夹点分析范文（精选7篇）

夹点分析 第1篇

随着能源的日渐紧张,过程集成已成为热点话题。过程集成中目前最实用的是夹点技术。

乙烯是有机化工工业的一种重要的基础原料,世界各国都以乙烯产量作为衡量石油化工的发展水平的重要标志[1]。我国的乙烯工业起步较晚,基础薄弱、技术落后以及规模小是当今企业的弱点,以此依托老基地,采用乙烯装置技术发展的最新成果,充分挖掘老装置的潜力,通过技术改造;消除瓶颈制约,走扩大生产能力与提高技术装备水平、内涵挖潜与扩能改造相结合的道路,是改变我国乙烯工业落后现状的必然选择[2]。

1 夹点技术简介

夹点技术是英国学者Linhoff于20世纪70年代在总结前人研究基础之上提出的,并逐渐发展成为一整套换热网络的设计法[3]。该技术是以热力学为基础,从宏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。夹点技术以整个系统为出发点,同以前只着眼于局部、只考虑某几股热流的回收、某个设备或车间的改造的节能技术相比,节能效果和经济效益要显著得多.应用夹点技术可以方便地找出换热网络中不合理的用能设备,对优化换热网络提供指导,使能量达到最大回收。

1.1 夹点的基本原理

夹点技术以化工热力学为基础,从整个过程系统出发,选用年总费用、设备投资费用、最大热量回收量、最少换热器数目等作为经济目标函数[4,5,6],首先通过经验法或数学优化估算确定夹点温差,采用复合温-焓曲线或用问题表法的途径得出夹点,从而确定最小加热公用工程量及最小冷却公用工程量,通过夹点设计准则找出流程中不合理的换热过程及换热设备进行改进,从而使换热网络达到最优[7]。夹点技术已成功地在世界范围内取得了显著的节能效果。采用这种技术对新厂设计而言,比传统方法可节能30%~50%;对老厂改造而言,通常可节能20%~35%,改造回收年限一般只有0.5~3年[8]。

1.2 夹点的形成与含义

在利用夹点技术设计换热网络时,首先通过经验法或数学优化估算确定夹点温差△Tmin,这是整个换热网络允许的最小传热温差。

1.2.1 工艺物流的特性曲线

将过程所有热物流按温度变化区间和相应的焓的变化值在温-焓图上连续绘出,见图1,由高温到低温,形成热物流组合曲线(曲线ABCD);同理,可以做出从低温到高温的冷物流组合曲线(曲线EF-GH),物流的热量变化量用横坐标两点间的焓差△H表示,冷热物流组合曲线沿H轴平移,不改变物流的温位和热量变化。

在温焓图上,热物流组合曲线在左上方,冷物流组合曲线在右下方,沿H轴平移冷组合曲线使之靠近热组合曲线,在这个过程中各部位的传热温差△T逐渐变小,冷、热负荷曲线在某点重合时该系统内部换热达到极限,重合点传热温差为零,该点即为夹点[9]。但是,在夹点温差为零时操作所需要无限大的传热面积,是不现实的。不过可以通过技术经济评价来确定一个系统最小的传热温差夹点温差△Tmin。因此,可定义为冷热负荷温焓线上传热温差最小的地方。确定了夹点温差后的冷热负荷曲线如图1所示。冷、热曲线重叠的部分ABCEFG,为过程内部冷、热流体的换热区,包括多股热流和多股冷流,物流的焓变全部通过换热器来实现;冷负荷曲线上端剩余部分GH,已没有合适的热流与之换热,需要公用工程加热器使这部分冷流升高到目标温度,GH为在该夹点温度下所需的最小加热公用工程量QH,min;热负荷曲线下端剩余部分CD,已没有合适的冷流与之换热,需要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QC,min。

夹点的出现将整个换热网络分成了两部分;夹点之上和夹点之下。夹点之上是热端,只有换热和加热公用工程,没有任何热量流出,可看做是一个净热井;夹点之下是冷端,只有换热和冷却公用工程,没有任何热量流入,可看做是一个热源[10]。

1.2.2 采用问题表格计算

问题表格法的计算步骤如下:

(1)以冷、热流体的平均温度为尺寸,划分温度区间。冷、热流体平均相对热流体下降1/2个夹点温差(△Tmin/2),相对冷流体上升1/2个夹点温差(△Tmin/2)。这样可保证每个温区内热流体比冷流体高△Tmin,而满足传热的需要。

(2)计算每个温区内的热平衡,以确定各温区所需的加热量和冷却量,计算式

式中ΔHi第i区间所需要的外加热量/k W;

∑CpC、∑CpH该温区内冷、热物流热熔流率之和/k W℃-1;

Ti、Ti+1该温区的进出口温度/℃。

(3)进行热级联计算。第一步,计算外界无热量输入时各温区间的热通量。此时,各温区之间可有自上而下的热流流通,但不能有逆向的热流流通。第二,为了保证各温区之间的热通量不小于零,根据第一步级联计算结果,取绝对值最大的为负的热通量的绝对值为所需外界加入的最小热通量,即最小加热公用工程用量,由第一个温区输入;然后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;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。

(4)温区之间热通量为零处,即为夹点。

1.3 夹点技术应用的基本准则

在设计换热网络时,首先设计最大热回收(即达到能量目标)的换热网络,然后再根据经济目标性进行调优。

1.3.1 在夹点处冷、热流体之间的温差传热最小,需要注意以下几方面:

(1)不要有跨越夹点的传热,即夹点处不能有热量穿过。

(2)不要在夹点之上设置任何公用工程冷却器,如果在夹点之上系统中设置冷却器,用冷却公用工程移走的那部分热量,必然有加热公用工程额外输入。

(3)不要在夹点之下设置任何公用工程加热器,如果在夹点之下系统中设置加热器,用加热公用工程移走的那部分热量,必然有冷却公用工程额外输入。

这些使夹点成为设计中约束最多的地方,因而需要从夹点着手,将换热网络分为夹点上、下两部分分别向两头进行物流间的匹配换热。

1.3.2 在全局用能网络的优化中,要使夹点处冷、热流体之间的传热温差最小,需要注意:

(1)物流数目准则,夹点设计的可行性规划要求夹点上方的热工工艺物流数目NH不大于冷工艺物流数目NC,即满足NHNC;夹点下方满足NH≥NC。

(2)热熔率准则,夹点之上须满足CpHCpC,夹点之下应满足CpH≥CpC。如果夹点处的实际物流不能满足该准则,就应通过分流来减少夹点之上所需匹配的热熔流率或夹点之下所需的冷流的热熔流率。

(3)最大换热负荷准则,为保证最小数目的换热单元,每一次匹配应该换完;两股中的一股。

1.3.3 为了对现有装置进行最好热回收方案设计,应该做到:

(1)检查现有网络,识别违背夹点的设备。

(2)得到一个最节能的设计,尽可能和基础工况兼容。

(3)当匹配存在时,特别是原理夹点区域,最好选择已存在的匹配。

(4)通过换热网络面积分析,对现有网络面积进行评估,尽可能回复现有单元的面积值。

(5)对最优方案进行模拟优化。

2 工程实例

本文利用夹点技术对某乙烯生产的能量系统进行了分析,找出了其能量利用不合理的环节。基于夹点技术的设计原则,提出了一种节能效果显著的换热网络优化。

2.1 数据的提取

根据乙烯系统的现场网络提取的冷、热数据,见表1。

如表2所示,其中有20股冷流及14股热流。根据经验夹点温差一般为10~20℃,通过计算我们选取换热网络夹点温差为10℃,计算的夹点位置为75℃,65℃之间。所需最小加热公用工程为44 000 k W,最小冷却公用工程为52 400 kW。生成的组合曲线如图2所示。

2.2 原换热网络分析

如图3中所示各换热器后的数字表示温度,单位为℃,箭头向右的为热物流或加热公用工程,温度逐渐降低,箭头向左为冷物流或冷却公用工程,温度逐渐升高。该换热系统共有36组换热器,其中中压蒸汽、低压蒸汽、制冷器10为公用工程加热器。冷却水、乙烯冷剂-100、乙烯冷剂-76、乙烯冷剂-54、丙烯冷剂-34、丙烯冷剂+00、丙烯冷剂+10为公用工程冷却器。其中有四组换热器穿越夹点。分别为急冷水与OFUSRS穿越夹点能量浪费2 877 kW;急冷水与C3再沸器穿越夹点换热能量浪费6 508 kW。低压蒸汽与进料1能耗为89 kW。干燥气与冷却水穿越夹点换热能量浪费2 747 kW。夹点之下使用了2个冷却器,由制冷器10加热,分别为制冷器10加热C2再沸器能量浪费10 257.5kW;制冷器10加热C2PROD能量浪费3 810 kW。加热公用工程总换热器数目为9个,热负荷总量为78 192 kW,每年消耗的公用工程加热费用为3 735万元。冷却公用工程总换热数目为13个,冷负荷总量为85 716 kW,每年消耗的公用工程的冷却费用为8 594万元。

2.3 改造方案

根据夹点设计步骤及设计准则,对该换热网络进行改造。要求不应有穿越夹点的换热,符合热熔流率准则,合理改造换热网络。改造后换热网络流程图如图4所示。工程改造后总换热器数目为40组。急冷水先于C2C3再沸器换热至夹点温度75℃后分流与其他网络换热,则节约能量9 385 kW。干燥气与C3C4再沸器换热至夹点温度75℃后再与其他网络换热,节约能量2 747 kW。进料1与干燥气换热至夹点温度65℃再被低压蒸汽加热,节约能量89 kW。C2再沸器直接与C3凝液换热则节约加热及冷却公用工程10 257.5 kW。C2PROD与系统内物流换热减少加热及冷却公用工程3 810 kW。综上所诉共节约能量33 262 kW。换热网络加热公用工程总换热器数目为6个,总热负荷为44 867 kW,每年消耗的加热公用工程费用为2 613万元。冷却公用工程总换热器数目为11个,冷负荷总量为52454 kW,每年消耗冷却公用工程费用为6 767万元。

2.4 经济分析

原换热网络总换热其数目为36组,改造后为40组,增加了4组换热器。新增设备及改造费用约为2 900万元。改造后节约加热公用工程量为33 262 k W,节约冷却公用工程的经济费用约为2 949万元,约一年即可回收。

3 结论

工程实例证明夹点技术应用于乙烯生产等,在复杂换热网络优化中具有计算简便、准确度高的特点。利用夹点技术对该工程乙烯原换热网络进行分析后节省能量约占加热公用工程的42%。换热网络改造后一年就可回收,使换热网络能耗最大回收。然而夹点附近有严格的要求,具体情况总结如下:

(1)夹点附近严格要求最小能量损失,而使夹点附近换热设备数目增加,使工厂前期投资及改造费用太高。

(2)夹点附近的热容流率准则及物流数目准则要求:夹点之上必须遵循CpHCpC及NHNC,而夹点之下必须遵循CpHCpC及NH≥NC。不符合之处需要进行分流,如图3所示夹点之下热物流数目小于冷物流数目,所以物流急冷水需要分流。同样增加了初期的投资及网络的复杂性。

基于以上问题一般可以通过网络松弛以最小能量牺牲来降低设备单元数方法如下:

(1)若物流分流是不期望的,可以通过循环匹配或网络松弛来消除分流。

(2)物流分流增加了网络的复杂性和灵活性,故若物流不分流,可以找到最小换热面积方案,通常优先于物流分流方案。

摘要：本文主要介绍了利用夹点技术设计换热网络的原则及需要注意的问题,并利用夹点技术对乙烯生产原有换热网络进行夹点分析,研究换热网络利用的瓶颈,找出换热网络不合理的环节和原因。经优化改造后新增4台换热设备,新增设备及改装费用约2 900万元,但每年节约公用工程费用2 949万元,回收期为一年,故改造合理,节能明显。

关键词：夹点技术,换热网络,乙烯,节能

参考文献

[1]王松汉,何细藕.乙烯工艺与技术[M].北京:中国石化出版社,2000.

[2]曹湘洪.我国乙烯工业面临的挑战与对策[J].化工进展,2002,21(1):128.

[3]冯宵.化工节能原理与技术[M].北京:化学工业出版社,2005:145-286.

[4]吴云鹏,宋景平.常减压装置换热网络的优化改造[J].炼油与化工,2007(1):23-25.

[5]王利文,陈保东,王利权,等.夹点理论及其在换热网络中的应用[J].辽宁石油化工大学学报,2005,25(2):54-62.

[6]Jezowski J.Heat exchanger network grassroot andretrofitdesign.The review of the state-the-art:Part I Heat exchangernetwork targeting and insight based method of synthesis[J].Hung J Ind Chem,1994:279-294.

[7]刘巍.冷换设备工艺计算手册[M].北京:中国石化出版社,2003:246-298.

[8]王瑞,付峰,高晓明,等.利用夹点技术优化换热网络[J].节能技术,2009,27(2):149-153.

[9]潘振,陈保东.换热网络优化的进展[J].节能,2006(9):20-23.

夹点分析 第2篇

关键词：Matlab,夹点分析,换热网络,优化,节能潜力

引言

夹点技术是国内外认可的实现过程能量领域用能诊断和调优的一种技术。它以热力学为基础, 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, 从而获得优化措施与方案, 实现装置或系统的节能。夹点技术具有相对简单、直观、实用灵活等特点, 广泛应用于新系统的设计和旧系统的改造[1,2,3]。夹点技术以整个系统为出发点, 从全局的角度对能源系统热回收网络进行分析、优化, 与传统方法只考虑某几股热流的回收、某个设备或车间改造的节能技术相比, 节能效果和经济效益显著[4,5]。

本文通过Excel软件, 采用夹点技术对装置换热网络用能进行诊断, 在诊断的基础上, 提出系统存在的节能潜力。另外, 考虑到Matlab软件强大的计算功能[6,7], 采用表格分析的形式处理夹点问题, 并运用Matlab的编程环境, 设计并开发出一个.m函数文件, 适用于任意多流股的夹点分析。通过该程序计算, 能够快速准确地计算出任意换热系统所需最小公用工程热物流和所需最小公用工程冷物流的数值及系统节能潜力, 弥补了传统人工计算容易出错的缺陷, 为新系统的设计和已有系统的改造优化提供便捷的计算及分析工具。

1 夹点技术的基本原理

1.1 夹点的形成和定义

工艺物流的热特性曲线可以用T-H焓图来表示[7,8], T-H图是以温度T为纵轴, 以热焓H为横轴, 将过程所有热物流按温度变化区间和相应的焓变化值在图上连续绘出, 由高温到低温, 形成热物流组合曲线, 若同一温度区间上有多股热流, 则将它们的焓变化值在横轴上投影叠加;同理还可以做出从低温到高温的冷物流组合曲线。物流的热量变化量用横坐标两点之间的距离即焓差ΔH表示, 冷热物流组合曲线沿H轴平移, 不改变物流的温位和热量变化量。在T-H图上, 热物流的组合曲线在冷物流组合曲线的上方, 两者相互水平靠拢, 当两条组合曲线在某处两者之间的垂直距离刚好等于规定的最小允许传热温差ΔTmin时, 该处即为夹点, 此处的热通量为零。

1.2 夹点技术的基本设计原则

夹点把网络系统分成2个在热力学上相互分离的子系统。夹点上方的子系统是热阱系统, 热公用工程向其输入热能, 而没有任何热能流出;夹点下方的子系统是热源系统, 由冷公用工程从系统带走热能, 而没有任何热能从外界流入。为了达到最小公用工程消耗, 实现最大能量回收, 利用夹点技术对换热网络进行设计时, 必须遵循3个基本原则:不应有跨越夹点的传热;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。

2 夹点技术的应用

2.1 物流数据的提取

假定一过程系统含有的工艺物流为3个热物流及2个冷物流。选取热、冷物流间的允许传热温差为ΔTmin=10℃。

首先确定各物流的虚拟温度:

热物流平均初始温度=实际初始温度-ΔTmin

热物流平均目标温度=实际目标温度-ΔTmin

冷物流平均初始温度=实际初始温度+ΔTmin

冷物流平均目标温度=实际目标温度+ΔTmin

物流的初始数据及平均温度等参数如表1所示。

2.2 用问题表格法求夹点

用“问题表格法”确定夹点位置是比较常用的方法, 利用问题表格法求解的具体步骤文中不作详细介绍。根据“问题表格法”利用Excel软件计算的结果如图1和图2所示。

分析图1和图2, 可以将夹点的确定简单描述如图3所示。

从图2可以看出, 子网络4和5之间的热流量为0, 该处即为夹点, 该处传热温差刚好为ΔTmin, 该界面的虚拟温度 (即夹点温度) 为115℃。同时可以看出, 系统需要的最小加热公用工程热量为220kW, 需要的最小冷却公用工程热量为100kW。

2.3 该换热网络具有的节能潜力

将夹点分析结果和系统实际需要输入的公用工程热量比较, 可以诊断出目前系统的用能缺陷, 存在的节能潜力, 如表2所示。

3 夹点分析法的Matlab程序

在换热网络过程系统中, 大都是大型的工艺流程, 其中物流参数繁多, 如果依靠手算, 既耗时间, 又容易出错, 很难达到精确计算的效果。Excel软件虽然能一定程度改善手算的繁琐, 但是由于软件的局限性, 有些功能不容易实现。针对这一弊端, 将夹点分析法中的问题表格分析法编制成了Matlab程序, 实现快、精、准的计算, 并使这一程序能够应用于实际工程项目的计算分析过程, 使换热网络的冷热物流的匹配达到最优, 所需的公用工程消耗最小。使用该Matlab程序, 仅需要输入物流的原始数据便可以直接得出这一过程系统所需的最小热公用工程和冷公用工程, 以及目前系统的最大节能潜力。

设计的功能函数为:

Function=jiadianduoliugulast (H, C, deitaT, heata, colda)

式中:H热物流参数矩阵;

C冷物流参数矩阵;

deitaT最小温差, ℃;

heata系统实际的用热公用工程热量, k W;

colda系统实际的用冷公用工程热量,

将上面例子的数据作为Matlab程序的测试数据, 调用函数jiadianduoliugulast ([200, 50, 3;240, k W。

Matlab程序输出结果如图4和图5所示。

将Matlab程序输出结果 (见图4、图5) 与表2比较, 程序计算的结果完全符合根据问题表格人工手算的结果。

4 结论

利用Excel软件, 采用夹点技术对换热装置及换热网络用能进行诊断。同时, 运用Matlab软件, 编制出一个适用于任意多流股换热网络优化的.m函数文件, 使用该Matlab程序, 仅需要输入简单的物流原始数据便可以直接得出这一过程系统所需的最小热公用工程和冷公用工程及目前系统的最大节能潜力。编制Matlab夹点分析程序具有广泛的应用前景, 可以为能量优化提供可靠的手段, 尤其是对任意股热物流和任意股冷物流的换热网络, 计算快, 准确度高, 可节省大量的人工运算时间, 同时也可避免人工手算时不必要的计算错误。

参考文献

[1]Linnhoff B, Vredeveld D R.Pinch technology has come ofage[J].Chem Eng Pro, 1984, (6) :33-40.

[2]Linnhoff B, Hindmarsh E.The pinch design method of heat ex-change networks[J].Chem Eng Sci, 1983, (5) :745-763.

[3]冯霄, 李晋东.化工系统节能“瓶颈”的辨识及解“瓶颈”[J].化学工程, 2005, 33 (3) :43-46.

[4]肖云汉, 张明善, 王补宣.换热网络设计方法的研究进展[J].化工进展, 1994, (1) :1-7.

[5]姚平经.全过程系统能量优化综合[M].大连:大连理工大学出版社, 1995.

[6]张森, 张正亮.Matlat仿真技术与实例应用教程[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[7]项曙光, 贾小平, 夏立.能效的有效利用—夹点分析与过程集成[M].北京:化学工业出版社, 2010.

夹点分析 第3篇

1 夹点技术简介

夹点技术主要是指把换热网络划成热力学上能够相互独立的子系统, 热阱系统是附着在夹点上的系统, 在输入热量的时候, 可以通过使用加热公用工程得以实现, 但是不会有热量流出。热源系统为夹点下子系统, 系统中的热量由冷却公用工程带走, 外界的任何热量均不会流入, 位于夹点处的热流量值可以达到零度。跨越夹点的热量传递形式使用Q来进行表示, 此时夹点位置上、下的冷物流和热物流会发生相互的换热匹配, 在实现热平衡跨越的时候, 主要是通过夹点上的两个子系统来实现的, 此时夹点上、下的加热工程量和冷却工程量都会随之不断提升。所以, 为了可以保证工程用量达到最小值, 要按照下述原则进行设计:

(1) 公用工程加热器不可以设置在夹点上、下的位置。

(2) 传热时, 不可以出现跨越夹点的情况。

2 煤气化制甲醇工艺夹点技术的应用探讨

2.1 变换热回收单元

变换热回收单元的工艺目的主要有两个: (1) 对水煤气的热量要最大限度的回收, 粗煤气的温度要控制在40℃左右, 并将其传输到低温甲醇洗单元中; (2) 将一部分水煤气输送到变换炉中, 并使水蒸气和CO在催化剂的作用下出现变换反应, 转换成CO2和H2, 进而对合成反应原料气中的氢碳比进行调节。设最小热温差为10℃, 冷、热物流复合曲线没有夹点形成, 冷却公用工程在变换热回收单元得到了充分的使用, 目标值和设计值完全相同。此单元内部冷却公用工程主要包括循环冷却水、发生蒸汽, 通过最大限度的对废热进行利用, 产生更多的低压蒸汽和中压蒸汽, 降低循环水的使用量, 达到节能的目的。

2.2 低温甲醇洗单元

低温甲醇洗主要是为了将煤气中的有害气体清洗掉, 从而使净化气的质量得到不断提升, 使甲醇合成的有关标准得到满足。在低温甲醇洗的所有物流数据中占据绝大多数的是低温物流, 冷公用工程在进行冷却处理的时候, 使用的丙烯价格比较高。在对冷公用工程的有关费用进行计算以后, 最小传温差被确定为5℃, 冷热物流复合曲线夹点温度可以达到102.5℃, 以夹点设计的基本原理为根据, 如果传热跨越了夹点, 就会使加热工程和冷却工程的耗能不断上升。依据夹点设计的基本原理, 尽管跨越可以达到最小工程量的标准, 假如夹点不允许有一点能量流过, 就会引起流股分割的情况发生, 还需要对换热器进行增加, 进而使流程会比较的复杂, 增加设备的投资成本增加。所以, 在对设计进行优化时, 需要综合考虑运行费用、设备投资以及操作可靠性等要素。

2.3 多种工艺整合单元

煤气化制甲醇的工艺比较复杂, 如今过度关注自己工段的能量守恒。能够实现热交换的物流很少, 绝大多数的时候依然使用冷却公用工作来降低热量, 同时需要热量的物流只能使用加热公用工程提升热量。热公用工程和冷公用工程使用量都会显著增加, 导致能量损失比较严重, 为了保证过程工业工程设计水耗最小、能耗最小、对环境所造成的污染最小, 就需要将系统看成一个整体, 系统结构复杂程度越高, 其具备的优化潜力也就越大。这主要是由于有更多的优化匹配方式[3]。如果就将变换热回收单元、渣水处理单元、合成甲醇、低温甲醇洗单元以及精馏等单元当成一个整体, 将其热温差值设计成11℃, 加热公用工程和冷却公用工程的节能效果可以提升到208%和48%。

3 结语

综上所述, 煤气化制甲醇使用夹点技术是比较科学合理的, 不仅可以确定能量不合理因素, 还可以将节能潜力发挥好, 为改进工艺指明了发展方向。通过对案例的分析发现, 将所有的单元看出一个整体, 会极大提高系统的节能潜力。

参考文献

[1]王辅臣, 于广锁, 龚欣, 等.大型煤气化技术的研究与发展化工进展[J].化工进展, 2009, 28 (2) :181-188.

[2]冯亮杰, 郑明峰.煤制甲醇项目的煤气化技术选择[J].洁净煤技术, 2011, 17 (2) :34-38.

夹点技术理论及其求解方法讨论 第4篇

1 基本原理

夹点技术是从能量回收有极限值的观点出发,通过组合温焓曲线或问题表格找出能量回收的瓶颈,建立一个最大限度能量回收的初始网络,进行投资费用与运转费用的权衡,对网络进一步调优,得到一个最优换热网络,其理论依据是热力学第二定律。

2 夹点及夹点温差的确定

对于新设计的过程系统,设计者须选定适宜的最小允许传热温差ΔTmin;对于一个现有的装置系统,这应根据经验选择一个适宜的最小允许传热温差ΔTmin。对于操作型的夹点设计,需要通过迭代计算,使得计算的公用工程用量与实际相符合,此时的夹点才是系统装置的真正夹点,所得最小允许传热温差ΔTmin才是实际过程的ΔTmin。最优夹点温差的确定传统上是由经验确定,但这样就有可能存在一些不必要的误差,而采用Super Targeting和问题表格方法在原则上可以避免这一类问题的出现。

2.1 最优夹点温度的确定

2.1.1 Super Targeting法

按照夹点技术,采用Super Targeting法可以在设计网络之前,就能预测最佳夹点温差。其主要步骤是:

◇根据ΔTmin=HRAT,采用问题表格法或者温焓图确定能量回收量,进而计算网络的年运行费;

◇采用垂直换热模型确定网络的面积,采用图论中的欧拉定律确定夹点两边子网络的最小单元数,并按照每一单元分配相等面积的规则计算出网络的投资,进而计算相应的年费用;

◇费用相加得到总的年费用,不同的ΔTmin对应不同的年费用,其关系见图1。

2.1.2 问题表格法

问题表格法可以确定夹点的位置和最小公用工程消耗量。首先,按照冷热物流的初始温度t0和目标温度t1确定区界温度,区界温度的确定应考虑传热温差;其次,对由区界温度构成的每一温度区间进行热量换算[1]:

式中:

ti第i区间端点温度,℃;

FcCpc冷流体热容流率,k W/℃;

FhCph热流体热容流率,k W;

Q第i区间热流量,k W。

然后再进行热级联算,找到最小公用工程加热量Qh,min和冷却量Qc,min,最后根据夹点处级联热流量为0确定夹点位置,可迅速得到夹点温度和最小公用工程消耗,其程序结构见图2。

2.2 物流存在相变时夹点的确定

确定夹点时,如物流有相变,同样可以采用问题表格来确定夹点的位置。具体的方法是在发生相变的温度点多划分出一个温度区间。在计算该温度区间内的亏损热量时,由于对应温差为0,只记入相变热。对于不发生相变的区间,其计算方法与取值按无相变区间处理[2]。物流有相变时,温焓线上可以看出这样一个规律:如图3所示,假设曲线ABCD为冷流复合温焓线,A1B1C1D1为热流复合温焓线,此时热物流存在相变,从图3可以看出系统的夹点不可能在B1点,只有可能是C点,这样在问题表格的温度区间取值时将C1点作为一个区间端点,再将这个区间内热物流的相变热计入区间的热量平衡计算,同样可以求得系统夹点;如果冷流在换热过程中出现相变,即ABCD为热流的复合温焓线,A2B2C2D2为冷流复合温焓线,同理夹点只能出现在B点,将这一点设置为温度区间的端点,同样可以取得系统夹点[3,4]。

3 夹点技术的局限性及原因

在分析其理论局限性前,回顾一下夹点技术的主要设计步骤:

◇确定初始夹点温差,利用问题表格或温焓图确定夹点相应位置;

◇在夹点处将换热网络分成上下两个初始网络;

◇根据夹点设计规则,分别形成夹点上下两个初始网络;

◇合并夹点上下两个换热网络,形成初始换热网络,该网络完成预定能量回收目标;

◇调优,采用能量松弛法,切断回路,减少单元数,优化网络;

◇通过剩余问题分析进一步优化网络。

通过以上步骤可以明显地看出,夹点技术的优势在于简单、灵活,适于手算,且能较快地产生多种不同的换热网络,在实践中取得了显著的经济效益;但正如Gaggioli所指出的那样,显著的效果并非仅仅是由方法或技术产生的,还有可能是基础设计或原设计本来就存在着很大的改进潜力。夹点技术同样面临着这样的质疑,其主要原因在于技术本身具有一定的局限性,具体表现在如下几个方面:

(1)在初始确定ΔTmin时,如果选择了不恰当的夹点温差ΔTmin,从而使夹点位置与最优位置偏离,就有可能产生完全不同的换热网络,且远远偏离最优解。这种情况下,无论后继步骤如何完善都不可能达到期望的最低费用目标。

(2)夹点技术是分步骤对面积目标、换热单元数目标和公用工程消耗量目标进行调节,首先完成能量回收目标,其次完成换热单元目标和换热面积目标,但在设计过程中,其初始网络一旦形成,其基本拓朴结构也已确定,其后的改进步骤都是在以确定的网络上进行的,造成这一结果的根本原因就在于没有将网络设计作为一个整体考虑,而是分块进行,这势必造成设计结果远远偏离最优解。

(3)在调优过程中夹点技术采用能量松弛法,即以增大公用工程量为代价减小单元数,减少投资。这实际上是调节单元数、换热面积、公用工程量三者之间的关系,然而,解后的网络对应一个新的ΔTmin,这与设计开始时所规定的ΔTmin是相互矛盾的,ΔTmin的改变势必又会引起夹点位置的改变,那么整个网络也就随之改变了。

(4)在设计的最后一步所依赖的物理基础是垂直换热模型,如果物流在换热过程中存在相变,其物流温度不变,焓值增加,在温焓图上表现出来的是一段平行于横轴的线段,这一温位物流在夹点设计中势必引起交叉传热。国内已有文献报道,在物流膜传热系数相差一个数量级时,其误差可达50%以上,即使物流的膜传热系数相同,其传热过程也不是严格意义上的垂直换热。

(5)在夹点设计中,整个系统采用同一个ΔTmin,且认为热回收网络的最小传热温差、划分温度区间温差与热交换器内最小传热温差相等,这是不经济的,也是不可取的。造成这些结果的直接原因就是夹点技术本身的特点,由于夹点技术将换热网络分块进行设计,这大大简化了设计的复杂度,但也正是由于这种简化将换热网络的整体性打破,形成了一个个孤立的系统,彼此间不能很好地协调,从而影响系统的整体性能。换一个角度来讲,即使是每个单独的子网络经过分析、协调,达到了各自的最优点,那它们组合起来的网络也不一定就是最优的。要克服这些问题,只有将换热网络视为一个整体加以考虑,子系统间相互协调,这样在一定范围内才可以有效地避免上述问题。

参考文献

[1]肖云汉,朱明善,王补宣.换热网络设计方法的研究进展[J].化工进展,1994(1):9-13.

[2]徐亦方.可变冷热流换热网络的夹点和最小外界供热调优[J].石油大学学报,1989(6):13-15.

[3]朱明善,肖云汉,王补宣.换热网络的一种新的自动设计方法[J].石油炼制,1993,24:23-27.

夹点分析 第5篇

一、找准夹点位置、特征了然于胸

CAD软件中, 有点、线、文字、标注等绘图元素, 不同的绘图元素有不同的夹点位置。对于各种元素的夹点, 选中后, 即可体现出来, 所见即所得。如常见的直线先中后有3个夹点 ( 两个端点加中点) , 圆有5个夹点 ( 四个象限点加圆心) 。

二、设置夹点格式, 操作得心应手

夹点的大小、颜色、是否开启等控制开关都在软件的选项下面的选择集里。在命令栏中输入相应的英文指令同样能设置相应的控制开关。根据自己的绘图习惯, 适当调整好颜色、夹点大小等格式。

三、掌握夹点技巧, 绘图事半功倍

( 一) 夹点的基本操作

在不执行任何命令的情况下选中对象, 显示其夹点, 默认为蓝色, 称为“冷点”。然后单击其中一个夹点, 夹点颜色将变为红色, 称为“热点”, 这个时候, 命令行提示:

** 拉伸 **

指定拉伸点或[基点 ( B) /复制 ( C) /放弃 ( U) /退出 ( X) ]:

如对图1 -3中圆进行夹点操作时, 如以任一象限点为热点, 此热点即为该基点, 用鼠标拖动后, 就是对圆进行大小的拉伸。

类似的, 基点所中后, 按鼠标右键, 出现移动、镜像、旋转、缩放、拉伸等选项, 都可以用鼠标左键选择后进行操作, 实现移动、镜像、旋转、缩放、拉伸等功能。

( 二) 夹点的进阶操作

1. 多个基点的操作

绘图过程中, 有时需要保持部分绘图元素的特殊, 这就需要选中多个基点, 来保证相关部分元素的完整性。具体操作如下: 按住SHIFT键, 然后在夹点上点击鼠标左键, 可以实现选中多个夹点, 如图1 -4。

在选择多个夹点后, 选定夹点间对象的形状将保持原样。比如上图的矩形, 选中三个夹点后, 三个夹点之间的距离是不改变的。如图1 -5。

2. 用夹点创建多个副本

用夹点操作实现多个元素同时复制的快捷操作。例如: 画一个矩形, 选中一个夹点, 进行“旋转”操作, 同时按住ctrl健。可实现创建多个副本的功能。如图1 -6。

3. 空格键在夹点中的妙用

基点确定后, 可用空格键来控制夹点里的移动、镜像、旋转、缩放、拉伸等任一功能。

不按空格, 系统默认, 是以所选夹点为基点拉伸所选对象;

按一次空格 ( 或回车) , 是以所选夹点为基点移动所选对象;

按两次空格 ( 或回车) , 是以所选夹点为基点旋转所选对象;

按三次空格 ( 或回车) , 是以所选夹点为基点比例缩放所选对象;

按四次空格 ( 或回车) , 是以所选夹点为第一点的镜像所选对象。

利用空格键来实现修改里的多种命令, 较容易实现盲打操作, 对提高绘图速度有较大帮助。

4. 夹点的综合操作实例

绘制1 -7的示例图。

步骤一:绘制半圆弧, 如图1 -8。用夹点操作, 激活右端点为关键点, 待命令行出现拉伸提示时, 按三次回车键至比例缩放, 选择复制选项 ( C) 并依次输入比例缩放因子0.8、0.6、0.4、0.2;得图1 -8。

步骤二:利用夹点操作对图1 -9进行镜像操作。得图1 -10

步骤三:夹点操作对图1 -10下半部进行移动, 最后头尾直线相连。

此例题中, 四次用到夹点操作, 包括了比例因子、移动、镜像等修改命令, 绘图过程都可用盲打来解决, 大大的提高了绘图速度。

四、结语

绘图速度快是CAD软件的特点之一, 绘图速度提高过程中夹点操作是重要法宝。在平时教学过程中, 多引导学生利用夹点操作提高绘图效果, 实现盲打操作, 为进一步提高绘图速度打下基础。

参考文献

[1]浙江省教育厅职成教研室.Auto CAD应用—机械图样绘制.高等教育出版社, 2009.

[2]王姬.Auto CAD应用—机械图样绘制习题集.高等教育出版社, 2009.

[3]于萍.AutoCAD2010中文版机械制图实用教程.上海科学普及出版社, 2011.

夹点分析 第6篇

1 水夹点技术原理

常规的节水策略通常着眼于单个的单元操作或局部用水网络, 只能达到局部节水目的, 不能使整个用水系统的新鲜水用量和废水排放量最小化。而水夹点技术把企业的整个用水系统作为一个有机的整体来对待, 合理分配各用水单元的水量和水质, 以使系统中水的重复利用率达到最大, 同时废水的排放量达到最小。

水夹点技术是一个分步方法。先确定最小新鲜水流量, 然后综合一个用水网络满足这个流量。它也是改造已有用水网络的有效方法。首先, 在浓度间隔图表上确定最小新鲜水流量;第二, 构造一个保证满足最小新鲜水流量的基本用水网络;第三, 通过直观方法减少用水操作数目来简化基本用水网络;最后, 确定水回用区域, 提出进一步减少最小新鲜水流量的过程变化。

在实际操作中, 对企业首先进行的是对全厂用水排水状况的调查, 以及数据采集。然后分析可回用的个股, 最后应用水夹点技术优化用水网络, 达到节水的目的。

采用类似于能量优化过程中热夹点的构造方法, 以水中的污染物浓度为纵坐标、要加以去除的污染物负荷为横坐标建立极限水复合曲线, 如图1所示。极限水复合曲线与供水线的汇合处即为系统的水夹点, 供水曲线的斜率代表供水量。极限水复合曲线给出了水系统的整体状况, 可以直观地看出当前用水系统的优劣, 指出制约用水的瓶颈 (夹点) 、最小新鲜水用量及最小废水产生量的目标值。

水夹点技术在国外已有成功应用。1 9 9 4～1 9 9 5年, 英国威尔士的孟山都公司首次使用了水夹点技术, 使新鲜水消耗量降低了30%, 新建的废水处理设施的投资从1 50 0万美元降至3 50万美元, 年操作费用和原材料成本降低了100万美元。1996～1997年, 台湾某石化工业区在包含5个石化厂的范围内成功应用了水夹点, 新鲜水耗用量每天减少1 0 8 2 t, 减少部分废水处理和处置费用, 每年利润增加2 9.2 2万美元, 而投资费用仅为5万美元, 投资回收期为6个月。

英国的Linn hoff March公司宣称:根据他们做过的3 0多例项目的经验, 实施夹点法, 对炼油厂可有10%～30%的节水潜力;在食品工业有30%～40%的潜力;而对精细化工可高达60%。目前, 国内企业主要还是使用一些传统的节水技术方式。

2 水夹点技术在冶金企业的应用

2.1 选取目标系统

对于一个用水网络较大的企业, 可以按照工艺流程、所含污染物组分、地理位置布局等因素划分为若干个系统, 分别进行优化。对于多组分系统简化为数个单组分系统, 可以把所含杂质相同、相似或对某种杂质不敏感的用水单元做为一个用水系统, 从而降低优化难度。

合理选择目标系统非常重要, 目标系统过大将大大增加系统优化的难度, 过小则可能降低水系统集成技术的节水效果。另外, 多个目标系统之间的用水和排水也可以进行进一步的调配。

2.2 选定用水单元

为简化系统起见, 规定符合下述条件之一且用水量不小于5 t/h的用水设备或工序方可作为用水单元:

(1) 由用水设备的极限数据分析, 可采用水质低于新鲜水的水作为水源的;

(2) 由用水设备的极限数据分析, 排水可能作为其它单元水源的。

对于普通的用水单元, 由于损失水量相对较小, 可以忽略水损失。对于存在明显水损失的单元, 可将其分为两个用水单元:一个视为水阱, 只考虑进水, 其极限进口浓度等于原单元, 极限出口浓度取系统中所有单元排水浓度的最大值, 流量为原单元的进水量 (计算最终系统废水排放量时扣除这部分水量) ;另一个视为水源, 只考虑其排水, 进水浓度按0计算 (计算最终新鲜水用量时扣除这部分水量) , 极限出口浓度等于原单元, 流量为原单元排水量。

对于只有进水没有排水的单元 (比如水参与反应或者进入产品的单元) , 假设其极限出口浓度为系统中所有单元排水浓度的最大值;对于只有排水没有进水的单元 (比如反应生成水或者原料携带水) , 则假设其极限进口浓度为0。计算结果需要根据这些假设进行还原, 以反映实际情况。

对于循环水系统, 只考虑补充水和排放废水, 将其视为一个常规用水单元。因为除盐水、软化水以及过滤水等都由新鲜水制备而成, 故分析过程中都视为新鲜水。

2.3 确定污染物组分

对于只含有单一杂质的系统, 则选取该杂质为污染物组分;对于含有多种杂质的系统, 若系统中存在着某一种杂质, 该杂质最有可能限制污水回用、对本系统有最重要影响, 而且其它杂质的影响都比较小或者可以通过简单处理来消除, 则可以选取该杂质做为污染物组分, 仍然作为单组分系统处理。如果某个系统含有两种或以上的杂质, 并且均对污水的回用有较大影响, 则必须将它们均选取为污染物组分, 按多组分系统对待。

对污水回用的影响相同或相似的组分应该合并为一种组分, 以尽可能减少污染物的组分数。

温度同样是废水回用的影响因素。当用水单元对进水或排水温度有限制或者在经过用水单元前后水流股的温度发生了变化时, 可以将温度视为一种污染物组分, 该组分的负荷为用水单元的热量负荷。

2.4 确定极限进出口浓度和负荷

水夹点技术在工程应用中遇到的最大困难就是难以得到极限数据。这个问题可以用以下方法来解决。

(1) 根据工序的设计参数、工艺条件、参与该工序的物料的属性、基本的化工操作常识等, 确定过程的极限进出口数据。需要考虑的因素通常还包括:最小传质推动力、最大溶解度、避免杂质脱溶、设备污垢、设备腐蚀、最小流率下避免固体颗粒沉淀。对于已知的明确禁止引入某种污染物的单元, 将其极限进口浓度设为0;对于排水由于进入产品、含某种禁止杂质等原因不能被其它单元再利用的单元, 设定其出口浓度为所有单元中出口污染物浓度的最大值。

(2) 定性比较。当无法直接得到某个过程的极限进出口数据时, 可以采用比较的方法定性获得该单元的数据。

(3) 对于个别用水量较小、对整个系统影响不大的单元, 当其极限进、出口浓度难以确定时, 可以凭经验和前后工序的状况设定为一个估计值。

(4) 数据复核。根据上述方法获得的数据建立极限复合曲线, 作系统的夹点分析图。对于极限数据不够精确的单元, 视其离夹点位置的远近, 决定是否需要进一步定量分析。若该单元远离夹点位置, 则该单元的数据的不精确性对整个系统的优化影响甚微, 不必再去分析其极限数据;若该单元处于夹点位置或者离夹点位置很近, 数据的精确程度对整个系统的节水效果影响较大, 则需要采取试验等方法尽可能准确的确定数据。

2.5 计算目标最小新鲜水用量, 构造用水网络

采用水夹点技术进行计算, 得到整个系统的最小新鲜水用量和对应的最优用水网络。

2.6 调整用水网络

理论计算得到的网络可能还需要根据实际情况进行适当的调整, 以使得网络简洁、实用、可行。调整原则如下:

(1) 将其他有可能限制污水回用的因素考虑在内, 校验优化方案是否可行;

(2) 优先在一个车间或装置内部进行水流的匹配, 尽管节水量不大;

(3) 尽可能减少用水单元的供水水源数, 对水量相当的水源与水阱优先进行匹配;

(4) 删除水量过小的水流股或单元;

(5) 网络调整应尽量不大幅度影响节水效果。

3 实例研究

首钢集团某钢铁公司为节水减排, 对按照污染物的类型和地理位置划分的若干用水系统进行了优化。系统中影响废水回用的主要污染物是含盐量。

3.1 案例一

某厂有除盐水、软化水、净环水、浊环水四个独立的系统, 用水情况如表1。选取如表1所示的用水单元, 单元的污染物负荷由物质衡算得到。未优化前, 各单元均使用新鲜水, 总用量为4 0 0 0t/h, 排放水 (含蒸发、渗漏) 也是4 0 0 0 t/h。

3.1.1 不处理, 直接回用

对上述过程进行水夹点分析可知 (图2) , 系统的夹点浓度为5 0 0 p p m, 系统的最小新鲜水用量为1 54 3.0 0 t/h, 平均排放浓度为1 6 66.5 6 pp m。相应的用水网络设计如图3所示。

3.1.2 处理后回用

分别对排放水处理到1 0 0 p p m后回用 (不循环) 和处理到1 0 0 p p m后循环回用两种情况进行夹点分析。

对处理到1 0 0 p p m直流回用进行夹点分析可知, 新水的夹点浓度为5 00 p pm, 系统的最小新鲜水用量为107 1.46t/h, 平均排放浓度为2000 ppm。

对处理到1 0 0 p p m循环回用进行夹点分析可知, 系统的夹点浓度为5 00 p pm, 系统的最小新鲜水用量为2 1 5 t/h, 需处理水量为5 3 5 3.7 5 t/h, 循环水量5 5 6 8.75 t/h, 平均排放浓度为2 0 0 0 p p m。

3.2 案例二

某钢铁公司有6个厂, 其用水情况如表2。

选取如表2所示的用水单元。未优化前, 各单元均使用新鲜水, 总计用量为5 50 0t/h, 排放水 (含蒸发、渗漏) 也是5 50 0t/h。

3.2.1 直接串级回用

对上述过程进行水夹点分析可知, 系统的夹点浓度为60 0pp m, 系统的最小新鲜水用量为31 75.4 2t/h, 平均排放浓度为1 3 7 6.2 8 p p m。

3.2.2 处理后回用

分别对排放水处理到5 0 0 p p m后回用 (不循环) 和处理到5 0 0 p p m后循环回用两种情况进行夹点分析。

对处理到5 0 0 p p m直流回用进行夹点分析可知, 新水的夹点浓度为6 00 p pm, 系统的最小新鲜水用量为30 90.5 t/h, 再生处理量为5 09.5 0t/h, 平均排放浓度为1397.61ppm。

对处理到5 0 0 p p m循环回用进行夹点分析可知, 系统的夹点浓度为6 00 p pm, 系统的最小新鲜水用量为30 90.5 t/h, 需处理水量为5 09.5 0t/h, 循环水量3 6 0 0 t/h, 平均排放浓度为1 3 9 7.6 1 p p m。

4 水夹点技术在多组分污染物系统中应用的探讨

水夹点技术比较适用于小规模的单组分污染物用水系统, 它不能很好地解决多组分污染物系统的优化设计。对此, 可以采取以下策略:

(1) 划分适当的目标系统, 将整个企业分为数个小的系统, 这样一个大型的多组分系统就可转化为若干个小规模的单组分污染物系统。例如, 在对冷轧厂优化中, 将其用水系统根据工艺要求和杂质性质划分为酸碱系统和含油系统, 分别进行优化。

(2) 如果系统中除一种污染物之外, 其他杂质均可以通过简单处理去除或降低浓度, 则该系统可以简化为单组分系统。在完成初步设计后, 应根据各个用水单元对其他杂质浓度的要求, 分别予以处理。

(3) 若某多组分污染物系统不能简化为单组分系统, 则首先分别以其中一种污染物进行优化计算, 设计出用水网络, 然后对其他杂质进行浓度核算, 做出相应的修改。从中选取一种节水效果较大, 经济可行的方案。但这样设计的结果只具有指导意义, 不能保证目标系统的新鲜水量最小。

(4) 对于多组分污染物系统, 推荐采用中间水道技术设计。

5 结论

水夹点技术可以有效地节约新鲜水用量, 减少废水排放量。实践证明, 文中提出的对首钢集团某钢铁公司部分用水网络进行优化的方案是可行的, 并可取得40%以上的节水效果。本实施方案的提出对于促进水夹点技术在我国冶金企业的应用具有很大意义。

摘要：介绍水夹点技术的原理, 提出了将其应用于冶金行业工程实践的实施步骤, 并以首钢某公司节水改造为例, 给出了用水网络优化方案。实施结果表明节水效果良好。

关键词：水夹点,节水减排,用水网络,冶金企业

参考文献

[1]左永生.水夹点技术及其在冶金企业用水网络优化中的应用研究[D].北京科技大学硕士学位论文, 2007

[2]曹殿良.水夹点技术在石化企业中的应用[J].金山油化纤, 2005, 24 (1) :22-26

[3]Wang Y, Smith R.Wastewater minimization[J].Chem.Eng.Sci., 1994, 49 (7) :981-1006

[4]Mann J G Liu Y.工业用水节约与废水减量[M].北京:中国石化出版社, 2001:12

[5]朱慎华.应用夹点技术优化装置用水设计[J].齐鲁石油化工, 2002, 30 (4) :308-311

夹点分析 第7篇

关键词：LNG,夹点技术,液化,分馏,能量优化,最小温差,换热

在大型天然气液化技术工程化研究中, 工艺包括预处理、分馏、LPG (Liquefied Petroleum Gas) 储运、液化和LNG (Liquefied Natural Gas) 储运等单元, 其公用工程消耗包括电力、海水、淡水、蒸汽、燃料气、仪表空气、氮气、制冷剂和润滑油等[1]。由于分馏单元的设备种类和数量最多, 在大型天然气液化工厂中其公用工程消耗量也较大, 除压缩机和泵的电力消耗外, 以脱重烃塔底再沸器的蒸汽和产品冷凝器的海水消耗为主。为了降低天然气液化装置的能耗, 需要优化LNG分馏装置的换热网络布局, 因此进一步降低蒸汽和海水的消耗量就成为了分馏单元的改造目标。在过程节能的时代, 夹点技术作为过程集成方法已经成功地在石油化工行业的炼油分馏工艺和乙烯生产中取得了显著的节能效果[2,3,4,5,6], 但用于LNG分馏换热能量优化的研究很少。我国的天然气液化厂规模较小, 通过技术改造充分挖掘装置的潜力来扩大生产能力是我国天然气工业的发展趋势。本文将基于夹点技术对LNG分馏装置进行优化分析和节能技术改造研究。

1 夹点技术基本原理

随着过程系统节能时代的到来, 人们认识到把系统集成起来进行整体设计优化可以降低能耗、减小费用和环境污染[7,8]。上世纪70年代, Linnhoff和Umeda指出夹点限制了换热网络的热回收, 夹点技术成为过程集成方法中最实用的技术, 并在世界范围内成功地取得了节能效果[9]。夹点技术在热力学的角度上对换热网络优化集成, 分析能量流随温度的分布, 确定公用工程的等级和用量, 可以解决系统用能的“瓶颈问题”, 达到提高生产力、减小设备投资和节约用水的目的。

将物流的热特性用T-H图 (温-焓图) 表示时, 热物流 (热端) 被冷却而降温, 冷物流 (冷端) 被加热而升温, 物流的热量用焓差ΔH表示。物流从Ts加热或冷却到Tt, 若热容物流Cp可作为常数, 则所传递的总热量为Q=Cp (Tt-Ts) =ΔH。在实际生产系统中, 多股热流和多股冷流换热时, 将多股热流合并成一根热复合曲线, 多股冷流合并成一根冷复合曲线[10]。冷、热复合曲线同时表示在T-H图上, 将冷负荷曲线平行左移到两者在某点重合时, 系统内部换热达到极限, 此时传热温差为零, 该点即为夹点。理想的夹点温差为零时, 需要无限大的传热面积, 现实操作中这是不可能的。因此将冷热复合温焓线上传热温差最小的地方定义为夹点, 如图1所示[11,12]。其中热复合曲线为ABCD, 冷复合曲线为EFGH, 两者在H轴上投影的重叠部分ABCEFG为过程内部冷、热流体的换热区, 其焓变全部通过换热器来实现。冷复合曲线上端部分GH需用公用工程加热器来加热, GH在H轴上的投影QH, min为该夹点温差下所需的最小加热公用工程量;热复合曲线下端部分CD需用公用工程冷却器来降温, CD在H轴上的投影QC, min为最小冷却公用工程量[13,14]。

夹点将换热网络分成夹点之上和夹点之下两部分, 夹点之上可以看成是一个净热肼, 只有加热公用工程;夹点之下可以看成是一个净热源, 只有冷却公共工程。如果在夹点之上设置冷却器移走部分热量, 则这部分热量必然要由加热公用工程额外输入, 结果加热和冷却公用工程量均增加了。同理, 如果在夹点之下设置加热器, 则加热和冷却公用工程量也均增加。因此, 夹点方法的设计原则为: (1) 夹点之上不应设置任何公用工程冷却器; (2) 夹点之下不应设置任何公用工程加热器; (3) 不应有跨越夹点的传热。

2 LNG分馏换热流程简述

原料气经过预处理单元后进入分馏系统, 与低温干气换热被冷却到-48℃, 通过膨胀机和节流阀被进一步冷却到-73℃后, 进入脱甲烷塔。被脱去重烃的干气从脱甲烷塔顶抽出, 与原料气换热后, 被压缩机增压至7.6 MPa, 之后去液化单元。脱去甲烷的液态烃从脱甲烷塔底抽出, 与原料气换热后进入脱乙烷塔;由脱乙烷塔底出来的液态烃进入脱丙烷塔;脱丙烷塔顶抽出丙烷产品, 塔底抽出的液态烃进入脱丁烷塔, 丁烷产品由其塔顶产出, C5+液态烃由塔底抽出。

其中由脱乙烷塔顶抽出的的富含甲乙烷的气体进入冷箱后被冷却至62℃左右, 进入分离器后的气液两相分别返回冷箱被原料气加热至22℃后, 经增压机加压后送出分馏装置。由脱乙烷塔中部14板抽出的富含乙烷的气体进入乙烷产品精馏塔, 乙烷产品由塔顶出装置。

3 能量优化分析和换热网络改进

天然气液化工艺中, 分馏单元系统能量分配和利用可分为原料低温换热部分和产品分馏部分。其中原料低温换热部分靠冷箱进行换热, 冷箱是严格按最优能量分配原则进行换热的, 其公用工程需求为零, 因此该部分的能量利用是最优化的。本文研究产品分馏部分的能量优化和换热网络。

3.1 原换热网络分析

以产品分馏部分装置为研究对象, 运行过程中重烃产品需要用海水冷凝器进行冷却, 脱重烃塔底需要再沸器进行加热, 脱重烃后的气体进入液化单元进行液化。运用HYSYS软件对分馏工艺进行模拟, 得出系统工艺参数, 将消耗公用工程的换热器物流参数见表1。由表1可以看出, 分馏单元有7股热物流和3股冷物流。

运用夹点分析法在温-焓线上绘制冷热复合曲线, 如图2所示。将图2中冷热复合曲线叠加后的总组合曲线如图3所示。从图2可知, 天然气液化分馏单元冷热复合T-H曲线的最小传热温差为15℃, 换热网络热物流夹点温度为98.8℃, 冷物流夹点温度为83.8℃。由表1可知, 穿越热物流夹点98.8℃之上的冷却器有EA-1和E-10, 但没有穿越冷物流夹点83.8℃以下的加热器, 运用夹点方法的设计原则分析, 夹点之上不应设置任何公用工程冷却器, 因此若能减小跨越夹点98.8℃的传热, 即增加热量的回收, 将会降低相应的冷却和加热公用工程消耗量。

由表1可知, 分馏单元所需公用工程加热量为5.01×107k J/h, 由蒸汽提供;所需的公用工程冷却量为8.95×107k J/h, 由空气和海水提供。由图3可知, 理论热公用工程最低值为4.36×107k J/h, 理论冷公用工程最低值为8.31×107k J/h。冷热公用工程都有6.5×106k J/h的节能目标, 相对于热公用工程有15%的节能空间, 相对于冷公用工程有8%的节能空间。

3.2 换热网络的优化和改造

根据上述分析可知, 原换热网络中的不合理之处为:有两台换热器存在穿越夹点换热, 用来冷却分馏处理后气体的冷却器和轻油冷却器出现在夹点之上, 所需的冷量由空气和海水提供, 却没有合理利用分馏系统内部的冷量, 这样既增加了冷却公用工程量, 又增加了加热公用工程量, 使冷热公用工程设备的投资都增加了。为了节省公用工程消耗量和节省公用工程设备投资, 充分利用分馏系统内部的热量和冷量, 对系统进行优化改造后的换热流程, 严格按夹点换热理论改造后的换热流程如图4所示。

由图4可知, 脱乙烷塔底物流分为两路, 分流比0.88, 占0.88的流股去E-11和分馏处理后气体换热至86.6℃, 占0.12的流股去E-12和脱丁烷塔底的轻油产品换热至86.6℃, 加热至86.6℃的两股物流混合后进入换热器E-5, 被蒸汽加热至91.3℃返回脱乙烷塔。被冷却至98.8℃的分馏处理后气体进入空冷器EA-1继续冷却至50℃, 被冷却至98.8℃的轻油进入E-10被海水冷却至40℃出装置。改造后的流程无跨夹点传热现象, 进入EA-1的气体和进入E-10的轻油温度降低至98.8℃, 保证了夹点之上不存在公用工程冷却器。但优化后的分馏系统增加了换热器设备E-11和E-12, 通过这两台换热器实现分馏系统内部热量的交换。改造后的换热器物流参数见表2, 表中只列出有热负荷变化的几个换热器。

结合表1和表2可知, 优化后的换热网络没有夹点之上的冷却器, 也没有夹点之下的加热器, 分馏区换热流程改造后的冷热负荷都降低了6.5×106k J/h, 节省了15%的热公用工程量和8%的冷公用工程量, 减少了蒸汽和海水的费用。流程改造后新增了两个换热器, 增加了设备投资。

本文在换热网络优化中, 是严格按夹点换热理论进行的改造, 而在实际项目实施中, 要根据经验综合考虑公用工程和换热器设备的价格、换热工质、传热系数和操作弹性等因素的影响, 确定最优的夹点温差。夹点温差越小, 热回收量越高, 需要的加热和冷却公用工程量就越少, 运行所需的能量费用越少。但夹点温差取的越小, 整个换热网络各处的传热温差均相应减小, 就增加了换热面积, 会造成设备投资费用的增加[1]。当换热器的材料价格较高而能源价格较低时, 可以选择较高的夹点温差来减少换热面积;当能源价格较高时, 则选择较低的夹点温差, 这样可以减少公用工程需求量。

4 结论