夹点理论及其在换热网络中的优化分析

内部换 热达 到极 限 ， 重合 点传 热温差 为零 ， 点 即 为 该 夹点 【 。但 是 ， 夹点 温差 为 零 时操 作 所需 要 无 限 在 大 的传热 面积 ， 是不 现 实 的 。不 过 可 以通 过 技 术经 济评 价来确 定一个 系统 最小 的传热 温差一 夹点 温差 △７ 。因此 ， １ 可定 义为冷 热负荷 温焓线 上传 热温 差 最 小 的地 方 。确定 了夹点温 差后 的冷热 负荷 曲线如 图 １所示 。冷 、 曲线 重叠 的部分 Ａ Ｃ Ｆ 为 过程 热 Ｂ Ｅ Ｇ， 内部冷 、 热流 体 的换 热 区 ， 括 多 股 热 流 和 多股 冷 包 流， 物流 的焓变 全部 通过换 热器来 实现 ； 冷负荷 曲线
换热 网络允 许 的最小传 热 温差 。
问题 表格法 盼 计算步骤 如下 ：
（） １ 以冷 、 流体 的平 均 温度 为 尺 寸， 分 温 度 热 划
区间 。冷 、 流体 平均 相 对 热 流体 下 降 １２个 失 点 热 ／ 温差 （ ｉ ２ ， 对 冷 流 体 上 升 １２个央 点 温 差 △ ）相 ／ ／
而确 定最 ／ ￣ 热 公 用 工程 量 及 最 小 冷 却 公 用 工 程 ｂｔ ｌ
上 端剩余 部分 Ｇ 已没有 合适 的热 流 与之换 热 ， Ｈ， 需
要 公用 工程 加热器 使 这 部分 冷 流 升 高 到 目标 温 度 ，
Ｇ 为在 该夹 点 温度 下所 需 的最小 加 热公 用 丁程 量 Ｈ
刘 智勇 ， 志伟 。 李 霍 磊
（ 兰州交通 大 学 环境 与 市政 工程 学院 ， 肃 兰 州 ７ ０ ７ ） 甘 ３ ０ ０ 摘 要 ： 文主要 介 绍 了利 用 夹点技 术设 计换 热 网络 的原 则及 需要 注 意的 问题 ， 本 并利 用 夹点技 术对 乙烯 生产原 有换 热 网络进行 夹点分析 ， 究换 热 网络 利 用的瓶 颈 ， 出换 热 网络 不合 理的环 节 研 找
和原 因。经优化 改造后 新 增 ４台换 热设备 ， 增设备 及 改装 费用约 ２９ ０万元 ， 新 ０ 但每 年 节约 公 用工
程 费用 ２９ ９万元 ， ４ 回收期 为一 年 ， 改造 合理 ， 能 明显 。 故 节
关键词 ： 夹点技 术 ； 热 网络 ； 换 乙烯 ； 节能
中 图分 类号 ： Ｋ ２ Ｔ １３
文 献标识 码 ： Ａ
文章 编号 ：０ ２— ３ ９（ ０ ２ ３— ２ ３— ５ １０ ６ ３ ２ １ ）０ ０ ７ ０
Ｐｉ ｃ ｉ ｔ Ｔｈ ｏ ｙ ａ ｄ Ｉ ｓ Ａｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｉ Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｎ ｈ Ｐｏ ｎ ｅ ｒ ｎ ｔ ｐｌ ｔｏ ｎ ａ ｙ ｉ ｆ ｃ Ｏｐｔｍ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ａ ｃ ａ ｅ ｔ ｒ ｓ ｉ ｚ ｔｏ ｆ Ｈｅ ｔ Ｅｘ ｈ ｎｇ ｒ Ｎｅ ｗｏ ｋ
ｃ ａ ｇ ｒｎ ｔ ｒ ｎ ｒ ｂ ｅ ｉ ｈ ｒ ｑ ｒ ｓ ａｔｎ ｉ ｎ Ａｌｏ，ｉ ｕ ｅ ｎ ｈ ｐ ｉ ｔｔｃ ｎ ｑ ｅ ｔ ｎ ｌｚ ｈｅ ｈ ｎ ｅ ｅ ｗｏ ｋ ａ ｄ ｐ ｏ ｌ ｍｓｗｈ ｃ ｅ ｕｉｅ ｔｅ ｔｏ ． ｓ ｔ ｓ ｓｐｉｃ ｏ ｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ｏａ ａｙ ｅ ｔ
量， 通过 夹点设 计 准 则 找 出流 程 中不 合 理 的换热 过 程及 换 热 设 备 进 行 改 进 ， 而 使 换 热 网 络 达 到 最 从
优 。夹 点技 术 已 成功 地 在世 界 范 围 内取 得 了显 著 的节 能效果 。采用 这 种 技 术对 新 厂 设 计 而 言， 比
魁 赠
（ △ ， ） ／ 。这 样可保 证 每 个温 区 内热 流体 比冷 流 ２ 体高△ 而满 足传热 的需要
（ ） 算 每 个 温 内 的热 平 衡 ， ２计 以确 定 各 温
所需 Fra Baidu bibliotek加热量 和冷却 量 ， 算式 计
△ （ Ｃ 日 ∑ 一∑Ｃ ）Ｔ— ） （） （ｉ Ｔ １
焓 Ｈ
图 １ 冷 热 复 合 线 温 一焓 线
０ ５～ ． ３年
降低 到 目标 温度 ，Ｄ为在 该夹 点温 差下 所需 的最小 Ｃ 冷却 公用工 程量 Ｑ
夹点 的 出现 将 整个 换 热 网络 分 成 了两部 分 ； 央 点之 上和夹 点之 下 。夹 点 之上 是 热 端 ， 有换 热 和 只
１２ 夹 点 的形成 与含 义 ．
在 利 用夹 点 技 术设 计 换 热 网络 时 ， 先通 过 经 首
后 现状 的必然 选择 。
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¨ 。我 国 的乙烯 工 业 起 步 较 晚 ， 础 基
薄 弱 、 术落 后 以及 规模 小是 当今 企业 的弱 点 ， 技 以此 依 托老基 地 ， 采用 乙烯装 置技 术发 展 的最新 成果 ， 充
用 能设 备 ， 对优 化换热 网络 提供 指导 ， 能量 达到 最 使
大 回收 。 １ １ 夹 点 的基本 原理 ．
夹点 技 术 以化 热力 学 为 基础 ， 整 个过 程 系 从
统 出发 ， 用年 总 费用 、 备 投 资 费用 、 大热 量 回 选 设 最
收量 、 最少换 热 器数 目等作 为经 济 目标 函数 Ｊ首 ， 先 通过经 验法 或数 学 优 化 估算 确 定 夹 点 温差 ， 用 采 复合 温 一 焓 曲线或 用 问题表 法 的途 径得 出夹点 ， 从
应用 夹 点技 术可 以方便 地找 出换 热 网络 中不 合理 的
在 温一焓 图上 ， 热物 流组 合 曲线 在左上方 ， 物 冷
流组合 曲线在 右下 方 ， 沿 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
△ｒ 渐变 小 ， 、 ， 逐 冷 热负荷 曲线在 某点 重 合时 该 系统
ｅｕｐ ｎ ｎ ｌ ｒ ｉｎｉ ａｏ ｔ ９ｍｉｉ ， ｕ ｅｅｐ ｎ ｉ ｒ ｂ ｉｇ ｃｎ ｍ ｚｄｆｒｈ ｕ ｌ ｒ ｅｔ ｑ ｉｍｅｔ ｄａ ｅａ ｏ ｂ ｕ ｌｏ ｂ ｔｈ ｘ ｅ ｄｔ ｅ ｅｎ ｏｏ ｉ ｅｐ ｂｉ ｐｏ ｃｓ ａ ｔ ｔ ｓ ２ ｌｎ ｔ ｕ ｅ ｅｏ ｔ ｃ ｊ
ａ ｅ ａ ｏ ｔ２ ｒ ｂ ｕ ９ｍｉｌ ｎ４９ ｈ ｕ ａ ｄ，ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｃ ｃｅ ｐ ｒｏ ｓｏ ｅ ｙ ａ ． ｌｉ ０ ｔ ｏ ｓ ｎ ｏ ｎ ｈ ｅ ｙ ｌ ｅ ｄ ｉ ｎ ｅ ｒ Ｔｈｅｅ ｏ ｅ，ｔ ｅａ ｔｒ ｔ ｎ ｉ ｅ ｓ ｎ — ｉ ｒ ｆｒ ｈ ｌ ａ ｉ ｓｒ ａ ｏ ａ ｅ ｏ ｂ ｅ ａ ｄ ｅ ｅ ｇ ａ ｉ ｇ ｉ ｂ ｉｕｓ ｌ ｎ ｎ ｒｙ ｓ ｖｎ ｓ ｏ ｖ ｏ ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｉ ｃ ｏｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ｅｗｏ ｋ； ｔ ｙｅ ｅ； ｎｅｇ ａ ｉ ｇ ｐ ｎ ｈ ｐ ｉ ｔｔｃ ｎ ｑ ｅ； ｅ ｔｅ ｃ ａ ｇ ｒｎ ｔ ｒ ｅ ｈ ｌ ｎ ｅ ｒ ｓ ｖｎ ｙ
ｏ ｇ ｎ ｌｈ ａ ｘ ｈａ ｇ ｒｎｅｗｏ ｋ ｏ ｈ ｒ ｄ ｃｉ ｎ ｏ ｔ ｙｅ ｅ，ｒｓ ａ ｃ ｎｇ ｔ ｅ ｂ ｔｌｎ ｃ ｆｔ ｅ ｕｓｎ ｆ ｉ ｒ ｉ ａ ｅ ｔｅ ｃ ｎ ｅ ｔ ｒ ｆｔ ｅ ｐ ｏ ｕ ｔｏ ｆｅ ｈ ｌ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈｉ ｈ ｏｔｅ ｅ ｋ ｏ ｈ ｉｇ ｏ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ｅ ｗｏ ｋ，Ｓ ｓｔ ｎ ｕ ｈ ｒａｉ ｎ ｌｐａ ｎ ｅ ｓ ｎｓ Ｔｈ ｒ ｒ ｏ ｒｎ ｗｌ ｅ ｔｅ ｃ ａ ｇ ｒｎ ｔ ｒ Ｏ ａ ｏ ｆ ｄ ｏ ｔｔ ｅ ｉｒ ｔ ａ ｎｓ ａ ｄ ｒ ａ ｏ ． ｅ ｅ ａｅ ｆ ｕ ｅ ｙ—ａ ｄｅ ｉ ｏ ｄ ｄ ｈ ａ ｒ ｎ ｆ ｒｅ ｕ ｐ ｎｔ ａ ｅ ｎ ｔｅ ｏ ｔｍｉａ ｉｎ ａ ｄ ａｔｒ ｔｏ Ｔｈ ｘ ｅ ｄｉ ｒ ｏ ｈ ｅ ｙ—ａ ｅ ｅ ｔｔａ ｓｅ ｑ ｉ ｍｅ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｐ ｉ ｚ ｔ ｎ ｌｅ ａｉｎ． ｅ ｅ ｐ ｎ ｔ ｅ ｆｒ ｔ ｅ ｎ ｗｌ ｏ ｕ ｄｄ ｄ
１ 夹 点 技 术 简 介
夹 点技 术 是 英 国学 者 Ｌｎｏ 于 ２ ｉｈｆ ０世 纪 ７ ０年
代 在总结 前人 研究 基 础 之 上 提 出 的 ， 逐 渐 发 展成 并 为 一整 套 换 热 网络 的设 计 法 Ｊ 。该 技 术 是 以 热 力 学 为基 础 ， 宏观 的角 度分 析 过 程 系 统 中能 量 流 沿 从
ＬＩ Ｚｈ Ｕ ｉ— ｙ ｎ ＬＩＺ ｏ ｇ， ｈｉ—ｗｅ ， ｉ ＨＵＯ ｅ Ｌｉ
（ ａ ｚｏ ｉ ｔ ｇＵ ｉ ｒ ｔ，ａ ｚｏ ３ ０ ０ Ｃ ｉａ Ｌ ｎｈｕＪ ｏｏ ｎｖ ｓｙ Ｌ ｎｈ ｕ７ ０ ７ ， ｈｎ ） ａ ｎ ｅｉ
Ａｂｓｒ ｃ ： ｉ ａ ｅ ｉｌ ｏ ｕ ｅ ｎ ｔ ｉ ｃｐ ｅ ｏ ｓｎ ｉ ｃ ｏｎ ｅ ｈ ｑ ｏ ｄ ｓｇ ｅ ｔｅ — ｔ ａ ｔ Ｔｈｓ ｐ ｐ ｒ ｍａｎ ｙ ｆｃ ｓ ｓ ｏ ｈｅ ｐｒｎ ｉ ｌ ｎ ｕ ｉ ｇ ｐ ｎ ｈ ｐ ｉ ｔｔ ｃ ｎｉｕｅ ｔ ｅ ｉｎ ｈ ａ ｘ
Ｑ Ｉｉ 热 负荷 曲线 下端 剩余部 分 Ｃ 已没有 合适 的 ｌ｜ ．１ ； Ｄ， 冷流 与之换 热 ， 要公 用 工 程 冷却 器 使 这 部分 热 流 需
传 统 方 法 可节 能 ３ ％ ～５ ％ ； 老 厂 改造 丽 言 ， ０ ０ 对 通 常可 节 能 ２ ％ ～３ ％ ， 造 回 收 年 限 一 般 只 有 ０ ５ 改
．
收 稿 日期
２１ ０ １—１ ０—１ １
修 订 稿 日期
２１ ０ ０ ２— ３—０ ３
作者 简介： 刘智勇 （９ ５～） 男， １６ ， 副教授 。
２ ３・ ７
温度 的分布 ， 中发 现 系统 用 能 的 “ 从 瓶颈 ” 在 。夹 所 点技 术 以整个 系统 为 出发点 ， 同以前只着 眼 于局部 、 只考 虑某几 股 热流 的 回收 、 个 设 备 或 车 间 的改 造 某 的节能 技术 相 比 ， 节能 效果 和经 济效益要 显 著得多 ．
加热 公用 Ｔ程 ， 没有任 何热量 流 出 ，ｆ 做足 一个净 ・看
热井 ； 夹点 之下 是冷 端 ， 只有换 热 和 冷 却公 用 程 ，
没有 任何热 量流人 ， 可看做是 一个热 源 “ １ ２ ２ 采 用 问题 表格 计算 ．．
验法或 数学 优化 估算 确定 夹点温 差 △ ， 这是 整个
随着 能源 的 日渐 紧 张 ， 程集 成 已成 为 热 点话 过 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 ，
分挖 掘老 装 置 的潜 力 ， 过 技 术 改 造 ； 除 瓶 颈 制 通 消 约， 走扩 大生 产能力 与提 高技 术装 备水平 、 内涵 挖潜 与 扩能改 造相 结合 的道 路 ， 改 变 我 国 乙烯 工 业 落 是
第３ ０卷 ， 总第 １３期 ７ ２１ ０ ２年 ５月 ， ３期 第
《节 能 技 术 》
ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳ ＥＲＶＡＴ ＯＮ Ｉ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏ ． ０ ， ｕｍ．Ｎｏ ７ １３ Ｓ ．１ ３ Ｍａ ． ０１ Ｎｏ ３ ｙ ２ ２， ．
夹点理论 及其在换热 网络中的优化分析