夹点技术理论研究与发展

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1、夹点技术理论研究与发展综述1.产生背景过程工业为了降低生产成本、合理利用资源，己从对单台设备的操作优化集成发展到对整个系统的集成优化，即采用过程集成技术，英国曼彻斯特大学BodoLinnhoff教授及其同事于20世纪70年代末在前人研究成果的基础上提出了换热网络优化，并逐步发展成为化工过程能量综合技术的方法论即夹点技术。采用这种技术对于新装置设计而言，比传统方法节能30%-50%；同时，近几年逐渐应用于老装置的节能改造屮，其改造投资低，却能取得较好的节能目的。夹点技术：是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统屮能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给予“解瓶颈”的一种

2、方法。2.一个典型的化工过程系统包括以下三个组成部分：反应分离部分、换热部分和公用工程部分，其设计过程可用图2畀所示的“洋葱模型”来表示。在以往的设计屮，各个部分间的设计是相对独立的，如分离部分给公用工程部分提出了所需的热量以及温度，而公用工程部分则把分离部分提出的需求当作是不能改变的，因此，各部分Z间是机械地结合在一起，没有形成一个有机的整体，所以，各部分的用能状况的考虑只局限于各自的子系统，而没有放入整个系统屮对照，这样必然会造成许多不合理的能量使用状况。虽然当时也有人意识到了这种情况,但由于过程系统过于复杂，能源价格并不算昂贵，没有条件，也没有压力來完成这项任务。随着资源的相对匮

3、乏特别是能源危机以及对环境保护的要求越來越高,对化工过程的设计提出了更高的要求，要求资源高效利用，能量消耗最少以及实现污染排放物最小。这使得设计的过程单元与单元Z间的联系更加密切，系统的信息含量越來越多，反映在装置上即为其集成度越来越高。过程集成即是在这种背景下所产生的一个新的研究方向，因此，过程集成最终目标是使得设计的过程效率最高一即实现多目标最优设计。从广义上讲，过程集成技术产生的内在因素是过程系统工程发展到一定程度，在过程模拟、过程综合、过程的热力学第二定律分析及过程改造等分支研究内容基础上的一种“集成技术”o外在因素是资源匮乏、能源紧张以及环境保护对化工过程的设计提出了更高的要

4、求。从狭义上看，过程集成技术最初是从能量密集型的过程设计中，以提高能量利用效率为目标而发展起來的。具体地其理论和方法产生于换热网络综合问题的研究。最初是以热力学第二定律分析为基础，用有效能的概念来探讨能量的合反应器分离序列换热器网络公用工程图2/洋葱模型理利用。Umeda和Linnhoff相继在这方面作了开创性的研究工作。它们先后发现了过程系统内的能量流动存在着夹点(PinchPoint),后来，Linnhoff将这一发现应用于全过程系统的能量分析及有效利用，逐渐形成了称Z为“夹点技术”(PinchTechnology)的过程设计方法。今天，夹点技术已成为最主要的过程集成技术，其精髓在

5、于确定过程设计所能达到的目标(这些目标包括能量、设备、原材料费用以及柔性等)，并将所确定的目标在实际的设计中加以实施，形成了化工过程集成的基础及方法。夹点技术既可用于新厂设计，又可用于已有系统的节能改造，但两者无论在目标上述是在方法上都是有区别的。在新设计中应用夹点技术可导致能量和设备投资双节省，降低操作成本30—50%,节省投资10-20%；在老厂技术改造中可以达到用最少的设备投资回收尽可能多的能量，降低操作成本20—30%,投资费用1—2年即可得到回收。世界上已有数千家企业的众多项目采用了夹点技术，取得了非常好的经济效益。夹点技术不仅用于节能，而且还可用于增产中解除“瓶颈”，减少环

6、境污染等。由于夹点技术能取得明显的节能和降低成本的效果，在各国止H益受到重视。世界上著名的公司郝思特、拜耳、孟山都、杜邦、三菱等都早己采用了夹点技术，有名的大工程设计公司如凯洛格、鲁姆斯、千代田、东洋等都设立了夹点技术组。而且，现在国际上一些大公司在投标时，要求先进行夹点技术分析已成为必要条件。2.1夹点的定义化工工艺过程中存在多股冷、热物流，冷、热物流间的换热量与公用工程耗量的关系可用温・焙(T・H)图表示。温■焙图以温度T为纵轴，以热焙H为横轴。热物流线的走向是从高温向低温，冷物流线的走向是从低温到高温。物流的热量用横坐标两点之间的距离(即焰差AH)表示，因此物流线左右平移，并不影

7、响其物流的温位和热量。多股冷、热物流在T・H图上可分别合并为冷、热物流复合曲线，两曲线在H轴上投影的重叠即为冷、热物流间的换热量,不重叠的即为冷热公用工程耗量。当两曲线在水平方向上相互移近时，热回收量Qx增大，而公用工程耗量Qc和Qh减小,各部位的传热温差也减小。当曲线互相接近至某一点达到最小允许传热功当量温差AT聞时，热回收量达到最大(Qx.max)，冷、热公用工程消耗量达到最小(Qc.min,QH,min)，两曲线运动纵坐标最接近的位置叫作