（化工过程机械专业论文）基于火用分析的低温甲醇洗过程工艺及换热网络优化.pdf

摘要 随着过程工业的不断发展，产量、生产规模都在大幅度提高，能耗问题逐渐 成为限制工业生产大规模化的制约因素之一。换热网络优化的研究，不仅对当今 社会科学用能、合理用能提供了依据，而且对节能减排可持续发展战略的实施具 有着重要意义。本文在前人研究的基础上对换热网络优化中的两个热力学主要分 析方法：夹点分析法与火用分析法进行了综合应用，针对低温甲醇洗工艺进行了换 热网络的优化i 获得了很高的经济效益。主要内容包括： 第一，针对低温甲醇洗过程进行了换热网络的重建。为达到对系统内流股的 热量、冷量的充分回收，在原换热网络的基础上添加了几个新的冷流股。利用 a s p e np i n c h 软件作为设计平台，以夹点分析法作为理论基础，详细的分析了最 小传热温差与年总费用的关系，在合适的夹点温差下重新匹配了换热网络的冷热 流股，使夹点上方下方的能量达到最大程度回收，并且比较了新网络与原流程的 经济分析结果，实现了小投资高回报的理想结果。 第二，对新网络的各个换热器进行了火甩分析，验证了新网络用能的科学性与 合理性，并找到了其中炯效率较低的换热环节。然后进一步对低温甲醇洗关键部 分五塔进行了火用平衡分析，找到了整个工艺过程的用能薄弱环节，通过在 a s p e np l u s 利用p s r k 、p r w s 模型对甲醇再生塔、甲醇水分离塔进行模拟计算， 得到了两塔塔底加热量在工艺优化前后的变化。最后，从经济角度分析比较优化 前后的结果，得到了理想优化结果。 关键词：低温甲醇洗换热网络优化夹点分析法火甩分析法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h es c a l eo ft h eu n i t si nc h e m i c a lp l a n t s e n l a r g e ss i g i n f i c e n t l ya n dt h et h r o u g h p u to ft h e mr o c k e t su p e n e r g yc o n s u m p t i o nh a s g r a d u a l l ye m e r g e da so n eo ft h eb o t t l e n e c ko ft h ew h o l ef i e l d i n t h i sc o n t e x t ，t h e o p t i m i z a t i o nf o rh e a te x c h a n g e rn e t w o r k ( h e n ) p r o v i d e sr e a s o n a b l ea p p l i c a t i o no f e n e r g y , t h a ti s ，s u p p o r t st h ee n e r g y - s a v i n g sa n dr e d u c e se m i s s i o na c c o r d i n gt ot h e n a t i o n a l p o l i c y o fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ts t r a t e g y , w h i c hs u p p o r t s t h e e n e r g y - s a v i n g sa n de m i s s i o n r e d u c t i o n b a s e d o np r e v i o u ss t u d i e s ，t h i sp a p e r i n t e g r a t e st w om a i nt h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i sm e t h o d si nh e n ，p i n c ha n de x e r g y a n a l y s i s ，t oar e c o n s t r u c t e dr e c t i s o lp r o c e s so ns c r e e nw i t ht h e a i do fb u s i n e s s p r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n d ，a f t e rp r o c e s so p t m i z a t i o n ，g e t sh i g he c o n o m i c b e n e f i t st h e o r e t i c a l l y t ob e g i nt h er e s e a r c h ，t h eh e no ft h er e c t i s o lp r o c e s sw a sr e b u i l td i g i t a l l y f o r t h ef u l lr e c o v e r yo f t h es t r e a m s h e a t ，s e r v e r a ls t r e a m sw e r ea d d e dt ot h eo r i g i n a lh e n w i t ha s p e np i n c hs o f t w a r ea st h ec a l c u l a t i n gp l a n t ，t h ep i n c ha n a l y s i sa st h e o r e t i c a l b a s i s ，t h er e l a t i o nw a sa n a l y z e db e t w e e nm i n i m u ma p p r o a c ht e m p e r a t u r ea n dy e a r l y c o s t t h eh e n , w a sr e b u i l tt or e c o v e r yh e a ta ta na p p r o p r i a t ep i n c ht e m p e r a t u r e i n a d d i t i o n ，t h en e wa n dt h eo r i g i n a lh e nw e r ec o m p a r e di ne c o n o m i ca s p e c t s ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef o r m e rc a ng e td e s i r e db e n e f t sb yc a c u l a t i o n ，w i t hl e s s i n v e s t m e n ta n dl a r g er e t u r n s e c o n d l y , t h ee x e r g ya n a l y s i sw a su s e dt oa l lt h eh e a te x c h a n g e r si nn e wh e n ， w h i c ht e s t i f i e dt h er a t i o n a l i t yf o rn e wh e n t h el o w e f f i c i e n c yl i n k si ne x e r g yw e r e f o u n d t h e nt h ek e yp a r t so fr e c t i s o l - - f i v ec o l u m n sw e r ea n a l y z e di ne x e r g yb a l a n c e ， a n dw e a kl i n k si ne n t i r ep r o c e s sw e r es h o w n w i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e m e t h a n o lr e g e n e r a t i o nc o l u m na n dm e t h a n o l w a t e rs e p a r a t i o nc o l u m nb yp s r k ， p r w sm o d e l si na s p e np l u s ，h e a td u t yo ft h et w oc o l u m n sw e r ec o m p a r e dt os h o w t h ev a r i s i o n sb e t w e e no r i g i n a la n do p t i m i z e dp r o c e s s f i n a l l y , t h ei d e a lr e s u l t sw e r e a c h i e v e db ye c o n o m i ca n a l y s i s k e yw o r d s - h e a te x c h a n g e rn e t w o r k , r e c t i s o l ，p i n c ha n a l y s i s ， e x e r g ya n a l y s i s 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：w 。夕年f 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字目期：勺罗年月；日 导师签名：剜涉 签字日期：p i ) 年6 月3 日 第一章文献综述 1 1 课题的背景与意义 第一章文献综述 低温甲醇洗工艺是德国林德公司和鲁奇公司共同开发的采用物理吸收法的 一种酸性气体净化工艺，该工艺使用冷甲醇作为酸性气体吸收液，利用甲醇在 6 0 左右的低温下对酸性气体溶解度极大的物理特性，同时分段选择性地吸收 原料气中的h 2 s 、c 0 2 及各种有机硫等杂质。在以渣油和煤为原料的大型合成氨 装置上，大多采用这种净化工艺。此外，该工艺还广泛应用于甲醇合成、羧基合 成、工业制氨、城市煤气和天然气脱硫等生产装置的净化工艺中。 本文针对低温甲酵气体吸收的工艺流程进行换热网络优化节能，并进行火用 分析，在工艺上进行改进和优化，提高整个工艺能量的综合利用和能量利用率， 对工艺过程的耗能分布进行合理分配。 1 2 低温甲醇洗过程 1 2 1 低温甲醇洗工艺介绍 低温甲醇洗工艺即r e c t i s o lp r o c e s s ，是一种在低温下以工业甲醇为吸收剂而 基于物理吸收的气体净化方法。该法是用一种溶剂甲醇就可同时或分段脱除 h 2 s 、c 0 2 和各种有机硫、h c n 、c 2 h 2 、c a 及c 3 以上的气态烃、水汽等，能达 很高的净化度。 低温甲醇洗是由德国鲁奇热工公司( l u r g ig e s e l l s c h a f tf u rw a r m e t e c h n i k ) 提 出，由鲁奇和林德在上世纪5 0 年代共同开发的。1 9 5 4 年在南非建成了第一套工 业生产装置到1 9 8 6 年已建成约6 5 套r e c t i s o l 装置。该工艺被用于自合成气中 脱除二氧化碳、硫化氢、有机硫化合物、氰化氢、苯和会生成胶质物的烃类等， 是在相当低的温度下借在甲醇中的物理吸收来实现的。从1 9 6 0 年到1 9 9 3 年，林 德公司共建设低温甲醇洗装置2 6 套，总处理气量5 0 8 1 0m 3 d 。鲁奇公司到1 9 9 4 年为止已设计和建设了5 4 套低温甲醇洗装置，总生产能力为1 8 8 1 0 m 3 d ，其 中最大的装置是1 9 7 7 年在南非s a s o l 公司建成的以煤气化制合成气的生产装 置，处理气量为4 1 2 5 0 0 m 3 h 。目前在国外已有近百套低温甲醇洗净化装型2 】【3 】投 入生产运行，特别是2 0 世纪7 0 年代开始，国外所建的以煤和重油为原料的大型 第一章文献综述 合成氨装置大多采用该净化工艺脱除酸性气体。鲁奇公司的低温甲醇洗工艺流程 为气化一脱硫一变换一脱碳，变换在脱硫和脱碳之间，因此与林德工艺相比，该 工艺能耗较高，吸收塔的体积也较大；林德公司的低温甲醇洗工艺师脱硫和脱碳 一步进行，两者之间没有变换过程，为了便于清洗和维修，林德公司还对高效绕 管式换热器结构进行了改进。随着低温甲醇洗工艺的广泛应用，针对不同的原料 和气化方法，鲁奇公司和林德公司又开发了多种工艺流程，通过对原有工艺的优 化和对设备进行改进，提高了气体净化效率，使能量利用更为充分和合理【4 j 。 上世纪7 0 年代末我国从林德公司引进了以渣油为原料制合成n h 3 、原料气 的三套低温甲醇洗一液氮洗净化装置，从鲁奇公司引进了一套以煤为原料的低温 甲醇洗净化装置。四套装置自1 9 8 4 年起相继投产。我国自行设计的第一套低温 甲醇洗净化装置于1 9 8 4 年1 0 月在沈阳加压气化厂试车投产p j 。而早在2 0 世纪 7 0 年代，中石化兰州设计院、南化集团研究院、浙江大学、上海化工研究院、 大连理工大学等单位在该工艺的基础理论研究方面都取得了一定的成果。上海化 工研究院和浙江大学在工艺计算方面，南化研究院在热力学和基础数据测定方 面，兰州设计院在气液平衡计算数学模型及北京化工大学在气液相平衡方面都做 了大量的工作。大连理工大学在化工工艺模拟计算方面取得了较大的进展。 大连理工大学从1 9 8 3 年开始进行低温甲醇洗工艺过程研究，在中石化公司 和浙江大学的协助下，1 9 9 9 年该项研究通过了中石化的鉴定，并且获得了国内 两项专利申请。经改进后的该工艺采用6 塔流程，与林德工艺相似，据介绍，该 工艺的冷负荷和设备投资比林德工艺要低l o 左右。兰州设计院在参与鲁奇和 林德2 个不同的低温甲醇洗工艺流程的设计中积累了一定的设计经验，在中石化 湖北化肥分公司的低温甲醇洗设计中，鲁奇公司仅提供了工艺软件包，由兰州设 计院自行完成了基础设计和详细设计。该工艺的热交换器均采用标准的t e m a 型换热器，所有塔盘采用普通标准设计，提高了低温甲醇洗装置的国产化率，降 低了投资费用。近年来，在低温甲醇洗设备制造方面，国内也取得了可喜的进展。 大连冰山集团金州重型机器有限公司为上海焦化有限公司引进的林德公司低温 甲醇洗装置制造了特大型成套设备，包括塔器、换热器和罐类等共2 3 台2 3 个种 类，其中有硫化氢浓缩塔、变换气吸收塔、煤气甲醇吸收塔等关键设备，这些设 备不仅使用了国内目前难以掌握的3 5 n i 低温钢材料的加工工艺技术，而且体积 庞大，单台设备最大直径为2 3 m ，长5 5 m ，重量近百吨。此外，河南开封空分 集团有限公司制造的低温甲醇洗关键设备高压绕管式换热器，工作压力为1 6 5 m p a ，可成功地替代林德公司的进口设型4 1 。 山东德州华鲁恒升化工股份有限公司近期投产的国产化大型化肥装置中采 用了具有自主知识产权的低温甲醇洗工艺技术。该工艺软件包由中国寰球工程公 2 第一章文献综述 司提供，在完成了5 5m p a 工作压力下低温甲醇洗工艺的计算机计算程序的开 发后，为工艺包设计、初步设计和详细设计提供了物料和热量衡算的数据，利用 该软件包建成的大化肥低温甲醇洗装置已成功投运。该装置采用3 台并联操作的 吸收塔，共用一套再生系统，可同时生产氨合成气、甲醇合成气和羟基合成气， 属国内外首创，达到国际先进水平。目前在国内中石化湖北化肥分公司、山西天 脊煤化工集团有限责任公司、浙江镇海炼油化工股份有限公司、陕西渭河煤化工 集团有限责任公司、等大型合成氨净化装置中均采用了低温甲醇洗工艺。 表l 一1 所示为国内在建的部分采用低温甲醇洗的大型煤制合成氨、甲醇生 产装置。 表1 一l 国内在建的部分采用低温甲醇洗的大型煤制合成氨、甲醇生产装置【4 1 t a b l e1 - 1p a r to ft h ed o m e s t i cc o n s t r u c t i o nr e c t i s o lu s i n gl a r g e - s c a l ec o a l s y n t h e t i ca m m o n i a ， m e t h a n o lp r o d u c t i o np l a n t 第章文献综述 1 2 2 低温甲醇洗工艺特点 低温甲醇洗工艺过程在很多方面相比于其他普通气体净化方法具有优势，比 如甲醇在低温高压下溶解度高，对气体的吸收能力很强，并且对气体的选择性吸 收能力强甲醇对c 0 2 、h 2 s 和c o s 的溶解度大，但对其他组分溶解度小，这 样可以为后续的分离工作奠定基础。表i - 2 列出了气体在甲醇中的相对溶解度。 表l o 气体在甲醇中的相对溶解度 气体i 与h 2 相对与c 0 2 相对 气体i与h 2 相对与c 0 2 相对 溶解度j ，1 1 2 溶解度i c 0 2 溶解挺p h 2 溶解度i c o s h 2 s 2 5 4 05 9c o5 c o s1 5 5 536n ，25 c 0 2 4 3 0l0 h 2 10 c h -1 2 1 2 3 低温甲醇洗工艺方法介绍 低温甲醇洗脱除原料气中硫化物和二氧化碳等杂质可分为一步法和两步法， 二者在基本原理上没有根本的区别。典型的装置配置如图卜1 和图1 - 2 所示。 在以煤和减压渣油、沥青等重质烃为原料，气化工艺采用冷激流程时，低温 甲醇洗同时脱除变换气中二氧化碳、硫化物和氢氰酸等杂质，这就是一步法；而 当原料气气化工艺采用废锅流程时，先在c o 变换前用了吸收了二氧化碳的低 温甲醇脱除原料气中硫化物、氢氰酸等杂质，然后在变化后用低温甲醇贫液脱除 变换气中c 0 2 ，这就是两步法。 圈1 i 一步法低温甲醇洗装置配置 f i g 一i r e c t i s o u n i to f o n e m e t h o 4 第一章文献综述 一 国l 也两步法低温甲醇洗装置配置 v i g l - 2 r e e t i s o l u n i to f o n es t e f m e t h o d 因原料气中杂质组分不同，低温甲醇洗工艺一般有九塔、七塔和六塔、五塔 之分。对以褐煤为原料加压气化制得的粗煤气组分比较复杂低温甲醇洗挣化 工艺需包括粗煤气初洗脱除轻质油，硫化氢和二氧化碳吸收以及甲醇再生，一般 为九塔或七塔流程。 在以煤或减压渣油，沥青等重质烃为原料部分氧化制取原料时，低温甲醇洗 净化工艺一般包括酸性气体脱除和甲醇再生，常为五塔或六塔流程，如气化足废 锅流程，低温甲醇洗工艺为六塔：而气化为激冷流程，则为五塔。 本文的研究对象为五塔工艺流程，下面重点介绍一下该工艺过程的具体情 况： 五塔流程( 见图1 - 3 ( 附录一 是适用以渣油、沥青为原料，采用德士古气化技 术激冷流程，制取合成氨原料气的低温甲醇洗净化工艺流程， 进低温甲酵洗装置原料气来自一氧化碳变换装置，约7 4 78 m p a ，4 0 c ， 含c 0 23 7 ，h 2 s02 o2 6 。经b 、v l 冷却分离后约- 1 1 酸性气体吸 收塔c ，。原料气在冷却前先喷八注入适量冷甲醇，造成降温，使气体中水分冷 至冰点以下结冰，从气体中分离，防止带入系统后的水分与冷结冰而堵塞管道和 设备。影响操作和换热设各的传热效果。 酸性气体吸收塔分为上塔和下塔两部分，上塔为脱碳段，下塔为脱硫段。出 甲酵再生塔c 4 的甲醇贫液经换热器e l o 、e 扑e 9 、e 2 1 和e s 的冷却水和多股冷 介质流体冷却后入上塔顶部。上塔分为三段：下为粗吸段、中为主吸段、上为精 吸段，段间设置换热器e s 和e 6 ，可两砍将甲醇溶液引出冷却，移走二氧化碳的 溶解热，以维持吸收温度。最终一部分出上塔的不含硫的甲醇富液入下塔脱硫段， 原料气先在下塔脱除硫化物，又在上塔被吸收掉二氧化碳。出酸性气体吸收塔的 净化气约含c 0 22 0 m g n m 3 、h 2 s1m g ，n m 3 去下游低温液氮洗装置继续净化。 酸性气体吸收塔下塔出来的含硫甲醇富液经换热器e e 冷却后依次在闲 第一章文献综述 蒸罐v 2 、二氧化碳解吸塔中间段和硫化氢浓缩塔中间段进行三级闪蒸；出c l 塔 上塔的不含硫的甲醇富液经换热器e 1 9 、氨冷器e 4 冷却后先后在闪蒸罐v 3 、 二氧化碳解吸塔上段和硫化氢浓缩塔上段进行三级闪蒸后与含硫甲醇富液一起 出硫化氢浓缩塔中间段经换热器e 8 和e 6 分别被甲醇贫液和c 1 塔脱碳段段间引 出的甲醇半贫液加热后再依次在闪蒸罐v 9 、二氧化碳解吸塔下段和硫化氢浓缩 塔下段进行三级闪蒸。 甲醇富液的第一级闪蒸罐v 2 和v 3 的闪蒸气中含h 2 、c o 、c h 4 等有用组 分与液氮洗来的尾液闪蒸气一起经循环气压缩机压缩后循环回收至原料气中。 出v 9 的闪蒸汽回收c 2 塔下段，二氧化碳解吸气中的硫化物被c 2 塔中段顶 部和上段顶部的无硫甲醇液吸收下来，出二氧化碳解吸塔中的二氧化碳产品气约 含c 0 2 9 8 5 ，c o + h 2 1 2 、c h 3 0 h 2 5 0m g n m 3 、总硫2m g n m 3 ， 由换热器e 3 和e 1 回收冷量后去尿素装置。 在硫化氢浓缩塔底部送入低压氮气，与自上而下的甲醇富液逆流接触，逐层 气提出甲醇中溶解的气体，气体中的硫化物被塔顶不含硫的甲醇富液吸收下来， 使甲醇中h 2 s 的相对浓度得以提高，也保证尾气的硫化物排放达到环保要求。 出硫化氢浓缩塔的尾气含h 2 s2 5m g n m 3 由换热器e l 回收冷量后放入大气中。 出c 3 塔的富含硫的甲醇液先经过滤器s 2 过滤，再在换热器e 9 和e l o 被甲 醇贫液加热后入甲醇再生塔c 。，由于塔下部再沸器产生的甲醇蒸汽和甲醇精馏 塔c 5 顶部来的甲醇蒸汽的加热和气提作用，最终使溶解在甲醇中的气体全部解 析出来，甲醇液彻底再生为贫液，循环使用。 出c 4 塔顶的含硫化氢气经换热器e 1 2 、e 1 3 、e 1 4 冷却后进行二级分离，出 第一级分离器v 8 的冷凝液汇流入甲醇再生塔顶部，出二级分离器v 7 的冷凝液 回收c 3 塔下部。出界区的硫化氢气约0 2 4 m p a 、3 6 。含h 2 s2 7 可供克劳斯 回收制硫磺或硫化氢制酸。 出原料气分离器v l 的甲醇水混合液经过滤器s 3 过滤，在换热器e 1 6 被甲 醇热贫液加热后入甲醇精馏塔c 5 中部，一部分出c 4 塔底的甲醇贫液经过滤器 s l 过滤，换热器e 1 6 冷却后入c 5 塔顶部作回流液，借蒸汽煮沸器e 1 5 加热使甲 醇水精馏。出c 5 塔顶的甲醇蒸汽引入c 4 塔中部，以回收甲醇和热量。自c 5 塔 底排除的废水含c h 3 0 h 约0 1 州送污水处理装置。 1 3 换热网络优化发展介绍 换热器广泛地应用于过程工业中，生产实践中人们发现：虽然单个换热器的 效率较高，但它进入一个大型换热网络之后换热的效率并不理想。于是1 9 6 5 年 6 第一章文献综述 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。 换热网络最优综合问题的简化描述就是要确定出具有较小或者最小的设备 投资费用和操作费用，并满足把每个过程物流由初始温度加热或冷却到规定目标 温度的换热网络。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用量有关。换热网络的优化以换热网络的柔性、弹性、安 全性、可操作性和可控制性等为定性目标，以最小年度费用为定量目标，最小年 度费用包括设备投资费用和操作费用，设备投资费用主要与换热设备的换热面 积、网络中换热器设备单元数及结构材料等有关，操作费用主要与公用工程负荷 有关。 。 换热网络优化的方法大致可以归结为三类，热力学方法、数学规划法和人工 智能法。 1 3 1 换热网络优化的热力学方法夹点分析法 夹点技术是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量沿温度的分 布，从中发现约系统用能的“瓶颈”，并给出“解瓶颈”的一种方法1 5 】，它是在用启 发试探法进行换热网络最优合成众多方法中最引人注目的一个。1 9 7 7 年，u m e d a 等1 6 j 基于热力学原理和概念，提出了利用h 图综合网络的策略，并叙述了网络 中温度夹点的存在。自从l i n n h o f f 等1 7 j 首先提出了夹点技术以来，换热网络综合 有了突破性的进展，在学术和工程上的应用都取得了巨大的成就，其方法也在不 断地完善和拓展。后来l i n n h o f r 和a h m a d 副较系统地论述了用于换热网络综合的 夹点分析。夹点分析经历了从局部节能分析到全局用能优化的逐渐发展和完善地 过程，其应用领域也越来越广，并初步形成了工艺系统和公用工程系统能量集成 的通用型方法。与其他过程系统综合方法相比，夹点分析法具有下列特点：实用、 简单、直观、灵活。 用夹点技术设计的基本思想是：从最大热回收能量出发，建立一个初始网络， 然后根据设备费用和能量费用的协调，对初始网络进行修改，从而得到一个最佳 的网络结构。 按夹点设计法，得到了一个最大能量回收网络，但往往换热设备较多，流程 复杂，需进一步进行调优处理。对于给定的h r a t ( h e a tr e c o v e r ya p p r o a c h t e m p e r a t u r e ) ，为满足最小能耗目标，不允许能量穿越夹点，因而最小耗能的初 始网络可能具有较多的单元，为了得到最小投资费用的网络，需要进行能量松弛 减少单元数。s u 掣9 】提出断开网络中热负荷回路( h e a tl o a dl o o p ) ，以及采用热 负荷路径的能量松弛( e n e r g yr e l a x f i o n ) 方法，能够有效地减少换热设备数目，从 而在基本保持了最大能量回收网络的基础上，使换热设备数最少，但这样是以能 7 第一章文献综述 量穿越夹点即以耗能为代价的。 c h a l l a n d 掣1 0 】指出不应以夹点温度作为网络设计的惟一变量，提出了双温差 法。t r i v e d i 、n e i l l 1 1 】与j e z o v s k i 1 2 】在夹点设计法基础上提出了双温差的伪夹点设 计法。在此方法中，双温差为网络能量回收最小传热温差h r a t ( h e a tr e c o v e r y a p p r o a c ht e m p e r a t u r e ) 和换热器允许的最小换热温差e m a t ( e x c h a n g e rm i n i m u m a p p r o a c ht e m p e r a t u r e ) 。h r a t 决定网络的夹点位置和所需的冷、热公用工程负 荷，需要在网络优化前给出；e m a t 是同一换热器内换热的两股物流间的极限温 差。双温差法由h r a t 确定最小公用工程，而以e m a t 划分网络。但文献i l2 j 表 明，e m a t 不是一个优化变量，即当h r a t 为某一定值时，同一e m a t 可能同 时存在多种不同的网络结构( 不同的成本) 。因而不能单纯从求解最佳e m a t 来获 得成本最低的网络结构，只有结合e m a t 且在合成过程中确保换热面积及单元 数同时向最小值方向移动，才能求得最优或接近最优的网络结构。a s a n t e 和z h u 【l 副 在夹点分析的基础上，提出了将网络夹点与过程夹点相区别，前者与网络拓扑有 关，基于网络夹点的换热网络优化目标时网络拓扑变化最小，同时增加面积费用 最小。 p o n t o n 和d o n a l d o n 1 4 】在其快速合成法一文中曾提出了一种启发性的匹配规 律，此规律与局部能级匹配原理的研究结果相一致：能使换热面积在合成过程中 向最小值靠近；另一方面，r e v 和f o n y o 1 5j 发现了隐夹点现象( h i d d e np i n c h s i t u a t i o n ) ，提出了冷热流股在匹配过程中分配最大热负荷的方法，从而可使网络 合成向最少换热单元数方向进行。 在双温差发展的基础上，三温差法及多温差法得到发展。由h r a t 决定网络 的夹点位置和所需要的公用工程用量；t l a t 用来确定各温度段的剩余能量和过 夹点的最大能量，并决定网络的划分；而e m a t 决定系统中换热器的最小温差。 不管是单温差法还是多温差法，在初期组建网络的过程中，都是把整个系统分为 2 个孤立的子系统，当温差变化时，夹点位置也随之发生了变化，这样必然会造 成夹点上下两部分物流相互换热，得不到最佳的换热网络。只有把能量系统整体 考虑，才能消除这一问题，王莉等【l6 j 在前人的基础上，提出以三温差法为基础的 m i l p 转动模型，可以从整体考虑能量系统的综合，相关的方法将放在后面讨论。 g t p o l l e y 等【1 7 j 认为，不管是用夹点技术还是m i n l p 方法，都不能保证最 后设计出的换热网络是最优的。这一问题来源于：在综合换热器网络时仅仅对换 热器单元的面积做出粗略估计，以及假定出各物流的传热膜系数。他提出在综合 换热网络时要对每个换热器进行详细设计，满足单个换热器的传热面积要求、管 程压降以及壳程压降要求。并给出综合优化实例，这样设计的换热网络总费用降 低了6 。 8 第一章文献综述 作为夹点技术的辅助手段，计算机模拟也有了很大进展。目前已有若干商业 化的夹点技术应用软件。比如：a s p e n 公司推出的a d v e n t 软件和p i n c h 软 件、英国l i n n h o f f 教授及其同事开发的s u p e r l r a r g e t 软件、s i m s c i 公司推出 的h e x t r a n 软件等等，都是以夹点法为基础模型。此外，国内也有多家单位 开发了类似的软件，如：清华大学开发的e s o p ( e n e r g ys y s t e mo p t i m i z a t i o n p r o g r a m ) 软f 牛 1 8 】，其功能包括：能量消耗目标的计算、最优夹点温差的确定、换 热网络模拟计算等。所有这些软件都大大的方便了工程师们对能量系统进行综合 优化与设计。 1 3 2 换热网络优化的数学规划法 数学规划法将物流匹配过程看成是数学中的组合优化问题，用最优理论来求 解最佳的网络结构，它的优点是可以由计算机完成匹配的自动搜索，缺点是物理 意义不清晰。由于大规模过程系统具有复杂性和特殊性，其中连续变量和整数变 量都具有非线性，目标函数和约束方程往往是不可微、非连续、多峰的非凸函数： 另一方面，还缺乏适合各种条件的通用性超结构模型，所以对于同步优化的 m i n l p 问题尚未形成有效的求解算法，同步综合的方法还未能从学术研究走向 实际应用。 其基本做法是：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。比如：公用工程目标函数可以表示如下： m i n i m i z e z = s m f + 形掣 其中：& 0 ：呢 0 e 0 ：f 0 & 一公用工程加热物流单位价格； 形一公用工程冷却物流单位价格； 露、f 一公用工程质量流率； s 一热公用工程集合； 矿一冷公用工程集合； 从理论上讲，只要建立的数学模型考虑全面、正确以及加上所有的约束条件， 那么数学规划法可得到严格的最优解。仅从这一点讲，它比夹点技术严密。但是， 对于换热网络来说，全面考虑已经很困难，建立包括所有影响因素以及约柬条件 的数学模型更为困难。实际的换热网络模型是很复杂的，包括很多物流匹配约束 第一章文献综述 和设备选择，这些需要用整数变量或o 一1 变量表示。还包括一些连续变量和决策 变量以及这些变量的等式或者不等式约束，并且这些约束条件常常是非线性的。 这些模型很难求解，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， 提出更多有效的方法。 通常情况下，换熟网络数学模型包括两个方面：求解最少公用工程费用的模 型和求解最少换热器数的模型，由上述模型在建立目标函数时，由于可能满足要 求的换热器数目极多，以及大量的约束条件相互制约，很容易导致问题的非线性， 并由此产生局部优化和网络组合爆炸的结果。因此，在求解过程中，通常需要对 求解的问题进行简化，很难达到理论上的最优值，这通常包括目标的简化和减少 非线性因素的影响两个方面的简化。利用这种简化，可以简化问题的求解过程， 这对一般的简单求解问题是适用的，但对于大多数复杂网络的优化过程，最后的 目标函数往往是非线性的，这时需要用混合整数非线性规划( m i n l p ) 方法来求 解。 目前的数学规划法的数学模型代表性的有f l o u d a s 纠1 9 】提出的转运模型、y e e 掣2 0 j 的多流股换热网络超结构模型以及袁希钢【2 l 】的不分流的换热网络分段超结 构的m i n l p 模型等。根据对换热网络优化设计3 个不同的费用目标( 公用工程消 耗、换热面积费用和换热设备台数) 的权衡步骤不同，数学规划法可分为分步综 合和同步综合两类方法。其中分步综合方法具有代表性的是f l o u d a s 掣1 9 】基于夹 点分析和转运模型所提出的分步优化方法。与基于转运模型的分步优化方法不 同，z h u 等1 2 2 j 基于夹点分析概念提出了区域概念( b l o c kc o n c e p t s ) 。他根据冷、热 组合曲线的形状和特征，把过程综合问题分解为一系列区域，再为每个区域建立 超结构，然后利用n l p 和m i n l p 进行各个区域的换热网络综合。 分步优化方法不能同时考虑换热网络设计的3 个不同费用目标权衡，也就是 3 个不同费用目标难以同时优化，而且h r a t 选择以及是否将问题划分为子网络， 对下一步优化目标的决策及网络结构所需面积的确定都有很大的影响。同时由于 各子问题的相互影响，即使每步的各子问题都达到最优，也难以保证整体问题达 到最优。因此，同时权衡3 个费用目标的换热网络同步最优综合的研究引起了人 们的重视。y u a n 等1 2 3 是最早提出同步综合数学模型的学者之一，但是他们提出 的m 1 n l p 模型要求给定h r a t 值，同时不允许分流。y e e 等【2 0 】提出了不受夹点 技术限制，可以同时考虑等温混合假设下实现线性约束。c i r i c 和f l o u d a s l 2 4 】给出 了公用工程消耗与h r a t 的计算函数关系，并构造出复杂结构和伪夹点的转运模 型，建立了3 个费用同步优化的m i n l p 模型，模型采用广义b e n d e r s 分解算法 1 0 第一章文献综述 求解，由于模型规模很大，而且严重非凸和非线性，求解效率很低。b i o r k 和 w e s t e r l u n d 2 5 1 对y e e 等提出的m i n l p 模型中的非凸项进行了凸性化转换，从而 可以利用现有的算法和软件进行求解，同时他们还考虑了取消模型中等温混合假 设的情况下问题的求解。s h i v a k u m a r 和n a r a s i m h a n 2 6 】利用图形理论原则得到了 一个有效的n l p 表达式用于换热网络综合，与m i n l p 表达式比较，问题的复杂 性有较大减小，而且可以用于有匹配约束和变化的目标温度等设计约束的换热网 络综合。 遗传算法( g a ) 由j o h nh o l l a n d 在1 9 7 5 年提出，是一种基于自然选择和群体 遗传机理的搜索算法。它模拟自然选择和遗传过程中发生的繁殖、交叉和基因突 变等现象，将每一个可能的解看作是群体中的一个个体，并将每一个个体编码成 字符串的形式，根据预定的目标函数对每个个体进行评价，给出一个适应值，根 据适应值的大小利用遗传算子( 选择、交叉、变异) 对这些个体进行改进，这样逐 步向着更优解的方向进行。最近几年，遗传算法又被应用于化工换热网络综合问 题，虽然对这一问题曾提出很多解决方法，如启发式规则法、热力学目标法、混 合整数非线性规划方法等，但都只能解决总流股数为十几个的问题，目前用遗传 算法最多能解决总流股数小于5 0 的问趔2 7 1 。采用遗传算法，对无分流换热网络 综合问题提出改进的优化模型及优化策略，取网络的年度费用最小为目标函数， 其中包括公用工程的费用、换热单元设备的固定费用及换热面积费用，将最小传 热温差和网络结构参数进行同步优化；在求解过程中，由物流匹配换热量确定冷、 热物流是否匹配，同时考虑约束条件，对匹配换热量按顺序在可行范围内随机取 值，因此具有从可行解群中以较快的速度获得全局最优的能力i 2 引。 模拟退火算法( s a ) 也是求解大规模组合优化问题的随机性方法。1 9 9 8 年方 海鹏【2 9 】针对遗传算法与模拟退火算法具有的特征和存在的问题，构造一种新的算 法一改进的遗传模拟退火算法( i g a j s a ) ，它具备g a 和s a 的优点而克服其缺点。 2 0 0 0 年又提出一种新的处理方法，首次将化工换热网络综合问题化为双层规划： 其上层规划是关于排序的优化问题，下层规划是关于换热器出入口温度的约束规 划，又将下层规划转化为关于各换热器的换热量的混合整数规划。首次解决了总 流股数大于1 0 0 的换热网络综合问题，用于生产实际，收到了良好的效果1 3 0 。 遗传一a l o p e x 混合算法的基本思想是：在遗传算法的交叉算子与变异算子 操作之后进行a l o p e x 操作，即给予新个体一定的“噪音”，使其具有一定的爬坡 能力，有利于遗传算法在搜索中跳出局部极值。a l o p e x 算法在搜索过程中利用 前次自变量及其函数值的变化信息，有利于缩短搜索时间，其“噪音”也随着收 敛过程的进行逐步减小，是遗传代数的函数。将遗传一a l o p e x 混合算法用测试 函数进行测试，结果表明，该算法在对维数较多和局部最优值较多的测试函数进 第一章文献综述 行计算时能很好地收敛到全局最优解，并且收敛概率、最优解的均方差都较好 【3 l 】 o 1 3 3 换热网络优化的人工智能法 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。j e z o w s k i 3 2 】尝试建立换热网络综合的专家系统，先 产生1 个多种网络结构的树型结构，然后用人工智能中的搜索技术找到最佳的网 络。g r i m e s 3 3 j 设计的专家系统h e a t e x 含有1 1 5 条产生式规则，利用推理技术 可以求出最小公用工程消耗。h a r t m a n n t 驯提出换热网络综合问题存在着大量可行 方案和评价标准，这些准则具有一定的模糊性，因此，他提出了一种简单的将产 生式规则和模糊理论相结合的专家系统。我国清华大学陈丙珍【1 8 1 等也开发了换热 网络综合的专家系统，它由数据库、知识库、控制策略和人机界面构成。数据库 记录了原始问题与事实，用来完成问题的机器描述。知识库中的知识用框架结构 与产生式规则相结合的方式表示。控制策略首先根据问题特征分类，确定合适的 综合方法，然后运用正向推理搜索对应的规则集。人机界面使用户可根据屏幕提 示简便地进行操作。李志红掣3 5 】将专家系统与数学规划法相结合来进行换热网络 的综合，利用专家系统来确定换热器的投资费用公式和流股的分流，根据流股的 分流情况来确定换热网络的超结构，并通过遗传算法来进行换热网络的求解。 人工神经网络是人工智能研究的一个重要分支，它是一个动力学系统，整个 网络的特性用能量函数表示，由单向信号通道将大量的处理单元连接而成的一个 网络结构( 每个处理单元可以由局部存储器，存储某些关于局部计算操作的信 息) 。调整神经元状态的过程就是寻找能量稳定点的过程，网络的特性及较强的 计算能力使得它在计算大规模组合优化问题时具有独特的优势。毕立群掣3 6 】首先 利用h o p f i e l d 神经网络( h n n ) 进行换热网络换热器的综合，建立了能够实现换热 网络流股自动匹配的人工神经网络( a n n ) ，该模型与传统的数学方法一样能够自 动实现换热网络流股匹配，模型使用的变量要少的多，而且寻优速度快h u a n g 和f a n l 3 7 以换热网络的综合设计与控制为对象，建立一个以专家系统、模糊理论 和人工神经网络相结合的混合智能系统。i s l a m o g l u 3 8 】利用人工神经网络预测换热 器的传热速率，同时用后传播算法训练和测试网络，能够对工程中换热器的传热 速率进行快速预评估。y a r s h n e y 和p a n i g r a h i l 3 9 】利用人工神经网络控制密闭空气 和水换热系统， 与p i d ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld e r i v a t i v e ) 方法相比，人工神经网络 有更快的反应速度。 1 2 第一章文献综述 1 3 4 火用分析法 夹点分析法在处理复杂换热网络时具有一定的局限性，火甩分析方法是一种基 于热力学第二定律产生的分析方法，与夹点分析基于第一定律不同，火用分析方法 把能量看做是有“质”有“量”的一个整体，不再