4化工过程系统综合15162
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T/oC
a b
ΔT Ts A ΔH=Q H/kW
T-H图中的焓（H） 具有热流率的单位， 相当于物理化学中的 焓（kJ/kg）再乘以物 流的质量流量，其单 位为kW。
3
c d e f
a——无相变化的冷物流； b——无相变化的热物流； c——纯组分饱和液体气化； d——纯组分饱和蒸气冷凝； e——多组分饱和液体气化； f——多组分饱和蒸气冷凝。
18
3
4.4.1 热力学最小传热面积网络的综合
（1）根据热交换系统的给定条件（过程物流的质 量流量、输入温度、输出温度等），搜集有关的热力 学性质和物理性质（比热容、焓、汽化热等）； （2）在T-H图上标绘各物流，进而构造出热物流的 组合曲线和冷物流的组合曲线； （3）在T-H图上水平移动组合曲线，使热、冷物流 的组合曲线间传热温差的最小值不小于指定的最小允 许传热温差ΔTmin 。由此确定过程物流间最大的热交 换量。 （4）对已确定的最大热交换量，在T-H图上按照做 组合曲线相反的过程，得出热、冷物流间匹配关系， 由此得到热力学最小传热面积网络的结构。
20
4.4.3 夹点设计法
夹点设计法核心原则： （1）避免有热流量通过夹点； （2）夹点上方避免引入公用工程冷却物流； （3）夹点下方避免引入公用工程加热物流。 夹点处热、冷物流之间的传热温差最小，为了达 到最大的热回收（或需用最小的公用工程加热及冷却 负荷），必须保证没有热量通过夹点，表明夹点处是 设计工作中约束最多的地方，要先从夹点着手进行物 流间匹配换热设计，离开夹点后，约束条件减少，可 更灵活地选择换热方案，但应遵循尽可能减少换热设 备个数的设计原则，以减少设备投资费。
12
Ui Ti a ai
（4-3）
11
2
4.3.1 总组合曲线的绘制
1、根据表格法计算结果绘制； 2、图解法，即在T-H图上把热、冷组合曲线进一步合并 成总组合曲线。
T/oC
QH,min
I
步骤：
（1）按物流的虚拟温度分别作出热物流组合曲线 ABCD及冷物流组合曲线EFCGH，并水平移动至两 曲线夹点C； （2）过热、冷组合曲线的端点及折点引水平线， 划分出7个温度间隔； （3）在图中逐一读出各温度间隔界面处热流量； （4）按上一步骤得出的各界面温度下的热负荷值 ，作出总组合曲线EFA’B”C’G”H”D”。由于每一间 隔内热、冷物流的热容流率不变，折点之间皆为直线 相连，即在各间隔内热物流与温度为线性关系。
16
换热网络综合方法
（1）启发式经验规则法 （2）热力学目标法——夹点技术法 ①给定网络热回收温差HRAT，确定网络的最小 公用工程耗量及夹点位置； ②以夹点划分为两个子网络分别设计，然后合并 ，得到能耗最小的整体网络； ③采用能量松弛法，通过断开热负荷回路减少换 热单元数目，进行网络调优。 （3）数学规划法 （4）人工智能算法——遗传算法
2
4.1 过程系统夹点及其意义
4.1.1 温-焓图
在温-焓图（T-H图）上能够简明了地描述过程系 统中的工艺物流及公用工程的热特性。
T/oC Tt B
T-H 图类型
在T-H图上可以用一段线段或曲线描述物流 的换热过程，若给出该物流的初始温度、目标温 度及该换热过程的焓与温度的关系，就可以将该 过程标绘在T-H图上。
1 夹点技术
化工过程分析与合成
4 化工过程系统综合
2015~2016 学年 第 2 学期
夹点技术（pinch technology）是以热力学为基础 ，从宏观的角度分析过程系统中的能量流沿温度的分 布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给以“解 瓶颈”的一种方法。Linnhoff和Umeda分别提出了换 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。 世界许多著名工程公司采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。我国于上世纪80年代初，将夹点 分析方法用于原油预热系统的节能改造，而后用于全 过程系统的用能分析与调优，取得满意效果。
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换热网络设计步骤
（1）选择过程物流以及所要采用的公用工程加热 、冷却物流的等级； （2）确定适宜的物流间匹配换热的最小允许传热 温差或每一物流的最小允许传热温差贡献值，以及公 用工程加热与冷却负荷； （3）综合出一组候选的换热网络； （4）对上述网络进行调优，得出适宜方案； （5）对换热设备进行详细设计，得出工程网络； （6）对工程网络模拟计算，进行技术经济评价和 系统操作性分析。如不满意则返回第2步重复进行，直 到结果满意。
15
4.4 换热器网络综合
在许多过程工业中，一些物流需要加热，另一些 物流需要冷却。合理地把这些换热物流匹配在一起组 成换热网络，充分利用热物流去加热冷物流，提高系 统的热回收程度，尽可能地减少公用工程（蒸汽、冷 却水等）辅助加热和冷却负荷，对提高整个过程系统 的能量利用率，降低过程系统能耗具有重要意义。 换热网络的综合就是确定这样的换热网络：具有 最小的设备投资费用和操作费用，并能满足每一个过 程物流的工艺要求（从初始温度到目标温度）；具有 较好的柔性、操作性和可控性等。 换热网络费用来自：换热单元数、换热面积、公 用工程消耗。换热网络综合多以总费用最小为目标。
H/kW
4
图4-1 无相变冷热流T-H图
图4-2 不同类型物流T-H图
4.1.2 组合曲线
在一过程系统中有多股热物流和冷物流，在T-H 图上孤立地研究一个物流是研究工作的基础，更重要 的是把它们有机地组合在一起，同时考虑热、冷物流 间的匹配换热问题。 在T-H图上，多个热物流和冷物流可分别用热组 合曲线和冷组合曲线进行表达。
4.2.2 设计型夹点计算
改进各物流间匹配换热的传热温差及对物流工艺 参数进行调优，以得到合理的过程系统中热流量沿温 度的分布，从而减少公用工程负荷，达到节能目的。 各物流的传热温差贡献值实质上是该物流侧传热 的温差推动力，应具有一适宜值。 对于具有一个热肼（或热源）和多个热源（或热 肼）的情况，满足下式，则单位热负荷需的传热面积 最小。
8
4.1.5 夹点的意义
夹点具有两个特征：一是该处热、冷物流间的传 热温差最小，刚好等于ΔTmin ；另一是该处（温位）过 程系统的热流量为零。夹点意义如下： （1）夹点处热、冷物流间传热温差最小，为ΔTmin ，它限制了进一步回收过程系统的能量，构成了系统 用能的“瓶颈”，若想增大过程系统的能量回收，减 小公用工程负荷，就需要改善夹点，以“解瓶颈”； （2）夹点处过程系统的热流量为零，从热物流的 角度（或从温位角度），它把过程系统分为两个独立 的子系统。为保证过程系统具有最大的能量回收，设 计中应遵循三原则：夹点处不能有热流量穿过；夹点 上方不能引入冷却公用工程；夹点下方不能引入加热 公用工程。 9
4.2 过程系统夹点位置的确定
4.2.1 操作型夹点计算
确定现有过程系统中热流量沿温度的分布，热流 量等于零处即为夹点。 （1）全过程系统采用单一的ΔTmin ①收集过程系统中热、冷物流数据，包括热容流 率、初温、终温等； ②选择一最小允许传热温差初值ΔTmin，确定夹点 位置，并得到系统所需QH,min、QC,min； ③修正ΔTmin，直至QH,min、QC,min与现有过程系统 所需的热、冷公用工程负荷相符。 （2）采用现场过程中各物流间匹配换热的实际 10 传热温差
T/oC
夹点下方 夹点上方
B P D
ΔTmin
D C2
A C QC,min
Q
夹点
QR,max
QH,min H/kW
H/kW
图4-3 组合曲线构造过程
图4-5 在T-H图上描述夹点
6
1
来自百度文库
确定夹点位置步骤：
（1）根据给出的热、冷物流数据，在T-H 图上分别作出热物流组合曲线AB及冷物流组合 曲线CD； （2）热物流组合曲线置于冷物流组合2曲 线上方，并且两者在水平方向互相靠拢，当两 组合曲线在某处的垂直距离正好等于ΔTmin时 （图中PQ），则该处即为夹点。 凡是等于P点温度的热流体部位以及凡是等 于Q点温度的冷流体部位都是夹点，即从温位 来讲，热流体夹点的温度与冷流体夹点的温度 刚好相差ΔTmin。 7
21
4
过程系统的夹点位置确定之后，相应地在T-H图 上可得出下列信息： （1）该过程系统所需的最小公用工程加热负荷 QH,min及最小公用工程冷却负荷QC,min； （2）该过程系统所能达到最大热回收QR,max； （3）夹点PQ把过程系统分隔为两部分：一为夹 点上方，包含夹点温度以上的热、冷工艺物流，称热 端。热端仅需公用工程加热，也称为热肼；另一为夹 点下方，包含夹点温度以下的热、冷工艺物流，称冷 端。冷端仅需公用工程冷却，也称为热源。 选用的热、冷物流间匹配的最小允许传热温差 ΔTmin的大小，直接影响夹点的位置。 ΔTmin通常以过程系统总费用最小为目标优选。
14
P
D’’ H’’ G’’ G’
D’ H’ III II G
D H
C’’ C B A F’ E’
VI VII V
B’’ A’ F E
IV B’
QC,min
H/kW
图4-16 用作图法绘制总组合曲线
13
4.3.2 总组合曲线的意义
总组合曲线表达了温位与热流量的关系。夹点处 热流量为零，夹点以上为“热肼”，表示过程系统的 赤字，需公用工程补充热量，其端点焓值为最小热公 用工程用量；夹点以下为“热源”，表示为达到工艺 要求，过程系统多余的热量，需要被公用工程取走， 其端点焓值为最小冷公用工程用量。 总组合曲线的实质是在T-H图上描述过程系统中 热流量沿温度的分布，从宏观上形象描述了过程系统 中不同温位处的能量流，提供出在什么温位可以回收 能量的定量信息，从而最大限度地达到热量回收的目 的。
4.3 过程系统的总组合曲线
我们可以确定需要最小的公用工程加热及冷却负 荷的换热网络，化工过程常用可选公用工程： 热公用工程：蒸汽、热油、烟道气 冷公用工程：冷却水、冷却介质 如何选择较低品位的公用工程，常用的不是热、 冷物流组合曲线图，而是总组合曲线图。 总组合曲线就是过程系统中热流量沿温度的分布 在T-H图上的标绘，其中热流量为零处就是夹点。 总组合曲线是用于过程系统能量集成的一种有效 工具。
T/oC B C2 C1 A (a) C H/kW A (b) E C H/kW D T/oC B F A E C1 D T/oC F C1+ C2 (c)
5
4.1.3 T-H 图上描述夹点
在T-H图上可以形象、直观地表达过程系统的夹点位置。 为了确定过程系统的夹点，需要给出下列数据：所有过程物流 的质量流量、组成、压力、初始温度、目标温度，以及选用的 热、冷物流间匹配换热的最小允许传热温差ΔTmin。
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4.4.2 热力学最小传热面积网络的改进
（1）对于不同的传热系数和不同的单位传热面积费用， 应使各换热器的 / 值相近。对于具有一个热肼（或热 源）和多个热源（或热肼）的情况，此时单位热负荷所需的 传热面积最小。 （2）换热网络综合多以总费用最小为目标，影响总费用 因素主要有： 换热器数量、换热面积、单位换热面积费用、 传热过程总传热系数、公用工程消耗、操作性和可控性。 对于出现多次物流的分支、混合，以及存在小热负荷换热 器的情况，可在T-H图上把原来垂直分隔的区间给以适当的 合并，即可减少物流的分支与混合，并把小负荷换热器合并 到相邻的换热器上。
a b
ΔT Ts A ΔH=Q H/kW
T-H图中的焓（H） 具有热流率的单位， 相当于物理化学中的 焓（kJ/kg）再乘以物 流的质量流量，其单 位为kW。
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c d e f
a——无相变化的冷物流； b——无相变化的热物流； c——纯组分饱和液体气化； d——纯组分饱和蒸气冷凝； e——多组分饱和液体气化； f——多组分饱和蒸气冷凝。
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4.4.1 热力学最小传热面积网络的综合
（1）根据热交换系统的给定条件（过程物流的质 量流量、输入温度、输出温度等），搜集有关的热力 学性质和物理性质（比热容、焓、汽化热等）； （2）在T-H图上标绘各物流，进而构造出热物流的 组合曲线和冷物流的组合曲线； （3）在T-H图上水平移动组合曲线，使热、冷物流 的组合曲线间传热温差的最小值不小于指定的最小允 许传热温差ΔTmin 。由此确定过程物流间最大的热交 换量。 （4）对已确定的最大热交换量，在T-H图上按照做 组合曲线相反的过程，得出热、冷物流间匹配关系， 由此得到热力学最小传热面积网络的结构。
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4.4.3 夹点设计法
夹点设计法核心原则： （1）避免有热流量通过夹点； （2）夹点上方避免引入公用工程冷却物流； （3）夹点下方避免引入公用工程加热物流。 夹点处热、冷物流之间的传热温差最小，为了达 到最大的热回收（或需用最小的公用工程加热及冷却 负荷），必须保证没有热量通过夹点，表明夹点处是 设计工作中约束最多的地方，要先从夹点着手进行物 流间匹配换热设计，离开夹点后，约束条件减少，可 更灵活地选择换热方案，但应遵循尽可能减少换热设 备个数的设计原则，以减少设备投资费。
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Ui Ti a ai
（4-3）
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4.3.1 总组合曲线的绘制
1、根据表格法计算结果绘制； 2、图解法，即在T-H图上把热、冷组合曲线进一步合并 成总组合曲线。
T/oC
QH,min
I
步骤：
（1）按物流的虚拟温度分别作出热物流组合曲线 ABCD及冷物流组合曲线EFCGH，并水平移动至两 曲线夹点C； （2）过热、冷组合曲线的端点及折点引水平线， 划分出7个温度间隔； （3）在图中逐一读出各温度间隔界面处热流量； （4）按上一步骤得出的各界面温度下的热负荷值 ，作出总组合曲线EFA’B”C’G”H”D”。由于每一间 隔内热、冷物流的热容流率不变，折点之间皆为直线 相连，即在各间隔内热物流与温度为线性关系。
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换热网络综合方法
（1）启发式经验规则法 （2）热力学目标法——夹点技术法 ①给定网络热回收温差HRAT，确定网络的最小 公用工程耗量及夹点位置； ②以夹点划分为两个子网络分别设计，然后合并 ，得到能耗最小的整体网络； ③采用能量松弛法，通过断开热负荷回路减少换 热单元数目，进行网络调优。 （3）数学规划法 （4）人工智能算法——遗传算法
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4.1 过程系统夹点及其意义
4.1.1 温-焓图
在温-焓图（T-H图）上能够简明了地描述过程系 统中的工艺物流及公用工程的热特性。
T/oC Tt B
T-H 图类型
在T-H图上可以用一段线段或曲线描述物流 的换热过程，若给出该物流的初始温度、目标温 度及该换热过程的焓与温度的关系，就可以将该 过程标绘在T-H图上。
1 夹点技术
化工过程分析与合成
4 化工过程系统综合
2015~2016 学年 第 2 学期
夹点技术（pinch technology）是以热力学为基础 ，从宏观的角度分析过程系统中的能量流沿温度的分 布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给以“解 瓶颈”的一种方法。Linnhoff和Umeda分别提出了换 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。 世界许多著名工程公司采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。我国于上世纪80年代初，将夹点 分析方法用于原油预热系统的节能改造，而后用于全 过程系统的用能分析与调优，取得满意效果。
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换热网络设计步骤
（1）选择过程物流以及所要采用的公用工程加热 、冷却物流的等级； （2）确定适宜的物流间匹配换热的最小允许传热 温差或每一物流的最小允许传热温差贡献值，以及公 用工程加热与冷却负荷； （3）综合出一组候选的换热网络； （4）对上述网络进行调优，得出适宜方案； （5）对换热设备进行详细设计，得出工程网络； （6）对工程网络模拟计算，进行技术经济评价和 系统操作性分析。如不满意则返回第2步重复进行，直 到结果满意。
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4.4 换热器网络综合
在许多过程工业中，一些物流需要加热，另一些 物流需要冷却。合理地把这些换热物流匹配在一起组 成换热网络，充分利用热物流去加热冷物流，提高系 统的热回收程度，尽可能地减少公用工程（蒸汽、冷 却水等）辅助加热和冷却负荷，对提高整个过程系统 的能量利用率，降低过程系统能耗具有重要意义。 换热网络的综合就是确定这样的换热网络：具有 最小的设备投资费用和操作费用，并能满足每一个过 程物流的工艺要求（从初始温度到目标温度）；具有 较好的柔性、操作性和可控性等。 换热网络费用来自：换热单元数、换热面积、公 用工程消耗。换热网络综合多以总费用最小为目标。
H/kW
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图4-1 无相变冷热流T-H图
图4-2 不同类型物流T-H图
4.1.2 组合曲线
在一过程系统中有多股热物流和冷物流，在T-H 图上孤立地研究一个物流是研究工作的基础，更重要 的是把它们有机地组合在一起，同时考虑热、冷物流 间的匹配换热问题。 在T-H图上，多个热物流和冷物流可分别用热组 合曲线和冷组合曲线进行表达。
4.2.2 设计型夹点计算
改进各物流间匹配换热的传热温差及对物流工艺 参数进行调优，以得到合理的过程系统中热流量沿温 度的分布，从而减少公用工程负荷，达到节能目的。 各物流的传热温差贡献值实质上是该物流侧传热 的温差推动力，应具有一适宜值。 对于具有一个热肼（或热源）和多个热源（或热 肼）的情况，满足下式，则单位热负荷需的传热面积 最小。
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4.1.5 夹点的意义
夹点具有两个特征：一是该处热、冷物流间的传 热温差最小，刚好等于ΔTmin ；另一是该处（温位）过 程系统的热流量为零。夹点意义如下： （1）夹点处热、冷物流间传热温差最小，为ΔTmin ，它限制了进一步回收过程系统的能量，构成了系统 用能的“瓶颈”，若想增大过程系统的能量回收，减 小公用工程负荷，就需要改善夹点，以“解瓶颈”； （2）夹点处过程系统的热流量为零，从热物流的 角度（或从温位角度），它把过程系统分为两个独立 的子系统。为保证过程系统具有最大的能量回收，设 计中应遵循三原则：夹点处不能有热流量穿过；夹点 上方不能引入冷却公用工程；夹点下方不能引入加热 公用工程。 9
4.2 过程系统夹点位置的确定
4.2.1 操作型夹点计算
确定现有过程系统中热流量沿温度的分布，热流 量等于零处即为夹点。 （1）全过程系统采用单一的ΔTmin ①收集过程系统中热、冷物流数据，包括热容流 率、初温、终温等； ②选择一最小允许传热温差初值ΔTmin，确定夹点 位置，并得到系统所需QH,min、QC,min； ③修正ΔTmin，直至QH,min、QC,min与现有过程系统 所需的热、冷公用工程负荷相符。 （2）采用现场过程中各物流间匹配换热的实际 10 传热温差
T/oC
夹点下方 夹点上方
B P D
ΔTmin
D C2
A C QC,min
Q
夹点
QR,max
QH,min H/kW
H/kW
图4-3 组合曲线构造过程
图4-5 在T-H图上描述夹点
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确定夹点位置步骤：
（1）根据给出的热、冷物流数据，在T-H 图上分别作出热物流组合曲线AB及冷物流组合 曲线CD； （2）热物流组合曲线置于冷物流组合2曲 线上方，并且两者在水平方向互相靠拢，当两 组合曲线在某处的垂直距离正好等于ΔTmin时 （图中PQ），则该处即为夹点。 凡是等于P点温度的热流体部位以及凡是等 于Q点温度的冷流体部位都是夹点，即从温位 来讲，热流体夹点的温度与冷流体夹点的温度 刚好相差ΔTmin。 7
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过程系统的夹点位置确定之后，相应地在T-H图 上可得出下列信息： （1）该过程系统所需的最小公用工程加热负荷 QH,min及最小公用工程冷却负荷QC,min； （2）该过程系统所能达到最大热回收QR,max； （3）夹点PQ把过程系统分隔为两部分：一为夹 点上方，包含夹点温度以上的热、冷工艺物流，称热 端。热端仅需公用工程加热，也称为热肼；另一为夹 点下方，包含夹点温度以下的热、冷工艺物流，称冷 端。冷端仅需公用工程冷却，也称为热源。 选用的热、冷物流间匹配的最小允许传热温差 ΔTmin的大小，直接影响夹点的位置。 ΔTmin通常以过程系统总费用最小为目标优选。
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D’’ H’’ G’’ G’
D’ H’ III II G
D H
C’’ C B A F’ E’
VI VII V
B’’ A’ F E
IV B’
QC,min
H/kW
图4-16 用作图法绘制总组合曲线
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4.3.2 总组合曲线的意义
总组合曲线表达了温位与热流量的关系。夹点处 热流量为零，夹点以上为“热肼”，表示过程系统的 赤字，需公用工程补充热量，其端点焓值为最小热公 用工程用量；夹点以下为“热源”，表示为达到工艺 要求，过程系统多余的热量，需要被公用工程取走， 其端点焓值为最小冷公用工程用量。 总组合曲线的实质是在T-H图上描述过程系统中 热流量沿温度的分布，从宏观上形象描述了过程系统 中不同温位处的能量流，提供出在什么温位可以回收 能量的定量信息，从而最大限度地达到热量回收的目 的。
4.3 过程系统的总组合曲线
我们可以确定需要最小的公用工程加热及冷却负 荷的换热网络，化工过程常用可选公用工程： 热公用工程：蒸汽、热油、烟道气 冷公用工程：冷却水、冷却介质 如何选择较低品位的公用工程，常用的不是热、 冷物流组合曲线图，而是总组合曲线图。 总组合曲线就是过程系统中热流量沿温度的分布 在T-H图上的标绘，其中热流量为零处就是夹点。 总组合曲线是用于过程系统能量集成的一种有效 工具。
T/oC B C2 C1 A (a) C H/kW A (b) E C H/kW D T/oC B F A E C1 D T/oC F C1+ C2 (c)
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4.1.3 T-H 图上描述夹点
在T-H图上可以形象、直观地表达过程系统的夹点位置。 为了确定过程系统的夹点，需要给出下列数据：所有过程物流 的质量流量、组成、压力、初始温度、目标温度，以及选用的 热、冷物流间匹配换热的最小允许传热温差ΔTmin。
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4.4.2 热力学最小传热面积网络的改进
（1）对于不同的传热系数和不同的单位传热面积费用， 应使各换热器的 / 值相近。对于具有一个热肼（或热 源）和多个热源（或热肼）的情况，此时单位热负荷所需的 传热面积最小。 （2）换热网络综合多以总费用最小为目标，影响总费用 因素主要有： 换热器数量、换热面积、单位换热面积费用、 传热过程总传热系数、公用工程消耗、操作性和可控性。 对于出现多次物流的分支、混合，以及存在小热负荷换热 器的情况，可在T-H图上把原来垂直分隔的区间给以适当的 合并，即可减少物流的分支与混合，并把小负荷换热器合并 到相邻的换热器上。