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。

112　曲线在有多股冷流股被加热的情况下就要用到“组合曲线”来表示。

由式(3)可以看到,热负荷只与热焓H的相对值ΔH有关,也就是说,在图1上,T轴是有连续性的,而H轴则只有相对性,TH图可以沿H轴平行移动而效果不变。

根据这一特点就可以把多个TH图合并为一根组合曲线,如图2所示。

Ξ马连强:2004年毕业于大连理工大学化学工程专业,获硕士学位。

主要从事化工工艺系统设计工作。

联系电话:(029) 82238189-3225,E-mail:Malianqiang@1631com。

图2　从TH图到组合曲线图2表示热容流率分别为A、B和C的三股冷流股如何合并为一根冷组合曲线。

在T1与T2温度之间只有一股冷流股吸收热量(T1-T2)・B=ΔH1,所以这一段斜率不变。

在T2与T3温度之间有三股冷流股吸收热量(T2-T3)・(A +B+C)=ΔH2,于是组成组合曲线时要改变斜率,即在纵轴上两个端点不变,而横轴上要把原来三股冷流股在H轴上的投影叠加起来,构成组合曲线的第二段。

按此方法,即可形成每个温度区间的线段,完成组合曲线。

图2中(A)图表示合并前的三条TH图,(B)图表示完成的冷组合曲线。

上述TH图和组合曲线的概念同样适用于热流股。

113　夹点在利用夹点技术设计换热网络时,要给定一个最小传热温差ΔT min,这是在整个换热网络中所允许出现的最小传热温差,是进行换热网络设计的前提,最小传热温差ΔT min通常为10～20℃。

把冷组合曲线和热组合曲线表示在一个图上,热组合曲线在左上方,冷组合曲线在右下方,然后沿H轴平移冷组合曲线使之靠近热组合曲线,在这个过程中各部位的传热温差ΔT逐步变小,直到最后某一部位的传热温差ΔT=ΔTmin。

传热温差为ΔT min的位置称为“夹点”,如图3所示。

夹点处热流股的温度称为热夹点温度,夹点处冷流股的温度称为冷夹点温度。

图3的物理意义非常明显,对于一个给定的ΔTmin,可以找到一个夹点。

图的右上角表示至少要由热公用工程提供Q H,min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 C,min的冷却量才能将热流股冷却到目标温度,中间重叠部分表示通过换热最大可回收图3　TH图上夹点的意义的热量Q R,max。

2　设计换热网络的原则通过对图3的分析,可以看到在夹点处可将整个换热网络分解成夹点之上和夹点之下两个子系统,夹点之上的子系统只有外部加热和内部换热,没有任何热量流出,是个”热阱”系统;夹点之下的子系统只有外部冷却和内部换热,没有任何热量流入,是个”热源”系统,如图4所示。

图4　在夹点处将换热网络分为两个子系统假如有一定量的热量自热阱系统进入热源系统,根据热量衡算,不但在热阱系统需要多消耗同样量的热公用工程,而且在热源系统也多消耗同样量的冷公用工程;如果在夹点之上的热阱系统设置冷却器,冷却器取出的热量必然要由热公用工程额外输入,这样既浪费了热公用工程,又浪费了冷公用工程,还浪费了设备投资;同样如果在夹点之下的热源系统设置加热器,这部分热量对系统并无好处,还要用冷公用工程来取出,浪费冷、热公用工程的同时还增加了设备投资。

由此我们得出夹点技术设计换热网络的原则为:(1)不要有跨越夹点的传热。

(2)不要在夹点以上设置任何公用工程冷却器,这意味着夹点之上所有的热流股都应依靠与冷流股换热达到夹点温度,而冷流股可以用加热器加热到目标温度。

(3)不要在夹点以下设置任何公用工程加热器,这意味着夹点之下所有的冷流股都应依靠与热流股换热达到夹点温度,而热流股可以用冷却器冷却到目标温度。

3　实例通过一个简单的例子来描述利用夹点技术设计换热网络的过程。

假如一个换热网络有两股热流股和两股冷流股构成,有关参数如表1所示。

表1　流股参数流股编号流股类型热容流率(kW/℃)供给温度(℃)目标温度(℃)1冷210201352热310170603冷410801404热11515030311　确定夹点温度及冷、热公用工程消耗分别完成冷、热组合曲线,给定ΔT min 为10℃,确定夹点温度及冷、热公用工程消耗,如图5所示。

图5　确定夹点温度以及冷、热公用工程负荷热夹点温度为90℃,冷夹点温度为80℃,这就意味着温度高于90℃的热流股的热量为可回收热量,不可用冷却器冷却而要用温度高于80℃的冷流股冷却;温度低于80℃冷流股不可用加热器加热,要用温度低于90℃的热流股加热。

同时还可以由图5看到热公用工程最少消耗20kW ,冷公用工程最少消耗60kW ,最大可回收热负荷为450kW 。

本设计方法的特点是将系统在夹点处分解,从夹点起始向两头设计,该换热网络分解为两个子系统后如图6所示。

图6　在夹点处分为两个子系统312　夹点之上子系统的设计由于在夹点之上不可设置冷却器,这就意味着所有的热流股均要靠与冷流股换热达到夹点温度,而冷流股则可以靠热公用工程加热到目标温度。

从夹点出发,把冷、热流股匹配成换热器,在匹配的过程中需要遵守以下原则:(1)所有的热流股在夹点处只能和那些热容流率比自己大或相等的冷流股匹配。

(2)最大限度地满足两流股中的一股,使这一股的热量完全用尽。

(3)在夹点以上要首先满足热流股,因为冷流股不满足可以增设加热器。

根据以上原则设计出的夹点以上换热网络如图7所示。

图7　夹点之上子系统的设计流股2在夹点之上有240kW 热量需要取出,正好被流股3所吸收,这只是一种巧合。

流股4有90kW 热要求冷却,流股1只能用这部分热量由80℃加热到125℃,还剩下从125℃至135℃的热量(20kW )需要用热公用工程来加热。

313　夹点之下子系统的设计由于在夹点之下不可设置加热器,这就意味着所有的冷流股均要靠与热流股换热达到夹点温度,而热流股则可以靠冷公用工程冷却到目标温度。

从夹点出发,把冷、热流股匹配成换热器,在匹配的过程中需要遵守以下原则:(1)所有的冷流股在夹点处只能和那些热容流率比自己大或相等的热流股匹配。

(2)最大限度地满足两流股中的一股,使这一股的热量完全用尽。

(3)在夹点以下要首先满足冷流股,因为热流股不满足可以增设冷却器。

根据以上原则设计出的夹点以下换热网络如图8所示。

图8　夹点之下子系统的设计先把流股2的90kW 热量传给流股1所吸收,这部分热量把流股1由35℃加热到80℃,再用流股4的热量把它从20℃加热到35℃,但流股4尚有60kW 的热量需要用冷却器冷却。

最后,综合的网络如图9所示。

图9　整个换热网络的综合结果4　换热网络的优化换热网路的优化首先要确定科学的目标函数,目标函数一般是能源费用和投资费用的最优组合,也就是总费用最小。

换热网络优化是基于换热器负荷的重新分配,一些换热器可能变大,一些可能变小,还有一些换热器可能从设计中完全除掉。

换热网络的优化一般从热负荷回路和公用工程路径处着手。

所谓的热负荷回路就是指从一个换热器或流股出发,不重复地沿换热器和路径走下去,可以再次回到出发点的闭合的换热器和流股的序列。

公用工程路径指从一个公用工程流股出发,不重复地沿换热器和路径走下去,可以到达另外一种公用工程流股的换热器和流股的序列。

如图9中换热器2、流股4、换热器4和流股1就组成了一个热负荷回路,冷却器C 、流股4、换热器4、流股1和加热器H 就组成了一个公用工程路径。

在热负荷回路中通过重新分配热负荷可以减少换热器的数目,这种调整是不改变公用工程消耗的。

如图9,我们可以把换热器4的30kW 的换热负荷转移到换热器2上而省掉换热器4,这样虽然违背了最小传热温差ΔT min 的原则,也许增加了传热面积,但省掉了一个换热器,可以通过目标函数决定这种优化的可行性。

在公用工程路径中通过重新分配热负荷也可以减少换热器的数目,但这种调整会改变公用工程消耗。

同样如图9,可以把冷却器C 和加热器H 的热负荷同时增加30kW 而省掉换热器4,这样也可以减少一个换热器,这样调整增加了公用工程消耗,优化的可行性同样需要目标函数来确定。

5　结语本文简单叙述了夹点技术设计换热网络的基本原理和过程,实际换热网络的设计是很复杂的,比如有时两个流股存在合理的传热温差,但因为泄漏会引起严重的后果就不可以匹配在一个换热器中;有时两个流股相距太远,铺设太长的管道也是不经济的等等。

另外还可能在设计过程中碰到门槛问题、多夹点问题、流股分流、热功集成等问题,这些都需要在设计过程具体分析。

参　考　文　献1　杨友麒编著1实用化工系统工程1第一版[M ]1北京:化学工业出版社,19891112　R 1Smith [英]1化工过程设计[M ]1第一版1北京:化学工业出版社,200217(收稿日期　2005-09-14)。