过程系统节能夹点技术2

1过程装备节能技术化工学院过程装备与控制工程系新的学期，新的开始！2巩固与复习节能的热力学原理化工设备节能化工单元操作节能过程系统节能3第四章过程系统节能——夹点技术第四章过程系统节能4.1绪论4.2夹点的形成及意义4.3换热网络设计目标4.4换热网络优化综合4.5换热网络改造综合4.6蒸汽动力系统优化综合54.1绪论本节学习要求：教学目的:1、了解过程系统节能的优势2、了解夹点技术的应用教学重点：过程工业生产系统的构成64.1绪论4.1.1过程系统节能的意义1、节能历程整体局部多个单个复杂简单74.1绪论4.1.1过程系统节能的意义1、节能历程第一阶段，着眼于单个余热流，而非整个热回收系统；主要表现在回收余热；余热回收是节能的基本措施！84.1绪论4.1.1过程系统节能的意义1、节能历程第二阶段，考虑单个设备的节能，例如流体机械、蒸发设备（双效改为三效）、热泵装置，强化换热器的传热等；94.1绪论4.1.1过程系统节能的意义1、节能历程第三阶段，也就是目前所处的阶段，考虑过程系统节能；过程系统工程学（有机结合的整体设计最优化）系统机器设备工艺104.1绪论2、夹点技术整体性考虑：节能要考虑整个系统，全局考虑。否则效果会不好。夹点技术是英国曼彻斯待大学B.Linnhoff教授提出的一种热能回收利用的综合技术，在欧美石油化工领域获得广泛的应用。114.1绪论4.1绪论美国Profimatics公司对20家炼油企业节能工作进行分析，系统节能约占50%。4.1绪论Profimatics公司开发了基于线性规划的公用工程优化软件PLUTO对蒸汽动力公用工程144.1绪论154.1绪论2、夹点技术由于夹点技术能取得明显的节能和降低成本的效果，在各国正日益受到重视。夹点技术普遍应用于换热网络合成与优化。热力学第二定律夹点能量回收利用综和合成技术164.1绪论余热回收方案：原料物从5℃加热至200℃进入反应器进行反应，反应的产物由200℃冷却至35℃进入分离器，分离塔底产品由200℃冷却至125℃出装置，而塔顶轻组分则返回，与反应进料混合。174.1绪论余热回收方案：原料物从5℃加热至200℃进入反应器进行反应，反应的产物由200℃冷却至35℃进入分离器，分离塔底产品由200℃冷却至125℃出装置，而塔顶轻组分则返回，与反应进料混合。184.1绪论余热回收方案比较：出发点：能量消耗（加热、冷却）、设备投资通过这个实例，你可以得出什么结论呢？194.1绪论4.1.2夹点技术的应用范围及其发展1、适用场合夹点技术适用于过程系统（新厂）设计和节能改造。所谓过程工业是指以处理物料流和能量流为目的的行业，如化工、冶金、炼油、造纸、水泥、食品、医药、电力等行业。（过程装备与控制工程专业的新内涵）204.1绪论2、过程工业中的能量交换冷物流和热物流：在过程工业的生产装置中，总有若干物流被加热(称之为冷物流)，例如进入反应器的原料物流、分离设备的进料等，而又有另一些物流需被冷却或冷凝，例如反应产物、分离严品等(称之为热物流)。认真区分这两个概念。214.1绪论通常总是利用生产装置本身的热物流与冷物流进行换热，回收一部分热量。冷物流与热物流换热要求的换热温度蒸汽或燃料等加热公用工程加热要求的冷却温度水冷或空冷等冷却公用工程冷却224.1绪论换热网络是过程工业能量系统中最重要组成部分之一。换热网络：由装置中冷、热物流之间进行换热的换热器和加热公用工程用的加热器以及冷却公用工程中的冷却器所构成的换热系统。234.1绪论物流不分流，且多股热、冷物流之间只换热一次。244.1绪论允许一股物流同另一股物流多次换热。254.1绪论通过分流，使换热单元数目最小。264.1绪论通过适当分流获得换热单元数目最小，与上述相比，投资和公用工程费用均最小。最优的换热网络：若以年费用为目标：经济合理的最小加热和冷却公用工程用量是多少？最小换热器面积和换热器数目是多少？如何进行冷热物流的匹配。274.1绪论3、过程工业的生产系统从系统工程的角度来看，过程工业的生产系统可以分为以下三个子系统：工艺过程子系统：由反应器、分离器等单元设备组成的由原料到产品的生产流程，它是过程工业生产系统中的主体。284.1绪论热回收换热网络子系统：在生产过程中由换热据、加热器、冷却器组成的系统，其目的在于把冷物料加热到所需温度，把热物流冷却至所需温度并回收利用热物流的热量。294.1绪论蒸汽动力子系统：为生产过程提供各种级别的蒸汽和动力子系统，它包括锅炉、锅炉、给水泵等设备。提高换热、减少加热和冷却的相互依存关系。304.1绪论三个子系统相互关系。314.1绪论4、夹点技术的形成热回收换热网络的优化集成热回收换热网络子系统蒸汽动力公用工程子系统324.1绪论4、夹点技术的形成安全性、可操作性、对不同工况的适应性和对环境的影响、能量总费用.夹点技术现在的发展情况：不仅可用于热回收换热网络的优化集成，而且用于合理设置热机和热泵，确定公用工程的等级和用量，去除“瓶颈”、提高生产能力，分离设备的集成，减少生产用水(即节水)，减少废气污染排放等等。3334本节学习要求：教学目的:1、什么是夹点？2、计算求解夹点位置的方法3、夹点的意义教学重点：夹点位置的意义4.2夹点的形成及意义354.2夹点的形成及意义4.2.1温－焓图和复合曲线物流的热特性可用温—焓图表示。热物流和冷物流的走向不同。式中，CP为热容流率，单位为，kW／℃。热容流率——是质量流率与定压比热的乘积。dQCPdT364.2夹点的形成及意义•直线关系。•CP值越大，直线越平缓。HT374.2夹点的形成及意义HT热物流冷物流384.2夹点的形成及意义多胶热流形成热复合曲线。温位区间线性关系394.2夹点的形成及意义步骤如下：1、将物流按各物流温度及热焓量（温度×流量×热容)分别绘于坐标上；2、在各温度段间将各物流之热焓相加而成为此温段间组合温度－热焓曲线；3、根据温度高低顺序从高往低或从低往高，将此段间的温焓直线连接即可成为热或冷组合曲线。404.2夹点的形成及意义多胶热流形成热复合曲线。组合曲线温度区间414.2夹点的形成及意义4.2.2夹点的形成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，如图所示。424.2夹点的形成及意义(a)全部冷流由加热公用工程加热，全部热流由冷却公用工程冷却。过程中的热量全部没有回收。加热所提供的热量和冷却所提供的冷却量最大。434.2夹点的形成及意义(b)热流所放出的部分热量可以用来加热冷流，所以加热公用工程所提供的热量和冷却公用工程所提供的冷却量均相应减少。但以最高温度的热流加热最低温度的冷流，传热温差很大，可回收利用的余热有限。444.2夹点的形成及意义(c)使热复合曲线和冷复合曲线在某点几乎重合，此时，加热公用工程所提供的热量和冷却公用工程所提供的冷却量均达到最小，所回收的热量达到最大。冷、热复合曲线在某点重合时该系统内部换热的极限，重合即该点传热温差为零，该点即为夹点。454.2夹点的形成及意义464.2夹点的形成及意义夹点为冷热复合温曲线上传热温差最小的地方。冷、热曲线的重叠部分ABCEFG阴影部分为过程内部冷、热流体的换热区，包括多股热流相多股冷流，全部通过换热器来实现；474.2夹点的形成及意义冷复合曲线上端剩余部分GH：没有合适的热流与之换热，需用公用工程加热器使这部分冷流升高到目标温度，GH为在该夹点温差下所需的最小加热公用工程量；484.2夹点的形成及意义热复合曲线下端剩余部分CD：已没有合适的冷流与之换热，需用公用工程冷却器使这部分热流降低到目标温度，CD为在该夹点温差下所需的最小冷却公用工程量。494.2夹点的形成及意义4.2.3确定夹点位置方法：图解法，问题表格法，热量差法。当物流越多，采用复合温焓线越繁琐，计算过程越复杂，此时常采用问题表来精确计算。504.2夹点的形成及意义4.2.3确定夹点位置图解法:冷、热流组合曲线间垂直距离最小的点就是要找的夹点，夹点处的温差即网络最小温差。从热能回收的观点说，则在换热系统存在某一特定温度，如果热能传递通过这一温度将造成能量浪费，这个特定温度称为夹点。（定义夹点的方法？？？）514.2夹点的形成及意义4.2.3确定夹点位置图解法:524.2夹点的形成及意义问题表法的步骤如下：(1)划分温度区间以冷、热流体的平均温度为标尺，划分温度区间。热流体，下降1／2个夹点温差；冷流体，上升1／2个夹点温差。保证在每个温区内热物流比冷物流高ΔTmin，满足传热的需要。534.2夹点的形成及意义(2)温区热平衡计算，确定加热量和冷却量。计算每个温区内的热平衡，确定各温区所需的加热量和冷却量。1()()iiiCHHCPCPTT544.2夹点的形成及意义(3)进行热级联计算。A、计算外界无热量输入时各温区之间的热通量。B、为保证各温区之间的热通量＞0，确定所需外界加入的最小热量，即最小加热公用工程用量，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。C、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。(4)确定夹点的位置温区之间热通量为零处，即为夹点。554.2夹点的形成及意义例：某一换热系统的工艺物流为两股热流和两股冷流，其物流参数如表所示。取冷、热流体之间最小传热温差为10℃。确定该换热系统的夹点位置以及最小加热公用工程量和最小冷却公用工程量。564.2夹点的形成及意义步骤一划分温区：(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：(2)计算冷热流体的平均温度，即将热流体温度下降而冷流体温度上升；热流体：30，60，150，170冷流体：20，80，135，140热流体：25，55，145，165冷流体：25，85，140，145574.2夹点的形成及意义(3)将所有冷热流体的平均温度从小到大排列起来：(4)划分温区：整个系统可以划分为五个温区。冷热流体：25，55，85，140，145，165第—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—25584.2夹点的形成及意义第—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步骤二温区内热平衡计算594.2夹点的形成及意义步骤二温区内热平衡计算第一温区:一3.0(165—145)＝一60第二温区:(4.0—3.0—1．5)(145一140)＝一2.5第三温区:(4.0十2.0—3.0—1.5)(140一85)＝82.5第四温区:(2.0一3.0一1.5)(85—55)＝一75第五温区:(2.0一1.5)(55—25)＝15604.2夹点的形成及意义温区示意图614.2夹点的形成及意义步骤三计算各温区之间的热通量（外界无热量输入）第一温区:一60第二温区:一2.5第三温区:82.5第四温区:一75第五温区:15624.2夹点的形成及意义步骤三计算各温区之间的热通量（外界无热量输入）第一温区：输入热量＝0输出热量＝0十60＝60第二温区：输入热量＝60输出热量＝60十2.5＝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＝一20十75＝55第五温区：输入热量＝55输出热量＝55一15＝40634.2夹点的形成及意义非常重要644.2夹点的形成及意义步骤四确定最小加热公用工程用量消除不合理现象：温区三向温区四输出的热量为负值，温区四向温区三提供热量。使各温区之间的热通量＞0，就必须从外界输入热量，使原来的负值至少变为零，因此得到最小加热公用工程量为20Kw。654.2夹点的形成及意义步骤五计算此时各温区之间的热通量由最后温区输出热量60Kw即为最小冷却公用工程用量。步骤六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℃，