黃 燕，項(xiàng)順伯

夾點(diǎn)技術(shù)及其在換熱網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

黃 燕1，項(xiàng)順伯2

（1. 廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院， 廣東 茂名 525000；2. 廣東石油化工學(xué)院, 廣東省石化裝備故障診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 茂名 525000）

首先闡述了夾點(diǎn)技術(shù)的基本原理，利用夾點(diǎn)技術(shù)對原油常減壓蒸餾裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用問題表法求取夾點(diǎn)溫度、最小公用工程。

夾點(diǎn)技術(shù)；換熱網(wǎng)絡(luò)；蒸餾裝置

本文利用夾點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的合成，在換熱網(wǎng)絡(luò)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(nèi)，通過總費(fèi)用函數(shù)，確定最小傳熱溫差ΔTmin；再運(yùn)用問題表進(jìn)行夾點(diǎn)設(shè)計(jì)，確定夾點(diǎn)溫度、最小冷、熱公用工程，從而達(dá)到降低能耗，減少設(shè)備費(fèi)用的目的[1]。

1 夾點(diǎn)技術(shù)基本原理

1.1 確定ΔTmin

在換熱網(wǎng)絡(luò)中，在確定夾點(diǎn)問題表過程中，ΔTmin為一個(gè)常數(shù)，對每一個(gè)既定的換熱網(wǎng)絡(luò)總有一個(gè)最優(yōu)的ΔTmin值，使總成本（設(shè)備費(fèi)與公用工程費(fèi)）最合理。實(shí)際設(shè)計(jì)中，ΔTmin的選擇與換熱網(wǎng)絡(luò)的操作及設(shè)備成本有直接關(guān)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(shè)備費(fèi)，ΔTmin存在一個(gè)最佳值，當(dāng) ΔTmin等于零時(shí)，所需換熱面積無限大，導(dǎo)致設(shè)備投資無限大，當(dāng)ΔTmin增加時(shí)，夾點(diǎn)處換熱面積減少，設(shè)備投資費(fèi)用也迅速下降，但超過最低值時(shí)，由于外加熱、冷卻單元數(shù)增加，設(shè)備投資費(fèi)用又開始增加。

1.2 確定夾點(diǎn)位置、最小冷、熱公用工程用量

根據(jù)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)，夾點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)合成通過問題表法可以獲得準(zhǔn)確的夾點(diǎn)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(gè)溫度區(qū)間，對每一個(gè)溫度區(qū)間進(jìn)行流股焓平衡，以確定熱量凈需求量。Di為區(qū)間的凈需求量，Ii為輸入到第i個(gè)溫區(qū)的熱量。Qi為從第i個(gè)溫區(qū)輸出的熱量。首先設(shè)第一個(gè)溫區(qū)從外界輸入的熱量為零，得出的結(jié)果列入問題表。為保證熱量傳遞可行，取步驟中所有Qi中負(fù)數(shù)絕對最大值，作為第一個(gè)溫區(qū)的輸入熱量。

夾點(diǎn)是一個(gè)極限位置，它的物理意義是一個(gè)熱力學(xué)限制點(diǎn)。它限制了冷、熱物流的進(jìn)一步換熱，使冷、熱公用工程都達(dá)到最小值，這時(shí)冷熱流股的匹配能量最優(yōu)。夾點(diǎn)具有兩個(gè)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(tǒng)的熱流量為零[1,2]。

2 常減壓裝置物流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有冷、熱物流流量、物流起始溫度及目標(biāo)溫度、物流比熱容、相對密度、特性因數(shù)、熱容流率等。

利用Solidworks 2012軟件建立挖溝機(jī)的三維仿真分析模型,其基本參數(shù):挖溝機(jī)原理樣機(jī)質(zhì)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(jù)上述參數(shù)建立仿真分析模型如圖3所示,該三維模型的外形尺寸、質(zhì)量分布等均按原理樣機(jī)實(shí)際參數(shù)設(shè)定,同時(shí),考慮到車輪與接觸地面情況比較復(fù)雜,選擇沙石簡易鋪裝路面為模擬地面,即挖溝機(jī)在仿真運(yùn)行過程中為剛性地面相互作用,在高低不平的地面行走時(shí)車輪與地面具有一定的沖擊.

根據(jù)能量計(jì)算和生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)，整理出如下表1。

2.1 確定ΔTmin

為確定最適宜的ΔTmin，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取5個(gè)ΔTmin值作為計(jì)算基準(zhǔn)，從中得出最優(yōu)的ΔTmin。這5個(gè)初值分別是30、25、20、15、10 ℃ (分別利用程序模擬計(jì)算)，將5個(gè)不同 ΔTmin的總成本進(jìn)行對比，找到最佳值20 ℃。

2.2 問題表

以表1為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行問題表格計(jì)算，結(jié)果整理如表2[3]。

通過問題表計(jì)算分析得，最小溫差ΔTmin=20 ℃,利用問題表法計(jì)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(diǎn)位置在270～250 ℃。

2.3 溫焓圖與組合曲線

從上面的問題表的計(jì)算過程可以看出，對于同一個(gè)溫度區(qū)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(shè)HH0=0，HC0=7 500 kW。

由表3、4數(shù)據(jù)可畫T-H圖(圖1)。

3 結(jié) 論

使用問題表法設(shè)計(jì)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(jì)算分析得，最小溫差ΔTmin=20 ℃,利用問題表法計(jì)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(diǎn)位置在270～250 ℃。

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

［2］張衛(wèi)東，徐洪濤，吳琦博，程天春，牛化. 常壓蒸餾裝置電脫鹽系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[J].化學(xué)工程，2010，38（2）:22-25.

［4］卡爾·布蘭南. 石油和化學(xué)工程師實(shí)用手冊[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，工業(yè)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目資助，項(xiàng)目號(hào)：203646。

2014-05-20

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

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