点下方总的热流股的热负荷，增大总的冷流股的热负荷。
即所谓的“加减原理”。
6、化工过程系统模拟采用一反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观一致性，可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行设计和研究原型过程的方法。
(对于化工过程.在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律)三种基本方法：序贯模块法、联立方程法、联立模块法7、过程系统优化(实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化)结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联接，以优化过程系统。
_换热网络_夹点设计法完整版..
I3=O2= I2- D2=-2.5
140 160 SN1
120 140 SN2
C1
物流 热容 初始 终了 热负 标号 流率 温度 温度 荷
H1 2.0 150 60 180 H2 8.0 90 60 240 C1 2.5 20 125 262 C2 3.0 25 100 225
140 135
110
H1
Ok = Ik – Dk SN2 D2=(2.5-2)(135-110)=12.5 Ik+1 = Ok
I3=O2= I2- D2=-2.5
SN3 D3=(2.5+3-2)(110-80)=105 I4=O3= I3- D3=-107.5
SN1 SN2 SN3
SN4
C2
120 140 100 120 80 100 60 80
140
135
100 120 SN3
80 100
SN4
60 80
SN5
40 60
SN6
C2
C1
20 40
H1
110
80
50 35 30
H2
I4=O3= I3- D3=-107.5 SN4 D4=(2.5+3-2-8)(80-50)= -135
I5=O4= I4- D4=27.5
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
7 换热网络合成
7．1 化工生产流程中换热网络的作用和意义 换热是化工生产不可缺少的单元操作过程。
在所有工艺流程中，都会有一些物流需要被 加热，而另一些物流需要被冷却。
例如，图7-1所示的乙烯裂解气甲烷化流程。
17、第七章 换热网络 夹点设计
H1
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
I1=0 SN1 SN2 D1=(0-2)(150-145)= -10 I2=O1= I1- D1=10 D2=(2.5-2)(135-110)=12.5 I3=O2= I2- D2=-2.5
物流 热容 初始 终了 热负 标号 流率 温度 温度 荷
H1 H2 C1 C2
Ik
DK Dk =
Ok
0 冷热均衡。 > 0 需外部提供热量。 < 0 有剩余热量。
Ik
DK
Ok
Ik：外界或其它网络供给 k 网的热,输入。 Ok：k网向外部或其它网排出的热量，输出。 则： 热衡式： Ik = Ok + Dk 变形：Ok = Ik – Dk （k = 1,2…N) 同时由于各网格间联系的存在，有： Ik+1 = Ok
计算第一个网格，由于此 前没有其他网格，故输入 视为0。
Ok = Ik – Dk Ik+1 = Ok
物流 热容 初始 终了 热负 标号 流率 温度 温度 荷
D1 = ∑Cpcold ( Tk – Tk＋1 ) –∑Cphot (Tk’ – Tk＋1’ ) = (∑Cpcold - ∑Cphot ) (Tk – Tk＋1 )
7.2.2 换热网络合成的研究
换热网络合成技术的研究主要经历了四个阶段： (1)Hohmann的开创性工作 Hohmann在温焓图上进行过程物流的热复合， 找到了换热网络的能量最优解，即最小公用消 耗。
温焓图（T – H 图）； 1 结构：横轴为焓，纵轴为温度。 2 物流在T – H 图上的标绘： T
T A
H2 B
E
H1
D
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
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。
利用夹点技术分析优化甲基叔戊基醚装置换热网络
应和甲醇回收 ３ 个部分组成。其中醚化反应是合
成 Ｔ Ｉ 的关键部 位 。 目前 醚化反应 主要 采用 方 Ａ、 他
式有管式反应、 膨胀床反应 、 固定床反应及催化蒸
馏反应 技术 。合 成 Ｔ ＭＥ 最 普 遍 、 Ａ 最先 进 的 技术
是固定床催化蒸馏工艺 ； 反应物首先在 固定床中达 到化学平衡， 然后经过催化蒸馏使反应进行完全。 在 ２ 世纪 ７ ｏ ０年代 ， ｉ ｈ ｆ等开发 的夹点 Ｌｎ ｏ ｎ ｆ
于一个 给 定 的 △ ， 以找 到一个 夹点 。 可
置进行优化分析 ， 可以提高装置的能量利用效率。
收 稿 日期 ：０ １Ｏ —Ｏ ２ １一８３
图１ 的右上角表示至少要 由热公用工程提供 Ｑ 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 的冷却量 ｃ
１２ ， ． 然后运用夹点技术对 甲基叔 戊基 醚固定床 装置换 热 网络进行优 化分析 。计 算结果表 明， ｗ 优化
关 键 词 ： 点技 术 ； 夹 甲基 叔 戊基 醚装 置 ； 热 网络 ； 化 换 优
后的换热 网络节 能效果较好 。通过 小试 数据 ， 可以椎 断 中试乃至Ｘ ＿化 装置的换热网络节能情况。 －ｋ ， ｌ
（． １ 中国石油吉林石化公司 研 究院 ， 吉林 吉林 １ ２ ２ ；． ３ ０ １ ２ 中国石油吉林石化公司 ， 吉林 吉林 １ ２ ２ ） ３０２
摘
一
要 ： 用 Ａｓｅ ｌｓ 件 计 算 出 冷 流 股 和 热 流 股 的 焓 变 ， 热 流 股 的 焓 变 分 别 为 １ ４Ｗ 和 利 ｐ ｎＰｕ 软 冷 ．
科 研 开 发
பைடு நூலகம்
Ｓ Ｎ ＆Ｅ Ｎ Ｏ化 ＥＣ１Ｄ１Ｙ Ｃ Ｃ ＴＨ Ｌ Ｙ 科 ，１ＩＵＲ Ｉ Ｅ Ｃ Ｏ ＧＩ Ｈ２ ，６ｓ ３ Ｅ Ｃ ＭＡ（４４ Ｎ 技０Ｌ ）Ｔ 工 Ｉ ： １９ ￣ Ｎ
换热网络优化——夹点理论
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2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
7.2.2 换热网络合成的研究
Hohmann的开创性工作。
在温焓图上进行过程物流的热复合，找到了换热网 络的能量最优解，即最小公用消耗； 提出了换热网络最少换热单元数的计算公式。
意义在于从理论上导出了换热网络的两个理想状态 ，从而为换热网络设计指明了方向
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2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成 •Linnhoff和Flower的工作 合成能量最优的换热网络。 从热力学的角度出发，划分温度区间和进行热平衡 计算，这样可通过简单的代数运算就能找到能量最优 解（即最小公用工程消耗），这就是著名的温度区间 法（简称TI法） 对能量最优解进行调优。
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第七章 换热网络合成
Dr. 尚书勇 宜宾学院化学与化工学院
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7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义
换热是化工生产不可缺少的单元操作过程。 对于一个含有换热物流的工艺流程，将其中的换热物流 提取出来，组成了换热网络系统 其中被加热的物流称为冷物流，被冷却的物流称为热物 流。
如果上一步计算得ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的Ｑi均为正值，则这步计算是不 必要的
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2009年度宜宾学院化工学院课程 第3列最下面的数字表示由第一定律得到的该热回收网络所需 的最小冷却量； 化工过程分析与合成 第4列最上面的数字表示该热回收网络所需的最小外加热量； 例7-2:利用例7-1中的数据，计算该系统所需的最小公用工程 第5列最下面的数字表示该热回收网络所需的最小外冷却量； 消耗。假设热公用工程为蒸汽，冷公用工程为冷却水，它们 若热回收网络达到最大能量回收，则所需要的公用工程消耗等 的品位及负荷足以满足物流的使用。 于表中最小外加热、冷却量。 解：按问题表计算步骤，得到的问题表7-2
换热网络优化——夹点理论
类型
冷 热 冷 热
FCp,KW/℃ T初, ℃ T终, ℃ 热量Q,kW
3.0
60
180
-360
2.0
180
40
280
2.6
30
105
-195
4.0
150
40
440
165
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如果没有温度推动力的限制，就必须由公用工程系统 提供165kW的热量
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4. 若Ｑi为正值，则表示热量从第i个温区向第i+1个温区
，这种温度区间之间的热量传递是可行的。
若Ｑi为负值，则表示热量从第i+1个温区向第i个温区
传递，这种传递是不可行的。
为了保证Ｑi均为正值，可取步骤3中计算得到的所有Ｑ
i中负数绝对最大值作为第一个温区的输入热量，重新 计算。
通过确定物流间的匹配关系，使所有的物流均达到它们 的目标温度，同时使装置成本、公用工程（外部加热和 冷却介质）消耗成本最少。
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7.2.2 换热网络合成的研究
Hohmann的开创性工作。 在温焓图上进行过程物流的热复合，找到了换热网
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7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义
换热网络的消耗代价来自三个方面：换热单元 （设备）数，传热面积，公用工程消耗，换热 网络合成追求的目标，是使这三方面的消耗都 为最小值。
第5章 夹点技术设计换热网络
所以不一定遵循该规则。
（a)夹点之上，可行的夹点匹配； （b)夹点之上，不可行的夹点匹配。
（a) 夹点之下，可行的夹点匹配。
CPHCPC
（b) 夹点之下，不可行的夹点匹配。 CPH<CPC
5.2.2 物流间匹配换热的经验规则
经验规则1 每个换热器的热负荷应等于该换热器冷热物流匹配
中热负荷较小者，以保证经过一次换热，既可以使一个物流达 到规定的目标温度,以减少所用换热设备的数量。
Q W c p (Tt Ts ) H
T Tt Ts 1 斜率 H H W cp
W· cp-热容流率
不同物流在 T-H 图上的标绘：
冷物流 热物流
纯组分气化 纯组分冷凝 多组分气化 多组分冷凝
5.1.2 组合曲线
将系统的物流组合起来，以便于进行过程的冷、热物流的合 理匹配。 组合方法：
负的剩余热量（即需要子网络3向子网络2供给热量，但这是不可
能的）。
k =3，（温度间隔为 120～90 ℃)
D 3=（2.5+3－2) ×(120－90) = 105
O3 = I3 － D 3 = －2.5 － 105= －107.5
k =4，（温度间隔为 90～60 ℃)
D 4=（2.5+3－2－8) ×(90－60) = －135
(3) 夹点下方避免引入公用工程加热物流 。
违背以上三条，就会增大公用工程负荷及相 应的设备投资。
5.2.1 夹点处物流间匹配换热的可行性规则
夹点匹配：指冷、热物流同时有一端直接与夹点相同，即同 一端具有夹点处的温度。
夹点匹配
夹点匹配 非夹点匹配
非夹点匹配
可行性规则： 规则1 对于夹点上方，热工艺物流（包括其分支物流）的数目 NH不大于冷工艺物流（包括其分支物流）数目NC，即：
夹点理论及其在换热网络中的优化分析_刘智勇
这些使夹点成为设计中约束最多的地方，因而 需要从夹点着手，将换热网络分为夹点上、下两部分 分别向两头进行物流间的匹配换热。 1． 3． 2 在全局用能网络的优化中，要使夹点处冷、 热流体之间的传热温差最小，需要注意：
随着能源的日渐紧张，过程集成已成为热点话 题。过程集成中目前最实用的是夹点技术。
乙烯是有机化工工业的一种重要的基础原料， 世界各国都以乙烯产量作为衡量石油化工的发展水 平的重要标志［1］。我国的乙烯工业起步较晚，基础 薄弱、技术落后以及规模小是当今企业的弱点，以此 依托老基地，采用乙烯装置技术发展的最新成果，充
式中 ΔHi——— 第 i 区间所需要的外加热量 / kW；
∑ ∑ CpC、 CpH ———该温区内冷、热物流热熔
流率之和 / kW·℃ － 1 ；
Ti 、Ti+1 ———该温区的进出口温度 / ℃ 。 （ 3） 进行热级联计算。第一步，计算外界无热
量输入时各温区间的热通量。此时，各温区之间可
有自上而下的热流流通，但不能有逆向的热流流通。
（ 3） 最大换热负荷准则，为保证最小数目的换 热单元，每一次匹配应该换完； 两股中的一股。 1． 3． 3 为了对现有装置进行最好热回收方案设计， 应该做到：
（ 1） 检查现有网络，识别违背夹点的设备。 （ 2） 得到一个最节能的设计，尽可能和基础工 况兼容。 （ 3） 当匹配存在时，特别是原理夹点区域，最好 选择已存在的匹配。
温差（ △Tmin /2） ，相对冷流体上升 1 /2 个夹点温差 （ △Tmin /2） 。这样可保证每个温区内热流体比冷流 体高△Tmin ，而满足传热的需要。
夹点技术设计换热网络
问题表格2
子网络 序号
SN1 SN2 SN3 SN4 SN5 SN6
问题表格(2)
△Tmin = 20 ℃
赤 字 热量/kW 无外界输入热量 热量/kW 外界输入最小热量
Dk / kW
Ik
-10.0
0
Ok
Ik
Ok
10.0 107.5 117.5
12.5 10.0 -2.5 117.5 105.0
Q W cp (Tt Ts ) H 斜率 T Tt Ts 1
H H W cp
W·cp-热容流率
不同物流在 T-H 图上的标绘：
冷物流 热物流
纯组分气化 纯组分冷凝 多组分气化 多组分冷凝
5.1.2 组合曲线
将系统的物流组合起来，以便于进行过程的冷、热物流的合 理匹配。 组合方法：
例 一过程系统含有的工艺物流为2个热物流及2个冷物流，给 定的数据列于表 中，并选热、冷物流间最小允许传热
温差△Tmin = 20 ℃ , 试确定该过程系统的夹点位置。
物流标号 热容流率CP / ( kW/℃ ) 初始温度Ts /℃ 终了温度Tt /℃ 热负荷Q / kW
H1要公用工程加热（热阱）;
（6）冷端在夹点温度以下，只需要冷公用工程冷却(热源)。 夹点温度差的影响： ΔT min大，QH, min、QC ,min 增大，QR,max减小
适宜的ΔT min 是总费用最低的优化值。
5.1.4 用问题表格法确定夹点
热级联： 每个单元都是相似的传热过程组 成的串级结构。每一级相当于一个子网络
热级联－ 虚拟的结构，同一温位的物流 集中于同一级。
第 k 级的热平衡 (k =1、2、3、4、…..K) 输出 = 输入- 赤字 Ok=I k-D k
换热网络优化——夹点理论课件
随着能源价格的上涨和环保要求的提 高，换热网络优化对于企业降低生产 成本、提高市场竞争力、实现可持续 发展具有重要意义。
换热网络优化的目标与原则
目标
提高换热网络的能量利用效率，降低能耗和生产成本，同时保证生产过程的稳 定性和产品质量。
原则
在换热网络优化过程中，应遵循系统能量利用效率最大化、操作费用最小化、 环境影响最小化等原则，确保优化方案的经济效益和环境效益。
CATALOGUE
换热网络优化案例分析
案例一：某石油化工企业的换热网络优化
总结词
通过夹点理论优化，实现节能减排
详细描述
某石油化工企业采用夹点理论对换热网络进行优化，通过调整工艺流程和操作参数，降低能耗和减少排放，提高 生产效率和经济效益。
案例二：某钢铁企业的余热回收系统优化
总结词
提高余热利用率，降低能源消耗
通过热力学第一定律和第 二定律分析系统中流股的 能量平衡和转化。
数学模型建立
根据系统流程图和热力学 数据建立数学模型，模拟 流股之间的热量交换。
夹点条件确定
通过分析数学模型，找出 系统中的夹点位置及其操 作条件。
夹点理论在换热网络优化中的优势与局限性
优势
夹点理论能够快速准确地确定系统中 的夹点位置，为换热网络的优化提供 指导。该方法简单易行，适用于各种 类型的换热网络。
局限性
夹点理论仅适用于稳态系统，对于动 态系统需要进行额外的处理。此外， 夹点理论无法处理复杂的化学反应和 多组分物系等情况。
03
CATALOGUE
夹点理论在换热网络优化中的 应用
夹点分析在换热网络优化中的步骤
确定目标函数
确定优化目标，如最小 化换热网络的能耗或成
运用夹点设计法对一实际换热网络的改造
运用夹点设计法对一实际换热网络的改造作者：王君吴宗发李多松等来源：《安徽理工大学学报·自然科学版》2014年第04期摘要：随着能源价格的不断提升，化工企业的节能降耗成为紧迫必行的任务。
通过在对一实际过程的换热网络结构分析的基础上提取热、冷工艺物流，在给定的最小传热温差（20 ℃）限制下运用夹点设计法合成具有最大热回收的新换热网络；采用断开热负荷回路、取消热负荷较小的换热器达到减少换热器个数、简化网络的目的；由于热负荷转移造成了某些换热器传热温差违反最小传热温差限制、甚至出现传热温差为负值（违反热力学第二定律）的情况，采用能量松弛法恢复这些换热器的传热温差至给定的最小传热温差。
经过调优后换热器网络总换热设备个数与原实际网络的相同，但与原实际网络相比，热、冷公用工程均节省1 220 kW。
关键词：换热网络；夹点设计法；最小传热温差；改造中图分类号：TK123文献标志码：A文章编号：1672-1098（2014）04-0038-04随着能源价格的不断提升，化工企业的节能降耗成为紧迫必行的任务。
各种节能技术运应而生[1-3]，其中夹点技术是一种比较成熟的节能技术，它是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的变化，从中发现系统用能的瓶颈并予以解除的一种方法[4-5]。
国外著名的工程公司如赫斯特、拜耳、联碳、杜邦及三棱等较早运用夹点技术进行新厂设计和老厂改造，在降低能耗、减少投资、保护环境等方面取得显著成效；国内高校和设计部门于20世纪80年代初开始运用夹点技术并取得实效[6]。
本文采用夹点设计法，对一实际过程换热网络进行重新设计，并提出改造方案。
1实际换热网络结构某实际过程换热网络如图1所示，该过程的换热过程描述如下。
图1某实际过程换热网络结构温度为50 ℃的某反应原料（FEED1）进入系统，在换热器E1（热负荷1 980 kW）中被反应器出口物流（REAOUT1）加热到149 ℃（FEED2），再经过加热器H1（热公用工程用量1 220 kW）加热到210 ℃（FEED3）进入反应器REACTOR；反应器出口物流（REAOUT1）经过换热器E1被冷却到160℃（REAOUT2）进入精馏塔COLUMN。
夹点理论及其在换热网络中的应用研究
夹点理论及其在换热网络中的应用研究摘要：随着社会经济与科学技术的发展，各个领域的迅速发展，大大增加了能源的消耗，石油化工作为耗能的重点行业，其中的换热网络是耗能的关键。
因此，优化换热网络结构，并尽可能回收热量是我们当下必须要做的，研究人员利用夹点理论对换热网络进行优化，在节能降耗方面取得了不错的效果。
本文将对夹点理论概述、夹点技术原理及其设计以及夹点理论在换热网络中的应用进行研究，以此来推动夹点理论在换热网络中的应用，进而推动石油化工行业健康发展。
关键词：夹点理论；换热网络；应用；研究前言：相对于国外发达国家，我国是能源消耗大国，且能源利用率较低，对我国国民经济发展十分不利。
因此，节能降耗是未来发展的必然趋势。
近年来，夹点理论在石油行业的普及和发展，通过对换热网络进行优化，在石油行业节能降耗以及降低成本等方面取得了不错的成果。
一、夹点理论概述夹点理论起源于上世纪70年代由英国教授提出的，直到80年代在能量回收方面具有重大突破，并在大部分西方国家得到了迅速的推广和普及，直到今天，已经在全世界范围内得到了认可，促进了相关领域的发展，对世界经济的发展具有杰出的贡献。
夹点理论主要是指将热力学作为基础，从整个系统中分析、整理能量的具体分布，并在中间找到耗能点，最终解决耗能的一种有效方法。
相对于传统的节能技术，夹点理论能够最大程度的降低能源消耗，也能够更加快速地找到能源消耗点，并及时对设备进行优化，解决能源消耗过高的问题[1]。
夹点理论的设计工艺主要针对冷、热两大物流，能够促进二者之间换热并最大程度将热量回收，最终将回收热量继续投入生产等方面。
因此，夹点理论就是通过冷、热物流的运动轨迹对整个工艺过程进行分析，最终确定节能降耗以及优化改造的策略。
二、夹点技术原理及其设计夹点理论要达到的目的是将能量回收最大化，通过设备工作热量曲线将阻碍回收热量的点找到，并且经过合理、科学的改造，使其顺利回收热量，达到最优程度[2]。
利用夹点技术设计换热网络
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。
利用夹点技术分析优化换热网络
表 1 物流参数
物流 类型
热流 热流 热流 热流 热流 热流 热流 冷流 冷流 冷流 冷流
物流 热容流率 名称 / (kW·℃- 1)
常一线
8. 699
常二线 10. 455
常三线
9. 083
常顶油 37. 751
常底油 56. 545
常一中 37. 134
常二中 41. 745
热水
0. 174
水
[3 ] 冯霄. 化工节能原理与技术 [ M ] . 北京 :化学工业出版 社 ,2005. 1452286.
朱玉琴等 :利用
表 2 最优夹点温差的确定
夹点温差/ ℃ 8
10
12
14
18
投资费用 / (万元·a - 1)
操作费用 / (万元·a - 1)
总费用 / (万元·a - 1)
302. 24 244. 05 221. 39 210. 30 196. 64 833. 24 843. 56 857. 62 873. 25 900. 26 1 135. 48 1 087. 61 1 079. 01 1 083. 55 1 096. 90
小冷却公用工程负荷为 5. 549 ×106 kJ / h. 现有常压 蒸馏装置换热网络加热公用工程负荷为 59. 52 × 106 kJ / h ,冷却公用工程负荷为 23. 12 ×106 kJ / h ,均 远大于最优夹点温差下的公用工程负荷. 所以 ,该换 热网络设计不甚合理 ,具有较大的节能潜力. 2. 3 换热网络的分析及优化
另外 , 由于原油闪蒸换热后终温较低 , 为 268 ℃,极大地增加了其加热公用工程加热炉的热负荷.
对比近年来国内常压蒸馏装置原油换热终温设计值 通常在 295 ℃以上[13215 ] ,所以 ,通过进一步优化分 析提高原油换热终温是十分必要的.
夹点技术与换热网络优化综合
为简化起见，运行费用只指公用工
程的消耗，而设备折旧费可按简化的换 热面积公式计算，即
z
kskl aAik
在能源问题不太突出的时代，一般均采用 这种一对一的方式。根据加热温位的要求， 设置加热炉或预热器，水冷器或空冷器，为 此在全厂设置有加热炉、锅炉房、变电所、 凉水塔等公用工程设施。
随着能源问题的日益紧张，人们认
识到上述方式的浪费。提出பைடு நூலகம்以用反应 器出口物流来预热进料，如图（b）。 由于传热温差的影响，第二进料经预热 后，其温度尚达不到要求，因此还需再 设一个补充加热器。但加热器和冷却器 的负荷都显著降低了。
kl
i
式热换中器热的器s年 、kl 消 加为耗 热第量 器k， 或种冷公k为却用单器工价的程，换用A热于i为面第第积l台I，台加a
和b是计算设备费的常数 ， 是年折旧
率 。在计算换热面积时，往往取换热系
数为常数。
二、换热器网络的综合方法
自从C.S.Hwa于1965年首次提出换热器网 络优化问题以来，许多学者对换热器网络进 行了深入的研究，提出了多种最优或接近最 优的综合方法。根据研究方法的侧重面不同， 大体上可以分为以下几类：
但两者都减少了。
当两流股在某截面处的温差减小到允许的 最低温度△Tmin时，换热量达到最大极限Qx,max， 如图c。此时的公用工程量最小，即QH=QH,min和 Qc=Qc,min。
随着△Tmin的减小，公用工程耗量降低。因 此△Tmin是基建费与能耗折衷考虑的结果。
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)(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著。
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。
因此，即需在温焓图中画出组合曲线。
在温焓图中，可做出多股热物流和多股冷物流的热组合曲线和冷组合曲线。
即把相同温度间隔内物流的热负荷累加起来，然后在该温度间隔中用一个具有累加热负荷值的虚线物流来代表即可。
2、夹点的确定及意义
2.1夹点的确定
（1）作图法
夹点的位置可以在温焓图中直观的确定出来。
为确定夹点温度，需知道最小传热温差m in T ∆。
在温焓图中先根据所给的温度作出热物流组合曲线和冷物流组合曲线，让两条物流曲线在水平方向上相互靠近，当两物流曲线在某处的垂直距离正好等于m in T ∆时，该处即为夹点。
由此即可确定热流体的夹点温度和冷流体的夹点温度，热冷流体的夹点温差刚好等于m in T ∆。
确定夹点后，还可以在温焓图中确定过程系统中所需最小公用工程加热量Q H,min ，最小公用工程
冷却量Q C,min 以及最大回收热量Q R,max 。
夹点把过程系统分隔成了两部分，即夹点上方和夹点下方。
夹点上方为热端，只需用公用工程加热，夹点下方为冷端，只需用公用工程冷却。
（2）表格法
① 确定区间温度
将所有冷流体的供应温度和目标温度上升m in T ∆/2,将所有热流体的供应温度和目标温度下降m in T ∆/2，将调整后的温度从高到低排列，得到若干温度区间。
② 计算所需热量或冷量
在每个温度区间的热平衡内，计算各温去所需热量或冷量。
公式为∑∑+--=∆))((1i i C H i T T CP CP H
i H ∆有正有负，一般，夹点就在i H ∆小于
0的区间。
③ 计算热级联
找到最小的的外加热量，使原来的输出热量为负值的区间变成输出热量为零的区间，该区间的下限温度就是夹点的温度。
2.2夹点的意义
夹点的意义有如下2点：
（1）夹点出热冷物流间传热温差最小，为m in T ∆，它限制了过程系统能量的回收，成为了系统用能的“瓶颈”。
为此，需要改善夹点，以“解瓶颈”。
（2）夹点处过程系统的热流量为零。
即夹点处没有热流流过。
3、换热网络合成
换热网络的合成就是利用夹点技术设计出能够回收最大热量的换热网络。
而换热网
络是有很多的，所以需要对换热网络进行优化。
所谓的换热网络的优化，是在完成规定换热任务下可能换热器数目最小，也有可能是公用工程消耗的能量最小，或是总操作费用最小。
目前，最常用的是公用工程能量消耗最小及总操作费用最小两个指标。
由上述已可确定夹点，由此即可设计换热网络。
根据夹点的意义，在换热网络设计
时，应遵循以下原则：
（1）夹点上方不能引入任何冷工用工程；
（2）夹点下方不能引入任何热工用工程；
（3）在夹点处不能有跨越夹点的传热。
此外，在进行设计应用时，还应遵循换热器的流股匹配法则：
① 夹点之上的所有的热流在夹点处只能和那些热容流率比自己大或相等的 冷流相匹配；即保证在传热过程中传热温差大于最小传热温差；即C H CP CP ≤
② 夹点之下的所有的冷流在夹点处只能和那些热容流率比自己大或相等的热流相匹配；即保证在传热过程中传热温差大于最小传热温差；即H C CP CP ≤
除此之外，还须满足一个要求，即最大限度地满足其中一个流股的换热，使这一流股的热量尽量用一台换热器用尽。
如果在夹点之上，则先满足热流股；如果在夹点之下，则先满足冷流股。
根据所述的设计原则、匹配法则、基本要求，即可合成换热网络。
虽然利用夹点技术可以设计出最大能量回收系统的换热网络，但从经济上讲，并不是最优的系统，所以，还可以对换热网络进行改善，使其更优化。
结论
换热网络的合成需要利用夹点技术。
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。
夹点的确定需要在温焓图中利用热冷物流的组合曲线确定。
让热冷两条物流曲线在水平方向上相互靠近，当两物流曲线在某处的垂直距离正好等于m in T ∆时，该处即为夹点。
夹点确定后，即可确定过程系统中所需最小公用工程加热量Q H,min ，最小公用工程冷却量Q C,min 以及最大回收热量Q R,max 。
利用所确定的夹点，就可以合成换热网络。
致谢 感谢韩媛媛老师的教导
参考文献
【M 】张卫东 孙巍 刘君鹏等 化工过程分析与合成 【M 】北京 化学工业出版社2016，277~287
【M 】方利国 化工过程系统分析与合成 【M 】北京 化学工业出版社 2013，,102~115
【M 】都健 化工过程分析与合成 【M 】大连 大连理工大学出版社2012,202~211
附：
附：
解：根据表格法步骤，将2、4热流体的供应温度和目标温度下降2/m in T ∆，得195,175,85,55；将1、3冷流体的供应温度和目标温度上升2/m in T ∆，得175,170,115,55。
将两个温度序列合并从高到低进行排列:195,175,170,115,85,55;共6个温度，5个温度区间，整理后填入表中
由表得，第4级的输入热量为0，所以夹点就在第4级的上限温度115℃处，由此得到热流体在夹点处
的
温度
为120
℃，冷
流体
在
夹点
处的
温
度为
110℃。
最。