夹点分析

夹点分析主讲人：都健大连理工大学化工学院(PinchAnalysis)DalianUniversityofTechnology2011年01月17日1夹点技术（分析）基础1.1过程系统的夹点及其意义1.2准确地确定过程系统的夹点1.3过程系统的总组合曲线1.4多夹点问题1.5无夹点问题2夹点技术（分析）应用2.1换热器网络的综合2.2过程系统的能量集成2.2.1蒸馏过程与过程系统的能量集成2.2.2公用工程系统与过程系统的能量集成2.3全过程系统的能量集成2.4实例2.4.1乙烯装置的夹点分析2.4.2乙烯精馏塔系统优化目录夹点分析夹点技术：以热力学为基础，分析过程系统中能量流沿温度的分布，从而发现系统用能的“瓶颈”（Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈”（Debottleneck）。1978年，Linnhoff和Umeda首次提出换热网络的温度夹点问题。1.夹点技术（分析）的基础1.1过程系统的夹点及其意义1.1.1T-H图(温-焓图)(Temperature-Enthalpy)HTTcWQstp)(pstcWHTTHT1斜率W·cp-物流热容流率图1一无相变化的冷物流在T-H图上的标绘不同物流在T-H图上的标绘：图2几种不同类型物流在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H1.1.2组合曲线(Compositecurve)将系统的冷、热物流分别组合起来，构造过程的冷、热物流的组合曲线。组合方法：图3组合曲线的构造过程例题1：三个冷物流，构造冷物流组合曲线。图4冷物流组合曲线的构造过程（按温度间隔组合）1.1.3在T-H图上描述夹点（Pinch）凡是等于P点温度的热流体部位和等于Q点温度的冷流体部位都是夹点。热流体的夹点温度与冷流体的夹点温度相差ΔTmin。夹点处热、冷组合曲线的垂直距离＝ΔTmin图5在T-H图上描述夹点夹点描述所得信息：（1）夹点部位的传热温差最小，等于过程系统允许的最小小传热温差ΔTmin；（2）最小的公用工程加热负荷QH,min；（3）最小的公用工程冷却负荷QC,min；（4）系统最大的热回收量QR,max；（5）夹点将系统分为热端和冷端，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（为热阱）;（6）冷端在夹点温度以下，只需要冷公用工程冷却(为热源)。夹点温度差的影响：ΔTmin，QH,min、QC,min，QR,max不同温差的影响：适宜的ΔTmin是总费用最低的优化值。H/kW图6选用不同的ΔTmin值对夹点位置的影响例题2热公用工程用量：1620+1220=2840kW图7一工艺过程反应器1620蒸汽210ºC210ºC178ºC循环流股220ºC160ºC880反应器出口流股1980蒸汽1220149ºC270ºC160ºC冷却水180ºC160ºC60ºC2640精馏塔130ºC产品220ºC＝换热量，KW温度，ºC进料50ºC压缩机热负荷物流标号物流名称初始温度（TIN/℃）终了温度（TOUT/℃）热负荷（Q/kW）热容流率(CP/kW/℃）H1产品22060352022H2反应器出口流股270160198018C1进料50210320020C2循环流股160210250050表1例题2的物流数据表160°60°220°270°35201980THCP=22CP=18160°60°220°270°CP=2222002400900CP=18THCP=40160°60°220°270°35201980THCP=22CP=18160°60°220°270°160°60°220°270°35201980THCP=22CP=18160°60°220°270°CP=2222002400900CP=18THCP=40H1CP=18T/ºCH/kWT/ºCH2H/kW热物流组合曲线210°160°50°32002500CP=50CP=20TH210°160°50°22003500CP210°160°50°32002500CP=50CP=20TH210°160°50°22003500CPC2C1T/ºCH/kWT/ºCH/kWCP=20=70冷物流组合曲线图8热、冷物流组合曲线冷组合曲线最小热公用工程QH,min=1000kW最小冷公用工程QC,min=800kWC热组合曲线T/ºCH/kWQH,min=1000选ΔTmin=20℃图9利用组合曲线确定夹点夹点热阱热源热平衡热平衡夹点下方夹点上方PQ图10组合曲线分析1.1.4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第k级的热平衡(k=1、2、3、…..K)输出=输入-赤字Ok=Ik-DkDk=（∑CPC-∑CPH）(Tk-Tk+1)Dk+1T1TkTk+1I1IkIk+1IKD1DkDKOkO1OkOk+1热级联－虚拟的结构，同一温位的物流集中于同一级。图11热级联图例题3一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2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/kWH12.015060180.0H28.09060240.0C12.520125262.5C23.025100225.0表2例题3的物流数据子网络的分割，问题表格(1)：作法：表3问题表格(1)△Tmin=20℃子网络序号冷物流及其温度热物流及其温度kC1C2/℃H1H2SN1SN2SN3SN4SN5SN6150145120906012510070402520对子网络进行热衡算：Ok=Ik-DkDk=（∑CPC-∑CPH）(Tk-Tk+1)k=1，（温度间隔为150～145℃)D1=（0－2)×(150－145)=-10（负赤字表示有剩余热量10kW）I1=0（无外界输入热量）O1=I1－D1=0－(-10)=10O1为正值，说明子网络1(SN1)有剩余热量供给子网络2(SN2)k=2，（温度间隔为145～120℃，或125～100℃)D2=（2.5－2)×(145－120)=12.5（正号表示有热量赤字12.5kW）I2=O1=10子网络1(SN1)的剩余热量供给了子网络2(SN2)。O2=I2－D2=10－12.5=－2.5O2为负值，说明子网络2(SN2)只能向子网络3(SN3)提供负的剩余热量（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℃)D6=2.5×(25－20)=12.5（正号表示有热量赤字12.5kW）I6=O5=－55子网络5(SN5)无剩余热量供给子网络6(SN6)。O6=I6－D6=－55－12.5=－67.5O6为负值，说明子网络6(SN6)热量不够，无法达到规定的传热要求。问题表格（2）子网络赤字热量/kW无外界输入热量热量/kW外界输入最小热量序号Dk/kWIkOkIkOk表4问题表格(2)△Tmin=20℃SN1-10.0010.0107.5117.5SN212.510.0-2.5117.5105.0SN3105.0-2.5-107.5105.00SN4-135.0-107.527.50135.0SN582.527.5-55.0135.052.5SN612.5-55.0-67.552.540.0见表4第3、4列见表4第5、6列图12热级联间热衡算过程分析：消除I或O的负值，方法：引入公用工程加热负荷I1=各子网络中负数的绝对值最大者（107.5)得，结果:O3=0,I4=0，夹点处于SN3与SN4的界面I1=QH,min＝107.5kW（最小公用工程加热负荷）O6=Qc,min＝40kW(最小公用工程冷却负荷）夹点特征：夹点处系统传热温差最小，等于ΔTmin；夹点处热流量等于0.夹点处热流体温度90℃，冷流体温度70℃，夹点温度（界面虚拟温度）80℃。若改变最小传热温差ΔTmin＝15℃，则结果如下：表5问题表格(1)△Tmin=15℃子网络序号冷物流及其温度热物流及其温度kC1C2℃H1H2123456150140115906012510075452520问题表格（2）子网络赤字热量/kW无外界输入热量热量/kW外界输入最小热量序号Dk/kWIkOkIkOk表6问题表格(2)△Tmin=15℃1-2002080100212.5207.510087.5387.57.5-8087.504-135-80550135511055-5513525612.5-55-67.52512.5结果比较：表7选用不同△Tmin值计算结果的比较20107.5409070158012.59075△Tmin/℃QH,min/kWQC,min/kW夹点位置/℃热物流冷物流图13用T-H图求解1.1.5夹点的意义（1）夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔTmin），系统用能瓶颈位置；（2）夹点处热流量为0，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱）冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；（3）在一定的ΔTmin下，确定了系统最小的公用工程加热负荷QHmin和系统最小的公用工程冷却负荷QCmin，以及系统最大的热回收量QR,max；（4）夹点处温度差的影响ΔTmin，QH,min、QCmin，QR,max。适宜的ΔTmin是一个优选问题。(1)热量不能穿越夹点（2）夹点上方不能设置公用工程冷却（3）夹点下方不能设置公用工程加热图14系统具有最低公用工程消耗以及最大热回收的原则夹点上方热阱夹点下方热源夹点QH,min+xQC,min+x夹点上方热阱夹点下方热源QH,min+yQC,miny夹点上方热阱夹点下方热源QH,minQC,min+zzx冷公用工程热公用工程穿越夹点热负荷图15夹点的意义1.2准确地确定过程系统的夹点位置1.2.1操作型夹点计算操作型（模拟型）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。方法一:采用单一的ΔTmin（或HRAT，HeatRecoveryApproachTemperature)，确定夹点位置的计算步骤如下：（1）收集过程系统中热、冷物流数据，包括其热容流率、初温、终温等；（2）选择一最小允许的传热温差初值ΔTmin，按1.1.4节介绍的问题表格法确定夹点位置，并得到系统所需的热、冷最小公用工程负荷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，此时即确定了该过程系统的夹点位置。方法二：采用现场过程中各物流间匹配换热的实际传热温差进行计算。物流间传热温差值ΔTmin，即平均传热温差：TTCCHCmTTTCCHC—热物流对传热温差的贡献值；—冷物流对传热温差的贡献值。采用“虚拟温度法”法，具体步骤：（1）按现场数据推算各热、冷物流对传热温差的贡献值TTjCCiHC、,,，i、j分别表示热、冷物流的序号；（2）确定各物流的虚拟温度定义物流的虚拟温度iHCiHiHPTTT,,,对热流股i对冷流股jjCCjCjCPTTT,,,iHCT,jCCT,和为热、冷流股传热温差贡献值确定流股传热温差贡献值的方法已有的传热温差贡献值的计算式：—流股i的换热器单位面积的费用，$•m-2；—流股i侧的传热膜系数,kW•m-2•K-1；—流股i的传热温差贡献值，K；C—系数；r—表示参考流股；2121iirCirriiChaCThahaTihiaiCT（3）按1.1.4节介绍的问题表格法进行夹点计算，但不同之处是全过程系统取ΔTmin值为零，这是因为当所有物流转换成虚拟温度后，都已经考虑了各物流间的传热温差值；（4）修正流股传热温差贡献值，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，此时即确定了该过程系统的夹点位置。1.2.2设计型夹点计算设计型夹点计算：改进各物