过程系统节能夹点技术

过程系统节能—夹点技术40℃R1R2HHC1C60℃80℃180℃120℃100℃120℃30℃130℃406212010060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）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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）反应器分离序列换热器网络公用工程图1洋葱模型过程集成技术产生的主要原因内在因素–资源匮乏–能源紧张–环境保护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。夹点技术的应用成果新设计–降低操作成本30—50%–节省投资10—20%老厂改造–降低操作成本20—30%–投资费用回收期1—2年夹点技术的基本原理夹点的形成及其意义换热网络设计目标换热网络优化设计换热网络改造综合蒸汽动力系统优化综合工艺系统的热集成夹点的形成及其意义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。单一物流的温焓线的特征（两个特征）–物流温焓线的斜率为物流热容流率的倒数–温焓线可以在T—H图上平移，而并不改变其对物流热特性的描述TTtTsTH=QH（a）冷流股温焓线THTTQSTTHTTQTS冷物流热物流图2物流的复合温焓线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。物流的复合温焓线复合温焓线的作法–划分温区–计算各温区内的热量THABCT1T2T3T4T5()()TTB12()()TTABC23()()TTAC34()()TTB45每一个温区的总热量可表示为：jiijiTTCPH)(1THT1T2T3T4T5图3热流的复合温焓线冷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。夹点的形成在温-焓图上，冷、热复合曲线的相对位置有三种不同的情况（QH与QC最大；有部分QR重合；夹点的形成）夹点的形成ABIIIIIIQC1QH1QC2QH2QR2QH3QR3QC3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）确定了夹点温差之后的冷热复合曲线图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夹点的意义（1）夹点处热、冷物流间传热温差最小，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”。（2）夹点把过程系统分为两个独立的子系统：夹点上方为净热阱，夹点下方为净热源。（热阱不能有冷却器；热源不能有加热器）夹点的分析热源热阱夹点TTH图5a热源热阱αQCMIN＋αQHMIN＋αTH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4.080140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（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量和最小冷却公用工程量。换热单元数目目标Umin=N+L-S式中：U—换热单元数目；N—流股数目，包括工艺物流以及加热和冷却公用工程；L—独立的热负荷回路数目；S—可能分离成不相关子系统的数目。换热网络面积目标TH12345678换热网络面积目标第i区段的换热面积为换热网络的总面积为jjjlmiihqTA1jjjilmiihqTA1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根据经验确定。（考虑公用工程和换热器设备的价格、换热介质、传热系数、操作弹性等；例如对于钛材：一般可取50度，对于能源价格高的过程可取5-10度）在不同的夹点温差下，综合出不同的换热网络，然后比较各网络的总费用，选取总费用最低的网络所对应的夹点温差。依据冷热复合温焓线，通过数学优化估算最优夹点温差。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≥CPCCPH≤CPCΔTminΔTminTHTH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。阈值问题蒸汽THTH冷却水阈值问题有些系统，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ΔTTHR。阈值问题蒸汽TH蒸汽TH蒸汽THΔT=ΔTminTHR冷却水蒸汽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ΔTTHRΔTmin，则属于夹点问题；反之，若ΔTTHR≥ΔTmin，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=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。检查有无夹点之下的加热器系统中有两个加热器，一个把冷流3从85.5℃加热到120℃，另一个把冷流4从90℃加热到100℃。可见，这两个加热器均在夹点之上。故不存在夹点之下的加热器。检查有无跨越夹点的传热系统中有两个换热器，一个是热流2与冷流4的换热，热流2从130℃降温到70℃，把冷流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(60-30)×1.8=54个单位，正是本系统的节能潜力。系统用能不合理的环节出现在热流1与冷流3的换热中，发生了54个单位的跨越夹点的传热。应如何进行节能改造？冷流3在夹点之下部分（从30℃到60℃）的加热不能用夹点之上的热流，只能用夹点之下的热流，即只能用70℃以下的热流2。40℃R1R2HHC1C60℃80℃180℃120℃100℃120℃30℃130℃406212010060蒸汽动力系统优化综合在有热机和热泵存在的条件下，将动力的产生与消耗与系统中的热能需求结合起来，以使对外界的燃料和动力总消耗量为最少。热通量级联图总复合曲线总复合曲线以冷、热流体的平均温度为纵坐标，焓为横坐标。总复合曲线是这样构成的：热通量级联图中各温区边界的冷、热流体平均温度及其对应的热通量，构成总复合曲线图上的一个点（平均温度为其纵坐标，热通量为其横坐标），将相邻的点用直线连接，就构成了总复合曲线。总复合曲线总复合曲线表示系统中热通量与温位的关系总复合曲线的作用–合理的配置系统的公用工程–合理的设置热机、热泵、分离