化工节能课件 第四章 夹点技术

第四章夹点技术分析与应用4.1绪论节能的发展：余热回收；单元操作及设备的节能和优化；过程系统节能和优化。过程集成的主要技术是夹点技术，国外许多大公司先后应用。赫斯特、拜耳、联碳、孟山都、杜邦、ICI等公司应用并收到巨大的经济效益：新厂设计与传统比较节能30-50%，节省投资10%，老厂改造节能20-35%，改造投资回收年限0.5-3年。美国联碳公司应用夹点技术取得的效益工艺过程项目类型节能效果/万美元/年投资费用/万美元/年回收期/月石油化工改造105506专用化学品改造13.95.75专用化学品改造8.20.61特许成套设备新设计130节约投资-石油化工改造63--有机化工改造100607有机化工改造124.3183.518专用化学品改造57204有机化工改造200805过程工业的系统和子系统工艺过程子系统指反应器，分离器等工艺流程；热回收系统指各换热器组成的加热冷却的系统；蒸汽动力子系统指锅炉，蒸汽和冷却水的管网。工艺过程子系统热回收子系统蒸汽动力子系统原料产品能量供给废热排出从能量角度看，三个子系统相互影响，密切相关。工艺条件或路线的改变将影响对换热网络和蒸汽动力网络的要求；换热网络回收率的提高将减少蒸汽和冷却水的数量；蒸汽级别和冷却水的温度也将影响热量回收和冷却水的数量。夹点技术可用于新厂建设，也可老厂改造；夹点技术可以以能量为目标，也可以经济为目标；夹点技术可用于换热网络的集成，合理配置热机和热泵，确定公用工程的级别，消除瓶颈，提高生产能力。怎样节省能源？HOTCOLD换热器200℃50℃40℃120℃两条或两条以上的热流股与两条或两条以上的冷流股怎么匹配？夹点技术是用来做什么的？夹点技术是用来优化综合换热网络，并且能对整个过程系统的能量进行分析与调优，实现过程系统的低能耗操作。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。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什么是夹点技术？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。温焓图TtTsT,℃H,kWAB△T△H=QHTTCPQst)(（1）单一曲线物流的复合温焓线CP值越大，T-H图上的线越平缓THTTQSTTHTTQTS冷物流热物流（2）组合曲线将多个热物流和多个冷物流用温焓图表示。THC1B(1a)冷物流C1、C2在T-H图上的标绘AC2DC线段平移不影响Q值。Q=CP(TT-TS)=ΔH在过程工业的生产系统中，通常总是有若干冷物流需要被加热，而又有另外若干热物流需要被冷却。对于多股热流，我们可将它们合并成一条热复合曲线；对于多股冷流，我们也可将它们合并成一条冷复合曲线。THC1B(1b)构造组合曲线AC2DCEFTHC1E(1c)C1和C2的组合曲线AC2DC1+C2FTHC1(1d)冷物流C1、C2、C3在T-H图上的标绘C2C3ABCDEFABCDEF划分温区计算各温区内的热量THABCT1T2T3T4T5()()TTB12()()TTABC23()()TTAC34))((54ATT热流的复合温焓线每一个温区的总热量可表示为：jiijiTTCPH)(1THT1T2T3T4T5热流的复合温焓线当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将所有的热流合并成一根热复合曲线，所有的冷流合并成一根冷复合曲线，然后将两者一起表示在温-焓图上。在温-焓图上，冷、热复合曲线的相对位置有三种不同的情况热流体放出热量QR=冷流体吸收热量QR夹点形成：从上图可见，图中交点为夹点，这时热量利用为最大，外加热源和冷源为最小。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。QRQHQC由于传热需要一定的温差，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。夹点的特征夹点处的传热温差最小夹点处系统的热通量为零确定了夹点温差之后的冷热复合曲线图T-H图上描述夹点选用不同△Tm值对夹点位置的影响一过程系统含有的工艺物流为2个热物流及两个冷物流，数据见下表。冷热流股最小传热温差△Tmin=20℃，试确定过程系统的夹点位置。物流标号热溶流率Cp(kW/℃)初始温度Ts(℃)终了温度Tt(℃)热负荷Q(kW)H12.015060180H28.09060240C12.520125262.5C23.025100225夹点位置的确定方法一、T-H图法A、在T-H图上画出组合曲线。T，℃50100H150150300450600720H1H2C1C2T，℃50100H150150300450600720△T=20℃水平移动B、移动某一曲线使两曲线间最短距离等于20℃。此最短距离处即为夹点。Qc,minQr,maxQh,minPQC、从夹点图上可以得出如下信息：（a）该过程系统所需的最小公用工程加热负荷Qh,min，及所需最小公用工程冷却负荷Qc,min。（b）该过程系统所能达到的最大热回收Qr,max。（c）夹点PQ把过程系统分隔为两部分：一是夹点上方，称为热端（热阱），只需公用工程加热；另一是夹点下方，称冷端（热源），只需公用工程冷却。夹点的分析热源热阱夹点TTH图5aT，℃50100H150150300450600720△T=20℃PQ2、由温焓图确定冷热流股匹配方案。ⅠⅡⅢⅣⅤC1+C2C1C2H1+H2H1(2a)分区分析：区间Ⅰ：H1和H2的低温段应被公用工程冷却，采用冷却器CW1和CW2。区间Ⅱ：C1分别与H1和H2换热。采用换热器E1和E2。区间Ⅲ：C1和C2分别与H1和H2换热。采用换热器E3，E4。区间Ⅳ：H1分别与C1和C2换热。采用换热器E5，E6。区间Ⅴ：C1和C2的高温位应被公用工程加热。采用换热器HS1，HS2。区间Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ都要分解组合曲线来确定内部匹配关系。(2c)图示1E1C1E2E6HS1E3CWH2E5H2H1C2HS2C2H1E450100H150150300450600720ⅠⅡⅢⅣⅤC1-1H1-1C1-2C1-3C1-4C2-1C2-3C2-4H1-2H2-3H2-1H2-2H2-4C2-2(2b)分解组合曲线25606990100H1-3区间Ⅰ：H2-1的低温段应被公用工程冷却，采用冷却器CW1。区间Ⅱ：H2-2与C1-1匹配采用换热器E1。区间Ⅲ：H2-3和C1-2匹配采用换热器E2；H2-4和C2-1匹配采用换热器E3；H1-1和C2-2匹配采用换热器E4。区间Ⅳ：H1-2和C1-3匹配采用换热器E5；H1-3和C2-3匹配采用换热器E6。区间Ⅴ：C2-4和C1-4的高温位应被公用工程加热。采用加热器HS1，HS2。(2)最终匹配结果：区间Ⅰ：H2-1的低温段应被公用工程冷却，采用冷却器CW1。区间Ⅱ：H2-2与C1-1匹配采用换热器E1。区间Ⅲ：H2-3和C1-2匹配采用换热器E2；H2-4和C2-1匹配采用换热器E3；H1-1和C2-2匹配采用换热器E4。区间Ⅳ：H1-2和C1-3匹配采用换热器E5；H1-3和C2-3匹配采用换热器E6。区间Ⅴ：C2-4和C1-4的高温位应被公用工程加热。采用加热器HS1，HS2。(2c)图示2E1,2C1E4,6HS1E3CWH2E5H2H1C2HS2C2H1(3)最优化方案夹点位置的确定方法二、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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问题表法（例题）物流编号和类型热容流率kW/℃供应温度℃目标温度℃1热流3.0170602热流1.5150303冷流2.0201354冷流4.080140ΔTmin=10℃，确定夹点的位置问题表法（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）划分温区：(2)计算冷热流体的平均温度，即将热流体温度下降ΔTmin/2，将冷流体温度上升ΔTmin/2：（取ΔTmin=10℃）热流体：25，55，145，165冷流体：25，85，140，145问题表法（例题）划分温区：(3)将所有冷热流体的平均温度从小到大排列起来：冷热流体：25，55，85，140，145，165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（160）165（170）温区1（140）145（150）温区2（135）140（145）温区3（80）85（90）温区4（50）55（60）温区5(20）25（30）CPH=3.0CPH=1.5CPC=4.0CPC=2.0温区划分问题表法（例题）温区内热平衡计算：ΔHi=(∑CPC-∑CPH)(Ti-Ti+1)问题表法（例题）温区内热平衡计算：第一温区：ΔH1=（0-3.0)(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)=15ΔH为“-”表示该温区有剩余热量问题表法（例题）计算外界无热量输入时各温区之间的热通量：第一温区：输入热量=0(外界无热量输入），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第五温区：输入热量=55，输出热量=55-15=40各区间的热通量(=)0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第五温区：输入热量=75，输出热量=75-15=60各区间的热通量(=)0温区温度/°C物流亏缺热量累积热量/kW热通量/kWkW输入输出输入输出1165-145-60（“-”表示有剩余热量）06020802145-140-2.56062.58082.53140-8582.562.5-2082.50485-55-75-2055075555-251555407560问题表问题表法（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。夹点的意义：1、夹点处热、冷物流间传热温差最小，等于△Tmin。它限制了进一步回收过程系统的能量，构成了系统用能的“瓶颈”所在，若想增大过程系统的能量回收，减小公用工程符合，就需要改善夹点，以“解瓶颈”。2、夹点处过程系统的热流量为0，它把过程系统分为两个独立的子系统，一是夹点上方，只需公用工程加热，称为热端（热阱）；另一是夹点下方，只需公用工程冷却，称冷端（热源）。3、为保证过程系统具有最大的能量回收，应遵循三条基本原则：①夹点处不能有热流量穿过；②夹点上方不能引入冷却公用工程；③夹点下方不能引入加热公用工程。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一过程系统含有的工艺物流为2个热物流及两个冷物流，数据见下表。冷热流股最小传热温差△Tmin=20℃，试确定过程系统