过程系统工程论文.doc

学号：20095053056化工系统工程课程论文学 院 化学化工学院 专 业 化学工程与工艺 年 级 2009级 姓 名 黎文俊 论文题目 换热网络若干问题的研究 指导教师 于永生 职称 讲师 成 绩 2012年6月12日8目 录摘要1Abstract1绪论11换热网络1 1.1换热网络问题的提出1 1.2换热网络合成的目标2 1.3换热网络合成的研究方法21.3.1数学规划法21.3.2人工智能专家系统21.3.3热力学方法22换热网络的基本概念3 2.1T-H图3 2.2夹点32.2.1 过程系统的夹点及其意义32.2.2 过程系统夹点的准确确定32.2.3多夹点问题与无夹点问题4 2.3Tmin4 2.4最小公用工程用量5 2.5最小换热器个数的确定63换热器网络的优化6 3.1最有能量回收换热网络的合成方法6 3.2节能6 3.3设备投资的折旧费64结语6参考文献3换热网络若干问题的研究学生姓名：黎文俊 学号：20095053056化学化工学院 化学工程与工艺专业指导老师：于永生 职称：讲师摘要：在现代大型化工中，由于装置的大型化，生产费用中设备费所占比例下降，原料费和能量消耗费所占比例增大。而在能耗中，换热器网络所需的能耗是大多数化工过程总能耗的主要部分。本文详细介绍了换热网络的相关概念、特点以及优化方面的问题，使我们能够选择更合适的换热网络，使该网络所需的费用降到最低。关键词：换热网络合成；夹点；公用工程；换热器个数；优化Abstract: In the modern large chemical industry, due to a large unit, the production cost of equipment costs drop in the proportion of raw material cost and energy consumption, the proportion increased. In the energy, heat exchanger network required energy consumption is the most major part of the total energy consumption of chemical process. This paper introduces the heat exchanger network of related concepts, characteristics and optimization problems, so that we can choose more suitable heat exchanger network, make the network costs to a minimum.Key words: The synthesis of heat exchanger networks; pinch; public works; heat exchanger number; optimization绪论传热过程是化工生产中的基本过程，由于在现代大型化工中，生产费用的原料费和能量消耗费所占比例增大。而换热器网络所需的能耗是大多数化工过程总能耗的主要部分。故需要介绍换热网络的相关概念及其特点，并对其优化问题进行介绍，让我们对换热网络有一些深入的了解。从而更好地利用换热网络为人类服务。1换热网络1.1换热网络问题的提出传热过程是化工生产中的基本过程。首先，化工系统中有许多单元过程对物料的温度和相态都有一定的要求。其次，为了回收热量，需要进行物料之间的换热。再次，在一些单元过程内部，为了满足过程的工艺要求，保持一定的温度，需要及时移去或加入热量。在现代化工生产中由于装置的大型化，生产费用中设备费所占比例下降，原料费和能量消耗费所占比例增加。而在能耗中，换热器网络所需的能耗是大多数化工过程总能耗的主要部分。1.2换热网络合成的目标换热网络的合成目标是选择合适的匹配方案，使该网络的所需公用工程费用和设备投资之和为最低。1.3换热网络合成的研究方法研究方法大致可以分为三种：数学规划法、人工智能专家系统、热力学方法。1.3.1数学规划法数学规划法是根据换热网络特点建立数学模型，然后在约束条件下选择适宜的优化方法求解建立的目标函数，求最大的能量回收值，或者求最小公用设施消耗或投资费用值，从而得到最优的换热网络。数学规划法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。数学规划法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的复杂性和特殊性，其中连续变量和整数都具有非线性，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，所以对于同步优化的MINLP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。1.3.2人工智能专家系统人工智能包括十分广泛的科学，它由不同的领域组成1。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。迄今为止，人工智能技术应用于换热网络的优化合成还属于起步阶段，仍有许多待解决的问题，需要进一步完善和提高。1.3.3热力学方法热力学方法中以夹点技术法最为突出。夹点技术的核心是根据能量目标构造1个具有最大能量回收特性的初始换热网络。其基本点是先确定夹点，不允许通过夹点换热;再以最少换热设备数为目标，对初始网络进行调优，以减少换热设备数及设备投资费用，从而获得最优或接近最优的换热网络。计算机辅助夹点设计和模拟软件也有了很大的进展。如:Aspen技术公司的基于过程综合与集成的AspenPinc夹点技术计算软件、美国加州电力研究学院和弗吉尼亚大学等开发的用于夹点技术的原型专家系统等。国内也有多家单位开发了类似的软件，如:清华大学开发的EsoP软件，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。所有这些软件都在很大程度上方便了工程师对能量系统进行优化综合。综上所述，采用数学规划法建立换热网络的模型，受现有软硬件条件的限制，无法考虑全部的影响因素，必须对数学模型进行简化方可求解，这样就很难达到理论上的最优值;人工智能法的换热网络模拟优化还处于起步阶段，仍有许多待解决的问题。夹点技术虽然不能保证找到最优的解决方案，但它却是换热网络优化综合中最简单、直观的方法;此外夹点技术还能更迅速地找出最小公用工程能量消耗及最理想经济性能的换热网络2。2换热网络的基本概念2.1T-H图在合成换热器网络时，需要对每一股物流的温度、焓进行考察。为了直接形象，便于了解，通常用图形来表示，现在常用的是T-H图。流股T-H直线的平移不改变流股的初始、中止温度与交换焓的值2.2夹点2.2.1 过程系统的夹点及其意义夹点是冷流组合曲线与热流组合曲线间传热温差T达到最小值的点3。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，从中发现系统用能的“瓶颈”(bottleneck)所在，并给以解“瓶颈”的一种过程综合方法，其在过程用能的分析中的着眼点不只在单元设备，并更注意各单元之间的相互联系4。以往夹点技术在论述说明能量松弛法时,所使用换热网络的换热流体数目少,其结构也较简单;实际的化工换热网络换热流体众多,利用夹点技术设计出的初始网络结构复杂。在对一复杂换热网络所作的优化设计过程中,发现一些热负荷回路出现了以往夹点技术论述中所没有提及的新特点。用常规的方法对这些特殊的热负荷回路进行断开不太适合,可以对此改进，并借助流程模拟技术对此方法进行了检验5。2.2.2 过程系统夹点的准确确定复合温焓线可很直观地确定系统夹点的位置。但当物流较多时，复合温焓线显得很繁琐，并且不够准确，此时常采用问题表格法精确计算确定夹点位置，其步骤如下：(1)以冷、热流体的平均温度为标尺，划分温度区间。若取夹点温差为f ，热流体的平均温度下降f2，冷流体上升f2，这样可保证在每个温区内热物流温度比冷物流高f 以满足传热的需求。(2)对每个温区内进行热平衡计算，以确定各温区所需的加热量和冷却量。H -(qm,Lc-qm,Hc)(ti-ti+1) (1)式中：H 为第 区间所需外加热量，kw；劲 f和 qm,Hc分别是该温区内冷、热物质质量流速与比热容乘积之和，即热容流率之和，kWK；t 、t分别为温区的进、出口温度， 。(3)进行热级联计算。 计算外界无热量输人时各温区之间的热流通量。此时，各温区之间可有自上而下的热流流通，但不能有逆向热流流通。 为保证各温区之间的热通量不小于0，根据 中计算结果，取绝对值最大的负热通量为所需外界加入的最小热量，即最小加热公用工程用量，并由第一个温区输人；然后计算外界输入最小加热公用工程量时各温区之间的热通量；而由最后一个温区流出的热量，就是最小冷却公用工程用量。(4)温区之间热通量为0处，即为夹点6。2.2.3多夹点问题与无夹点问题对于多夹点问题换热网络，可将几个夹点中温度最小的1个夹点所对应的1组夹点信息显示给用户，同时绘制出换热网络的总组合曲线7。无夹点情况 - 门槛问题。2.3Tmin一般情况下，为了避免设备费用过大，总是规定一个最小的传热温差。用Tmin表示。一般设Tmin=10。按照夹点技术，采用Super Targeting法可以在设计网络之前，就能预测最佳夹点温差。其主要步骤是：（1）根据Tmin=HRAT，采用问题表格法或者温焓图确定能量回收量，进而计算网络的年运行费；（2）采用垂直换热模型确定网络的面积，采用图论中的欧拉定律确定夹点两边子网络的最小单元数，并按照每一单元分配相等面积的规则计算出网络的投资，进而计算相应的年费用；（3）费用相加得到总的年费用，不同的Tmin对应不同的年费用，其关系见下图8。但最新研究表明，采用单一最小传热温差确定夹点位置，其理论基础是假设所有过程流股具有相近的传热膜系数并使用同一类型的换热器9。很显然，这与实际不符，所以新的研究将会引入虚拟温度法进行换热网络综合。2.4最小公用工程用量为了充分利用热量减少公用工程消耗，在换热器网络中总是希望利用热流加热冷流，用冷流冷却热流。对于一定换热系统，已知冷热物流的进、出换热网络的温度，热容流率，以及最小传热温差条件下，依据夹点技术，便可得到所需的最小冷公用工程量QCmin和最小热公用工程量QHmin10。对于换热过程来讲，公用工程的流量常常被用来作为操作变量，因此某一股流量的变化也会对出口温度产生很大影响11。当换热量达到最大时，所需的热冷公用工程用量最小，此时的公用工程用量称为最小公用工程用量。通过控制夹点处冷热物流的温度，间接地降低换热网络夹点温度，达到减少公用工程的目的。即夹点控制策略12；通过对旁路流量的优化控制,使换热网络在某些过程物流的流量、温度发生变化时,换热网络的换热仍能满足工艺上的换热要求,公用工程能量消耗在现有的换热设备的基础上接近最小公用工程消耗量13。 2.5最小换热器个数的确定合成一个换热器网络时，为了使网络系统的年度生产费用最小，除了应合理减少公用费用外，还应考虑减少网络的设备费用。影响设备费用的因素主要有：网络的总换热面积、换热设备个数。据研究，当网络的热回收量一定时，不同结构的换热网络的总面积相差不大。因此，换热器个数成了影响网络设备费用的关键因素。在完成换热任务的前提下，网络的换热器个数减少到不能再少时，网络中所含有的换热器个数称为最小换热器个数。为了减少换热器个数，必须充分地在每个换热器中进行换热，理想的换热结果是一次换热能“剔除”一股物流，即一次换热完成之后，无需再考虑被提出物流的换热问题，它的目标温度已经达到。3换热器网络的优化3.1最优能量回收换热网络的合成方法为了使能量最大限度的回收，且使公用工程消耗最少，换热网络的设计原则是（1）不应有跨夹点的能量传递。（2）以夹点为界，在夹点之上不应设外冷却器，在夹点之下应设外加热器。（3）设计换热网络应从夹点开始向上下两个方向进行。3.2节能对换热网络进行能量分析时,需提取各物流的相关数据并绘制温焓图才能分析换热网络的能量利用瓶颈。Aspen Hx-net软件是Aspen公司研发的一款用于换热网络能量分析的软件,此软件的功能齐全,可以对换热网络进行全方位的分析与计算,为换热网络的优化与综合提供了准确的依据14。3.3设备投资的折旧费在设计换热网络时，工艺人员往往采用夹点法设计一个最优的换热网络，然而此最优的换热网络往往是无法长时间运行的。在换热网络的运行过程中，由于存在工艺条件变化和设备老化问题，同时其设备老化是一个慢时变的过程，主要原因是结垢热阻逐渐变大。这就需要换热网络留出一定的换热面积裕量，来适应未来工艺条件和结构的变化15。4结语详细介绍了换热网络的基本概念、特点及其优化，使我们对换热网络有进一步的了解，引发我们对换热网络费用问题更多的思考，使其更好地为人们所使用。参考文献1 陆泽浩.基于遗传算法的人工智能优化研究J.广西轻工业,2012,(161):77.2 赵辉,丁晓明,陈宏刚,等.换热网络综合方法的研究进展J.计算机与应用化学,2009,26(10):1317.3 魏艳艳,吴明.夹点理论及其在炼厂换热网络优化中的应用J.西安石油大学学报(自然科学版),2009,24(5