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夹点技术原理与应用进展研究发表时间：2011-10-25来源：《魅力中国》2011年7月下供稿作者：高召帅翟增强[导读]夹点技术可以实现整体设计最优化，也就是说达到能耗最低、费用最小和环境污染最少。高召帅1翟增强2（中国矿业大学，江苏徐州221116）中图分类号：TQ083.4文献标识码：A文章编号：1673-0992（2011）07-205-01摘要：夹点技术是一种十分有效和实用的过程集成技术，本文介绍了夹点枝术的基本原理和运用此技术进行过程工程最优综合的基本方法及应用情况。关键词：夹点技术；节能；应用进展一前言20世纪80年代，英国曼彻斯特科技大学的B.Linnhoff[1]教授在他的博士论文中提出了一种过程系统节能的整体优化设计方法——夹点技术。夹点技术把整个系统集成起来作为一个有机的整体来看待，可以实现整体设计最优化，也就是说达到能耗最低、费用最小和环境污染最少。该方法具有物理意义清晰，不需要复杂的数学模型，方法灵活简便，易于被工程技术人员掌握的特点。此法一经推出，即得到工程界的重视和采用，以后又在实践中不断得到发展和完善。目前欧美等国已有大型工程的新设计和改造采用了该方法，都取得了巨大的经济效益。一般改造项目的投资费用回收年限均在两年以内[2]。二夹点技术的原理[3]夹点技术是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统及其用能的“瓶颈”所在,并给以“解瓶颈”的一种方法。当给出过程系统中各物流的压力、组成、质量流量、初始温度、目标温度以及选定的最小允许传热温差ΔTmin后,即可确定夹点,常用的方法有三种:(1)作图法。在温-焓图上分别作出热、冷物流的组合曲线,热组合曲线在冷组合曲线的上方,并相互水平靠拢,当两组曲线在某处之间的垂直距离刚好等于规定的ΔTmin时,则该处即为夹点。(2)问题表格算法。按温位将系统中各物流划分成K个子网络(或热级联),求出各子网络输入热负荷IK及输出热负荷OK,在OK为零处,即第K子网络与第(K+1)子网络之间的温位界面处(OK=IK=0)即是夹点。（3）数学规划法。将系统划分为K个温度区间,采用转运模型确定最小公用工程费用的线性规划问题,即可得到公用工程加热、冷却物流的最佳用量以及每一温度间隔的剩余热量RK，当RK=0时说明区间K与(K+1)之间的界面处即为夹点。为保证过程系统能量回收最大化,应遵守三条基本原则[4]:夹点处不能有热流量穿过;夹点上方不能引入冷公用工程;夹点下方不能引入热公用工程。夹点位置确定的同时,该系统所需的最小热、冷公用工程负荷以及最大热回收量也随之确定。三夹点技术的应用1夹点技术的应用领域夹点技术严格根据热力学原理提出了一系列概念、原理、规则和图表工具,可在设计之前估算出最小能耗目标和最小投资目标,能够指出从热力学角度看哪些能量损失可以避免,哪些不能避免,并进一步指出如何匹配物流以使能量损失最小化。由于夹点技术物理概念清晰、目标明确、理论规则明了、图表计算工具丰富,很快被广大工程技术人员接受,广泛地应用于各种工业生产的连续工艺和间歇工艺,如化工、炼油等过程工业系统的设计和改造,其最早的成功应用是换热网络,现已延伸到除反应过程以外的几乎所有化工过程,如多级公用工程的合理利用、热电联产(热机、热泵的合理安排等)、分离序列集成(精馏塔优化排列)、过程压降优化、全过程系统能量综合、节约水资源、减少废气排放等。涉及到众多工业部门,见表1[6]。夹点技术的应用效果有降低能耗、节省投资、提高操作灵活性、减轻环境污染等。国外应用表明夹点技术平均节能20%-40%,节水20%以上,减少废气排放20%-40%,投资回收期平均0.5-1.5[5]。2夹点技术的应用进展由于夹点技术是过程集成方法中最实用的技术，能取得明显的节能和降低成本的效果，所以自夹点技术从上世纪70年代由Linnhoff[7]提出后，在世界各国都受到了很大重视[8]，已成功应用于众多项目中，取得了显著的节能效果常压装置消耗的能量约占炼油厂总用能的25%~30%，已成为炼油厂消耗量最大的装置。某规模为250万t/a的常减压装置[8]，换热网络终温较低，装置能耗较高，换热网络的操作弹性差。针对此问题，在夹点技术的基础上，李哲等[5]结合工艺流程模拟软件（HYSYS）和换热网络计算软件（HEXTRAN）对原有常减压装置换热网络进行优化，得到了近于最优的换热网络。新的换热网络实际运行后，使原油的换热终温提高了27℃，装置能耗降低了2.35kg标油/t原油，年创效益接近1200万元，取得了良好的经济效益。中国石油宁夏炼化公司100万t/a常压蒸馏装置建成投产后[9]，长期处于低负荷状态下运行，近年来随着原油加工量不断增加，装置“瓶颈”逐步显现——原油换热终温偏低、加热炉效率低、产品出装置温度高等，能耗长期偏高，迫使装置进行优化改造。采用夹点技术改造后，原油换热终温由271℃提高到294℃，装置加工量由140万t提高到了200万t，装置能耗由原来的10.5kgEO/t降低到9.76kgEO/t，加热炉效率由85.72%提高到了90.36%。由以上数据可以看出，装置能量利用率和装置加工量提高显著。蔡砚等[10]对一套20世纪80年代引进的加氢裂化装置进行用能分析，发现存在跨越夹点的传热的不合理用能情况。结合工程实际和经济因素，运用夹点技术对装置进行分析，发现该装置节能潜力高达31323kw/h。根据夹点换热原则结合对现有换热网络的利旧问题的考虑，得出两种具有显著优势的换热网投资1122.7万元，可获得节省2174.4万元/a的经济效益。方案二节能效果较显著：改造投资1707.4万元，可节省操作费用2707.8万元/a，缺点是回收期比方案一长两个月。夹点技术不仅局限于热力学问题，更加广泛的延伸到水系统设计中。近年来，水夹点技术的应用对于节约过程工业的新鲜水、大幅减少废水排放量方面优势显著。中油公司大庆石化分公司炼油厂[11]应用水夹点技术确定了全系统最小的新鲜水用量9.83t/h，与原用新鲜水量为24.3t/h相比，该项目实施可使该厂用水量节约59.5%，在获得81.02万元/a的经济效益的同时，对解决目前面临的水资源危机意义重大。袁一星等[12]运用水夹点技术对M炼油厂进行分析计算，得出了最小用水量114.25t/h，与原用水量为148t/h相比，该项目实施可使该厂用水量节约23%。四结束语夹点技术因方法简单、灵活、实用，易于理解和掌握，在世界范围内得到迅速推广，并取得令人瞩目的成果。夹点技术在过程工业的应用已从降低能耗向减少废气、污水排放、净化环境和优化投资等更为广阔的领域发展．延伸到化学反应以外的所有化学工程，在全厂优化、塔分离、深冷系统等方面都有新进展。参考文献[1]B.Linnhoffetal.ChemicalEngineeringProgress.1984,80(7):33~40[2]冯霄．化工节能原理与技术[M]．北京：化学工业出版社，2009．[3]姚平经,郑轩荣.换热器系统的模拟优化与综合.北京:化学工业出版社,1992.127[4]G.Samdanietal.ChemicalEngineering.1993,100(3):38~47[5]蒋楚生等.工业节能的热力学基础和应用.北京:化学工业出版社,1990.248[6]张济民.夹点技术及其应用.化学工程师，2004.6：45~47[7]KevinC．Furman，Nikolaosv．Sahinids．ACriticalReviewandAnnotatedBiblioQraphvforHeatExchanQerNetworkSynthesisinthe20thCentury『J1．Ind．EnQ．Chem．Res．2002．41：2335-2370．[8]Linnh0B．eta1．UserGuideonProcessInteQrationfortheEfficientUseofEnerQv[M1，UK：IChem．E．Ru．qbv，1982［5］李哲，康久常，佟韶辉.常减压装置换热网络的优化设计[J].当代化工，2009，38（4）：380-381.［6］姜磊.常减压装置能量系统优化改造[J].石油化工应用，2008，27（6）：73-74.［7］蔡砚，冯霄.加氢裂化装置换热网络的节能改造[J].现代化工，2006，26：289-290.［8］陈丽.水夹点技术在炼油厂的应用[J].计算机与应用化学，2009，26（9）：1153-1154.［9］袁一星，钟丹，高金良.水夹点技术在炼油厂的应用实例[J].工业用水与废水，2009，40（3）：48-50.［10］FenqX。ZhuXX．CombininclpinchandenerQvanalysisforprocessmodifications『J1．Appl．TheromEnq．1997，17(3)：249—261．［11］吕艳卓等．蒸馏装置换热网络的节能优化『J1．石油化工设计．2003．20(3)：12-15．［12］孙艳泽．冯宵．具有不同操作工况的装置的热集成『J1．高校化学工程学报。2007．21(5)：843-848．作者简介：1.高召帅，籍贯山东济宁，中国矿业大学本科在读。本科学习成绩优秀，曾连续两年获学习优秀奖学金。2.翟增强，籍贯山东济宁，中国矿业大学本科在读。曾获“高教杯”数学建模竞赛江苏省一等奖。作为主持人参加校级大学生科研训练项目一项。