换热网络择优选取及优化过程

1.1 概述在大型过程系统中，存在大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被被冷却。大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多，如不同压力等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等。为提高能量利用率，节约资源与能源，就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高工艺过程的热力学效率。热集成网络的分析与合成，本质上是设计一个由热交换器组成的换热网络，使系统中所有需要加热和冷却的物流都达到工艺流程所规定的出口温度，使得基于热集成网络运行费用与换热设备投资费用的系统总费用最小。Aspen 能量分析器软件采用过程系统最优化的方法进行过程热集成的设计，其核心是夹点技术。它主要是对过程系统的整体进行优化设计，包括冷热物流之间的恰当匹配、冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中的一些设备如分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三维权衡；最终的优化目标是总年度运行费用与设备投资费用之和（总年度费用目标）最小，同时兼顾过程系统的安全性、可操作性、对不同工况的适应性和对环境的影响等非定量的过程目标。因此，夹点技术不仅可以用于热回收换热网络的优化集成，而且可用于合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用量，去除“瓶颈”、提高生产能力，分离设备的集成，减少生产用水消耗，减少废气污染排放等。在此基础上，利用Aspen Energy Analyzer 设计换热网络，具体步骤如下：（1） 确定流程中需要换热的冷流股和热流股；（2） 利用物流数据做出冷热流股的温焓图和总组合曲线图（GCC）；（3） 确定最小传热温差；（4） 找出夹点及最小冷、热公用工程用量；（5） 构建优化换热网络。1.2 工艺流股的提取过程流股的提取如下：流股名称进口温度/出口温度/热负荷/kWS305_To_S30795.97 70.00 8.363E+05V101V_To_C01OUT144.85 144.80 3.315E+07T402W_To_EX1O101.46 40.00 2.038E+06E401_Feed_To_40368.43 62.01 6.004E+07207_To_208253.36 20.00 7.400E+04202_To_20339.02 20.00 2.615E+06S303A_To_E303O100.03 40.00 3.905E+06B3V_To_COLOUT69.75 61.88 5.235E+07101_To_0146.10 120.00 3.355E+07405B_To_40920.00 66.55 1.672E+0604_To_103118.80 150.00 1.045E+07105_To_106156.17 20.00 6.119E+07AD_To_E302O70.47 25.00 4.302E+05CL401A_To_CL401B123.41 20.00 1.057E+07P405OUT_To_406122.12 122.97 6.941E+07To ReboilerT302_TO_S303B102.01 102.36 4.977E+06To CondenserT4_TO_T4D38.05 28.09 1.602E+06To ReboilerT202_TO_212B87.46 94.51 1.623E+07To ReboilerT4_TO_T4W82.51 83.21 1.814E+06To ReboilerT402_TO_T402W101.23 101.46 2.775E+06To ReboilerT5_TO_T5W59.70 60.46 4.713E+04To CondenserT5_TO_T5D21.21 20.97 4.674E+04To ReboilerT403D_TO_B4OUT89.63 102.55 6.218E+07R101_heat144.85 154.21 3.315E+07由于R101_heat反应器外已经模拟使用饱和水汽化带走热量，故反应器热应删去，V101V_To_C01OUT已经将这部分热量移走。1.3 换热网络的集成我们将所提取的工艺流股输入Aspen energy analyzer中，并对最小传热温差进行经济评估，获得总费用与最小传热温差的关系曲线，如图1-1所示：图1-1 总费用最小传热温差关系曲线图从图6-1总费用与最小传热温差关系曲线图中，对图中数据进行分析，确定本次工艺最小传热温差的指标有三点：1. 总费用最小。2. 操作弹性较好。3. 传热温差不宜过小防止传热推动力过小。根据以上三点我们选取最小传热温差为9。利用夹点分析：即对于冷热组合曲线图（T-H图）中，当冷热组合曲线在焓轴上平行移动时，热回收量增大而公用工程耗量减少，各部传热温差也减少。当曲线相互接近至某处垂直距离刚好等于最小传热温差时，热回收量达到最大，公用工程耗量最小。根据上述夹点分析技术利用Aspen energy analyse软件导出此时的过程组合曲线图和总组合曲线图。结果如图1-2、图1-3所示：图1-2 过程组合曲线图图1-3 总组合曲线图此时总费用和换热面积如图：由过程组合曲线图中可以看出，T-H图中含有较长的冷热物流相变平台区，为了回收该相变平台区的能量，本次工艺可通过对T0402塔设备实施热泵精馏技术以及利用饱和冷却水汽化取出反应放出的热量用于分离过程。 在删除了不合理的物流以及对组合曲线平台区实施热回收技术后，重新将物流导入Aspen Energy Analyzer中进行换热网络的集成优化，得到新的总费用与最小传热温差的关系如图1-4所示：图1-4 总费用与最小传热温差关系图（运用热泵精馏后）通过总费用与最小传热温差关系图的分析，确定本次工艺最小传热温差的指标有三点：1.总费用最小。2.操作弹性较好。3.传热温差不宜过小防止传热推动力过小。确定最小传热温差为9后绘制出此时的过程组合曲线图和总组合曲线图。结果如图1-5、图1-6所示：图1-5 过程组合曲线图（含热泵精馏）图1-6 总组合曲线图（含热泵精馏）1.4 构建优化换热网络通过对以上数据图表的深入分析，我们建立并优化了热交换网络，根据Aspen Energy Analyzer的计算，所有参与换热的流股形成的初始换热网络如图1-7所示：图1-7 最初换热网络图 利用平台区能量加入热泵精馏后的换热网络图如下：图1-8 加入热泵精馏后的换热网络使用Aspen energy analyzer的换热网络自动生成功能，将自动生成的换热网络与自主设计换热网络（Design7）进行对比如图1-9： 图1-9 方案比较由上图可见Design7的总费用远远低于其他方案，而且换热面积仅仅略高于Design5和Design9，综合可考虑选择Design7作为设计，达到以节能综合经济效益为目标的换热网络的设计要求，该换热网络如下图：图1-10 初步选定设计的换热网络该换热网络的换热器数目为25，按照最小换热器台数原则，撤去若干台换热器，如换热器能量很小，甚至接近0 kW，这些换热器的设置并不合理，可以撤除。在换热网络中出现的换热器Loop回路也是使得操作费用增加的原因，在实际操作中，一般不能有Loop回路的存在，故应该删去负荷或者换热面积较小的换热器，将其合并到换热器，打破回路，减少换热器数目。对于过远距离的换热，应删除。经过以上调节之后，删除了不经济的小的物流间换热器，并删除了一台远距离换热，最后获得优化后的换热网络如图1-11所示，该总费及换热面积如图1-12。图1-11 最终优化后的换热网络图1-12优化后的换热网络图及费用，换热面积图实施热集成后组合