（化学工程专业论文）反应分离系统能量集成的研究.pdf

&jfmt，r ， 反应一分离系统能量集成的研究 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：4 卜缰釜签字日期：2 a l o 年多月户日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： l 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社”用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：乃心食 签字日期：2 1 0 年易月，口日 导师签字潮 签字日期：7 。f 啤6 月f b 日 一 反应一分离系统能量集成的研究 反应一分离系统能量集成的研究 摘要 在多组分精馏系统中，能耗占很大的比重，尤其是低温精馏，通常能耗占整 个分离成本的5 0 7 0 。因此节能的方法除了设计合理的精馏操作温度和压力 以外，还应该考虑到精馏塔的冷凝器、再沸器与换热网络的匹配问题。在实际的 化工生产过程中，预先确定了生产工艺条件，一部分物流需要被加热到一定温度， 而另一部分物流则需要被冷却到一定温度。因此，如何有效地合理地组织这些冷、 热物流以及这些冷、热物流的交换问题，就成了提高整个工艺流程及设备的关键 问题。 反应过程和分离过程是化工装置的核心，其结构的优劣直接影响了整个装置 的合理性和先进性。因此探讨反应分离系统能量集成问题的理论和方法具有重 要意义。放热反应的反应分离系统可通过工艺设计实现能量集成的效果。本文 对反应分离系统工艺参数之间的相互影响进行研究。根据反应分离过程的耦合 性和能量匹配规律，以t - h 图为基础，提出了一种反应分离系统逐步优化的能 量集成策略。利用a s p e np l u s 软件，以连续反应合成乙二醇丁醚醋酸酯和乙 二醇乙醚醋酸酯的工艺流程为例，考察了该策略的实用性。具体内容如下： ( 1 ) 利用a s p e np l u s 软件，对连续反应生产乙二醇丁醚醋酸酯以及乙二醇 乙醚醋酸酯的的工艺流程进行设计，物性方法选择n r t l 方程，建立了乙二醇丁 醚醋酸酯和乙二醇乙醚醋酸酯的生产工艺流程。并且利用d s t w u 模块计算反应 的理论板数、最小回流比，确定各个精馏塔的实际塔板数和回流比。为后续的模 拟操作参数的初步设定奠定了基础。 ( 2 ) 以t - h 图为基础，不断调整冷热物流参数及操作条件，优化换热网络， 提出了反应分离系统能量集成的逐步优化策略以实现精馏塔与换热网络的热集 成的目的。该策略分为以下三个步骤： i 构造系统冷、热物流组合曲线及系统总组合曲线。根据给定的条件，在 a s p e np l u s 的模拟下初步设定体系的操作参数，计算后在t - h 图上标绘各物流， i 反应一分离系统能量集成的研究 构造冷、热物流的组合曲线及总组合曲线。 i i 系统能量集成分析。调整组合曲线的位置，提高热物流曲线的高温段温 度，或者降低冷物流曲线的低温段温度，使冷、热物流曲线具有更好的匹配性， 以减少额外添加的冷、热公用工程能耗。 i i i 工艺条件优化。根据调整后的温度重新设计过程的操作压力。由反应， 分离系统各个工艺参数之间的联系，不断调整工艺参数，以达到能量集成的目的。 重复上述步骤直至系统的公用工程能耗不再减小，则该操作条件为系统最优的操 作参数。 ( 3 ) 分别以乙二醇丁醚醋酸酯和乙二醇乙醚醋酸酯的的反应分离过程为 例，考察了反应分离系统逐步优化的能量集成策略的实用性。通过a s p e np l u s 的模拟计算确定了初步的操作参数，并考察了反应进料摩尔配比和反应转化率对 系统总的热负荷的影响，确定了当反应进料的醇酸摩尔配比为1 ：1 ，转化率为9 0 时，系统总的热负荷能耗为最小。利用模拟出的数据，构建出系统的冷、热物流 组合曲线及系统总组合曲线。利用逐步优化能量集成的三步策略，对系统的总组 合曲线进行分析，以分离塔的操作压力为变量，考察了不同操作压力对系统的冷、 热公用工程的影响。分别得出了使系统总的公用工程负荷最少的最优操作参数。 通过工艺条件的调整，乙二醇丁醚醋酸酯生产工艺总的公用工程能耗由1 5 6 3 k w 降低至1 0 1 4 k w ：系统额外添加的公用工程能耗减少了三分之一以上，而乙二醇乙 醚醋酸酯的生产工艺总的公用工程能耗也由1 0 2 7 k w 降低至9 4 5 k w 。验证了本 文提出的逐步优化的能量集成策略是非常有效的。提高了全系统的能量利用效 率，达到了系统精馏塔与换热网络能力集成的目的。证明了用本文所提出的反应 分离系统逐步优化的能量集成策略，来解决反应分离系统能量集成问题，是非 常有效的。对复杂反应分离系统的能量集成提供了一种较为有效的研究策略。 关键词：反应吩离系统；能量集成；换热网络；总组合曲线；t h 图 反应一分离系统能量集成的研究 s t u d yo nt h es y s t e me n e r g yi n t e g r a t i o no fr e a c t i o n a n ds e p a r a t i o np r o c e s s a b s t r a c t e n e r g yc o n s u m p t i o na c c o u n t sf o ral a r g ep r o p o r t i o ni nt h em u l t i - c o m p o n e n t d i s t i l l a t i o ns y s t e m e s p e c i a l l yt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f l o w - t e m p e r a t u r ed i s t i l l a t i o n a c c o u n t sf o r5 0 一7 0 s e p a r a t i o nc o s t t h e r e f o r e ，t h ee n e r g ys a v i n gm e t h o d ss h o u l d n o to n l yd e s i g nt h er e a s o n a b l ed i s t i l l a t i o nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，b u ta l s ot a k ei n t o a c c o u n tt h ed i s t i l l a t i o nc o l u m nc o n d e n s e ra n dr e b o i l e rm a t c h e dw i t ht h eh e a t e x c h a n g e rn e t w o r k i nt h ea c t u a lc h e m i c a lp r o c e s s e s ，p a r to fs t r e a m sn e e dt ob e h e a t e da n dt h eo t h e rp a r to fs t r e a m sn e e dt ob ec o o l e d , w h e nt h e p r o d u c t i o n p r o c e s s i n gc o n d i t i o nd e t e r m i n e d h o wt oe f f e c t i v e l yo r g a n i z eh o ta n dc o l ds t r e a m s a n ds o l v et h eh e a te x c h a n g ep r o b l e m s ，t h a ta r ei m p o r t a n ti s s u e so fi m p r o v i n gt h e w h o l ep r o c e s sa n de q u i p m e n t r e a c t i o na n ds e p a r a t i o np r o c e s si st h ec o r eo f c h e m i c a le q u i p m e n t i t ss t r u c t u r e d i r e c t l ya f f e c t st h ee n t i r ed e v i c e i ti ss i n g i f i c a n tt os t u d yt h et h e o r ya n dm e t h o d so f r e a c t i o na n ds e p a r a t i o ns y s t e me n e r g yi n t e g r a t i o n t h e s y s t e mo fr e a c t i o na n d s e p a r a t i o np r o c e s so fe x o t h e r m i cr e a c t i o nc a nb ea c h i e v e dt h ee f f e c to fe n e r g y i n t e g r a t i o nb yt h ep r o c e s sd e s i g n i nt h i sp a p e r , t h ei n t e r a c t i o no fr e a c t i o na n d s e p a r a t i o ns y s t e mb e t w e e np r o c e s sp a r a m e t e r sa r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ee n e r g y c o u p l i n ga n dm a t c h i n gr u l e so fr e a c t i o n - s e p a r a t i o np r o c e s sa n dt e m p e r a t u r e - e n t h a l p y g r a p h ，i tp r e s e n t sag r a d u a lo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yi ns y s t e me n e r g yi n t e g r a t i o no f r e a c t i o na n ds e p a r a t i o np r o c e s s m a k eas t u d yo nt h ee g b ea n de g e ar e a c t i o na n d s e p a r a t i o np r o c e s sb yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nw h i c hi sb a s e do nt h es o f t w a r eo f a s p e np l u s d e t a i l sa r ea sf o l l o w s ( i ) d e s i g nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fe g b ea n de g e ab ya s p e np l u s s e l e c t n r t le q u a t i o n c a l c u l a t em i n i m u mn u m b e ro fs t a g ea n dm i n i m u mr e f l u xr a t i ob y d s t w uc o l u m n d e t e r m i n en u m b e ro fa c t u a ls t a g e sa n da c t u a lr e f l u xr a t i o s e tb a s i s 反应一分离系统能量集成的研究 o p e r a t i n gp a r a m e t e r so fs i m u l a t i o n ( 2 ) a c c o r d i n gt ot e m p e r a t u r e e n t h a l p yg r a p h ，c o n t i n u o u s l yc h a n g ep a r a m e t e r s a n do p e r a t i n gc o n d i t i o n so fh o ta n dc o l ds t r e a m s o p t i m i z eh e a te x c h a n g e rn e t w o r k p r e s e n tag r a d u a lo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yi ns y s t e me n e r g yi n t e g r a t i o no fr e a c t i o na n d s e p a r a t i o np r o c e s s m a k ed i s t i l l a t i o na n dh e a te x c h a n g e rn e t w o r k sg o th e a ti n t e g r a t i o n t h es t r a t e g yi sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gt h r e es t e p s ： i d r a wc o l dc o m p o s i t ec u r v e ，h o tc o m p o s i t ec u r v ea n dg r a n dc o m p o s i t ec u r v e a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n s ，s e ti n i t i a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r sw i 也t h es i m u l a t i o no f a s p e np l u s d r a wc o l dc o m p o s i t ec u r v e ，h o tc o m p o s i t ec u l v ea n dg r a n dc o m p o s i t e c u r v eo nt h et e m p e r a t u r e - e n t h a l p yg r a p h i j l s y s t e m sa n a l y s i so fe n e r g yi n t e g r a t i o n c h a n g et h ep o s i t o no fc o m p o s i t e c u r v e 1 1 1 c r e a s eh e a tt e m p e r a t u r eo fh e a ts t r e a m so rl o w e rc o l dt e m p e r a t u r eo fc o l d s t r e a m st om a k eh e a ta n dc o l ds t r e a m sh a v i n gab e t t e rm a t c h i n g r e d u c et h ee x t r ah o t a n dc o l du t i l i t yc o n s u m p t i o n i i i p r o c e s so p t i m i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a n g e dt e m p e r a t u r et od e s i g nt h e n e wo p e r a t i n gp r e s s u r eo fp r o c e s s c o n s t a n t l yc h a n g et h ep r o c e s sp a r a m e t e r st o a c h i e v et h ep u r p o s eo fe n e r g yi n t e g r a t i o n r e p e a tt h e s es t e p su n t i lt h es y s t e me n e r g y c o n s u m p t i o no fp u b l i cw o r k sw i l ln o tr e d u c e t h e nt h eo p t i m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s a let h es y s t e mo p e r a t i n gp a r a m e t e r s ( 3 ) m a k eas t u d yo nt h ee g b ea n de g e ar e a c t i o na n ds e p a r a t i o np r o c e s st o p r o v et h er e a c t i o n s e p a r a t i o ns y s t c mi n t e g r a t i o ns t r a t e g yi su s e f u l s e ti n i t i a l o p e r a t i n gp a r a m e t e r s 谢t 1 1t h es i m u l a t i o no fa s p e np l u s s t u d yt h ee f f e c t so fr e a c t i o n f e e dm o l er a t i oa n dr e a c t i o nc o n v e r s i o nr a t eo nt h et o t a lh e a t t 0 t a ls y s t e mh e a t c o n s u m p t i o ni sm i n i m u mw h e nf e e dm o l a rr a t i oi s1 ：1 ，t h ec o n v e r s i o nr a t ei s9 0 d r a wc o l d c o m p o s i t ec u r v e ，h o tc o m p o s i t ec u r v ea n dg r a n dc o m p o s i t ec u r v e a n a l y s i so ft h eg r a n dc o m p o s i t ec u r v e 晰也t h es t r a t e g y d i s t i l l a t i o nc o l u m no p e r a t i n g p r e s s u r ei sv a r i a b l e s t u d yt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp r e s s u r e so i lt h ep u b l i cw o r k s d e r i v et h eo p t i m a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r sw h e nt o t a l s y s t e mh e a tc o n s u m p t i o ni s m i n j l l l u l n t h r o u g ht h ea d j u s t m e n to fp r o c e s sc o n d i t i o n s ，t h ee g b ep u b l i cw o r k s 饥盯g yc o n s u m p t i o nr e d u c ef r o m15 6 3 k wt o10 1 4 k w ：w h i c hi sm o r et h a no n e - t h i r d 反应一分离系统能量集成的研究 o fe n e r g yc o n s u m p t i o n t h ee g e ap u b l i cw o r k se n e r g yc o n s u m p t i o nr e d u c ef r o m 10 2 7 k wt o9 4 5 k w t h e s ee x a m p l e ss h o wt h a tt h eg r a d u a lo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yi s v e r ye f f e c t i v e i m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h es y s t e m g e tt h ep u r p o s eo ft h e d i s t i l l a t i o nc o l u m nm a t c h e dw i t ht h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r k p r o v et h a ti ti se f f e c t i v e t os o l v er e a c t i o n - s e p a r a t i o ns y s t e me m e r g yi n t e g r a t i o np r o b l e m sw i t ht h eg r a d u a l o p t i m i z a t i o ns t r a t e g yi ns y s t e me n e r g yi n t e g r a t i o no fr e a c t i o na n ds e p a r a t i o np r o c e s s p r o v i d ea ne f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h ec o m p l e xe n e r g yi n t e g r a t i o np r o b l e m so f r e a c t i o n s e p a r a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：r e a c t io n a n d s e p a r a tio ns y s t e m ；e n e r g y in t e g r a tio n ：h e a t e x c h a n g e rn e t w o r k ：g r a n dc o m p o s it ec u r v e ：t e m p e r a t u r e e n t h aip yg r a p h i u 反应一分离系统能量集成的研究 i v 反应一分离系统能量集成的研究 目录 1 文献综述：1 1 1 过程系统模拟与优化：1 1 2 过程系统的综合。2 1 2 1 换热网络的综合2 1 2 2 过程系统能量集成一。9 1 2 3 过程系统用能一致性_ 1 0 1 3 反应分离过程系统的研究1 1 1 3 1 反应分离过程特点。j 1 1 1 3 2 国内外主要研究成果1 2 1 4 反应物系相关工艺介绍1 6 1 4 1 乙二醇丁醚醋酸酯的相关工艺介绍：1 7 1 4 2 乙二醇乙醚醋酸酯的相关工艺介绍1 8 1 5 本文的研究内容及意义1 8 2 a s p e np l u s 模拟软件介绍及应用2 0 2 1a s p e np l u s 模拟软件简介2 0 2 1 1a s p e np l u s 的特性2 0 2 1 2 应用a s p e np l u s 软件进行模拟的基本步骤2 1 2 1 3a s p e np l u s 数据库21 2 1 4a s p e np l u s 单元操作模块2 1 2 2 乙二醇丁醚醋酸酯工艺流程的a s p e np l u s 模拟2 3 2 2 1 反应方程式2 3 2 2 2 反应器模块的选取2 4 2 2 3 分离塔模块的选取2 5 2 2 4 精馏塔的数学模拟2 6 2 2 5 理论板数与回流比的计算2 8 反应一分离系统能量集成的研究 2 2 6 乙二醇丁醚醋酸酯的生产工艺流程3 1 2 3 乙二醇乙醚醋酸酯工艺流程的a s p e np l u s 模拟3 2 2 3 1 反应方程式3 2 2 3 2 乙二醇乙醚醋酸酯生产工艺流程3 3 2 4 本章小结3 3 3 反应分离系统逐步优化的能量集成策略3 4 3 1 构造系统的冷、热物流组合曲线及系统总组合曲线3 4 3 2 系统能量集成的分析3 5 3 3 工艺条件优化3 6 3 4 本章小结3 7 4 乙二醇丁醚醋酸酯的工艺的能量集成3 8 4 1 工艺操作参数的初步设定3 8 4 1 1 反应物进料摩尔配比的确定3 8 4 1 2 构造乙二醇丁醚醋酸酯反应分离系统总组合曲线4 0 4 1 3 反应物不同转换率对精馏塔热负荷的影响4 3 4 2 反应操作参数初设下系统的总组合曲线4 5 4 3 分离塔操作压力的不断优化4 6 4 3 1 分离塔d 1 操作压力调整至2 b a r 。4 6 4 3 2 分离塔d 1 操作压力调整至3 b a r 4 7 4 3 3 分离塔d 1 操作压力调整至4 b a r 4 9 4 4 本章小结。5l 5 乙二醇乙醚醋酸酯的工艺的能量集成5 3 5 1 构造乙二醇乙醚醋酸酯的反应分离系统的总组合曲线5 3 5 2 分离塔操作压力的不断优化5 4 5 2 1 分离塔d 1 操作压力调整至2 b a r 5 4 5 2 2 分离塔d 1 操作压力调整至3 b 缸5 6 5 3 本章小结5 8 i i 反应一分离系统能量集成的研究 6 结论与展望5 9 6 1 结论5 9 6 2 工作展望2 “。：6 0 参考文献6 2 至定谢。6 7 个人简历6 8 已发表或接收的学术论文6 8 反应一分离系统能量集成的研究 反应一分离系统能量集成的研究 1 文献综述 1 1 过程系统模拟与优化 在实际化工生产中，一套化工生产装置的设计的合理性，实际化工生产装置 优化的操作，生产故障的分析与诊断，都离不开过程系统的模拟【1 1 。对化工过程 系统的模型化，或将某化工单元模型化，就是在现有的理论和实验研究的基础上， 通过分析和研究，用数学模型的方法反映其过程的本质。 给定参数 图1 - 1 过程系统优化 f i g 1 - 1p r o c e s ss y s t e mo p t i m i z a t i o n 化工过程系统的优化问题【1 】( 如图1 1 ) ，则是应用优化的模型和方法，求解 过程系统的数学模型，确定一组关于某一目标函数为最优的决策变量的解( 优化 变量的解) ，以实现过程系统的最佳工况。 过程系统的模拟与优化在各个领域中的研究进展各不相同，在反应网络的综 合、反应路径的优选、分离序列优化和考虑热集成的分离序列综合、换热网络综 合、公用工程系统综合等领域学者们做了大量的研究工作【2 捌。 过程系统的模拟与优化，是化学工程、系统工程和计算机科学的交叉研究领 域，是近年来从化工过程系统工程中发展起来的最活跃的重要研究领域之一。过 程系统的能量综合与优化，本质上是过程系统的设计优化问题，它在充分利用计 算机技术、系统工程技术、模型化技术和模拟成果的基础上，主要研究如何优化 选择单元操作及各单元操作之间的连接关系，以便构成一个能在最少投资、最低 操作费用和最小环境污染下安全生产的化工过程系统。 反应一分离系统能量集成的研究 1 2 过程系统的综合 为了达到相同的生产目的，工艺过程的结构往往是多种多样的，其经济性能 也不尽相同，有优劣之分。这就对化工工艺的设计者提出了一个优化组织机构的 问题，即化工过程系统的综合问题。当原料和产品被确定之后，可用不同类型的 单元操作和多种连接方式来实现既定的生产目标。为了经济有效地生产产品，必 须考虑以下两个方面的问题： ( 1 ) 如何选择最佳的单元操作设备； ( 2 ) 如何优化组织各种单元结构构成最佳的工艺路线。 从内容上说，过程系统的综合主要包括如下几个方面内容：反应路径的综合、 分离序列的综合、反应器网络的综合、换热网络的综合、公用工程系统的综合、 生产全流程的综合、控制系统的综合以及过程系统的能量集成等。 本文研究的主要对象是化工过程系统总的能量集成问题，因此只对换热网络 的综合以及过程系统的能量综合问题重点介绍，其他方面不做讨论。 1 2 1 换热网络的综合 在实际的化工生产过程中，预先确定了生产工艺条件，一部分物流需要被加 热到一定温度，而另一部分物流则需要被冷却到一定温度。因此，如何有效地合 理地组织这些冷、热物流以及这些冷、热物流的交换问题，就成为了提高整个工 艺流程及设备的重要的经济问题，而研究和解决这些问题的方法，就是换热网络 的最优综合需要解决的任务。 换热网络的综合问题可表述如下【4 1 ：有n c 个冷物流需要加热，有n h 个热物 流需要冷却，目的是确定各个冷、热流股间的匹配，使这些流股由初始温度达到 目标温度，使得整个网络的费用最小。对于给定了目标的任务来说，换热网络综 合的结构模型方案的数目是多种的，这就必须去建立一个可以包含多种可行性方 案的总体的网络流程。 针对换热网络的综合问题，在过去的3 0 多年以来，国内外的学者都作了大 量的工作，提出了多种研究方法，并取得了一定的成就。这些方法大致上可以分 为三类：热力学方法、数学规划法和人工智能专家系统。本文重点介绍热力学方 2 反应一分离系统能量集成的研究 法中的夹点技术，其他方法简单概述。 1 2 1 1 夹点技术 夹点技术( p i n c ht e c h n o l o g y ) 【5 1 是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程 系统中能量沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”( b o t t l e n e c k ) 所在，并 给以解“瓶颈”的一种过程综合方法，其在过程用能的分析中的着眼点不只在单 元设备，并更注意各单元之间的相互联系。 u m e d a ( 1 9 7 8 ) 【6 】和l i m a h o f f ( 1 9 7 9 ) 【7 相继在这方面作了开创性的研究工 作。他们先后发现了过程系统内的能量流动存在着“夹点 ( p i n c hp o i n t ) ，后来， l i n n h o f f 将这一发现应用于全过程系统的能量分析及有效利用，逐渐形成了称之 为“夹点技术? ( p i n c ht e c h n o l o g y ) 的过程设计方法。 ( 1 ) 组合曲线与夹点 在t - h 图上可以形象生动地表达过程系统的夹点位置。为确定过程系统的夹 点，需要给出下列数据：所有过程物流的质量流量、组成、压力、初始温度，以 及选用的冷、热物流间匹配换热的最小允许传热温差t d 血。用作图的方法在t - h 图上确定夹点的位置( 图1 2 ) o 图1 2 典型的组合曲线 f i g 1 - 2at y p i c a lc o m p o s i t ec u r v e 3 反应一分离系统能量集成的研究 首先，根据给出的冷、热物流数据，在t - h 图上分别作出热物流的组合曲线 和冷组合曲线。然后，将两者在水平方向上相互靠拢，当两组合曲线在某处的垂 直距离正好等于t m i n ，该处即为夹点。从温位来讲，热流体夹点的温度与冷流 体的夹点的温度刚好相差t m i n 。 过程系统的夹点位置确定以后，可在t - h 图上得出下列信息： 该过程系统所需的最小公用工程加热负荷q h j n 蛔。及所需的最小公用工程 冷却负荷q c ，曲。 该过程系统所能达到的最大热回收q 鼬戤。 夹点把过程系统分隔为两部分；一是夹点上方，包含夹点温度以上的冷、 热工艺物流，称热端，其只需要公用工程加热，也成为热阱：另一是夹点下方， 包含夹点温度以下的冷、热工艺物流，称冷端，其只需要公用工程冷却，也称为 热源。 由以上可知，选用的冷、热物流间匹配换热的最小允许传热温差t 曲的大 小，直接影响了夹点的位置。 ( 2 ) 夹点的意义 由上述确定夹点位置的方法可见，夹点具有两个特征：一是该处冷、热物流 间的传热温差最小，刚好等于t 血；另一是该处( 温位) 过程系统的热流量为 零。由这些特征可知夹点的意义如下： 夹点处冷、热物流间传热温差最小，等于t 口血，它限制了进一步回收过 程系统的能量，构成了系统用能的“瓶颈”所在，若要增大过程系统的能量回收， 减小公用工程负荷，就需要改善夹点，以达到“解瓶颈的目的。 夹点把网络系统分隔成在热力学上相互分离的两个子系统：夹点之上子系 统和夹点之下子系统。在热力学上有以下特性： i ) 夹点之上子系统是一个熟阱系统，热公用工程向其输入热能，而没有任 何热流流出： i i ) 夹点之下子系统是一个热源系统，由冷公用工程从系统带走热能，而没 4 反应一分离系统能量集成的研究 有任何热流从外界流入； i i i ) 在夹点处，两子系统间没有热流流动； i v ) 若在夹点之上热阱子系统设置冷却器向外界移去热量，则这部分热量必 然要由热公用工程额外输入。若在夹点之下热源子系统设置加热器向系统供热， 则必然要增加冷公用工程来移去这部分热量。这两种情况都增加能耗，且增加设 备投资。 由上述分析，可以认为夹点是一个特征点。对夹点现象进行热力学分析可知， 为获得最小公用工程消耗，实现最大的能量回收，在热回收网络的设计中必须遵 循如下三条基本原则： 避免换热器穿过夹点； 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。 ( 3 ) 夹点技术的应用及发展 夹点技术是从热力学的角度对如何进行换热物流匹配进行分析【8 】以达到最 小能耗这一热力学目标。但夹点技术比一般热力学的能耗分析、炯分析又进了一 步，它进一步指出了哪些能损失、炯损失可以避免，哪些是从热力学角度上说不 能避免的，即最小能耗。夹点技术进一步指出了如何匹配能达到最小的能量损失。 因此夹点技术对指导换热网络的综合有十分重要的意义。 夹点技术从7 0 年代末一直在不断发展。8 0 年代后又有人提出超目标 ( s u p e r t a l g e t ) 及双温差f 9 1 、拟夹点技术法( p s e u d o p i n c hm e t h o d ) 等。超目标 法是在原来最小能耗目标的基础上又增加了换热面积费用目标，通过面积费用及 能耗费用折衷，求最优夹点传热温差，再用夹点技术进行换热网络综合，按此法 可综合出总费用最小的换热网络f 8 】( 见图1 3 ) 。双温差法和拟夹点技术法则是将 夹点传热温差与换热器最小传热温差作为两个变量处理，从而使换热匹配进一步 考虑减少换热器数量，有利于获得结构简单、设备投资费用更低的换热网络。这 些发展都使得换热网络综合技术更加接近工程实际。 反应一分离系统能量集成的研究 旺 枢 型 廿 丁啾 r 血 图1 3 夹点概念及最优夹点温度 f i g 1 - 3p i n c hc o n c e p t & o p t i m a lp i n c ht e r n p e r a t u r e 通过引入总组合曲线( g r a n dc 6 m p o s i t ec u r v e ) 的概念，夹点技术还可应用 于有多个级别的公用工程的换热网络的综合问题。根据公用工程夹点可以确定低 温位的加热公用工程用量及温位较高的冷却公用工程用量，这样可以减少公用工 程用量的费用。 夹点技术由于其物理概念清晰、目标明确、集成规则明了，因而被广泛地应 用于化工过程能量系统的优化集成或改造，已经在上千个实际项目中取得成功应 用，成为世界性工程标准。而且其应用范围从最初的换热网络设计扩大到包括精 馏塔，反应器，压缩机，热机，热泵等能量密集型单元在内的全过程系统的优化 设计。夹点技术的应用通过计算软件来完成。目前已有若干商业化的夹点技术应 用软件。其中包括a s p e n 公司于1 9 9 1 年推出的a d v n e t 软件和近两年推出的 a s p e n p i n c h ，英国l i n n h o f f 教授及其同事开发的s u p e r t a r g e t 软件，均己在 国际上推广。 反应一分离系统能量集成的研究 1 2 1 2 数学规戈i 法 数学规划法的基本作法是【8 】：将所研究的问题整理成目标函数和约束条件组 成的数学模型，并根据数学模型的类型选择适宜的优化方法进行求解，求得满足 上述约束条件，并使目标函数最小( 或最大) 的解。因此数学规划法从理论上讲 可得到严格的最优解。从这一点讲，它比夹点技术严密。因此能量系统集成的优 化数学模型常表现为混合整数非线性规划( m i x e d i n t e g e rn o n l i n e a rp r o g r a m s m n l p ) 问题。 为确定整个系统的最佳结构，就有必要协调系统中3 部分的综合过程，这就 要保证能够对反应分离部分、换热器网络以及公用工程部分的不同结构，在把它 们看成一个有机整体的基础上，进行综合评价，这可通过把3 部分都建立其相应 的m i l p 模型；然后对整个系统进行同时优化，以得到最佳结构，这种策略可详 细地表述为【5 】： 第一步：对反应分离部分建立超结构，其中要包含所要分析的不同的反应及 分离顺序，在超结构中，加热和冷却负荷看成是热流股和冷流股的集合，以便在 第二步形成换热器网络的数学模型。 第二步：在反应分离部分给定的热和冷过程流股，根据其间断的进口和出口 温度，就可以得到该换热器网络的温度间隔区间。有了温度间隔，就可以利用转 运模型以得到最小的公用工程费用。在这部分，过程流股的流量是一个取决于反 应分离部分的实际结构的变量。由于转运模型并没有明确地考虑换热器网络的结 构，因此，换热器网络的投资费用就估算为在该网络中所交换热负荷的线性函数。 第三步：反应分离部分的超结构和换热器网络的转运模型给出了由公用工程 部分完成的热负荷和动力需求。因此，我们就可以利用由p a p o u l i a s 和g r o s s m a n n 提供的方法来建立公用工程的m i l p 模型。在这种情况下公用工程的需求量并没 固定，而且把取决于反应分离结构和换热器网络结构的变量看成是不变的。 第四步：反应分离部分和公用工程部分的m i l p