三效蒸发系统第一效冷凝水热量回收利用_经济分析.doc

三效蒸发系统第一效冷凝水热量回收利用经济分析张及瑞 ,居荫轩 ,张立强 ,赵景利(河北工业大学 ,天津 300130)摘要 :本文以年净收益最大为目标函数 ,考虑了回收热量的价格及年设备折旧费用 ,针对碳酸钾三效蒸发系统第一效冷凝水热量回收利用的不同方案提出了经济分析 ,确定对第一效冷凝水利用的最 佳方案 ,取得显著经济效益 。关键词 :三效降膜蒸发 ;热量回收利用 ;价格 ;经济分析中图分类号 : tk11 + 2文章编号 :1002 - 6339 (2004) 02 - 0022 - 03文献标识码 :aexergy economic optimization of recla iming and utilizing heat of thefirst effect condensate in three - effect falling eva porationzhang j i - rui ,ju yin - xuan ,zhang li - qiang ,zhao j ing - li( hebei university of technology ,tianjin 300130 ,china)abstract : in this paper ,taking the maximum net income per - year as object function and taking the exergy cost of re2claiming heat and the cost of equipment depreciation into account ,as to vary scheme of reclaiming heat of condensate that is from the first effect of three - effect falling evaporation system ,we adopt exergy economic optimization. as a re2 sult ,we find the best scheme of utilizing heat of the first effect condensate .key words :three - effect falling evaporation system ;reclaiming and utilizing heat ;exergy economic optimization供了依据 。为此提出有关 值计算及 经济分析的基本方法 。0前言蒸发过程是大量耗能过程 , 为 了 节 省 能 源 , 常 采 用 多 效 蒸 发 。合理使用能源 ,提高能源利用率是多效蒸发过程中必须重视 的问题 。在多效蒸发系统中 , 由于第一效的冷凝水温度 、压力较 高而具有较高的 值 ,将其直接排放造成较大的 损失 ,降低了系统的 效率 。对于第一效冷凝水的利用通常有不同的途径 ,在1碳酸钾三效蒸发系统工艺操作参数的给定计算示例以年产 1. 5 万吨碳酸钾生产为例 ,生产的成品率 65 % ,采用 生蒸汽压力为 0. 6mpa ,冷凝器的压力 0. 03mpa ,离子交换液浓度10 % ,完成液浓度 47 % , 进料温度 100 , 每天生产 24h , 一年按300 天计算 。对于碳酸钾溶液的蒸发 , 取第一效传热系数 k1 =2评价各种方案能量回收的价值方面 “,”的概念要比“能”更科学 、更全面 , 分析法是一种比较科学的能量分析方法 。但 值并非能量的经济价值 。为进行经济效益的比较 ,需要对 值价值 化 。不同形态能量的单位 值不等价 ; 同一形态的能量在整个工 艺过程中的不同操作段也有不同的单位 的价值 。本文以碳酸钾三效降膜蒸发系统为例 , 对第一效冷凝水热量回收利用进行 经济分析 , 为优化三效蒸发系统工艺路线提1500w(m2 ) ;第二效传热系数 k = 1200w(m2 ) ;第三效22传热系数 k3 = 900w(m ) 。采用三效降膜顺流蒸发工艺 ,流程如图 1 。1. 2 工艺操作参数的计算工艺操作参数的计算运用 c 语言编程进行计算 ,将文献4 中蒸汽压力 、温度与汽化潜热的关系定义函数 data ( m , j) , 该文 献中的碳酸钾浓度与沸点关系定义函数 temp ( x) , 以数组存储 , 查找时通过内差法计算 ,保证了数据的准确性 。采用各效等传热量 、等传热面积的设计原则得到图 1 所示流程的蒸发系统的设计收稿日期 2003 - 12 - 15修订稿日期 2004 - 02 - 16作者简介 : 张及瑞 ( 1964) ,男 ,河北工业大学化工学院过程装备与控制系讲师 ,学士学位 , 主要从事“化工过程传热的强化与优化”方面研究与教学工作 。22 w = m1 cph ( t1 - t2 ) w以本文例可知 t1 = 158. 52 , t2 = 108. 61 ,m1 = 10799. 46kgh 。由文献4查得 cph = 4. 34kjkg , = 2233. 8kjkj ,代入 (4 - 1) 式计算 ,可得闪蒸量 w = 837. 39kgh 。4. 2 方案一的年净收益由文献5查得比焓及比熵的值代入式 (2 - 1) 计算可得闪 蒸产生蒸汽的比 为 570kjkg ,回收 的速度为 477312. 3kjh , 的价格仍按 1. 04 10 - 4 元 kj 计算 ,每天生产 24h ,年生产 300 天 , 闪蒸罐结构简单 ,一次性投资较少 ,本设计忽略闪蒸罐的年折旧费用 ,可以得到采用蒸汽闪蒸罐方案的年净收益为 35. 7 万元 。(4 - 1)图 1 三效降膜蒸发顺流流程图结果 ,见表 1 。表 1 程序设计计算结果效数序号123加热蒸汽温度 , 溶液沸点 , 二次蒸汽温度 , 蒸发水量 ,kgh料液流量 ,kgh生蒸汽耗量 ,kgh158. 52134. 89134. 178132 . 4132051. 2810799. 46133 . 17110 . 14108 . 618583. 3223918 . 87107. 6177 . 3367 . 58516 . 6515335. 54冷凝水预热器的优化设计由于只用末效二次汽预热后的离子交换液温度仅为 62 , 比料液在第一效的沸点低 72. 89 。若将第一效冷凝水用于在二 次汽预热后第二次预热料液 ,可以将料液预热至更高的温度 。预热器两侧都为液相 ,无相变 ,由于管壳式换热器设计较简单 ,且易于制造维修 ,我们选用管壳式换热器 ,采用逆流操作 ,由52值的价值化在进行 经济分析时 ,需将 价值化 ,由稳流过程的热力学第一定律形式 , 忽略过程动能和势能的变化 , 可得到水 、水蒸气2 为稳流系统的物流文献 可查得 两侧无相变的液相管壳式换热器的换热系数可取 1000wm2 。5. 1 设计变量的选取4,ex = ( h - h0 ) - t0 ( s - s 0 )(2 - 1)本文选取 t0 = 293. 15 k ,p0 = 0. 1mpa 为标准态 ,按 (3 - 2) 式计算一次蒸汽的比 值为 770kjkg。本文示例采用 0. 6mpa 的一次 蒸汽 ,一次蒸汽成本按 80 元 t 计 ,得到 的单价为 1. 04 10- 4 元kj 。以本文为例 ,由对末效二次汽预热器 经济优化结果可见 ,对原料液的第一次预热最经济的温度为 62 , 此温度为冷凝水 预热器冷侧的进料温度 ti ,热侧进口温度 ti 为第一效冷凝水温 度 158. 52 ,两出口温度待定 ,可将冷侧流体出口温度作为设计 变量 t ,热侧的出口温度 t 可由热量衡算得到 。5. 2 目标函数的选取选取年净收益最大为目标函数 。年净收益可表示为年回收 的 的价值与设备折旧费用之差 。回收的 与冷侧吸收的热量 和回收该热量时的平均温度有关 , 设备的折旧费用与换热面积有关 。年净收益可用下式表示 :3一效冷凝水热量回收方案在多效蒸发系统中 , 对冷凝水的利用主要是研究对第一效冷凝水利用 。第一效冷凝水可以用泵打回锅炉循环利用 ,可将其闪蒸出蒸汽而作为第二或第三效的加热蒸汽 , 闪蒸后的水流回 锅炉循环利用 。第一效冷凝水还可以用于预热原料液 ,使第一效 料液的进口温度接近沸点 。如用第一效冷凝水直接加热原料液 , 由于冷热流体的温差较大 ,会引起较大的传热 损 ,可用三效的 二次汽先预热原料液至一定温度 , 再用第一效冷凝水预热二次 汽已预热的原料液 。因此可供选择的方案有两种 , 方案一 : 采用 蒸汽闪蒸罐 , 闪蒸罐顶部与第三效加热室相通 ; 方案二 : 采用管壳式换热器预热二次汽已预热的原料液 。m0 = 24l 1 ex d - l 2 a(5 - 1)5. 3 变量的计算由热量衡算 ,略去传热损失 ,冷侧的吸热量等于热侧的放热量 ,则 q = f c ( t - ti ) = m1 cph ( ti -由上式可得到 t 与 t 及 ti 的关系 :t)(5 - 2)4冷凝水闪蒸罐的优化若将第一效冷凝水减压至第三效夹套中加热蒸汽的压力 , f c ( t - t i )(5 - 3)t = ti -m1 cph冷凝水的温度高于该压力下的沸点 ,有部分冷凝水闪蒸 ,吸收热量 ,冷凝水降温 ,当达到该压力下水的沸点时 ,闪蒸结束 ,闪蒸产 生的蒸汽可用于加热第三效蒸发器 。4. 1 闪蒸量的计算冷凝水降温放出的显热全部用于提供水闪蒸的汽化潜热 ,又因为 q = k a tm式中对数平均温差tm 可用下式求得 :(5 - 4) ( t - t i ) - ( ti - t)tm =(5 - 5)t - tiin t- ti23 6结论ia =(5 - 6)k t ( t - t ) - ( t - t)miik (1) 由以上的计算可以看到 ,若采用添加闪蒸罐的方法回收第一效冷凝水的 ,在不考虑闪蒸器的设备折旧费用时 ,年净收 益为 34 万元 ;若采用预热器回收 ,考虑管壳式换热器的年折旧 费用后 , 经济优化结果为年净收益 45. 97 万元 ,因此若将系统 产生的第一效冷凝水用于第二次预热原料液 , 可取得更高的经 济效益 。(2) 采用末效二次汽预热原料 , 在最经济的条件下 , 仅可将 原料液 预 热 至 62 , 与 第 一 效 料 液 沸 点 134. 89 的 温 差 为72. 89 ,如果不在进料前进行进一步的预热 ,则在第一效蒸发器 中将有部分一次蒸汽用于预热 ,消耗了高品质的能量 ,同时第一 效蒸发器的有效面积减小 , 由文献6可以看到 , 对于管外都为 蒸汽冷凝加热 ,管内为沸腾换热的传热系数与过冷料液换热的 传热系数相关很大 , 提高进料温度对提高第一效蒸发器总传热 系数效果显著 。由以上分析可见 , 将蒸发系统第一效产生的冷凝水用于在 二次汽预热后再次预热原料液 ,或将其闪蒸 ,并将产生的蒸汽用 于第三效的加热 ,二者比较前者是一种更经济的方法 。符号说明 :m0 年净收益 ,元 yl 1 的单价 ,元 kj t - t iinti -t回收的热流: t0 t0 t ex = q (1 - = f c ( t - ti ) (1 -)t in t)t -tmi i(5 - 7) t - t i式中 tm 为冷侧的对数平均温度 : tm =(5 - 8)in t ti将式 (5 - 6) 及 (5 - 7) 代入式 (5 - 1) ,得到年净收益的完整表达式为 t0 t m0 = k11 ( t - ti ) (1 - t in t ) -t -ii t - t i t - t it) in(5 - 9)k22 ( t - t ) - ( t -t - tii式中= 24 d l 1 f c= l 2 f ckk11k225. 4 优化方法几及搜索区间的确定该问题为单变量的优化问题 , 采用黄金分割法或函数逼近 法可得到比较满意的结果 。本文采用黄金分割法 。用 c 语言编程 进行优化计算 。探索区间的确定 :该换热器采用逆流操作 ,由工程实践经验 ,对于无相变的换 热器 ,热侧的出口温度应比冷侧的进口温度高 10 ,因此取冷凝 水的出口温度最低 72 ,由式 (5 - 2) 可以计算得到冷侧出口温 度上限为 91. 55 。冷 侧 出 口 温 度 的 下 限 为 料 液 的 进 口 温 度62 ,故取搜索区间为 62 ,91. 55 。5. 5 优化结果以本文示例 ,对于我们设计的碳酸钾三效蒸发系统 ,经优化 添加末效二次汽预热器后 ,料液温度达到 62 ,比热近似按水计 算 ,平均温度下为 4. 20kj( kg ) ,热侧冷凝水取其平均温度下 比热为 4. 258kj( kg ) ,单位换热面积的投资费用按 1800 元计 算 ,设计使用寿命为 10 年 ,故设备的年折旧费用为 180 元 ,换热系 数取 1000w(m2 ) , 的价格按 1. 04 10 - 4 元 kj 计算 ,环境温 度 t0 = 20 。将各已知量代入优化程序 ,得到以下优化结果 :(1) 离子交换液 : 流量 32051kgh , 进口温度 62 , 出口温度91 ;(2) 第一效冷凝水 :流量 10799kgh ,进口温度