夹点技术的原理与应用

摘要：介绍了夹点技术的基本原理，及其在化学工业中的应用，最后展望了夹点技术的应用前景。

关键词：夹点技术 原理 应用 前景

1、前言

过程工业为了降低生产成本、合理利用资源,己从对单台设备的操作优化集成发展到对整个系统的集成优化, 即采用过程集成技术, 在70 年代末, 英国曼彻斯特大学BodoL innhoff[1] 教授及其同事于20世纪70年代末在前人研究成果的基础上提出的换热网络优化设计方法, 并逐步发展成为化工过程能量综合技术的方法论[1],即夹点技术。采用这种技术对于新装置设计而言, 比传统方法节能30%―50% ; 同时, 近几年逐渐应用于老装置的节能改造中, 其改造投资低, 却能取得较好的节能目的。

2、夹点技术的原理

2.1夹点的定义

化工工艺过程中存在多股冷、热物流,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。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,两曲线在H 轴上投影的重叠即为冷、热物流间的换热量,不重叠的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[2]。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置叫作夹点[3]。

2.2夹点的确定

复合温焓线可很直观地确定系统夹点的位置。但当物流较多时, 复合温焓线显得很繁琐,并且不够准确, 此时常采用问题表格法精确计算确定夹点位置, 其步骤如下:

(1)以冷、热流体的平均温度为标尺, 划分温度区间[4]。

(2)对每个温区内进行热平衡计算, 以确定各温区所需的加热量和冷却量。

(3)进行热级联计算[5]。

a)计算外界无热量输入时各温区之间的热流通量。此时, 各温区之间可有自上而下的热流流通, 但不能有逆向热流流通。

b)为保证各温区之间的热通量不小于0, 根据a) 中计算结果, 取绝对值最大的负热通量为所需外界加入的最小热量, 即最小加热公用工程用量, 并由第一个温区输入; 然后计算外界输入最小加热公用工程量时各温区之间的热通量; 而由最后一个温区流出的热量, 就是最小冷却公用工程用量。

(4)温区之间热通量为0 处, 即为夹点。

2.3夹点技术的基本设计原则

夹点把网络系统分成两个在热力学上相互分离的两个子系统[6]。夹点上方的子系统是热阱系统, 热公用工程向其输入热能, 而没有任何热能流出, 夹点下方的子系统是热源系统, 由冷公用工程从系统带走热能, 而没有任何热能从外界流入。为了达到最小公用工程消耗, 实现最大能量回收,利用夹点技术对换热网络进行设计时, 必须遵循3 个基本原则[7]:

(1)不应有跨越夹点的传热;

(2)夹点之上不应设置任何公用工程冷却器;

(3)夹点之下不应设置任何公用工程加热器。

3、夹点技术的最新应用

3.1应用现状

目前, 夹点技术已在造纸企业、连续蒸煮设备传热网络、化肥生产企业及其他化工领域获得了广泛的应用, 并取得了显著的效益[8]。夹点技术在国外工业界也受到重视,国际上知名的化工公司和建筑公司均普遍采用夹点技术。据统计,世界上已有100 多家公司在至少1000 多个工程项目上使用夹点技术进行了新厂设计,老厂改造或可行性研究,一些大型工程公司和鲁姆斯、凯洛格、千代田、东洋等都有专门小组从事夹点技术设计,目前夹点技术已成为世界性的工程设计标准。

1) 夹点技术的应用范围在拓展。目前用于换热网络的夹点分析已趋成熟, 夹点技术研究的热点转向传质网络分析。通过夹点分析, 一个阶段的工艺流股也能用于另一阶段, 以此回收或利用流股中携带的原料, 节约试剂。应用夹点原理还可将资源利用与经济结合管理, 构造投资组合曲线以达到最大利润,以获得最大的效益。

2) 应用夹点技术的系统范围扩大。所选定的系统的范围越大, 系统优化的效果越明显, 但传热网络和传质网络也越复杂, 设计和实施起来就比较困难, 需要设计方法和相应的软件不断改进以满足要求。

3) 夹点技术的综合使用。现在许多研究者将多种夹点技术综合使用以达到多重目的。

3.2 夹点技术的应用领域[9]

4、结语

夹点技术的节能作用愈发彰显，也逐渐引起了各个国家和大型公司，诸如德国的BASF，日本的MKC等，对夹点技术的研究和进一步的推广和利用将成为一种趋势。

总之，当前能源供应短缺成为经济增长的制约因素之一，对于石油、化工等典型的过程工业，用夹点分析的方法对过程系统的用能、用水状况进行诊断，可找到过程系统的用能的制约因素所在，因而夹点技术在换热网络、水网络中的应用可为国民经济的发展带来巨大的经济效益和社会效益。大量的工程实例证明，利用夹点分析技术，指导具体过程系统工程的改造或设计，能降低公用工程消耗量和初期的投资费用，实施方法简单，具有明显的优势，应用前景广阔。

参考文献:

[1]Linnhoff B, Vredeveld DR．Pinch Technolygy Has Comeof Age[J]．Chem Eng Prog, 1984, ( 7) : 33- 44．

[2]李志坚．实施节能减排促进化肥行业结构调整[J]．中国石油和化工经济分析，2007（19）:26．

[3]冯宵．化工节能与技术（第二版）[M]．北京：化学工业出版社， 2004:166- 173.

[4]陈清林, 华贲． 能量系统热力学分析优化方法发展趋势[J]．自然杂志, 1999, 21( 6) : 322- 324．

[5]王瑾, 张凤美, 李明林．苯和乙烯液相烷基化生产乙苯技术的工业应用, 石油炼制与化工, 2002, 33( 9) : 13- 17．

[6]Linnhoff B，Flower J R．Synthesis of Heat Exchanger Networks (Part)， Systematic Generation of Energy Optimal Networks[J]．AIChEJ，1978，24： 642-654．

[7]王松汉. 工艺和系统设计[M] ．石油化工设计手册，第4卷. 北京：化学工业出版社, 2003．

[8]王利文, 陈保东, 王利权等．夹点理论及其在换热网络中的应用[J]．辽宁石油化工大学学报, 2005 ( 6 ): 54-58．

[9]陈清林, 华贲．能量系统热力学分析优化方法发展趋势[J]．自然杂志, 1999, 21( 6) : 322- 324．

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