化工节能原理与技术10

1化工节能原理与技术北京化工大学2014.3（春季学期）2第4章过程系统节能–夹点技术4.1绪论4.1.1过程系统节能的意义•节能工作的发展过程：第一阶段：“捡浮财”阶段，主要表现在回收余热；第二阶段：单个设备的节能，采用多效、热泵技术等；第三阶段：过程系统节能，采用夹点技术。•夹点技术以整个系统为出发点，优于只考虑局部而不考虑整个系统的节能方案3第4章过程系统节能–夹点技术4.1绪论4.1.2夹点技术的应用范围及其发展•夹点技术适用于过程系统的设计和节能改造；•过程工业是以处理物料流和能量流为目的的行业•过程工业的生产系统：工艺过程子系统、热回收换热网络子系统和蒸汽动力公用工程子系统4第4章过程系统节能–夹点技术4.1绪论4.1.2夹点技术的应用范围及其发展•夹点技术适用于过程系统的设计和节能改造；•过程工业是以处理物料流和能量流为目的的行业•过程工业的生产系统：工艺过程子系统、热回收换热网络子系统和蒸汽动力公用工程子系统•工艺过程子系统由反应器、分离器等单元设备组成的生产流程•热回收换热网络子系统是由换热器、加热器、冷却器组成的系统•蒸汽动力公用工程子系统是指为生产过程提供各种级别的蒸汽和动力的子系统5第4章过程系统节能–夹点技术6第4章过程系统节能–夹点技术4.1绪论4.1.2夹点技术的应用范围及其发展•夹点技术最初源于热回收换热网络的优化集成•发展为包括热回收换热网络子系统和蒸汽动力公用工程子系统的总能系统7第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.1温-焓图和复合曲线•热物流线的走向是从高温到低温，冷物流线的走向是从低温到高温CPdTdQdTCPQHTTCPQST)(吸入或放出dQ热量所传的总热量CP为热容流率8第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.1温-焓图和复合曲线•热物流线的走向是从高温到低温，冷物流线的走向是从低温到高温9第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.1温-焓图和复合曲线•对多股物流，合并成一根热复合曲线10第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.1温-焓图和复合曲线•对多股物流，合并成一根热复合曲线•复合曲线要改变斜率，即两个端点的纵坐标不变，在横轴上的距离等于多股热流在横轴上的距离的迭加)(1iijjiTTCPH11第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.2夹点的形成•冷热复合曲线的相对位置有三种不同的情况12第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.2夹点的形成•夹点：冷、热复合曲线在某点重合时该系统内部换热达到极限，重合点的传热温差为零，该点即为夹点；•夹点温差：冷、热复合曲线上传热温差最小的地方•夹点温差为零时操作需要无限大的传热面积13第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.2夹点的形成•夹点：冷、热复合曲线在某点重合时该系统内部换热达到极限，重合点的传热温差为零，该点即为夹点；•夹点温差：14第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.3问题表法（1）以冷、热流体的平均温度为标尺，划分温度区间。（2）计算每个温区内的热平衡，以确定各温区所需的加热量和冷却量。（3）进行热级联计算。（4）温区之间热通量为零处，即为夹点。15第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.3问题表法16第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.3问题表法17第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.4夹点的意义•夹点是冷热复合曲线中传热温差最小的地方，此处热通量为零；•夹点之上是热端，只有换热和加热公用工程；夹点之下是冷端，只有换热和冷却公用工程•夹点方法的设计原则是：（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18第4章过程系统节能–夹点技术4.2夹点的形成及其意义4.2.4夹点的意义19第4章过程系统节能–夹点技术4.3换热网络设计目标4.3.1能量目标•能量目标是指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（缩小夹点温差）4.3.2换热单元数目目标•面积对费用的影响不如换热器台数的影响大；cbAaC换热器费用与换热面积的关系SLNUmin1minNU可能分离成不相关子系统不能分离成不相关子系统20第4章过程系统节能–夹点技术4.3换热网络设计目标4.3.2换热单元数目目标•整个换热网络作为一体对待时的最小换热单元数目21第4章过程系统节能–夹点技术4.3换热网络设计目标4.3.3换热网络面积目标•物流按纯逆流垂直换热时的近似面积目标，即在冷热复合温焓图上计算各区间垂直传热所需传热面积，然后相加而得。22第4章过程系统节能–夹点技术4.3换热网络设计目标4.3.3换热网络面积目标•物流按纯逆流垂直换热时的近似面积目标，即在冷热复合温焓图上计算各区间垂直传热所需传热面积，然后相加而得。jjjlmiihqTA1jjjlmiiihqTA1第i区段的换热面积换热网络的总面积23第4章过程系统节能–夹点技术4.3换热网络设计目标4.3.4经济目标•经济目标有能量费用目标、设备投资费用目标和总年度费用目标。CCHHEQCQCC能量费用目标RCBCCNET/换热设备投资费用总费用目标cNUAbaCC)/(minmin24第4章过程系统节能–夹点技术4.3换热网络设计目标4.3.5最优夹点温差的确定•夹点温差越小，热回收量越多，则所需的加热和冷却公用工程量越少•存在一个使总费用最小的夹点温差。25第4章过程系统节能–夹点技术4.3换热网络设计目标4.3.5最优夹点温差的确定•夹点温差越小，热回收量越多，则所需的加热和冷却公用工程量越少•最优夹点温差的确定方法：（1）根据经验确定。换热器材质价格较高时，可取较高的夹点温差；对冷冻换热系统，可取较小的夹点温差。（2）在不同的夹点温差下，综合出不同的换热网络，选取总费用最低的网络所对应的夹点温差。（3）在网络综合之前，依据冷热复合温焓线，通过数学优化估算最优夹点温差26第4章过程系统节能–夹点技术4.3换热网络设计目标4.3.5最优夹点温差的确定•夹点温差越小，热回收量越多，则所需的加热和冷却公用工程量越少•最优夹点温差的确定方法：（1）根据经验确定。换热器材质价格较高时，可取较高的夹点温差；对冷冻换热系统，可取较小的夹点温差。（2）在不同的夹点温差下，综合出不同的换热网络，选取总费用最低的网络所对应的夹点温差。（3）在网络综合之前，依据冷热复合温焓线，通过数学优化估算最优夹点温差27第4章过程系统节能–夹点技术4.4换热网络优化设计4.4.1夹点技术设计准则（1）物流数目准则CHNN夹点之上CHNN夹点之下28第4章过程系统节能–夹点技术4.4换热网络优化设计4.4.1夹点技术设计准则（1）物流数目准则如果实际系统中物流数目不能满足上述准则，则应通过将物流人为地分流来满足该准则。29第4章过程系统节能–夹点技术4.4换热网络优化设计4.4.1夹点技术设计准则（1）物流数目准则远离夹点处，只要温差许可，物流可逐次进行匹配，不必遵守该准则。30第4章过程系统节能–夹点技术4.4换热网络优化设计4.4.1夹点技术设计准则（2）热容流率准则如果夹点处的实际物流不能满足该准则，就应通过分流来减少夹点之上所需匹配的热流的热容流率或夹点之下所需匹配的冷流的热容流率。CHCPCP夹点之上CHCPCP夹点之下31第4章过程系统节能–夹点技术4.4换热网络优化设计4.4.1夹点技术设计准则（2）热容流率准则离开夹点后，由于物流间的传热温差都增大了，就不必遵守该准则。32第4章过程系统节能–夹点技术4.4换热网络优化设计4.4.1夹点技术设计准则（3）最大换热负荷准则为保证最小数目的换热单元，每一次匹配应换完两股物流中的一股。33第4章过程系统节能–夹点技术4.4换热网络优化设计4.4.2初始网络的生成初始网络应是最大热回收网络，即具有最小公用工程（能量目标；而不是换热单元数目目标）。34第4章过程系统节能–夹点技术4.4换热网络优化设计4.4.2初始网络的生成初始网络应是最大热回收网络，即具有最小公用工程（能量目标；而不是换热单元数目目标）。35第4章过程系统节能–夹点技术4.4换热网络优化设计4.4.4阈值问题•只需要一种公用工程的问题，称为阈值问题。•夹点问题：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36第4章过程系统节能–夹点技术4.4换热网络优化设计4.4.4阈值问题•ΔTTHRΔTmin夹点问题•ΔTTHR=Δtmin阈值问题37第4章过程系统节能–夹点技术4.4换热网络优化设计4.4.4阈值问题•当设计换热网络时，首先要判断其是夹点问题还是阈值问题。