夾點技術及其在換熱網絡中的應用研究

黃 燕，項順伯

夾點技術及其在換熱網絡中的應用研究

黃 燕1，項順伯2

（1. 廣東石油化工學院 化學工程學院， 廣東 茂名 525000；2. 廣東石油化工學院, 廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室， 廣東 茂名 525000）

首先闡述了夾點技術的基本原理，利用夾點技術對原油常減壓蒸餾裝置的換熱網絡進行設計，運用問題表法求取夾點溫度、最小公用工程。

夾點技術；換熱網絡；蒸餾裝置

本文利用夾點技術實現換熱網絡的合成，在換熱網絡中，最小傳熱溫差 ΔTmin決定最大的熱量回收和最小的冷、熱公用工程。在一定溫度范圍內，通過總費用函數，確定最小傳熱溫差ΔTmin；再運用問題表進行夾點設計，確定夾點溫度、最小冷、熱公用工程，從而達到降低能耗，減少設備費用的目的[1]。

1 夾點技術基本原理

1.1 確定ΔTmin

在換熱網絡中，在確定夾點問題表過程中，ΔTmin為一個常數，對每一個既定的換熱網絡總有一個最優的ΔTmin值，使總成本（設備費與公用工程費）最合理。實際設計中，ΔTmin的選擇與換熱網絡的操作及設備成本有直接關系，熱公用工程和冷公用工程都隨 ΔTmin的增加而增大，而且二者用量平行增加。對于設備費，ΔTmin存在一個最佳值，當 ΔTmin等于零時，所需換熱面積無限大，導致設備投資無限大，當ΔTmin增加時，夾點處換熱面積減少，設備投資費用也迅速下降，但超過最低值時，由于外加熱、冷卻單元數增加，設備投資費用又開始增加。

1.2 確定夾點位置、最小冷、熱公用工程用量

根據夾點設計技術，夾點位置和冷熱公用工程的確定一般有圖解法和問題表格法，對于常減壓裝置的換熱網絡合成通過問題表法可以獲得準確的夾點溫度以及最小冷、熱公用工程量。

問題表格法的主要思想：將問題分成n個溫度區間，對每一個溫度區間進行流股焓平衡，以確定熱量凈需求量。Di為區間的凈需求量，Ii為輸入到第i個溫區的熱量。Qi為從第i個溫區輸出的熱量。首先設第一個溫區從外界輸入的熱量為零，得出的結果列入問題表。為保證熱量傳遞可行，取步驟中所有Qi中負數絕對最大值，作為第一個溫區的輸入熱量。

夾點是一個極限位置，它的物理意義是一個熱力學限制點。它限制了冷、熱物流的進一步換熱，使冷、熱公用工程都達到最小值，這時冷熱流股的匹配能量最優。夾點具有兩個特征:一是該處熱、冷物流間的傳熱溫差最小，剛好等于或大于ΔTmin；二是該處(溫位)過程系統的熱流量為零[1,2]。

2 常減壓裝置物流基礎數據

換熱網絡設計所需的基礎數據有冷、熱物流流量、物流起始溫度及目標溫度、物流比熱容、相對密度、特性因數、熱容流率等。

利用Solidworks 2012軟件建立挖溝機的三維仿真分析模型,其基本參數:挖溝機原理樣機質量為2 000 kg，長度Lmax=4 532 mm,寬度Wmax=1 485 mm,高度Hmax=1 540 mm,車輪直徑為R=304.8 mm.根據上述參數建立仿真分析模型如圖3所示,該三維模型的外形尺寸、質量分布等均按原理樣機實際參數設定,同時,考慮到車輪與接觸地面情況比較復雜,選擇沙石簡易鋪裝路面為模擬地面,即挖溝機在仿真運行過程中為剛性地面相互作用,在高低不平的地面行走時車輪與地面具有一定的沖擊.

根據能量計算和生產工藝的設計，整理出如下表1。

2.1 確定ΔTmin

為確定最適宜的ΔTmin，根據經驗選取5個ΔTmin值作為計算基準，從中得出最優的ΔTmin。這5個初值分別是30、25、20、15、10 ℃ (分別利用程序模擬計算)，將5個不同 ΔTmin的總成本進行對比，找到最佳值20 ℃。

2.2 問題表

以表1為基礎數據，進行問題表格計算，結果整理如表2[3]。

通過問題表計算分析得，最小溫差ΔTmin=20 ℃,利用問題表法計算得到：最小冷工程用量為2.18342 ×104kW，最小熱工程用量為5.198 94×104kW。夾點位置在270～250 ℃。

2.3 溫焓圖與組合曲線

從上面的問題表的計算過程可以看出，對于同一個溫度區間的冷物流或熱物流。由于溫差相同，只需要將冷物流、熱物流的熱熔流率分別相加再乘上溫差，就能得到冷物流或熱物流的總熱量。用積累焓對T作圖，得到冷物流的組合曲線[4]。

設HH0=0，HC0=7 500 kW。

由表3、4數據可畫T-H圖(圖1)。

3 結 論

使用問題表法設計原油常減壓蒸餾裝置，其中熱物流為16股，它冷物流有4股。通過問題表計算分析得，最小溫差ΔTmin=20 ℃,利用問題表法計算得到：最小冷工程用量為2.183 42×104kW，最小熱工程用量為5.1989 4×104kW。夾點位置在270～250 ℃。

［1］張衛東，孫巍 劉君騰. 化工過程分析與合成[M]. 北京:化工工業出版社，2012：198-201.

［2］張衛東，徐洪濤，吳琦博，程天春，牛化. 常壓蒸餾裝置電脫鹽系統的改造及效果[J]. 河南石油，2001（5）：47-48.

［3］楊基和，姜猛.5.0 Mt/a中東原油常減壓換熱網絡優化[J].化學工程，2010，38（2）:22-25.

［4］卡爾·布蘭南. 石油和化學工程師實用手冊[M]. 北京:化學工業出版社，工業裝備與信息工程出版中心，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

廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室開放基金項目資助，項目號：203646。

2014-05-20

黃燕（1984-），女，江西豐城人，講師，碩士，2009年畢業于華南理工大學化學工程專業，研究方向：從事化工過程系統工程。E-mail：pmm52@163.com。

項順伯（1979-），男，安徽安慶人，講師，碩士，2007年畢業于福州大學系統工程，研究方向：從事過程系統工程。E-mail：qingcheng33@163.com。