（化学工程专业论文）夹点技术在精馏系统优化中的研究和应用.pdf

一塑坚三些盔堂塑主主焦堡奎 摘要 本文研究了夹点技术及其在精馏系统热集成中的应用，提出在用夹点技术指 导精馏序列与过程系统进行热集成时，采用包含冷凝器和再沸器的扩展总复合曲 线，即把精馏塔的冷凝器和再沸器按热负荷和温位折算为相应的冷热物流，与过 程系统的物流一起进行用能分析，从而把复杂的精馏系统的热集成问题转化为技 术相对成熟的换热网络的最优综合。经简要证明，确认该方法更有利于系统的热 集成。由于这一方法可以同时考虑糟馏塔与过程系统问的热集成及精馏序列中的 热集成_ 因此提高了整体用能水平。由冷凝器和再沸器处理后得到的物流可以是 恒温相变物流或普通的非相变物流，对于多元精馏，当塔顶蒸汽的露点与泡点温 度相差较大时，可分温段考虑其热容流率，从而使设计结果更符合实际。 本文以巨化锦纶厂环己酮精馏系统的扩产增效改造作为实例，通过流程模拟 软件获取数据，用扩展的总复合曲线指导该系统的热集成。结果表明，采用系统 热集成后，能耗比无热集成时节省4 0 左右，其节能率也远高于采用单一的双效 精馏。另外，在优化过程中还发现，在完成相同分离目标的前提下，适当调整各 、 塔的物流分配比例有助于系统的热集成。7 关键词；夹点技术：精馏系统；热集成；总复合曲线；再沸器；冷凝器 浙江工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a ne x t e n d e dg r a n dc o m p o s i t ec u r v ei s p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r f o rt h eh e a t i n t e g r a t i o no fr e f i n i n gs y s t e mb ys t u d yo nt h ep i n c ht e c h n o l o g ya n di t si n s t r u c t i o nt o t h eh e a ti n t e g r a t i o no f r e f i n i n gs y s t e m t h ec u r v ei n c l u d e sr e b o i l e r sa n dc o n d e n s e r st h a t a r et r e a t e da ss t r e a m sa c c o r d i n gt ot h e i rt e m p e r a t u r ea n dd u t y w h e np i n c h t e c h n o l o g y i su s e dt og u i d et h ei n t e g r a t i o no f r e f i n i n gs y s t e m ，t h ee x t e n d e dg r a n dc u r v e s h o u l db e u s e d i tm e a n st h a tc o n d e n s e r sa n dr e b o i l e r sa r ei n t e g r a t e dw i t ht h ep r o c e s ss t r e a m sa t t h es a m et i m e , a n dt h ec o m p l e x p r o b l e mo fr e f i n i n gs y s t e mh e a ti n t e g r a t i o ni st u r n e d i n t ot h ep r o b l e mo f h e a t e x c h a n g en e t w o r kb e c a u s e t h em e t h o dc o n s i d e r sn o t o n l yt h e i n t e g r a t i o no f c o l u m n sw i t hp r o c e s ss t r e a m s ，b u ta l s ot h ei n t e g r a t i o nb e t w e e n c o l u m n s ， t h ew h o l el e v e lo f e n e r g yu s a g ei si m p r o v e d t h es t r e a m st r e a t e df r o mc o n d e n s e r so r r e b o i l e r sm a yh a v e p h a s ec h a n g e o rn o t ，a n df o r m u l t i - c o m p o n e n tr e f i n i n g ，i f t h eb u b b l e p o i n to ft h es t r e a mi s f a ra w a yf r o mt h ed e wp o i n t ，t h eh e a t c a p a c i t yf o rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r er a n g ei sc o n s i d e r e d ，s ot h a tt h ed e v i s ew i l lb ec o n s i s tw i t ht h ef a c tq u i t e w e l l a sa n e x a m p l e ，t h ec y c l o h e x a n o n er e f i n i p gs y s t e mo fq u h u ap o l y a m i d ef i b e r f a c t o r y i ss i m u l a t e db ys o f tw a r ei nt h i s p a p e lt h e nt h ee x t e n d e dg r a n dc o m p o s i t e c u r v ei su s e dt og u i d et h er e t r o f i to ft h i s s y s t e mf o ri m p r o v i n gp r o d u c t i o n i ts h o w s a b o u t4 0 o f t o t a le n e r g yi ss a v e da f t e rh e a ti n t e g r a t i o n ，w h i c hi sm u c hm o r et h a nt h a t o n l yd o u b l e e f f e c ti sc o n s i d e r e d b e s i d e s ，i ti sf o u n dt h a t ，w i t ht h es a m e s e p a r a t er e s u k s ， a d j u s t i n gt h e r a t i oo fs t r e a mb e t w e e n c o l u m n sw i l ld o g o o d t oh e a ti n t e g r a t i o n k e y w o r d s ：p i n c ht e c h n o l o g y ；r e f i n i n gs y s t e m ；h e a ti n t e g r a t i o n ；g r a n d c o m p o s i t ec u r v e ；r e b o i l e r ；c o n d e n s e r 塑坚三些盔堂堡主兰焦笙奎 前言 从能源危机以来，节能工作受到j ，广泛关注。在化工、石油、冶金等能耗密 集型行业，节能工作直是发展生产技术、提高竞争能力的重要组成部分。在节 能1 ：作的初始阶段，一般着眼干单个余热的回收或单个设备的节能，如减少回流 比，采用多效精馏、热泵装置，强化换热器传热等。六十年代以来，由于过程系 统工程学的发展，使人们认识到要把一个过程工业的工厂设计得能耗最小、费用 最小和环境污染最少，就必须把整个系统集成起来进行整体优化，过程系统能量 集成也因此得到了发展。 过程系统的设计包括相互作用的四个部分【7 2 l ：反应、分离、换热网络和公用 工程，i 妇于问题的复杂性，长期以来，对过程系统能量集成的研究主要集中在换 热网络的优化综合。夹点技术( p i n c ht e c h n o l o s e ) 是其中一种实用的热集成方法， 它以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能照流沿温度的分布，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”( d e b o t t l e n e c k ) 的一 种过程系统节能技术。l i n n h o f f 于八十年代初较详细地阐述了这一理论，指出夹 点的存在限制了换热网络可能达到的最大热回收程度。夹点技术最初用于换热网 络，在成功地用于生产实践基础上，其应用范围逐步扩大到包括反应、公用工程 和分离工程等在内的整个过程系统。不仅用于节能，而且用于增产中解除“瓶颈” 和减少环境污染等方面。 精馏过程是化一亡分离中能耗的集中所在，因此，提高精馏系统的能量综合利 用率十分重要。应用热集成概念和夹点分析方法开发节能的分离流程和优化换热 网络，在具体分离过程中合理地应用热泵、多效精馏、中间再沸器和中间冷凝器 等实现节能，直是得到广泛重视的活跃的研究领域。根据目前报道的夹点理论， 一般分离系统作为独立的子系统与过程系统进行热集成，即总复合曲线( g c c ) 不包括分离系统巾塔的冷凝器和再沸器塔在总复合曲线图中用多边形表示，它 在过程系统巾的合理放霞为不跨越夹点。但从用能角度出发，冷凝器和再沸器都 需要外界提供能量或将多余热量移走，为此，本文提出用包含冷凝器和再沸器的 浙江工业大学硕士学位论文 扩展总复合曲线指导精馏系统的热集成，即把精馏塔的冷凝器和再沸器按热负荷 和温位折算为相应的冷热物流，与过程系统的物流一起进行用能分析，从而把精 馏系统的热集成问题转化为换热网络的最优综合。另一方面，在传统方法中，用 夹点技术研究分离系统与过程系统间热集成时，往往没有对塔问的热集成作进 步阐述，而采用扩展的复合曲线可以同时指导塔间的热集成和塔与过程系统间的 热集成，提高了整体用能水平。 近年来，计算机在化工系统中得到了广泛应用，过程系统模拟水平也得到了 快速发展，出现了许多模拟软件，如美国麻省理工学院的a s p e n p l u s 、美国 s i m s c i 公司的p r o i i 和我国青岛化工学院开发的e c s s 等，这些软件一般都提供 了大量物性数据库和热力学生成器，利用它们可对精馏系统进行较好的模拟，在 化工设计和改造方面起到很好的指导作用。 本文以巨化锦纶厂环已酮精馏系统为例，采用p r o i i 软件模拟获取有关数据， 用扩展的总复合曲线指导该系统的扩产增效改造，取得了良好的效果。 浙江工业大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 i 换热网络综合进展 换热网络综合问题可描述如下：有一组初始温度为t 。的冷物流要求加热 到目标温度t 。，另有一组初始温度为t 眦。的热物流要求冷却到目标温度t 。， 确定物流问的匹配，使流股均达到它们的目标温度，同时使投资费用和操作费 用最少。i q w a l 2 8 1 第一次考虑了这样一个网络的最优化问题，此后它一直是一个 非常活跃的研究领域，出现了许多换热网络综合方法。 换热网络综合从总体上可分为分部综合法和数学规划法f 1 2 1 ，前者是根据最 优换热网络的必要条件和特征，规定一些设计目标和规则，使用一些系统方法， 找出具备这些必要条件和特征的网络，再对其进行综合评价，最后找出最优或 接近最优的换热网络；而后者是把问题归结为从数学上求一个总费用函数的最 小值。 1 1 1 数学归划法进展 八十年代前的数学规划法主要有k e s s l e r 和p a r k e r “1 的方法，它是将热物 流和冷物流分为一个个的小换热单元，然后考虑这些换热单元之间的换热，再 用线性规划法求解。k o b a y a s h i 对该方法作了改进，将整个系统分为内层系 统和外层系统，内层由过程物流组成，外层由公用工程组成，然后用与k e s s l e r 、 p a r k e r 同样的方法，用线性规划确定内层系统最佳网络结构，再对内外层结 合经济目标进行优化。用这些方法得到的网络结构很复杂，而且在计算时常会 出现结构数爆炸的情况，特别是对物流数目超过l o 股的网络，难以用数学规 划法求解。 八十年代后，由于计算机水平的提高和热力学分析在理论方面取得的明显 发展，使数学规划法取得了较大的进展。c e r d a 【3 3 提出确定最少公用工程的转 运模型，并将这一模型用于有匹配约束的换热网络“ 。p a p o u l i a s 和g r o s s m a n n ( 5 j 塑婆三些盔兰堡主堂堡堡塞 一 于1 9 8 3 年提出了基于混合整数线性规划的总体系统分步综合策略，该方法用 转运模型确定最小公用工程用量，用混合整数线性规划确定最少换热单元数。 1 9 8 ( 3 年f 1 0 u d a 3 和g r o s s m a n n l6 l 提出了混合整数非线性规划法，该方法考虑了 物流间的多种连接方式，如串联、并联、串并联、旁通等，建立包括各种可能 连接方式的超结构流程及数学模型，通过非线性规划求得换热设备投资费用最 小的换热网络。d u r a 和g r o s s m a n n l 7 l 还提出分离和换热网络的同步优化法。 p t a c n i l ( i 【”和s a h o o i “在这方面作了大量工作，并且首先考虑了网络的操作弹 性，提供了用于换热网络集成和分析的软件包。m g h a r s h t ”i 等人提出用混 合接数线性规划法改造换热网络。 总的说来，上述方法在一定程度上仍然依赖于分层综合法，是一种半自动 合成法。1 9 9 0 年，g r o s s m a n n l l 6 - 1 7 1 等人又提出了不基于夹点位置和直观推断的 超结构模型，利用数学规划法求解，自动生成网络结构，它是目前数学归划法 的研究方向。 我国在这方面的研究起步较晚，但近年来，我国些高等院校在国家自然 基金的资助下开展了不少工作，在借鉴国外技术的基础上取得了较大的成绩。 如袁希钢1 对g r o s s m a n n 的混合整数线性规划法在算法上作了改进，袁一等【3 3 】 对运算模型作了改进，尹洪超等1 2 0 i 把换热网络优化扩展到过程系统优化，采用 遗传算法求解混合整数非线性模型，王克锋等 2 1 - 2 4 l 又提出了改进的遗传算法。 数学规划法虽然能获得严格的数学最优解，但由于实际问题十分复杂，建 立模型困难，有些实际约束问题如安全，可操作性等，难以用数学关系式表达， 一般需要作简化处理：另一方面，由于模型规模较大，组合方案太多，往往需 要花费很长的计算时间，有时求解算法也不总是有效的，且求解过程不透明， 缺乏明确的物理意义，从而在实际应用方面受到了限制。 1 1 2 分步综合法进展 合成换热网络的最大困难在于物流问匹配可能的数目非常巨大，对于一个 小问题所需计算量也十分大。m a s s o 和r u d d l 2 9 1 于1 9 6 9 年提出了直观推断法， 4 塑坚三些查兰堡主堂垡堡奎 根据设计经验列出了一套合成规则。l e e 等i ”于1 9 7 3 年提出分枝界限法，从 一个给定的网络产生所有可能的网络结构，可以估计网络的最小费用界限。 p h 0 1 3 t i 等人l 二1 9 7 3 年提出树搜索法，按一定的匹配规则建立的网络树，从中 搜索出一最优解，该方法不考虑物流分支和再匹配问题。r a t h o r e 和p o w e r s i “1 通 过考察，认为具有最大热回收量的网络接近最优解，提出向前分支法，先合成 具有最大热回收程度的网络，然后从中找出最优解作为最终网络。 p o n t o n 和d o n a l d s o n1 3 3 1 于1 9 7 4 提出用直观推断法和分枝界限法相结合的 方法，解决了流股间的再匹配问题，并采用让热物流最热端与冷物流目标温度 最高端匹配的规则，使合成速度大大加快，但该方法得到的网络有时离最优解 相差甚远。w e l l s 和h o d g k i n s o n ”4 1 对直观推断规则作了扩充，综合考虑了与网 络合成相关的因素、合成目标和物流匹配等问题。 总的说来，这些方法在过程物流间如何才能最好匹配、换热器如何最佳放 置等方面缺乏可靠的理论指导，在物流分支、再匹配方面没有提供具体方法。 存在最大的问题是所处理的网络流股数不能超过l o 股，并且不能保证得到最 优解。 h o h m a n n l 4 1 i 是用热力学方法合成换热网络的先驱，在换热网络合成方面取 得了显著成绩。他采用面积能量图对网络的可行区域作了解释，并首次提出 设计前确定最小公用工程目标的严格方法，提出了确定最少换热单元数的计算 公式： u f 。= n - i式( 1 - 1 ) 其中n 为工艺物流及公用加热和冷却物流总数。h o h m a n n 最早指出，当网 络的换热单元数超过把接个系统作为体对待时的最小换热单元数时，网络中 必然构成了热负荷回路。但由于当时认为换热网络的合成应通过数学方法自动 合成，因此他的成绩并没有得到重视。 热力学方法对工业上换热网络的合成有着重大的意义，这一点随着纯数学 方法的失败而逐渐被认识到。 n i s h i d a f ”】于1 9 7 7 年提出合成换热网络的三个准则，即最大程度的热回收、 塑鎏三些盔堂堡主堂焦笙兰 换热器总换热面积最小和网络总费用最少。他首先采用热谱图表示冷热物流的 匹配，让热物流中温度最高的热流加热冷物流中目标温度最高的冷流，并用 个换热而秘的线性函数来优化最少投资成本，在合成初始网络后，通过合并换 热器使网络向总费用减少方向靠近，取得了较好效果。 u i n e d a 通过对换热网络的热力学分析，于1 9 7 8 年首先采用组合曲线表 示冷热物流的温焓情况。合并所有的冷流股为一条冷组合曲线，合并所有的冷 流股为一条冷组合曲线，左右移动冷复合曲线，当在移至热复合曲线之下在某 点相遇时，相交点即为夹点( p i n c h ) ，如图1 1 ( a ) 所示。由于传热温差为零时， 所需换热面积为无限大，因此物流间传热温差应不小于某一最小值t 。当 冷物流复合曲线位于热复合曲线之下，且两者间垂直距离为t 。时，如图卜 1 ( b ) ，两端f f j i 线问未重叠部分表示所需的最小公用工程，其中左下侧为所需最 小冷却公用工程q 。，。，右上侧为所需最d , n 热公用工程q h ，。 t 。 ， 庐醇 l i x ，kq r 一山 一 t 彳 一， ni n ( b ) 图1 - 1 换热系统的集成 u m e d a 按组合曲线上的折点对组合曲线分区，采用垂直温区内的物流匹配 合成初始网络，提出对不同传热系数和不同单位传热面积费用的情况，应使各 组匹配物流的( ”a r ) 值相近。其中u 为传热系数，a 为传热面积单位 费用，1 为换热物流间的传热温差。对于出现多次物流的分枝、混合以及存 在小负荷换热器的情况，可在t h 图上把原来垂直分隔的区间适当合并，把小 负荷换热器并到相邻换热器上。但他没有对夹点的意义作进一步阐述。 l i n n h o f f i ”3 8 在几乎与u m e d a 同时提出了温度区间( t 1 ) 法，也指出了物 6 塑翌三些查堂堡主兰堡堡苎 流间换热的最小传热温差。该方法根据最小传热温差划分温区，在温区内按热 容流率高低实行物流间的匹配，温区间不换热。l i n n h o f f 用问题表求得换热网 络所需的最小公用工程消耗量，以此为依据，采用热负荷迁移的办法合并换热 器，对网络调优。 继温度区问法后，l i n n h o 研3 9 - 4 1 i 也提出了夹点的概念，指出夹点的存在限 制了能量回收的最大程度，在对夹点的意义作深入研究基础上，提出从夹点处 开始向两端延伸的网络合成方法，并对物流间换热、换热器设置及物流分支等 方面作了充分阐述，这就是著名的夹点设计法。 由于夹点技术应用方便，而且便于让工程师发挥多年积累的经验，在解决 实际问题时有很大的优越性，被公认为是换热网络综合的突破性进展，在此后 近二十年里，得到了充分发展，并成功地用于生产实践。世界上许多著名的工 程公司，如联碳、杜邦和i c i 等都较早地采用了这一技术，取得了良好的经济 效益和社会效益。其应用范围也从换热网络扩展到整个过程系统，从这方面考 虑，夹点技术应称为夹点分析法更确切f 8 。 1 2 夹点设计法 1 2 i 夹点的形成和意义 夹点的形成可用两种方法表示，一种是u m e da l 蚓最先提出的组合曲线表示 法，见i i 节。另一种方法是问题表格法| 4 6 】，如表1 一l 所示： 表i - i 问题表格法 温度和温区物流亏缺热量累计热量，k w热通量，k w k w输入输出输入 输出 1 6 5 1 4 5 c 一6 006 02 08 0 jl 1 4 ( ) 256 06 258 08 25 l r 5 r 8 2 56 252 08 260 r 一7 62 05 507 5 , 5 5 1 55 54 1 )7 56 0 7 浙江工业大学硕士学位论文 它以垂直轴作为流体温度的坐标，把各物流按其初温和终温标绘成有向垂 商线，标绘时，同水平位置的冷热物流刚好相差允许的最小传热温差t m i n ， 从而得到温度由高到低划分的不同温区的子网络，根据热力学原理可对各温区 进行能最衡算。由某温区的冷热物流热力学数据可求得该温区的热量亏损值 d ，即： d t = ( c p c - e c p h ) x ( t i - t 1 1 ) 式( 卜2 ) 再按能量由高温向低温传递的原理，求出各温区的能量输出值0 。： 0 。= i ；一d ； 式( 卜3 ) 其中l ；为对应于i 温区的能量输入值。在无公用工程输入时，0 。负值表示 热流的热量不足以把冷流加热到目标温度，因此必须补充外加热能。0 。最大负 值处为夹点，它的绝对值对应于所需要的最少加热公用工程q h 。假设最少 公用j ：程热量从最高温位处加入，重新计算各温区的能量输出值0 ，则夹点处 能量通量为零，最低温度子网络所对应的能量输出值即为所需要的最小冷却公 用工程用量q 。 根据问题表格法的计算结果还可作出各温区冷热物流平均温度与热量输出 值的温焓关系图，即总复合曲线图，热流量为零处即为夹点，它是进行夹点分 析的有力工具。 由以上可看出，夹点的出现将整个换热网络分成两部分；夹点之上和夹点 之下。夹点之上是热端，只有换热和加热公用工程，可看成是个热阱( s i n k ) ； 夹点之f 为冷端，只有换热和冷却公用工程，可看成是一个热源( ( s o u r c e ) ； 在夹点处，热流量为零。分析可知，如果发生跨越夹点的热量传递或在夹点之 上加设冷却器、在夹点之下加设加热器，都将增加公用工程用量。因此，在设 计时，应遵循以下的夹点规则： 1 ) 不应有跨越夹点的传热。 2 ) 夹点之上不应设置任何公用工程冷却器。 3 ) 央点之下不应设簧任何公用工程加热器。 。塑兰三、业奎兰婴主兰壁堡壅 一 【2 2 夹点设计法 由夹点的意义分析可知，夹点处为过程系统用能的“瓶颈”所在，为了避 免存夹点处有能量通过，l i n n h o f f 首次提h l 由夹点处开始向两端延伸的合成方 法】。i 殳计时，由于夹点之上设置冷却器会违反夹点规则，所有热流必须通过 与过程物流换热降到目标温度，而冷物流可用公用工程加热到目标温度。因此， 每股热流均要有冷流匹配，即夹点以上的物流数目应满足如下不等式： 夹点之上n h n c 式( 卜4 ) 同理夹点之下应满足如下不等式： 夹点之下n h n 。 式( 卜5 ) 为了保证夹点处的最小传热温差，夹点处物流间匹配还应满足以下热容流 率准则： 夹点之上c p 。c p c式( 卜6 ) 夹点之下c p h c p c式( 卜7 ) 如果物流数目或热容流率不能满足以上要求，则应采用物流分支的办法使 不等式成立。 在实际应用中为了减少总换热面积，l i n n h o f f t 和f i h m a d 4 6 于1 9 8 4 年提 出了j i j 传热推动力图指导物流间匹配，即物流间匹配的传热推动力应尽量和总 复合曲线图对应的推动力图一致。1 9 9 0 年提出热容流率匹配规则，即在物 流匹配时，应让物流间热容流率比值最接近，以减小不可逆性，提高传热效率。 由于对给定的换热网络而言，当最大能量回收确定后，最小换热面积基本 确定，因此，应着重寻找最少换热单元的换热网络以减少总费用。l i n n h o f f 于1 9 7 9 年证明了h o h m a n n 提出的最少换热单元数公式，要达到这一最小换热 单元数目标，过程物流间或过程物流与公用工程换热时，至少有一股物流达到 它的口标。 f 上i 于夹点设计法将整个换热网络分为夹点上下两部分分别设计，有些物流 在夹点上下重复计算，不可避免地使换热单元数增大，因此必须对换热网络进 行优化。s u 等”提出断开热负荷回路，且保证最小传热温差的能量松弛法， 塑望三些盔兰堡主兰垡堕苎一一 通过适当增大公用工程量以减少换热单元数，达到能量和设备费用综合最省。 1 3 换热网络设计目标 夹点技术最初主要以能量减少为目标，现已发展为以总费用为目标，它 包括操作费用和投资费用两部分。在换热网络综 合中，夹点温差t 。，。的大小是一个关键的因素： 夹点温差减小，热回收程度增大，所需公用工程 用 用量减少，操作费用降低，但由于传热温差减 少，所需换热面积增大，造成投资费用增大； 反之，夹点温差增大，操作费用增大，投资费 用减少。因此，要使网络总费用最小，在网络 设计前必须首先对最小夹点温差进行优化“7 “。 图卜2 夹点温差与费用关系图 夹点温差最初由经验确定，当换热器材质较昂贵时，采用相对较大的r 。， 反之可采用较小的t 。但事实上，不单是换热器材质，组合曲线的形状，特 别是热冷复合曲线间的距离分布同样决定着投资费用的大小，从而决定着l 。 的合理选择m 3 。因此，为使操作费用和投资费用进行合理分配，有效的办法 是把投资费用目标也象能量一样表示为最小夹点温差的函数。 投资费用主要由换热单元数和总换热面积确定，若全过程的换热系数相 同且为常数，则当物流问垂直匹配时，所需换热面积最少。此时，最少换热 面积可由下式确定“： a = f 幽= l ”j f d + 7 1 式( 1 8 ) 全过程换热系数相同的假设较为粗略，设计结果有时与最优目标往往相 距甚远。t o w n s e n d 和l i n n h o f f 于1 9 8 4 年提出用于计算网络最小换热面积 的公式为： 产“笋忐阵 其中h 为物流的传热系数，q 为换热量 式( 1 9 ) i 表示温区，j 表示物流，该方 l o 塑坚三些查堂堡主兰堡堡茎一一一一 法考虑r 刁i 同物流间传热系数台q 著别。l i n n h o f f 4 8 l 于1 9 9 d 年对此作了证明。 投资费用一般根据换热面积推算。假设各换热器换热面积相等，物流间 换热为逆流，共有n 个换热器，则单一换热器面积为：“。n 又假设每个换热器型号相同，换热器成本可表示为a + b a 。，则投资费用可 初步估计为m 1 ： n e t w o r kc a p i t a lc o s t = nh 删( 1 - 1 0 ) a h m a d 和h a l1 等m 3 证明等面积假设能较好地满足投资成本的预测，但 对所有换热器采用相同价格公式的这一线性模型往往会导致很大的误差。于 是提出了非线性估算方法m 4 9 】，即把不同的换热器型号或材质差别引起的价 格差别折算成一个面积系数中，由此得到以下最少换热面积公式： “。= 1 葶“忐阵别， 对不同最小传热温差l 。确定了操作费用和投资费用后，可作出总费用与 a t 。的关系图，从而确定最优传热温差“7 “，也可借助计算机搜索得到。 1 4 换热网络改造综合 换热网络综合可分为两种类型一新网络的设计综合和原有换热网络的改 造。前面介绍的方法主要适用于新换热网络的综合，而换热网络改造综合更为 复杂，受到的约束更多，要考虑的因素也更多旧“。首先，应尽可能利用原有的 换热器，其次，应考虑原有的系统结构是否会限制改造方案的进行，如工艺设 备的位黄已定，某些流股会因为距离太远而不便进行换热等。因此，在改造综 合中各种因素都要综合考虑。 用夹点技术指导换热网络改造综合，一种方法是延用新网络的的夹点设计 方法，利用棚格图将原网络与新的优化设计网络相比，找出违反夹点原则的匹 配和没汁， i 合理的换热器，再结合原有网络的实际情况，根据工程师的经验进 行调整，以改进原有网络的热回收性能“7 “o 】。这样做虽可提高原网络的能量 塑望三些奎兰塑主堂堡堕兰 一一 利用率，但经验成份较多，很难保证达到最优的改造结果，改造后的能量目标 和面积同标! - - 5 按新设计确定的优化目标有时差距较大。 换热网络改造的另一种方法是在改造前先确定改造目标，即按投资额或投 资匣l 收年限确定网络改造的最小传热温差，再分析现有网络中是否有违反夹点 规则的匹配，最后消除跨越夹点的匹配，去掉夹点之上的冷却器和夹点之下的 加热器按e 配规则调整物流间匹配。 在确定改造目标时，t j o e 和l i n n h o f f 5 副提出用换热面积利用率不变的原 则改造网络，先计算不同夹点温差t 。下理想设计所需的换热面积和公用工 程，画出换热面积一公用工程曲线，如图1 - 3 ( a ) 线。为使原有面积得到利用， 按面积利用率。不变的原则绘出改造曲线，即： = ( a 理想目标a 宴际) 安簖能t 式( 1 1 2 ) 如图i - 3 ( b ) 线。然后绘出新增面积投资费用与能量节省费用关系曲线， 如图卜4 ，并按投资回收年限确定最优改造目标t m 。 面 积 回收年限 图卜3 恒面积利用率改造曲线图卜4 投资与节能关系曲线 p o l l y l 8 1 及陈开辈等3 认为采用面积利用率不变原则确定改造目标显得有些 保守，提出以原有网络剩余面积不变的方法确定改造目标，即新增的面积为： a = a 7 实际一a 实际= a 理想一a 理想 式( 卜1 3 ) 用这一方法改造换热网络使面积利用率提高，减少了净增面积的投资，可 取得更好的经济效益。 ：塑坚三些奎兰堡主兰堡笙兰一一一 s hi h 。、p 0 1l y 5 7 1 等考虑了压降与传热系数的关系，通过压降确定传热系数 的值，以精确求解换热面积。a n n i k 等1 认为影响改造成本的因素包括物流间 距离、材荆需求、换热器类型、辅助设备、传热系数、所需、压降成本等，因 此应对不同7 r 。计算网络改造所需要的最少成本，再按投资回收年限或年节约 成本选择t 。但他们没有提供可用计算机搜索的具体方法。 关于用夹点技术改造换热网络并取得较好效益的报道已有很多，主要用于 乙烯生产装置6 ”2 1 和炼油过程m “，另外也可用于低温系统h ”。 1 5 夹点分析法的应用情况 夹点技术从提出至今得到了广泛的发展，其应用范围也不断扩大，在成 功地应用于热回收网络基础上，已逐渐发展到包括反应、分离、热回收换热网 络子系统和蒸汽动力公用工程系统的总能系统。对过程系统进行夹点分析的主 要工具包括复合温一焓图、总复合曲线、问题表和栅格图。另外还可用“加减 规则”指导能量集成；增加夹点之上的热量，减少夹点之下的热量，增加夹点 之下的冷量，减少夹点之上的热量都有助于能量集成。 l 单塔的总复合曲线 t s i d e r e b 。i l 盯 d h o l e 盯町于1 9 9 3 年提出用夹点技术对单塔优化， l 广7 通过对精馏塔的严格计算可获得每块塔板的热力学数i 斗i 。 据，作出每块塔板的温度与板上净热流间的关系图，k 1 即为单塔的总复合曲线图，见图卜5 ，进料处即为夹 l s i d e r e b o i l e r 。 点。根据单塔的总复合曲线可指导单塔的能量优化：图卜5 单塔总复合曲线 夹点与垂直轴之间的距离表示回流比可调节的范围， 当复合曲线在夹点以上处焓变较大时表示过冷液体迸料，可采用物料预热或中 问再沸器以减少塔底再沸器f i 勺负荷，当夹点以下总复合曲线焓变较大时采用中 浙江工业大学硕士学位论文 2 蒸馏系统与过程系统的热集成 当考虑蒸馏塔与过程系统进行热集成时，它在过程系统中也有三种放置方 式m 1 ，如图l 一6 所示。当蒸馏塔位r 夹点之上时，其吸热和排热均在夹点之上， 此f 寸，只要排热温位足够高，就可以全部为过程所用，而总需公用工程加热量 将减少，如图卜6 ( a ) 所示。图卜6 ( b ) 表示蒸馏塔位于夹点之下，此时蒸 馏塔利用，过程的余热，不仅额外获得了热量，还使公用工程用量减少到o c 一 ( o 。嗥，) 大大提商了能量利用率。当蒸馏塔穿过夹点时，如图卜6 ( c ) 所 示，塔底再沸器从过程系统的夹点上方取热，而塔顶冷凝器向过程系统的夹点 下方排热，这样全系统的加热和冷却负荷都将增加，该蒸馏塔与过程系统热集 成与甭从能犀：上考虑没有节省。因此，蒸馏塔在过程系统中的合理放置为不跨 越夹点。 罔1 6 分离系统在过程系统中的设置 在考虑蒸馏塔与过程系统热集成时，常用总复合皓线作指导。一普通的蒸 馏塔的热负荷情况可在总复合曲线图上用一“多边形”表示订5 】，假设冷凝器和 再沸器热负荷相等且恒温，则可用“矩形”近似表示，如图1 - 7 所示，该矩形 可水平移动，以达到与过程系统的热集成，复杂塔在总复合曲线圈中的形状可 由相平衡曲线获得 ”。应该指出，这里所描述的总复合曲线包括过程系统中所 有的1 ：艺物流，即包括塔的进料和出料物流，但不包括塔的再沸器和冷凝器的 j 4 塑坚三些查堂堡圭兰垡笙奎一一 t 热集成 当蒸馏塔位于夹点之上与过程系统热集成时，再沸器所需热量不必一定从 过程系统获得，而冷凝器必须与过程系统集成；当蒸馏塔位于夹点之下时，冷 凝器所需热量不必一定从过程系统获得，而再沸器必须与过程系统集成。此时， 过程系统所需公用工程量减少。当蒸馏塔的再沸器和冷凝器都可与过程系统集 成时，适当增大回流比不会增大公用工程用量 “。 当蒸馏塔跨越夹点时，可通过改变操作条件来改变它在总复合曲线中的位 置m 1 。首先考虑改变塔的操作压力，增大压力时，塔的冷凝器和再沸器的温 度均升高，可把塔移到夹点以上。但压力增大，塔内物质的相对挥发度减小， 要达到相同的分离效率，需增加塔板数或增大回流比，从而增大了投资费用； 另r 一方面，塔底温度升高，有可能使塔底产品出现热分解或结焦现象。因此， 塔压力的增大是有限的。同理，当减小塔的操作压力时，可把塔移到夹点之下。 压力减小，有利于增大相对挥发度，提高分离能力，但塔的操作压力也不能降 得太低，否则可能会使冷凝器温度过低，需要使用冷凝剂，这会增加公用工程 成本。此外，也可通过物料预热、调节回流比等方法来改变塔在总复合曲线图 中的位置和形状，以利于热集成。 实现塔的合理布置还需要考虑过程系统是否有能力供给再沸器和冷凝器所 需要的热负荷，当过程物流不能提供足够温位或足够量的能量时，可采用中间 再沸器或中问冷凝器，参见图1 - 8 。对改变操作条件后仍跨越夹点的蒸馏塔， 采用中问再沸器或中间冷凝器也可节省部分能量【7 ”，或者可考虑分解塔负荷， 蒜 匿一 滦 赢 匿一 ：塑坚三些盔堂婴主堂堡堡壅一 采用双效蒸馏或热泵技术，6 l 等方法，但这样做必须考虑设备投资。 关于蒸馏塔与过程系统间热集成的报道已较为常见，但一般都不考虑复杂 塔系，也1 ；考虑塔间的热集成，对于个别塔与过程系统间的热集成往往没有就 操作条件改变对分离效果的影响作分析。 1 5 2 夹点分析法的其它应用 夹点分析法的另一重要应用是指导蒸汽动力系统的优化综合，包括热机和 热泵的设置，确定公用工程等级和不同等级的用量。 热泵和热机在过程系统中的合理放置可采用与蒸馏系统相同的分析方法进 行分析。由于热泵的工作原理是通过消耗一定量的功，将低温位的热量转变为 高温位的热量，因此当它跨越夹点放置时，过程系统所需加热和冷却公用工程 都将随之减少；而当它位于夹点之上或位于夹点之下时，并没有起到节能的效 果。因此，热泵在过程系统中的合理位置为跨越夹点。热机的工作原理是由高 温热源吸收热量而作功，并将部分热量排出，分析可知它在过程系统中的合 理放置为不跨越夹点。当热泵技术用于精馏塔时，一般要求塔顶与塔底温差不 太大，且有廉价的废热源，同时还应确定介质的选用阳8 6 。另外当采用热机 和热泵时，还应考虑设备投资。 总复合曲线反映了过程系统对净加热公用工程和冷却公用工程用量及温位 的需求，因此可依据总复合曲线图来确定公用工程的配景m ，参见圈卜9 。 图l 一9 用总复合曲线确定公用工程 浙江工业大学硕士学位论文 在夹点之上，为了减少加热公用工程的费用，根据总复合曲线应选择尽量 接近净热阱的加热公用工程级别。公用工程划分的级别越多，高温位的加热公 用工程用量越少，运行费用也越少，但增加了网络的复杂性，所以要结合工程 实际全丽考虑。而在夹点之下，应尽量选择高温位的冷却公用工程，如果净热 源的温位足够高，应考虑用于发生蒸汽。 除了前面介绍的一些应用外，夹点技术还可用于指导全过程系统的能量集 成【8 ，以减少烟道气和污水排放，从而减少环境污染。a h a m e 8 1 , 8 2 还对不同 区域问的热集成进行了夹点分析，综合考虑了能量节省和管路费用投资等情 况。目前，夹点技术已成功地用于多个项目中，在世界范围内取得了显著的节 能效果，其应用范围也必将随着研究的深入而不断扩大。 7 塑婆三些查堂堡主兰垡笙奎 第二章精馏过程模拟 2 1 精馏计算 任何以理论板或平衡级为基础的严格精馏计算均包含联解以下基本方程组： 物料衡算方程组( m 方程) ；相平衡方程组( e 方程) ；摩尔分率加和方程( s 方 程) ；焓衡算方程( h 方程) ，通常将这四类方程合称为m e s h 方程。 精馏计算时由于m e s h 方程中含有高度非线性函数，如平衡常数k ，t = k ( p ， t ，x 。，y ”) ，汽相焓h v i = h ( pj ，t ，y ) ，液相焓h k 。= h ( p j ，t j ，x j ，) ，因此， 对于这类方程组要获得其解析解几乎是不可能的，只能采用迭代法或其他数值法 逐步逼近求解。 对各种不同的严格计算法，其区别之处可归结束为联解这些基本方程所采用 的方法和步骤不同。现有的严格计算大体可分为三类： 1 ) 矩阵法：本类算法的特点是将描述精馏过程的方程组按类别组合，对其中 一类或几类方程组用矩阵法对各塔板同时求解，如三对角矩阵法，牛顿拉甫 拉申法。 2 ) 逐板计算法：本类算法和矩阵法相反，将各类方程按板组合，计算是逐板 进行。逐板计算法由于其截断误差传递影响大，对于复杂塔稳定性较差，目前已 经较少使用。 3 ) 不稳定方程法：前两类算法均是对稳定状态的方程组求解，本类算法则用 不稳定状态下的物料平衡方程组，如松弛法，龙格库塔法。 在进行精馏计算时必须先指定些变量值( 如进料量和组成、回流比等) 才 能求解。这是由于精馏过程涉及的变量数多于描述该过程的方程数，两者的差值 便是应指定的独立变量数。计算类型不同，那么在计算时所指定的独立变量也会 有所不同。对模拟型计算，一般把全塔理论板数n 、回流罐压力p 。，进料量f 、 进料组成z 进料温度t 刈、进料位黄垴、侧线液相出料量s u 和位置j s “、侧线 汽相出料量s v j 和位置j 州、中间换热设备热负荷q j 和位置如、塔顶产品量v 。 回流量l ，( 或回流比r ) 作为指定变量。对设计型计算，为了便于计算，也可给 出精馏计算的参数初值，然后由模拟型校核。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 热力学方法的选择 气液相平衡关系是精馏数学模型中的一个基本方程，是确定传质推动力必须 的基本关系式，因此相平衡常数的确定十分重要。相平衡常数由气相逸度系数和 液相活度系数表示，两者都可通过相应的热力学方程求得。精馏计算中使用哪一 类汽一液平衡简化的或严谨的热力学模型，对计算结果的准确性和耗时有密切 关系。以前由于手工计算十分烦琐，很少涉及严谨热力学模型的应用，到了八十 年代，由于计算机水平的高速发展，可以解决较为复杂的算法，各类模型中采用 了多个参数以考虑到更多的实际问题，使对精馏过程的模拟更符合实际情况。 以f 介绍的是目前常用的热力学方法。 2 2 1 逸度系数的计算 逸度系数的状态方程包括s r k ，p r 和b w r s 等，前两个方程是对两参数的r k 方程改进而得，既具有参数少，计算简单的优点，算得的相平衡常数又具有较高 的精确度，与多参数的b w r s 方程式相当。因此，两者在非极性物系( 主要是轻 烃类) 的汽液相平衡计算中得到了广泛应用。但两者算得的液相密度不如b w r s 准确，虽则p r 方程式已有较大改进。另外，这两个方程对氢的相平衡常数预计 精度较差，宜采用b w r s 方程。 2 2 2 洒厦系数的计算 用于计算活度系数的热力学方程包括三类，一类是以正规溶液为基础的，开 发较早，至今还在应用，包括v a nl a a r 方程和m a r g u l e s 方程，其优点是数学上 简单，从活度系数数据容易求得参数，以及能充分表示包括部分互溶的液态体系 在内的偏离理想状态很远的二元混合物。另一类是以局部组成概念为基础的活度 系数方程，包括w i l s o n 方程、n r t l 方程式、u n i q u a c ，这类方程在极性溶液平衡 计算中占有主导地位。 还有类是由纯组