化工節(jié)能原理與技術(shù)10

化工節(jié)能原理與技術(shù)102024/3/29化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.1緒論4.1.1過程系統(tǒng)節(jié)能的意義節(jié)能工作的發(fā)展過程：第一階段：“撿浮財”階段，主要表現(xiàn)在回收余熱；第二階段：單個設(shè)備的節(jié)能，采用多效、熱泵技術(shù)等；第三階段：過程系統(tǒng)節(jié)能，采用夾點技術(shù)。夾點技術(shù)以整個系統(tǒng)為出發(fā)點，優(yōu)于只考慮局部而不考慮整個系統(tǒng)的節(jié)能方案2化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.1緒論4.1.2夾點技術(shù)的應(yīng)用范圍及其發(fā)展夾點技術(shù)適用于過程系統(tǒng)的設(shè)計和節(jié)能改造；過程工業(yè)是以處理物料流和能量流為目的的行業(yè)過程工業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)：工藝過程子系統(tǒng)、熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和蒸汽動力公用工程子系統(tǒng)3化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.1緒論4.1.2夾點技術(shù)的應(yīng)用范圍及其發(fā)展夾點技術(shù)適用于過程系統(tǒng)的設(shè)計和節(jié)能改造；過程工業(yè)是以處理物料流和能量流為目的的行業(yè)過程工業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)：工藝過程子系統(tǒng)、熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和蒸汽動力公用工程子系統(tǒng)工藝過程子系統(tǒng)由反應(yīng)器、分離器等單元設(shè)備組成的生產(chǎn)流程熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)是由換熱器、加熱器、冷卻器組成的系統(tǒng)蒸汽動力公用工程子系統(tǒng)是指為生產(chǎn)過程提供各種級別的蒸汽和動力的子系統(tǒng)4化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)5化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.1緒論4.1.2夾點技術(shù)的應(yīng)用范圍及其發(fā)展夾點技術(shù)最初源于熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化集成發(fā)展為包括熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和蒸汽動力公用工程子系統(tǒng)的總能系統(tǒng)6化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.1溫-焓圖和復合曲線熱物流線的走向是從高溫到低溫，冷物流線的走向是從低溫到高溫吸入或放出dQ熱量所傳的總熱量CP為熱容流率7化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.1溫-焓圖和復合曲線熱物流線的走向是從高溫到低溫，冷物流線的走向是從低溫到高溫8化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.1溫-焓圖和復合曲線對多股物流，合并成一根熱復合曲線9化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.1溫-焓圖和復合曲線對多股物流，合并成一根熱復合曲線復合曲線要改變斜率，即兩個端點的縱坐標不變，在橫軸上的距離等于多股熱流在橫軸上的距離的迭加10化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.2夾點的形成冷熱復合曲線的相對位置有三種不同的情況11化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.2夾點的形成夾點：冷、熱復合曲線在某點重合時該系統(tǒng)內(nèi)部換熱達到極限，重合點的傳熱溫差為零，該點即為夾點；夾點溫差：冷、熱復合曲線上傳熱溫差最小的地方夾點溫差為零時操作需要無限大的傳熱面積12化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.2夾點的形成夾點：冷、熱復合曲線在某點重合時該系統(tǒng)內(nèi)部換熱達到極限，重合點的傳熱溫差為零，該點即為夾點；夾點溫差：13化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.3問題表法（1）以冷、熱流體的平均溫度為標尺，劃分溫度區(qū)間。（2）計算每個溫區(qū)內(nèi)的熱平衡，以確定各溫區(qū)所需的加熱量和冷卻量。（3）進行熱級聯(lián)計算。（4）溫區(qū)之間熱通量為零處，即為夾點。14化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.3問題表法15化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.3問題表法16化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.4夾點的意義夾點是冷熱復合曲線中傳熱溫差最小的地方，此處熱通量為零；夾點之上是熱端，只有換熱和加熱公用工程；夾點之下是冷端，只有換熱和冷卻公用工程夾點方法的設(shè)計原則是：（1）夾點之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器；（2）夾點之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器；（3）不應(yīng)有跨越夾點的傳熱17化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.2夾點的形成及其意義4.2.4夾點的意義18化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標4.3.1能量目標能量目標是指最小加熱公用工程量和最小冷卻公用工程量；能量目標隨夾點溫差而變（縮小夾點溫差）4.3.2換熱單元數(shù)目目標面積對費用的影響不如換熱器臺數(shù)的影響大；換熱器費用與換熱面積的關(guān)系可能分離成不相關(guān)子系統(tǒng)不能分離成不相關(guān)子系統(tǒng)19化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標4.3.2換熱單元數(shù)目目標整個換熱網(wǎng)絡(luò)作為一體對待時的最小換熱單元數(shù)目20化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標4.3.3換熱網(wǎng)絡(luò)面積目標物流按純逆流垂直換熱時的近似面積目標，即在冷熱復合溫焓圖上計算各區(qū)間垂直傳熱所需傳熱面積，然后相加而得。21化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標4.3.3換熱網(wǎng)絡(luò)面積目標物流按純逆流垂直換熱時的近似面積目標，即在冷熱復合溫焓圖上計算各區(qū)間垂直傳熱所需傳熱面積，然后相加而得。第i區(qū)段的換熱面積換熱網(wǎng)絡(luò)的總面積22化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標4.3.4經(jīng)濟目標經(jīng)濟目標有能量費用目標、設(shè)備投資費用目標和總年度費用目標。能量費用目標換熱設(shè)備投資費用總費用目標23化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標4.3.5最優(yōu)夾點溫差的確定夾點溫差越小，熱回收量越多，則所需的加熱和冷卻公用工程量越少存在一個使總費用最小的夾點溫差。24化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標4.3.5最優(yōu)夾點溫差的確定夾點溫差越小，熱回收量越多，則所需的加熱和冷卻公用工程量越少最優(yōu)夾點溫差的確定方法：（1）根據(jù)經(jīng)驗確定。換熱器材質(zhì)價格較高時，可取較高的夾點溫差；對冷凍換熱系統(tǒng)，可取較小的夾點溫差。（2）在不同的夾點溫差下，綜合出不同的換熱網(wǎng)絡(luò)，選取總費用最低的網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的夾點溫差。（3）在網(wǎng)絡(luò)綜合之前，依據(jù)冷熱復合溫焓線，通過數(shù)學優(yōu)化估算最優(yōu)夾點溫差25化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.3換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標4.3.5最優(yōu)夾點溫差的確定夾點溫差越小，熱回收量越多，則所需的加熱和冷卻公用工程量越少最優(yōu)夾點溫差的確定方法：（1）根據(jù)經(jīng)驗確定。換熱器材質(zhì)價格較高時，可取較高的夾點溫差；對冷凍換熱系統(tǒng)，可取較小的夾點溫差。（2）在不同的夾點溫差下，綜合出不同的換熱網(wǎng)絡(luò)，選取總費用最低的網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的夾點溫差。（3）在網(wǎng)絡(luò)綜合之前，依據(jù)冷熱復合溫焓線，通過數(shù)學優(yōu)化估算最優(yōu)夾點溫差26化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點技術(shù)設(shè)計準則（1）物流數(shù)目準則夾點之上夾點之下27化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點技術(shù)設(shè)計準則（1）物流數(shù)目準則如果實際系統(tǒng)中物流數(shù)目不能滿足上述準則，則應(yīng)通過將物流人為地分流來滿足該準則。28化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點技術(shù)設(shè)計準則（1）物流數(shù)目準則遠離夾點處，只要溫差許可，物流可逐次進行匹配，不必遵守該準則。29化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點技術(shù)設(shè)計準則（2）熱容流率準則如果夾點處的實際物流不能滿足該準則，就應(yīng)通過分流來減少夾點之上所需匹配的熱流的熱容流率或夾點之下所需匹配的冷流的熱容流率。夾點之上夾點之下30化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點技術(shù)設(shè)計準則（2）熱容流率準則離開夾點后，由于物流間的傳熱溫差都增大了，就不必遵守該準則。31化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.1夾點技術(shù)設(shè)計準則（3）最大換熱負荷準則為保證最小數(shù)目的換熱單元，每一次匹配應(yīng)換完兩股物流中的一股。32化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.2初始網(wǎng)絡(luò)的生成初始網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是最大熱回收網(wǎng)絡(luò)，即具有最小公用工程（能量目標；而不是換熱單元數(shù)目目標）。33化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.2初始網(wǎng)絡(luò)的生成初始網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是最大熱回收網(wǎng)絡(luò)，即具有最小公用工程（能量目標；而不是換熱單元數(shù)目目標）。34化工節(jié)能原理與技術(shù)10第4章過程系統(tǒng)節(jié)能–夾點技術(shù)4.4換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計4.4.4閾值問題只需要一種公用工程的