过程系统节能—夹点技术

T
T
T
阈值问题
这样的系统属于阈值问题还是属于 夹点问题，取决于夹点温差和阈值温差
谁大谁小。若Δ TTHR<Δ Tmin，则属于夹
点问题；反之，若Δ TTHR≥Δ Tmin，属
于阈值问题。
在阈值问题设计中： 对只需要加热公用工程网络可以视为夹 点以上部分，从低温则进行设计,保证 较低温度下的热流体的热量能传给冷流 体 对只需要冷公用工程网络可以视为夹点 以下部分，从高温则进行设计，保证较 高温度下的冷流体能从热流体获取热量
h
j
qj
j

A
i i
1 Tlmi
h
j
qj
j
经济目标

能量费用目标是在能量目标的基础上求 取 CE=CHQH+CCQC 设备投资费用目标是在换热网络面积目 标和换热单元数目目标的基础上求取 CN=Umin[a+b(∑A/Umin)c]

经济目标

总费用目标为 CT=CEB+CN/R
最优夹点温差的确定
过程系统节能—夹点技术
60℃ 80℃ 180℃ C1 100 R2
120℃
130℃
120 R1 100℃ H 40 120℃ 62 60 H
C
40℃
30℃

现行的能量系统是否合理？ 若不合理，哪些用能环节不合理？(瓶 颈？)

系统有多大的节能潜力？（定量） 应如何进行节能改造？ （措施）
第五温区：输入热量=75，输出热量=75-15=60
问题表法（例题）

确定夹点位置：温区三和温区四之间热通量 为零，此处就是夹点，即夹点在平均温度
85℃（热流温度90℃，冷流温度80℃）处。

最小加热公用工程量为20kW。 最小冷却公用工程用量为60kW。
换热网络设计目标
能量目标
能量目标就是指最小加热公用工程
问题表法（例题）

划分温区： (4) 划分温区：整个系统可以划分为五 个温区，为： 第一 温 区 ： 165→145； 第二 温区 ： 145→140；第三温区：140→85；第四 温区：85→55；第五温区：55→25
问题表法（例题）

温区内热平衡计算：
Δ Hi=(∑CPC-∑CPH)(Ti-Ti+1)
夹点的分析
T T 热源 夹点
T 热阱 热源 α QHMIN＋α
热阱 H 图 5a
QCMIN＋α H 图 5b
夹点设计的原则
夹点之上不应设置任何公用工
程冷却器 夹点之下不应设置任何公用工 程加热器 不应有跨越夹点的传热
夹点位置的确定方法
T—H图法 问题表法

– 划分温区 – 计算各温区的热平衡 – 进行外界无热量输入时的热级联计算（找 问题） – 外界输入最小加热公用工程时的热级联计 算 – 热通量为零处即为夹点
实际加热公用工程量-最小加热公用工程量 =102-48=54
夹点设计的原则
夹点之上不应设置任何公用工
程冷却器 夹点之下不应设置任何公用工 程加热器 不应有跨越夹点的传热
检查有无夹点之上的冷却器

系统中只有一个冷却器，把热流2从 70℃冷却到40℃，全部在夹点之下。故 不存在夹点之上的冷却器。

换热网络优化设计
夹点技术设计准则

物流数目准则 夹点之上(不能设计冷却器) NH≤NC 夹点之下（不能设计加热器）NH≥NC 注意：针对夹点处的物流，
夹点技术设计准则

热容流率准则 夹点之上 CPH≤CPC 夹点之下 CPH≥CPC
夹点技术设计准则

热容流率准则
CPH≥CPC
QH与QC最大；有部分QR重合；夹 点的形成）
夹点的形成
III R3 QC1
QR2 QH3
QH2
QH1
但是，在夹点温差为零下操作需要 无限大的传热面积，是不现实的。可以 通过技术经济评价而确定一个系统最小 的传热温差—夹点温差。因此，夹点可 定义为冷热复合温焓线上传热温差最小 的地方。（夹点的形成有一定成分的主 观性）

换热网络改造综合

现行的能量系统是否合理？ 若不合理，哪些用能环节不合理？ 系统有多大的节能潜力？ 应如何进行节能改造？
取夹点温差为10℃，求得夹点位置 在热流温度70℃、冷流温度60℃处，能 量目标为：最小加热公用工程为48个单 位，最小冷却公用工程为6个单位。

现行的能量系统不合理。 系统的节能潜力=
第五温区：输入热量=55，输出热量=55-15=40
问题表法（例题）

计算外界输入最小加热公用工程量时的热通量： 第一温区：输入热量=20，输出热量=20+60=80
第二温区：输入热量=80，输出热量=80+2.5=82.5
第三温区：输入热量=82.5，输出热量=82.5-82.5=0
第四温区：输入热量=0，输出热量=0+75=75
T
CPH≤CPC
Δ Tmin
T Δ Tmin
H
H
夹点技术设计准则

最大换热负荷准则：为保证最小数目的
换热单元，每一次匹配应换完两股物流
中的一股。
阈值问题
并非所有的换热网络问题都存在夹 点，只有那些既需要加热公用工程、又 需要冷却公用工程的换热网络问题才存 在夹点。只需要一种公用工程的问题，
称为阈值问题。
问题表法（例题）
物流编号 和类型 1 热流
2 热流 3 冷流 4 冷流
热容流率 kW/℃ 3.0
1.5 2.0 4.0
供应温度 ℃ 170
150 20 80
目标温度 ℃ 60
30 135 140
问题表法（例题）

划分温区： (1) 分别将所有热流和所有冷流的进、出 口温度从小到大排列起来： 热流体：30，60，150，170 冷流体：20，80，135，140
问题表法（例题）

温区内热平衡计算（亏缺热量）： 第一温区：ΔH1=-3.0(165-145)=-60 第二温区：ΔH2=(4.0-3.0-1.5)(145-140)=-2.5 第三温区： ΔH3=(4.0+2.0-3.0-1.5)(140-85)=82.5 第四温区：ΔH4=(2.0-3.0-1.5)(85-55)=-75 第五温区：ΔH5=(2.0-1.5)(55-25)=15
一个系统的科学问题
主要内容
过程集成技术的发展历史 夹点技术的基本原理 夹点技术的新进展 其它过程集成方法
过程集成技术的发展历史
化工过程的基本组成及 存在的问题

基本组成
– 反应分离部分 – 换热部分 – 公用工程部分
反应器 分离序列 换热器网络 公用工程 图1 洋葱模型

存在的问题：机械地 分别考虑各部分，没 有作为一个有机的整 体。（缺乏协调优化 的思想）
问题表法（例题）

计算外界无热量输入时各温区之间的热通量 （实际上是各温区的输入与输出热量=输入亏缺）：
第一温区：输入热量=0，输出热量=0+60=60
第二温区：输入热量=60，输出热量=60+2.5=62.5
第三温区：输入热量=62.5，输出热量=62.5-82.5=-20
第四温区：输入热量=-20，输出热量=-20+75=55
过程集成技术产生的主要原因

外在因素
– 过程综合模拟 – 过程的热力学第 二定律分析 – 过程改造

内在因素
– 资源匮乏 – 能源紧张 – 环境保护
什么是夹点技术
夹点技术是以热力学为基础， 运用拓扑学的概念和方法，对过程 系统作出直观、形象的描述与处理， 从客观的角度分析过程系统中能量 流沿温度的分布，从中发现系统用 能的“瓶颈” 所在，并给以“解瓶 颈”的一种方法。
温焓线
当一股物流吸入或放出dQ热量时， 其温度发生dT的变化，则 dQ=CP· dT 式中：CP—热容流率，单位为kW/℃。 热容流率是质量流率与定压比热的乘积。
温焓线
如果把一股物流从供给温度TS 加热 或冷却至目标温度TT，则所传的总热量 为： Q=∫CP·dT
若热容流率CP可作为常数，则 Q=CP(TT-TS)=ΔH 这样就可以用温-焓图上的一条直线表示 一股冷流被加热或一股热流被冷却的过 程。CP值越大，T-H图上的线越平缓。
物流的复合温焓线

复合温焓线的作法
– 划分温区 T – 计算各温区内的热量 T
1
T2
B A C
(T1 T2 )( B) (T2 T3 )( A B C)
T3 T4 T5
(T3 T4 )( A C)
(T4 T5 )( B)
H
每一个温区的总热量可表示为：
H i
CP (T T
4从60℃加热到90℃；另一个是热流1与冷流
3的换热，热流1从180℃降温到80℃，把冷
流3从30℃加热到85.5℃。
检查有无跨越夹点的传热

在热流1与冷流3的换热中发生了跨越夹 点的传热，该跨越夹点的传热量为 (6030)×1.8=54个单位，正是本系统的节 能潜力。
阈值问题
T 蒸汽 T
冷却水 H H
阈值问题
有些系统，当冷、热复合曲线距离 较远时，既需要加热公用工程又需要冷 却公用工程，是夹点问题；向左平移冷 复合曲线到一定情形时，一种公用工程
消失，成为阈值问题，此时的最小传热
温差称为阈值温差，记作Δ TTHR。
阈值问题
蒸汽 蒸汽 Δ T min =Δ T THR 冷却水 H H H 蒸汽 蒸汽
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