过程系统节能技术——夹点技术

学科导论（论文）题目过程系统节能技术——夹点技术

小组成员陈明敏（041004103）

陈铭坤（041004104）

李丹郎（041004118）

所在学院化学化工学院

专业过程装备与控制工程

指导教师刘康林

日期 2011年10月20日

过程系统节能技术——夹点技术

陈明敏陈铭坤李丹郎

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。

关键词节能降耗；点技术；换热网络；水网络

1.1前言

过程工业也称流程工业，主要指化工、石油、冶金、建材等连续制造工业。过程工业是高能耗的产业部门，占工业总能耗的一半以上。因此，为了降低过程工业生产成本、合理利用资源，已从对单台设备的操作优化集成发展到对整个系统的集成优化, 即采用过程集成技术。在70 年代末，英国曼彻斯特大学BodoL innhoff教授及其同事于20世纪70年代末在前人研究成果的基础上提出的换热网络优化设计方法, 并逐步发展成为化工过程能量综合技术的方法论——夹点技术。

1.2夹点技术

夹点技术 ( Pinch technology ) 是十年来国际上诞生的新节能技术，它基于现代节能的火用分析理论 ( Exergy analysis )，同时又充分考虑设备状况、能量利用与回收、经济状况、系统关联的系统综合优化的节能技术。它不仅建立了完备的系统总体节能理论，更突出的是：它形成了一种可行、实用和有效的节能增效技术。它特别强调从系统全局出发，来进行节能与节约资金综合的系统诊断和优化。夹点技术能够直接应用于

能量利用与回收系统的规划、设计，尤其是节能改造，并能明确地指出可取得的节能经济效益，以及采用的具体节能改造方案。

1.3过程系统的用能特点

过程系统就是过程工业中的生产系统。所谓过程工业是指以处理物料流和能量流为目的行业，如炼油、石油加工、化工行业等。在过程工业的生产系统中，始终伴随着能量的供应、转换、利用、回收、生产、排弃等环节。例如，进料需要加热，产品需要冷却，冷、热物流之间换热构成了热回收换热系统，加热不足的部分就必须消耗加热工程提供的燃料或蒸汽，冷却不足的部分就必须消耗冷却工程所提供的冷却水、冷却空气或冷量；泵、风机和压缩机的运行需要消耗电力或由蒸汽透平直接驱动，等等。因此，过程系统的用能特点主要表现为加热、冷却、能量回收、蒸汽与动力供应这四个方面。

一个化工过程系统包括以下三个组成

部分：反应分离部分、换热部分和公用工

程部分，其设计过程可用图a 所示的“洋

葱模型”来表示。其各个部分间的设计是

相对独立的，如分离部分给公用工程部分

提出了所需的热量以及温度，而公用工程部分则把分离部分提出的需求当作是不能改变的，因此，各部分之间只是机械地结合在一起，没有形成一个有机的整体。

随着资源的相对匮乏特别是能源危机以及对环境保护的要求越来越高，对化工过程的设计提出了更高的要求，要求资源高效利用，能量消耗最少以及实现污染排放物最小。这使得设计的过程单元与单元之间的联系更加密切，系统的信息含量越来越多，反映在装置上即为其集成度越来越高。过程集成即是在这种背景下所产生的一个新的研究方向，因此，过程集成最 反应器 分离序列 换热器网络 公用工程 图a 洋葱模型

终目标是使得设计的过程效率最高——即实现多目标最优设计。

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，但两者无论在目标上还是在方法上都是有区别的。在新设计中应用夹点技术可降低操作成本30—50％，节省投资10—20％；在老厂技术改造中，降低操作成本20—30％，投资费用1—2年即可得到回收。世界上已有数千家企业的众多项目采用了夹点技术，取得了非常好的经济效益。夹点技术不仅用于节能，而且还可用于增产中解除“瓶颈”，减少环境污染等。

由于夹点技术能取得明显的节能和降低成本的效果，在各国正日益受到重视。现在国际上一些大公司在投标时，要求先进行夹点技术分析已成为必要条件。

1.4发展历史及应用状况

1.4.1发展历史。

70年代末：提出换热器网络中的温度夹点问题，指出夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收；

80年代：比较系统的阐述了用于换热网络综合的夹点技术并推广应用；90年代：提出全局夹点概念，将夹点技术应用范围扩大，包括了反应器、分离循环系统、换热网络和公用工程在内的整个系统。

1.4.2应用状况。

1.5夹点技术基本原理

1.5.1基本原理。

物流的热特性可以用温—焓图（T—H图）来很好的表示。温—焓图以温度T为纵轴，以热焓H为横轴。热物流线的走向是从高温向低温，冷物流线的走向是从低温到高温。物流的热量用横坐标两点之间的距离（即焓差ΔH）表示，因此物流线左右平移，并不影响其物流的温位和热量。

当一股物流吸入或放出dQ热量时，其温度发生dT的变化，则

dQ=CP·dT (2-1)

式中：CP—热容流率，单位为kW/℃。热容流率是质量流率与定压比热的乘积。

如果把一股物流从供给温度T S 加热或冷却至目标温度T T ，则所传的

总热量为： Q=∫CP •dT (2-2) 若热容流率CP 可作为常数，则

Q=CP(T T -T S )=ΔH (2-3)

这样就可以用温-焓图上的一条直线表示一股冷流被加热（图2-2(a)）或一股热流被冷却（图2-2(b)）的过程。CP 值越大，T-H 图上的线越平缓。图中的物流线具有两个特征：一是物流线的斜率为物流热容流率的倒数；另一特征是物流线可以在T-H 图上平移而并不改变其对物流热特性的描述。实际上，对于横轴H ，我们关注的是焓差—热量。

T t T s H （a ）冷流股

T t T s H （b ）热流股

图2-2 无相变的物流在T —H 图上的标绘 在过程工业的生产系统中，通常有若干股冷物流需要被加热，而又有另外若干股热物流需要被冷却，在T-H 图上，可分别用热复合曲线和冷复合曲线来表示多个热物流和多个冷物流。这就需要分别把各个热物流和冷物流的温焓线合并。

T

H )()

B )()A B

C ++)()A C +)()B T

T T T T T

（a ） （b ）

图2-3 热流的复合温焓线