化工過程中應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)綜述能源與人類文明和社會(huì)的發(fā)展一直緊密地聯(lián)系在一起，是社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。全球的能源、資源急劇消耗，有效、合理地利用自然資源是保證經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本出發(fā)點(diǎn)。化學(xué)工業(yè)是一種能量密集型的行業(yè)，所以隨著能源危機(jī)日益加深，優(yōu)化結(jié)構(gòu)、節(jié)約能量成為當(dāng)今的熱點(diǎn)話題，而夾點(diǎn)技術(shù)以其獨(dú)有的實(shí)用、簡(jiǎn)單、直觀和靈活的優(yōu)點(diǎn)正在被廣泛使用，經(jīng)過20多年的發(fā)展，夾點(diǎn)技術(shù)已從熱回收的特殊工具發(fā)展成為一種卓有成效的過程設(shè)計(jì)方法，它是過程系統(tǒng)綜合的強(qiáng)有力方法，其研究和應(yīng)用對(duì)促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、增加經(jīng)濟(jì)效益、提高競(jìng)爭(zhēng)能力等都有重大意義，在我國的工業(yè)和企業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。一、夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法簡(jiǎn)介：過程工業(yè)為了降低生產(chǎn)成本、合理利用資源，己從對(duì)單臺(tái)設(shè)備的操作優(yōu)化集成發(fā)展到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的集成優(yōu)化，即采用過程集成技術(shù)，在70年代末，英國曼徹斯特大學(xué)BodoLinnhoff教授及其同事在前人研究成果的基礎(chǔ)上提出的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并逐步發(fā)展成為化工過程能量綜合技術(shù)的方法論，即夾點(diǎn)技術(shù)(PinchTechnology)o采用這種技術(shù)對(duì)于新裝置設(shè)計(jì)而言，比傳統(tǒng)方法節(jié)能30%—50%。同時(shí)，近幾年逐漸應(yīng)用于老裝置的節(jié)能改造中，其改造投資低，卻能取得較好的節(jié)能目的。夾點(diǎn)技術(shù)的基本思想是：從最大熱回收能量出發(fā)，建立一個(gè)初始網(wǎng)絡(luò)，然后根據(jù)設(shè)備費(fèi)用和能量費(fèi)用的協(xié)調(diào)，對(duì)初始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修正，從而得到一個(gè)最佳的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)的關(guān)鍵就是要設(shè)定目標(biāo)，其原則是先確定能獲得什么（即建立目標(biāo)），然后著手實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。也就是說，在設(shè)計(jì)前先確定其目標(biāo)，對(duì)裝置改造則意味著先確定節(jié)能目標(biāo)，成本目標(biāo)和返本期目標(biāo)，由此識(shí)別出具體的設(shè)計(jì)方案。夾點(diǎn)的意義就在于將一個(gè)過程分為2個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，它們之間的傳熱量為0，它們各自于相應(yīng)的公用工程處于熱平衡狀態(tài)。即：夾點(diǎn)之上的物流與夾點(diǎn)之上的物流換熱。當(dāng)有穿越夾點(diǎn)的熱量傳遞時(shí)，將導(dǎo)致公用工程需求量增加。夾點(diǎn)技術(shù)充分考慮能的“質(zhì)”和“量”兩方面，具有嚴(yán)格的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，可以圓滿地表達(dá)具有設(shè)備約束、經(jīng)濟(jì)約束及網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)在內(nèi)的熱力學(xué)第二定律，是熱力學(xué)第二定律直接用于生產(chǎn)實(shí)踐的最好體現(xiàn)。夾點(diǎn)技術(shù)的原理：給出生產(chǎn)過程系統(tǒng)中各物流的質(zhì)量流量、初始溫度、目標(biāo)溫度以及選定的最小允許傳熱溫差A(yù)Tmin后，即可確定夾點(diǎn)。確定夾點(diǎn)常用的方法有3種：（1）作圖法，在溫一焓圖上做出冷、熱物流的組合曲線，熱組合曲線在冷組合曲線的上方，由于橫坐標(biāo)是焓，組合曲線也可以自由平移，當(dāng)兩組合曲線在某處的垂直距離恰好等于規(guī)定的最小傳熱溫差A(yù)Tmin時(shí)，該處即為夾點(diǎn)。（2）問題表格算法，按溫位將系統(tǒng)中各物流劃分為K個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，求出各子網(wǎng)絡(luò)輸人熱負(fù)荷Ik及輸出熱負(fù)荷Ok，在Ok為零處，即第k個(gè)子網(wǎng)絡(luò)與第（k+1）個(gè)子網(wǎng)絡(luò)之間的溫位界面處（Ok=Ik=0）即為夾點(diǎn)。（3）數(shù)學(xué)規(guī)劃法。夾點(diǎn)具有兩個(gè)特征：一是該處熱、冷物流間的傳熱溫差最小，等于△Tmin；二是該處過程系統(tǒng)的熱流量為零。夾點(diǎn)之上為熱段，只需公用工程加熱，稱為熱阱；夾點(diǎn)下方，為冷端，只需公用工程冷卻，稱為熱源。夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法的基本原則：為使過程系統(tǒng)能量回收最大化，保證達(dá)到最小的冷、熱公用工程用量，達(dá)到系統(tǒng)過程節(jié)能的目的，必須遵循夾點(diǎn)設(shè)計(jì)的3條最基本原則：（1）夾點(diǎn)處不能有熱流量穿過。（2）夾點(diǎn)上方不設(shè)冷公用工程。這意味著夾點(diǎn)之上所有的熱流股都應(yīng)依靠與冷流股換熱達(dá)到夾點(diǎn)溫度，而冷流股可以用加熱器加熱到目標(biāo)溫度。（3）夾點(diǎn)下方不設(shè)熱公用工程。這意味著夾點(diǎn)之下所有的冷流股都應(yīng)依靠與熱流股換熱達(dá)到夾點(diǎn)溫度，而熱流股可以用冷卻器冷卻到目標(biāo)溫度。這些使夾點(diǎn)成為設(shè)計(jì)中約束最多的地方，因而要先從夾點(diǎn)著手，將換熱網(wǎng)絡(luò)分成夾點(diǎn)上、下兩部分分別向兩頭進(jìn)行物流間的匹配換熱。物流的匹配：由于夾點(diǎn)處傳熱溫差最小，傳熱學(xué)限制最嚴(yán)這導(dǎo)致夾點(diǎn)處冷、熱流股不能隨意匹配，必須遵循以下匹配規(guī)則。（1）夾點(diǎn)之上熱流股或其分枝數(shù)必須小于等于冷流股或其分枝數(shù)，即：NhWNc。如果實(shí)際物流數(shù)目不能滿足上述準(zhǔn)則，則應(yīng)通過分流來增加冷流數(shù)目。（2）夾點(diǎn)之下冷流股或其分枝數(shù)必須小于等于熱流股或其分枝數(shù)，即：NhNNc。如果實(shí)際物流不能滿足上述準(zhǔn)則，則應(yīng)通過分流來增加熱流數(shù)目。夾點(diǎn)之上熱流股的熱容流率必須小于等于冷流股的熱容流率，即：cphwcpc。夾點(diǎn)之下冷流股的熱容流率必須小于等于熱流股的熱容流率，即：cphNcpc。注：以上各不等式中：Nh—熱流股數(shù)；Nc—冷流股數(shù)；CPH—熱流熱容流率；CPC一冷流熱容流率。物流間匹配的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：上面討論的是夾點(diǎn)匹配的四個(gè)可行性規(guī)則，是必須遵循的，但是在滿足上述四個(gè)規(guī)則的前提下還存在多種匹配的選擇。根據(jù)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)得出兩個(gè)有一定實(shí)用價(jià)值的規(guī)則：選擇每個(gè)換熱器的熱負(fù)荷等于該匹配的冷、熱物流中熱負(fù)荷較小者，使其只需一次匹配換熱就可以由初始溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，這樣可使所需換熱設(shè)備數(shù)目最小，節(jié)約了投資費(fèi)用。盡量使熱容流率值相近的冷、熱物流進(jìn)行匹配換熱，這樣在滿足最小傳熱溫差A(yù)Tmin的約束條件下，傳熱過程的不可逆性最小，對(duì)相同熱負(fù)荷情況下傳熱過程的有效能損失最小。二、換熱網(wǎng)絡(luò)：換熱網(wǎng)絡(luò)合成是根據(jù)夾點(diǎn)原理和夾點(diǎn)匹配可行性規(guī)則，利用夾點(diǎn)計(jì)算結(jié)果把冷熱流股分成夾點(diǎn)之上和夾點(diǎn)之下分別進(jìn)行匹配。按上述方法得到的初始網(wǎng)絡(luò)一般是能量利用最優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)，但未必是最適合工業(yè)生產(chǎn)的換熱網(wǎng)絡(luò)。工程設(shè)計(jì)中，在完成能量最優(yōu)化基礎(chǔ)換熱網(wǎng)絡(luò)后，通過對(duì)每臺(tái)換熱器換熱面積的核算，采用能量松弛法，對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適合工程的調(diào)優(yōu)。通過斷開換熱網(wǎng)絡(luò)的某些熱負(fù)荷回路來減少換熱單元數(shù)目，簡(jiǎn)化初始網(wǎng)絡(luò)。換熱網(wǎng)絡(luò)的總費(fèi)用可以認(rèn)為由設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用組成。對(duì)初始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)優(yōu)的目的就是減少網(wǎng)絡(luò)所含的設(shè)備數(shù)，以此減少設(shè)備投資，但這又常會(huì)引起操作費(fèi)用的增加，因此必須對(duì)最大能量回收的公用工程費(fèi)用和設(shè)備投資費(fèi)用進(jìn)行綜合分析，交替地使用設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用，找出最佳的ATmin費(fèi)用關(guān)系與ATmin的關(guān)系如圖1所示。由圖1可見，隨著ATmin的增大，換熱器的熱負(fù)荷減小，可使設(shè)備投資費(fèi)用降低，但公用工程費(fèi)用增加，顯然存在一個(gè)最佳的ATmin，此時(shí)總費(fèi)用最小。為了滿足系統(tǒng)最小換熱設(shè)備數(shù)的要求，往往需要跨越夾點(diǎn)傳熱，然而，這卻會(huì)增加公用工程費(fèi)用，于是應(yīng)該找到一個(gè)最佳點(diǎn)，使得總費(fèi)用最小。由于最大能量回收網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是分夾點(diǎn)上、下分別進(jìn)行匹配，而有些在夾點(diǎn)上、下重復(fù)計(jì)算，這就不可避免地使網(wǎng)絡(luò)換熱單元總數(shù)大于將整個(gè)系統(tǒng)作為一體對(duì)待時(shí)的最小換熱單元數(shù)目。而換熱單元數(shù)目對(duì)設(shè)備投資的影響很大，一般來說，換熱單元數(shù)目的增加將導(dǎo)致投資費(fèi)用的增加，而且相對(duì)換熱面積而言，單元數(shù)目對(duì)設(shè)備投資費(fèi)用的影響更大，因此有必要通過合并換熱單元對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)優(yōu)。一個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)的最小單元數(shù)目可由歐拉通用網(wǎng)絡(luò)定理來描述：Umin=N+L7（1*）式中，U：換熱單元數(shù)目（包括換熱器、加熱器、冷卻器）；N：流股數(shù)目（包括工藝物流以及加熱和冷卻公用工程）；L：獨(dú)立的換熱回路數(shù)目；S：可能分離成不相關(guān)子系統(tǒng)的數(shù)目。當(dāng)系統(tǒng)中某一熱物流的熱負(fù)荷和某一冷物流的熱負(fù)荷恰好相等，且其間各處傳熱溫差均不小于規(guī)定的最小傳熱溫差（即夾點(diǎn)溫差）△Tmin時(shí)，則該兩物流一次匹配換熱就完成了各自所要求的換熱負(fù)荷。此時(shí)，該兩物流與其他物流沒有關(guān)系，可以分離出作為獨(dú)立的子系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)中存在這樣一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就可以分離成兩個(gè)不相關(guān)的子系統(tǒng)。通常，系統(tǒng)往往沒有可能分離成不相關(guān)子系統(tǒng)，故S=1；一般希望避免多余的換熱單元，因此盡量消除回路，但二0；于是式（1*）變成：Umin=N-1（2*）熱負(fù)荷回路：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的換熱單元數(shù)目超過將整個(gè)系統(tǒng)作為一體對(duì)待時(shí)的最小換熱單元時(shí)，根據(jù)歐拉通用網(wǎng)絡(luò)定理，即（1*），可知，網(wǎng)絡(luò)中必然構(gòu)成了熱負(fù)荷回路。熱負(fù)荷回路的定義是：在網(wǎng)絡(luò)中從一股物流出發(fā)，沿與其匹配的物流找下去，又回到此物流，則稱在這些匹配的單元之間構(gòu)成熱負(fù)荷回路，這里所說的物流也包括公用工程物流。一個(gè)系統(tǒng)中獨(dú)立的熱負(fù)荷回路數(shù)可以如下確定：獨(dú)立的熱負(fù)荷回路數(shù)=實(shí)際換熱單元數(shù)-最小換熱單元數(shù)所謂獨(dú)立的負(fù)荷回路，是指熱負(fù)荷回路相互獨(dú)立，不會(huì)由其中幾個(gè)的加減而得到另一個(gè)。合并換熱器：為了使換熱單元數(shù)目為最小，就應(yīng)使熱負(fù)荷回路數(shù)L=0，即需要把網(wǎng)絡(luò)中的熱負(fù)荷回路斷開。熱負(fù)荷回路的一個(gè)主要特點(diǎn)是，回路中各單元的熱負(fù)荷可以相互轉(zhuǎn)移而使回路中一個(gè)換熱單元的熱負(fù)荷為零（合并換熱單元），從而斷開回路達(dá)到合并換熱器目的。換熱器合并方法：（1）保證各換熱單元的熱負(fù)荷不小于零。合并的過程如下：從要合并的單元開始，按回路所經(jīng)的順序排出換熱單元次序，然后從各奇數(shù)位置的單元設(shè)備的熱負(fù)荷中減去所要合并的單元的熱負(fù)荷，在各偶數(shù)位置的單元中加上所要合并的單元的熱負(fù)荷。一般來說，總是合并回路中熱負(fù)荷最小的換熱器。這樣可以保證合并后回路各單元的熱負(fù)荷不小于零，同時(shí)也使合并換熱單元對(duì)系統(tǒng)的影響最小。（2）傳熱溫差的考慮與適當(dāng)增加公用工程用量。通常，合并換熱器后，會(huì)使局部傳熱溫差減小，因此，在合并換熱器后，應(yīng)檢驗(yàn)傳熱溫差，看是否滿足最小傳熱溫差的限制。當(dāng)采用適當(dāng)增加公用工程用量來維持最小傳熱溫差時(shí)，首先要定義一個(gè)概念，就是路徑：網(wǎng)絡(luò)中連接一個(gè)加熱器和一個(gè)冷卻器的一條熱流路線，它包括沿此路線的所有換熱器。換熱器可以這樣沿路徑轉(zhuǎn)移，給加熱器中增加負(fù)荷X,則該加熱器所在的物流的另一換熱器中減少熱負(fù)荷X,以維持該物流的總熱負(fù)荷不變：而在負(fù)荷減少的換熱器中與該物流匹配的另一股物流同時(shí)減少了熱負(fù)荷X,必須在這股物流的另一個(gè)或冷卻器中再加上熱負(fù)荷X；當(dāng)冷卻器增加了熱負(fù)荷X后，熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移結(jié)束，整個(gè)路徑的熱負(fù)荷平衡。（3）采用分支維持最小傳熱溫差。三、工業(yè)應(yīng)用實(shí)例：在某石化企業(yè)原油常壓蒸餾裝置節(jié)能改造設(shè)計(jì)中，將全裝置換熱作為一個(gè)整體考慮，提取過程系統(tǒng)中參與換熱的所有物流作為夾點(diǎn)分析的流股。利用AspenPlus流程模擬，提取換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所需的相應(yīng)物流的流量、溫度等數(shù)據(jù)如表1所示。表1物流數(shù)據(jù)列表類型物流來源流量']始溫/毛終溫/氣：冷流原油5189893()232冷流拔頭油496384232343冷流廢水56967340熱流常頂汽油9181()7340熱流常一線油6398523212()熱流常二線油861402485()熱流常二線油2603329711()熱流常底渣油25122434745熱流常頂油流常頂循2391481677()熱流常一)熱流常一中155064319244最優(yōu)傳熱溫差△Tmin的確定：最優(yōu)傳熱溫差^Tmin與總費(fèi)用的

關(guān)系如圖2所示。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析可以看出、該蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)最小傳熱溫差39°。左右，有的換熱器傳熱溫差甚至達(dá)70°C，換熱強(qiáng)度不夠。從最近幾年的經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來看，鋼材料約漲價(jià)5倍，而能源約漲價(jià)10倍，這意味有些節(jié)能措施在過去難以實(shí)施或經(jīng)濟(jì)上不合算，現(xiàn)在看來是可行的、合算的。因此，隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的變化，對(duì)節(jié)能潛力應(yīng)有新的評(píng)估，可以采用增大換熱面積或采用新型換熱器等方式，減小△Tmin，增加換熱強(qiáng)度，以節(jié)約更多的能源。該項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)中采用AspenHx—net軟件，根據(jù)最經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)的原則，對(duì)不同乙Tmin的方案進(jìn)行比較，如表2所示。表2AF師與總費(fèi)用的關(guān)系總費(fèi)用/萬元?5715.901361&371461&2617619,9319633.01從表2中可以看出，當(dāng)乙Tmin值增大時(shí)，夾點(diǎn)處熱端的溫度上升，

冷端溫度相同，則原油換熱后終溫上升；同時(shí)可見當(dāng)△Tmin值增大時(shí)，冷公用工程量和熱公用工程量都增大，造成能量損失。由傳熱學(xué)原理可知，溫差增大，換熱面積減小，設(shè)備投資費(fèi)用減少。因此，最優(yōu)傳熱溫差△Tmin要綜合各種因素，兼顧冷熱公用工程費(fèi)用和設(shè)備投資費(fèi)用，該設(shè)計(jì)采用△Tmin為14°C。最小冷熱公用工程量和夾點(diǎn)位置的確定：根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)，夾點(diǎn)位置和冷熱公用工程量的確定一般有圖解法和問題表格法。圖解法如圖3所示，由問題表格法得出的計(jì)算結(jié)果如表3所示。由圖3和表3可以看出乙Tmin=14C時(shí)夾點(diǎn)處熱流溫度為225C，冷流溫度為211C；整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)所需QHmin=30893kW，QCmin=28275kW。HHI.00.250.0§2(ML0150.0400.0拓HHI.00.250.0§2(ML0150.0400.0拓0.0300.0sosrt￡雖二￡0+巧一wkffi-/苫O+*熟寸0尋9苫o+e寸寸。o+vrj3ATniia=14C時(shí)冷熱物流的組合曲線表3夾點(diǎn)及冷'熱公用工程計(jì)算結(jié)果無熟端溫度/筆冷端溫度/無熱公用工程冷公用工程/kw52J6.3211.3265702395013224.321J.33041027XTO14225.3211.330的02828017228.3211.33234029720J9230.3211.33330030680換熱網(wǎng)絡(luò)的合成及調(diào)優(yōu)：按圖3所得的夾點(diǎn)位置，分別進(jìn)行熱端和冷端網(wǎng)絡(luò)合成。通常在初始網(wǎng)絡(luò)合成時(shí)，除必須遵循夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法的基本原則外，還可按兩條經(jīng)驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行，即：每個(gè)換熱器的熱負(fù)荷應(yīng)等于該換熱器冷熱物流匹配中熱負(fù)荷較小者，以保證經(jīng)過一次換熱可以使一個(gè)物流達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)溫度，以減少所用換熱設(shè)備的數(shù)量應(yīng)盡量選擇熱容量流率相近的冷、熱流體進(jìn)行匹配換熱，使得換熱器在結(jié)構(gòu)上相對(duì)合理，且在相同的熱負(fù)荷及相同的有效能損失下，其傳熱溫差最大。按上述方法得到的初始網(wǎng)絡(luò)一般是能量利用最優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)，但未必是最適合工業(yè)生產(chǎn)的換熱網(wǎng)絡(luò)。工程設(shè)計(jì)中，在完成能量最優(yōu)化