化工节能技术｜夹点技术原理及应用（上）

1夹点设计概述

化工工艺过程中存在多股需要加热或者冷却的物流，此外还有冷热公用工程，这些物流可以在温-焓( T-H) 图中分别合并成冷热物流符合曲线。当在水平方向上，两曲线相互靠近直到达到最小的传热温差△Tmin时，热回收的量达到最大，公用工程达到最小，两曲线最靠近的地方为夹点，其中温度高的叫热夹点，温度低的叫冷夹点。

换热 络的夹点设计手段是由国外的以Linn Hoff教授为首的研究小组提出的，现在成为换热 络设计的首要采用的方法。通过夹点技术的设计，可以很大程度上减少能量的浪费，这种方法已大量运用于化工的生产，该技术在指导化工节能方面提供了理论基础，对化工的节能具有很大指导的作用。

2夹点位置的确定

确定夹点位置的方法主要有两种：T-H图法和问题表法。

（1）T-H图法

在T-H图上可以直观的描述夹点位置，为确定过程系统的夹点，需要给出下列数据：所有过程物流的流量、组成、压力、初始温度、目标温度、以及选用的冷热物流间匹配换热的最小允许传热温差△Tmin。用作图的方法在T-H图上确定夹点位置的步骤如下：

1) 根据给出的冷、热物流的数据，在T-H图上分别作出热物流组合曲线及冷物流组合曲线。

2) 热组合曲线置于冷组合曲线的上方，并且让两者在水平方向相互靠拢，当两组合曲线在某处的垂直距离刚好等于△Tmin时，该处即为夹点。

（2）问题表法

T-H图法主要针对物流比较少，要求不精确的流程，但当物流比较多并要求精确确定夹点时，T-H图法就明显不如问题表法便捷，但计算步骤比较繁琐。

3夹点技术的基本设计原则

夹点将换热系统分为两部分，为了减少公用工程的消耗量，一个完整的换热 络应该遵循以下三个原则：

(1)不应有跨越夹点的传热；

(2)夹点之上不应设置任何公用工程冷却器；

(3)夹点之下不应设置任何公用工程加热器。

如果违背这三条原则，则会造成公用工程的浪费，因为如果多消耗一种公用工程，就需要用另一种公用工程加热或者冷却。

4换热 络优化的基本准则

（1）流股数目准则

根据夹点设计的基本原则，夹点之上只能用热公用工程加热，同理夹点之下只能用冷公用工程冷却，如果违背此原则，会造成公用工程的浪费，流股数目准则如下：

1）对于夹点上方，热物流（包括其分支物流）的数目要小于或等于冷物流（包括其分支物流）数目，即

2）对于夹点上方，热物流（包括其分支物流）的数目要大于或等于冷物流（包括其分支物流）数目，即

（2）热容流率准则

为保证温差不小于△Tmin，夹点处匹配的流股的热容流率需满足以下准则：

1）对于夹点上方，每一夹点匹配中热物流（或其分支）的热容流率要小于或等于冷物流的热容流率：

2）对于夹点下方，则：

此外，在满足以上两个原则的前提下，为了使换热器的数量达到最少，减少设备投资的费用，每一次换热匹配时应该使其中一条物流达到换热目标。

5.问题表法

我们已经知道换热 络的设计方法分别是T-H图法和问题表法，鉴于T-H图法的设计精度不够精确，此处便以具体事例给出详细的问题表法设计过程。

表5-1 物流参数

表5-1是相关的物流参数，最小的传热温差我们取10℃，试设计该换热系统的换热 络及夹点位置和公用工程的用量。

5.1 温区的划分

1.将所有的冷热物流的温度分别从小到大排列。

热物流：40 65 150 170

冷物流：30 80 120 140

2.计算冷热物流的平均温度，即热物流温度下降最小温差的一半（5℃），冷物流上升最小温差的一半（5℃）。

热物流：35 60 145 165

冷物流：35 85 125 145

3.将所有的冷热物流的平均温度从小到大排列。

35 60 85 125 145 165

4.温区划分。

分区划分如图1.

图1 温区划分

5.2 温区内热平衡计算

热平衡的计算式如下：

由以上计算式可以求得每个温区的所需的外加热量。

第一温区：

△H1=-1.5（165-145）=-30Kw

第二温区：

△H2=（4.0-1.5-3.0）（145-125）=-10Kw

第三温区：

△H3=（4.0+2.0-1.5-3.0）（125-85）=60Kw

第四温区：

△H4=（2.0-1.5-3.0）（85-60）=-62.5Kw

第五温区：

△H5=（2.0-3.0）（60-35）=-25Kw

5.3 计算外界无热量输入时的热通量

第一温区的输入热量为0，其余各温区的输入热量为上一温区的输出热量。

第一温区: 输入热量=0Kw 输出热量=0+30=30Kw

第二温区: 输入热量=30Kw 输出热量=30+10=40Kw

第三温区: 输入热量=40Kw 输出热量=40-60=-20Kw

第四温区: 输入热量=-20Kw 输出热量=-20+62.5=42.5Kw

第五温区: 输入热量=42.5Kw 输出热量=42.5+25=-67.5Kw

5.4 确定最小加热公用工程用量

在热力学上，每个温区的热通量必须大于或者等于0，明显第三温区的输出热量小于0，也即是第四温区向第三温区供热，显然是不可行的，因此需要有外来的热量向第三温区供热，也即最小加热公用工程用量为20Kw。

5.5 计算最小加热公用工程时各温区的热通量

在确定最小加热公用工程为20Kw时，第一温区的输入热量为20Kw，其余其余各温区的输入热量为上一温区的输出热量。

第一温区: 输入热量=20Kw 输出热量=20+30=50Kw

第二温区: 输入热量=50Kw 输出热量=50+10=60Kw

第三温区: 输入热量=60Kw 输出热量=60-60=0Kw

第四温区: 输入热量=0Kw 输出热量=0+62.5=62.5Kw

第五温区: 输入热量=62.5Kw 输出热量=62.5+25=87.5Kw

由以上计算过程可知冷公用工程用量为87.5Kw，平均夹点温度为85℃，也即热夹点温度为90℃，冷夹点温度为80℃。

以上计算过程涉及到的问题表见表5-2.

表5-2 问题表

6.初始换热 络设计

在完成问题表法的设计后，我们可以根据上述结果完成对初始换热 络的设计。在进行设计之前我们需要假定本设计所有物流的热容流率是不变的（实际是变化的）。初始换热 络应为最大热回收的换热 络，因此就必须没有跨过夹点的换热，所以在设计换热 络时需要将换热 络分为夹点之上和夹点之下两个系统进行设计（对于多夹点系统，需要分为更多的子系统）。本系统的热夹点温度为90℃，冷夹点温度为80℃。

对于夹点之上：

图2 夹点之上

夹点上方涉及到的物流有四条，及其所需的热量如图2所示。由图可知，夹点之上所有冷物流需要320KW的热量去加热，而热物流只能提供300KW的能量，多余的20KW需要热公用工程去提供，与问题表法所计算量一致。

夹点上方的换热 络如图3。

图3 夹点上方的换热 络

对于夹点之下：

图4夹点之下

夹点下方涉及到的物流有三条，及其所需的热量如图4所示。由图可知，夹点之下所有热物流需要187.5KW的热量进行冷却，而冷物流仅有100KW，其余的87.5KW需要冷公用工程去冷却，与问题表法所计算量一致。

夹点下方的换热 络如图5。

图5 夹点下方换热 络设计

该系统的换热 络如图6所示。

图6 换热 络

以上便是用问题表法进行夹点设计的手算过程，过程繁琐但结果比较可靠，通过以上设计过程可知通过冷热物流换热共回收400Kw的热量，在进行工厂设计时具有很好的节能效果。随着计算机技术的发展，上述过程完全可以交给计算机完成，并且提高了计算精度和计算速度。下期预告：简单介绍Aspen Energy Analyzer夹点计算软件的设计过程。