1.1前言

　　過程工業(yè)也稱流程工業(yè)，主要指化工、石油、冶金、建材等連續(xù)制造工業(yè)。過程工業(yè)是高能耗的產(chǎn)業(yè)部門，占工業(yè)總能耗的一半以上。因此，為了降低過 程工業(yè)生產(chǎn)成本、合理利用資源，已從對單臺設備的操作優(yōu)化集成發(fā)展到對整個系統(tǒng)的集成優(yōu)化, 即采用過程集成技術(shù)。在70 年代末，英國曼徹斯特大學BodoL innhoff教授及其同事于20世紀70年代末在前人研究成果的基礎(chǔ)上提出的換熱網(wǎng)絡優(yōu)化設計方法, 并逐步發(fā)展成為化工過程能量綜合技術(shù)的方法論——夾點技術(shù)。

　　1.2夾點技術(shù)

　　夾點技術(shù) ( Pinch technology ) 是十年來國際上誕生的新節(jié)能技術(shù)，是英國manchester大學能源中心的最新研究成果。它基于現(xiàn)代節(jié)能的火用分析理論 ( Exergy analysis )，同時又充分考慮設備狀況、能量利用與回收、經(jīng)濟狀況、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)綜合優(yōu)化的節(jié)能技術(shù)。它不僅建立了完備的系統(tǒng)總體節(jié)能理論，更突出的是：它形成了 一種可行、實用和有效的節(jié)能增效技術(shù)。它特別強調(diào)從系統(tǒng)全局出發(fā)，來進行節(jié)能與節(jié)約資金綜合的系統(tǒng)診斷和優(yōu)化。夾點技術(shù)能夠直接應用于能量利用與回收系統(tǒng) 的規(guī)劃、設計，尤其是節(jié)能改造，并能明確地指出可取得的節(jié)能經(jīng)濟效益，以及采用的具體節(jié)能改造方案。

　　1.3過程系統(tǒng)的用能特點

　　過程系統(tǒng)就是過程工業(yè)中的生產(chǎn)系統(tǒng)。所謂過程工業(yè)是指以處理物料流和能量流為目的行業(yè)，如煉油、石油加工、化工行業(yè)等。在過程工業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng) 中，始終伴隨著能量的供應、轉(zhuǎn)換、利用、回收、生產(chǎn)、排棄等環(huán)節(jié)。例如，進料需要加熱，產(chǎn)品需要冷卻，冷、熱物流之間換熱構(gòu)成了熱回收換熱系統(tǒng)，加熱不足 的部分就必須消耗加熱工程提供的燃料或蒸汽，冷卻不足的部分就必須消耗冷卻工程所提供的冷卻水、冷卻空氣或冷量;泵、風機和壓縮機的運行需要消耗電力或由 蒸汽透平直接驅(qū)動，等等。因此，過程系統(tǒng)的用能特點主要表現(xiàn)為加熱、冷卻、能量回收、蒸汽與動力供應這四個方面。

一個化工過程系統(tǒng)包括以下三個組成部分：反應分離部分、換熱部分和公用工程部分，其設計過程可用圖a所示的“洋蔥模型”來表示。其各個部分間的設計 是相對獨立的，如分離部分給公用工程部分提出了所需的熱量以及溫度，而公用工程部分則把分離部分提出的需求當作是不能改變的，因此，各部分之間只是機械地 結(jié)合在一起，沒有形成一個有機的整體。

　　隨著資源的相對匱乏特別是能源危機以及對環(huán)境保護的要求越來越高，對化工過程的設計提出了更高的要求，要求資源高效利用，能量消耗最少以及實現(xiàn) 污染排放物最小。這使得設計的過程單元與單元之間的聯(lián)系更加密切，系統(tǒng)的信息含量越來越多，反映在裝置上即為其集成度越來越高。過程集成即是在這種背景下 所產(chǎn)生的一個新的研究方向，因此，過程集成最終目標是使得設計的過程效率最高——即實現(xiàn)多目標最優(yōu)設計。

　　夾點技術(shù)既可用于新廠設計，又可用于已有系統(tǒng)的節(jié)能改造，但兩者無論在目標上還是在方法上都是有區(qū)別的。在新設計中應用夾點技術(shù)可降低操作成本 30—50%，節(jié)省投資10—20%;在老廠技術(shù)改造中，降低操作成本20—30%，投資費用1—2年即可得到回收。世界上已有數(shù)千家企業(yè)的眾多項目采用 了夾點技術(shù)，取得了非常好的經(jīng)濟效益。夾點技術(shù)不僅用于節(jié)能，而且還可用于增產(chǎn)中解除“瓶頸”，減少環(huán)境污染等。

　　由于夾點技術(shù)能取得明顯的節(jié)能和降低成本的效果，在各國正日益受到重視。現(xiàn)在國際上一些大公司在投標時，要求先進行夾點技術(shù)分析已成為必要條件。

　　1.4發(fā)展歷史及應用狀況

　　1.4.1發(fā)展歷史。

　　70年代末：提出換熱器網(wǎng)絡中的溫度夾點問題，指出夾點限制了換熱網(wǎng)絡可能達到的最大熱回收;

　　80年代：比較系統(tǒng)的闡述了用于換熱網(wǎng)絡綜合的夾點技術(shù)并推廣應用;

　　90年代：提出全局夾點概念，將夾點技術(shù)應用范圍擴大，包括了反應器、分離循環(huán)系統(tǒng)、換熱網(wǎng)絡和公用工程在內(nèi)的整個系統(tǒng)。

　　1.4.2應用狀況。

　　1.5夾點技術(shù)基本原理

　　1.5.1基本原理。

　　物流的熱特性可以用溫—焓圖(T—H圖)來很好的表示。溫—焓圖以溫度T為縱軸，以熱焓H為橫軸。熱物流線的走向是從高溫向低溫，冷物流線的走向是從低溫到高溫。物流的熱量用橫坐標兩點之間的距離(即焓差ΔH)表示，因此物流線左右平移，并不影響其物流的溫位和熱量。

　　當一股物流吸入或放出dQ熱量時，其溫度發(fā)生dT的變化，則

　　dQ=CP·dT (2-1)

　　式中：CP—熱容流率，單位為kW/℃。熱容流率是質(zhì)量流率與定壓比熱的乘積。

　　如果把一股物流從供給溫度TS加熱或冷卻至目標溫度TT，則所傳的總熱量為： Q=∫CP•dT (2-2)

　　若熱容流率CP可作為常數(shù)，則

　　Q=CP(TT-TS)=ΔH (2-3)

　　這樣就可以用溫-焓圖上的一條直線表示一股冷流被加熱(圖2-2(a))或一股熱流被冷卻(圖2-2(b))的過程。CP值越大，T-H圖上的 線越平緩。圖中的物流線具有兩個特征：一是物流線的斜率為物流熱容流率的倒數(shù);另一特征是物流線可以在T-H圖上平移而并不改變其對物流熱特性的描述。實 際上，對于橫軸H，我們關(guān)注的是焓差—熱量。

　　圖2-2 無相變的物流在T—H圖上的標繪

　　在過程工業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)中，通常有若干股冷物流需要被加熱，而又有另外若干股熱物流需要被冷卻，在T-H圖上，可分別用熱復合曲線和冷復合曲線來表示多個熱物流和多個冷物流。這就需要分別把各個熱物流和冷物流的溫焓線合并。

　　　　復合曲線的作法如圖2-3所示。設有三股熱流，其熱容流率分別為A、B、C(kW/℃)，其溫位分別為(T1→T3)、(T2→T4)、 (T2→T5)，如圖2-3(a)所示。在T1到T2溫度區(qū)間，只有一股熱流提供熱量，熱量值為(T1-T2)(B)=ΔH1，所以這段曲線的斜率等于曲 線B的斜率;在T2到T3的溫區(qū)內(nèi)，有三股熱流提供熱量，總熱量值為(T2-T3)(A+B+C)=ΔH2，于是這段復合曲線要改變斜率，即兩個端點的縱 坐標不變，而在橫軸上的距離等于原來三股流在橫軸上的距離的疊加。即，在每一個溫區(qū)的總熱量可表示為：

(2-4)

　　式中：j—第i溫區(qū)的物流數(shù)。

　　照此方法，就可形成每個溫區(qū)的線段，使原來的三條曲線合成一條復合曲線，如圖2-3(b)所示。以同樣的方法，也可將多股冷流在溫-焓圖上合并成一根冷復合曲線。

　　當有多股熱流和多股冷流進行換熱時，可將所有的熱流合并成一根熱復合曲線，所有的冷流合并成一根冷復合曲線，然后將二者一起表示在溫-焓圖上。 系統(tǒng)的冷熱復合溫焓線表明了系統(tǒng)的熱流量沿溫位的分布。在溫-焓圖上，冷、熱復合溫焓線的相對位置有三種不同的情況，如圖2-4所示。圖中，A是熱復合曲 線，B是冷復合曲線。當B處于I位置時，過程中的熱量全部沒有回收，全部的冷流由加熱公用工程加熱，全部熱流由冷卻公用工程冷卻，加熱公用工程QH1和冷 卻公用工程QC1的量最大;當B處于II位置時，冷熱復合曲線有部分的重疊，即過程中的熱量有部分回收，回收的熱量為QR2，此時，加熱公用工程和冷卻公 用工程量相對于B處于I處時的情況有所減少，減少的量為QR2;當B處于III位置時，冷熱復合曲線在一點完全重合，此時過程中回收的熱量最大，為 QR3，加熱公用工程和冷卻公用工程的量最小，分別為QH3和QC3。冷熱復合曲線在某點重合時為該系統(tǒng)內(nèi)部換熱的極限，該點的傳熱溫差為零，該點即為夾 點。

　　當冷熱復合曲線在夾點處重合時，夾點處的傳熱溫差為零，操作時就需要無限大的傳熱面積，這樣既不現(xiàn)實也不經(jīng)濟。但可通過對設備費用和能量費用的技術(shù)經(jīng)濟評價確定一個系統(tǒng)最小的傳熱溫差—夾點溫差。因此，夾點即為冷熱復合溫焓線上傳熱溫差最小的地方。

　　1.5.2夾點設計優(yōu)化基本原則

　　1)不要有跨越夾點的傳熱;

　　2)不要在夾點之上子系統(tǒng)設置任何公用工程冷卻器;

　　3)不要在夾點之下子系統(tǒng)設置任何公用工程加熱器。

　　1.5.3夾點位置的確定。

　　確定夾點位置的方法主要有兩種：T-H圖法和問題表法。

　　a)T-H圖法。

在T-H圖上可以形象、直觀地表達過程系統(tǒng)的夾點位置。為確定過程系統(tǒng)的夾點，需要給出下列數(shù)據(jù)：所有過程物流的質(zhì)量流量、組成、壓力、初始溫度、目標溫度、以及選用的冷熱物流間匹配換熱的最小允許傳熱溫差。用作圖的方法在T-H圖上確定夾點位置的步驟如下：

　　1) 根據(jù)給出的冷、熱物流的數(shù)據(jù)，在T-H圖上分別作出熱物流組合曲線及冷物流組合曲線。

2) 熱組合曲線置于冷組合曲線的上方，并且讓兩者在水平方向相互靠攏，當兩組合曲線在某處的垂直距離剛好等于時，該處即為夾點。

　　b)問題表法。

　　當物流較多時，采用復合溫焓線很煩瑣，且不夠準確，此時常用問題表法來精確計算。問題表法的步驟如下：

1) 以冷、熱流體的平均溫度為標尺，劃分溫度區(qū)間。冷熱流體的平均溫度相對熱流體，下降，相對冷流體上升，這樣可保證在每個溫區(qū)內(nèi)熱物流比冷物流高。

　　2) 計算每個溫區(qū)內(nèi)的熱平衡，以確定各溫區(qū)所需的加熱量和冷卻量，計算式為：

(2-5) 式中：—第i區(qū)間所需加入的熱量，kW; —分別為該溫區(qū)內(nèi)冷、熱物流熱容流率之和，kW/℃;—分別為該溫區(qū)的進、出口溫度。

　　3) 進行外界無熱量輸入時的熱級聯(lián)計算，即計算外界無熱量輸入時各溫區(qū)之間的熱通量。此時，各溫區(qū)之間可有自上而下的熱通量，但不能有逆向的熱通量。

　　4) 為保證各溫區(qū)之間的熱通量≥0，根據(jù)第3)步計算結(jié)果，確定所需外界加入的最小熱量，即最小加熱公用工程用量。

　　5) 進行外界輸入最小加熱公用工程量時的熱級聯(lián)計算。此時所得最后一個溫區(qū)流出的熱量，就是最小冷卻公用工程用量。

　　6) 溫區(qū)之間熱通量為零處，即為夾點。

　　由上述的計算步驟可見，根據(jù)問題表可以精確的確定夾點溫度、最小加熱公用工程和最小冷卻公用工程的量，并可看出熱流量沿溫位的分布。

　　1.6夾點技術(shù)的功能與作用

　　由于夾點技術(shù)能取得明顯的節(jié)能和降低成本的效果，在各國正日益受到重視。如赫斯特、拜爾、聯(lián)碳、孟山都、杜邦、ICI等都早已采用夾點節(jié)能技 術(shù)，有名的大工程設計公司如凱洛格、魯姆斯、干代田、東洋等都設立了夾點技術(shù)部。而且現(xiàn)在國際一些大公司在投標時，要求先進行夾點節(jié)能技術(shù)分析已成為必要 條件。目前，我國國家級煉化設計院和化工設計院，在新項目設計時，都不同程度地應用了夾點技術(shù)。

　　對我國的煉化企業(yè)，采用夾點節(jié)能技術(shù)對裝置或企業(yè)進行診斷、分析、改造等，能準確地診斷出用能的薄弱環(huán)節(jié)和部位，能明確地指出用能不合理的原 因，能揭示出可實現(xiàn)的節(jié)能潛力與改造效果，遵循夾點節(jié)能技術(shù)的用能準則和具體改進方法，能提出可行和有效的改造方案，并能對改造方案的節(jié)能效益做出準確的 預測。采用夾點節(jié)能技術(shù)可使所改造的項目達到運行能耗平均降低20%以上，投資回收期平均少于2年。

　　1.7夾點技術(shù)發(fā)展前景及趨勢

　　工業(yè)生產(chǎn)中存在著大量的需要換熱的工段，有些需要加熱，如化工工業(yè)中物料進入精餾塔前一般需要預熱;有些需要冷卻或冷凝，如精餾塔頂?shù)恼魵庑枰?冷凝。如果能過合理地設計好換熱網(wǎng)絡系統(tǒng)，就可以最大限度地減少公共供熱或供冷，而且還可能減少設備投資，達到節(jié)能的目的。換熱網(wǎng)絡綜合設計技術(shù)常用的方 法是以Linnhoff教授為首的研究小組提出的“夾點技術(shù)”(Pinch Point Technology),利用該方法設計可以合成公共供熱或供冷最小的換熱網(wǎng)絡，達到節(jié)能的目的。

　　夾點技術(shù)的節(jié)能作用愈發(fā)彰顯，也逐漸引起了各個國家和大型公司，諸如德國的BASF，日本的MKC等，對夾點技術(shù)的研究和進一步的推廣和利用將成為一種趨勢。

　　總之，當前能源供應短缺成為經(jīng)濟增長的制約因素之一，對于石油、化工等典型的過程工業(yè)，用夾點分析的方法對過程系統(tǒng)的用能、用水狀況進行診斷， 可找到過程系統(tǒng)的用能的制約因素所在，因而夾點技術(shù)在換熱網(wǎng)絡、水網(wǎng)絡中的應用可為國民經(jīng)濟的發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。大量的工程實例證明，利 用夾點分析技術(shù)，指導具體過程系統(tǒng)工程的改造或設計，能降低公用工程消耗量和初期的投資費用，實施方法簡單，具有明顯的優(yōu)勢，應用前景廣闊。

　　趨勢：夾點技術(shù)不僅用于節(jié)能、改造，也逐漸應用于減少投資，環(huán)境保護和水循環(huán)優(yōu)化等方面。