夹点技术

夹点技术（共4篇）

夹点技术 篇1

引言

随着能源危机的日益加剧,能源业正面临着严峻的挑战,解决能源的合理利用迫在眉睫。而过程系统工业(如化工、炼油、冶金等)作为能耗大户,更应首当其冲[1]。

在当今工程节能之中,过程综合是其主要手段,它主要包括夹点技术法、数学规划法以及人工智能法。其中,由Linnhoff和Flower开发的夹点技术尤为引人瞩目[2,3,4],并在世界范围内得到了广泛应用,取得了显著的节能效果[5,6,7,8,9]。

本文针对某航煤加氢装置能耗较大的现状,利用夹点技术对其换热网络进行分析,求取最优夹点温差,确定其夹点位置,并对该装置的节能潜力进行分析,最终取得了较好的节能效果。

1 夹点技术基本原理

1.1 夹点的形成及含义

工艺物流的热特性可以用T-H图来表示,如图1所示。物流的热量用横坐标两点之间的距离表示,即焓差ΔH,物流线可以左右平移而不影响该物流的温位和热量。夹点可定义为温焓图中传热温差最小的地方,即图中最小换热温差ΔTmin的地方。

1.2 夹点技术的基本原则

夹点将整个换热网络分成了夹点之上与夹点之下两个区域。夹点之上区域是一个热阱,只涉及换热和加热公用工程,不需要冷却公用工程;夹点之下区域只涉及换热和冷却公用工程,是一个热源,不需要加热公用工程;而在夹点处,热流量为零。为实现最小公用工程目标,换热网络的设计应遵循以下基本原则:1)夹点之上不应使用冷公用工程;2)夹点之下不应使用热公用工程;3)不应通过夹点传递热量。

2 航煤加氢装置换热网络分析及优化

2.1 装置概况及物流数据提取

该装置由原锦西石油五厂设计院设计,经过多次改造,成为了最终的航煤加氢装置。该装置包括三部分:反应部分、分馏部分以及公用工程部分。装置设计以加工直馏航煤为原料,在一定的压力、温度下,原料油和氢气通过催化剂床层,进行脱硫、脱氮、脱氧等反应,改善航煤硫醇硫、总硫等指标,生产出合格的精制航煤。其中,提取的工艺物流基础数据如表1所示。

2.2 最优夹点温差的确定

夹点温差ΔTmin的大小是换热网络一个极其重要的参数,ΔTmin越小,热回收量就越多,需要的加热和冷却公用工程量就越少,即运行中能量费用越少。但夹点温差越小,整个换热网络各处的传热温差均相应减小,使换热面积加大,造成网络投资费用的增大。夹点温差与各种费用的关系如图2所示。理论上,ΔTmin为零时,可回收最多的热量,但这不是实际能够达到的情况,因为零温差需要无限大的传热面积。因此,无论是设计新的换热网络还是对现有换热网络的改造,最优夹点温差的确定就显得尤为关键。

最优夹点温差的确定方法大致有以下三类[10]:1)根据经验确定,同时考虑设备投资费用、操作费用等因素的影响;2)在网络综合之前,根据冷热复合曲线,通过数学优化方法,估算出最优夹点温差;3)在不同的夹点温差下,综合出不同的换热网络,计算、比较各网络的总费用,选取总费用最低的网络所对应的夹点温差。由于第三种方法所求得的最优夹点温差是实际的最优夹点温差,同时结合该装置实际情况,本文采用此方法,其最优夹点温差确定流程如图3所示。

结合该装置实际运行情况(该装置实际工况下的夹点温差为15.8℃),在该夹点温差附近选取相应夹点温差,计算出不同夹点温差与之对应的冷、热公用工程量以及年总费用,结果如表2所示。

由表2可知,夹点温差为14℃时,年总费用最少,为22.083万元。因此,最优夹点温差为14℃,其夹点位置为热端温度54℃,冷端温度40℃,冷、热公用工程量分别为163.3MJ/h和119.7MJ/h。

2.3 换热网络分析优化

现有换热网络结构图如图4所示。

通过分析可知,该换热网络存在以下设计不合理之处:

1)存在跨越夹点的传热,换热器①、②跨越夹点传热,物流H1与C2通过换热器①换热,跨越夹点换热量为408.2MJ/h;物流H1与C3通过换热器②换热,跨越夹点换热量为1532.48MJ/h;

2)违背热容流率匹配原则:物流H1与C2匹配,两者平均热容流率相差太大;

3)在夹点之下设有公用工程加热器:加热器H1、H2均为夹点之下的加热器,增加热公用工程量分别为3559.08MJ/h、144.44MJ/h;

4)存在热负荷回路H1—③—①—H2与C1—②—④—C3,需做调优处理,以减少换热单元数目。

综上所述,需对该换热网络进行改造、优化。

取夹点温差ΔTmin=14℃,由夹点设计法生成换热网络的初始网络,该换热网络包括8台换热器,1台加热器以及2台冷却器,如图5所示。

由图5可知:该初始网络存在热负荷回路,需要对其进行调优,即热负荷回路的断开与换热单元的合并,同时,为维持最小传热温差,需对相应物流进行分支,调优后的换热网络如图6所示。

优化后的换热网络总共4台换热器,1台加热器以及2台冷却器,并且满足最小传热温差以及工艺要求。

3 结语

以某航煤加氢装置现行换热网络为研究对象,运用夹点技术对其进行分析、优化,得出最优夹点温差为14℃,并综合出最优的换热网络。优化后的换热网络与该装置初始换热网络相比:减少1台冷却器和1台加热器,同时冷却公用工程费用减少0.39万/a,加热公用工程燃料费用减少43.64万/a。

由此可见,利用夹点技术对航煤加氢换热网络进行分析优化,可取得较好的经济效益和社会效益。同时,也可为其他装置、系统的节能研究提供借鉴与参考。

参考文献

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夹点技术在北阿项目中的应用 篇2

过程工业为了降低生产成本、合理利用资源, 己从单台设备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。20世纪70年代, Linnhoff等[1]在前人研究成果的基础上提出换热网络优化设计方法, 并逐步发展为化工过程能量综合技术的方法论, 即夹点技术。在冷、热物流的热回收过程中有一最小传热温差处, 即夹点, 它决定了最小的加热和冷却公用工程用量。近年来, 针对换热网络优化问题的研究发展迅速, 特别是在利用夹点技术优化换热网络方面, 取得了显著的节能效果和经济效益。

北阿项目是CNPC中东“3+1重点工程”项目, 产能规模400万吨/年, 采用两级布站, 原油经过单井管线和集油干线进入计量站进行单井计量, 然后混输至中心处理站, 站内原油经过一级分离、与合格原油换热、二级分离、与导热油换热、两级电脱、与原油换热、脱气管闪蒸稳定后进罐储存、经外输泵增压外输。伴生气经过增压、TEG脱水后供集中处理站内50 MW电厂发电、热媒系统及油田气举使用, 剩余天然气外输。产出水与新鲜水换热、冷却, 处理后最终注入地下。

本文主要探讨利用夹点技术分析北阿项目中换热网络和能量回收。

1 夹点技术原理[2]

夹点技术是以热力学为基础, 从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布, 从中发现系统及其用能“瓶颈”处, 并给以“解瓶颈”的一种方法。

当给出过程系统中各物流的压力、组成、质量流量、初始温度、目标温度以及选定的最小允许传热温差ΔTmin后, 即可确定夹点, 常用的方法有三种: (1) 作图法。在温-焓图上分别作出热、冷物流的组合曲线, 热组合曲线在冷组合曲线上方, 并相互水平靠拢, 当两组曲线在某处之间的垂直距离刚好等于规定的ΔTmin时, 该处即为夹点。 (2) 问题表格算法。按温度各物流划分成K个子网络 (或热级联) , 求出各子网络输入热负荷IK及输出热负荷OK, 在OK为零处, 即第K子网络与第 (K+1) 子网络之间的温位界面处 (OK=IK=0) 即是夹点。 (3) 数学规划法。将系统划分为K个温度区间, 采用转运模型确定最小公用工程费用的线性规划问题, 即可得到公用工程加热、冷却物流的最佳用量以及每一温度间隔的剩余热量RK, 当RK=0时即区间K与 (K+1) 间的界面处即为夹点。

为保证过程系统能量回收最大化, 应遵守三条基本原则:夹点处不能有热流量穿过;夹点上方不能引入冷公用工程;夹点下方不能引入热公用工程。夹点位置确定的同时, 该系统所需的最小热、冷公用工程负荷以及最大热回收量也随之确定。

2 夹点技术在北阿项目中的应用

压缩机级间或出口配备空冷器, 因此在换热网络中不考虑压缩机出口热物流的能量回收。首先依据换热网络列出冷热物流温度、MCP、热负荷, 作为换热网络设计和夹点分析的基础数据。

备注:上述结果取自HYSYS模拟结果。

其次依据工艺流程列出换热器负荷和进出口物流温度, 便于下一步利用夹点技术进行能量分析。

取Tmin为30℃, 进行夹点技术分析, 组分曲线如下图。

从下表可以看出, 现有冷、热公用工程与目标值相比, 可以满足负荷要求, 因此现有的换热网络适应Tmin=30夹点要求。

现有换热网络图如下:

3 结论

从北阿项目中应用夹点技术进行换热网络的设计与校验可以看出:夹点技术可以有效指导生产中充分有效的利用工艺装置物流的热量, 降低冷、热公用工程量, 从而达到节能和优化设计。

摘要：夹点技术是重要的过程能量综合技术的方法论, 在优化换热网络方面发挥着重要作用。本文利用夹点技术的基本原理, 结合北阿项目HYSYS模型, 根据冷、热物流物性和换热网络, 选取ΔTmin=30℃建立组分曲线, 得到目标冷、热公用工程量, 从而为能量回收和优化提供依据。

关键词：夹点技术,北阿项目,换热网络

参考文献

[1]Linnhoff B, Flower J R.Synthesis of heat exchanger networks:I Systematic generation of energy optimal networks.American Institute of Chemical Engineers Journal.1978.

夹点技术 篇3

原油价格、燃料气价格及其他公用工程价格波动极大影响了炼厂经济效益,因此降低能耗是催化重整工艺一个重要的研究领域。UOP CYCLMAX工艺通过以下方面降低装置能耗:(1)反应器出口高温油气预热进料石脑油、精馏塔塔底热流与进料换热以回收过程热量,降低燃料气消耗。(2)混合进料换热器采用纯逆流焊板式换热器,利于深度换热,提高传热效率。(3)循环氢压缩机采用9.5 MPa蒸汽背压至3.5 MPa蒸汽式透平驱动,增压机采用3.5 MPa蒸汽的凝气式透平驱动,实现蒸汽逐级利用。炼油厂通过提高加热炉效率,降低排烟温度等措施降低重整装置能耗[3]。以上方法并没有从换热网络对催化重整工艺用能情况进行分析,没有最大化回收系统热量。换热网络是由若干个换热器构成的子系统,通过工艺物流之间换热来降低能耗。换热网络的合成可用于系统热量集成,以降低公用工程消耗、减少换热单元数以及降低总操作费用。

夹点技术[4]作为一种成熟的过程系统用能分析方法,已在多套装置取得明显效果。但是运用夹点技术降低重整能耗的研究却很少。马晓明等[5]运用夹点技术对连续重整生产过程用能分析,根据冷热组合曲线确定夹点位置,参考夹点设计原则对换热网络提出改造方案,冷热公用工程分别节约18.2%和10.5%,但组合曲线法确定夹点位置过程繁杂且易于出错。纪明山等[6]通过Aspen energy analyzer软件对重整装置预加氢工段进行能量分析并优化换热网络,优化后公用工程节能23.5%,该分析并没有考虑重整工段,只是做了换热网络的局部优化。

本文通过对催化重整装置现有的换热网络夹点分析,利用问题表格法求解并绘制总组成曲线,找到系统过程夹点,识别换热网络中违背夹点原理的设计并根据夹点技术原理予以改进,部分冷热物流重新匹配,最大化热量回收,以减少公用工程消耗,降低重整装置能耗。

1 催化重整工艺流程

图1为催化重整简化工艺流程,预加氢精制油与加氢精制重石脑油混合进入重整反应器反应,反应产物经再接触回收轻烃送至脱除C5及以下轻烃组分,塔底重整生成油经塔底进料换热器换热直接送至芳烃联合装置。

2 夹点技术原理和方法

考虑到催化重整装置部分物流存在着禁止匹配以及换热网络改造的可行性,并未提取所有冷热物流数据,仅提取可用于热量回收的物流物性数据。例如重整反应器出口热物流并不适合分流与其他物流换热,工业上通常采用高效的板式换热器使进料换热终温达到443℃,降低重整装置能耗。此外,不必要的分流或复杂的换热流程将导致重整反应系统压降升高,这对于超低压重整是不利的。根据重整工艺流程和现场实际数据提取了6个热物流数据和6个冷物流数据。

存在相变过程的物流,由于相变潜热和显热存在明显差异,须对物流分段处理。相变过程热量变化由下式计算:

显热变化过程热量变化由下式计算:

3 CCR换热网络夹点分析与改造

3.1 CCR换热网络夹点分析

由问题表法计算得到于温度为236℃处热通量为0 MW(见图2 GCC曲线),该处热量传递受热力学第一定律限制,传热温差必须大于等于最小传热温差,保证传热推动力,该处即为夹点。夹点之上需要由热公用工程提供热量,该处温度高达236℃,为保证足够的传热推动力,应当以中压蒸汽或加热炉作为加热热源,炼厂中通常采用加热炉做热源。夹点之下位于150℃左右的物流则可由空冷冷却再用水冷冷却至目标温度。

图3为实际的换热网络网格图,冷物流C3位于夹点之下却使用了热公用工程(即H3加热器),这不仅增加了热公用工程,同时使得这部分热量浪费,夹点之下的热物流不得不采用额外的冷公用工程冷却,这样的设计导致了能量利用的严惩。C3物流完全汽化,该过程为潜热变化,实际计算得到汽化所需的热量为1.8 MW,同时夹点之下的热物流需要额外1.8 MW的冷公用工程,共增加了3.6 MW公用工程消耗。

由图3可见,热物流H2经E204取热后由228℃冷却至97℃作为热供料直接送到芳烃联合装置。热物流H2进入重整油塔前须经塔底进料热交换器E401加热至129℃,物流H2先经E204冷却而后又加热,由热量衡算很容易得到物流H2由97℃升温到129℃需要额外提供4.4 MW热量。这样的设计使得热公用工程消耗23.6 MW,而理论上最小热公用工程消耗只有17.3 MW;冷公用工程消耗13.2 MW,最小冷公用工程消耗只有7.1 MW,H3热加热器不正确配置以及E401过量的取热使得热冷公用工程分别超目标值136.0%和186.4%。其结果如表2所示。

3.2 换热网络优化改造

位于夹点之下的加热器H3需要被移除,冷物流C5则需由热物流换热至完全气化。受最小传热温差的限制,只有热物流H1和H2温度品味满足最小推动力的要求,热物流H1需要保证汽提塔进料温度,不适合分流以加热C5物流。因此需用热物流H2分流加热冷物流C5(如图4所示E2热交换器),H2物流由E2取走1.8 MW热量,冷物流C3换热终温将降低,脱戊烷塔底热负荷则会直线上升。不难发现热物流H3(即汽提塔塔顶气相物流)的热量尚未被完全利用,且具有足够的温差推动力,预先用H3预热冷物流C3(如图4所示E1换热器),保证C3换热终温的同时提高H2终温,可以取消E401,避免能量的浪费。

催化重整装置常常受氯腐蚀影响而不得不停工检修换热器,换热网络的设计改造必须要考虑因腐蚀问题的禁止匹配。易于出现腐蚀的物流避免与其他工艺物流匹配,以免泄露造成事故。炼厂实际的运行经验表明,重整装置腐蚀主要发生在脱戊烷塔和脱丁烷塔顶冷却器。这些低温部位铵盐积聚导致换热器腐蚀穿孔,汽提塔顶虽然也是低温操作,但却鲜有出现换热器腐蚀泄露的情况。因此利用汽提塔顶热源预热脱戊烷进料的匹配是可行的。

如图4所示,E204-E1-C2构成了一个热负荷路径(黄色标记线条),显然E1的取热量显得至关重要,取热量过大,E1温差推动力小,所需的换热面积大;取热量过小,E204热负荷大,热物流H2换热终温将大大降低,需要额外的加热器加热物流H2至泡点温度。当E1取热量为5.0 MW时,冷端传热温差为12.5℃,大于最小传热温差,在保证最小传热温差的同时且热物流H2终温提高至126.2℃。热公用工程减少了26.5%,冷公用工程减少了37.6%。优化E204取热,生成油直供芳烃温度提高至126.2℃,减少不必要的热量消耗和换热单元,所需换热面积减少10.4%。

4 结论

重整装置现有换热网络中脱丁烷塔底再沸器在夹点之下使用了热公用工程,导致了能量利用严惩,冷热公用工程均超过了目标值10%。由于E204不合理的取热导致生成油至芳烃联合装置热量需重新加热,浪费了4.4 MW的热量。

取消脱丁烷塔底蒸汽加热器,由脱戊烷底油供热,重整生成油进料预先由汽提塔顶气相预热,减少E204取热,保证脱戊烷塔进料温度的同时提高生成油至芳烃联合装置供料温度,可移除E401。热公用工程节约26.5%,冷公用工程节约37.6%,同时换热面积减少10.4%。

参考文献

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氨水吸收式制冷夹点分析法 篇4

传统的电压缩式制冷需要消耗大量的电能。IIR估计全世界大约15%的电力消耗适用于各式各样的制冷空调系统,另外压缩式制冷系统使用的制冷剂CFC、HCFCs会导致严重的环境问题,例如臭氧层空洞、全球变暖等[1]。许多工厂使用通过燃烧矿物燃料产生的蒸汽或热能用于工艺过程,此过程后产生了大量废热并将其排放到环境中。而这种余热通过热驱动的制冷系统可以转化为有用的制冷用热(例如吸收式制冷系统)。因此,吸收式制冷以其具有可直接利用低品位热源驱动、不使用对臭氧层有破坏作用的 CFCs为工质等独特的优点,越来越受到人们的关注。

应用于空调系统的溴化锂-水(H2O-LiBr)吸收式制冷和应用于冷库的氨水(NH3-H2O)吸收式制冷已经商业化应用。溴化锂-水吸收式制冷系统具有高效的性能。制冷温度由于受到制冷剂的制约,通常不低于 5℃,一般仅用于空调或工业冷却。氨水吸收式制冷的制冷温度范围比较宽,一般在+10～-60℃,不仅可用于空调,而且更重要的是可用于0 ℃ 以下的普通制冷场所。因此,在利用工业余热制冷系统中,氨水吸收式制冷机明显优于溴化锂吸收式制冷系统[2]。

由于氨与水的沸点比较接近,在一定的工况下,氨水吸收式制冷循环中有可能产生部分温度重叠的现象,即吸收过程中可能产生的温度处于比吸收器高压浓溶液的温度还要高的区域。因此,吸收器产生的热量可以减少发生器的热负荷,回收吸收器内部热量可以提高氨水吸收式制冷的性能系数。

夹点技术是一种在过程工业中减少热公用工程和冷公用工程高效的技术,由英国Linnhoff首先提出,现在成功用于多个工业生产工程[3]。本文将使用夹点技术分析传统的氨水吸收式制冷循环系统,以回收最大的内部循环热,提高循环的性能系数。

1 系统循环分析

传统的氨水吸收式制冷系统循环流程如图1所示。吸收循环类似于蒸汽压缩式循环,区别是吸收器和发生器代替了压缩机。

溶液泵消耗的功比压缩制冷系统中压缩机消耗的功要小得多,提高了循环的性能。系统主要消耗蒸汽热能,最大限度回收系统的内部热量是提高性能系数的有效方法,文中使用夹点方法实现了最大的内部热量回收[5]。

2 系统建模研究

2.1 基本假设[6]

假设系统在稳定的状态下运行:

1)浓溶液离开吸收器(状态点1)和稀溶液离开发生器(状态点2)处于其对应压力、温度下的饱和状态;

2)制冷剂离开冷凝器和蒸发器处于对应压力、温度下的饱和状态(状态点6和8);

3)溶液交换器效率为0.8;

4)忽略泵功;

5)进入冷凝器的氨气浓度为0.998。

2.2 热力计算满足条件

热力计算满足各设备的总质量平衡、氨组分质量平衡和能量平衡。

总质量平衡:∑min-∑mout=0

NH3质量平衡:∑(mx)in-∑(mx)out=0

能量平衡:Q+∑(mh)in-∑(mh)out=0

模拟条件是热源温度为158℃,制冷温度为-10℃,冷却水温度为28℃。制冷剂氨的流量为1kg/s。其计算参数如表1所示。

通过计算得知,系统的溶液交换器的热负荷为1163.42kW。系统的性能系数COP=QE/QD=1177.9085/2136.1789=0.551。

如果不考虑溶液交换器、过冷器,根据表1的状态参数和图1的流程划分为冷、热物流(其中H表示热物流,C表示冷物流)。表2所示为系统物流数据。

2.3 夹点位置的确定

根据表2组合冷热物流曲线如图2所示。夹点为冷热物流最小温差处,位于图中的N点位置。

确定区界温度,将所有热物流的供给温度和目标温度均减去ΔTmin/2,将所有的冷物流的供给温度和目标温度均加上ΔTmin/2,得到的数据就是区界温度,将所得的区界温度按高低顺序排列,相邻的两个温度值就确定了一个温度区间,对应列出问题表格如表3所示。

各子网络的表格求解,在每个子网络中,冷热物股换热必须保证传热温差的要求,这样就算出每个子网络充分换热后还剩余的热量或不足的热量。以第j个子网络为例,盈亏热量为:

undefined

式中:qj—第j个子网络的盈亏热量(负值为亏);Tj、Tj+1—子网络j上的上、下界温度;undefined—网络内所有热流股的热容流率之和;undefined—网络内所有冷流股的热容流率之和[7]。

由式(1)得出表3中的q列。根据传热原理,较高温度下的盈余热量可弥补较低温度下的亏损热量。从外界引入热量QH计算出表中的Q列,外界所输入的热量QH至少应与满足每一个子网络向外界输出的热流量Q不为负值,以保证热量传递的可行性。如果外界热量从温度水平最高的子网络输入,那么其值应最少为QHmin=1888.56kW。将数值代入Q列,得到最后一列,最小热流量QCmin=2569.7kW。系统所需要的最小公用加热工程为1888.56kW,最小公用冷却工程为2569.7kW。

2.4 设计换热网络

根据以上子网络的具体情况设计的换热网络,在热物流H1冷端设置冷公用工程C1=1120.23kW,冷却热物流H1。选取热物流H2与冷物流C2换热,换热量为1387kW,H2剩下的138.98kW的热量设置公用冷却工程冷却。选择热物流H3与冷物流C1换热,由于吸收式制冷的特性,需要获得更多的冷量,所以换热量取-122.68kW,这样剩下的H3设置需要冷公用工程C3=1433.68kW冷却热公用工程H3。

冷物流换热较简单,分别设置公用加热工程H1、H2、H3加热冷物流C2、C3。由以上分析得到的换热网络如图3所示。

3 系统循环改进

通过上面的分析得知本例传统的氨水吸收式制冷的一部分内部热量能够回收,传统循环计算得知溶液交换器热负荷为1163.41kW。而可回收的最大内部热量为1387kW。故可设置单级氨水吸收式制冷GAX循环以更好的回收循环内部热量。

在改进的循环中吸收终了的浓溶液经溶液泵加压后在GAX换热器中吸收一部分吸收过程所放出的热量,从而更多地回收系统的内部热,减少发生器的发生热,从而提升系统的性能系数。经过计算改进后的氨水吸收式制冷系统的性能系数COP=1177.9/1888.66=0.623。

4 结论

引入夹点分析法分析氨水吸收式制冷性能系统,构造了冷热物流曲线,找出了系统的夹点位置。这种方法回收了系统的最大循环内部热,因此提高了系统的性能系数。根据实例分析得知:通过夹点分析优化实例的性能系数(COP)提高了11.58%。

摘要：氨水吸收式制冷需要消耗很大的公用工程,其性能系数(COP)不是很高,引入夹点分析法分析氨水吸收式制冷系统,该方法能够确定可回收的系统最大内部循环热,优化后的系统性能系数为0.623,比优化前的系统性能系数高11.58%。该方法对氨水吸收式制冷设计具有一定的指导意义。

关键词：吸收式制冷,氨水,夹点分析,热回收

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