（化学工程专业论文）木糖生产过程换热网络的合成及优化.pdf

中文摘要 人口增长，能源危机，是当今世界的两大主题，节能降耗已是大势所趋。木 糖在我国已经有四十多年的生产经验，技术上达到了世界水平，已是世界木糖生 产和出口大国。但是，目前我国木糖生产的工艺流程中存在的一个主要问题就是 蒸汽耗用量太大，能量没有充分的循环利用。因此，生成换热网络，并进行优化， 最大限度的回收热量，意义重大。 本文围绕这一主题，以某木糖生产厂家的工艺流程为背景，开展了如下的工 作： 1 利用夹点技术，对整个生产系统进行用能诊断，发现该生产过程对热量 并没有充分利用，没有形成换热网络，造成了热量的巨大浪费。本文根据虚拟温 度法计算出各个流股的传热温差，做出温一焓图，确定出了能量回收系统中“夹 点”的位置，做出了过程的组合曲线和总组合曲线，依据夹点法设计规则，设计 流股的匹配，合成出了具有最大能量回收特征的换热网络。本文还进行了换热设 备的选择，以及合成换热网络前后公用工程耗量和费用的计算。 2 以热力学原理为基础建立了数学模型，对整个木糖生产工程的换热网络 进行了模拟，最终确定了年产5 0 0 0 吨木糖生产工艺的换热网络的数学模型，以 及各个换热器进出流股的温度、物流流率等数据，为现场换热网络的优化奠定了 基础。 3 以灵敏度系数为基础，利用建立的数学模型，对木糖生产的换热网络进 行灵敏度分析，找出了最佳的调节变量和更改参数，并在原换热网络的基础上设 置了控制旁路，确定了调节变量的最大值和更改参数的增加值。在确定的干扰范 围内可以对换热网络进行调节，满足所需的换热温度，提高了换热网络的柔性， 达到所需工艺要求。 通过本文的工作证明，利用夹点分析技术，指导木糖生产工艺过程的换热网 络的合成及优化，利用灵敏度分析法，指导换热网络的优化控制设计，具有明显 的优势，可以大大降低生产成本，同时填补在木糖生产技术方面能源节约的空白。 关键词：木糖换热网络夹点技术模拟优化 a b s t r a c t p o p u l a t i o no v e r f l o wa n de n e r g yc r i s i sa r et w ot o p i c so ft o d a y sw o r l d ，a n de n e r g y c o n s e r v a t i o ni so ft h et e n d e n c y c h i n ai so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o u n t r i e s p r o d u c i n ga n de x p o r tx y l o s ei nt h ew o r l d ，w h i c hh a sh a dm o r et h a nf o r t yy e a r s e x p e r i e n c ea b o u tp r o d u c i n gx y l o s ea n do u rt e c h n o l o g yh a sr e a c h e dt h ew o r l d a d v a n c e dl e v e l h o w e v e r , n o w a d a y s o u rp r o d u c i n gp r o c e s sh a sam a i np r o b l e mt h a t t h es t e a mc o n s u m p t i o ni st o om u c h ，a n dt h ee n e r g yi sn o t c o m p l e t e l yu s e d s o ， d e s i g n i n ga n do p t i m i z i n gt h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r ka n dm a x i m i z i n gt h e e n e r g y - s a v e da r eo fg r e a ti m p o r t a n c e s u r r o u n d i n gt h i ss u b j e c t ，a c c o r d i n g p r o d u c i n g ，s u c hw o r kh a sb e e nd o n e ： t ot h eb a c k g r o u n do ft e c h n o l o g yt h ex y l o s e 1 u s i n gp i n c ht e c h n o l o g yt od i a g n o s et h ee n e r g y - u s e dc o n d i t i o n so ft h ew h o l e s y s t e m ，w ee x p l o r e dt h a tt h ee n e r g yw a sn o tc o m p l e t e l yu s e d ，a n dt h eh e a te x c h a n g e r n e t w o r kw a sn o ts y n t h e s i z e d a sar e s u l t ，m o u n t so fh e a tw a sw a s t e d i nt h i sp a p e r w ec o m p u t e de a c hs t r e a m sh e a t t r a n s f e r t e m p e r a t u r ew i t h t h em e t h o do f p s e u d o - t e m p e r a t u r e ，o b t a i n e dt h et - hg r a p h ，c o n f i r m e dt h ep i n c hp o s i t i o no fe n e r g y s y s t e m ，a n dp i c t u r e dc 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 op i n c h t e c h n o l o g y , d e v i s e dm a t c h e so ft h es t r e a m s ，a n ds y n t h e s i z e dt h eh e a te x c h a n g e r n e t w o r kw i t ht h ec h a r a c t e ro fm a x i m u me n e r g y r e c o v e r y t h et y p e so fh e a t e x c h a n g e r sw e r ec h o s e t h ew a s t a g ea n dc o s to fu t i l i t yl o a d sw e r ec a l c u l a t e db e f o r e a n da f t e rt h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r kw a ss y n t h e s i z e d 2 w eb u i l tm a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t e dt h ew h o l ex y l o s ep r o d u c i n g p r o c e s s f i n a l l y , w ed e t e r m i n e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a te x c h a n g e rn e t w o r ki n t h ep r o d u c i n gx y l o s ep r o c e s sw h o s eo u t p u tw a s5 , 0 0 0t o np e ry e a r , e a c hh e a t e x c h a n g e r si n p u ta n do u t p u ts t r e a m s t e m p e r a t u r e 、s t r e a m s f l o wr a t ea n ds oo n t h e m a t h e m a t i c a lm o d e le s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o no ft h eo p t i m i z a t i o no ft h el o c a l eh e a t e x c h a n g e rn e t w o r k 3 o nt h eb a s i so fs e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n t sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l s w ea n a l y z e d t h es e n s i t i v i t yo ft h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r k ，f o u n dt h e o p t i m a lm a n i p u l a t e dv a r i a b l e s a n dt h eo p t i m a lr e t r o f i t t e dp a r a m e t e r s ，a n ds e tt h ec o n t r o l b y p a s s e s ，a n dc o n f i r m e dt h e m a x i m u mo fm a n i p u l a t e dv a r i a b l e sa n dt h ei n c r e a s i n gv a l u e so fr e t r o f i t t e dp a r a m e t e r s t h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r kc o u l db ea c c o m m o d a t e di nt h ec e r t a i ne x t e n s i o n ，s oi t c o u l da r r i v ea tt h ec e r t a i nt e m p e r a t u r ea n dm e e tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s t h eh e a t e x c h a n g e rn e t w o r k sf l e x i b i l i t yw a si m p r o v e d t h i sp a p e rp r o v e dt h a ti th a do b v i o u sp r e d o m i n a n c e ，t h a tu s i n gp i n c ht e c h n o l o g y s y n t h e s i z e dt h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r ko fx y l o s ep r o d u c i n gp r o c e s s ，a n dt h a tu s i n g a n a l y t i c a lm e t h o do fs e n s i t i v i t yg u i d e dd e s i g no fh e a te x c h a n g e rn e t w o r k so p t i m i z i n g c o n t r 0 1 i tc o u l df i l lt h eb l a n ko fs a v i n ge n e r g yi nt h ea r e ao fx y l o s ep r o d u c i n g t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：x y l o s e ，h e a te x c h a n g e rn e t w o r k ，p i n c ht e c h n o l o g y , s i m u l a t i o n ， o p t i m i z a t i o n 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：绦冤菱 签字日期： 渊7 年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫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： 绦谴 签字日期：砂7 年月7 日 导师签名： 套亏两 签字日期。加7 年1 月歹日| 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 木糖的性质及用途 1 1 1 木糖的性质 第一章文献综述 木糖( x y l o s e ) 和阿拉伯糖等同属于五碳糖。在自然界，除竹笋以外，尚未 发现游离状态的木糖。木糖常以缩聚状态广泛地存在于自然界植物的半纤维素 中，即以大分子的木聚糖的形式含在植物体内。虽然木糖是单糖的一种，但和日 常食用的六碳糖葡萄糖及果糖不同，木糖不能为人体提供热量，但具有增加肠道 双歧杆菌数量等某些特殊功能。用酸或酶使木聚糖降解，获得木糖。工业生产的 木糖为d 一木糖，含量 9 9 ，水分4 0 5 ，灰分含量0 0 5 0 2 ，p h ( 5 0 w w ) 为3 - - - 5 ，为细针状晶体，味甜，无回味；溶解度( 2 0 ) 为1 1 7 9 l o o g ； 熔点为1 5 3 1 5 4 ，有变旋现象，比旋光度+ 1 8 6 0 + 9 2 0 。其化学式为c 5 h 。0 5 ， 相对分子质量1 5 0 1 3 ，结构式如图1 - 1 所示n 1 。 i i l ，c i h 2 。h 图1 1d 一木糖结构式 f i g u r e l 1 咖c n i r eo f d - x y l o s e 完成木糖工业化生产的，是2 0 世纪5 0 年代由前苏联在中亚细亚的费尔干建 成了世界上第一个木糖生产企业，1 9 5 0 年试生产共2 9 吨，至2 0 世纪6 0 年代形 成年生产1 2 0 0 吨规模，该厂主要以棉子壳为原料进行生产。在5 0 年代末又建设 了克拉斯诺达尔水解联合企业，生产糠醛、酵母、酒精和木糖醇、木质素压缩燃 烧，原料为玉米芯( 含五碳糖最高达3 8 - - 4 0 ) 、向口葵壳、单宁提取渣。 我国在2 0 世纪5 0 年代，由于油脂按计划配给，石油限量供应，因而工业用 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 油脂不足，导致甘油供不应求，轻工业部决定学习苏联经验，开展从农业植物废 料提取代甘油木糖醇的研究。并于1 9 6 5 1 9 6 7 年由国家科委投资l l o 万元， 在吉林第一化工厂，完成了主要以玉米芯为原料制取木糖及木糖醇的中间试验， 并通过中试鉴定，以后在此基础上建成了我国第一个木糖醇生产企业。1 9 7 5 - - - 1 9 7 6 年，在轻工业部研究院组织下，轻工业部环保所和广东南海糖厂、福建漳 州糖厂、保定化工二厂合作进行了甘蔗渣酸水解制人造纤维浆粕抽丝和水解液制 木糖醇的工业试验，1 9 7 8 年该项目获得了国家科学大会奖，1 9 7 9 年在此基础上 由漳州糖厂李明杰同志带领的试验设计小组负责设计、设备制造、安装直至投产， 建成了国内第一个年产5 0 0 t 结晶木糖车间，并获得木糖和木糖醇行业第一个国 家发明专利证书。1 9 7 9 1 9 8 1 年在浙江省开化日化厂建成了以玉米芯为原料， 年产3 0 0 t 结晶木糖醇车间，并于1 9 8 5 年形成生产能力。经过2 0 世纪8 0 年代各 厂的共同努力，技术水平提高，规模扩大，又有新厂建成，至今主要有保定宝硕、 禹城福田、开化华康、汤阴豫鑫等骨干企业，木糖生产能力超过3 万t 。 1 1 2 木糖的用途 过去木糖主要用作木糖醇的原料，进入2 0 世纪9 0 年代，木糖较多地开始在 无热量食品、肉食风味剂以及美拉德反应的抗氧化剂中得到应用，作为单独的商 品进入市场。 1 木糖作为无热量甜味剂 木糖作为无热量甜味剂，其突出的特点有： ( 1 ) 甜度及风味均和葡萄糖类似，并能改善甜食的风味及口感。浓度为 l o ，甜度为蔗糖的7 0 左右，但当木糖浓度提高时，相对甜度也提高。如浓 度为1 5 时甜度为蔗糖的7 4 7 、浓度为2 0 时甜度为蔗糖的8 2 7 。当木糖 和其它甜味料复合使用时，能改善口感，抑制异昧，如对糖精钠有减轻后苦的功 效。 ( 2 )和葡萄糖有相近的物理性能。凡食品本来使用葡萄糖的品种，均可 简单地以木糖取代：除甜度和葡萄糖相近外，其它包括熔点、溶解度、口感均相 近。所以几乎能l ：l 代替葡萄糖，生产各种适合于糖尿病人和肥胖病人食用的 低热量食品，而且口感良好。用木糖制糖果或甜食，不仅比各种糖醇价格便宜， 且是粉剂，食品加工时使用方便，又没有吃多了会拉稀的顾忌，故有良好的发展 前景。据报道西班牙已批量生产含木糖的糖果和甜食。 2 木糖在加工肉食及热n i 粮食制品中作风味改良剂 制熟食品时，在煮、蒸、炸、烤等加热过程中，会产生愉快的香味，其主要 原因之一是食品中所含糖类和氨基酸，在加热过程中产生了美拉德反应。而在所 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 有的糖类中，以木糖具有最敏感的反应能力。一般能比蔗糖低2 0 ，只要在食 品加工过程中，少量( 0 0 5 2 ) 添加木糖，就能起到增香的效果。据日本 e i s a i 公司介绍，木糖作为加热食品增香，可用于：焙烤食品、饼干、米果、火 腿、香肠、腊肉、水产品、人造肉等。 肉食品加工中，一般均添加糖类。经加热后，肉制品的色泽、风味、香气得 以改善，还可以调节肉食的异味，即矫正羊肉、马肉、鲸肉、大豆腥味的异味方 面，在这方面木糖比葡萄糖或蔗糖要有更好的效果。 3 木糖作为肉类香精原料 在熟肉类加工行业，往往需要添加各种肉类香精，如牛肉香精、猪肉香精、 鸡肉香精等。近年国内外研发的肉类香精，主要是利用肉类酶解提取物为基料， 然后配以氨基酸和糖，加热进行美拉德反应；能得到各种逼真的天然肉类香料味 道，包括蛋黄味、海鲜味等。美拉德反应制取肉类香料，除蛋白质基料外，其配 料所取糖类中，木糖必不可少。我国天津、上海、广州等地的合成肉类香料公司， 均用木糖为起始原料。 4 木糖制食品抗氧剂 为了防止食品特别是含油食品氧化变质，一般均使用国家批准使用的抗氧化 剂。随着人们对化学合成抗氧剂的疑虑日益增加，科技人员一直在研发低毒无毒 的天然抗氧剂，然而，这些天然提取物虽然安全，其生产成本比化学合成的要高， 因而研究利用食物原料氨基酸和木糖合成抗氧剂引起了国内外科技工作者的浓 厚兴趣。 国外研究表明，木糖氨基酸美拉德反应产物含有类黑精、羰胺聚合物、杂环 化合物等，是众多糖和不同氨基酸美拉德反应中，所能获得的具有较高抗氧化活 性的美拉德反应产物。2 0 0 3 年4 月初，第七届中国固际食品添加剂展览会期间， 广州优宝工业公司推出了美拉德反应产物抗氧剂叫r p s 。经在方便面汤料、膨 化食品、咸味饼干、速冻食品、肉制品、焙烤食品中的初步试验，表明使用量为 0 3 0 8 可达到预期抗氧化效果。 1 2 木糖的制备 将农业植物纤维废料如玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣等水解，使其中的多缩戊糖 水解，便得到木糖。 从化学反应上看，只需要水解一步反应。在工业生产中，还需要许多的工序 以除去水解液中含有的酸、色素、胶体、灰分等杂质。 目前主要的工艺方法有中和法、离子交换脱酸法、结晶木糖法等，主要工序 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 为： ( 1 ) 中和法：原料一预处理一水解一中和脱色一蒸发一结晶一离心一结晶 木糖 ( 2 ) 离子交换脱酸法：原料一预处理一水解一脱色一离子交换一蒸发一离 子交换一结晶一离心一结晶木糖 ( 3 ) 结晶木糖法：原料一预处理一水解一中和一蒸发一甲醇沉淀一蒸发一 结晶一离心一结晶木糖 下面以玉米芯制取木糖的工艺流程为例，说明整个的工艺流程。 1 热水预处理 在水解前，为了使玉米芯表面附着的尘土，内部的果胶、含氮物、脂肪、色 素等不带入水解液中，应尽可能除去。除去的办法是用热水、稀酸或稀碱浸洗， 但需要严格控制工艺条件，以免使多缩戊糖也水解出来，造成玉米芯中的糖分损 失。热水预处理温度为1 2 0 ，在热水预处理后，其水溶液中成分应是：热水或 稀酸、稀碱中含还原物量不得超过2 ( 对原料重量计) ，预处理后玉米芯灰分 含量尽可能低，不得高于1 o ，这样是一个比较理想的指标。 2 水解 原料玉米芯所含多缩戊糖，在稀酸中反应，水解为木糖，由此获得的木糖水 溶液称之为水解液。 ( c 5 风ql + n h 2 d 旦_ 刀c 日1 0 0 5 水解温度为1 2 5 ，水解压力为0 1 5 m p a 。水解液含有大约5 的木糖，外 观为淡黄色。除了木糖以外，还含有一些色素、胶体、灰分等杂质，故要经过一 系列净化工艺( 脱色、离子交换等) ，使水解液中木糖纯度达到9 0 以上，并经 过浓缩、结晶、离心、干燥方可得到结晶木糖口1 。 为了减少生产过程中糖分的损失，充分利用资源，在水解反应完后还要经过 一次水洗( 温度1 2 5 ) ，排出的水洗液留作下次水解反应的加入液。 3 水解液中和 硫酸水解玉米芯所得水解液成分，如表卜1 所示。在结晶前必须把色素和酸 类清除出去，以提高水解液的纯度，才能保证得到好的产晶和设备不受腐蚀损坏。 要脱去这些非糖分，最经典的办法就是采用碱或盐中和，所使用的碱或盐必须来 源充足，价格便宜、沉淀完全，且沉淀物有一定的吸附能力，所以一般采用石灰 乳或碳酸钙，这样可以中和8 0 以上的无机酸，然后过滤沉淀部分胶体，减轻 交换脱色负荷。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 表1 - 1 硫酸水解玉米芯所得水解液成分( ) t a b l e l 1c o m p o n e n to fh y d r o l y s a t ep r o d u c e db yh y d r o l y z i n gc o r nc o bu s e d s u l f u r i c a c i d 堑壁奎董坌：璺墼垂巫墼查丛墼坚g 盟! ! ：垄坌 5 2 63 8 41 1 20 60 41 4 1 50 0 2 0 0 2 50 0 0 70 1 5 0 2 0 4 水解液活性炭脱色 为了进一步脱除水解液中的杂质、色素，采用活性炭脱色，利用活性炭巨大 的活性表面吸附7 0 以上的色素和胶体。 5 水解液离子交换树脂脱酸脱色 采用不同的阴、阳离子交换树脂，交替使用以除去糖液中的钙、镁离子、酸、 色素、含氮物、胶体及9 0 以上的杂质。 6 水解液蒸发 为了提高水解液中糖分的浓度，需要蒸发掉溶液中多余的水分，使糖浓达到 9 0 以上，以保证后续结晶操作的顺利进行。我国木糖生产蒸发系统采用的方案 很多，现列举如下： ( 1 ) 单效蒸发系统：耗汽大，木糖液浓度稀，用此系统从经济角度看不 太合理。 ( 2 )双效蒸发系统：它比单效蒸发系统经济，耗汽可节省5 0 ，对于规 模较小的厂，可以考虑，但对大中型厂，要考虑经济合理性。 ( 3 )三效蒸发系统：比双效蒸发系统可节省蒸汽约3 7 5 ，不论从经济 角度，还是从产品质量角度看都是比较合理和成功的。 ( 4 ) 四效蒸发系统：需要严格的控制工艺参数，才能达到所要求的糖浓。 7 木糖的结晶 木糖晶体是化学均一的固体，且具有规则的晶形，其结构系以诸原子离子和 分子在空间晶格的对称排列为特征，当木糖在不同的情况下进行结晶时，其晶体 的形状、大小、颜色等亦不同，因此，要设法创造良好的结晶条件以获得大小一 致、结晶紧密的晶体。 8 木糖的干燥及筛分、包装 由于木糖的熔点较低，且每天的生产能力又比较大，因此选用振动流化床干 燥设备，对木糖的干燥是比较适宜的。在操作过程中，一般控制热风温度6 0 c 7 0 ，水分o 5 ，干燥后的木糖晶体，化验合格后根据用户的不同粒度要求， 过筛，包装入库。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 木糖的发展前景 木糖在我国已有四十多年的生产经验，技术上达到世界水平，已是世界木糖 生产和出口大国。随着经济的发展和生活水平的提高，国内市场不断扩大，进一 步发展木糖工业，具有十分优越的条件。 我国玉米年产量1 2 亿t ，玉米芯的产量占玉米产量的1 4 ，约3 0 0 0 万t ，这 些玉米芯除部分收购3 0 万t 生产糠醛外，用于生产木糖和木糖醇的每年约3 0 - - - 3 5 万t ，只占玉米芯总量的1 2 左右。 我国全国蔗糖年产量约8 0 0 万t ，渣约9 0 0 万t ，仅广西壮族自治区产蔗糖约 3 0 0 万t ，可产甘蔗渣约3 5 0 万t ，其中除小部分生产纸浆外，绝大部分当成燃料 烧掉。 我国玉米秆年产1 2 亿t ，目前几乎是在田间放火燃烧，它的多缩戊糖含量 与甘蔗渣的相当，约2 2 2 5 。此外，国家将大力发展竹浆造纸，竹子含多 聚戊糖2 0 - - 2 5 ，可以将竹材造纸和综合利用木糖相结合，这将是一种潜在 的木糖资源。 木糖、木糖醇，是五个碳的糖和醇，相比六碳糖和醇而言具有独特的生理活 性。作为一种营养性甜味剂，能替代食糖，广泛应用于食品加工，并进入一日三 餐，木糖醇已被联合国食品法典委员会批准为可以不受限量的公认安全物质。随 着经济的发展，人民生活水平的提高，人们普遍关注健康，功能性食品成为食品 工业新的增长点。而木糖、木糖醇具有防龋齿、不升高血糖等防病抗病的功能， 在1 9 7 8 1 9 7 9 年北京复兴医院的临床试验证明，木糖醇具有改善肝功能的功效， 这是在所有糖醇中木糖醇所拥有的唯一特有的功能；最近经试验证明木糖醇和低 聚糖相类似，也有使双歧杆菌增殖的效果，这是我国在世界上首次发现木糖和木 糖醇具有使双歧杆菌增殖的效果，受到食品工业界的广泛关注。多年来我国木糖 醇产量的8 0 - - 一9 0 均出口国外，大量用于食糖替代品，制取无糖糖果。近年 我国市场上也出现了少量无糖口香糖和无糖月饼等食品。国内木糖和木糖醇市场 正悄然启动，2 0 0 4 年国内用量已达3 0 0 0 t 。预计我国将从目前的世界木糖醇生产 和出口大国逐渐变成木糖醇生产和消费大国。 1 4 存在的问题 但是，目前我国生产木糖的工艺流程中存在的一个主要问题就是蒸汽耗用量 太大，能量没有充分的循环利用。一个年产5 0 0 0 吨的木糖厂，仅蒸发工序，每 天直接冷却掉的蒸汽就接近1 0 0 吨，日产约5 0 0 吨1 2 0 的水解液和4 5 0 吨左右 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 0 的预处理液，两项合起来约1 0 0 0 吨天，如果能合理的利用这些热物流， 就会提高系统的热回收能力，使产品的成本大大降低，从而提高经济效益。当前 还没有人对木糖生产工艺流程中能源的充分利用问题进行研究，并提出合理的解 决方案。 1 5 换热网络的研究现状 1 5 1 换热网络综合问题 换热网络( h e a te x c h a n g e rn e t w o r k ) 作为过程系统的一个重要子系统，是 化工、炼油等过程工业能量回收的主要组成部分，对于生产中降低能耗具有重要 意义。许多学者对换热网络最优综合问题进行了深入的研究，使之成为过程系统 综合中最富有成就的研究领域，在工程实际应用中也获得了显著的效果h 1 。 在许多过程工业中，一些物流需要加热，而另一些物流则需要冷却，如果用 热流来加热冷流，这样就可以回收能量嵋1 。合理地把这些物流匹配在一起，充分 地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、冷却水等) 辅助加热和冷却负荷，无疑将提高整个过程系统的能量利用率 和经济性。合理有效地组织物流间的换热问题，涉及到如何确定物流间匹配换热 的结构以及相应的换热负荷分配。换热网络晟优综合问题的简化描述就是要确定 出具有较小或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 度达到规定的目标温度的换热器网络。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。这三个目标因素之间是相 互影响的，其关系如图1 2 所示： 图l 一2 影响换热网络费用的三个因素 f i g u r ei 2t h r e ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fh e nc o s t 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 5 2 换热网络综合方法 对于给定的换热网络综合任务，可供选择的流程方案太多，不能采用盲目的 枚举法来寻优1 。近三十年来，众多研究者提出了多种换热网络综合方法。1 9 6 5 年h w a 盯1 首次考患有多种热物流和冷物流的最佳换热结构设计问题，h o h m a n n 疆1 首次提出，当给定了冷、热工艺物流数据，即可确定出最小公用工程用量及所需 要的最少设备单元数，这在换热网络综合的理论工作上是一个重大贡献。u m e d a 3 等基于热力学原理，采用有效能图，提出分组综合的方法，l i n n h o f f 等n 们提出夹 点的概念和夹点设计法，在换热网络综合的理论和实践方面实现了具有突破性的 进展，同时提出t i ( t e m p e r a t u r ei n t e r v a l ) 和t c ( t e m p e r a t u r ec o m b i n a t o r i a l ) 算法；构造出的换热网络具有如下性质：没有物流分支，公用工程用量最小，以 及换热设备数最小。c h a l l a n d 等n 妇提出了双温差法，使得设计工作更加灵活、有 效。c i r i c 和f l o u d a s n 2 1 提出采用混合非线性规划法同时求解公用工程负荷、物流 间的匹配和最佳网络结构。用于换热网络综合商品化软件已相继开发出来，如 a d v e n t 、h e x t r a n 、i n t e r h e a t 、m a ( 讣厄t s 、i 也s h e x 、s u p e i u a r g e t 、 p r oi i 、a s p e n 等。 1 启发式经验规则法 启发式经验规则法也称为试探法或直观推断法。这种方法虽然不能保证一次 得到最优解，但可以以此为基础，采用一些调优规则或方法对系统逐步优化。这 种方法也称为直观推断调优法。它实际上是工程设计中应用最多的方法。早在 1 9 6 9 年m a s s o 和r u d d n 3 1 就提出用直观推断法建立换热网络的方法。1 9 7 4 年 p o n t o n 和d o n a l d s o n n 钉提出了可用于计算机快速合成换热网络的直观推断规则， 即按最高供给温度与最高目标温度的热、冷物流由高温端向低温端逐次进行匹配 的规则，p h o 和l a p i d u s n 副提出了基于规则的换热网络综合的树搜索法。 n i s h i d a 等人n 础证明用上述规则可得到具有最小换热面积的网络结构，并提 出了一个简单实用的方法一调优方法。借助温一焓图( t h 图) 综合换热网 络，可以实现物流间的合理匹配换热，有效地利用温位，合理地分配传热温差和 热负荷，使得换热网络原则上实现逆流操作，即得到满足规定热负荷前提下热力 学最小面积网络，但此方法在综合最小面积网络过程中，并没有考虑各换热器传 热系数的大小以及单位传热面积价格的区别。工业换热网络中，考虑到物流的流 量、温度、压力以及物性等因素，需要选择不同的型式、不同材质的换热器，其 传热系数、单位传热面积价格会相差1 2 个数量级，为此应对最小面积网络进行 改进。对于出现多次物流分支、混合，以及存在小热负荷换热器的情况，可在t h 图上把原来垂直分隔的焓区间给以适当的合并，以减少换热设备数，从而减 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 少设备投资费用，改善操作弹性。夹点技术出现以后，s u 和m o t a r d n 铂也提出了 通过断开热负荷回路来减少单元数目的调优方法。尹洪超等n 8 1 还给出了一些换热 器网络调优规则。 随着人工智能技术的发展，在这些经验规则法和夹点技术的基础上，开发了 基于规则的换热网络专家系统。如1 9 8 2 年美国推出的h e x n 汪n 换热网络专家 系统；陆明亮等n 们提出了用专家系统方法来进行换热网络的最优综合；清华大学 于1 9 8 9 年开发出了换热网络综合专家系统s p h e n ；高维平等人心们提出了智能法 合成最优换热网络，它将换热网络设计的一些经验按一定的合成步骤加以运用而 得到最终的优化网络。因此这些方法实际上是经验规则法的发展。 2 夹点设计法 夹点设计法，也称热力学目标法，是以热力学原理和分析方法为基础，以最 小能耗为主要目标，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”所在，并给以“解瓶颈 的一种方法妇。1 9 7 8 年l i n n h o f f 乜2 1 和u m e d a 心3 1 分别提出了换热网络中的温度夹点问题，指出夹点限制了换热网络 可能达到的最大热回收。1 9 8 2 年和1 9 8 3 年l i n n h o 2 钔比较系统地论述了用于换 热器网络综合的夹点技术，并推广应用于整个过程系统的能量分析与调优，1 9 9 3 年对夹点技术( 更确切地说，称为夹点分析) 作了全面地总结性评述。世界上著 名的工程公司，如赫斯特、拜尔、联碳、孟山都、杜邦、i c i 、三菱等较早地采 用了夹点技术进行新厂设计和老厂改造，在降低能耗、减少投资、保护环境等方 面取得显著成效。我国高校、设计部门于8 0 年代初已将夹点分析方法用于原油 预热系统的节能改造，尔后用于全过程系统的用能分析与调优，取得了满意效果。 夹点设计的核心是三条基本原则，即第一，应该避免有热量通过夹点：第二， 夹点上方的子问题应该避免引入公用工程冷却物流；第三，夹点下方的子问题应 该避免引入公用工程加热物流。只要不违背上述三条基本原则，无论如何匹配都 能达到最小公用工程负荷。如违背上述三条基本原则，就会增大公用工程负荷及 相应的设备投资。l i n n h o f f 按照上述三条基本原则提出了夹点设计法的可行性规 则。夹点设计法大致可分为三个步骤： ( 1 ) 给定网络热回收温差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 ) ，确 定网络的最小公用工程耗量及夹点位置； ( 2 ) 以夹点划分为两个子网络分别设计，然后合并，得到能耗最小的整体 网络； ( 3 ) 采用能量松弛法，通过断开热负荷回路等来减少换热单元数目，进行 网络调优。 换热网络中的温度“夹点”限制了可能达到的最大热回收量，充分掌握“夹 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 点”的特性，可以有效地进行换热网络的最优设计，而且方法实用，工程技术人 员可以发挥多年的工程设计和生产经验，合理地考虑一些必要的工程因素。 按夹点设计法，得到了一个最大能量回收网络，但往往换热设备数较多， 流程复杂，需作进一步的调优处理。对于给定的h r a t ，为满足最小能耗目标， 不允许能量跨越夹点，因而最小能耗的初始网络可能具有较多的单元；为得到最 小投资费用的网络，需要进行能量松弛以减少单元数。s u 等提出断开网络中的 热负荷回路，以及采用热负荷路径的能量松弛方法，能够有效地减少换热设备数， 从而在基本上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 以能量跨越夹点即以能耗为代价的。 c h a u a n d 和c o l b e r t 心鄙指出不应以夹点温差作为网络设计的唯一变量，又提出 了双温差法。t r i v e d i 乜6 1 与j e z o v s k i 陉7 1 在夹点设计法基础上提出了双温差的伪夹点 设计法。由于换热器的最小传热温差可以小于决定最小能耗水平的网络热回收温 差，因而允许有一定能量跨越伪夹点，这有利于获得结构简单、费用较低的网络 结果。李晖等呦1 在双温差基础上提出虚拟温差法，用于传热膜系数和单位换热面 积费用不同的换热网络的优化设计，它是把每股物流的传热膜系数和单位换热面 积费用与每股物流传热温差相关联，利用它修正物流的初始温度和目标温度，然 后对换热网络进行最优综合，这种方法被称为虚拟温度法。a s a n t e 与z h u 瞳刚在夹 点分析的基础上，提出了将网络夹点与过程夹点相区别，前者与网络拓扑结构有 关，基于网络夹点的换热网络的改造目标是网络拓扑变化最小，同时增加面积费 用最小。 夹点技术在学术上和工程应用中都取得了巨大成就m 1 ，其方法本身也在不断 的完善和扩展b 1 。夹点技术不仅可用于换热网络的综合、换热网络的柔性分析 与综合b 引，还可以用于公用工程系统及过程系统的能量集成陋3 9 】。但由于它是分 布设计，不能同时权衡不同的费用目标与约束，往往不能得到全局最优解。 3 数学规划法 随着计算技术的发展，换热网络的研究出现了个新的分支数学规划 法。继h w a 的可分离规划法后，许多研究者致力于用数学语言把合成问题表示 为数学模型，能应用通常的直接最优化技术有效地解决问题。根据换热网络特点 建立数学模型( 主要包括线性规划l p ，非线性规划n l p ，混合整数线性规划 m i l p 和混合整数非线性规划m i n l p 模型) ，采用合适的算法求解数学模型，实 现从众多可能的结构中选择最优结构的任务，它的这个特点与主要设计者知识和 经验选优的夹点设计法相比，其优越性是可以保证求解的最优。 换热网络综合问题的数学描述： 用数学规划法求解换热网络的最优综合问题，首先需要对换热网络进行恰当 天津大学硕：i ：学位论文第一章文献综述 地数学描述，在此基础上建立数学模型。通常对换热网络的最优综合问题的描述 如下： 在一个过程系统中，热工艺物流有n h 股，需要由初始温度t s 冷却到目标温 度t t ；冷工艺物流n c 股，需要由初始温度t s 加热到目标温度t t 。由于热物流的 总热量与冷物流的总热量通常不相等，加上热力学对传热温差推动力的约束，通 常需采用一组热公用工程( 如燃烧炉、加热蒸汽) ，以及冷公用工程( 如冷却水、 冷剂) 。网络最优综合问题的目标是构造一个满足物流初、终温要求，并满足目 标函数m i n f ( x ，y ) 最优。若把公用工程用量作为操作费用，把换热器作为投 资费用，那么换热网络最优综合可以描述成：构造一个能满足物流初、终温要求、 具有最少投资费用和操作费用的换热网络。 1 9 6 9 年k e s l e r 和p a r k e r 柏3 将热物流和冷物流分为一个个相等的小换热单元 来考虑其间的换热，建立了线性规划模型。随后k o b a y a s h i t * 1 1 等将( 除反应过程 和分离过程以外的) 热过程系统分为内层系统( 即换热网络) 和外层系统( 即公 用工程系统) ，结合k e s l e r - p a r k e r 的方法及复合形算法，提出了一种线性规划迭 代求解的方法。1 9 7 0 年l e e 等h 2 1 采用整数规划的分支定界法，比较成功地进行 了换热网络的最优综合。n i s h i d a 等3 1 提出求取最小传热面积的最优综合方法和 简单实用的调优算法。这些方法大部分属于单目标的直接寻优法。 数学规划法将物流匹配过程看作是数学中的组合优化问题，用最优化理论来 求解最佳的网络结构，可用于解决具有大量变量和多种反馈的问题，很适合工业 系统的网络设计，它可以求出经验规则无法求出的优化网络。它的优点是可以由 计算机完成匹配的自动搜索。缺点是解题过程不透明，物理意义不清晰，专家被 置于决策过程之外。由于即使是全部由换热器构成的网络，其有关的影响因素也 非常多，而且关系十分复杂，数学模型无法描述某些过程知识，因此不能依靠基 于知识的启发式方法缩小问题的搜索空间，对于能够由规则推理得到的结果往往 需要耗费大量的计算量；当系统物流增加时，计算的复杂性呈指数形式增长。因 此，数学规划法至今未能在工程设计中广泛应用。 1 5 3 换热网络的流程模拟 随着计算机技术的大力发展，通过对换热网络作流程模拟，调整参数，使其 在最佳条件下运行，可以指导和改进操作以获得最大的经济效益，是分析和降低 能耗的重要方法。由2 0 世纪5 0 年代的单元设备的模拟到2 0 世纪6 0 年代以后出 现了对整个工艺流程的系统模拟，使化工流程的设计、改造出现了一个新的飞跃。 模拟系统的出现大大减少了试验投资，缩短了没计周期。 p a p a s t r a t o s 等人1 为了辅助设计更有弹性、可操作的、接近最优的换热网络， 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 提出了以动力学原理为基础的c a d h e n 计算机程序( 换热网络的计算机辅助设 计) ，通过使用一个特定的模型，用加速动态模拟器可以完成换热网络的动态模 拟和相应分析，可处理换热网络的超目标、合成和最优化问题。c a d h e n 的目 标和优化步骤是用图表示的，使用者可以看到不同的图形，如：总费用目标图、 主要组成曲线图等。高维平h 朝建立了由换热器、分流器和混合器构成的换热网络 的流程模拟系统。在1 9 9 6 年崔洪星等人h 6 1 采用新颖的网络新分解法推出换热网 络的模拟系统，可以处理带环路的复杂换热流程，换热器的