夹点技术及其在换热网络中的应用研究

黄 燕，项顺伯

夹点技术及其在换热网络中的应用研究

黄 燕1，项顺伯2

（1. 广东石油化工学院 化学工程学院， 广东 茂名 525000；2. 广东石油化工学院, 广东省石化装备故障诊断重点实验室， 广东 茂名 525000）

首先阐述了夹点技术的基本原理，利用夹点技术对原油常减压蒸馏装置的换热网络进行设计，运用问题表法求取夹点温度、最小公用工程。

夹点技术；换热网络；蒸馏装置

本文利用夹点技术实现换热网络的合成，在换热网络中，最小传热温差 ΔTmin决定最大的热量回收和最小的冷、热公用工程。在一定温度范围内，通过总费用函数，确定最小传热温差ΔTmin；再运用问题表进行夹点设计，确定夹点温度、最小冷、热公用工程，从而达到降低能耗，减少设备费用的目的[1]。

1 夹点技术基本原理

1.1 确定ΔTmin

在换热网络中，在确定夹点问题表过程中，ΔTmin为一个常数，对每一个既定的换热网络总有一个最优的ΔTmin值，使总成本（设备费与公用工程费）最合理。实际设计中，ΔTmin的选择与换热网络的操作及设备成本有直接关系，热公用工程和冷公用工程都随 ΔTmin的增加而增大，而且二者用量平行增加。对于设备费，ΔTmin存在一个最佳值，当 ΔTmin等于零时，所需换热面积无限大，导致设备投资无限大，当ΔTmin增加时，夹点处换热面积减少，设备投资费用也迅速下降，但超过最低值时，由于外加热、冷却单元数增加，设备投资费用又开始增加。

1.2 确定夹点位置、最小冷、热公用工程用量

根据夹点设计技术，夹点位置和冷热公用工程的确定一般有图解法和问题表格法，对于常减压装置的换热网络合成通过问题表法可以获得准确的夹点温度以及最小冷、热公用工程量。

问题表格法的主要思想：将问题分成n个温度区间，对每一个温度区间进行流股焓平衡，以确定热量净需求量。Di为区间的净需求量，Ii为输入到第i个温区的热量。Qi为从第i个温区输出的热量。首先设第一个温区从外界输入的热量为零，得出的结果列入问题表。为保证热量传递可行，取步骤中所有Qi中负数绝对最大值，作为第一个温区的输入热量。

夹点是一个极限位置，它的物理意义是一个热力学限制点。它限制了冷、热物流的进一步换热，使冷、热公用工程都达到最小值，这时冷热流股的匹配能量最优。夹点具有两个特征:一是该处热、冷物流间的传热温差最小，刚好等于或大于ΔTmin；二是该处(温位)过程系统的热流量为零[1,2]。

2 常减压装置物流基础数据

换热网络设计所需的基础数据有冷、热物流流量、物流起始温度及目标温度、物流比热容、相对密度、特性因数、热容流率等。

利用Solidworks 2012软件建立挖沟机的三维仿真分析模型,其基本参数:挖沟机原理样机质量为2 000 kg，长度Lmax=4 532 mm,宽度Wmax=1 485 mm,高度Hmax=1 540 mm,车轮直径为R=304.8 mm.根据上述参数建立仿真分析模型如图3所示,该三维模型的外形尺寸、质量分布等均按原理样机实际参数设定,同时,考虑到车轮与接触地面情况比较复杂,选择沙石简易铺装路面为模拟地面,即挖沟机在仿真运行过程中为刚性地面相互作用,在高低不平的地面行走时车轮与地面具有一定的冲击.

根据能量计算和生产工艺的设计，整理出如下表1。

2.1 确定ΔTmin

为确定最适宜的ΔTmin，根据经验选取5个ΔTmin值作为计算基准，从中得出最优的ΔTmin。这5个初值分别是30、25、20、15、10 ℃ (分别利用程序模拟计算)，将5个不同 ΔTmin的总成本进行对比，找到最佳值20 ℃。

2.2 问题表

以表1为基础数据，进行问题表格计算，结果整理如表2[3]。

通过问题表计算分析得，最小温差ΔTmin=20 ℃,利用问题表法计算得到：最小冷工程用量为2.18342 ×104kW，最小热工程用量为5.198 94×104kW。夹点位置在270～250 ℃。

2.3 温焓图与组合曲线

从上面的问题表的计算过程可以看出，对于同一个温度区间的冷物流或热物流。由于温差相同，只需要将冷物流、热物流的热熔流率分别相加再乘上温差，就能得到冷物流或热物流的总热量。用积累焓对T作图，得到冷物流的组合曲线[4]。

设HH0=0，HC0=7 500 kW。

由表3、4数据可画T-H图(图1)。

3 结 论

使用问题表法设计原油常减压蒸馏装置，其中热物流为16股，它冷物流有4股。通过问题表计算分析得，最小温差ΔTmin=20 ℃,利用问题表法计算得到：最小冷工程用量为2.183 42×104kW，最小热工程用量为5.1989 4×104kW。夹点位置在270～250 ℃。

［1］张卫东，孙巍 刘君腾. 化工过程分析与合成[M]. 北京:化工工业出版社，2012：198-201.

［2］张卫东，徐洪涛，吴琦博，程天春，牛化. 常压蒸馏装置电脱盐系统的改造及效果[J]. 河南石油，2001（5）：47-48.

［3］杨基和，姜猛.5.0 Mt/a中东原油常减压换热网络优化[J].化学工程，2010，38（2）:22-25.

［4］卡尔·布兰南. 石油和化学工程师实用手册[M]. 北京:化学工业出版社，工业装备与信息工程出版中心，2001:49．

The Pinch Technology and Its Application in Heat Exchanger Networks

HUANG Yan1，XIANG Shun-bo2
（1. College of Chemical Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology, Guangdong Maoming 525000，China；2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Petrochemical Equipment Fault Diagnosis,Guangdong University of Petrochemical Technology, Guangdong Maoming 525000，China）

The principle of pinch technology was introduced. Design of heat exchanger network for crude oil distillation unit by the pinch technology was discussed. How to calculate the pinch temperature and the minimum utility of the heat exchanger networks was introduced.

Heat exchanger network design; Pinch technology; Distillation unit

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）05-1052-03

广东省石化装备故障诊断重点实验室开放基金项目资助，项目号：203646。

2014-05-20

黄燕（1984-），女，江西丰城人，讲师，硕士，2009年毕业于华南理工大学化学工程专业，研究方向：从事化工过程系统工程。E-mail：pmm52@163.com。

项顺伯（1979-），男，安徽安庆人，讲师，硕士，2007年毕业于福州大学系统工程，研究方向：从事过程系统工程。E-mail：qingcheng33@163.com。