夹点分析

null夹 点 分 析夹 点 分 析主讲人：都 健 大连理工大学化工学院(Pinch Analysis) Dalian University of Technology 2012年12月13日null1 夹点技术（分析）基础 1.1 过程系统的夹点及其意义 1.2 准确地确定过程系统的夹点 1.3 过程系统的总组合曲线 1.4 多夹点问题 1.5 无夹点问题 1.6 平衡的总组合曲线 2 夹点技术（分析）应用 2.1 换热器网络的综合 2.2 过程系统的能量集成 2.2.1 蒸馏过程与过程系统的能量集成 2.2.2 公用工程系统与过程系统的能量集成 2.3 全过程系统的能量集成 2.4 实例 2.4.1 乙烯装置的夹点分析 2.4.2 乙烯精馏塔系统优化目 录绪论 null 绪 论节能工作的重要性 依靠石油、天然气、煤炭等矿石资源，创造了人类历 史上空前的物质文明 石油、天然气、煤炭等这些不可再生资源大量消耗以及环境污染日益加剧 BP 世界能源2006年统计石油 40.6年 天然气 65.1年 煤炭 150年能量问题关系全人类生存的严峻null 我国的人均能源储量远远低于世界平均水平 正处在由温饱型向小康型及富裕型社会转变的进程，人均的能源消耗量将不断增加 节能问题已不是一个简单经济问题，它已关系国家安全。能源消耗： 中国人均 = 发达国家 中国能源消耗：增加10倍 节能能源利用率 绪 论节能工作的重要性null 工业节能是关键null我国总能耗排在前７位的行业情况表石油化工、化学工业：22.7%，能耗大户。null我国整体的能源使用效率相对于发达国家是严重偏低null节能减排工作大有可为2009年我国综合能耗与国际先进水平对比null 管理节能 技术节能 结构调整节能 EMC节能 节能内容 工艺节能 控制节能 设备节能 技术节能 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 能源管理： （ENERGY MANAGEMENT CONTRACT，简称EMC） null控制节能：改变变量的控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 比如 APC 泵的变频调节设备节能：采用新材料新技术对耗能设备进行改造、 替换炉子排烟温度：热管 换热设备：板式、高效换热管 塔：高效填料、高效塔盘null工艺节能 难度大 投资大 节能效果显著 锦西石化焦化装置换热网络综合null能耗下降583 kg标油/h，4897吨标油/年 。nullnull合计： 1290万元/年节省加热蒸气能量集成热负荷：7.67×106 kcal/h 能量集成多耗热量：0.5×106 kcal/h 实际节省能量：7.17×106 kcal/h 折合蒸气量：14.34t/h ，年节省量：114720t/a 按100元/t蒸气计，节能效益1147万元/年节省循环水717t/h =573万吨/年 按0.25元/t计，节省费用143万元/年null节能基本原理 节能措施和方法均要在遵守： 热力学第一定律 热力学第二定律 节能工作的方向是减少能量向环境的转移 能量有品位高低 ，降低品位就是耗能，梯级利用 200kg水，100℃→50℃，放出热量42000kJ/h200kg水，200℃→150℃，放出热量42000kJ/hnull余热回收技术工艺节能：夹点技术（过程系统能量集成技术）余热直接利用 热泵技术 余热发电null夹 点 分 析夹点技术：以热力学为基础，分析过程系统中能量流沿温度的分布，从而发现系统用能的“瓶颈”（Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈”（Debottleneck）。 1978年，Linnhoff 和Umeda首次提出换热网络的温度夹点问题。1. 夹点技术（分析）的基础能量流沿温度分布 能量不但有量而且有质null1.1 过程系统的夹点及其意义 1.1.1 T-H 图 ( 温-焓图 ) (Temperature-Enthalpy) W·cp-物流热容流率图1 一无相变化的冷物流在T-H图上的标绘线段可在图中水平移动null不同物流在 T-H 图上的标绘：图2 几种不同类型物流在T-H图上的标绘null1.1.2 组合曲线(Composite curve) 将系统的冷、热物流分别组合起来，构造过程的冷、热物流的组合曲线 。 组合方法：图3 组合曲线的构造过程null例题1：三个冷物流，构造冷物流组合曲线。图4 冷物流组合曲线的构造过程（按温度间隔组合）null1.1.3 在T-H图上描述夹点（Pinch）凡是等于P点温度的热流体部位和等于Q点温度的冷流体部位都是夹点。热流体的夹点温度与冷流体的夹点温度相差ΔTmin。夹点处热、冷组合曲线的垂直距离＝ΔTmin图5 在T-H图上描述夹点null夹点描述所得信息：（1）夹点部位的传热温差最小，等于过程系统允许的最小 小传热温差ΔT min ；（2）最小的公用工程加热负荷QH ,min ；（3）最小的公用工程冷却负荷QC, min ； （4）系统最大的热回收量QR,max ；（5）夹点将系统分为热端和冷端，热端在夹点温度以上， 只需要公用工程加热（为热阱）;（6）冷端在夹点温度以下，只需要冷公用工程冷却(为热源)。null夹点温度差的影响： ΔT min ，QH, min 、QC ,min ，QR,max不同温差的影响：null适宜的ΔT min 是总费用最低的优化值。图6 选用不同的ΔT min值对夹点位置的影响nullnull例题2热公用工程用量：1620+1220=2840kW图7 一工艺过程null表1 例题2的物流数据表null图8 热、冷物流组合曲线null选ΔT min =20℃图9 利用组合曲线确定夹点null图10 组合曲线分析null1.1.4 用“问题表格法”确定夹点 热级联： 每个单元都是相似的传热过程组成的串级结构。每一级相当于一个子网络第 k 级的热平衡 (k =1、2、3、…..K) 输出 = 输入- 赤字 Ok=I k-D k D k=（∑CPC- ∑CPH ）(T k-T k+1) 热级联－ 虚拟的结构，同一温位的物流 集中于同一级。图11 热级联图null 例题3 一过程系统含有的工艺物流为2个热物流及2个冷物流，给 定的数据列于表2中，并选热、冷物流间最小允许传热 温差△Tmin = 20 ℃ , 试确定该过程系统的夹点位置。 表2 例题3的物流数据null子网络的分割，问题表格(1)： 作法：null对子网络进行热衡算： Ok=I k-D k D k=（∑CPC- ∑CPH ）(T k-T k+1) k=1，（温度间隔为 150～145 ℃) D 1=（0－2) ×(150－145) = -10 （负赤字表示有剩余热量10kW） I 1 = 0 （无外界输入热量） O1= I 1 － D 1= 0 －(-10) = 10 O1为正值，说明子网络 1(SN1) 有剩余热量供给子网络2(SN2)nullk =2，（温度间隔为 145～120 ℃，或125～100 ℃) D 2=（2.5－2) ×(145－120) = 12.5 （正号表示有热量赤字12.5kW） I 2 = O1 = 10 子网络1 (SN1)的剩余热量供给了子网络2 (SN2) 。 O2 = I 2 － D 2= 10 － 12.5 = －2.5 O2为负值，说明子网络 2(SN2) 只能向子网络3(SN3)提供负的剩余热量（即需要子网络3向子网络2供给热量，但这是不可能的）。nullk=6，（温度间隔为25～20 ℃) D 6= 2.5 ×( 25－20) = 12.5 （正号表示有热量赤字12.5kW） I 6 = O5 = －55 子网络5 (SN5)无剩余热量供给子网络6 (SN6) 。 O6 = I 6 － D6 =－55 － 12.5 = －67.5 O6为负值，说明子网络6(SN6) 热量不够，无法达到规定的传热要求。null问题表格（2）null图12 热级联间热衡算null 过程分析： 消除 I 或 O 的负值，方法：引入公用工程加热负荷 I1 = 各子网络中负数的绝对值最大者（107.5)得，结果: O3=0, I4=0 ， 夹点处于SN3与SN4的界面 I1=QH,min ＝107.5 kW （ 最小公用工程加热负荷） O6 =Qc,min ＝40kW ( 最小公用工程冷却负荷 ） 夹点特征： 夹点处系统传热温差最小，等于ΔT min； 夹点处热流量等于0. 夹点处热流体温度90 ℃，冷流体温度70 ℃，夹点温度（界面虚拟温度）80 ℃。null若改变最小传热温差ΔT min ＝ 15℃，则结果如下： null问题表格（2）null结果比较：图13 用T-H图求解null1.1.5 夹点的意义（1）夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔT min ），系统用能 瓶颈位置； （2）夹点处热流量为 0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系 统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱） 冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）； （3）在一定的ΔT min下，确定了系统最小的公用工程加热负荷 QH min 和系统最小的公用工程冷却负荷QC min ，以及系统 最大的热回收量QR,max ； （4）夹点处温度差的影响 ΔT min ，QH, min 、QC min ， QR,max 。适宜的ΔT min 是一个优选问题。null(1)热量不能穿越夹点（2）夹点上方不能设置公用工程冷却（3）夹点下方不能设置公用工程加热图14 系统具有最低公用工程消耗以及最大热回收的原则null图15 夹点的意义null1.2 准确地确定过程系统的夹点位置 1.2.1 操作型夹点计算 操作型（模拟型）夹点计算：确定现有过程系统中热流 量沿温度的分布，热流量等于零处即为夹点。 方法一: 采用单一的ΔT min （或HRAT，Heat Recovery Approach Temperature)，确定夹点位置的计算步骤如下： （1）收集过程系统中热、冷物流数据，包括其热容流 率、初温、终温等；null（2）选择一最小允许的传热温差初值ΔT min，按1.1.4节介 绍的问题表格法确定夹点位置，并得到系统所需的热、冷最 小公用工程负荷QH, min、QC,min ； （3）修正ΔT min ，直至QH, min、QC,min与现有过程系统所 需的热、冷公用工程负荷相符，此时即确定了该过程系统的 夹点位置。 null方法二：采用现场过程中各物流间匹配换热的实际传热温差进行 计算。物流间传热温差值ΔT min ，即平均传热温差：采用“虚拟温度法”法，具体步骤：null（2）确定各物流的虚拟温度定义物流的虚拟温度对热流股i对冷流股j确定流股传热温差贡献值的方法确定流股传热温差贡献值的方法null（3）按1.1.4节介绍的问题表格法进行夹点计算，但不同之处是全过程系统取ΔT min值为零，这是因为当所有物流转换成虚拟温度后，都已经考虑了各物流间的传热温差值； （4）修正流股传热温差贡献值，直至QH, min、QC ,min与 现有过程系统所需的热、冷公用工程负荷相符，此时即 确定了该过程系统的夹点位置。 null1.2.2 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 型夹点计算 设计型夹点计算：改进各物流间匹配换热的传热温差以及对物流工艺参数进行调优，以得到合理的过程系统中热流量沿温度的分布，从而减小公用工程负荷，达到节能的目的。 关键是如何确定各物流适宜的传热温差贡献值，从而改 善夹点。（在此从略） null 1.2.3 过程流股的提取及参数的确定 （1）过程流股的提取 ① 过程系统中与工艺物流匹配换热或与公用工程流股匹配换热的所有工艺流股应提取作为参与过程夹点分析的流股。 ② 从一个单元设备直接流出又直接流入另一个单元设备的工艺流股（即不参与过程换热）一般不列入所提取的参与夹点分析的流股中。 ③ 对于那些参与流股间匹配换热，但热负荷很小不足以影响系统能量分布的工艺流股，从简化过程计算的角度，可以不予选取。 null④ 有些参与流股间匹配换热的隐含流股，必须计入不可遗漏。例如，再沸器内循环的釜液，要确定一虚拟的工艺冷物流。 ⑤ 对于一些直接混合的工艺流股，应作具体分析，考虑其流股还原的必要性。 ⑥ 从简化过程计算的角度出发，要进行流股的合并。 ⑦ 提取过程流股时，要考虑流股的分段处理。在较大温度范围内换热的流股有可能包括相变的过程，即流股的热容流率变化较大。 null⑧ 对于能量驱动的能量密集型单元，如反应器、蒸馏塔、压缩机、热机、热泵等，一是可以应用过程用能一致性原则将其转化为当量的冷、热流股，参与夹点分析；二是可以在T-H图上，用方块图或有向线段的形式反映其内部的能量流动或改变，考察这些单元设备在过程系统中所处的位置是否合理以及与背景过程相集成的状况。 ⑨ 在提取过程参与夹点换热的工艺流股的同时，也应提取与工艺流股匹配换热的公用工程流股，并分别加和冷、热公用工程的负荷，计算出总的冷、热公用工程用量，作为采用夹点分析进行过程系统用能诊断、调优的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 和依据。null⑩ 在提取过程工艺流股、能量驱动单元和公用工程流股的数据之后，应加和所得的流股的冷、热负荷，考察整个系统的能量是否平衡。（2）物流参数的确定说明：当纯组分发生相变时，其温差也应给一适当小的值 null1.3 过程系统的总组合曲线 总组合曲线— 在T—H图上描述过程系统中的热流量沿温度的分布，热流量为零处就是夹点。1.3.1 总组合曲线的绘制（1）根据问题表格法计算的结果进行标绘表7 物流数据nullnullnullnullnull按问题表格（3）标绘总组合曲线：null（2）用图解法构造总组合曲线图17 用作图法绘制总组合曲线null具体步骤：第一步，按物流的虚拟温度分别作出热物流组合曲线及冷物流组合曲线，并水平移动至两线在点C处接触（点C即为夹点），如图17中的ABCD与EFGH所示。第二步，过热、冷组合曲线的端点及折点引水平线，划分出7个温度间隔，即相当于问题表格算法中的子网络。第三步，在图上逐一读出各温度间隔界面处的热流量，具体读数如下： 间隔Ⅰ,上界面为DDˊ= 90kW，即加入的公用工程加热负荷，下界面为（DDˊ+ HˊD）的热负荷，即为HHˊ=100kW。 间隔Ⅱ，上界面为间隔Ⅰ的下界面，HHˊ= 100kW,下界面为（HHˊ+ GˊHˊ-GH）的热负荷，即为GGˊ=87.5kW,其中 HHˊ— 由间隔Ⅰ输入来的热负荷； GˊHˊ— 该间隔Ⅱ内热物流的热负荷； GH— 该间隔Ⅱ内冷物流的热负荷。 null间隔Ⅲ,上界面为间隔Ⅱ的下界面，即由间隔Ⅱ输入来的热负荷GGˊ=87.5kW,下界面为（GGˊ+ CGˊ-CG）的热负荷，刚好为零，即夹点C，其中 GGˊ— 由间隔Ⅱ输入来的热负荷； CGˊ— 间隔Ⅲ内热物流热负荷； CG— 间隔Ⅲ内冷物流热负荷。 间隔Ⅳ,上界面为夹点C，热负荷为零。下界面为（BC-BˊC）的热负荷,即为BBˊ=135kW，其中 BC— 间隔Ⅳ内热物流热负荷； BˊC—间隔Ⅳ内冷物流热负荷。 间隔Ⅴ, 上界面为间隔Ⅳ的下界面，即由间隔Ⅳ输入来的热负荷，BBˊ=135kW。下界面为（BBˊ+ AB-AˊBˊ），即为AAˊ=117.5kW,其中 BBˊ— 由间隔Ⅳ输入来的热负荷； AB— 间隔Ⅴ内热物流热负荷； AˊBˊ— 间隔Ⅴ内冷物流热负荷。null间隔Ⅵ, 上界面为间隔Ⅴ的下界面，AAˊ=117.5kW, 即由间隔Ⅴ输入来的热负荷。下界面为（AAˊ- FAˊ），即为FFˊ=35kW，其中 AAˊ — 由间隔Ⅴ输入来的热负荷； FAˊ— 间隔Ⅵ内冷物流热负荷。 间隔Ⅶ, 上界面为间隔Ⅵ的下界面，FFˊ=35kW。下界面为（FFˊ-EF），即为EEˊ=22.5kW，其中 FFˊ — 由间隔Ⅵ输入来的热负荷； EF — 间隔Ⅶ内冷物流热负荷。第四步，按上一步骤得出的各界面温度下的热负荷值，作出总组合曲线，即把线段 DDˊ、HHˊ、GGˊ、C、BBˊ、AAˊ、FFˊ、EEˊ水平移动，使其左端达到垂直轴，此时把各线段的右端点相连就构成了总组合曲线，如图17所示的折线EFAˊB〞CˊG〞H〞D〞。由于每一间隔内热、冷物流的热容流率不变，所以折点之间皆为直线相连，即在各间隔内热流量与温度为线性关系。nullnull 1.3.2 总组合曲线的意义 描述热流量沿温度的分布； 需要补充热量的温位； 可以回收热量的温位； 夹点上方—热阱，只需要热公用工程或去冷却工艺流股； 夹点下方—热源，只需要冷公用工程或去加热工艺流股； 过程能量综合的背景。null1.4 多夹点问题图18 多夹点问题null逆夹点CK—夹点1与夹点2间冷、热物流组合曲线间温差最大处。处理方法：分隔成多个单夹点问题，逐一处理。 特点：第一个夹点问题的夹点上方（即第二段）不需要热公用工程。第二个夹点问题的夹点下方（第三段）不需要冷却公用工程。 “夹点区”—第1个夹点与第2个夹点之间；其间热、冷物流间的匹配换热要遵循一个总原则，即不能引入热、冷公用工程物流。null1.5 无夹点—门槛问题 门槛问题— 一过程系统只需要一种公用工程物流。（a）只需要冷却公用工程；（b）只需要冷却公用工程，最小传热温差在冷物流组合曲线的左端E。图19 无夹点（只需要冷公用工程）问题null（a）只需要加热公用工程；（b）只需要加热公用工程，最小传热温差在热物流组合曲线的左端。null 图19（b）情况： （1）增大热、冷物流间的传热温差，冷物流组合曲线向右移至 E’F’G’，点D、G’在同一垂线上，仍只需要冷却公用工程， 且冷却负荷大小不变，且：（2）继续增大传热温差，冷物流组合曲线向右移至E’’ F’’G’’， 由门槛问题变为夹点问题，WE’’就是夹点。null 设计时可选择热、冷物流间匹配换热的最小允许传热温度差等于门槛温度差，此时传热温差最大，减少了总的传热面积，而且不增加公用工程负荷。nullnull1.6 平衡的总组合曲线 1.6.1 公用工程总组合曲线 按总组合曲线的作法，将冷热公用工程流股组合 将冷热公用工程流股按同温位下热流量加和方法进行组合 冷热公用工程组合曲线交于E点， 上方，热公用工程净加热负荷及温位 下方，冷公用工程净取热负荷及温位图21 公用工程总组合曲线null1.6.2 平衡的总组合曲线 “平衡”－公用工程提供的热负荷满足过程工艺的需要将公用工程总组合曲线与工艺过程总组合曲线绘制在同一T-H图中。图22 平衡的总组合曲线 null平移，使公用工程总组合曲线将工艺过程总组合曲线全部覆盖。不能覆盖，说明公用工程不能满足需要。覆盖有空隙，说明公用工程有潜力或者过剩。 nullK为过程夹点，同时也是公用工程的夹点。I是公用工程的夹点，是公用工程与过程流股匹配形成。如果K、I均离开，不形成夹点，说明匹配不形成夹点。 如果形成夹点，说明公用工程与工艺过程直接存在夹点。null图23 平衡的总组合曲线（不形成夹点）null1.6.3 平衡的总组合曲线的应用 如果存在较大空隙，说明用能不合理。公用工程夹点I—减少燃料用量的限制null进一步考虑减少加热蒸汽量：D’D”null根据平衡的总组合曲线（AB’C’D”E”F”G~HIJKLMN）选定了公用工程流股的温位及负荷，就可以进行换热网络的设计。 换热网络的设计方法—夹点设计法。 对于过程夹点与公用工程夹点同时出现时，按多夹点设计，但过程夹点要比公用工程夹点优先考虑。 对现有装置，构造出平衡的总组合曲线，从中观察分析工艺过程、公用工程以及两者的相互匹配状况，对全系统进行用能诊断及调优，使装置有效利用能量。null2 夹点技术（分析）应用换热器网络综合：确定具有最小设备投资，最小操作费用，能达 到过程要求的换热器网络结构。 具有可控性、稳定性和可操作性。 方法： 夹点设计法 有效能法 温度间隔法 热力学温差贡献法 数学规划法 应用软件： ADVENT, HEXTRAN, INTERHEAT, MAGNETS,RESHEX及SUPERTRAGET等。 2.1 换热器网络综合null 换热器网络设计步骤： （1）选择工艺流股和公用工程流股; （2） 确定经济合理的夹点温差和公用工程用量; （3） 综合出初步的候选换热网络； （4） 将候选网络优化成最好的换热网络; （5）对换热器进行详细设计; （6）模拟计算，进行技术经济评价和系统操作性分析， 对结果不满意，返回第（2）步，直至满意。 不同的综合方法，体现在（2）、（3）步。null 主要介绍热力学最小传热面积网络的综合 根据有效能分析，在T-H图上合理分配传热温差及热负荷，实现 冷热流体的逆流分配，得到满足要求的热力学最小面积网络。 具体步骤： ① 搜集物流数据 流量、温度、比热容、汽化热等； ② 构造冷、热物流的组合曲线 ； ③ 调整冷热物流的组合曲线，使得最小传热温差不小于指定值； ④ 划分焓间隔区间，按逆流匹配原则综合换热网络。 根据温-焓图综合换热网络法null（1）构造组合曲线图26 确定物流间最大热交换量 null（2）划分焓间隔，进行物流匹配图27 分隔区间确定匹配关系null（3）对应的换热网络图28 对应图22的换热网络 nullnull过程系统能量集成是以合理利用能量为目标的全过程系统综合问题的深化，它从总体上考虑过程中能量的供求关系以及过程结构、操作参数的调优处理，达到全过程系统能量的优化综合。 2.2 过程系统的能量集成图29 没有能量集成的 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 null 随着全球性能源危机的加深，在各子系统综合优化研究已取得很大进展的基础上，以整体系统的经济性和能量优化为目标，进行各子系统之间的能量集成和协调优化越来越受到人们的重视。null范围：全系统，换热器、塔、蒸发器、反应器、压缩机等 目标：总费用最小，操作费、设备费、可操作性等 手段：过程结构、操作参数调优。 针对过程设计、改造和操作的系统优化方法 强调整体性 侧重能量综合利用null 集成时增加了系统中各单元设备间的耦合关系，某些参数的扰动会在系统内部扩散、放大，给操作控制带来困难，所以要求系统具有一定的柔性。 有代表性的能量集成研究：Linnhoff的夹点分析：它是在研究换热网络优化综合的基础上，提出了用于包括工艺过程和公用工程系统在内的整个过程系统达到能量综合优化的方法。 Grossmann的数学规划法：提出公用工程、换热网络和化工过程全流程的综合方法，利用的模型是代数形式的混合整数线性规划（MILP）模型，此后，这种过程综合的模型扩展为混合整数非线性规划(MINLP)模型。 null华南理工大学提出了基于有效能分析的三环节能量结构模型及过程系统分析与能量集成的综合方法。 大连理工大学等提出了过程用能一致性原则进行过程系统能量集成的方法，这些方法在过程系统能量集成和优化中发挥了重要作用。 过程系统能量集成的方法（1）热力学分析法有效能分析法、热经济优化综合法、有效能图法、 夹点分析法（2）数学规划法（3）人工智能法（4）三种方法的交叉和结合null2.2.1 蒸馏过程与过程系统的能量集成 单个蒸馏操作能够采取的节能措施是有限的，如降低回流比可以节省能量，但会增加设备投资费。但如把蒸馏过程与全系统一同考虑，则可以增大回流比，却不一定增加系统的能耗。 过程系统能量集成的策略 从系统工程的角度可把全过程系统分为三个子系统，即工艺子系统、热回收网络子系统和公用工程子系统，其中，工艺系统由反应、分离、压缩等过程组成。 由于分离过程的能耗较大，因而分离过程及其与换热网络和全过程系统的热集成首先受到重视。 null（1） 分离器在系统中的合理放置 分离器在T-H图上的表示null图33 蒸发器在T-H图上的表示 null分离器在系统中的合理放置蒸馏塔穿越夹点： 夹点上方取热，夹点下方放热，公用工程的冷、热负荷均增加，与过程是否集成，所用能量相同，不能节省能量。图34 分离器穿越夹点为无效热集成null 蒸馏塔不穿越夹点 蒸馏塔设在夹点上方，若再沸器热量取自热工艺物流，冷凝器热量加热冷工艺物流，则节能。 蒸馏塔设于夹点下方，再沸器热量取自热工艺物流，冷凝器热量用于加热冷工艺物流，节能。图35 分离器未穿越夹点为有效的热集成null 结论： （a）分离器与过程系统热集成时，分离器穿越夹点是无效的 热集成； （b）分离器完全在夹点上方或完全在夹点下方均是有效的热 集成。蒸馏塔与过程系统热集成，在能量方面是节省的，但在开工、操作和控制方面会带来一定的困难，而且也会增加设备投资费，所以应当权衡利弊。 null（2） 蒸馏过程的调优 改变蒸馏塔操作压力 蒸馏塔的操作压力是一个非常重要的设计参数，因为它决定了塔再沸器和冷凝器的温位，进而决定了过程的加热和冷却介质的选择。改变塔的操作压力，即改变了塔再沸器和冷凝器的温位，从而增加了蒸馏塔与过程系统进行能量集成的机会。 null某合成乙醇装置的能量集成改造工程实例 该项目由于塔操作压力的提高，则进入该塔的物流温度也需相应提高，如进料必须预热等。此外，塔提压操作后，该塔塔釜液温度也升高，其热量应加以回收。 图37 能量集成改造实例 null多效蒸馏 如果一混合物在精馏塔中分离，塔两端温差相差不大，且允许操作压力变化时，原料被分为大致相等的两股物流分别进入操作压力不等的两个蒸馏塔中，使加入系统的热量和冷量在两塔内逐级使用，此时热负荷为单塔操作时的一半。图38 多效蒸馏流程1null调整精馏塔的操作条件，调整再沸器和冷凝器的温位，创造热集成条件。 多效蒸馏—有效的热集成方法。 去掉一个换热器 不能刚好匹配 最小传热温差图39 多效蒸馏流程2null 由于高压塔分离要求降低，重组分进入塔顶，使塔顶温度提高，其塔顶蒸汽为低压塔再沸器热源。图39 多效蒸馏流程3null一进料分成两股，高低压塔操作，改变负荷。图40 多效蒸馏流程4null非清晰分割图41 多效蒸馏流程5null热泵技术 通过由外部输入的能量做功来提高排出热量的温位，再返回塔底以满足再沸器的用能需要。塔顶蒸汽不适于直接压缩时，采用辅助介质进行热泵循环。 这些过程尤其适用于待分离混合物中各组分沸点比较接近的物系，因为塔顶、塔底温差小，从而使压缩功费用降低。 null设置中间再沸器或中间冷凝器null但是要以降低部分塔板的分离效率为代价。null复杂塔 — 多股进料和多侧线出料。即可节省能源，又可以节省 设备投资，是有效的热集成。 热耦合塔——可以节省能源20％～30%。复杂塔与热偶合塔 图46 复杂塔和热耦合塔null说明：按照分离序列设计的工作顺序，还是首先考虑采用简单塔，然后再考虑是否能实行热集成，最后才考虑采用复杂塔及热耦合方案，这样处理是出于对系统的总费用以及操作、控制和安全等因素的综合考虑。 多个塔的合理放置：图47 多个塔与组合曲线的分配null 2.2.2 公用工程与过程系统的能量集成热机：利用热能产生动力的装置。 热泵：利用动力而提供一定温度（不同于环境）的热能的装置。图48 热机与热泵 null 热机的放置结论：热机不穿越夹点的放置，是有效的热集成。图49 热机的放置 null 热泵的放置结论：热泵穿越夹点的放置是有效热集成。图50 热泵的放置null热机在热集成过程中热负荷及温位的限制 当Q > QHmin+W 多出的部分与热机单独设置效果相同，这一部分热量不必进行热集成。热机排除的温度不一定必须高于热级联的最高温度图51 热机热负荷和热温位的限制null图52 燃料气和空气的梯级利用null利用燃料燃烧产生高温高压驱动透平做功； 控制做功后燃烧气体温度仍能满足作为热源的工艺要求； 用做功后的气体为工艺物流提供热源； 可根据公用工程的要求提供不同等级的热源； 实现热机效率100%图51 热机热负荷和热温位的限制null2.3 全过程系统的能量集成 本研究将依据“过程用能一致性原则”，运用热力学 原理，把反应、分离、换热、热机、热泵等过程的用能 特性抽提出来，通过把单元所需的功、热以及单元中能 流的变化转化为相当的热源流股和热阱流股及其有效温 位，这样就把全过程的能量集成问题转化为有约束的换 热网络综合问题，可选择适宜的算法去求解。 null图53 换热器用能一致性2.3.1 换热器null蒸 馏 塔图54 分离器用能一致性2.3.2 分离器null图55 反应器用能一致性2.3.3 反应器（非绝热）null图56 热机、热泵用能一致性2.3.4 热机、热泵null2.4 实例2.4.1 乙烯装置的夹点分析nullnull（1）生产装置基本情况 包括裂解、压缩、冷冻、分离及 蒸汽动力系统（2）乙烯装置的用能诊断——操作型夹点分析 图57 某乙烯装置的夹点分析nullnullT-202脱丙烷塔T-204脱丁烷塔T-301脱甲烷塔T-302脱乙烷塔T-303乙烯精制塔T-304丙烯精制塔null乙烯装置用能的调优——设计型夹点分析 ① 调优流股的传热温差贡献值 图60 调优流股的传热温差贡献值null② 过程的用能调优图61 过程的用能调优 null2.4.2 乙烯精馏塔系统优化 —— 抚顺乙烯装置（Lummus技术）用能分析、改造为例 难点： ▲ ▲ 大系统用能瓶颈诊断的准确性； ▲ 充分利用现场设备、工艺条件“解瓶颈”； ▲ 工期（20天）、投资回收期（一年）； ▲ 采用新设备、新技术。 (1)抚顺乙烯装置扩容改造（1998年实施）  增设乙烯精馏塔热泵式中间再沸器，改进丙烯制冷系统。  利用现有设备裕量增设甲烷膨胀制冷循环。null抚顺乙烯装置（1998年6月实施） 1997年 2000年 2001年 改造前 改造后乙烯产量 （104 t / a）乙烯单耗 （GJ / t）124115.717.33533本次改造 投资 ： 800 万元 经济效益： 5000 万元/年乙烯精馏塔（DA-402）系统改造后流程简图乙烯精馏塔（DA-402）系统改造后流程简图乙烯精馏塔（DA-402）系统改造前后乙烯产品及塔底釜液组成对比：乙烯精馏塔（DA-402）系统改造前后乙烯产品及塔底釜液组成对比：脱甲烷塔（DA-301）系统改造后流程简图脱甲烷塔（DA-301）系统改造后流程简图脱甲烷塔（DA-301）系统改造前后数据对比脱甲烷塔（DA-301）系统改造前后数据对比 项目 设计值 改造前 改造后DA-301顶温，℃ -133.7 -105 -125 DA-301回流量, t/h 2. 75 1.7 2.9 DA-301进料量, t/h 42.5 52 54 高压甲烷中乙烯, % 0.5 >5.0 <1.0null 1.姚平经主编，全过程系统能量优化综合，大连理工大学出版社，1995年 2.姚平经主编，过程系统工程，华东理工大学出版社，2009年 3.都健主编，化工过程分析与综合，大连理工大学出版社，2009年参 考 书null谢 谢 各 位 !Dalian University of Technology