夹点技术原理及在建材行业的应用和研究

赵小蔚 赵婉霞

(1浙江省建筑材料科学研究所，浙江 杭州 310012；2科廷大学，澳大利亚 帕斯)

1 引言

夹点技术是一种以热力学为基础把企业的工程系统的能源消耗作为一个整体进行优化的设计方法[1]。由于夹点技术把整个系统作为一个集成的整体，这样就可以在设计上做到使整体设计最优化，也就是说达到能耗最低、费用最小和环境污染最少。夹点技术方法灵活简便，所以易于被工程技术人员掌握[2]。

夹点技术最早是由英国曼彻斯特科技大学的B.Linnhoff教授及其同事率先提出的[3],此法一经推出，即得到广泛的重视和采用，以后又在实践中不断得到发展和完善。目前欧美等国已有不少大型工程的新设计和改造采用了该方法，而且都取得了巨大的经济效益。一般改造项目的投资费用回收年限均在两年以内[4]。近几年夹点技术也逐渐应用于企业的老装置和老设备的节能技术改造中,并且也取得较好的节能效果[5]。夹点技术不仅能被不少的大型化工行业采用，也可以为水泥建材行业等高耗能企业所采用。

2 应用和研究

下面通过对企业的工艺过程系统的节能降耗的改造，对夹点技术的应用进行分析和探讨：

2.1 数据提取

企业的工艺过程的加热系统流程中提取各个节点物流的温度数据见表1，这里我们设定了9个热物流和7个冷物流。其中“H”代表的热物流，而“C”表示的冷物流。

2.2 问题表格计算法（PTA）

问题表格计算法（PTA）是一种以数学模型为基础，同时还引入了定位能量法的数值定位方法。

PTA的计算步骤如下[6]

步骤1：建立T*范围

由于问题表格算法是使用温度区间为单位，所以要建立一个统一的温度规模来做计算。但是，如果使用的实际温度流，由于有一些热量不能及时收回,会造成数据误差,因此，为了避免此问题，建立一个移位温度T *来重新建立温度标示。当确定ΔTmin的后，可以进行能量定位和热和冷物流的相应位移。

表1 物流温度数据

由于ΔTmin= 15.5℃

所以ΔTmin/2= 15.5/ 2= 7.75℃

T*可以通过以下来计算

热流减去7.75℃，使冷却（向下移动）

冷流增加7.75℃，使加热（向上移动）

将所得的温度列于表3。

步骤2：ΔH平衡

在此步骤中要计算在每个温度区间的热容量流速的总和，再乘以热容量流率的区间温差就可以得到热量变化的焓值ΔH。当ΔH是正时，这意味着热物流占主导地位，热量有富余，相反，当ΔH为负，这意味着冷物流占主导地位，给热不足。

步骤3：热级联

表3是一个比较典型的热级联（子网络）图表,在热级联的第一列是指移位后的温度，第二列是千焦耳/小时的焓值，第三列是指以kJ/小时的热负荷。开始的热级联为零。按温位将系统中的物流划分为若干个热级联（子网络），求出热级联的输入和输出热负荷，并将相关数据填入左面的表3-1，可以发现在热负荷为最小值-1.542×108千焦/小时时，得到夹点温度为233.91度，然后将这时的热负荷-1.542×108千焦/小时重新加入左面的表格中，就可以得到右面的表3-2，这时夹点温度为233.91度时热负荷就为0了。

表2 温度间位移

表3 -1：热级联表

表3 -2：热级联(调整后)

问题表格计算法（PTA）的结果可以用表格形式来表示，见表4。

表4 PTA结果

加热所需的能量QHmin (kJ/h) 1.542×108冷却所需的能量QCmin (kJ/h) 9.214×107

2.3 Aspen能量分析法

除了问题表格计算法可以找出能量目标外，Aspen能源分析法也是一种简单的能量目标方法。通过相关程序得到的结果见图1和图2。

图1 Aspen能量分析法的能量目标

图2 Aspen能量分析法的复合曲线

2.4 表格计算法和Aspen能量分析法的比较

为了确定夹点温度，可以用问题表格计算法和Aspen能量分析法进行。结果总结于表5。

从表5中可以看出，使用表格计算法和Aspen能量分析法计算获得的ΔTmin是相同的，都是15.5℃。但在最小需要的热和冷负荷范围略有差异。比较这两种的计算方法，在热水和冷水夹点温度的差异是0.16℃。其中的原因是有部分数据被忽略了，主要是在计算时是使用的平均MCP，而不是实际的MCP数据。此外，复合曲线形状的改变也会导致夹点温度的变化。

问题表格计算法和Aspen能量分析法计算得到的结果虽然没有多大差别。然而，问题表格计算法比较繁琐，尤其是如果涉及许多工艺流，就非常费时。此外，问题表格计算法还容易由于粗心而出错。而使用Aspen能量分析法，就会更准确些。而且不需要经常去观察热物流的变化。

表5 两种方法的比较

尤其是处理复杂冷热物流情况时，选择Aspen能量分析法就会更精确。

2.5 综合复合曲线（GCC）

综合复合曲线是用于设置多个能量程序目标的工具，图3就是比较典型的综合复合曲线。建立一个综合复合曲线,首先要将热物流的温度进行调整。该曲线是通过减去的一部分从热气流温度的允许温度的方法和加入剩余部分的容许温度的方法向冷物流温度偏移,然后根据所得的工艺温度绘制一个综合复合曲线，然后根据曲线显示的整体的热物流过程中消耗温度绘制出从焓（水平）在不同温度下的移位的复合曲线之间的差异[7]。

图3 综合复合曲线

在该曲线上显示了一个夹点温度的热和冷的复合曲线在233.91℃±7摄氏度之间的最短距离的点。因此，热的夹点温度是241.66℃,冷夹点温度226.16℃的。

此外，从该曲线上，还可以看到一个过程的热物流的能量交换到另一个区域。这个区域被称为“热口袋”。口袋中的曲线代表的区域中冷热物流热交换是足以自由交换的，而不需要外界给予能量。所以在这个区域，有严格的要求是没有任何能量程序和热交换器。

总之,综合复合曲线是用于分析和选择在多个能量程序中使用的夹点分析的最基本的工具之一。它可以针对涉及到的各种能量程序设置适当的负载，以发挥最有效的负载能量和设备的最大效能。

3 小结

夹点的两个特征：一是在夹点处,冷热物流间的热流温差最小ΔTmin；二是该处的过程系统的热流量为零。这充分表明夹点限制了工程系统能量的进一步回收，形成了该处的系统能量回收的“瓶颈”，如果要想进一步回收能量，就必须解开“瓶颈”，这就需要“优化”夹点，夹点技术的意义就在于如何“优化”夹点[8]。

另外，夹点把工程系统分成上下两个系统，夹点的上方为热网络，需要公用工程进行加热，而夹点下方为冷网络，需要公用工程进行冷却。

为了保证做到系统能量的回收最大化，应遵守三条基本原则：1）夹点处不能有热流量流过，2）夹点上方不能导入冷公用工程，3）夹点下方不能导入热公用工程。

4 结语

目前,夹点技术在国外得到了越来越多的企业的重视,许多国际知名的大公司都在开始采用夹点技术进行工程设计,而且都取得很好的效果，平均节能达到20%-40%，节水20%以上，减少废气排放20%-40%[9]。虽然我国的建材行业目前仍然还在快速的发展，但由于国家对环境保护的要求越来越高,建材行业也面临着严峻的挑战，许多企业由于能源消耗,环境污染等一系列问题无法解决,面临着转产搬迁的问题，企业的发展受到了极大的限制。所以利用夹点技术来对企业进行技术改造以降低能耗,减少废气和污水的排放,净化环境和优化投资就会给企业带来极大的好处，近几年,夹点技术的研究已经延伸到水系统的设计,水夹点技术的应用对于节约工业系统的水量,减少废水的排放有着明显的优势[10],所以如果能综合全面地在企业的技术改造方面应用夹点技术，节能减耗的效果就更明显了。

[1]张济民 夹点技术及其应用 化学工程师 2004.(6).45-47

[2]姚平经 换热器系统的模拟优化与综合 北京 化学工业出版社 1992.127

[3]Linnhoff, B.1983.New Concept of Thermodynamics for better Chemical Process Design,Royal Society Esso Energy Award Lecture, Chemical Research and Development.61：207-223.

[4]Parsons, D., and J.Chatterton, I.Wilson, and E.Ishiyama.2011.Carbon brainprint case study： Optimising defouling schedules for oil-refinery preheat trains.Cranfield：Cranfield University.

[5]孟继安、牛继舜、王立安 夹点技术基本原理与应用 黑龙江石油化工 1997.(2).2-4

[6]Kemp, I.C.2007.Pinch analysis and process integration： a user guide on process integration for the efficient use of energy.2nd ed.Oxford： Butterworth-Heinemann.2007.21-22

[7]Kleme ,J.,F.Friedler,I.Bulatov,and P.Varbanov.2011.Sustainability in the process industry：integration and optimization.New York： McGraw-Hill.2011.63-65

[8]蒋楚生、何耀文 工业节能的热力学基础和应用北京 化学工业出版社 1990.248

[9]Samdani et al.Chemical Engineering.1993 ,100(3).40-45

[10]李英、张升学、王韶旭、姚平经 水夹点技术的应用研究 计算机与应用化学 2008.(3).369-374