换热网络优化——夹点理论
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。
夹点技术
夹点技术夹点技术(Pinch Technology，pinch又译作夹点、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。
1夹点技术基本原理简介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。
冷、热物流间的换热量与公用工程耗量的关系可用温-焓(T-H)图表示，见图1多股冷、热物流在T-H图上可分别合并为冷、热物流复合曲线，两条曲线在H轴上投影的重叠部分即为冷、热物流间的换热量，不重叠部分即为冷热公用工程耗量。
当两曲线在水平方向上相互移近时，热回收量QX增大，而公用工程耗量QC和QH减小，各部位的传热温差也减小。
当曲线互相接近至某一点达到最小允许传热功当量温差△Tmin时，热回收量达到最大(QX，max)，冷、热公用工程髦量达到最小(QC，min，QH，min)，两曲线运动纵坐标最接近的位臵叫作夹点。
为了使公用工程消耗最小，设计时需遵循以下三个基本原则：1）尽量避免热量穿过夹点；2）在夹点上方（或称热端），尽量避免引入公用工程冷却物流；3）在夹点下方（或称冷端），尽量避免引入公用工程加热物流。
2夹点分析法应用步骤夹点分析法是一种分析过程系统中换热器间换热效果及取得最大能量回收的综合分析方法。
采用该方法解决问题时，不管是新工程还是旧工程，其改造项目一般都应遵循以下步骤:(1)列出工程中的冷、热流股及公用工程流股冷流股是指在公用工程中需要加热升温的物流；热流股则是指需要冷却降温的物流，例如储存前需要冷却的化工产品；公用工程流股是指当冷热流股间的热交换不经济或不能实现时，用来加热、冷却冷热流股的物流。
利用夹点技术分析优化换热网络
冷物流组合曲线 (曲线 EFGH) . 物流的热量变化量 用横坐标两点间的焓差Δ H 表示 , 冷热物流组合曲 线沿 H 轴平移 ,不改变物流的温位和热量变化量.
图 1 冷热物流温 - 焓图
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Δ Tmin , 这是在整个换热网络中允许 出现的最小传热温差. 在温 - 焓图上 , 热物流组合 曲线在左上方 , 冷物流组合曲线在右下方 , 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Δ T 逐步变小 , 直到最后某一 部位的传热温差Δ T = Δ Tmin , 该处即为“夹点”, 此 处的热通量为零. 图 1 中的物理意义非常明显 ,对于 一个给定的Δ Tmin , 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
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
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
热网络
0.0507 Q
情况（b）： CPH=CPC
热物流的热力学平均温度仍为TH=352.9 K 冷物流的热力学平均温度为
TL
(273 80) (273 60) ln 273 80
342.9K
273 60
该传热过程的有效能损失为
LW
293 (352.9 342.9)Q 0.0242Q 352.9 342.9
夹点之上是热端，只有换热和加热公用工程， 没有任何热量流出（热阱）；
夹点之下是冷端，只有换热和冷却公用工程， 没有任何热量流入（热源）；
在夹点处，热通量为零 ΔT min增大，QH, min、QC min 增大
设计原则： （1）夹点之上不应设置任何公用工程冷却器； （2）夹点之下不应设置任何公用工程加热器； （3）不应有跨越夹点的传热。
补充：总组合曲线
在T-H图上描述过程系统中的热流量沿温度的 分布，热流量为零处就是夹点
总组合曲线的意义 描述热流量沿温度的分布； 需要补充热量的温位； 可以回收热量的温位
换热网络设计目标
能量目标 最小加热公用工程量和最小冷却公用工程量 能量目标随夹点温差而变 ΔT min增大，QH, min、QC min 增大，且增量相等
换热的一对冷热物流的一端都与夹点直接相连夹点匹配非夹点匹配如果实际物流数目不能满足则应分流或增加加热器9080dt小于tmin只好采用公用工程冷却物流违反基本基本准则如果实际物流数目不能满足则应分流或增加冷却器90dt80或90dt80均小于tmin只好采用公用工程加热物流违反基本原则3夹点之上cph夹点之下cphcp403020100cp20203020100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经验规则2应尽量选择热容量流率相近的冷热流体进行匹配换热使得换热器在结构上相对合理且在相同的热负荷及相同的有效能损失下其传热温差最大情况a
换热网络集成与优化研究进展_王彧斐
第30卷第3期 化学反应工程与工艺 V ol 30, No 3 2014年6月 Chemical Reaction Engineering and Technology June 2014 收稿日期：2014-02-24；修订日期：2014-04-16。
作者简介：王彧斐（1986—），男，讲师；冯 霄（1953—），女，教授，通讯联系人。
E-mail ：xfeng@ 。
基金项目：973项目（2012CB720500）；国家自然科学基金项目（21276204和20936004）。
文章编号：1001—7631 ( 2014 ) 03—0271—09换热网络集成与优化研究进展彧王斐，冯 霄（中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京 102249）摘要：首先回顾了上世纪80年代初期提出的以夹点技术和数学规划法为代表的经典换热网络集成优化方法，进而分别论述了近期换热网络集成优化的主要进展，包括考虑压降、结垢和换热器详细设计等实际问题的换热网络集成优化方法；针对不断升级的环境问题，考虑全生命周期分析、二氧化碳捕集和水系统的换热器网络集成优化方法；以及为进一步提升能量利用效率，将换热网络的边界扩展至多个装置，甚至工业园区的能量系统优化方法。
最后展望了今后换热网络集成优化的发展趋势与方向。
关键词：换热网络 夹点技术 数学规划法中图分类号：TQ021.8 文献标识码：A换热网络的优化是过程工业中节能的重要途径，在全世界范围内已取得显著的节能效果和经济效益。
随着节能工作的不断深入，换热网络的优化方法也在不断完善。
在近40年间相继报道了大量关于换热网络优化的研究，其中夹点技术和数学规划法的应用最为广泛。
1 以夹点技术为基础的换热网络优化方法夹点技术是由Linnhoff 等[1]基于热力学原则提出的启发式方法，通过设定系统的最小传热温差（∆T min ），采用问题表法和负荷曲线将换热网络分割成夹点之上和夹点之下两个子系统，夹点之上的系统可以被认为是一个纯热阱，夹点之下的系统可以被认为是一个纯热源，通过此方法可以得出换热网络的最小公用工程用量。
夹点法设计能量最优的换热网络——李俊乾
240.0
262.5 225.0
问题表格（1） 子网络序号 冷物流及其温度 k C1 C2 SN1 SN2 SN3 SN4 热物流及温度 H1 H2
150 125 145 100 70 40 120 90 60
SN5
SN6
25
20
问题表格（2）
子网络 序号 赤字Dk kW 热量 kW 热量 kW
◆ 热容流率符合可行性规则2：
CPH<CPC
(热流股热容流率2.0, 冷流股热容流率 2.5、3.0)
◆ 按经验规则，应使热流股1与冷流股1匹配。
夹点热端的流股匹配
（2）冷端的设计
分析：
◆ 流股数符合规则1：
NH ≥ NC
CPH ≥ CPC
(热流股数 2，冷流股数2)
◆ 热容流率不符合规则2：
(热流股热容流率2.0、8.0， 冷流股热容流率 2.5、3.0)
目标 热负荷 kW Q 180.0 240.0 262.5 225.0
标号
流率
kW/ oC CP
温度
oC
温度
oC
Ts 150 90 20 25
Tt 60 60 125 100
H1 H2 C1 C2
2.0 8.0 2.5 3.0
（1）热端的设计
分析：
◆ 流股数符合可行性规则1：
NH <NC
(热流股数 1，小于冷流股数2)
无外界输入热量 Ik Qk 10 -2.5 -107.5 27.5
外界输入最小热量 Ik 107.5 117.5 105.0 0 Qk 117.5 105.0 0 135.0
SN1 SN2 SN3 SN4
－10 12.5 105.0 -135.0
夹点温度合成换热网络的理解
)(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着。
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。
夹点技术基础理论
表 5-12
问题表格(1)
子网络序号
k 1
冷物流及其温度
C1 C2 ℃ 140 135
热物流及其温度
H1 H2
2 110 3 85 4 55 5 50 6 35 7 30
表 5-13
问题表格(2) 热 Ik 0 10 -2.5 -90 45 27.5 -55 流 Ok 10 -2.5 -90 45 27.5 -55 -67.5 量 / kW Ik Ok 90 100 87.5 0 135 117.5 35 100 87.5 0 135 117.5 35 22.5
问题表格2 表 5-4
子网络 序 号 赤
问题表格(2)
字
热量/kW 无外界输入热量
△Tmin = 20 ℃
热量/kW 外界输入最小热量
Dk / kW
Ik
Ok
Ik
Ok
SN1 SN2
SN3 SN4 SN5 SN6
-10.0 12.5
105.0 -135.0 82.5 12.5
0 10.0
-2.5 -107.5 27.5 -55.0
多个热源与多个热阱匹配换热：
hj aj T j
j— 第j个物流 找到一参照物流r，则：
T j
hr a j h j ar
Tr
每一物流的传热温差贡献值都确定以后，按5.2.1节介绍的操作 型夹点计算步骤进行夹点计算，确定改进后的夹点位置，进行 热回收系统的设计。
5.3 过程系统的总组合曲线
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=6，（温度间隔为25～20 ℃)
D 6= 2.5 ×( 25－20) = 12.5
夹点分析法在换热网络优化中的应用
子网络 Dk ( kW)
SN1 - 40 SN2 60 SN3 70 SN4 - 99 SN5 - 30 SN6 - 131. 5 SN7 32. 5
热量 (kW)
无外界输入
输入最小值
Ik
Ok
Ik
Ok
0
40
90
130
40
- 20
130
70
- 20
- 90
70
0
- 90
9
0
99
2002 年 1 月 天 津 化 工 3 7
(1) 选择每个换热器的热负荷等于该匹配的冷 、 热物流中热负荷较小者 ,使其只需一次匹配换热就 可以由初始温度达到目标温度 ,这样可使所需换热 设备数目最小 ,节约了投资费用 。
(2) 尽量使热容流率值相近的冷 、热物流进行匹 配换热 ,这样在满足最小传热温差ΔTmin的约束条件 下 ,传热过程的不可逆性最小 ,对相同热负荷情况下 传热过程的有效能损失最小 网络计算如下 : k = 1 , 对热物流温度间隔为 ,260～240 ℃
D1 = I1 - O1 = (0 - 2) (260 - 240) = - 40 说明该子网络有剩余热量 40 kW。 以此类推 ,可以分别求出剩下的 6 个子网络的 值 ,于是可以建立如下的问题表格 :
例如 ,一个有 4 股物流的换热网络 ,物流原始数 据见表 1 。假使给定的 △Tmin为 20 ℃。
表 1 物流的原始数据
物流标号 H1
初始温度 ( ℃) 260
目标温度 ( ℃) 138
热容流率 (kW/ ℃)
2. 0
H2
160
93
8. 0
C1
换热器网络优化
石油二厂南蒸馏原油换热网络优化设计摘要李晓楠辽宁石油化工大学顺华能源学院中国石油将增加投入，推进化工企业节能节水型企业建设，并计划到2010年，全面实现国家节能减排指标。
排技术水平，按计划、有步骤地使用在一批节能项目上。
目前，已与国内外相关专业公司签订节能减排，规划的修订方案，进一步提高了化工企业的节能节水和减排的标准要求，相关指标更加明确。
化工行业要按照国家发改委的要求和属地管理原则，加强跟踪、评价和指导，为政府节能减排提供技术支持和咨询，用技术进步推动化工节能减排。
本文针对换热嚣网络的动态特性研究做了简要夼绍。
并对这些系统的节能也有一定的帮助。
最后指出了挺热器网络研究的发展方向。
文章介绍了夹点技术的原理，对夹点技术在国内外的研究进行了综述，夹点技术是一种十分有效和实用的过程集成技术。
并对其在国内的发展趋势进行了展望。
介绍了夹点技术设计的基本概念及设计原则．以标定数据为基础，运用夹点技术对某炼油厂南蒸馏换热网络进行优化分析，经济评价结果表明优化后的换热网络节能效果较好。
关键词：夹点技术；换热器网络；换热器同络；优化；夹点技术过程工程换热网络优化综合；换热器网络；夹点算法。
The Optimal Design of Heat Exchanger Network At Crude Oil Of The South Distillation WorkshopAbstractPetroChina to increase investment, promote the chemical industry energy saving enterprises to build, and has plans to 2010, the full realization of the national energy saving targets. Row technical level, as planned, systematic use in a number of energy-saving projects. Currently, the company has signed with domestic and foreign professional energy saving, planning package to enhance the chemical industry energy and water saving and emission reduction standards, relevant indicators more clearly. Chemical industry in accordance with the requirements of the State Development and Reform Commission and the principle of territorial management and to strengthen the tracking, evaluation and guidance to energy saving for the Government to provide technical support and advice, with technological progress to promote the chemical energy saving. In this paper, the dynamic characteristics of heat exchanger networks clamor of a brief dakuang Shao. And energy of these systems also have some help. At last, the very heat of the development network. This paper introduces the principles of pinch technology, on pinch technology study at home and abroad were reviewed, pinch technology is a very effective and practical process of integration technology. And its development trend in China were reviewed. Pinch Technology introduces the basic concepts of design and design principle. To calibration data, the use of pinch technology distillation of a refinery in Southern analysis of heat exchanger network optimization, economic evaluation showed that the optimized heat exchanger network better in energy saving.Keywords: Pinch technology; exchanger network; with contact heat exchanger; optimization; pinch technology Process Engineering integrated heat exchanger network optimization; exchanger network; pinch point algorithm.目录前言1 文献综述1.1能源与国民经济的关系1.2 石化企业节能1.3 换热网络综合1.3.l换热网络中简单热负荷回路的断开1.3. 2换热网络中特殊热负荷回路的断开1.3.3流程模拟技术的应用1.4实际化工换热网络的设计1.4.1最初设计的换热网络的用能诊断1.4.2新设计的换热网络1.5 夹点技术在现有过程工程系统改造中的优化综合1.6 夹点技术的发展及应用2设计部分2.1夹点技术详细介绍2.1.1 夹点技术的基本原理2.1.2 夹点技术设计的可行性经验规则原则2.1.3 夹点的计算2.2原网络的数据及设计方案2.2.1原换热网络的数据汇总及流程图2.2.2原换热网络换热器、冷却器数据2.3对原始网络进行夹点的计算2.3.1 作问题表格2.3.2 利用问题表格求夹点2．4 利用夹点经验规则进行热匹配2.5 新网络的热负荷衡算2.6设计结果对比3 结论致谢参考文献前言当前，实现节能减排目标面临的形势十分严峻。
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。
换热网络优化——夹点理论
A21
Yibin University
2013-7-22
2009年度宜宾学院化工学院课程 T ℃
积累焓H kW
化工过程分析与合成
热流 40 70 115 150 180 冷流 30 60 105 140 180
H0=0 H1＝（2+4 ） （70－40）＝180 H2＝（2+4 ） （115－70）＝270 H3＝（2+4 ） （150－115）＝210 H4＝2（180－150）＝60 H０＝1000 H1＝2.6（60－30）＝78 H２＝（3+2.6） （105－60）＝252 H３＝3（140－105）＝105 H４＝3（180－140）＝120
A4
Yibin University
2013-7-22
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
二、 夹点的概念
表7-2的第4列、第5列表示 公用工程消耗最小时，高温 区与低温区之间以及与环境 从图7-3中可以直观地看到温区 之间热量流动。这种热量流 之间的热量流动关系和所需最 动可以用温区热流图来表示 小公用工程用量。
SN1 30kW SN2
0
SN3 SN4 105kW 123kW
其中SN2和SN3间的热量流动为 零，表示无热量从SN2流向SN3 。这个热流量为零的点称为夹 点。 对热物流来说，此点为150℃， 对于冷物流来说，此点为140℃
第五章----夹点技术的基础理论
产品 反应器出口流股 进料 循环流股
冷热物流间匹配换热的最小传热温差ΔT min=20
T
热物流组合曲线T
T/ºC
T/ºC
270 °
=1 8
270 °
CP
= 1 8
220 ° 160 °
P C 22
220 ° 160 °
P C = 22
P C
=
8 1
C 2
P H
40 = CP
=
H1
60 °
3520
1980 H
表 4-4 O =I -D 问题表格 (1) △Tmin = 20 ℃ 输出=输入 -赤字 k k k (k =1、2、3 、4、…..K) 子网络序号 第 k 级的热平衡 冷物流及其温度 热物流及其温度 D k=（∑CPC- ∑CPH ）(T k-T k+1) 输出 k C1 C2 /℃ = 输入 H1 - 赤字 H2 /℃ k=1，（温度间隔为 150～145 ℃) 150 SN1 Ok=I k-D k 125 145 (150 －145) = -10 SN2 D 1=（0－2) × D k=（∑CPC- ∑CPH ）(T k-T k+1) 100 120 SN3 赤字：该子网络为满足热平衡时所需要外加的 （负赤字表示有剩余热量 70 10kW 90 ） SN4 40 60 I 1 = 0 净热量。正值，表示该子网络需要由外部供热 （无外界输入热量） SN5 ；负值，表示该子网络有剩余热量可输出 25 O = I － D = 0 － (-10) = 10 1 SN6 1 1 20 O1为正值，说明子网络 1(SN1) 有剩余热量供给子网络2(SN2)
C
冷组合曲线
最小热公用工程 QH,min=1000kW 最小冷公用工程 QC,min=800kW
换热网络综合
8.1 过程系统的夹点及其意义
T
TH ,0
T TH ,P
TC ,2
H ,1
Tm in
TC ,1
TC ,0
QE ,m a x
H
QC ,m in
QH ,m in
ΔT =ΔT min
公用工程最省的换热方案
夹点的意义
1. 夹点上方无需公用工程冷却 2. 夹点下方无需公用工程加热 3. 夹点处无换热
8.3 换热器网络的综合
设计的主要步骤
1. 确定冷、热物流的数目 2. 确定互相匹配的物流
夹点匹配可行性规则一
夹点上方（热阱）热物流数（包括分支）NH应不大于
冷物流数（包括分支）NC，即NH≤ NC；夹点下方则应
有NH≥NC。
>90
90
H1
H1若与C1匹配传热则末
端传热温差低于ΔT min
H2
2 >90
例 一个过程系统含2个工艺热流和2个工艺冷流，给定它们数
据如下表，选取最小传热温差ΔT min=20°C ，试设计一个换热 网络，使其具有最大热回收。
流股标号
热容流率 CP/(kW/°C)
H1
2.0
H2
8.0
C1
2.5
C2
3.0
初始温度 Ts/°C 150
90
20
25
目标温度 Tt/°C 60
60
125
SN1 -10.0
0
10.0
SN2
12.5
10.0
-2.5
SN3 105.0 -2.5
-107.5
SN4 -135.0 -107.5
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
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。
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]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
Yibin University 2020/1/19
A8
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
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
A15
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
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。
Yibin University 2020/1/19
A4
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
Yibin University 2020/1/19
A2
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
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。
实际进行换热网络设计时，需要在某方面做出 牺牲，以获得一个折衷的方案。
区传递的热量，或表示从外部的加热器获得的热量；
Ｑi －从第i个温区输出的热量。这个量或表示传递给第
i+1个子温区的热量，或表示传递给外部冷却器的热量。
Yibin University 2020/1/19
A14
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
3. 设第一个温区从外界输入的热量I1为零，则该温区的热量 输出Q1为：
H０＝1000 H1＝2.6（60－30）＝78 H２＝（3+2.6）（105－60）＝252 H３＝3（140－105）＝105 H４＝3（180－140）＝120
0 180 450 660 720
1000 1078 1330 1435 1555
Yibin University 2020/1/19
对于冷物流，取所有冷物流中最低温度T，设在T时的 H=HC0（HC0 ＞HH0），以此作为焓基准点。从T开始 向高温区移动，计算每一个温区的积累焓，用积累焓 对T作图，得到冷物流的组合曲线
Yibin University 2020/1/19
A20
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
(
FCp) C.i
]Ti
温度区间具有以下特性：
可以把热量从高温区间内的任何一股热物流传给低温区 间内的任何一股冷物流。
热量不能从低温区间的热物流向高温区间的冷物流传递
Yibin University 2020/1/19
A11
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
例7-1 最小允许温差△Tmin为10 ℃，划分温度区间 * 将热物股的初、终温度分别减去△Tmin后，与冷物流的初
H Qi (T终 T初) FCpi
冷物流或热物流的热量与温差的关系可以用T－H图上 的一条曲线表示，称之组合曲线
Yibin University 2020/1/19
A19
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
T-H图上的焓值是相对的。基准点可以任何选取
对于热物流，取所有热物流中最低温度T，设在T时的 H=HH0，以此作为焓基准点。从T开始向高温区移动， 计算每一个温区的积累焓，用积累焓对T作图，得到热 物流的组合曲线
第一定律计算算法没有考虑一个事实，即：只有热物 流温度超过冷物流时，才能把热量由热物流传到冷物 流。
因此所开发的任何换热网络既要满足第一定律，还要 满足第二定律
Yibin University 2020/1/19
A9
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
7.3.2 温度区间
首先根据工程设计中传热速率要求，设置冷、热物流
夹点（Pinch Point ）概念以及夹点设计法的建立 人工智能方法的建立
Yibin University 2020/1/19
A7
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
7.3 换热网络合成—夹点技术
7.3.1 第一定律分析
Q FCp(T初 T终)
物流号
1 2 3 4
Yibin University 2020/1/19
A10
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
落入各温度区间的物流已考虑了温度推动力，所以在 每个温度区间内都可以把热量从热物流传给冷物流， 即热量传递满足第二定律。
每个区间的传热表达式为：
Qi [
(FCp) H .i
A21
T ℃2009年度宜宾学院化工学院课程
积累焓H kW
化工过程分析与合成
热流 40
70 115 150 180 冷流 30 60 105 140
180
H0=0 H1＝（2+4 ）（70－40）＝180 H2＝（2+4 ）（115－70）＝270 H3＝（2+4 ）（150－115）＝210 H4＝2（180－150）＝60
、终温度一起排序，得到温度区间的端点温度值 T1=180℃ T2=170℃ T3=140℃ T4=105℃ T5=60℃ T6=30℃
Yibin University 2020/1/19
A12
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
7.3.3 最小公用工程消耗
一、问题表 1. 确定温区端点温度T1、T2、…、Tn+1，将原问题划分为n
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
第七章 换热网络合成
Dr. 尚书勇 宜宾学院化学与化工学院
Yibin University 2020/1/19
A1
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
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。 对于一个含有换热物流的工艺流程，将其中的换热物流
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
Yibin University 2020/1/19
A5
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
Yibin University 2020/1/19
A17
从热流2图00中9可年以度看宜出宾，学夹点院将化整工个学温院度区课间程分为了两部分 夹点之上需要从外部获取热量，而不向外部提化供工任何过热程量分，析即与需要合加成热器
夹点之下可以向外部提供热量，而不需要从外部获取热量，即需要冷却器
个温度区间。 2. 对每个温区进行流股焓平衡，以确定热量净需求量
Yibin University 2020/1/19
A13
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
Di Ii Qi (Ti Ti1)( FCpC FCpH )
Di －区间的净热需求量 Ii －输入到第i个温区的热量，这个量或表示从第i-1个温
之间允许的的最小温差△Tmin
将热物流的起始温度与目标温度减去最小允许温差
△Tmin，然后与冷物流的起始、目标温度一起按从在到
小排序，分别用T1、T2、…、Tn+1表示，从而生成n个 温度区间。 冷、热物流按各自的始温、终温落入相应的温度区间 （注意，热物流的始温、终温应减去最小允许温差
△Tmin）。
Yibin University 2020/1/19
A3
2009年度宜宾学院化工学院课程 化工过程分析与合成
7.2 换热网络合成问题 7.2.1 换热网络合成问题的描述
一组需要冷却热物流H和一组需要加热的冷物流C，每条 物流的热容流率FCp，热物流从初始温度TH初冷却到目标 TH终，冷物流从初始温度TC初加热到目标温度TC终。
温差△T逐渐减小 当两条曲线的垂直最小距离等于最小允许传热温差△Tmin
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。 换热的目的不仅是为了使物流温度满足工艺要求，而且
也是为了回收过程余热，减少公用工程消耗。 基于这种思想进行的换热网络设计称为换热网络合成。 换热网络合成的任务，是确定换热物流的合理匹配方式
，从而以最小的消耗代价，获得最大的能量利用效益。
例7-3 根据例7-2的数据，用T－H图表示冷、热物流的组 合曲线 解： 热物流的最低温度T=40℃，设其对应的基准焓HH0＝0。 冷物流的最低温度T=30℃，对应的基准焓HC0=1000。 用温度区间的端点温度对各温区的积累焓在T－H上作图
，得到冷、热物流的组合曲线
Yibin University 2020/1/19
如果上一步计算得到的Ｑi均为正值，则这步计算是不