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青岛科技大学研究生学位论文 氯乙烯装置的节能研究 摘要 针对现有平衡氧氯化法生产氯乙烯装置能量消耗较高的情况，研究如何通过 热集成手段改造氯乙烯装置以降低其能耗，具有重大的现实意义。本文围绕这一 主题，基于某工程实例，开展了氯乙烯装置的节能研究。 在全流程模拟基础上，通过对氯乙烯装置各换热设备能耗的分析发现，能耗 主要发生在精馏塔冷凝器和再沸器上。于是采用塔系之间以及塔与过程之间的热 集成方案。提出了不改变装置的操作参数( 方案一) 和改变装置的操作参数( 方 案二) 两个节能方案。 在方案一中，利用反应热为e d c 回收塔d a 3 0 4 塔底再沸器供热并预热裂解 炉迸料，用e d c 急冷塔d a 4 0 l 塔底循环物料给v c 2 拌塔d a 5 0 3 再沸器供热。需 要新增3 台换热器。计算结果表明，采用本方案年节省费用为4 5 4 0 万元。 在方案二中，减少v c l 群塔d a 5 0 2 的回流比，节省高压蒸汽。提高e d c 2 # 塔 d a 3 0 3 的塔压，获得了高品位的热量，充分利用这部分高品位热量，为e d c l 桴 塔d 舶；0 2 、脱水塔d a 3 0 l 、e d c 回收塔d a 3 0 4 以及h c l 塔d a 5 0 1 再沸器供热。 需要新增7 台换热器。计算结果表明，本方案年节省费用为2 5 6 6 0 万元。 应用夹点技术对氯乙烯装置的节能改造方案一和方案二进行了诊断，结果表 明：方案一符合夹点匹配的准则，虽然还有进一步节能潜力，但其热物流温位低， 冷物流温位高，不允许有更大的节能空间。方案二存在违背夹点规则的情况。虽 然方案二大大利用了余热，但是换热器跨越夹点以及夹点之上的冷凝器必然导致 氯乙烯装置能耗的增加。 通过对方案二的调优处理，得到了节能方案三。方案三采用与方案二相同的 操作参数，利用e d c 2 撑塔d 舶；0 3 塔顶高品位热量，作为e d c l 拌塔够0 2 ，脱水 塔d a 3 0 1 以及h c l 塔d a 5 0 1 的再沸器热源，并利用剩余的高品位热量为裂解炉 进料预热。同时，利用直接氯化反应的反应热为e d c 回收塔d a 3 0 4 的再沸器供 热。在方案二的基础上新增1 台换热器。计算结果表明，本方案年节省费用为 2 6 6 1 9 万元。通过对三个方案的比较得出，方案三为最终的节能方案。 关键词：氯乙烯热集成夹点技术节能 青岛科技大学研究生学位论文 s t u d yo n1 匝e n e r g y sa n g t e c h n o l o g yi nc h l o r o e 耶可y 1 ，啪p r o c e s s a b s t r a c t t h e e 虹s t i i 坞 o x y c l l l o r i n a t i o np r o d u c i i l gc m o r 0 甜l y l e n ep r o c e s sc o n 册m e s s u b s t a l ：1 1 t i m 锄o u mo fe n e 礓莎ni so fg r e a ts i g n j f i c a n c et 0s t i l d yt h ee n e 玛y - s a v i r 培 p r o b l e mb y0 p t 砌z i i l gm ee n e 瑁yu s i i 培 s c h e i i 圮o fc l d o r o e m y l e n ep r o d u c t i o n p r o c e s s f o c u s i n go nt l l e s u _ b je c ta n da c c o r d i l l gt 0 l er e a ls i t u a t i o no fac e n a 血 c l d o r o e m y l e n ep l 趴t ，m ee n e f g ys a v i l l gt e c l l n o l o g yo fn l ec i l l o r o e t l l y l e n ep r o d u c t i o n p r ( c e s sw 髂s t u d i e di 1 1t l l i sp 印e r b a s e do n 1 em 砒e m a t i c a ls i i i l u l a t i o i l ，t h ee n e r g yc o m 啪1 p t i o no fe a c hs e c t i o n w 舔a i l a l y z e dc o m p 锄t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt l l a tm ee n e r g yc o i l s u m p t i o nw 嬲 d e m o m 沲锄e dm a i l l l yb y 1 ec o o l e r sa n dr e b o i l e r so ft l l ed i s t i l l a t i o nc o l i 加1 n s ow ec 趾 a d o p tt 1 1 eh e a ti 1 1 t e 掣a t i o nb e t w e e nd i s t i l l a t i o nc o l u m 船0 rc o l l l m n s 赳1 dp r o c e s s t h e a l i d l o r 眦g g e s t e dt 、) l ，oe n e f g y - s a v i n gs c h e m e s ，山e y 、e r et h es i n l a t i o no fd i d n tc h a i 唱 l ep 猢e t e r so ft h ep r o c e s s ( s c h 锄e0 1 1 e ) a n dc h 趾gt 1 1 ep a r 锄e t c 璐( s c h e r l l e 似o ) i ns c h 锄eo n e ，u s er e a c t i o nh e a ti i l s t e a do ft i l eh e a td e m a n d e db yr e b o i l e r so f m s t i l l a t i o nc o l u r i m 锄d 哪ei tt 0p r e h e a tt l l ef e e do fd i s t i l l a t i o nc o l u m n ；u s eb o t t o m m a t i e r a lo fc o o l 洫gd i s t i l l a t i o nc o l u m nd a 4 0l t 0h e a tt h er c b o i l e ro fp a c k e d d i g t i l l a d o nc o l l l i i mi i lm l r i 母s e c t i o n t h ew h o l ep r o c e s sr l e e d e dt 0i i l c r e a s eah e a t e x c l 啪g e r 1 1 1 ec a j c u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h i ss c h e m ec o u l ds a v e4 58 2 ，0 0 0y 啪 e v e 巧y e a l - 1 1 1s c h e m et 、】 r o ，c l 姗gt l l ep a 砌1 e t e ro ft 1 1 ep r o c e s sb yr e d u c 洫gt ：h er e n u t i o n 柏t i o o fd i s t i l l a t i o nc o l u i 皿d a 5 0 2a 1 1 di 1 1 c r c 弱et h e p r e s s u r eo f d i s t i l l a t i o nc o l u m n d a 3 0 3 b yi i l c r e 嬲m gm ep r e s s u r eo fd i s t i l l a t i o nc o l u m 玛、v eh a v ea b t a i l l e dt h e t l i g h - q u a l i 够h e a tu t i l i 够i tc a nh e a tt l l er e b o i l e r so fd i s t i l l a t i o nc o l l 】m nd a 3 0 2 ，d a 3 0l ， d a 3 0 4a n dd a 5 0 1 ，1 1 1 i ss c h e m ec o u l ds a v e2 5 6 6 0 ，0 0 0y u a ne v e 巧y e a l u p i i l c ht e c l m o l o g yt 0c h e c ks c h e m eo n e 锄dt 、o t h er e s u l ts b 【0 w e d t l l a t s c h e m eo n ea c c o r d e d 诵mt h ep i n c hr u l e s t h o u g l li th a dm o r ee n e r g y s 痂g p o s s i b i l i 饥b e c a u s eo ft l l et e m p e r a t u r eo nh e a ts 勺r e 锄sw 硒t o ol o w 锄dc o l ds 仃e 锄s w 粥t 0 0l l i g h ，i td i d n ta l l o wm o r e 鞠- v i l l g t h er e s u l ta l s os h o 、e d 廿1 a ts c h e i i l et w ok l d p i i l c hv i o l a t e d t h o u g h “ss c h e m ec o n 汕n e d l yu s e do ft l l er c s i 山l a lh e 她m ee x i s t i n g 氯乙烯装置的节能研究 n l eh e a te x c t 啪g e r sa c m s st l l ep i i l c ha n dt h cc o o l e ra b o 、r et l l ep i j l c l l e i l e r g yc o n s u i 曲唱 i l l c r e a s e d e n e f g ) ro p t 油娩a t i o nb yu s i i l gp m c ht e 加l o l o g ) ，o ns c h e m e 铆oa b t a i n e dt 1 1 e s c h e m et l l r c e b a s e d0 nt l l es c h e m et 、v o ，a d e q u a t e l y 璐em e 1 1 i g h q u a l i 够h e a to fd a 3 0 3 t 0h e a tn l er e b o i k 腮o fd i s t i l l a t i o nc o l 瞰md a 3 0 2 d a 3 0 la i l dd a 5 0 1 a t 也es a l n e t i i l l e ，u s et h er e s i d u a lt l i 曲- q u 习l l 时h e a tt 0p a r t i a l 础a t 血ef e e do fc r a c k i i l g s c h 咄 t l ：吣eh 习l v et oi n c r e a s eo n eh e a te x c h a n g e rb 鲢e do ns c h 锄e 懈o t h ec a l c u l a t i o nf e s u l t s s h o w e dt h a tt h i ss c h e m ec o u l ds a v e2 6 6 19 ，0 0 0y 1 】a ne v e r yy e a r c o m p 棚l e dt h e s em r e e s c h e m e s ，s c h e m e l r e ew a s l ef i | 1 a ls c h e m eo fe n e r g ys a v i i l g k e yw o i u d s ：c l d o r o e t h y l e n e ；e n e 嚼7 硫e 刚i o n ；血c ht c c h n o l o g ) r ；e n e 哟，s 痂g 青岛科技大学研究生学位论文 符号说明 符号物理意义单位 网络热回收的传热温差，。c 划分温度段温差，。c 换热器最小接近温差，。c 任意整数 组分i 在汽相中的逸度 组分i 在液相中的逸度 组分i 在汽相中的逸度系数 组分i 在液相中的逸度系数 组分i 的活度系数 年节能效益，胛” 蒸汽的年节能效益，朋挖 冷却水的年节能效益，m 册 年生产时间，乃 节省的加热蒸汽的质量流率，堙 加热蒸汽单价，叫册， 冷却水的质量流率，堙办 冷却水单价，弦册， 改造前再沸器或加热器的热负荷，枷，i i i 改造后再沸器或加热器的热负荷，勋口，乃 再沸器或加热器热负荷的变化量，勋讲乃 加热蒸汽汽化潜热，砌，堙 改造前冷凝器的热负荷，砌，j i 瞰脚眦6硝f正e加只岛如如螺地翰 氯乙烯装置的节能研究 符号 物理意义单位 改造后冷凝器的热负荷，勋口，厅 冷凝器热负荷变化量，捌厅 冷却水热容，勋讲( 堙c ) 冷却水进口温度，。c 冷却水出口温度，c 流股压力，m p 口g 流股流量矿，蛔办 初始温度， 目标温度，。c 流股比热，砌，堙 流股热负荷，施讲厅 物流的热容流率，缸讲厅 温度变化，。c 焓变，缸讲乃 最小传热温差，。c 第f 区间所需外加热量，勋讲办 该温区内冷物流热容流率之和，缸口，j l 。c 该温区内热物流热容流率之和，勋讲 - 。c 热流数目 冷流数目 热物流热负荷，勋口z i ， 冷物流热负荷，勋口， 最少换热单元数目，台 2 。 最 如吆死乙p矿 e = = 乃印q 凹 竹脯吒崛p即心翰伤 氯乙烯装置的节能研究 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其它学位申请的论文或成果。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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期： 年月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权学校可以 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。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文 或成果时，署名单位仍然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 7 8 年月日 年月日 青岛科技大学研究生学位论文 _ 上- - - _ 一 月l j 吾 聚氯乙烯作为我国消费量最大的合成通用树脂，近年来在化工、建筑、日用 品等行业带动下，市场需求量与日俱增。我国虽是聚氯乙烯生产大国，但因市场 需求过旺，供应较为紧张，每年都需要大量进口。而在聚氯乙烯的生产中，氯乙 烯单体的合成至关重要，氯乙烯几乎全部( 9 8 以上) 都用来生产聚氯乙烯。因 此，作为聚氯乙烯生产基本原料，氯乙烯的生产工艺和节能研究一直为人们所关 注。 氯乙烯的生产方法有电石乙炔法，平衡氧氯化法，乙烯直接氯化氯化氢氧 化生产氯乙烯以及乙烷直接氧氯化生产氯乙烯等新工艺。新工艺具备氯乙烯产率 高，生产成本低等优势，但这些工艺尚未实现工业化或实现半工业化。电石乙炔 法是生产氯乙烯最早工业化的方法，设备工艺简单，投资少，产品纯度高。但是， 耗电量大，产品成本高，对环境的污染严重。而平衡氧氯化法生产原料来源广泛、 价格较低、生产工艺合理。目前世界上采用平衡氧氯化法生产氯乙烯的产量约占 氯乙烯总产量的9 0 以上，是采用最多的氯乙烯生产方法，而其生产过程中需要 消耗大量的新鲜蒸汽。因此在特定的平衡氧氯化法生产工艺条件下，采用热集成 技术来实现节能降耗是一种具有现实意义的途径。 结合具体的平衡氧氯化法氯乙烯生产工艺，本文对氯乙烯装置进行了严格的 数学模拟，并进行了全过程的节能研究。采用模拟基础上的热集成手段提出不改 变装置操作参数和改变装置操作参数两个节能方案，应用夹点技术对所提方案进 行检验，进而提出最终的节能方案，以达到大幅度降低氯乙烯装置能耗的目的。 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 过程系统工程 1 文献综述 过程系统工程是一门综合性的边缘学科，它以处理物料一能量一资金信息 流的过程系统为研究对象，其核心功能是过程系统的组织、计划、协调、设计、 控制和管理，它广泛用于化学、冶金、制药、建材、食品等过程工业中，目的是 总体达成技术及经济上的最优化，以符合可持续发展的要求。 过程系统工程在2 0 世纪6 0 年代形成一门独立学科以来，随着系统工程、信息 技术和化学工程的发展，过程系统工程在深度和广度方面都有了较大的扩展，至 今已经历了初创时期( 1 9 6 8 1 9 7 9 年) 、成长时期( 1 9 7 9 2 0 0 0 年) 和扩展时期( 2 0 0 0 年至现在) 3 个时期i l j 。 1 1 1 过程系统综合 过程系统综合是过程系统工程学的核心内容，是过程系统设计的关键。它是 指在给定系统输入、输出的前提下，确定最优的系统组成单元类型和单元间联结 关系的过程。过程系统综合是一个极其复杂的多目标组合问题，长期以来主要是 靠设计师的经验。它是在过程设计的概念设计阶段，根据不完备的信息产生各种 可能的流程方案，并选择最优的系统结构和操作参数【2 j 。 一个典型的化工过程系统包括以下3 个组成部分：反应分离部分、换热部分 和公用工程部分，其设计过程可用“洋葱模型 【3 】来表示，如图卜1 所示。 图1 1 过程设计的“洋葱模型” f i g 1 - 1 “o i l i o nm o d e l o f p l c e s sd e s i g n 5 氯乙烯装置的节能研究 目前，过程系统综合已在分离过程的综合、换热网络的综合、反应器网络的 综合、公用工程系统的综合、全流程系统的综合等领域开展了研究【4 】，并取得了 不同程度的进展。其中换热网络的综合相对简单但效益显著，研究得也相对成熟。 全流程系统的综合作为过程系统综合的最终目标，正处于探索阶段谰。 1 1 2 过程系统能量集成 随着世界性能源危机的不断加剧，能源价格不断上扬，在产品总成本中能源 价格的比例越来越大。而化工生产过程大多数为能量密集型产业，所以合理过程 用能，降低能耗，减少生产成本成为工业界迫切需要解决的问题，也是过程系统 综合研究的一个重要内容，并衍生出过程系统工程研究领域的一个新的重要的研 究方向过程系统能量优化综合。与过程系统综合相比，过程系统能量优化综合 更多地关注于在一定的物料流程方案前提下，能量的综合利用与相应的设备优化 选择及流程结构之间的权衡，更确切地说，过程系统能量优化综合是指如何选择 能量密集型单元设备或子系统( 如反应器、蒸馏塔、热交换器、热机、热泵等) 及其相互间的优化连接来构成合理的过程能量流动系统，用以满足工艺生产对各 种形式能量的要求，同时要确保过程系统的设备投资和能源消耗的总费用目标最 小，并进一步使能量系统的柔性、系统可控性、对环境排放等多目标达到最优。 很显然，过程系统综合强调的是从系统的角度优化过程系统物质流的流动。而过 程系统能量综合则是从过程系统内能量流动的角度去研究过程系统的优化设计。 大连理工大学化工系统工程研究所，在多年从事过程系统能量优化综合的理 论研究和工业生产装置技术改造实践的基础上，发展了过程系统能量集成技术， 提出的“过程系统用能一致性原则 与大规模过程系统能量优化复合式算法以及 采用虚拟温度法( 有效温位) 进行过程系统用能诊断与调优策略，属国内外首创。 该项技术，经教育部鉴定，达到了国际先进水平【7 j 。 从本质上说，过程系统的能量集成就是以合理利用能量为目的的全过程系统 综合问题，它从总体上考虑过程系统中能量的供求关系以及过程结构、操作参数 的调优处理，达到全过程系统能量的优化综合m j 。对于一个没有考虑热集成的过 程，其所需的加热负荷、冷却负荷均由公用工程提供，显然，从能量利用角度来 看这是不完善的系统。过程系统的能量集成己为生产带来巨大的经济效益。其研 究方法很多且日趋成熟，下面简要介绍两种常用的方法： 1 总组合曲线法 总组合曲线是用于过程能量集成的一种有效工具，在t - h 图上把所有的热工 艺物流股组合起来可构成热物流的组合曲线；把所有冷物流股组合起来构成冷物 6 青岛科技大学研究生学位论文 流的组合曲线。当指定一冷、热物流间传热的最小允许温差 i n 后，把所有热、 冷物流组合起来，就可构造总组合曲线。曲线中热流量为零的点即为夹点。其实 质就是在t h 图上直观地描述出系统中能量分布同温度的关系，提供什么地方需 要外加能量、什么地方需要收回能量以及所需外加、回收能量的多少这样一种信 息。 2 分离器或反应器在系统中的合理设置 对采用能量作为分离剂的分离器而言，通常需要在较高的温度下输入热量， 而后在较低的温度下排出热量。比如，对于分馏塔，提供给塔底再沸器的热量其 温度不能低于离开再沸器蒸汽的露点温度；取走塔顶冷凝器热量的冷却剂的温度 不能高于馏出液的泡点温度。如果该精馏塔在系统中的位置穿过夹点，依据夹点 分析原则，这样会造成系统所需要的加热、冷却公用工程的双倍增加。因此，分 离器与过程系统进行能量集成时，不要使分离器在系统中的位置穿过夹点。 另外，能量集成技术在生产装置中的应用，增加了系统中单元设备间的藕合 关系，某些参数的扰动会在系统内部扩散及放大，给操作控制带来困难，所以要 求系统具有一定的柔性以适应操作工况的变化。 现在，热集成技术已成功地应用于换热网络系统、精馏系统、反应系统及公 用工程系统等生产系统中，节能效果十分显著。 1 2 换热网络的研究 换热网络的研究可分为两个方面：新装置的换热网络最优合成和现有换热网 络的优化改造。新装置的换热网络的合成是通过寻求过程系统中给定工艺物流 ( 冷流与热流) 间的优化匹配及每一匹配的换热器优化，来实现以尽可能少的换 热器和公用工程投资而回收尽可能多的热能的目标，即达到热能回收与投资间的 优化权衡。换热网络优化改造研究的主要目标在于如何降低现存网络的公用工程 消耗，怎样充分利用现有换热器，以及确定所需的结构更改。两方面的研究都是 试图以最经济的代价回收热能，降低过程系统的能耗。它们都密切结合当前我国 的实际，具有重要的现实意义。 1 2 1 换热网络的最优合成 化工生产中，一些工艺物流需要加热，而另一些则需要冷却。合理地把这些 物流匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收能力，尽可 能地减少公用工程( 如蒸汽、燃料、冷却水等) 辅助加热和冷却负荷，无疑将提 7 氯乙烯装置的节能研究 高整个系统的能量利用率和经济性。合理有效地组织物流间的换热问题，涉及到 任何确定物流间匹配换热的结构以及相应的换热负荷的分配。换热网络最优合成 就是要确定出具有最小或接近最小的设备( 换热器、加热器、冷凝器) 投资费用 和操作( 公用设施物流等) 费用之和，并满足每个工艺物流由初始温度达到指定 的目标温度的换热器系统。其中，设备投资费用主要与换热面积及换热设备台数 有关；而操作费用主要与公用工程消耗量有关【9 】。这三个目标因素之间的关系如 图1 2 所示。 图1 2 影响换热网络费用的三个因素 f i g 1 - 21 1 矾ef a 咖体o fa 仃e c t i i l gt l l ec o s t s0 f h e a te x c h 锄g e rn e t 、) i ，o r k 1 9 6 5 年h w a 在美国化学工程师协会上首次提出了换热网络的最优化问题i l o j 。 1 9 8 1 年n i s m d a 等人对换热网络的早期进展做了综趔】，1 9 8 8 年g u n d e r s e n 和n s s 通过进一步对2 0 0 多篇文献的论述，系统地回顾了基于热力学原理和启发式规则 的综合方法以及基于数学规划法的综合方法【l 引。 大体来说，换热网络合成的研究基本上是沿着夹点设计法、数学规划法以及 人工智能法这三条主线开展的。当今研究者的工作主要是致力于把工程因素结合 到换热网络的综合当中，以使所设计的换热器网络更加实用。 1 夹点设计法 l i i l 】f l h o 肝1 9 8 2 年和1 9 8 3 年比较系统地论述了用于换热网络综合的夹点技术 夹点技术以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分 布，从中发现系统用能的“瓶颈，并给以解“瓶颈的一种方法【1 4 1 。夹点技术 把最大的能量回收和夹点温度通过最小温差t k i n 联系起来，使换热网络优化在理 论和工程设计中取得突破性进展，并已被广泛地应用于工业生产中。用夹点技术 设计换热网络的基本思想是：从最大能量回收出发，建立一个初始网络，然后根 据设备费用和能量费用的协调，对初始网络进行修正，从而得到一个最佳的换热 网络结构。 后人在l i m l l l o 蹦基础上，提出有物流相变【1 5 】、考虑压降和传热系数【1 6 1 、组 合曲线不连续【1 7 】等条件下夹点的变化规则，对夹点设计法进行了更深入的研究和 探讨。 用夹点技术进行设计时，l i n i l h o f f 以热力学原理为基础，提出了三条原则： 8 青岛科技大学研究生学位论文 夹点处不能有热量通过；夹点上方只能有公用工程加热；夹点的下方只能有公用 工程冷却。如果违反了这三条原则，将造成能量浪费。在实际的生产当中，有时 我们为了减少设备的投资费用，就需要减少换热器的个数，以增加公用工程为代 价，人为地允许有热量通过夹点，此时新网络的最小传热温差将大于t m i n 。针对 夹点方法的弊端，许多研究人员提出了多温差的概念【】8 】。多温差法主要包括双温 差法和三温差法。 所谓三温差是指职a t 、t l 盯、e m a t 。陬a t ：网络热回收的传热温差， 与前述的夹点温差t m i l i 相同。它决定着网络的夹点位置和所需的最小热、冷公用 工程负荷。t 认t ：划分温度段温差。它控制着温度段的剩余能量及通过夹点的最 大能量值，并决定着网络的温度段划分。e m a t ：换热器最小接近温差。它是一 个换热单元内换热的两股物流之间的极限温差。它们三者之间的关系一般为： h ra t t 认仑e m a t 单温差设计方法是指换热网络设计中，网络热回收的传热温差( m t a t ) 、 划分温度段温差( t m t ) 和换热器允许的最小传热温差( e m a t ) 三者相等。即： 玎队t - t 队t = e m a t 。当1 r i 黼脚，且取值范围在 6 ，h r a t 范围内时称为 双温差法，其中，6 为任意的整数。代表方法有：伪夹点设计法、垂直m i l p 运 转模型等。三温差法，即在综合过程中采用三种温差，即： 玎l a 仑1 1 a 眨e m a t ， 用认t 来决定网络的夹点位置和所需的公用工程用量，t n t 确定各温度段的 剩余热量和过夹点的最大能量值，并决定网络温度段的划分，e m a t 决定系统中 换热器两股物流的最小温差。代表方法有m i n l p 超结构模型等。该设计方法在 c h a n a n d 和c o l b e 唱首次提出后【1 9 】，m m eo r e i l i t ) r 及其他一些研究者也在这方面 作了一定的工作【2 0 1 。 2 数学规划法 随着计算机技术的发展，换热网络的研究出现了一个新的分支：数学规划法。 其基本作法是：将所研究的问题整理成由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，使目标函数最大或最小。 从理论上说，如果问题的有关影响因素在数学模型中都予以考虑，那么它是最完 美的方法。然而，即使是全部由换热器构成的网络，它的影响因素也非常多，关 系非常复杂，所以常对数学模型进行简化处理。那么简化了的数学模型不再是对 原问题的真实反映，即使能够得到简化后给定条件下的严格最优解也只能是对原 问题的失真的反映。基于此，后人在该基本方法的基础上做了不少改进，提出很 多更为有效的方法。 1 9 6 9 年，k e s l e r 和p 缸k e r 提出了线性规划( l p ) 分析法【2 1 】；1 9 9 0 年g 1 u i i l d e r s e n 和m s s m 锄基于组合曲线之间的垂直传热能够提高驱动力而减少换热总面积的 9 氯乙烯装置的节能研究 思想，提出了垂直m i l p 模型圈；觚s s n 姗n 等基于线性化分解方法，提出了超结 构混合整数非线性规划( m 时l p ) 综合策吲2 3 1 ，该模型同时强调能量回收目标、 换热器单元数及换热面积目标，并且允许划分网络时温差可以不同，这样就降低 了网络结构的复杂性，可以进行各子系统的同步热集成联合优化。但这个模型也 存在着很多问题，它的目标函数和约束条件中均存在着非凸的非线性项，使一些 传统的m 眦p 算法失效。k 、o k y l 坨nc h e u l l g 等【2 4 】对投资费用与面积的关系进行 细化研究，提出投资费用与面积关系的非连续函数基于混合整数非线性规划 ( m n l p ) 方法上的全局优化法，由于该方法存在许多计算上的困难，特别是对 大型的系统，更是一个十分复杂的问题。g a t i l i e r 等【2 5 】提出两段设计法，首先用 模拟退火法产生不同的网络结构，再用非线性规划法对这些网络结构进行选择并 优化，这种方法对处理一些大型复杂系统十分奏效。h o n g m e iy u 等【2 6 】用遗传算法 与模拟退火法相结合对大型的能量系统进行优化，取得了良好的效果。 3 人工智能法 人工智能是一门探索和模拟人的感觉和思维过程的规律，并进而设计出类似 人的某些智能的机器的科学。它把人的思维过程的模拟作为自己的研究对象，人 工智能研究往往是结合某一特定的问题来进行的。专家系统是近年来人工智能走 向实用化研究中最引人注目的一个领域，是一种以知识为基础的计算机程序系 统。该系统把某个专门领域中有关专家的知识、经验事先总结出来，将它们以某 种合适的格式储存在机器中构成知识库；并拥有类似于专家解决实际问题的推理 机制组成推理系统，能对输入的信息进行处理，其解决问题的水平达到专家的水 准。其方法是：根据一定的匹配规则，并考虑到网络结构的合理性，在总结设计 实践和生产经验的基础上，制定出合成最优换热网络的物流匹配及能量使用的专 家规则和一些启发探试规则，以知识库的形式储存于计算机中，其中“条件 项 构成推理的基础。 张平暖7 】应用人工智能技术，设计了一个正向推理的专家系统解决初始网络中 的换热不均问题，总结专家知识和经验，建立了调优规则的知识库，并应用回溯 控制策略搜索调优规则：按照温位排布热流规则，交换并列节点热流规则，换热 器优选规则。该系统具有良好的扩充性，随着调优规则的丰富，该系统可以进一 步解决初始网络调优中的压降不均和物流工艺温度不满足等问题。如陈丙珍等i z 卅 和陆明亮等人1 2 9 】提出了专家系统合成换热网络的方法；高维平等【3 0 j 提出了智能法 合成换热网络，应用最优换热网络应满足的物流匹配规则借助人工智能图表，用 解析法一次合成最优换热网络，避免了以往方法中的迭代调优计算。针对由于忽 略工程因素而做出的各种假设和在网络结构不同时没有考虑匹配单元的优化等 原因造成网络的最小接近温差的最优值偏离工程实际的真正最优解的情况，李志 l o 青岛科技大学研究生学位论文 红等【3 1 1 提出了人工智能和数学规划集成的方法，用于解决具有各种工艺条件限制 的换热网络的最优合成设计。 1 2 2 换热网络的改造 一般说来，换热网络的改造比新换热网络的设计更为复杂，受到的约束更多， 要考虑的因素也更多。首先，希望尽量保持原有的系统结构，主要的工艺设备例 如反应器、精馏塔等尽量不动；其次，希望尽可能地利用原有的换热器。因此， 在换热网络的改造中，各种因素都要综合考虑。通常要分析以下几个问题：现行 的换热网络是否合理，若不合理，哪些用能环节不合理，系统有多大的节能潜力， 应如何进行节能改造等。 由于在现有网络的改造中要求尽量利用现有换热器，故面积目标变为新增面 积目标，为所需的总换热面积减去原有的换热面积。在经济目标方面，为能量费 用节省目标、新增换热面积投资目标和投资回收年限目标。能量费用节省目标为 现有的能量费用减去用能量目标所确定的能量费用所得的差值。在求新增面积投 资目标时，首先用所需面积减去已有面积而得到新增面积，然后假定所有面积都 在一个换热器上而求得新增面积投资目标。用新增面积投资目标除以年能量费用 节省目标，就得到投资回收年限目标。在确定夹点温差时，是取所要求的投资回 收年限所对应的夹点温差。其具体作法是：首先做出能量费用节省与新增投资费 用的曲线，其上每一个点对应一个特定的夹点温差，一般说来，能量费用节省越 多，所需新增投资也越多，其曲线如图1 3 所示；然后在能量费用节省与新增投 资费用曲线图上做出所指定的投资回收年限曲线，由于投资回收年限等于新增投 资费用处以能量费用节省，所以对指定的投资年限而言，该曲线为一直线。一旦 确定了投资回收年限，则可求得该直线与曲线的交点，该交点所对应的夹点温差 就是最优夹点温差【3 2 】。 瓤 靼 旺 积 删 碰 廿 投资 图1 3 投资与节能关系曲线 f i g 1 31 1 1 ec u n ，e so fr e l a t i o 璐h i pb e t 、 ，e e ni n v e s n i l e n t 卸de n e l l 斟一s a v i n g 目前换热网络改造设计方法也可分为夹点技术或者数学规划方法。夹点技术 氯乙烯装置的节能研究 由目标阶段和设计阶段组成：在目标阶段，确定热量回收的优化目标和换热面积 需求，在设计阶段，一套规则和设计工具被用来设计换热网络改造方案以完成目 标。数学规划方法将改造问题表达为一包括目标函数和限制条件的数学模型，目 标函数一般是以换热网络改造费用为目标的，用最优化技术来求得具有最低费 用，并满足其它限制条件的换热网络改造设计。 t j o e 和l i n i l h o 一3 3 j 出了第一个夹点改造设计策略，并提出了换热网络面积有 效率概念。该方法假定改造的换热网络的面积有效率( 需改造的网络对应其先前 的能量回收水平下所需的最小目标面积与现在所使用的面积的比值) 与现存的换 热网络的面积有效率是相等的。设计阶段通过使用夹点设计规则来完成。s i l a l l 唧 瞰j 对1 ：j o e 的目标技术进行了推延，以使之适应初始换热网络的面积效率较小的情 况。p o l l e y l 3 5 j 等则对1 j o e 的目标技术加以改进，讨论了压降和传热膜系数之间的 关系，以使所产生的面积目标能反映压降的限制。基于有效面积概念的目标方法 的主要局限在于其所产生的面积目标并没有反映换热网络的面积分配。s h o k o y a 和k o 日a b a s a l 【i s 【3 6 j 提出一方法，该法通过将现存换热网络的面积分配合并到目标机 制中来克服这一局限。该法也为设计任务提供了一些添加的规则，产生了比由t j o e 和l i i l l l o 蹦方法所得的换热网络改造方案更为简单的网络。v 锄i 试s e n 【3 7 】等介绍 了一种方法，它将初始的换热网络分解为一些子网络，以便缩减设计问题的规模， 从而有助于得到较简单的改造方案。对每一分解的子网络，利用夹点目标技术来 筛选，以确保能产生费用优化的改造方案。经过筛选的子网络，则成为改造设计 的主线，可用以前讨论的设计方法进行设计。c i r i c 和f l o u d 虹【3 8 】提出了一种两阶段 方法，包括匹配选择阶段和优化阶段。匹配选择阶段使用混合整数线性规划方法， 同时选择工艺物流匹配及其换热器布局，在该阶段得到的热负荷在余下的设计程 序中保持固定。在优化阶段，使用一非线性规划模型来优化每个匹配的流体流程 ( 管、壳程) 和换热器结构。这两个阶段随后合并成一个，用混合整数线性规划 模型来同时优化网络的所有方面。y e e 和g r o s s m 锄【3 9 】提出另一方法，它也有两个 阶段，包括一个目标( 预选) 阶段和一个优化阶段。预选阶段用来决定优化的热 量回收水平及评估改造设计的经济可行性，给优化阶段提供达到优化的投资所需 要的新换热单元的数目。在优化阶段，允许改变热量回收水平，并运用一混合整 数线性规划公式来同时优化投资和能耗的平衡以及所有网络参数。 高维平等以热回收量最大为目标函数，建立了换热网络分析的数学模型，用 线性规划求解换热网络中各换热单元的物流进、出口温度，使其热回收量最大， 经实例考核，效果较好【4 0 】。当物流有分流时，换热网络分析的模型为非线性规划 问题，杨莹、高维平等提出了利用复合形法和线性规划相结合的方法来求解模型， 成功率较高。 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 1 3 氯乙烯工艺的研究进展 聚氯乙烯作为我国消费量最大的合成通用树脂，近年来在化工、建筑、日用 品等行业带动下，其市场需求量与日俱增。在聚氯乙烯的生产中，氯乙烯单体 ( v c m ) 的合成至关重要，v c m 几乎全部( 9 8 以上) 都用来生产聚氯乙烯。我 国虽是聚氯乙烯生产大国，但因市场需求过旺，供应较为紧张，其生产工艺和节 能研究一致为人关注。 1 3 1 氯乙烯的生产工艺 1 3 1 1 电石乙炔法生产工艺 反应基本原理是，乙炔和氯化氢( h c l ) 在以氯化汞为活性组份，以活性碳 为载体的催化剂上气相反应生成v c m 【4 1 1 。 c a c 2 + h 2 0 专c h 兰c h + c a ( o h ) 2 c h 兰c h + h c l c h 2 = c h c l 电石乙炔法是生产v c m 最早工业化的方法，设备工艺简单，投资少，产品纯 度高。但是，耗电量大，产品成本高；环境的污染严重，除有高沸点残液和v c m 的污染外，还有汞和电石渣的污染，对人体的危害非常严重。 1 3 1 2 平衡氧氯化法生产工艺 平衡氧氯化法的反应工艺分为乙烯直接氯化、乙烯氧氯化和二氯乙烷( e d c ) 裂解三个部分，反应式如下： 乙烯直接氯化： c h 2 = c h 2 + c 1 2 一c 2 h 4 c 1 2 ( e d c ) 1 乙烯氧氯化： c h 2 = c h 2 + 2 h c l + 去0 2 一e d c + h 2 0 二 e d c 裂解：e d c c 2 h 3 c l ( v c m ) + h c l 平衡氧氯化法装置主要由直接氯化单元、氧氯化单元、e d c 精制单元、e d c 裂解单元和v c m 精制单元等工艺单元组成。其基本工艺流程见图1 4 。 1 3 氯乙烯装置的节能研究 图1 - 4 平衡氧氯化工艺方框流程图 f i g 1 - 4p 觚ef l o wd i a g 舢0 fb a l a n c e do 科c l l l o r i n a t i o n 乙烯和氯气在直接氯化单元反应生成e d c 。乙烯、氧气以及循环的h c l 在氧 氯化单元生成e d c 。生成的粗e d c 在e d c 精制单元精制、提纯。然后精e d c 在e d c 裂解单元裂解生成的产物进入v c m 精制单元，v c m 精制后得到纯v c m 产品，未裂解的e d c 返回e d c 精制单元回收，而h c l 则返回氧氯化反应单元循 环使用。 平衡氧氯化法由美国g o o “c h 公司于1 9 6 4 年首先实现工业化【4 2 】。该工艺原料 来源广泛、价格较低、生产工艺合理，与其他方法相比生产成本低。目前世界采 用本工艺生产v c m 的产量约占v c m 总产量的9 0 以上，是采用最多的v c m 生产方 法。 1 3 1 3 生产氯乙烯的新工艺 1 乙烯直接氯化氯化氢氧化制氯乙烯工艺 该工艺是一种即将实现工业化生产氯乙烯的新技术阳j ，先将h c l 电解生成氯， 再将产生的氯回收到直接氯化单元，产物送入v c m 精制后得到氯乙烯，h c l 循环 回h c l 电解制氯单元。其工艺流程简副删如图卜5 所示。 图1 5 乙烯直接氯化氯化氢氧化制v c m 工艺方框流程图 f i g 1 5p a n en o wd i a g r 锄o fe m y lc 1 1 l o r i n a l i o n 乙烯直接氯化氯化氢氧化工艺与平衡氧氯化工艺相比，其优点在于e d c 收 率高、生产和投资费用低，而且由于该工艺不产生水，减少了设备腐蚀。此外， 1 4 青岛科技大学研究生学位论文 因直接氯化反应没有多氯代烃及部分氧化的副产品生成，所以其转化率也高于平 衡氧氯化工艺1 4 引。 2 乙烷直接氧氯化生产氯乙烯工艺 乙烷直接氧氯化生产v c m 是新开发的合成工艺，其关键是开发高稳定性及高 活性的催化剂。国外( 欧洲、美国等) 对乙烷氧氯化生产v c m 的研究开发工