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题 目 过程系统节能技术——夹点技术
小组成员 陈明敏〔041004103〕
陈铭坤〔041004104〕 李丹郎〔041004118〕
所在学院 化学化工学院
专 业 过程装备与掌握工程指导教师 刘康林
日 期 2025年 10 月 20 日
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过程系统节能技术——夹点技术
陈明敏 陈铭坤 李丹郎
摘要 能源危机的到来，节能降耗已是大势所趋。夹点技术是换热网络、水网络优化最有用的节能技术。本文主要介绍了夹点技术的根本原理以及近几年在工程设计中的广泛应用和良好前景。
关键词 节能降耗；点技术；换热网络；水网络
前言
过程工业也称流程工业，主要指化工、石油、冶金、建材等连续制造工业。过程工业是高能耗的产业部门，占工业总能耗的一半以上。因此，为了降低过程工业生产本钱、合理利用资源，已从对单台设备的操作优化集成进展到对整个系统的集成优化 , 即承受过程集成技术。在 70 年月末，英国曼彻斯特大学BodoL innhoff 教授及其同事于 20 世纪 70 年月末在前人争论成果的根底上提出的换热网络优化设计方法, 并逐步进展成为化工过程能量综合技术的方法论——夹点
技术。
夹点技术
夹点技术 ( Pinch technology )是十年来国际上诞生的节能技术，它基于现代节能的火用分析理论( Exergy analysis)，同时又充分考虑设备状况、能量利用与回收、经济状况、系统关联的系统综合优化的节能技术。它不仅建立了完备的系统总体节能理论更，突出的是：它形成
了一种可行、有用和有效的节能增效技术。它特别强调从系统全局动身， 来进展节能与节约资金综合的系统诊断和优化夹。点技术能够直接应用于
能量利用与回收系统的规划、设计，尤其是节能改造，并能明确地指出可取得的节能经济效益，以及承受的具体节能改造方案。
过程系统的用能特点
过程系统就是过程工业中的生产系统所。谓过程工业是指以处理物料流和能量流为目的行业，如炼油、石油加工、化工行业等。在过程工业的 生产系统中，始终伴随着能量的供给、转换、利用、回收、生产、排弃等 环节。例如，进料需要加热，产品需要冷却，冷、热物流之间换热构成了热回收换热系统，加热缺乏的局部就必需消耗加热工程供给的燃料或蒸汽，冷却缺乏的局部就必需消耗冷却工程所供给的冷却水冷、却空气或冷 量；泵、风机和压缩机的运行需要消耗电力或由蒸汽透平直接驱动等，等。因此，过程系统的用能特点主要表现为加热冷、却、能量回收、蒸汽与动 力供给这四个方面。
一个化工过程系统包括以下三个组成
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局部：反响分别局部、换热局部和公用工程局部，其设计过程可用图a 所示的“洋葱模型”来表示。其各个局部间的设计是相对独立的，如分别局部给公用工程局部提出了所需的热量以及温度，而公用工程
反响器分别序列
换热器网络公用工程
图 a 洋葱模型
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局部则把分别局部提出的需求当作是不能转变的因，此，各局部之间只是机械地结合在一起，没有形成一个有机的整体。
随着资源的相对匮乏特别是能源危机以及对环境保护的要求越来越对高， 化工过程的设计提出了更高的要求要，求资源高效利用，能量消耗最少以 及实现污染排放物最小这。使得设计的过程单元与单元之间的联系更加亲热，系统的信息含量越来越多，反映在装置上即为其集成度越来越高过。 程集成即是在这种背景下所产生的一个的争论方向因，此，过程集成最
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终目标是使得设计的过程效率最高——即实现多目标最优设计。
夹点技术既可用于厂设计，又可用于已有系统的节能改造但，两者无论在目标上还是在方法上都是有区分的在。设计中应用夹点技术可降低操作本钱30—50％，节约投资10—20％；在老厂技术改造中，降低操作本钱20—30％，投资费用1—2 年即可得到回收。世界上已有数千家企业的众多工程承受了夹点技术取，得了格外好的经济效益。夹点技术不仅用于节能，而且还可用于增产中解除“瓶颈”，削减环境污染等。
由于夹点技术能取得明显的节能和降低本钱的效果，在各国正日益受到重视。现在国际上一些大公司在投标时要，求先进展夹点技术分析已成为必要条件。
进展历史及应用状况
进展历史。
70 年月末：提出换热器网络中的温度夹点问题，指出夹点限制了换热网络可能到达的最大热回收；
80 年月：比较系统的阐述了用于换热网络综合的夹点技术并推广应用；
90 年月：提出全局夹点概念，将夹点技术应用范围扩大，包括了反响器、分别循环系统、换热网络和公用工程在内的整个系统。
应用状况。
3
10
夹点技术根本原理
根本原理。
物流的热特性可以用温—焓图〔T—H 图〕来很好的表示。温—焓图以温度T 为纵轴，以热焓H 为横轴。热物流线的走向是从高温向低温冷， 物流线的走向是从低温到高温物。流的热量用横坐标两点之间的距〔离即
焓差ΔH〕表示，因此物流线左右平移，并不影响其物流的温位和热量。当一股物流吸入或放出dQ 热量时，其温度发生dT 的变化，则
dQ=CP·dT (2-1)
式中：CP—热容流率，单位为kW/℃。热容流率是质量流率与定压比热的乘积。
假设把一股物流从供给温度T
S
加热或冷却至目标温度T ，则所传的
T
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总热量为： Q=∫CP•dT (2-2)
假设热容流率CP 可作为常数，则
Q=CP(T-T )=ΔH (2-3)
T S
这样就可以用温 -焓图上的一条直线表示一股冷流被加热〔图2-2(a)〕或一股热流被冷却〔图2-2(b)〕的过程。CP 值越大，T-H 图上
的线越平缓。图中的物流线具有两个特征一：是物流线的斜率为物流热容流率的倒数；另一特征是物流线可以在T-H 图上平移而并不转变其对物流热特性的描述。实际上，对于横轴H，我们关注的是焓差—热量。
T T
T t Ts
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T
D
T s Tt
D H=Q
DT
D H=Q
10
10
〔 a 〕冷流股
H 〔 b 〕热流股 H
图2-2 无相变的物流在T—H 图上的标绘
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在过程工业的生产系统中，通常有假设干股冷物流需要被加热而，又有另外假设干股热物流需要被冷却在， T-H 图上，可分别用热复合曲线和冷复合曲线来表示多个热物流和多个冷物流这。就需要分别把各个热物流和冷物流的温焓线合并。
T
T
T B T1
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1
T2 A C
T3 T4 T5
(T1 - T2 )(B)
T
2
T
(T2 - T3)( A + B + C)
3
(T3 - T4 )( A + C) T4
T
(T4 - T5)(B)
5
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H H
〔a〕 〔b〕
图2-3 热流的复合温焓线
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复合曲线的作法如图2-3 所示。设有三股热流，其热容流率分别为A、
B、C(kW/℃)，其温位分别为(T →T)、(T →T)、(T →T)，如图 2-3(a)
1 3 2 4 2 5
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所示。在 T 到 T
1 2
温度区间，只有一股热流供给热量，热量值为
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(T -T )(B)=Δ H ，所以这段曲线的斜率等于曲线B 的斜率；在T 到T 的温
1 2 1 2 3
区内，有三股热流供给热量，总热量值(为T -T )(A+B+C)=Δ H ，于是这段
2 3 2
复合曲线要转变斜率，即两个端点的纵坐标不变，而在横轴上的距离等于原来三股流在横轴上的距离的叠加即。，在每一个温区的总热量可表示为：
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DH = å CP (T
i j i
j
T
i+1
) (2-4)
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式中：j—第i 温区的物流数。
照此方法，就可形成每个温区的线段，使原来的三条曲线合成一条复合曲线，如图2-3(b)所示。以同样的方法，也可将多股冷流在-温焓图上合并成一根冷复合曲线。
当有多股热流和多股冷流进展换热时可，将全部的热流合并成一根热
复合曲线，全部的冷流合并成一根冷复合曲线然，后将二者一起表示在温
-焓图上。系统的冷热复合温焓线说明白系统的热流量沿温位的分布。在温-焓图上，冷、热复合温焓线的相对位置有三种不同的状况，如2图-4
所示。图中，A 是热复合曲线，B 是冷复合曲线。当B 处于I 位置时，过程中的热量全部没有回收，全部的冷流由加热公用工程加热全，部热流由
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冷却公用工程冷却，加热公用工程Q
H1
和冷却公用工程Q
C1
的量最大；当B
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处于II 位置时，冷热复合曲线有局部的重叠，即过程中的热量有局部回
收，回收的热量为Q ，此时，加热公用工程和冷却公用工程量相对于B
R2
处于I 处时的状况有所削减，削减的量为Q ；当B 处于III 位置时，冷
R2
热复合曲线在一点完全重合，此时过程中回收的热量最大，Q为，加热
R3
公用工程和冷却公用工程的量最小，分别为Q 和Q 。冷热复合曲线在某
H3 C3
点重合时为该系统内部换热的极限该，点的传热温差为零该，点即为夹点。
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当冷热复合曲线在夹点处重合时夹，点处的传热温差为零，操作时就 需要无限大的传热面积，这样既不现实也不经济。但可通过对设备费用和能量费用的技术经济评价确定一个系统最小的传热温差—夹点温差。因此，夹点即为冷热复合温焓线上传热温差最小的地方。
III II I
B
A
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Q C2
Q C3 Q R3
Q C1
Q R2
Q H3
Q H2
Q H1
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图2-4 换热系统的集成
夹点设计优化根本原则
不要有跨越夹点的传热；
不要在夹点之上子系统设置任何公用工程冷却器；
不要在夹点之下子系统设置任何公用工程加热器。
夹点位置确实定。
确定夹点位置的方法主要有两种：T-H 图法和问题表法。
T-H图法。
在T-H 图上可以形象、直观地表达过程系统的夹点位置为。确定过程系统的夹点，需要给出以下数据：全部过程物流的质量流量、组成、压力、初始温度、目标温度、以及选用的冷热物流间匹配换热的最小允许传热温差 Tmin 。用作图的方法在T-H 图上确定夹点位置的步骤如下：
依据给出的冷、热物流的数据，在T-H 图上分别作出热物流组合
曲线及冷物流组合曲线。
热组合曲线置于冷组合曲线的上方，并且让两者在水平方向相互
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靠拢，当两组合曲线在某处的垂直距离刚好等于DTmin
时，该处即为夹点。
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问题表法。
当物流较多时，承受复合温焓线很烦琐，且不够准确，此时常用问题表法来准确计算。问题表法的步骤如下：
以冷、热流体的平均温度为标尺，划分温度区间。冷热流体的平
均温度相对热流体，下降DTmin ，相对冷流体上升DTmin ，这样可保证
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在每个温区内热物流比冷物流高DTmin 。
计算每个温区内的热平衡，以确定各温区所需的加热量和冷却量，
计算式为：
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=
DH (åCP
i C
åCP )(
-
T
H i
T
-
i+1
) 〔2-5〕
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式中：DHi —第i 区间所需参加的热量，kW；
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å CP
C ,
å CP
H
—分别为该温区内冷、热物流热容流率之和k，W/℃；
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10
T , T
—分别为该温区的进、出口温度。
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i i +1
进展外界无热量输入时的热级联计算，即计算外界无热量输入时各温区之间的热通量。此时，各温区之间可有自上而下的热通量但，不能 有逆向的热通量。
为保证各温区之间的热通量≥0，依据第3)步计算结果，确定所需外界参加的最小热量，即最小加热公用工程用量。
进展外界输入最小加热公用工程量时的热级联计算。此时所得最终一个温区流出的热量，就是最小冷却公用工程用量。
温区之间热通量为零处，即为夹点。
由上述的计算步骤可见，依据问题表可以准确确实定夹点温度、最小加热公用工程和最小冷却公用工程的量，并可看出热流量沿温位的分布。
夹点技术的功能与作用
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由于夹点技术能取得明显的节能和降低本钱的效果在，各国正日益受到重视。如赫斯特、拜尔、联碳、孟山都、杜邦IC、I 等都早已承受夹点节能技术，知名的大工程设计公司如凯洛格鲁、姆斯、干代田、东洋等都设立了夹点技术部。而且现在国际一些大公司在投标时要，求先进展夹点节能技术分析已成为必要条件目。前，我国国家级炼化设计院和化工设计院，在工程设计时，都不同程度地应用了夹点技术。
对我国的炼化企业，承受夹点节能技术对装置或企业进展诊断分、析、改造等，能准确地诊断出用能的薄弱环节和部位能，明确地指出用能不合理的缘由，能提醒出可实现的节能潜力与改造效果遵，循夹点节能技术的用能准则和具体改进方法，能提出可行和有效的改造方案并，能对改造方案的节能效益做出准确的推测采。用夹点节能技术可使所改造的工程到达运行能耗平均降低20%以上，投资回收期平均少于2 年。
夹点技术进展前景及趋势
工业生产中存在着大量的需要换热的工段，有些需要加热，如化工工业中物料进入精馏塔前一般需要预热；有些需要冷却或冷凝，如精馏塔顶的蒸气需要冷凝。假设能过合理地设计好换热网络系统，就可以最大限度地削减公共供热或供冷，而且还可能削减设备投资，到达节能的目的。换热网络综合设计技术常用的方法是以Linnhoff 教授为首的争论小组提出的“夹点技术”〔Pinch Point Technology〕, 利用该方法设计可以合成公共供热或供冷最小的换热网络，到达节能的目的。
夹点技术的节能作用愈发彰显，也渐渐引起了各个国家和大型公
司，诸如德国的 BASF，日本的 MKC 等，对夹点技术的争论和进一步的推广和利用将成为一种趋势。
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