（化学工程专业论文）基于可避免（火用）损和设备投资的精馏过程用能分析和优化.pdf

摘要 摘要 精馏是一个广泛用于过程工业领域汽相和或液相混合物分离的高能耗单元 操作过程。如何有效评估能量密集型过程系统中精馏过程的节能潜力是提高系统 用能效率的关键。为此，本文提出了基于可避免佣损和可避免设备投资的分馏系 统节能潜力分析评价方法，并在此基础上采用过程系统三环节分解协调优化及全 局炯经济调优策略对分馏系统三个用能环节进行协调优化。 本文首先简述了精馏系统用能分析及优化常用的方法。近年来，尽管热力学 的煳分析方法已经能成功的用于估算精馏塔的热力学效率，但是，一方面传统的 精馏塔炯分析方法大多把塔的操作过程视为一个理想的可逆过程，这在实际应用 中其局限性是显而易见的；另一方面，炯效率不能用来有效地比较评价不同分离 系统或者不同的操作单元节能改造的潜力。基于此，本文借鉴t s a t s a r o n i s 等提出 的可避免和不可避免的炯损和设备投资的节能潜力分析方法，对实际操作的精馏 过程用能从炯和删经济的角度进行探讨。与所有的热力学系统一样，精馏系统的 可避免炯损和投资的分析的关键是找到该系统热力学效率较佳点和较差点，进而 分析它们所对应的合适的热力学参数。针对分馏塔单元，本文通过实例分析以及 理论探讨验证了最小回流比和全回流作为不可避免炯损和投资所对应的热力学参 数合理性。当然，由于受到当今技术和经济条件的制约这些参数的选择具有一定 的主观性。在运用煳经济观点评价分离系统经济完善性时，必然涉及到煳损耗的 计价问题。本文采用华贲等的三环节炯经济分析模型，通过正向序贯计价与反向 当量计价方法的结合，对分离系统的三个环节进行合理煳损耗计价，以便有效进 行系统的煳经济分析和优化。 在运用上述方法对精馏系统的节能潜力进行评价分析后，针对工艺用能三个 环节的薄弱环节，在分离系统优化过程中，针对利用环节的诸多相互约束相互影 响的优化措施，特别是与本文研究实例相关的分离顺序、进料预热、回流比一理 论板数三项优化措施，阐述了它们之间的优化顺序关系，并通过g 分离系统实例 研究证明此研究的必要性。通过g 分离系统研究全面地实现了以分馏为主体的化 i ：过程系统从单元到局部到全局的三层次优化的能量综合改进。在考虑工程限制 条件下，通过分解协调优化和全局炯经济凋优，有效实现了分离系统的优化改进。 关键词：可避免煳损；炯经济；分解协调优化：三环节方法 华南理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t i l l a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t u n i t o p e r a t i o n s w i t h h i g h e n e r g y c o n s u m p t i o nf o rs e p a r a t i o no fv a p o ra n d o rl i q u i dm i x t u r e si np r o c e s si n d u s t r y h o wt oe f f e c t i v e l yi d e n t i f yt h e a c t u a lp o t e n t i a lf o re n e r g ys a v i n g si nad i s t i l l a t i o n p r o c e s si sc r u c i a lt oi t se n e r g y u s ei m p r o v e m e n t i nt h i sp a p e r ，t h em e t h o db a s e do n a v o i d a b l ee x e r g yd e s t r u c t i o na n di n v e s t m e n tc o s ti su s e dt oe s t i m a t et h ep o t e n t i a lf o r t h ee n e r g y s a v i n go ft h ed i s t i l l a t i o np r o c e s s ，t h e nt h et h r e e l i n k sf o re n e r g y u s eo f f r a c t i o n a t i o n s y s t e m s a r e i m p r o v e da c c o r d i n g t ot h e s t r a t e g y o ft h r e e - l i n k d e c o m p o s i t i o n c o o r d i n a t i o no p t i m i z a t i o n f i r s t ，t h ec o m m o ne n e r g ym o d e lo fp r o c e s ss y s t e ma n dt h em e t h o d o l o g yo f t h r e e l i n kd e c o m p o s i t i o n - c o o r d i n a t eo p t i m i z a t i o na r er e t r o s p e c t e di nb r i e f r e c e n t l y ， e x e r g ya n a l y s i sh a sb e e nu s e ds u c c e s s f u l l yt oa s s e s st h et h e r m o d y n a m i ce f f i c i e n c yo f d i s t i l l a t i o nc o l u m n s h o w e v e r ，m o s tr e c e n tw o r ki nt h ea p p l i c a t i o no fe x e r g ya n a l y s i s t ot h ed i s t i l l a t i o nc o l u m n sc o n s i d e r st h ec o l u m n sa sar e v e r s i b l ep r o c e s s a c t u a l l y d i s t i l l a t i o n p r o c e s s r u nu n d e ri r r e v e r s i b l ec o n d i t i o n s s ot h e a s s u m p t i o n o f r e v e r s i b i l i t yp r e s e n t ss e r i o u sl i m i t a t i o n sf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h em e t h o d o l o g yt o a c t u a lc o l u m n s i na d d i t i o n ，t h ee x e r g e t i ce f f i c i e n c yc a nn o tb eu s e dt oc o m p a r et h e p e r f o r m a n c eo fd i s s i m i l a rc o m p o n e n t si ns e p a r a t i o ns y s t e m t h u s ，i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pa p p r o a c h e s f o r e s t i m a t i n g t h ea v o i d a b l e p a r t o ft h e t h e r m o d y n a m i c i n e f f i c i e n c i e so ft h ed i s t i l l a t i o np r o c e s s b a s e do nt h ec o n c e p t so fa v o i d a b l ea n d u n a v o i d a b l ee x e r g yd e s t r u c t i o na n di n v e s t m e n t ，u s i n gap r a c t i c a la r o m a t i cs e p a r a t i o n s y s t e ma sa ne x a m p l e ，t h ee x e r g y r e l a t e da p p r o a c h e sf o re n e r g y - u s ea n a l y s i sa n d e v a l u a t i o nt oe n e r g y i n t e n s i v ed i s t i l l a t i o np r o c e s s e s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs t r a t e g i e s f o rd e t e r m i n i n gt h et w op a r t so fe x e r g yd e s t r u c t i o na n di n v e s t m e n tc o s ti nd i s t i l l a t i o n p r o c e s s e sa r ed e s c r i b e di nt h i sa r t i c l e d u r i n ga n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nu s i n gt h e c o n c e p t so fa v o i d a b l ee x e r g yd e s t r u c t i o na n di n v e s t m e n tc o s ti na r o m a t i cs e p a r a t i o n s y s t e m ，i t i sc r u c i a lt os e l e c tt h em o s t i m p o r t a n ta p p r o p r i a t et h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r sc o r r e s p o n d i n gt ot h em a x i m a la n dm i n i m a le f f i c i e n c yo fkc o m p o n e n t i n t h i s p a p e rt h eu n a v o i d a b l ee x e r g yd e s t r u c t i o n sa n di n v e s t m e n tc o s tf o rad i s t i l l a t i o n p r o c e s sa r ed e t e r m i n e dt h r o u g ht w oe n e r g y - u s ee x t r e m i t i e so ft h em i n i m u mr e f l u x r a t i oa n dt h et o t a lr e f l u x ，w h i c hh a sb e e np r o v e dt ob er e a s o n a b l et h r o u g ht h e d i s c u s s i o no fap r a c t i c a la r o m a t i cs e p a r a t i o ns y s t e me v e ni ft h e s ed e t e r m i n a t i o ni s a r b i t r a r yi naw a y i nd e a l i n gw i t ht h ei n e f f i c i e n c i e sa s s o c i a t e dw i t hd i s t i l l a t i o np r o c e s s i l u s i n gt h ec o n c e p t so fe x e r g e t i ce f f i c i e n c ya n dc o s t i n gf o re v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c e o ft h ed i s t i l l a t i o nu n i t ，i ti sa s s u r et h a th o wt oc a l c u l a t e dt h ee x e r g yd e s t r u c t i o nc o s t w i l lb ec o n c e r n e d t h ec o s to ft h ee x e r g yd e s t r u c t i o nw i l lb ee s t i m a t e db yc o m b i n i n g t h es e q u e n t i a lc o s t i n gm e t h o da n dt h er e v e r s e de q u i v a l e n tc o s t i n gm e t h o dt h r o u g h t h r e e - l i n km o d e li nt h i sp a p er a f t e rt h ea n a l y s i so fe n e r g y u s ef o rt h ed i s t i l l a t i o np r o c e s s ，t h ee n e r g y - u s e i n e f f i c i e n c i e sa r ep o i n t e do u t ，t h e nt h eo p t i m a ls e q u e n c ea r er e s e a r c h e da m o n gt h r e e r e t r o f i t t e dm e a s u r ew h i c ha r eu s e d t ot h ed i s t i l l a t i o nc o l u m ni nt h i sp a p e rd u r i n gt h e p r o c e s so fo p t i m i z a t i o ni nf r a c t i o n a t i o ns y s t e m s i t i s p r o v e dt o b en e c e s s a r yb y r e s e a r c ho fap r a c t i c a la r o m a t i cs e p a r a t i o ns y s t e ma sa ne x a m p l e b ym e a n so f o p t i m i z a t i o no fd e c o m p o s i t i o n c o o r d i n a t i o n a n dt o t a l s y s t e m o ne x e r g y e c o n o m i c s ， p r o c e s sr e v a m p i n gf o r t h ea r o m a t i cs e p a r a t i o ns y s t e mi sa c h i e v e dc o n s i d e r i n gt h e r e s t r i c t i o no fp r a c t i c a l i t y k e y w o r d s ： a v o i d a b l e e x e r g y d e s t r u c t i o n ；e x e r g e c o n o m i c s ；o p t i m i z a t i o n o f d e c o m p o s i t i o n c o o r d i n a t i o n ；t h r e e l i n km e t h o d ； 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：、甲 c ，当能量综合条件变化 时，c ，。将随着转换环节的改变而改变，具体的数值可按公式4 1 0 设计情况计算出， c 。的改变幅度一般不会太大，因此，协调优化中，c ，。对r 一，反馈影响一般比较 小。 跞 华南理下火学硕士学位论文 = c + 。7 一7 t 7 1 、 ( 4 1 0 ) 式中：c 。一传递单位热量所需的总费用 对于岛，其炯价主要取决于塔顶待回收煳e x o j 回收利用的程度，因而根据塔 顶温度的不同，大致有下面三种情况： ( 1 ) r t o ，e x o i 可以回收利用，如用作另外一个塔的再沸器热源，这时的再沸器 同时起冷凝器和再沸器的作用，其最佳传热温差可由前面提及的。关联式给出。 c q2 c ：，一一t o ( t d 一乙) ) ，c j 指回收煳所取代部分的有效利用炯炯价，由第二 个塔( 或回收利用环节) 的工艺与操作条件决定，显然c u 0 。不过由于传 统优化塔顶一般采用冷却水排弃塔顶冷凝潜热，故总用c o i ，e x o 要用冷却水或空气冷凝，这时传统优化和煳经济优化流程安排不, 会有多大的差别，c 。 0 ，且变化相对比较平缓，此时对r 一，优化影响很小。 ( 3 ) e ， t o ，e x o 必须用冷却水冷凝，由于冷却水的生产需要消耗大量的煳，因而 c 。0 ，且变化比较显著，体现在对r 一坼协调优化反馈影响也较大。 q 。和铴，的炯流定价策略可采用陈清林m ，等提出的通过正向序贯计价方法与 反向当量计价方法相结合的计价策略，以如图4 - 1 简单的分馏过程为例来表明计 价过程。 图4 1 简单分馏过程中流价值变化 f i g 4 一】c h a n g e so fe x e r g ya n di l sc o s ti nas i m p l ef r a c t i o n a f i n gp r o c e s s 外供高压蒸汽h s 经背压蒸汽透平发电及产生工艺过程需要的低压蒸汽l s ， 低压蒸汽经塔底再沸器转换成工艺物料分离所需的热州e x u h ，塔顶物料带出的待 第四章精馏系统分解协调优化 回收煳e x o 经冷凝器回收发生超低压蒸汽外输或供本装置使用。三个环节的划分 见图4 - 1 各环节的价值平衡方程，可以计算各股j 堋流的烯价。计算过程中忽略给水 炯以及装置散热引起炯损失，且假定凝结水煳未加回收而直接排弃。 各组元的费用平衡式为： 蒸汽透平s t ： c e x + c 焱m = cl i s 酝七z s l 再沸器r b ： c u h e x u h = cl s e x l s + z 冷凝器c l r ： c o j e x m + z 2c f e x l l s ( 4 1 1 ) ( 4 一1 2 ) ( 4 一1 3 ) 蒸汽透平与再沸器属于转换环节，其产品炯价可以通过正向序贯计价方法求 得。联产炯价可以根据具体的经济条件引入某些附加经济方法来求解。例如，在 此可以采用均值法，假定c p 。= c l s 来决定低压蒸汽与电力的焖价，即： c 憾= 沁h s 壶x h s 十2 s r 、( p 。x 帕w + 宣x 噶) 则有效供入热炯的炯价为 c u h = ( c 应x + 2 ) e x w 冷凝器属于回收环节，待回收煳价不能通过塔的费用平衡求得 汽作为系统回收的产品焖，其j 媚价可以取为低压蒸汽焖价，即：c s 量计价方法，通过冷凝器的费用平衡反向估算待回收炯价，即： cn j = 如l s e x f | s z c l h ) e x 嘶 4 5 分离系统炯损计价策略m 4 5 1 转换环节炯损计价 ( 4 1 4 ) ( 4 一1 5 ) 但超低压蒸 c 应用当 ( 4 一1 6 ) 图4 2 表示了能量转换环节中1 组元的输入、输出煳流及内外炯损失，其中 产品炯流nd f - e r 叫随利用环节与回收环节的优化而定，作为转换环节分析优化的 边界条件，为一定值，且外输入煳流的价格cp 不受环节内炯损耗的影响。所以， 华南理工大学硕士学位论文 此环节中的炯损计价，即堋损耗单位佣价与外输入炯价相等，在此可以取其权均佣 价： c k u = c h e x n e x p f ( 4 - 17 ) 图4 - 2 转换环节1 单元焖平衡 f i g 4 2e x e r g yb a l a n c eo fc o m p o n e n tli ne n e r g yc o n v e r s i o ns u b s y s t e m 用式4 1 6 计算的炯损费用相当于为克服环节内炯损耗所多消耗的燃料费用。 通过以上分析可知，对于转换子系统，在将炯损耗与投资费用的权衡作为系 统优化的目标时，如输出煳流( 觑。+ 威。，) 保持恒定，可以将其表示成最小的以输 出炯流为基准的费用增加，即： m i n a o f ，= ( f 一cp ) ( v + 反) = ( cp i 谚u c w ，或u ) + 2 ( j + cp f d k u ( 4 一i8 ) 4 5 ，2 能量回收环节炯损计价 图4 - 3 表示了能量回收环节中j 组元的输入、输出煳流及内外煳损失，其中输 入炯流西。，在利用环节确定后保持不变，且所回收产品炯流的价格，c e 。不受环 节内焖损耗的影响。所以，此环节中的j 煳损计价，即佣损耗单位炯价与输出产品炯 流炯价相等，在此，也可取其权均煳价： 图4 - 3 回收环节j 单元炯平衡 f i g 4 3e x e r g yb a l a n c eo fc o m p o n e n tji ne n e r g yr e c o v e r ys u b s y s t e m 第四章精馏系统分解协调优化 值。 c k r = c 自( 及r ，+ e x 。) ，( 出+ e ，) ( 4 1 9 ) 用式4 1 9 计算的炯损费用相当于因为环节内炯损耗而减少的回收产品煳价 同样的，对于回收子系统，在将炯损耗与投资费用的权衡作为系统优化的目 标时，如输入煳流矗。保持恒定，可以将其表示成最小的以输入焖流为基准的费 用增加，即： m i n a o r = ( c m c 。) & 臼= ( c 尉d 脓一c j r 如) + 2 r + c 衙d 胎 ( 4 2 0 ) 4 5 3 能量利用环节炯损计价 图5 4 表示了能量利用环节中j 组元的输入、输出炯流及内外煳损失。过程的 目的是生产一定的物流产品而非能量产品，其中炯作为过程的推动力，在推动过 程以一定的速度进行时发生损耗。在一定的动力学约束前提下，完成物流的过程： 进 物 产品 物流 图4 4 利用环节j 单元炯平衡 f i g 4 - 4e x e r g yb a l a n c eo fc o m p o n e n tji ne n e r g yu s es u b s y s t e m 转换所需消耗的炯量为d 。，。环节中输入炯流n 肌与e r m 作为其它环节的输出炯 流，具有恒定的炯价cu f 且此炯价并不随利用环节的煳损变化而变化；而利用输 出的煳流价值c o j e x o j 可以通过当量计价方法来估算。所以，转移至物流产品p t s 的过程推动力价值实际为( c 。e x 均 ， c o j e x o j ) 。针对具体的系统，其优化的目 j 标函数存在具体的表达式。环节内煳损单位煳价应为 用。 c k p = ( e x 蜥一哂e x 印) d 。 ， jj ( 4 2 1 ) 用式4 2 1 计算的炯损费用相当于提供过程进行的推动力所净消耗的燃料费 华南理工人学硕士学位论文 4 6 改进措施的炯经济评价调优 一般的说，改进措施的投资估算是比较容易的。困难在于效益的计算。如前 所述，按照措旌所在环节和效益特征，可将节能改进措施分为4 类：( 1 ) 降低工 艺总用炯的n 类措施( 特征参量：e x 。) ；( 2 ) 降低过程炯损耗d 。的k 类措施( 特 征参量：d k p ) ；( 3 ) 增加能量回收的r 类措施( 特征参量：c 。，) ；( 4 ) 提高转换效 率的u 类措施( 特参量c 。) 。在这4 类措施中，除了u 类措施可以从节省外界供入 的能源计算效益之外，其它3 类则很难作到。因为它们的节能效果多体现在佣损 耗的降低、总用删的减少或回收娴的增加上；因而，它们的效益必须通过佣经济 学方法计算。 4 7 本章小结 本章运用三环节模型理论于分馏系统的用能优化。探讨了三环节模型用于精馏 系统优化的步骤以及用能优化措施。针对利用环节核心单元一一分馏塔，详细阐 述了回流比一理论塔板数、塔操作压强等优化措施。在应用佣经济作为各个环节 优化的手段时，必然涉及到各环节的煳经济边界条件，因此探讨了各个环节的煽 价计算策略1 6 3 】。 第五章基于不可避免媚损和设备投资( 苫芳烃分离用能分析 第五章基于可避免炯损和设备投资g 芳烃分离 5 1 c ；芳烃分离系统的描述 用能分析 原料c ；芳烃由乙苯，对二甲苯，间二甲苯和邻二甲苯四种同分异构体以及重 芳混合而成。本分离系统由浮阀塔二甲苯塔t 1 和邻二甲苯塔t 2 组成。其流程如图 5 1 所示。c ：芳烃的四种同分异构体常压下泡点相差不大，故为达到一定的分离任 务和产品分离精度需要较大的回流比或者较多的分离塔板数。实际生产中，二甲苯 塔的塔板数为1 5 0 块，回流比为1 6 4 8 ，塔径是4 2 m ；邻二甲苯塔的塔板数为9 0 块， 操作的回流比为8 4 5 3 ，塔径是2 2 m 。c ：芳烃分离规模为3 0 万吨年。 原料g 芳烃加热到1 5 2 8 进入二甲苯塔t l 第8 2 层板，二甲苯塔顶混合- - 甲 苯经换热冷凝后，一部分作为产品出装置。二甲苯塔底物自压送入邻二甲苯塔第3 0 层板。二甲苯塔底用加热炉供热；该炉不但供二甲苯塔作热源，同时利用塔底c ：芳 烃作热载体，也给邻二甲苯塔以及其他装置作热源。二甲苯塔顶物流( 气相) 提压 至0 4m p a ，送至抽提汽提塔，苯塔和甲苯塔底作为再沸器的热源。此芳烃分离系 统用能三环节划分见图5 2 。 图5 一i 芳烃分离流程图 f i g 5 1f l o w s h e e to fa na r o m a t i cs e p a r a t i o ns y s t e m 华南理t 大学硕士学位论文 5 2 可避免炯损和可避免投资的计算 5 2 1 加热炉 为了求加热炉的可避免焖损，据文献【6 4 】认为在不可避免炯损发生时加热炉为 绝热燃烧，反应物预热到1 0 0 0 。c 并且有： ( t z 6 ， 不可避免设备投资，可以假定反应物是在标准状态下进入加热炉，此时根据文 献【6 4 】： ( z f ，) 。= 0 1 2 6 5 2 2 分馏塔 邻二甲苯、乙苯塔煳损率e 。与设备投资率z r 可以使用本论文第四章介绍的 方法求取。前所述单位产品炯设备投资率随着炯损率的增加呈现下降的趋势，属 于减函数。当设备投资率到达最低极限时，炯损率为无限大，此时相应的回流比 时无穷大；当单位产品煳损率达到最低极限时，设备投资率为无穷大，此塔在最 小回流下操作热力学参数见表5 - l 图52 芳烃分离= 环节划分 f i g ，5 2t h r e e - l i n km o d e lo fa na r o m a t i cs e p a r a u o ns y s t e m 第五章基于不可避免煳损和设备投资c ；芳烃分离用能分析 5 2 3 换热器 由前面提及换热器的炯损可用公式 耻e q , h - e q 。= q 瓦( 等 睁， 由公式很清楚的看出在传热量一定的情况下，平均传热温差越小，传热温度 t h 。和t h 。越高，换热器的炯损越小m i 。在现有的技术和经济条件下，c 8 芳烃分离 系统塔t l 和塔t 2 的再沸器和冷凝器不可避免的炯损所对应的热力学参数如表5 - 1 所示。 5 2 4 可避免的炯损和投资的计算 分离塔t 。和t 2 可避免煳损采用本文第四章提出的方法计算，塔底再沸器和塔 顶冷凝器可避免焖损采用文献f 6 2 j 方法计算。塔和换热器的计算过程均不记设备对 环境的散热损失，冷凝器的总传热系数被认为是一个常数。环境参考状态如下： p o = 1 a i m ，t o = 2 9 8 15 k 。计算结果如表5 - 2 和表5 - 3 所示。 5 3 炯分析 整个分离系统媚损主要来源于加热炉f ，、二甲苯塔t ，、邻二甲苯塔塔顶空冷 器a 。以及二甲苯塔的塔顶冷凝器e 。，各自炯损分别为2 2 6 1 7 5 0 k w 、l3 6 3 8 8 k w 、 1 4 0 3 2 l k w 、3 0 2 9 3 k w ，占了整个分离系统炯损的9 4 4 2 。 比较分离系统的各个单元设备的炯效率，可以看出装置用能水平最低的设备 是邻二甲苯塔t 和乙苯塔t 。，各自的炯效率仅只有2 2 8 5 ，6 8 。而反应装置 设备可避免煳损即设备改进潜力最大的单元是加热炉f 、二甲苯塔t 、和邻二甲 苯塔塔顶空冷器a 。以及二甲苯塔的塔顶冷凝器e 。，其可避免的炯损e ：”分别是 1 9 1 8 8 5 7 k w 、6 4 0 4 9 k w 、1 2 6 2 8 9 k w 、2 8 0 4 6 k w ，占了分离系统可改进潜力的9 4 6 2 。 二甲苯塔t l 的炯损e o = 1 3 6 3 8 8 k w 比邻二甲苯塔t 2 的= 2 4 9 3 l k w 大， 且塔t l 的可避免煳损础”= 6 4 0 4 9 k w ，比塔t 2 的e ：”= 1 2 0 3 2 k w 大。可见t 1 塔 的用能改进潜力比塔y 2 大。这一点从反应用能改进潜力的因数z 。a v 。= 础”e 。可以 很清楚的发现。塔t l 的z 。a v = 4 6 9 6 小于塔t 2 的z 敛= 4 8 2 6 0 。 华南理上人学硕士学位论文 对于整个精馏系统三个环节来说，作为转换环节的加热炉由于其辐射段直接 用来加热低温位( 2 3 0 一2 6 0 。c ) 热阱，造成了巨大的炯损失，其改进潜力很大； 而回收环节由于有些设备过大的传热温差，如e l 传热温差为6 7 4 和采用空冷器 直接排弃如a 1 ，均造成了较大的能量损失，其改进潜力也很大。 表5 一l 各单元设备合适的热力学参数选择 t a b l e5 - 1v a l u e so fs e l e e t e dk e yd e s i g np a r a m e t e r su s e df o rc a l c u l a t i o n s 注：操作点f d p ) ，不可避免用能点( u t i ) ，不可避免设备投资用能点f u t c ) d e s i g n - p o i n t ( d p ) ，u n a v o i d a b l et h e r m o d y n a m i ci n e f f i c i e n c i e s ( u t l ) ，u n a v o i d a b l ei n v e s t m e n t c o s t s ( u t c ) 5 4 娴经济分析 设备投资采用参考文献 5 9 】的推荐的c a p c o s t 设备投资软件模拟计算，在此设 备的操作和维修费用均不计。设备是使用年限为15 年，每年的开工时间为7 2 0 0 h o u r s a ，化学工程费用指数取3 9 7 ，分馏塔煳损采用文献1 5 6 1 的策略计价。分析中 采用文献【6 5 给出的装置组元的投资费用z 。，设备投资及维修费用相关的费用流 率2 可写成： 。毋 要 守 星 、造 x蒌 ；誓暑 岫 邕 菩； 岫 岜 毒 董 董 ， 主 n口nn 。目 。卜、c , in口n nh口nhn h 口口 ho 口n 口口 寸一n 口寸口 nho目noo 卜、。口 h 口nn 雩嗣导遣鬟毯昌刭餮”r - i 舞囊 ooo hoo 一、! noin 目nn_n目口一n口n hn hn nn 一n a 口n 霉 ：奏譬葺量冀簧罱詈禹 nnno目nn ：n 目目 hnnv 、nnhnn 口onn岔口 。昌尊呙赛2 掣罄譬 nnhhnnon noo oooooo 。_ _ 昌斜 蓥至善奏孽量莩罨裹誉毫甍 罱导g 兽葛霉芝一篙导凑裂 囊塞曩萎喜囊篓嗣萋萎 莩至i 誊呈三兰墨墨墨。萤目nh hhhn“o“ 、 ”目nnn 一一 。_h”口nnn 舂 卜、nnn寸ni n _口h口ni 九o ：no noo目hh 口l n 寸i n v 、_ _ hn_nh_n h id 面占占卤卤卤占乏f 昌 卜口n n n n 口a 寸 苎 营c0490u要uo一。：oj甚aoil3j鲁廿弓窜冀。u一号plo弓口j pug焉pio蟊害lpji。u!s!言c对蟊委。廿暑j0兰景蛊q：iq盘 举鳍妊求罪孽斌期日悟毒斌搿日雌魁氓珥雌ni” 嚣隶涩王铤求型椒hu妪掣雉魁乓骚詈氓捌上堕悟*郴褂旧拣 、芭 冀星 。辞 k h一口口”n寸on 目口 nn_ouo 。”r 、口目 。一hohho 口i n 、。h 。o or 、i t j 。 i n oooo hhi n 口n 口。岣一 g 苗“嗨“1 “寻一吝寻 ”目hi n 一hnhh 耋董 | 萋萎霎墨妻萎茎妻羹妻室 。 一 + ；。 砷 t , q x 嗵皇 ue k 鼍皇 苔岂 鼍 ge k皇 n 岂 皇 对岂 掣兽。，。罱 赛霸罨；萋量葛g 琶孥量 n ，h 乱心n n西_【non _ 【n 一口n n n n n n n卜口心心 心n 西 o o o _ 【 n n 寸心昏n n n 寸n 母蚰 n o 寸 。寸” n 寸n 卜n 卜 西卜寸 口n o 饥_ 【n 卜n n n n 【 一_【no【 夺卜o o _ i 卜a 卜母o一_【 n n 【 小岭寸 寸寸寸卜 寸n o 心乱 n 昏卜卜 o n 口 价均 一o 寸h 口n n 2 n o h h 一h 铒” n 卜n n 卜寸一n o o 口 卜寸一o n n 啦寸 n 一寸 n 寸口口 n q 吼 【q _ 【 心卜” o 一卜n 寸 口小n 寸n 一卜n n 口昏o n n 一_ 【_ 【n 口母寸n 昏”on n 寸n o 孰 寸n昏一oh 寸o n n 昏_ i 心n一一 n ”一”n o 工 h n a n f o l | 吼o n 的 卜 吼o n 心 口o n 占 a o n 寸毗 吼o n n 叫 o n n 叫 口。n l a o 口卜心n 一卜 一卜一昏n 一卜 一i i * 一 譬n fo砷一 碡。日u 。z 叽菪oiiocliiiou勺。芑一廿iojis_r霉ugoiioug磬uz专ko=ns蛊c_呐qo用_ 鞲纂妪求埯翻擘雌籍恨井谁c-n僻 戗皋迥扑二隧扑k二r戤怔斟 第五章基于不可避免删损和设备投资c ；芳烃分离用能分析 2 r = z c r f l 9 0 ( n x3 6 0 0 ) ( 5 - 2 ) 式中，c r f 为年投资回收系数，为装置年运行小时数，p 为设备维修系数， 在此取：c r f = 1 8 2 ，n = 7 2 0 0 小时，9 = 1 0 6 。 表 5 - 3揭示了分离系统各个设备的经济分析数据， y = ( z n 呶 卜矗r 比值反映了在当今技术和经济条件下，可避免炯损和 投资占总的费用( 炯损和投资) 的比重。由表5 - 3 数据可见二甲苯塔的冷凝器e i 的( z ：”+ c 妊) ( z x + c 眦) 值较大，为是8 7 1 6 。而反应设各改进潜力的可 避免炯损和投资( z ”+ c 。a v ) 最大的两设备是加热炉f i 、二甲苯塔t i 和邻二甲 苯塔t 2 ，分别为2 6 9 1 5 8 ￥h ，2 0 8 5 8 9 y h ，4 5 7 1 0 y h 。 肇元设备的炳经济因子，。定义为公式( 5 3 ) ： ， 兰! ( 5 3 ) zk + c dk 删经济因子 反映了k 单元设备的非能量费用z r ( 单位时间内设备投资转 移到产品中的费用) 占总费用z r + c n r ( 炯损费用与非能量费用之和) 比重。实 际上，煳经济因子 体现了单元设备非能量投资水平的高低，反映了非能量投资 设备系统的完善性能。 t s a t s a r o n i s 等m i 基于可避免非能投资( 设备投资) 定义了k 单元设备新的堋 经济因子兵： 正：三 ( 5 _ d ) z ：”+ c m a v 新的炯经济因子正反映了在当今的技术和经济条件下k 单元设备可避免的非 能投资z 占可避免的总费用z ：”+ c 敛的比重。相比煳经济因子，k ，正更进一步 指明了在现有条件下单元设备改进的方向。当兵”5 0 时，表明k 单元设备单位时 i 、日j 内转移到产品中可避免的非能量投资z ：”远远大于相同时间内的炯损费用 4 l 华南理工人学硕士学位论文 c g ，因而在设备单元改进过程中要更加重视可避免的非能量投资z ；”减少。当正 在5 0 左右时，该单元可避免的非能量投资z ：”和炯损费用c 。a v 时相当，在设备 改进过程中，二者需权衡优化，如邻二甲苯塔t f f = 4 6 1 8 ) ；当兵远远小于5 0 时，该单元的可避免的非能量投资z 远小于炯损费用c g ，该单元设备的改 进要把注意力集中在降低煳损费用c 妊，如e l ( = 1 5 5 6 ) 。 5 5 本章小结 针对某石化企业催化重整g 芳烃分离单元运用可避免炯损和设备投资炯和炯 经济分析可知，芳烃分离系统三个工艺用能环节用能评价如下： 1 工艺用能利用环节：煳效率为2 2 8 5 ，主要炯损来源于二甲苯塔，该塔 r r 。= 2 2 7 ，其中可避免的炯损达到6 4 0 4 9 k w ，可避免的设备投资和能耗费用 很高( 2 0 8 5 8 9 ￥h ) ，该进潜力很大。 2 工艺用能转换环节：此环节炯效率为3 5 7 1 ，主要炯损来此加热炉辐射 段的换热炯损，其中可避免的炯损达到1 9 1 8 8 5 7 k w ，可避免的设备投资和能耗费 用最高( 2 6 9 1 5 8 ￥h ) ，而且主要改进潜力来自于能耗费用的降低( 厍= 2 4 3 3 ) 。 3 工艺用能回收环节：此环节炯效率为7 5 3 9 ，主要炯损来自空冷器的蜊 排弃弓二甲苯塔顶冷凝器e i ，e 5 各自的可避免炯损达到1 2 6 2 8 9 k w 、2 8 0 9 8 k w 和 3 4 1 0 7 k w ( 由于后两者的传热温差较大分别为6 7 4 和5 6 ) ，可避免的设备投 资和能耗费用较高的是e 5 ( 1 1 6 6 8 y h ) 。 第六章c ；芳烃分离用能的优化 第六章g 芳烃分离用能的优化 6 1 利用环节的炯经济优化 通过对上述装置用能分析，结合利用环节中精馏塔优化内容，考虑到g 芳烃 分离塔中二甲苯塔塔顶和塔底冷凝热分别作苯塔、甲苯塔、邻二甲苯塔的再沸器 热源造成回流比过大r 靠。= 2 2 7 的现实，利用环节的优化重要的一个措施就是对 二甲苯塔尺一，权衡优化；c ：芳烃主要由乙苯e b 、对二甲苯p x 、邻二甲苯o x 、 间二甲苯m x 组成，这几种芳烃之间相对挥发度相互之间相差不大，分离系统优 化的另一个措施将是分离顺序的优化选择；二甲苯塔进料为液体进料，且进料温 度偏低为1 5 2 8 ，这势必增加再沸器高温位热源的供入，使得分馏塔煳损的上升， 分离系统优化的另一个措施将是考虑充分利用加热炉烟气余热预热二甲苯塔的进 料。本分离系统利用环节所采用的这三个优化措旋并不是彼此独立，毫不相干的， 而是相互影响相互制约。分离顺序优化选择是关系到这个分离利用环节整体优化 的措施，只有首先优化好了分离顺序，后面的r 一，优化才有优化的先决条件， 如果先对分馏塔进行r 一，优化，再考虑分离顺序的优化，这样假设分离顺序相 对基准方案有变化，造成分馏塔再一次月一。权衡优化，加大了工作量，结果也 只能是事倍功半：同理，由于进料的预热会影响到再沸器的热源的供入，此优化 措施也需要在r 一，优化之前来完成。因此，本文中对芳烃分离利用环节优化步 骤分一下三步完成：第一步，分离顺序优化选择；第二步，二甲苯塔进料的预热； 第三步，分馏塔r m 的权衡优化。 6 1 1 分离顺序的优化选择 如上所述，芳烃分离系统进料为一多组分进料( 包括乙苯、对二甲苯、邻_ = 甲苯、问二甲苯以及重芳) ，而产品出料只有三股分别为：混二甲苯( 乙苯、对二 甲苯及间二甲苯) 、邻二甲苯及